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Die
Erfindung betrifft eine Papiermaschinen-Walze, insbesondere eine
Kalander-, Rollenwickler- oder Streichaggregat-Walze, mit einem
Walzenkörper, der eine Drehlagerung aufweist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand einer Kalanderwalze beschrieben.
Sie ist aber auch bei anderen Walzen, die bei der Herstellung einer
Papier- oder Kartonbahn verwendet werden, anwendbar, insbesondere
dort, wo Schwingungsprobleme auftreten.
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Bei
Mehrwalzenkalandern treten häufig schmalbandige Schwingungen
im Bereich von 200 bis über 1000 Hz auf, die als Resonanzerscheinungen
bezeichnet werden. Eine derartige Resonanzerscheinung bildet sich
innerhalb kurzer Zeit, in der Regel wenige Minuten, unter erheblicher
Lärmentwicklung (> 100
dBA) aus. Wenn die Wel lenlänge der Resonanzfrequenz einem
ganzzahligen Vielfachen des Umfangs der Walze entspricht, dann erzeugt
die Resonanz gleichzeitig Streifen im Papier, die auch als Barring
bezeichnet werden. Die Resonanzerscheinungen sind abhängig
von der Linienkraft, der Arbeitsgeschwindigkeit der Walze und der
behandelten Papier- oder Kartonsorte. Tendenziell verringert eine höhere
Linienkraft den Einfluss der Resonanz, während eine höhere
Geschwindigkeit und/oder ein höheres Flächengewicht
den unerwünschten Einfluss der Resonanz verstärken.
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Eine
höhere Linienkraft beeinflusst die Resonanz meist so, dass
sie vermindert wird. Da mit einer höheren Linienkraft im
Kalander aber auch eine höhere Druckspannung verbunden
ist, ist diese Maßnahme nicht immer anwendbar, da die Bahn
dann unter Umständen zu stark verdichtet wird. Eine Beeinflussung
der Geschwindigkeit ist nicht immer möglich. Sie ist meist
offline angeordneten Kalandern vorbehalten. Ein Online-Kalander
muss hingegen mit der Geschwindigkeit der Papiermaschine gefahren werden.
Das Flächengewicht der Papier- oder Kartonbahn ist in der
Regel vorgegeben, so dass eine Veränderung des Flächengewichts
praktisch als Einflussgröße auf die Resonanz ausscheidet.
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Die
relativ hohen Frequenzen im Bereich von 200 bis über 1000
Hz sind, auch wenn dies nicht abschließend geklärt
ist, wohl keine einfachen Kontaktschwingungen. Vielmehr treten Kombinationen
aus Biegeschwingungen und Kontaktschwingungen mit einem gewissen
Wellencharakter auf. Damit ist die Einflussnahme auf die Resonanz
schwierig.
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Man
vermutet, dass die Resonanzerscheinungen durch folgenden Mechanismus
entstehen: durch Schwingungsanregungen entstehen im Kalander unter
anderem Schwingungen in Nip-Richtung, die zu einer Papierdickenänderung
im Nip führen. Diese Papierdickenänderung führt
zu einer kurzfristigen Änderung der plastischen Umformarbeit
bzw. der Satinageleistung. Damit entstehen hochfrequente Antriebsschwingungen,
da das Papier mehr oder weniger Satinageleistung zur plastischen
Umformung aufnimmt.
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Um
das Problem der Schwingungen zu entschärfen, ist in
DE 11 2004 000 421
T5 vorgeschlagen worden, eine Walze gegenüber
einer Walzenebene seitlich zu versetzen. Der Einfluss des Walzenversatzes
reicht aber in vielen Fällen nicht aus, um zu einer nennenswerten
Reduzierung der Schwingungen zu führen.
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DE 296 24 490 U1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Dämpfung von Kontaktschwingungen rotierender
Walzen, bei der Aktuatoren an Lager der Walze gekoppelt sind. Diese
Aktuatoren sollen den Kontaktschwingungen mit Gegenfrequenzen entgegen wirken.
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DE 198 21 854 C1 beschreibt
eine weitere Vorrichtung zur aktiven Unterdrückung von
Kontaktschwingungen an einer Walzenanordnung. Auch hier werden Sensoren
und Aktuatoren verwendet.
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Die
in den letztgenannten Schriften dargestellten Maßnahmen
haben zwar eine gewisse Wirksamkeit, aufgrund der Aktuatoren und
Sensoren sind diese Maßnahmen jedoch mit einem gewissen
Aufwand verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schwingungen mit geringem
Aufwand im Betrieb zu vermindern.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Walze der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass der Walzenkörper in eine radiale
Richtung eine erste Eigenfrequenz und in eine zweite radiale Richtung
eine zweite Eigenfrequenz aufweist, wobei die erste radiale Richtung
und die zweite radiale Richtung unterschiedlich sind und die erste
Eigenfrequenz und die zweite Eigenfrequenz unterschiedlich sind.
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Durch
die unterschiedlichen Eigenfrequenzen ergeben sich auch unterschiedliche
Eigenformen in die beiden sich unterscheidenden radialen Richtungen.
Natürlich wird vorausgesetzt, dass die Walze im Bereich
ihrer Arbeitsdrehzahlen statisch und dynamisch ausgewuchtet ist.
In der Regel betrifft dies Umfangsgeschwindigkeiten von 100 bis
3000 m/min. Die erste und die zweite radiale Richtung unterscheiden
sich vorzugsweise um etwa 90°. Durch die Wahl unterschiedlicher
Eigenfrequenzen und Eigenformen kann man die Lagekopplung der Eigenfrequenz
verändern, und zwar so, dass sie zu einer Verminderung der
Resonanzerscheinungen oder Barring führen. Als Folge dieser
Maßnahmen wird eine gleichmäßigere Papierqualität
in Bezug auf Glanz-, Glätte- und Dickeschwankungen, eine
längere Standzeit der Walze, eine geringere und gleichmäßigere
Leistungsaufnahme des Kalanders und auch eine geringere Geräuschemission
erzielt. Bei den Eigenfrequenzen muss es sich nicht um die erste,
zweite, etc. Eigenfrequenz, z. B. die biegekritische Eigenfrequenz,
der Walze handeln. Es geht vielmehr darum, dass die Eigenfrequenzen
der Walze, z. B. in Niprichtung (= eine erste Eigenfrequenz) und
quer zur Niprichtung (= eine zweite Eigenfrequenz), während der
Rotation der Walze unterschiedlich sind.
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Vorzugsweise
ist der Walzenkörper als Walzenmantel ausgebildet. Der
Walzenmantel umgibt in radialer Richtung einen Hohlraum. Man hat
daher gewisse Freiheiten, den Walzenmantel so zu gestalten, dass
die Eigenfrequenzen in die unterschiedlichen radialen Richtungen
unterschiedlich sind.
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Vorzugsweise
weist der Walzenkörper an einer ersten Position in Umfangsrichtung
eine axiale Massenverteilung auf, die sich von einer axialen Massenverteilung
an mindestens einer zweiten Position in Umfangsrichtung unterscheidet.
Durch die unterschiedlichen Massenverteilungen wird dafür
gesorgt, dass die Massenverteilung in Umfangsrichtung nicht rotationssymmetrisch
ist. Dadurch werden die Anregungen im Nip reduziert, da die jeweiligen
Maximalamplituden die Bahn im Nip nur pump- oder abschnittsweise
berühren und nicht linienförmig über die
gesamte Breite.
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Vorzugsweise
weist der Walzenkörper an einer ersten axialen Position
in Umfangsrichtung eine Massenverteilung auf, die sich von der Massenverteilung
in Umfangsrichtung an mindestens einer zweiten axialen Position
unterscheidet. Auch mit dieser Maßnahme lassen sich die
unterschiedlichen Eigenfrequenzen in die jeweils unterschiedlichen
radialen Richtungen erzeugen. Die Anregung im Nip wird dadurch vermindert,
weil auch mit dieser Maßnahme dafür gesorgt wird,
dass die Maximalamplituden den Nip nur in relativ kleinen axialen
Abschnitten beaufschlagen und nicht über die gesamte Breite.
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Vorzugsweise
weist der Walzenkörper mindestens einen schraubenlinienförmig
verlaufenden ersten Bereich auf, der eine andere spezifische Masse
aufweist, als ein zweiter Bereich außerhalb des ersten
Bereichs. Die spezifische Masse ist die Masse eines Volumenelements
mit gleicher radialer Erstreckung und Größe jeweils
im ersten Bereich und im zweiten Bereich. Mit einer derartigen Ausgestaltung ergibt
sich eine schraubenlinienförmige Eigenform, bei der lokal
betrachtet die aktuelle Eigenform an einer ersten Umfangsposition
sich von einer lokalen Eigenform der Walze an einer um 90° dazu
versetzten Umfangsposition soweit unterscheidet, dass eine Schwingungsanregung
nur in geringem Maße erfolgt. Die Anregung im Nip verläuft
dann parallel zum Verlauf der Schraubenlinie in axialer Richtung.
Es wird also vermieden, dass die Anregung die Bahn immer über
ihre gesamte Breite trifft.
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Vorzugsweise
sind mindestens zwei erste Bereiche vorgesehen. Bei zwei ersten
Bereichen kann es sich beispielsweise um eine zweigängige Schraubenform
handeln. Auch dreigängige Schraubenkonturen können
verwendet werden, um die gewünschten Eigenformen und Eigenfrequenzen
zu erzeugen.
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Vorzugsweise
weist der Walzenmantel im ersten Bereich eine andere Dicke als im
zweiten Bereich auf. Mit dieser Maßnahme ist es auf einfache Weise
möglich, die unterschiedlichen Massenverteilungen zu erzeugen.
Die spezifische Masse wird in diesem Fall jeweils auf die Dicke
des ersten Bereichs gezogen. Wenn der Walzenmantel im ersten Bereich seine
volle Dicke aufweist, im zweiten Bereich aber nur seine halbe Dicke,
dann geht man in der vorliegenden Beschreibung davon aus, dass der
Walzenmantel im zweiten Bereich auch nur die halbe spezifische Masse
aufweist, sofern der Walzenmantel im ersten Bereich und im zweiten
Bereich aus dem gleichen Material gebildet ist.
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Vorzugsweise
sind mindestens zwei erste Bereiche vorgesehen, die unterschiedliche
Windungsrichtungen haben. In diesem Fall erzeugt man im Nip auch
Anregungen, die aufeinander zu bzw. voneinander weg laufen. Auch
damit lässt sich sehr wirkungsvoll eine Verminderung der
Resonanzen erreichen. Eine derartige Ausgestaltung kann man beispielsweise
so realisieren, dass in den beiden axialen Hälften der
Walze die Windungsrichtungen unterschiedlich sind.
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Man
kann aber auch vorsehen, dass sich zwei erste Bereiche mindestens
einmal kreuzen. Auch in diesem Fall ergeben sich Eigenschwingungen
und Eigenformen der Walze, die wesentlich weniger zu einer Resonanzerscheinung
neigen.
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Vorzugsweise
weist der erste Bereich eine Nutanordnung auf. Eine Nutanordnung
kann beispielsweise eine oder mehrere Nuten aufweisen. Die Nuten
können durch spanende Bearbeitung des Walzenmantels gefertigt
werden. Die Form der Nuten kann rechteckig, teilkreisförmig,
oval oder allgemein rund sein.
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Vorzugsweise
ist die Nutanordnung mit einem Füllmaterial gefüllt.
Damit ergibt sich zwar lokal ein Massenunterschied zwischen dem
ersten Bereich und dem zweiten Bereich. Die Dicke des Walzenmantels
kann jedoch gleich gehalten werden. Insbesondere kann man dadurch
gewährleisten, dass sich eine glatte Oberfläche
der Walze ergibt.
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Vorzugsweise
ist die Nut auf der Innenseite des Walzenmantels angeordnet. Die
Außenseite des Walzenmantels bleibt also gegenüber
einer herkömmlichen Walze unverändert. Man kann
sie mit einem elastischen Belag versehen, ohne dass der elastische
Belag über die Länge und den Umfang unterschiedlich
abgestützt wird. Wenn die Oberfläche der Walze
hart gelassen wird, dann ergibt sich hier eine sehr gleichmäßige
Härte über die gesamte Oberfläche.
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Vorzugsweise
weist die Nutanordnung eine Befestigungsgeometrie für das
Füllmaterial auf. So können beispielsweise Stege,
Noppen, Riefen etc. zur besseren Befestigung des Füllmaterials
verwendet werden, das zum Verschließen der Nuten dient.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch eine Walze,
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2 einen
Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform und
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3 eine
perspektivische Darstellung der Walze nach 2.
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Eine
Walze 1 weist einen Walzenkörper auf, der als
Walzenmantel 2 ausgebildet ist. Der Walzenmantel 2 ist
an seinen beiden Stirnseiten durch Stirnscheiben 3, 4 verschlossen,
an denen Wellenzapfen 5, 6 angeordnet sind. Die
Walze 1 ist mit den Wellenzapfen 5, 6 in
Lagern 7, 8 gelagert.
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Auf
der Innenseite des Walzenmantels sind Nuten 9 angeordnet,
die in Form einer dreigängigen Schraubenlinie angeordnet
sind. Die Nuten 9 sind, wie dies aus 2 zu
erkennen ist, mit einem Füllstoff 10 gefüllt,
so dass die Innenseite des Walzenmantels glatt ist, genau wie die
Außenseite.
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Die
Nuten 9 bilden einen ersten Bereich, der eine andere spezifische
Masse aufweist, als ein zweiter Bereich 11 zwischen den
Nuten 9. Die spezifische Masse ist die Masse eine Querschnittselements 12, 13 mit
konstantem Volumen, insbesondere konstanter radialer Erstreckung,
das an einer beliebigen Position in Umfangsrichtung und an einer
beliebigen Position in Axialrichtung gewählt wird. Im Bereich
des Querschnittselements 12 ist der Walzenmantel 2 durchgehend
ausgebildet. Im Bereich des Querschnittselements 13 hat
der Walzenmantel die halbe Dicke. Hinzu kommt die Masse des Füllstoffs 10.
Die Masse des Querschnittselements 12 ist also größer als
die Masse des Querschnittselements 13.
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Dadurch
ergibt sich eine Ausbildung der Walze 1, bei der die Walze 1 in
eine erste radiale Richtung, bei spielsweise von unten nach oben
in 2, eine andere Eigenfrequenz hat als in einer
zweiten radialen Richtung, in 2 beispielsweise
von links nach rechts. Diese beiden unterschiedlichen Eigenfrequenzen
gehen einher mit unterschiedlichen Eigenformen. Die Eigenform des
mit dem schraubenlinienförmigen ersten Bereich versehenen
Walzenmantels 2, also mit den schraubenlinienförmigen
Nuten 9, ist ebenfalls schraubenlinienförmig ausgebildet.
Durch die schraubenlinienförmigen Nuten verändert
sich die Eigenform und damit die Eigenfrequenz der Walze während
der Drehbewegung in Niprichtung und quer zur Niprichtung kontinuierlich.
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Wenn
eine derartige Walze 1 mit einer anderen Walze zusammenwirkt,
und sich Schwingungen ausbilden, dann wirken diese Schwingungen
im Nip, der zwischen den beiden benachbarten Walzen gebildet ist,
nicht gleichmäßig über die gesamte axiale Länge
des Nips, sondern sie pflanzen sich sozusagen in kleinen Bereichen
fort, nämlich entsprechend den schraubenförmigen
Nuten 9.
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Bei
der Ausgestaltung nach 1 haben die Nuten 9 etwa
die Hälfte der axialen Breite des zweiten Bereichs 11.
Bei der Ausgestaltung nach den 2 und 3 sind
die Nuten 9 in axialer Richtung etwa genauso breit wie
die dazwischen liegenden zweiten Bereiche 11.
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Da
die Nuten 9 im Inneren des Walzenmantels 2 angeordnet
sind, bleibt das Äußere des Walzenmantels unverändert,
d. h. eine Bahn wird genauso weiterbehandelt, wie bisher auch.
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Die
schraubenförmigen Eigenformen gelten allerdings nur ab
Frequenzen von etwa 100 Hz. Allerdings sind auch diese Frequenzen
im Zusammenhang mit Resonanzerscheinungen und Barring von besonderem
Interesse. Bei den Schalenschwingungen ist hier eine deutliche Schraubenform
zu erkennen. Die Biegeformen zeigen diese Erscheinung auch bei höheren
Frequenzen nur in geringerem Maße.
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Trotz
der Nuten oder einer anderen Struktur ist die Walze 1 natürlich
statisch und dynamisch bei den in Frage kommenden Arbeitsgeschwindigkeiten im
Bereich von 100 bis 3000 m/min statisch und dynamisch ausgewuchtet.
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Anstelle
der dargestellten Nuten 9, die über die gesamte
axiale Länge der Walze 1 die gleiche Steigungsrichtung
haben, kann man auch gegenläufige Nuten 9 verwenden,
die beispielsweise von der axialen Mitte der Walze ausgehen. Es
können auch mehrere Nuten 9 in die Walze eingebracht
werden, die sich kreuzen können.
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Um
das Füllmaterial 10 besser festzuhalten, können
Stege, Noppen, Riefen oder andere Befestigungsgeometrien von oder
an den Nuten 9 vorgesehen sein.
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Die
Walze 1 kann in nicht näher dargestellter Weise
mit einer elastischen oder harten Schicht versehen sein.
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Die
Walze kann als elastische Walze, als Leitwalze, als Heizwalze oder
als Biegeausgleichswalze eingesetzt werden. Es ist auch möglich,
eine derartige Walze als Rollenwicklerwalze einzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 112004000421
T5 [0007]
- - DE 29624490 U1 [0008]
- - DE 19821854 C1 [0009]