JP7301614B2 - ワインダ装置の運転制御方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 第８６回紙パルプ研究発表会講演要旨集（２０１９年６月１４日発行）論文番号１１で発表

この発明は、抄紙機で製造された紙の巻取を小幅・小径の巻取に巻き直すワインダ装置に関する。

抄紙機では、効率よく紙を製造するため、紙を紙シートとして製造し、該紙シートがマシンリールに巻き取られた状態で巻取として完成される。この巻取は、巻き取り長さが大きいために大径であり、また幅員も大きく、この巻取のままの状態では、例えば、新聞社や印刷工場において印刷機に供すること等、ユーザーにおいて使用することができない。このため、製紙工場では製造された巻取を親巻取として、その巻き取り長さを小さくして小径とし、印刷機等に供するのに適した小幅の子巻取に加工し直して出荷している。

抄紙機によって紙シートが巻き取られて製造された巻取である親巻取を子巻取に加工し直すための装置として、ワインダ装置がある。ワインダ装置では、アンワインダに支持された親巻取から巻き解かれて走行する親紙シートを、スリッターナイフに通して、小幅に切断して子紙シートとする。そして、この小幅の子紙シートを、フロントドラムとリアドラムとに掛けて支持させた紙管に、所望の長さで巻き取らせて子巻取を形成する。

ところで、ワインダ装置では、例えば、特許文献１に記載があるように、巻取の回転速度の同一領域内において振動のピークが発生するとされている。ワインダ装置にピークとなる強度の振動が発生した場合には、例えば、子巻取に偏芯が生じたり、断紙が発生したりするおそれがある。このため、ワインダ装置が強度に振動しないように、ワインダ装置の速度の制御が行われている。
この特許文献１には、振動領域の影響を除去したり最小としたりするために、ペーパウエブの巻取機の走行速度を巻取の回転速度に基づいて制御し、巻取の回転速度が強度の振動が発生する領域に近づいたときに、巻取の回転速度が振動領域の最低回転速度より低いレベルにまで低下するように、走行速度を迅速に低下させ、この後に、前記巻取機の元の走行速度に到達するまで前記ロールの回転速度を一定に保持するようにして前記巻取機の走行速度を増大させるようになされたペーパウエブの巻取方法が提案されている。

また、特許文献２には、共振を生じないよう巻取径の増加に合わせて巻取速度を調整し、巻取時間を短縮するために、ドラム回転数を、巻取機の支持フレームの固有振動数と巻ロール径、ドラム径とから求められる上限回転数以下に維持しようとする巻取機の回転数制御装置が提案されている。

また、特許文献３には、装置に固有の共振振動の影響を低く抑えて、断紙のない、安全で高効率の操業を可能にするために、ワインダの材料巻取量が機械の共振振動範囲の上限を超えたことを判別する巻取量判別手段と、許容される加速範囲に値の大きい第１の加速率と、この第１の加速率よりも値の小さい第２の加速率とを記憶し、巻取開始から巻取量判別手段によって共振振動範囲の上限を超えたと判別されるまで、第２の加速率で増大し、共振振動範囲の上限を超えたと判別されてから定常巻取速度に到達するまで、第１の加速率で増大する速度基準を発生する加減速率制御手段とを備えるワインダの速度制御装置が提案されている。

また、特許文献４には、ワインダーの異常振動を検知し、機械事故を未然に防止するために、巻取り側に、振動感知センサーが取付けられており、該センサーの信号が振動計を介してアラーム設定器に入力されており、該アラーム設定器に予め記憶設定されている基準振動値と、前記振動の入力値とを演算器で演算し、入力信号値が予め記憶設定されている基準振動値以上になったとき、その差の信号が速度制御器に出力され、該速度制御器からドラムロールに該差の信号に見合う減速指令の信号を出力してワインダーの速度を調整するワインダーの振動制御方法が提案されている。

また、特許文献５には、巻戻ロールと巻取ロールの回転数とワインダ各部の固有振動数の関係により生じる、ワインダ性能上問題とすべき各部での振動をなくすため、ウエブ巻取装置各部に設置される振動振幅の検出装置と、その検出値と予め設定してある振動振幅許容値とを比較する比較装置と、同比較装置の比較結果に基づき巻取装置の巻取速度を自動制御する制御装置とを備えているウエブ巻取装置が提案されている。

特開平１０－１３９２４１号公報 実開平１－６５２５０号の明細書 特開２００１－３１３０６号公報 特開平６－８０２８９号公報 特開昭６３－２６７６５０号公報

特許文献１に開示されたペーパウエブの巻取方法は、強度の振動が発生するロールの回転速度領域に近づいた場合に、ロールの回転速度を低下させるものである。すなわち、強度の振動が発生するロールの回転速度領域を、予め測定して設定し、この設定領域と比較するものとされている。
また、特許文献２に開示された巻取機の回転数制御装置は、巻取の支持フレームの固有振動数とドラム径、巻きロール径より求められる巻取ドラムの回転数を予め設定された上限回転数以下となるように、巻取ドラムの回転数を制御するものである。
また、特許文献３に開示されたワインダの速度制御装置は、ワインダ装置に固有の共振振動範囲の前後の加速率を異ならせたものである。
また、特許文献４に開示されたワインダーの振動制御方法は、異常振動を検知した場合に、ワインダーを減速させるものである。
そして、特許文献５に開示されたウエブ巻取装置は、ウエブ巻取装置各部に設置された振動振幅の検出装置による検出値に基づいて、巻取速度を制御するものである。
これらの特許文献に開示されているように、ワインダ装置に強度の振動を発生させないためには、強度の振動を発生する領域で、ワインダ装置による処理を減速したり増速したりすることが好ましく、強度の振動を発生する領域を検出するための計測対象が異なるものである。

発明者は、ワインダ装置に発生する強度の振動の原因として巻取の固有振動数に由来する周期成分の共振が一因であることを見出した。
そこで、この発明は、巻取の固有振動数等が原因で発生する共振による振動範囲で巻取速度を減速させることにより、巻取の偏芯を防ぎ、断紙もない高効率の操業を可能にするワインダの速度制御を提供することを目的としている。

前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係るワインダ装置の運転制御方法は、抄造された紙の巻取から小幅・小径の子巻取を形成するワインダ装置において、子巻取の固有振動数を含む複数の周期成分が共振して振動が増加する共振範囲となる、共振時間と子巻取の共振巻径、共振巻長を予め測定し、運転時間と巻径、巻長さのいずれか一または二以上が前記共振範囲に含まれた際に、ワインダ装置の処理速度を低下させ、該共振範囲から離脱した際に上昇させることを特徴としている。

なお、共振時間は共振範囲におけるワインダ装置の運転時間であり、共振巻径は共振範囲における子巻取の径の範囲であり、共振巻長は共振範囲における子巻取の巻長さである。
すなわち、例えば、子巻取の固有振動数と子巻取の回転周波数、ワインダ装置のドラムの回転周波数等の、子巻取の固有振動数を含む複数の周期成分が、共振時間と共振巻径、共振巻長のいずれか一の共振範囲内に進入した場合、あるいは二以上の共振範囲が重複している範囲に入った場合に、ワインダ装置の処理速度を減速して振動を極力減少するようにしたものである。
なお、子巻取の回転周波数は、子巻取の一回転毎に一回発生する振動の周期成分をいう。

また、この発明の他の側面は、上述のワインダ装置の運転制御方法であって、ワインダ装置の適宜位置に適宜数の振動センサを設置し、前記振動センサにより取得された振動データを周波数解析し、子巻取の固有振動数を含む複数の周期成分の共振発生部を確認して、前記共振範囲を決定することが好ましい。

ワインダ装置の子巻取の紙管を保持させるコアチャックやライダーロール、リアドラム等に設置された振動センサによって、これらの位置における振動を計測して振動データを取得する。この取得された振動データの周波数解析を行い、解析結果から子巻取の固有振動数を含む複数の周期成分の共振発生部を求めて、共振範囲を決定する。

また、この発明の他の側面は、上述のワインダ装置の運転制御方法であって、子巻取の固有振動数を予め算出することである。

ワインダ装置で子巻取を製造する際の共振範囲は、紙の種類や銘柄、坪量等が同じであればほぼ等しくなる。このため、ワインダ装置に供される紙の種類等に応じて予め固有振動数を算出し、共振範囲を決定しておく。該当する種類の紙が供された場合には、ワインダ装置を予め設定された共振範囲に対して、ワインダ装置の処理速度を減じる。

この発明に係るワインダ装置の運転制御方法によれば、ワインダ装置に発生する振動が、巻取の固有振動数とワインダ装置各部の固有振動数との共振に起因していることに基づいて、巻取の固有振動数由来の周期成分による共振範囲において、ワインダ装置の減速を行うことにより、ワインダ装置に発生する振動を抑制して、巻取の偏芯や断紙を防止できる。

この発明に係るワインダ装置の運転制御方法を説明するための、ワインダ速度の一定時における周波数解析結果を模式的に示す線図である。 ワインダ装置に設置された振動センサにより取得された振動のトレンドデータを示す線図で、（Ａ）はライダーロールに設置した振動センサにより、（Ｂ）はコアチャックに設置した振動センサにより、（Ｃ）はリアドラムに設置した振動センサにより、それぞれ取得されたデータの線図である。 この発明に係るワインダ装置の運転制御方法によるワインダ装置の運転状態の一例を説明する時間とワインダ速度との関係を示す線図で、一点鎖線で従来の運転制御の態様の一例を示している。 この発明に係るワインダ装置の運転制御方法による制御態様を例示する線図であり、（Ａ）は通常運転時を、（Ｂ）は二つの周期成分の差が一定の範囲に含まれた態様を、（Ｃ）は二つの周期成分が一定の範囲に進入して重なり合った態様を、（Ｄ）は二つの周期成分が一定の範囲から離脱した態様を示している。 ワインダ装置の速度を示す線図で、（Ａ）はワインダ装置の運転の始動から停止までを、（Ｂ）は共振範囲付近を拡大して示している。 振動変位を図５に対応させて減速時間をシミュレーションして示す図で、ライダーロールに設置した振動センサで取得される振動データを示し、（Ａ）は図５（Ａ）に対応するワインダ装置の運転の開始から停止までを、（Ｂ）は図５（Ｂ）に対応する拡大図である。 この発明に係る運転制御方法を実現する装置を具備したワインダ装置の概略の側面図である。

以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係るワインダ装置の運転制御方法を説明する。

図７は、この発明に係る運転制御方法を実現する装置を具備したワインダ装置の概略の構造を説明する図である。ワインダ装置１では、抄紙機によって製造された巻取を親巻取Ｗとしてアンワインダ１ａに支持させる。この親巻取Ｗから紙シートＳを巻き解きながら走行させ、スリッターナイフ１１を通過させて所望の幅に切断した子紙シートＳｎを製造する。製造された子紙シートＳｎは、テンションロール１５を経由してフロントドラム１２に巻回される。このフロントドラム１２に隣接してリアドラム１３が支持されている。これらフロントドラム１２とリアドラム１３の軸方向に平行な方向を軸とした紙管（図示せず）が、コアチャック１４に保持されている。この紙管はフロントドラム１２とリアドラム１３の上部に掛け渡された状態で支持されており、フロントドラム１２とリアドラム１３の外周面に接触している。フロントドラム１２を巻回した子紙シートＳｎはこの紙管に巻回されて巻き取られて、巻径が徐々に大きくなり、子巻取Ｕが製造される。なお、子紙シートＳｎはテンションロール１５により張力が付与されて、適宜に緊張されて走行する。また、紙管に巻き取られた子巻取Ｕの外周面には、ライダーロール１６が接触して加圧されており、巻き強さが均一となるように調整されている。

また、リアドラム１３とコアチャック１４、ライダーロール１６のそれぞれには、振動センサ１３ａと振動センサ１４ａ、振動センサ１６ａとが設置されており、これらリアドラム１３とコアチャック１４、ライダーロール１６に生じる振動が計測されて振動データが取得されている。
そして、これら振動センサ１３ａ、１４ａ、１６ａにより取得された振動データは周波数解析機２０に送出され、周波数解析機２０はこれらの振動データに周波数解析を行って、子巻取Ｕの固有振動数に由来する三つの周期成分が算出される。

なお、ワインダ装置の運転時における振動センサ１３ａ、１４ａ、１６ａによる振動データの取得のサンプリング間隔は、１０ｍｓであれば好ましく、５ｍｓであればより好ましく、１ｍｓであればさらに好ましい。サンプリング間隔を短くすることで周波数解析をより詳細に行うことができ、より正確な共振範囲を決定することができる。

以上により構成されたワインダ装置について、この発明に係る運転制御方法を、以下に説明する。

図２には、ワインダ装置１に設置された振動センサ１３ａと振動センサ１４ａ、振動センサ１６ａにより計測された振動変位と経過時間とを示す振動のトレンドデータに関する線図が示してある。なお、図２（Ａ）は振動センサ１６ａにより取得されたデータ、図２（Ｂ）は振動センサ１４ａにより取得されたデータ、図２（Ｃ）は振動センサ１３ａにより取得されたデータである。また、図１は図２に示す振動のトレンドデータに周波数解析機２０によって周波数解析を行った固有振動数の変化を示している。図２において破線で示されているように、経過時間が４２０秒から４８０秒にかけて、このときの巻径が約８６０ｍｍを中心として、子巻取Ｕの固有振動数由来の三つの周期成分による共振が発生している。

すなわち、図１に示すように、子巻取Ｕの固有振動数とワインダ速度が一定時における子巻取Ｕの回転周波数、リアドラム１３の回転周波数が共振発生部Ｐにおいて、共振している。このため、図３に示すように、ワインダ装置１の運転状態がこの共振発生部Ｐに至る前で、処理速度を低下させることにより、ワインダ装置１に強度の振動を発生させずに運転できる。子紙シートＳｎの巻取が進んでこの共振の発生領域（共振範囲）を通過した後には、ワインダ装置１の処理速度を上げて定常状態での運転に移行する。

そして、予め振動データを取得し、この振動データの周波数解析により得られた共振発生部の周期成分の共振範囲を、ワインダ装置１の運転時間である共振時間と子巻取Ｕの巻径の範囲である共振巻径、巻き長さの範囲である共振巻長として設定する。
ワインダ装置１の運転状態が、これら共振時間と共振巻径、共振巻長のうちのいずれか一つ又は二つ以上の共振範囲が組み合わされて重複した範囲に進入した際に、処理速度を低下させる。そして、この共振範囲から離脱した後に、処理速度を上昇させる。なお、処理速度を低下させる範囲としては、共振発生部Ｐに至る以前とする。

また、図３には、一点鎖線で従来の運転制御に関する線図を併記してあり、従来の運転制御では、共振発生部Ｐに至った後に、処理速度を減じて運転を継続している。この場合、処理速度の共振発生部Ｐに至った後に処理速度を減じることになるから、処理速度が減じられるまでの間に振動が子巻取Ｕに伝達されてしまう。このため、子巻取Ｕの偏芯や断紙が生じるおそれがあり、生産性の安定化を損なうおそれがある。

図４は、二つの周期成分に着目して運転制御を行う場合を説明する図である。強度な振動の発生を伴わずに、すなわち共振範囲に進入することなくワインダ装置１を運転できる通常操業時には、図４（Ａ）に示すように、周期成分Ａと周期成分Ｂは共振範囲Ｃに進入することがなく、定常速度で支障なくワインダ装置１を運転することができる。また、周期成分Ａと周期成分Ｂとが共振範囲Ｃに進入した場合には、図４（Ｂ）に示すように、これら周期成分Ａと周期成分Ｂとの差｜Ａ－Ｂ｜が共振範囲Ｃの周波数帯の差Ｆよりも小さくなる。また、これら周期成分Ａと周期成分Ｂとが一致する周波数では、図４（Ｃ）に示すように、振幅が大きくなる。振幅が大きくなった場合には、既に共振が生じて、子巻取Ｕの偏芯等を発生させてしまうおそれが高くなる。
そこで、周期成分Ａ、Ｂの差｜Ａ－Ｂ｜の値ＡＢが共振範囲Ｃの周波数帯の差Ｆよりも小さくならない時点で処理速度を減じることにより、振動の発生を回避できる。

このため、周波数帯の差Ｆよりも大きい設定値Ｈを設定し、振動センサ１３ａと振動センサ１４ａ、振動センサ１６ａとにより計測された振動データに基づく周波数解析より得られた周期成分Ａ、Ｂの差｜Ａ－Ｂ｜の値ＡＢが、設定値Ｈよりも小さくなった時点で処理速度を低下する。これにより、振動を極力小さくできる。そして、周期成分Ａ、Ｂの差｜Ａ－Ｂ｜の値ＡＢが設定値Ｈよりも大きくなった時点で処理速度を上げることができる。

図５にはワインダ装置１の処理速度（ワインダ速度）の経時変化が示してあり、図５（Ａ）には運転の開始から終了に至るまでを、図５（Ｂ）には共振範囲Ｃの近傍を拡大して示してある。この図５においては、処理速度を下げることなく運転する場合（ブランク）を実線で示し、周期成分Ａと周期成分Ｂの差の設定値Ｈが１．４Ｈｚである場合を一点鎖線で示し、周期成分Ａと周期成分Ｂの差の設定値Ｈが２Ｈｚである場合を破線で示している。
すなわち、設定値Ｈが２Ｈｚの場合には、ワインダ装置１の運転開始から約３２０秒経過後に減速し、約４２０秒経過後に増速する。このため、約１００秒間を減速して運転する。また、設定値Ｈが１．４Ｈｚの場合には、約３３０秒後に減速し、約３９０秒後に増速することで、約６０秒間を減速して運転する。

図６はライダーロール１６に設置された振動センサ１６ａにより取得された振動の変位をもとに、図５に示す処理速度によって運転された際にどの程度の大きさの設定値Ｈが必要なのかをシミュレーションした結果の図である。図６において、符号Ｌで処理速度を下げずに運転する場合を、符号Ｍで設定値Ｈが１．４Ｈｚの場合を、符号Ｎで設定値Ｈが２Ｈｚである場合を示してある。すなわち、符号Ｌは実際に取得された振動の変位を、符号Ｍ、Ｎはシミュレーションした結果である。図５に示す減速後の処理速度によって運転された際に、約５０％の振動が抑制できたため、シミュレーションに際して、図５に示す処理速度によって運転された際に振動が５０％抑制できると仮定して図６の振動変位を求めた。
また、図６（Ａ）は図５（Ａ）に相当して、運転の開始から終了に至るまでを、図６（Ｂ）は図５（Ｂ）に相当して、共振範囲Ｃの近傍を拡大して示している。

図６において、符号Ｎで示すように、設定値Ｈを２Ｈｚとした場合には、振動の変位が最も小さくなって、共振の発生が抑制されている。
これは、設定値Ｈを１．４Ｈｚに設定する場合には、ライダーロール１６の振動が共振範囲Ｃに進入してしまったと考えられる。したがって、設定値Ｈを２Ｈｚに設定する場合の方が、確実に振動の発生を抑制できることになる。
一方、上述のように、設定値Ｈを大きく設定すると、ワインダ装置１の減速運転の時間が長くなるので、生産効率を低下させてしまうことになる。このため、生産効率の確保と共振により発生する振動の抑制とを考慮して、設定値Ｈを設定する。また、設定値Ｈの前後における処理速度を上げることができる場合、特に設定値Ｈから離脱した後の処理速度を上げることができる場合には、増速することによって、共振範囲Ｃを回避する際の減速時間を相殺することができる。

また、周期成分Ａと周期成分Ｂのいずれもが設定値Ｈの範囲内に進入した場合に、処理速度を低下させるようにすることもできる。この場合には、周期成分Ａと周期成分Ｂの差の値ＡＢが設定値Ｈの範囲内に進入した場合でも、周期成分Ａと周期成分Ｂのいずれか一方が設定値Ｈの範囲外にある場合には、処理速度を低下させることなく、ワインダ装置１の運転を継続する。他方、これら周期成分Ａと周期成分Ｂのいずれもが、設定値Ｈの範囲内に進入した場合に処理速度を低下させる。そして、いずれか一方の周期成分が設定値Ｈの範囲外に離脱したならば、処理速度を上昇させる。
すなわち、子巻取の固有振動数を含む複数の周期成分Ａ、Ｂのいずれもが設定値Ｈの範囲内に進入した際には、処理速度を低下させるものである。

以上に説明した運転制御方法により運転されるワインダ装置１のワインダ速度は、１０００ｍ／ｍｉｎ以上とすることが好ましく、１５００ｍ／ｍｉｎ以上とすることがより好ましく、２０００ｍ／ｍｉｎとすることがさらに好ましい。すなわち、ワインダ速度が大きいほど、共振による振動が大きくなり上述の運転制御方法が効果的に機能する。

また、ワインダ装置１で巻き取る紙の静摩擦係数は、０．４以上であることが好ましく、０．５以上であればより好ましく、０．６以上であればさらに好ましい。紙の静摩擦係数が大きいほど、共振による振動が大きくなり上述の運転制御方法が効果的に機能する。

また、ワインダ装置１の種類は特に限定されるものではない。ただし、この発明では、紙厚が幅方向で均一にならず子巻取ごとの回転数のバラつきが生じることで発生するドラムと巻取の間のスリップによる振動などが発生しやすいツードラムワインダが上述の運転制御方法が効果的に機能する。

以上説明したように、この発明に係る運転制御方法では、巻取の固有振動数に由来の周期成分による共振に着目して、共振範囲となる共振時間、共振巻径、共振巻長でワインダ装置を減速運転し、共振の発生を防止したことにより、オンラインで制御することができる。このため、ワインダ装置に供される紙の種類に拘わらず、迅速に対応して、巻取の偏芯や断紙を抑制できる。

１ ワインダ装置
１ａ アンワインダ
１１ スリッターナイフ
１２ フロントドラム
１３ リアドラム
１３ａ 振動センサ
１４ コアチャック
１４ａ 振動センサ
１５ テンションロール
１６ ライダーロール
１６ａ 振動センサ
２０ 周波数解析機
Ａ 周期成分
Ｂ 周期成分
Ｃ 共振範囲
Ｐ 共振発生部
Ｓ 紙シート
Ｓｎ 子紙シート
Ｕ 子巻取
Ｗ 親巻取

Claims (2)

1. 抄造された紙の巻取から小幅・小径の子巻取を形成するワインダ装置の運転制御方法において、
   前記ワインダ装置の適宜位置に設置された適宜数の振動センサにより取得された振動データを周波数解析し、
   子巻取の固有振動数を含む複数の周期成分の共振発生部を確認して、前記複数の周期成分が共振して振動が増加する共振範囲を決定し、
   前記共振範囲となる、共振時間と子巻取の共振巻径、共振巻長を予め設定し、
   運転時間と巻径、巻長さのいずれか一または二以上が前記共振範囲に含まれた際に、ワインダ装置の処理速度を低下させ、前記共振範囲から離脱した際に上昇させることを特徴とするワインダ装置の運転制御方法。
2. 請求項１に記載のワインダ装置の運転制御方法であって、
   子巻取の固有振動数を予め算出することを特徴とするワインダ装置の運転制御方法。

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