FI118545B - Järjestely värähtelevän massan värähtelyjen vaimentamiseksi paperi-/kartonkikoneympäristössä - Google Patents

Description

χ 118545 Järjestely värähtelevän massan värähtelyjen vaimentamiseksi paperi-/kartonkikoneympäristössä

Keksintö liittyy paperi7kartonkikoneiden, jälkikäsittelylaitteiden, leikkureiden 5 ja muiden paperi-/kartonkikoneympäristöön kuuluvien laitteiden ja niiden käyttölaitteiden osiin syntyvien värähtelyjen vaimentamiseen.

Paperi-/kartonkikoneympäristössä esiintyy jatkuvasti erityyppisiä värähtelyhe-rätteitä. Jaksollisen herätevoiman taajuuden lähestyessä jotakin koneen tai 10 rakenteen ominaistaajuuksista häviää rakenteen jäykkyys pakkovoimaa vastaan, ja tällöin ainoastaan vaimennus rajoittaa värähtelyamplitudin kasvua. Herätetaajuuden ollessa sama kuin ominaistaajuus puhutaan resonanssista ja resonanssivärähtelystä. Muotoa, jolla kone värähtelee ominaistaajuudellaan, kutsutaan ominaismuodoksi. Nykyisillä paperin tuotantonopeuksilla esiintyy 15 paperikoneympäristössä aina jonkinlaisia resonanssivärähtelyltä.

Tyypillisesti koneiden ja teräsrakenteiden ominaismuotokohtainen vaimennus on vähäistä. Tällöin rakenteiden vaste resonanssissa kasvaa suureksi. Seura- • · · uksena on mekaanisten osien ennenaikaisia rikkoontumisia ja usein myös ««·· 20 tuotantomenetyksiä niin lisääntyneiden huoltotöiden kuin tuotannon laatuon- *·♦· : j*; gelmien osalta.

»»« · • · · • · M»

Resonanssivärähtelyiden vaimennukseen on tavallisesti käytetty dynaamista massavaimenninta. Kuviossa 1 on kuvattu kaaviomaisesti dynaamisen mas- 25 savaimentimen perustoteutusta, jossa värähtelevään rakenteeseen lisätään jousitettu apumassa, joka viritetään vaimennettavalle ominaistaajuudelle.

: :*: Tällöin resonanssissa värähtelevä apusysteemi aiheuttaa primäärisysteemille *·· värähtelyä kumoavan voiman. Apumassan lisäys tekee systeemistä kahden • · · .·!·. vapausasteen värähtelijän, jolla on kaksi ominaistaajuutta. Taajuudet sijait- • * · • · : 30 sevat lähellä alkuperäistä taajuutta sen molemmin puolin. Taajuuksien etäi- • · syys toisistaan riippuu yksinomaan apumassan ja vaimennettavan massan massasuhteesta, joka on tyypillisesti alueessa n. 10 % - n. 20 %. Kuviossa 1 118545 2 mi on massa, jonka värähtelyjä pyritään vaimentamaan apumassan m2 avulla. ki ja k2 kuvaavat jousia tai joustavia rakenteita, Ci ja c2 kuvaavat vaimennusta, esimerkiksi polymeerin tai muun materiaalin häviön tai viskoosin nesteen aiheuttamaa vaimennusta. Jousi ki kuvaa yleensä massan ripustuksen 5 jousivakiota, eli jousena ki toimii esimerkiksi paperikoneen telojen, laakerien, rungon ja telapinnoitteiden jousto. Massa ml on esimerkiksi värähtelevä tela. Vaimennin Ci pitää sisällään edellä mainittujen joustavien osien sisäiset häviöt. Vaimentimena toimii matemaattisessa mielessä kaikki häviöt, jotka pienentävät resonoivan värähtelijän hyvyyslukua Q. Eli jousi ki ja vaimennin Ci 10 ovat aina osa järjestelmää, ja tästä syystä yleensä kaikilla paperikoneen osilla on ominaistaajuus ja värähtelyalttius. Vaimentamattoman massan mi ominaistaajuuden kulmataajuus on a=W( ki/ mi).

Dynaamisen massavaimentimen ongelmana on se, massa m2 ei voi olla mon-15 taa kertaluokkaa pienempi kuin massa mi. Mikäli massa m2 on pieni verrattuna massaan mi, pitää massan m2, c2 ja k2 muodostaman värähtelijän hy-vyysluvun olla suuri, jolloin vaimennin on hyvin kapeakaistainen ja vaimenti-men värähtelyn amplitudi on iso ja värähtely saavuttaa vakiotilan muutosten • · · jälkeen hitaasti. Koska paperivalmistusympäristössä yleensä värähtelevät 20 massat ovat isoja ja herätteen ja myös systeemin ominaistaajuus vaihtelee **** ajonopeuden ja esimerkiksi telakuorman tai telan lämpötilan mukaan ja hera- ··· · : :*: te on usein laajakaistaista, on dynaaminen massavaimennin usein heikosti • · · toimiva ratkaisu, vaikka sitä viritettäisiin tietokoneen ohjaamana, kuten hakijan aiemmissa patenteissa FI 101320 ja FI 104208 on esitetty.

: 25 • * · • · ·

Massavaimentimen ongelmana on, ettei se vaimenna tehokkaasti kuin kape- : :*· aa taajuusaluetta, ja se voi kierrosnopeutta muutettaessa jopa hetkellisesti »·· vahvistaa värähtelyä. Tehokkaasti toimiessaan dynaaminen massavaimennin • · · .·!·. vaatii suhteellisen suuren massasuhteen (nV mi) vaimentimen apumassan • · .·. : 30 ja vaimennettavan massan välillä, jolloin apumassa m2 on hankalan suuri.

• S

Kun herätetaajuus on vaihteleva, on paras vaimennin sellainen, jolla on suuri sisäinen vaimennus (esim. puristinosalla herätetaajuuksia on lukuisia). Suuri 118545 3 sisäinen vaimennus toisaalta vaatii suuren apumassan, jotta edes resonanssi-taajuudella saadaan riittävä vaimennusteho.

Suurissa rakenteissa massavaimentimien käyttö on ongelmallista seuraavista 5 syistä: Massavaimentimen vaimennusteho riippuu ainoastaan massasuhteesta, joka suurissa rakenteissa on yleensä pieni. Massasuhteen ollessa pieni on myös optimaalinen vaimennus pieni. Tällöin apumassan viritys oikealle taajuudelle on tarkkaa, ja pienikin poikkeama aiheuttaa huomattavan heikennyksen apumassan suorituskykyyn. Lisäksi apumassa saavuttaa vakiotilan 10 sitä hitaammin mitä pienempi vaimennuskerroin on, vaikka vaimenninta viritettäisiin aktiivisesti tarkasti yhdelle vaimennettavalle taajuudelle. Tällöin muutostilat voivat olla hankalasti hallittavia.

Dynaamisen massavaimentimen parannelmissa vaimentimen sisäistä vai-15 mennusta pyritään lisäämään. Näin vaimennin saadaan toimimaan laajemmalla taajuusalueella. Vaimentimen sisäistä vaimennusta lisätään tavallisesti viskoelastisten materiaalien avulla. Myös sähköisiä ja hydraulisia vaimentimia on käytetty, esimerkiksi pietsosähköisiä, magneettisia ja nestevaimentimia.

• · ·

Vaimennuksen lisääminen laajentaa vaimentimen käyttökelpoista taajuusalu- ···· 20 että, mutta samalla pienentää suurinta vaimennusta. Yleensä dynaamisen • ΦΜ : .*. vaimentimen vaimennusta lisätään polymeerien avulla. Polymeereillä suurin ··· · • ·*· vaimennus saavutetaan yleensä hyvin kapealla lämpötila-alueella tilanteessa, • · · jossa materiaalin jäykkyys vähenee merkittävästi. Tämä on ongelma paperi- lt· teollisuuden sovelluksissa, joissa lämpötila voi vaihdella hyvinkin laajalla alu-25 eella, jolloin vaimennin ei toimi tehokkaasti kaikissa olosuhteissa eikä sen O käyttäytyminen ole lineaarista, mikä aiheuttaa ongelmia eri sovelluksissa.

. Kuvio 2 esittää viskoelastisella polymeerillä sisäisesti vaimennetun dynaami-

• M

sen massavaimentimen vaimennuksen lämpötilariippuvuutta. Tg on polymee- «·· .•X rin lasittumislämpötila.

X*! 30 *· **

Esillä olevan keksinnön päämääränä on aikaansaada parannettu järjesteiy värähtelevän massan värähtelyjen vaimentamiseksi paperi-/kartonki- 4 118545 koneympäristössä. Tämän päämäärän saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle jäijestelylle on tunnusomaista se, että vaimennusjärjestelyyn kuuluu värähtelevään massaan liittyvä impaktivaimennin.

5 Seuraavassa keksintöä selostetaan lähemmin oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa:

Kuvio 1 esittää kaaviollisena periaatekuvana tunnetun tekniikan mukaista dynaamista massavaimenninta, 10

Kuvio 2 esittää polymeerimateriaalin jäykkyyttä ja vaimennusta lämpötilan funktiona, ja

Kuvio 3 esittää erästä keksinnön mukaista vaimenninjärjestelyä kaaviolli-15 sena periaatekuvana,

Keksinnön mukaisesti dynaamisen massavaimentimen lisäksi tai sen tilalla v käytetään paperi-/kartonkikoneiden, jälkikäsittelylaitteiden, leikkureiden ja • · · J muiden paperi-/kartonkikoneympäristöön kuuluvien laitteiden ja niiden käyt- "I 20 tölaitteiden osien yhteydessä impaktivaimenninta. Kuviossa 3 on esitetty eräs keksinnön mukainen vaimennusjäijestely, johon kuuluu dynaaminen massa-vaimennin 10 ja impaktivaimennin 11. Impaktivaimennin muodostuu esimer- ··· .*··; kiksi irtonaisesta jäykästä impaktimassasta m3 ja kotelo-osasta 12, johon se »#· sijoitetaan. Impaktimassa voi muodostua yhdestä tai useasta kiinteästä mas- :25 sapartikkelista. Kotelon 12 sisämitat on valittu niin, että impaktimassan m3 ··· ympärillä on välystä, jolloin massalla on mahdollisuus törmäillä kotelon sei- . λ niin. Impaktimassa m3 voi olla myös suurempi kuin apumassa m2, jolloin itse ··· .···. asiassa apumassa liikkuu suuremmalla nopeudella kuin impaktimassa. Im- ·· paktivaimentimen kotelo-osa 12 voidaan tehdä erillisenä rakenteena, joka • · · 30 liitetään sitten osaksi massavaimenninta 10 tai se voi olla massavaimentimen • ·♦ rakenteen integraalinen osa. Impaktivaimennin voidaan rakentaa kuvan 3 mukaisesti, jolloin impaktivaimennin 11 on kiinni dynaamisen vaimentimen s 118545 10 apumassassa m2 tai impaktivaimennin voi olla kiinni suoraan värähtelevässä kappaleessa mi, jolloin dynaaminen massavaimennin 10 voidaan jättää kokonaan pois.

5 Impaktivaimennin voidaan ajatella toteutettavaksi myös monella muulla tavoin kuin koteloidun massan avulla. Esimerkiksi impaktimassa voi olla tangolla liikkuva luisti, joka törmää tangolla olevaan toiseen massaan tai impaktimassa voi koostua sisäkkäisistä eri tavoin joustavista putkista, jolloin putket toimivat samalla kertaa jousena, massana ja impaktimassana. Muita sinänsä 10 tunnettuja impaktimassan toteutustapoja on roikkuva tai vaakapinnalla liukuva ketju, haulilaatikko ja haulipussi. Impaktimassa voi olla myös laatikko, jonka sisällä on hauleja, jolloin törmäyksen kitkahäviöt kasvavat. Laite toimii keksinnön mukaan, kunhan värähtelyn energian avulla tuotetaan törmäyksiä, jossa värähtelyenergiaa siirtyy impaktimassan nopeusmuutokseksi ja osa 15 energiasta muuttuu kitkan vaikutuksesta lämmöksi.

Impaktivaimentimen toiminta perustuu vapaasti liikkuvan massan törmäyksiin ,v# ja siitä aiheutuviin liikemäärän muutoksiin. Itse törmäyksessä energiaa kuluu • · · *.j. pääasiassa kitkan vaikutuksesta. Törmäyksessä tapahtuvan liikemäärän muu- 20 toksen seurauksena impaktimassa vaihtaa liikesuuntaansa. Toisaalta primää- : .·. rimassan liikemäärä pienenee impaktimassalle luovutetun liikemäärän verran, ··· · . .·. jolloin sen liike hidastuu. Tavoiteltu vaimennus aiheutuu, kun primäärimassan ··· ;***. liike hidastuu, jolloin myös sen amplitudi pienenee. Tässä yhteydessä va- ··· päästi liikkuva massa voi olla myös jousitettu tai se voi olla vaimentavasti :25 ripustettu. Olennaista on, että massa pääsee törmäämään ja liikemäärää siir-··« : tyy impaktimassan ja primäärimassan välillä.

• · · • · · ♦ · · ;***: Vakiotilassa impaktimassaan siirtyvä liikemäärä on suurimmillaan, kun törmä- ··· φ.\. ys tapahtuu kaksi kertaa värähtelyjaksossa, jolloin törmäykset tapahtuvat • · · 30 joka jaksossa eri suuntiin. Impaktimassan törmäysten taajuutta voi säätää • ·· muuttamalla massan ympärillä olevaa välystä. Mahdollisesti voidaan säätää myös impaktimassan ripustusta, massan suuruutta tai törmäyksen kimmoi- 118545 6 suutta. Välyksen säätäminen on yleensä helpointa. Käytettäessä impaktimas-sana magneettista materiaalia voidaan säätö suorittaa sähkömagneeteilla, joilla säädetään suhteellisen helposti impaktimassan kotelo-osan seinämiin tapahtuvien törmäysten tiheyttä. Impaktimassan välystä säädetään yleensä 5 niin, että massa törmää kaksi kertaa värähtelyjakson aikana. Tämä säätö on suhteellisen helppo tehdä aktiivisestikin tietokoneen ohjaamana, koska törmäysten ja värähtelyn taajuuden mittaaminen on helppoa ja törmäilevä massa saavuttaa vakiotilan huomattavasti nopeammin kuin pienimassainen dynaaminen vaimennin. Impaktivaimentimen törmäysvälyksen säätö ei ole yhtä 10 kriittinen kuin aktiivisesti säädetyn dynaamisen massavaimentimen jousivakion tai massan säätö. Dynaamisen massavaimentimen ongelmana on se, että sillä on aina vaimennettavan taajuuden lähellä resonanssitaajuus, joten ajo-parametreja muutettaessa joudutaan ohittamaan resonanssitaajuus. Impak-tivaimentimella ei ole yhtä selvää resonanssitaajuutta.

15

Dynaamisen massavaimentimen ollessa kevyt suhteessa vaimennettavaan rakenteeseen ja sen sisäisen vaimennuksen ollessa pieni, kasvaa sen ampli-tudi suureksi. Tällöin lisävarusteena oleva impaktivaimennin toimii tehokkaas- *·*·* ti ja herkästi. Massavaimentimeen liitetty impaktivaimennin lisää vaimenti- « · · * 20 men vaimennusta ja pienentää samalla tarvittavaa apumassaa.

«·*· • » ♦ * · ♦ · · ··« · :Keksinnöllä saavutetaan mm. seuraavia etuja: ♦ ·· ·** • · • · «·· - Vaimentimen vaimennusta voidaan säätää yksinkertaisesti muuttamalla :j\* 25 impaktivaimentimen kotelon ja impaktimassan välistä välystä. Tämä on to- dennettu käytännön kokein. Säätö voi perustua myös magneettisen materi- ; .·. aalin ja sähkö- tai kestomagneettien käyttöön.

• · · « « · • · • « • · « . v, - Vaimentimen vaimennus ja toiminta eivät ole lämpötilariippuvaisia.

* · · • · aa .*.: 30 • · · • * 7 118545 - Vaimentimen toimintataajuusalue on laaja (todettu mittauksin) ja vaimen-timen viritys toimintataajuudelle ei ole yhtä tarkkaa kuin dynaamisen vaimentimen.

5 - Pienellä massasuhteella/ joka on edullisesti alueessa n. 1 - 5 %, voidaan eliminoida kokonaan aiempi ongelmallinen ominaistaajuus ja lisäksi voidaan vaimentaa kaksihuippuisen taajuusvasteen molempia huippuamplitudeja noin 50-70 % pienemmäksi kuin alkuperäinen vaste resonanssissa. Lisäksi vaimentimen amplitudi jää pieneksi vaikka massasuhde on pieni.

10 - Primäärirakenteen ominaismuotokohtainen vaimennus lisääntyy moninkertaiseksi (todettu mittauksin).

- Yksinkertainen ja edullinen toteuttaa.

15 - Kulutuskestävä, vaimentimen jouset rasittuvat vähemmän ja vaimennus C2 ei ole tarpeen tai sen toiminta on vähemmän kriittinen.

;V.

• * · • · ·;. - Impaktimassan törmäyksistä huolimatta ei aiheuta merkittävää meluhait- ·*·♦ ··· 20 taa. Meluhaitan laatuun voidaan vaikuttaa myös impaktikotelon tukevuuden ··*· ja impaktimassan ja kotelon törmäyspintojen materiaalin valinnalla. Tukeva s,·*: kova kotelo ja kova kimmoinen törmäys aiheuttaa korkeataajuisen äänen, ·*.**·* joka toisaalta on vaimennettavissa paikallisesti koteloimalla vaimennin. Peh meä törmäys taas aiheuttaa melko vähän matalataajuista ääntä, kunhan kosi.: 25 telo ei resonoi törmäyksessä syntyvällä taajuudella. Muutenkin impakti- «·« vaimentimen tyypillinen meluongelma ei ole merkittävä paperikoneympäris- : tössä, ja melun vaimentaminen alle pohjamelun onnistuu helpolla.

« · · • · · • ♦ • · • « · , v. - Verrattuna aktiivisesti säädettävään dynaamiseen massavärähtelijään, im- • * · 30 paktivaimennin sopii huomattavasti paremmin sovelluksiin, joissa heräte on • · · mahdollisesti laajakaistainen tai herätteen taajuus vaihtelee. Impaktivaimen-nin yhdistettynä dynaamiseen massavaimentimeen on testien mukaan sa- 118545 8 manpainoista pelkkää dynaamista massavaimenninta laajakaistaisempi ja siten paljon helpommin viritettävissä. Impaktivaimennin on helposti rakennettavissa vähemmän tilaa vieväksi. Lisäksi voimakkaasti värähtelevä kapeakaistainen dynaaminen massavaimennin kuluu melko nopeasti, koska 5 jousi rasittuu voimakkaasti. Ajoparametrien muuttuessa voimakkaasti värähtelevän massan taajuus voi hetkellisesti virittyä sivuun ja aiheuttaa jopa värähtelyn voimistumista. Impaktivaimennin toimii hyvin myös kun herätteen taajuus muuttuu äkillisesti.

10 Keksinnön mukaisella järjestelyllä saavutetaan samalla kertaa laajempi vai-mennuskaista ja hyvä maksimivaimennus. Verrattuna sisäisellä vaimennuksella varustettuun yhtä laajakaistaiseen vaimentimeen, maksimivaimennus on huomattavasti suurempi. Verrattaessa kapeakaistaiseen vaimentamattomaan dynaamiseen massavaimentimeen, ero ei maksimivaimennuksessa ole kovin 15 suuri, mutta tarkan ominaistaajuuden ulkopuolella ero on suuri keksinnön mukaisen vaimentimen hyväksi.

. . Keksinnön mukainen järjestely soveltuu erityisesti nippitelojen värähtelyjen I · « *.J# vaimentamiseen mutta sovelluskohteena voi olla muutkin paperi- tai karton- * 20 kikoneympäristöön kuuluvat värähtelevät rakenteet, kuten runkorakenteet, leikkurit, käyttölaitteet. Impaktivaimennin on pienikokoisena mahdollista si- i 1 · "!·! joittaa myös telan sisäpuolelle.

• 1 · t · · • · • · ··» • 25 • · t “ • · · »·· • m · »I1 • 1 · • · · · · ··· • · • · • · · • · • 1 1 Φ · · • · · • · « • «· * ·

Claims (10)

1. Järjestely värähtelevän massan värähtelyjen vaimentamiseksi pape-ri-/kartonkikoneympäristössä, tunnettu siitä, että vaimennusjärjestelyyn 5 kuuluu värähtelevään massaan (ml) liittyvä impaktivaimennin (11).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen värähtelyjen vaimennusjärjestely, tunnettu siitä, että järjestelyyn kuuluu dynaaminen massavaimennin (10), jossa on värähtelevään massaan (ml) jousielimen (k2) avulla liitetty apumassa 10 (m2), ja että impaktivaimennin (11) on järjestetty mainitun dynaamisen massavaimentimen yhteyteen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen värähtelyjen vaimennusjärjestely, tunnettu siitä, impaktivaimennin (11) on muodostettu dynaamisen massa- 15 vaimentimen (10) integraalisena osana.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen värähtelyjen vaimennusjäijestely, tun-nettu siitä, impaktivaimennin (11) on liitetty erillisenä osana dynaamiseen • · « \\t massavaimentimeen (10). 20 :!·.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen värähtelyjen vaimennusjärjes- . .·. tely, tunnettu siitä, että impaktivaimennin (11) muodostuu kotelo-osasta ·*· :*·*. (12), johon on sijoitettu irtonainen jäykkä impaktimassa (m3), joka impaktl· ·· massa muodostuu yhdestä tai useammasta kiinteästä massapartikkelista, 25 jolloin impaktimassan (m3) ja kotelo-osan (12) välillä on välys, joka sallii im-paktimassan (m3) törmäävän kotelo-osan seinämiin. · · • •ft .·**.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen värähtelyjen vaimennusjärjes- ··· tely, tunnettu siitä, että impaktivaimennin (11) on varustettu säätöelimillä • * · 30 sen vaimennustehon säätämiseksi. • ·· • · 10 1 1 8545

7. Patenttivaatimuksen 5 ja 6 mukainen värähtelyjen vaimennusjärjestely, tunnettu siitä, että vaimennustehon säätöelimiin kuuluu elimet joiden avulla säädetään impaktimassan ja kotelo-osan (12) välistä välystä.

8. Patenttivaatimuksen 5 ja 6 mukainen värähtelyjen vaimennusjärjestely, tunnettu siitä, että impaktimassa (m3) on magneettista materiaalia ja että vaimennustehon säätöelimiin kuuluu sähkö- tai kestomagneetit, joilla vaikutetaan impaktimassan ja kotelo-osan (12) seinämien välisten tömäysten tiheyteen.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen värähtelyjen vaimennusjärjestely, tunnettu siitä, että impaktivaimentimessa on elimet, joilla impaktimassa on tarvittaessa lukittavissa paikoilleen kotelo-osan suhteen.

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen värähtelyjen vaimen nusjärjestely, tunnettu siitä, että vaimentimen ja vaimennettavan värähtelevän massan välinen massasuhde on alueessa n. 1 - n. 5 %. • 1 • · · « 1 « • » • · · ·1·· *·· *·· • · • · · • · · ··· · • · · • · · ··· *·· • · • · ··· # · · • · · IM «1· • · • · f · 1 • · 1 • · · • M • M « · «M · « · · • · • 1 • 1 · • ·· • · 11 1 1 8545