FI121998B - Taipumakompensoitu teräpalkki - Google Patents

Description

Taipumako mpensoitu teräpalkki

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen taipumakompensoi-tu teräpalkki paperiteollisuuden kaavinterien ja kaavinsauvojen kannattelemista ja 5 kuormittamista varten.

Paperia ja kartonkia päällystetään johtamalla liikkuvalle materiaalirainalle päällys-teseosta, joka levitetään tasaiseksi kerrokseksi rainan pinnalle. Päällyste voidaan tasoittaa ja materiaalirainan pintaan jäävä päällystemäärä säätää halutuksi esimerkiksi kaavin-10 terällä tai kaavinsauvalla. Päällystettävä raina kulkee päällystyskoneessa kaavinterän ja sopivan tuen, yleensä pyörivän telan, välistä. Terä kaapii rainalta ylimääräisen päällysteen ja tasoittaa sen tasaiseksi kerrokseksi rainan pinnalle. Jotta päällystekerroksesta tulisi mahdollisimman tasainen, rainan ja kaavinterän välisen raon tulisi olla mahdollisimman tarkasti samanlevyinen koko rainan leveydeltä. Kaavinterää rainaa vasten pai-15 navan voiman tulisi olla suuri ja vakiosuuruinen koko terän leveydeltä, jotta päällyste saataisiin leviämään tasaisesti rainalle myös suurilla rainan nopeuksilla. Teräpalkin suoruuden olisi pysyttävä noin 0,1 mm tarkkuudella vakiosuuruisena. Ympäristöstä johtuvat epätasaiset lämpökuormat ja palkin kulman muutokset pyrkivät kuitenkin aiheuttamaan huomattavasti suurempia taipumia. Leveissä koneissa taipuma voi olla jopa 1,0 20 mm rainan leveyden ollessa 8 - 10 m.

Materiaalirainan ja kaavinterän välinen rako ei pysy tarkasti samana useista syistä. Työstettäessä kaavinterä ja runko kiinnitetään työstökoneeseen tukevilla kiinnittimillä käyttöasentoon. Huolimatta tarkasta kiinnittämisestä työstökoneeseen syntyy terää ja ° 25 runkoa työstettäessä virheitä, joiden takia rainan pinta ja terä eivät ole samansuuntaiset, o Kun terää painetaan liikkuvaa rainaa vasten, vaikuttaa terään viivakuorma. Koska kaa- o vainterän runko on tuettu laakereilla molemmista päistään, on viivakuorman aiheuttama £ muodonmuutos suurempi terän keskellä kuin tuetuissa päissä, mistä syystä terä on rai- oo nan reunoilla lähempänä rainaa kuin keskellä. Koska terän rainan tai telan pintaan koh-

C\J

g 30 distama voima on rainan keskellä pienempi kuin sen päissä, rainassa mahdollisesti ole- o o vat kohoumat ja päällysteen tiheyden ja viskositeetin vaihtelut saattavat nostaa terän irti rainasta.

2

Edellä olevien haittojen vähentämiseksi on kehitetty erilaisia kaavinterän kiinnitysrat-kaisuja. Tunnetuissa ratkaisuissa koko rainan pituudelta tasainen teräkuorma pyritään saamaan aikaan joustavan terän ja säädettävän kiinnityselimen avulla. Näissä ratkaisuissa terä on kiinnitetty teränpitimeen siten, että terää voidaan painaa rainaa vasten terän 5 pituuden poikki ulottuvalla joustavalla elimellä, esimerkiksi ilma- tai nestetäytteisellä kumiletkulla. Koska paine letkun sisällä on vakio suuruinen koko terän pituudella, letku painaa terää rainaa vasten samalla voimalla koko rainan leveydellä. Terän painetta rainaa vasten voidaan säätää muuttamalla painetta letkun sisällä. Joskus tällaisissa ratkaisuissa käytetään terää, joka on jaettu leveyssuunnassa kapeiksi paloiksi. Näin saadaan 10 aikaan joustavampi terä, joka seuraa paremmin rainan j a telan muotoa.

Ratkaisuilla on useita haittoja. Koska joustavan tukielimen muodonmuutoskyky on rajallinen, ei tämän ratkaisun avulla pystytä kompensoimaan suuria terän ja rainan välisen etäisyyden ja teräkuorman muutoksia. Teräkuorman säätöalue jää kapeaksi, ja mikäli 15 pinnoitusnopeutta halutaan lisätä, täytyy terää painaa rainaa vasten kaavinterän runkoon kiinnitetyllä toimilaitteella. Teräkuorman kasvaesssa terän kiinnityselimen jäykkyys kasvaa, jolloin terä ei enää pysty seuraamaan rainan pintaa halutulla tavalla. Kaavinterän runko on rakennettava erittäin jäykäksi, jotta joustava terä saataisiin painetuksi rainaa vasten. Joustavat ja aseteltavat teränpidin ratkaisut ovat monimutkaisia, terän vaih-20 taminen on hankalaa ja joustoelimet saattavat rikkoutua terää vaihdettaessa. Teränpidin joudutaan tekemään suureksi ja painavaksi.

Yhdysvaltalaisessa patentissa n:o 4,907,528 on kuvattu taipumakompensoitu teräpalkki, -r- joka perustuu tällaiseen ratkaisuun. Siinä neljä paineelintä on sijoitettu symmetrisesti cu 25 pyöreän runkopalkin ympärille, ja niitä ympäröi putki, joka on puolestaan tuettu neliö- o mäiseen kaavarin runkoon. Paine-elinten painetta säätämällä saadaan teräpalkkiin aiheu- o tetuksi muodonmuutos, joka kompensoi teräpalkin taipuman. Palkin rakenne on moniin mutkainen, jolloin se on myös erittäin raskas. Tällöin palkin oma paino lisää sen taipu- oo maa ja tarvitaan voimakkaampaa kompensointia. Palkin muoto ei ole vapaasti suunnittein 30 lijan valittavissa, koska kaavarin rungon on oltava neliömäinen ja paine-elinten luku- o ....... ....

o maara on ama neliä.

c\l J

3

Julkaisussa GB 2 251 562 on kuvattu taipumakompensoitu teräpalkki, jossa palkin lämpötila pidetään tasaisena teränpitimen kohdalla ja palkin taipuma kompensoidaan muuttamalla palkin lämpötilaa sopivissa kohdissa lämmitys- tai jäähdytyselimien avulla. Palkin muodonmuutokset kompensoidaan siis aiheuttamalla vastakkaissuuntaiset siir-5 tymät lämpötilanmuutosten avulla. Teräpalkki on poikkileikkaukseltaan kolmiomainen ja lämmityselimet on sijoitettu kolmion sivuille. Ratkaisussa voidaan käyttää kahta erillistä lämmönsiirtopiiriä ja lämmitys tai jäähdytys tehdään kanavissa virtaavan nesteen avulla. Kahden lämmönsiirtopiirin avulla voidaan lämpötilaa palkin eri osissa muuttaa. Tällaisen ratkaisun ongelmana on säädön hitaus, koska lämmitettävät massat ovat suu-10 ret. Asetettu arvo saattaa myöskin muuttua ympäristön lämpötilan muuttuessa.

Lämmönsiirtoa voidaan käyttää myös pelkästään palkin lämpötilan pitämiseen asetusar-vossa, jolloin lämpötilan muutokset eivät vaikuta palkin suoruuteen. Lämmitys- tai jäähdytysjärjestelmän reagointikyky nopeisiin lämpötilanmuutoksiin on heikko. Hidas 15 reagointi lämpötilanmuutoksiin on kaikkien lämpötilan hallintaan perustuvien kompen-sointimenetelmien heikkous.

Yhdysvaltalaisessa patentissa 5,269,846 on esitetty taipumakompensoitu teräpalkki, jossa teräpalkin sisällä on erillinen sisäputki, joka tukeutuu teräpalkin sisäseiniin ilma-20 tyynyjen välityksellä. Teräpalkin taipumaa muutetaan muuttamalla painetta sisäputken eri puolilla olevissa ilmatyynyissä, jolloin terän reuna saadaan liikkumaan halutulla tavalla. Tyynyissä voidaan ilman sijasta käyttää nestettä. Tällainen taipuman hallinta on nopeaa, joten se sopii hyvin nykyaikaisiin nopeisiin päällystyskoneisiin. Ilmanpaineen avulla taipumakompensoidun teräpalkin avulla ei kuitenkaan voida ratkaista kaikkia te-° 25 räpalkin taipumiseen liittyviä ongelmia. Teräpalkit valmistetaan nykyisin teräksestä ja i o teräksen lämpö laajenemiskerroin on suuri, minkä vuoksi epätasainen lämpökuorma ai- o heuttaa teräpalkissa suuret taipumat. Tätä voidaan kompensoida edellä mainitulla tavalla g käyttämällä lämpöjakaumaa tasaavaa nestekiertoa tai paineilmakompensointia. Paineil- g makompensoinnin ongelma on kuitenkin se, että sisäputken jäykkyys on pakostakin S 30 huomattavasti pienempi kuin sitä ympäröivän poikkileikkaukseltaan suuremman terä- o o palkin. Tällöin sisäputki taipuu kuormitettaessa huomattavasti teräpalkkia enemmän ja teräpalkkiin saadaan aiheutettua vain pienet siirtymät vaikka sisäputki taipuisi kiinni teräpalkin sisäpintaan. Koska palkin ja sisäputken jäykkyys määräytyy voimakkaasti 4 niiden poikkileikkauksen läpimitan mukaan, sisäputken jäykkyyttä ei voida oleellisesti kasvattaa, koska sen on mahduttava peräpalkin sisälle. Niinpä teräpalkki on aina huomattavasti jäykempi kuin sisäputki, jos nämä valmistetaan samasta materiaalista.

5 Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudentyyppinen teräpalkki, jonka omasta massasta ja lämpötilanmuutoksista johtuvat taipumat ovat alun perinkin pienet ja jonka taipumaa voidaan hallita esimerkiksi paineilmakompensoinnin avulla tehokkaasti.

Keksintö perustuu siihen, että teräpalkki valmistetaan materiaalista, jonka ominaisjäyk-10 kyys on suurempi kuin sisäputken materiaalin j a abso luuttinen j äykkyys pienempi kuin sisäputken materiaalin.

Keksinnön yhden edullisen suoritusmuodon mukaan teräpalkki valmistetaan kuitulujitetusta materiaalista, edullisimmin hiilikuidusta, ja sisäputki teräksestä.

15 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle teräpalkille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

20

Koska hiilikuidusta valmistetun teräpalkin lämpö laajenemiskerroin on hyvin pieni, se ei reagoi ulkoisiin lämmönvaihteluihin eikä lämpölaajenemisesta johtuvia muodonmuutoksia esiinny merkittävästi. Muilla kuitulujitetuilla materiaaleilla lämpölaajeneminen t— on myös hyvin vähäistä. Hiilikuitukomposiittien ja muiden kuitulujitettujen materiaalien cm 25 ominaisjäykkyys on suuri, eli ne ovat hyvin jäykkiä massaansa nähden, joten näistä ma- i o teriaaleista valmistettujen palkkien taipuma omasta painosta on pieni ja voidaan siten o helposti kompensoida tai ottaa huomioon palkkia valmistettaessa. Kuitulujitettujen mail teriaalien jäykkyys on kuitenkin tyypillisesti pienempi kuin teräksen, joten nyt teräpal- co kin ja sisäputken suhteellinen j äykkyysero pienenee j a kompenso innilla saadaan aikana £ 30 suuremmat siirtymät teräpalkissa ja siten myös terän reunassa. Niinpä kompensointi on o o tehokkaampaa ja siihen tarvitaan vähemmän voimaa. Koska teräpalkki on periaatteessa vain poikkileikkaukseltaan tietynmuotoinen putki, sen valmistaminen kuitulujitetusta materiaalista on suhteellisen helppoa.

5

Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheiseen piirustukseen viitaten, joka esittää kaaviokuvana yhtä keksinnön mukaista teräpalkkia.

5 Kuvion teräpalkki 1 on typistetyn kolmion muotoinen ja sen sisällä on vastaavan muotoinen sisäputki 2, joka on tuettu teräpalkin 1 sisäseiniin ilmatyynyjen 3 välityksellä. Kaavinterän 5 pidin 4 on kiinnitetty yhteen palkin 1 kulmaan ja samaan kulmaan on sovitettu teräpalkin suoruuden mittauslaite 6, joka voi olla esimerkiksi lasermittauslaite. Tällaisessa teräpalkissa taipuman kompensointi tapahtuu muuttamalla painetta ilma-10 tyynyissä 3, jolloin suuremman paineen puoleisella sivulla teräpalkin 1 ja sisäputken välinen etäisyys kasvaa ja pienemmän paineen puoleisella sivulla pienenee. Kolmella kolmiomuotoon sijoitetulla säätöelimellä 3 voidaan saada aikaan siirtymä halutussa suunnassa. Kompensointitapa on vastaavanlainen kuin yhdysvaltalaisessa patentissa 5,269,846, jossa on esitetty kompensointilaitteiston toiminta tarkemmin.

15

Keksintö perustuu siihen, että teräpalkki 1 valmistetaan materiaalista, jonka ominais-jäykkyys on suurempi kuin sisäputken 2 materiaalin ja absoluuttinen jäykkyys pienempi kuin sisäputken materiaalin. Edullisimmassa suoritusmuodossa teräpalkki 1 on hiilikuitua ja sisäputki 2 terästä. Hiilikuidun avulla voidaan valmistaa komposiittirakenne, jossa 20 kuitujen suuntauksella voidaan komposiitin lämpölaajenemiskerroin säätää lähes nollaan, luokkaan -lxlO'6 1/°K, eli sen muodonmuutokset lämpötilan muuttuessa ovat olemattomat verrattuna teräkseen, jonka lämpölaajenemiskerroin on - niukkahiiliselle teräkselle - 1 l,5-13x 10-6 1/°K. Koska hiilikuitu on erittäin jäykkää suhteessa painoonsa, t—— sen ominaisjäykkyys on suuri. Toisaalta hiilikuidun absoluuttinen jäykkyys verrattuna cv 25 teräkseen on pieni, joten teräksestä valmistetun sisäputken jäykkyys voi olla jopa suu- o rempi kuin hiilikuituisen teräpalkin. Tällöin sisäputkeen 2 tukeutuvat ilmatyynyt 3 saa- o vat aikaan suurempia siirtymiä teräpalkissa 1, koska sisäputki 2 joustaa vähemmän. Toi- g saalia kompensoinnin tarve on vähäisempi, koska teräpalkki taipuu omasta painostaan oo vähän j a sen lämpömuodonmuutokset ovat pienet.

CM

LO 30 o o Sisäputken ja teräpalkin valmistamiseen voidaan käyttää muitakin kuin edellä mainittuja materiaaleja edellä mainitut rajoitukset huomioon ottaen. Koska sisäputken on oltava riittävän jäykkä suhteessa teräpalkkiin, sen materiaalina on käytettävä metallia tai me 6 talliseoksia. Teräksen ohella tällöin tulee kyseeseen lähinnä alumiinin seokset, koska muut metallit ja metalliseokset, esimerkiksi titaanin seokset, ovat sitä huomattavasti kalliimpia. Tässä alumiinin seoksilla tarkoitetaan erilaisia kevytmetalleja ja seostettua alumiinia. Teräpalkin valmistamiseen voidaan käyttää useita kuitulujitettuja materiaaleja.

5 Huomautettakoon tässä, että kuitulujitetulla materiaalilla tarkoitetaan tässä kuitujen ja sideaineen muodostamaa komposiittia ja tässä materiaalin nimenä käytetään lujitteen nimeä. Sideaineita ja lujitteita on useita ja esimerkiksi hiilikuidusta voidaan valmistaa tuotteita, joissa sideaineena kuitujen välillä on hiili, jolloin koko kappale koostuu hiili-molekyyleistä. Tyypillisimpiä kuitulujitteita ovat lasikuidut, hiilikuidut ja aramidi-10 kuidut. On huomattava, että komposiittirakenteen ominaisuudet poikkeavat lujitteen ominaisuuksista.

Teränpidin voidaan kiinnittää teräpalkkiin liimaamalla, pulttaamalla tai muodostamalla teräpalkkiin sopiva kiinnitysmuoto, esimerkiksi lohenpyrstöura, joka sallii lämpölaaje-15 nemisen. Puhtaanapidon helpottamiseksi teräpalkki on syytä päällystää helposti puhdistettavalla pinnoitteella, esimerkiksi ruostumattomalla teräslevyllä.

Keksinnön puitteissa voidaan ajatella myös yllä kuvatuista sovellusmuodoista poikkeavia ratkaisuja.

20

Kompensointielimiä voi olla enemmänkin kuin kolme, esimerkiksi neliömäisessä terä-palkissa on käytettävä neljää kompensointielintä. Näissä elimissä vaikuttavana väliaineena voidaan käyttää mitä tahansa virtaavaa väliainetta eli kaasua tai nestettä. Usein on T- kuitenkin edullista käyttää paineilmaa, koska sitä on tehtaalla helposti saatavissa. Usein cm 25 saatavilla on myös nestepainetta. Teräpalkin ja sisäputken muoto voi vaihdella, terä- i o palkki voi olla esimerkiksi poikkileikkaukseltaan neliömäinen ja sisäputki ympyrämäi- o nen. Kaavinterän sijasta teräpalkilla voidaan kannatella kaavinsauvaa.

x cc

CL

00 o

CM

LO

00

O

O

CM

Claims (6)

1. Taipumakompensoitu teräpalkki paperiteollisuuden kaavinterien (5) ja kaavinsauvo-jen kannattelemista ja kuormittamista varten, joka teräpalkki käsittää: 5 - pitkänomaisen, varsinaisen putkimaisen teräpalkin (1), johon on kiinnitetty terän-pidin (4) kaavinterän (5) tai sauvan kiinnittämiseksi, - varsinaisen teräpalkin (1) sisään sovitetun sisäputken (2), ja 10 - ainakin kolme virtavaa ainetta sisältävää kompensointielintä (3) sisäputken (2) tukemiseksi varsinaisen teräpalkin (1) sisäpintaa vasten, tunnettu siitä, että varsinaisen teräpalkin (1) absoluuttinen jäykkyys on pienempi kuin 15 sisäputken (2) absoluuttinen jäykkyys.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen teräpalkki, tunnettu siitä, että varsinainen teräpalkki (1) on valmistettu materiaalista, jonka ominaisjäykkyys on suurempi kuin sisäputken 20 (2) materiaalin ja absoluuttinen jäykkyys pienempi kuin sisäputken (2) materiaalin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen teräpalkki, tunnettu siitä, että varsinainen teräpalkki (1) on valmistettu kuitulujitetusta materiaalista. cu 25

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen teräpalkki, tunnettu siitä, että varsinainen teräpalk- i o ki (1) on valmistettu hiilikuitukomposiitista ja sisäputki (2) teräksestä. M· o jr

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen teräpalkki, tunnettu siitä, että varsinainen teräpalk- oo ki (1) on valmistettu hiilikuituko mposiitista ja sisäputki (2) alumiinin seoksesta. CM 0Λ LO 30 oo

6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen teräpalkki, tunnettu siitä, että varsinainen teräpalk ki (1) on valmistettu lasikuitu- tai aramidikuitukomposiitista.