FI120458B - Rainanmuodostuskoneen terä - Google Patents

Description

Rainanmuodostuskoneen terä Blad i en banformningsmaskin

5 TEKNIIKAN ALA

Keksintö liittyy patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään. Keksintö liittyy lisäksi patenttivaatimuksen 7 johdanto-osan mukaiseen terään.

10

Rainanmuodostuskoneen terä käsittää ainakin ensimmäisen materiaalikerroksen ja toisen, ensimmäiseen materiaa li kerrokseen liitetyn materiaalikerroksen, jolloin toisen materiaalikerroksen taivutusjäykkyys on suurempi kuin ensimmäisen mate-riaalikerroksen.

15

TEKNIIKAN TASO

Rainanmuodostuskoneissa, jotka käsittävät ainakin paperi-, kartonki-, pehmopaperi- ja sellukoneet käytetään teriä monissa sovelluksissa kuten esim. kaavinteri-20 nä, pääliystysterinä ja kreppausterinä, jolloin terät toimivat telaa vasten, WO julkaisussa 2005/049919 on esitetty menetelmä palkin tai tukirakenteen jäykistämiseksi rainanmuodostuskoneen jälkikäsittely-yksikössä. Jäykistäminen tapahtuu kiinnittämällä palkin tai tukirakenteen ulkopintaan ainakin yksi jäykis-25 tyselin, joka on valmistettu komposiittimateriaalista. Jäykistyselimen idea on nimensä mukaisesti jäykistää rakenne, johon se kiinnitetään. Jäykistyselimellä voidaan myös nostaa jäykistettävän rakenteen ominaisvärähtelytaajuutta siten, että se ylittää jäykistettävään rakenteeseen kohdistuvan pääasiallisen herätetaajuuden. Palkki voi olla terästä ja jäykistysclin voi muodostua hiilikuitukomposiittia ole-30 vasta liuskasta, jossa hiilikuituvahviste on epoksihartsimatriisissa. Jäykkyyden lisääminen terään ci lisää terän vaimennusta, vaan saattaa jopa pienentää sitä.

2 US patentissa 4,549,933 on esitetty kaavinterä, jossa on epähomogeeniset jäyk-kyysominaisuudet ja jossa on useita päällekkäisiä kuitumaisia kerroksia, jotka on suljettu epoksihartsiin. Komposiittisessa kaavinterässä on kuitumainen sisäkerros, 5 välikerroksia yhdensuuntaisilla grafiittikuiduilla ja ulkoisia kuitumaisia kerroksia. Yhdensuuntaisia grafiittikuituja sisältävät välikerrokset on suunnattu konesuun-taan. Ideana on saada kaavinterään riittävästi jäykkyyttä konesuunnassa, jotta terä kaavaisi hyvin ja toisaalta joustavuutta koneen poikkisuunnassa, jotta kaavinterä seuraisi telan pinnan epätasaisuuksia. Terä on siis pyritty optimoimaan siten, että 10 terän jäykkyydet eri suunnissa ovat erisuuret. Julkaisussa ei ole mainintaa terän vaimennusominaisuuksien parantamisesta.

FI patentissa 101636 on esitetty paperi- tai kartonkikoneen kaavinterä. Kaavinterä käsittää kuitulujitettuja muovikerroksia, joiden väliin on sijoitettu metallikerros 15 edullisesti ohut metallilevy, Kaavinterä muodostaa siten sandwich-tyyppisen rakenteen. Muovilevyjen kulkusuunnat on valittu tarvittavien ominaisuuksien mukaan. Julkaisussa ei ole mainintaa terän vaimennusominaisuuksien parantamisesta.

20 Kaavinteriä käytetään rainanmuodostuskoneissa telapintojen puhdistukseen, jolloin kaavinterällä kaavataan telan ulkopinnasta irti likaa. Ka av in terän ja telan ulkopinnan välinen kitka saattaa aiheuttaa niin sanotun ”stick-slip” värähtelyilmiön, jossa kaavinterän värähtely saattaa vaurioittaa telan ulkopintaa. Kaavinterä voi aiheuttaa telan ulkopintaan niin sanotun harvan merkinnän tai tiheän merkinnän. 25 Harvaan merkintään liittyvä kaavinterän ominaisvärähtelytaajuus on alueella 300 - 500 Hz ja taajaan merkintään liittyvä kaavinterän ominaisvärähtelytaajuus on alueella yli 2000 Hz. Matalimmilla taajuuksilla värähtelyyn osallistuu suurempia rakenteita, tyypillisesti koko kaavaripalkki. Suuremmilla taajuuksilla taas värähtely on paikallisempaa ja 2000 Hz taajuudella värähtely rajoittuu itse kaavinterään 30 tai terän ja teräpitimcn yhdistelmään. Tämän vuoksi kaavarin terä pitää värähte-lymielessä optimoida suuremmalle taajuudelle 2000 Hz.

3

Harvan merkinnän voimistumisen takana on niin sanottu synkroninen resonanssi-värähtely, joka syntyy seuraavasti: 5 Kaavinterän ja telan ulkopinnan välisessä liukukosketuksessa esiintyy aina mata-laenergistä häiriöitä. Häiriöt aiheuttavat sen, että kaavinterä värähtelee telan ulkopintaa vasten ominaisvärähtelytaajuudellaan.

Joistakin kaavinterän ja telan ulkopinnan kontaktin välisistä häiriöistä syntyy pie-.10 ni lovi telan ulkopintaan. Telan ulkopintaan syntynyt merkki muodostaa kuvion, jonka aallonpituuden määrää kaavinterän luonnollinen värähtelytaajuus ja telan ulkopinnan pyörimisnopeus.

Kun tela pyörii täyden kierroksen telan ulkopintaan jo muodostunut kuvio tulee 15 uudestaan kontaktiin kaavinterän kanssa. Telan ulkopintaan syntynyt kuvio toimii lähetteenä kaavinterän värähtelylle eli kuvio aiheuttaa iskun kaavinterään.

Tilanteessa, jossa telan pyörimisnopeus on sellainen, että telan ulkopintaan syntynyt kuvio osuu kaavinterään samassa vaiheessa kuin jo värähtelevä kaavinterä, 20 värähtely alkaa kasvaa. Ajan kuluessa kaavinterän värähtelytaajuus kasvaa eksponentiaalisesti.

Sama ilmiö voi myös esiintyä kahden nippikosketuksessa olevan telan välillä, jolloin ilmiötä kutsutaan barringiksi.

25

Tiheän merkinnän syntymekanismi on toisenlainen.

Teräpitimen geometria on sellainen, että kitka, jonka suunta on telan ulkopinnan tangentin suuntainen toimii itse-kuormittavalla tavalla tai siten, että kaavinterän 30 kuormitus kasvaa terän ja telan ulkovaipan välisestä kitkasta johtuen.

4

Kun kaavinterän ja telan ulkopinnan välinen kitka kasvaa, kaavinterä tarttuu pyörivään telan ulkopintaan, jolloin kaavinterän kuormitus kasvaa suuresti. Myös kaavinterän kosketuskulma telan ulkopintaan kasvaa kun kaavinterä ja sen pidin taipuvat.

5

Kun kaavinterän kuormitus ylittää telan ulkopinnan lujuuden, kaavinterä irrottaa materiaalia telan ulkopinnasta, jolloin kaavinterän kuormitus laukeaa. Kaavinterä ponnahtaa tällöin takaisin alkuperäiseen asentoonsa, 10 Kun stick-slip värähtely muodostaa merkintöjä telan ulkopintaan, ne toimivat vä-rähtelylähteinä, jolloin värähtely voimistuu.

Telojen ulkopinnoissa esiintyy paljon epäpuhtauksia, jotka kasvattavat kaavinteri-en ja telojen ulkopintojen välistä kitkaa, jolloin myös riski siitä, että kaavinterät 15 alkavat värähdellä kasvaa.

On myös todettu, että kun kalanterin termotelojen lämpötiloja on nostettu, kaavin-terien värähtelytasot ovat nousseet. Tämä johtunee siitä, että kaavinterien tarttuminen telan ulkopintaan lisääntyy suuremmissa lämpötiloissa. Käytettäessä mata-20 lia termotelan lämpötiloja kaavinteriä voidaan käyttää ongelmitta huomattavasti pidempään verrattuna tilanteeseen, jossa käytetään korkeita termotelan lämpötiloja.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

25

Keksinnön mukaisella ratkaisulla voidaan poistaa tai ainakin huomattavasti vähentää rainanmuodostuskoneen terän värähtelyä.

Keksinnön mukaisen menetelmän pääasialliset tunnusmerkit on esitetty patentti-30 vaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

5

Keksinnön mukaisen terän pääasialliset tunnusmerkit on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön muut tunnusomaiset ominaispiirteet on esitetty epäitsenäisissä patent-5 tivaatimuksissa.

Keksinnön mukaiselle terälle on tunnusomaista, että toinen materiaalilcerros on valittu siten, että sen häviökerroin saavuttaa mahdollisimman suuren arvon terän käyttölämpötilassa ja terän ongelmallisella värähtelytaajuudella, 10 Tällä tavalla saadaan toisen kerroksen vaimennusominaisuus maksimoitua terän käyttölämpötilassa ja terän ongelmallisella värähtelytaajuudella.

Eräässä edullisessa suoritusmuodossa terä käsittää lisäksi toisen materiaalikerrok-15 sen päälle muodostetun kolmannen materiaali kerroksen. Pintakerrosten värähtelystä aiheutuvat leikkausvoimat vaimenevat siten tehokkaasti keskikerroksessa.

KUVIOIDEN LYHYT SELOSTUS

20 Kuviossa 1 on esitetty kaaviomainen kuva kaavinlaitteistosta.

Kuviossa 2 on esitetty suurennos kuviossa 1 esitetystä kaavinterästä.

Kuviossa 3 on esitetty taivutusjäykkyys ja häviökerroin lämpötilan funktiona.

25

Kuviossa 4 on esitetty häviökerroin taajuuden funktiona.

EDULLISTEN SUORITUSMUOTOJEN SELOSTUS

30 Kuviossa 1 on esitetty kaaviomainen kuva kaavinlaitteistosta, joka käsittää telan 10 vaipan ulkopintaa 11 vasten olevan kaavinterän 20, joka on tuettu teräpitimeen 6 30, joka puolestaan on tuettu nivelpisteen N välityksellä tukipalkkiin 40. Teräpi-timen 30 ja tukipalkin 40 välisen nivelpisteen N molemmilla puolilla on kuormi-tusletkut 51, 52, joilla voidaan säätää teräpitimeen 30 kiinnitetyn kaavinterän 20 asemaa telan 10 vaipan ulkopinnan 11 suhteen. Telan 10 poikkileikkauksen pyö-5 rähdyskeskipistettä on merkitty viitemerkinnällä C.

Kuviossa 2 on esitetty suurennos kuviossa 1 esitetystä kaavinterastä 20. Kaavinte-rä 20 muodostuu pintakerroksista 21, 23 ja niiden välissä olevasta välikerroksesta 22.

10 Välikerros 22 on edullisesti seostettua epoksia. Kaikille epokseille on ominaista, että materiaalin jäykkyys pienenee lämpötilan kasvaessa. Epoksin jäykkyys ei pienene tasaisesti, vaan se putoaa romahdusmaisesti tietyssä lämpötilassa, jota lämpötilaa kutsutaan lasinsiirtymälämpötiläksi. Lisäksi epoksin jäykkyys kasvaa 15 kuormitustaajuuden funktiona ja sekin tapahtuu jyrkästi tietyllä taajuudella eli niin sanotulla transitiotaajuudclla.

Dynaamisessa kuormituksessa osa materiaaliin kohdistuvasta kuormasta varastoituu materiaaliin kimmoisana energiana ja osa muuttuu häviöiden vaikutuksesta 20 lämmöksi. Näiden energioiden suhdetta kutsutaan häviökertoimeksi eli häviöker-roin ~ yhden syklin häviöenergia / kimmoenergia.

Transitiotaajuudella epoksin jäykkyys kasvaa epoksista riippuen noin dekadin verran ja samalla materiaalin häviökerroin saavuttaa maksiminsa.

25

Molemmat edellä mainitut ominaisuudet riippuvat epoksiin sekoitettujen lisäaineiden määrästä ja laadusta. Epoksin seostus pitää siis optimoida siten, että seostetun epoksin häviökerroin saavuttaa maksiminsa ongelmallisella taajuudella ja käyttölämpötilassa.

30 7

Epoksin valinta tapahtuu siten, että mitataan kaavinterän 20 käyttölämpötila TO ja ominaisvärähtelytaajuus F0 käyttökohteessa. Ominaisvärähtelytaajuuden ollessa 2000 Hz ja käyttölämpötilan 80 Celsius astetta valitaan seostettu epoksi siten, että sen lasinsiirtymälämpötila 2000 Hz kuormitustaajuudella on 80 Celsius astetta. 5 Seostamaitoman epoksin lasinsiirtymälämpötila on matala, mutta lisäämällä seostusta epoksin lasinsiirtymälämpötila kasvaa.

Viskoelastisen materiaalin kimmomodulille voidaan laskea käyrästöjä alla esitetyn yhtälön (1) avulla, joka on ensimmäisen kertaluvun viskoelastisen materiaalin 10 materiaalimalli. Tämä malli pystyy kohtuullisella tarkkuudella kuvaamaan materiaalin käyttäytymisen trans itiö lämpötilan ja taajuuden ympäristössä.

£(ω) = £„ + £, *—...... (1) 0 £,+η(Γ)·/ω 15 missä: E0 ja Ej ovat materiaalin kimmomoduleja materiaalin lasinsiirtymäalueen ulkopuolella, η on materiaalin viskoelastisuutta kuvaava parametri (reiaksaatioai- ka).

Yhtälöllä (2), joka on yhtälön (1) itseisarvo saadaan materiaalin dynaaminen 20 kimmomoduli ja yhtälöllä (3), joka on yhtälön (1) kompleksiluvun vaihekulman tangentti saadaan materiaalin häviökerroin.

ih_ 1(ΕβΕ,γ V Ε?+ω*χ\2 25 tan δ =-;—- (3) Ε0Ε; +ω η (£0 + £,) 8 Lämpötilariippuvuus parametrille η saadaan niin sanotun WFL-yhtälön (Wilson-Landel-Ferry) (4) avulla.

i°gn a;) - iogn ) = - β-!'1}}. (4) 5

Kun valitaan Λ\ lasinsiirtymälämpötilaksi Tg) niin useimmille epokseille pätee C]—17,4 ja €2=51,6, jolloin saadaan: f 17,4(T-T) ) η(7) = βχρ(η(7 ))«exp---— (5) s 51,6 + (7-7) w 10

Varioimalla edellä mainituissa yhtälöissä materiaaliparametreja E0, Ei, η(Τ§) ja T„ saadaan piirrettyä käyrät, joiden perusteella voidaan valita sellainen seostettu epoksi, jonka häviökerroin on suurimmillaan halutussa lämpötilassa ja halutulla taajuudella.

15

Kuviossa 3 esitetyt käyrät 1*6 kuvaavat kuuden eri tavalla seostetun epoksin El, E2, E3, E4, E5 ja E6 häviökertoimia LF lämpötilan T funktiona ja kuvion 3 käyrät 01-06 kuvaavat vastaavien epoksien El, E2, E3, E4, E5 ja E6 kimmomodulin logaritmia LogE lämpötilan T funktiona. Kuviossa 3 esitetyt käyrät kuvaavat tilan-20 netta, jossa värähtelytaajuus on 10 Hz.

Kuviossa 4 on esitetty kuviossa 3 esiintyvän yhden seostetun epoksin E3 hä-viökerrointa LF taajuuden F funktiona. Kuviossa 4 esitetyt käyrät 1-6 vastaavat seostetun epoksin E3 lämpötiloja -20, 20, 25, 30, 40 ja 80 Celsius astetta. Kuvion 25 4 vaaka-akselilla on eksponentiaalinen asteikko.

Kuviossa 3 esitetystä käyrästöstä nähdään, että seostetun epoksin E3 (käyrä 3) häviökerroin LF on maksimialueella lämpötilassa noin 38 Celsius astetta. Kuviossa 4 esitetystä käyrästöstä nähdään puolestaan, että seostetun epoksin E3 (käyrä 3) 9 häviökerroin LF on maksimissaan värähtelytaajuudelta F noin 10 Hz lämpötilan ollessa 40 Celsius astetta.

Päällystämällä kaavinterä 20 seostetulla epoksilla E3 saadaan paras vaimennus 5 värähtelytaajuudella 10 Hz ja lämpötilassa noin 40 Celsius astetta.

Kuvioiden 3-4 perusteella voidaan päätellä, että terän värähtelyt saadaan tehokkaasti vaimennettua päällystämällä edullisesti teräksestä valmistettu kaavinterä 20 seostetulla epoksilla, jonka häviökerroin on mahdollisimman suuri terän käyttö-10 lämpötilassa. Vaimennus vaikutusta voidaan tehostaa valmistamalla terä 20 siten, että pintakerrokset 21, 23 ovat terästä ja välikerros 22 on seostettua epoksia. Pintakerrosten 21, 23 värähtelystä aiheutuvat leikkausvoimat vaimenevat siten tehokkaasti seostettua epoksia olevassa keskikerroksessa. Oleellista on eri kerrosten jäykkyysero ja keskikerroksen suuri häviökerroin. Pinta- ja pohjakerroksen ei 15 myöskään tarvitse olla samaa materiaalia. Koska paras vaimennus saavutetaan valitsemalla vaimennus- ja pintakerros sopivasti, saavutetaan etua, jos esim. pintakerroksena käytetään jäykempää materiaalia. Tällöin pintakerros voidaan jättää hyvin ohueksi. Terä voidaan valmistaa esim. siten, että pohjakerros on terästä, välikerros on seostettua epoksia ja pintakerros on hiilikuitukomposiittia. Hiili-20 kuidun suuri vetojäykkyys mahdollistaa hyvin ohuen pintakerroksen. Terän pohjakerroksen paksuus voisi olla 2 mm, välikerroksen 3 mm ja pintakerroksen 1 mm. Terästä oleva pohjakerros muodostaa edullisesti terän kulutukselle alttiin kärkiosan.

25 Tällaisella kolmen kerroksen rakenteella saadaan aikaan niin sanottu ’’constrained layer damping”. Perusmateriaalin päälle lisätään pehmeämpää ja suuremman hä-viökertoimen omaavaa materiaalia ja sen päälle lisätään vielä pidätinkerros. Tai-vutusvärähteiyssä vaimennuskerroin siirtää leikkausvoiman pidätinkerrokseen rakenteen taipuessa. Materiaalien erisuuruisista kimmokertoimista johtuen vai-30 mennuskerroksen kannettavaksi tulee suuria leikkausvoimia ja materiaalin hä~ viökerroin saadaan hyödynnettyä. Kerrospaksuudet on edullista optimoida siten, 10 että vaimennuskerrokseen syntyy taivutuksessa mahdollisimman suuri leikkausjännitys (muodonmuutos) ja että kokonaispaksuus säilyy sallituissa rajoissa. Lisäksi rakenteelle on saatava riittävän suuri taivutusjäykkyys.

5 Edellä esitetyt esimerkit perustuvat häviökertoimen osalta optimoidun seostetun epoksin käyttöön rainanmuodostuskoneen terän yhteydessä, mutta seostetun epok-sin sijaan voitaisiin käyttää myös jotakin muuta elastomeeria kuten polyuretaania tai kumia, joiden häviökertoimet käyttäytyvät samalla tavalla kuin seostetun epoksin.

10

Keksintöä on edellä selostettu kaavinterän yhteydessä, mutta keksintöä voidaan käyttää myös päällystystcrän ja kreppausterän yhteydessä. Päällystysterä ja krep-pausterä altistuvat vastaavanlaiselle värähtelylle kuin kaavinterä.

15 Kuviossa lesitetty teräpidin 30 on kiinnitetty nivelpisteellä N tukipalkkiin 40, jolloin teräpitimen 30 ja tukipalkin 40 välinen kiinnitys on joustava. Tällaisessa tilanteessa riittää yleensä, että pelkästään terä 20 vaimennetaan seostetulla epoksi-kerroksella, jonka häviökerroin on valittu optimaalisesti terän käyttölämpötilan ja ongelmallisen värähtelytaajuuden perusteella. Tilanteessa, jossa terä 20 ja teräpi-20 din 30 on tuettu jäykästi tukipalkkiin 40 saattaa olla, että pelkkä, terän 20 vaimentaminen epoksilla ei riitä. Tällöin täytyy myös teräpidin 30 ja mahdollisesti myös tukipalkki 40 vaimentaa epoksilla.

Edellä on esitetty ainoastaan eräitä keksinnön edullisia suoritusmuotoja ja alan 25 ammattimiehelle on selvää, että niihin voidaan tehdä lukuisia modifikaatioita oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (12)

1. Menetelmä rainanmuociostuskoneeii terän valmistamiseksi, joka terä (20) muodostetaan ainakin ensimmäisestä materiaalikerroksesta (21) ja toisesta, ensimmäiseen 5 materiaalikeiTokseen liitetystä materiaalikerroksesta (22), jolloin toisen materiaali-kerroksen (22) taivutusjäykkyys on suurempi kuin ensimmäisen materiaalikerroksen (21), tunnettu siitä, että: - määritetään terän (20) käyttölämpötila, - määritetään terän (20) ongelmallinen värähtelytaajuus, 10. valitaan toinen materiaalikerros (22) siten, että sen häviökerroin (LF) saavuttaa mahdollisimman suuren arvon terän (20) käyttölämpötilassa ja terän (20) ongelmallisella värähtelytaajuudella (F).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan 15 toisen materiaalikerroksen (22) päälle kolmas materiaaiilcerros (23).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valitaan ensimmäiseksi materiaalikerrokseksi (21) teräs, toiseksi materiaalikerrokseksi (2) seostettu epoksi tai polyuretaani tai kumi ja kolmanneksi materiaalikerrokseksi teräs tai hiili- 20 kuitukomposiitti.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että terää (20) käytetään kaavinteränä.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että terää (20) käytetään päällystysteränä.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että terää (20) käytetään kreppausteränä. 30

7. Rainanmuodostuskoneen terä, joka käsittää ainakin ensimmäisen materiaaiiker-roksen (21) ja toisen, ensimmäiseen materiaalikerrokseen liitetyn materiaalikerrok-sen (22), jolloin toisen materiaalikeiToksen (22) taivutusjäykkyys on suurempi kuin ensimmäisen matenaalikerroksen (21), tunnettu siitä, että toinen materiaalikerros 5 (22) on valittu siten, että sen häviökerroin (LF) saavuttaa mahdollisimman suuren arvon terän (20) käyttölämpötilassa ja terän (20) ongelmallisella värähtelytaajuudelta (F).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen terä, tunnettu siitä, että terä (20) käsittää lisäksi 10 toisen materiaa li kerroksen (22) päälle muodostetun kolmannen materiaalikerroksen (23).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen terä, tunnettu siitä, että ensimmäinen materiaa-likerros (21) on terästä, toinen materiaalikerros (2) on seostettua epoksia tai polyurc- 15 taania tai kumia ja kolmas materiaalikerros on terästä tai hiilikuitukomposiittia.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen terä, tunnettu siitä, että terä (20) on kaavinterä.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen terä, tunnettu siitä, että terä (20) on päällystysten.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen terä, tunnettu siitä, että terä (20) on kreppausterä.