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Vorrichtung zur Bremsung it Energierekuperation Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Bremsung mit Enersierekuperation und zum gelegentlichen Antrieb
der Abwickelwelle einer Produktions- oder Verarbeitungsmaschine für band- und drahtförmiges
Gut, wie Papierbahnen, Kunststoff- oder Metallfolien, Gewebe, Schläuche, Kabel usw.,
kurz Band genannt, enthaltend zwei durch geschlossenen Oelkreislauf miteinander
verbundene hydrostatische Einheiten, von denen die eine mit der besagten Abwickelwelle
und die andere mit einer nachfolgenden Förderwalze der Maschine gekoppelt ist, wobei
ur Aufrechterhaltung des Bandzuges eine ihn messende Einrichtung regeltechnisch
herangezogen wird.
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Bei derartigen Vorrichtungen muss die Drehzahl der Abwickelwelle im
umgekehrten Verhältnis zu dem sich stetig vermindernden Durchmesser der Vorratsrolle
anwachsen, andererseits soll die Umfangsgeschwindigkeit der Vorratsrolle um den
Betrag der Banddehnung beim gegebenen Bandzug kleiner sein als die Umrangsgeschwindigkeit
der nachfolgenden Förderwalze der Maschine.
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Diese beiden Forderungen bedingen in jedem Augenblick ein ganz bestimmtes
Verhältnis der Oelvolumina pro Umdrehung beider hydrostatischer Einheiten.
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Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art wird das besagte Verhältnis
einsig und allein durch regeltechnischen Einsatz der den Bandzug messenden Einrichtung
erreichte inaem die zur Abwickelwelle gehörende hydrostatische Einheit verstellt
wird.
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Die Nachteile einer solchen Lösung sind die folgenden: 1. Der Stellbereich
des Oelvolumens pro Umdrehung ist sehr gross, denn er setzt sich zusammen aus dem
Durchmesserverhältnis der vollen Vorratsrolle zur leeren von beispielsweise 10:1,
was einer Volwnenverminderung von
90; entspricht, und aus der Dehnung
des Bandmaterials, deren prozentualer Anteil, z.B. 5, konstant bleibt. Der Regelkreis,
der einen solchen Stellbereich zu bestreichen hat, muss aber auch sehr schnell sein,
weil von ihm allein das Reissen und das Durchhängen des Bandes abhängt. Diese beiden
Erfordernisse rühren bei Bändzugregelungen erfahrungsgemäss zu nicht beherrschbaren
Schwingungen.
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2. Beim Anhalten der Maschine verstellt sich das Volumen, weil ein
stillstehendes Band, welches ja Bestandteil der Regelstrecke bildet, seines Einflusses
beraubt ist. Fährt die Maschine wieder an, so kann das Band reissen oder durchhängen.
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Dir Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die hier beschriebenen Nachteile
auszuschalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsemäss dadurch gelöst, dass der Bandzugregelkreiß
einem Drehzahlregelkreis überlagert ist, mit dessen Hilfe das Oelvolumen pro Umdrehung
der mit der Abwickelwelle gekoppelten hydrostatischen Einheit in ein zum stetig
abnehmenden Bunddurchmesser der Vorratsrolle proportionales Verhältnis gebracht
und die Umfangsgeschwindigkeit der Vorratsrolle derjenigen der nachfolgenden Förderwalze
der Maschine angeglichen wad, Um die beiden Regelkreise bis zu ihren Stellgliedern
hin voneinander zu trennen und dadurch deren Zeitkonstanten unabgängiger zu gestalten,
wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Bandzugregelkreis zur Aenderung
des Oelvolumens pro Umdrehung der mit der Förderwalze der Maschine gekoppelten hydrostatischen
Einheit herangezogen in einem Ausmass, welches lediglich die Dehnung des Bandmaterials
und die Ungenauigkeiten des Drehzahlregelkreises auszugleichen imstande ist.
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Um schliesslich die gegenseitigen Einwirkungen der beiden Regelkreise
zu optimieren, soll nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Bandzugregelkreis,
neben der Funktion einer
Ueberlagerung des Drehzahlregelkreises,
bei starken Abweichungen seines Istwertes vom Sollwert zusätzliche unverzögerte
Korrektursignale an den Drehzahlregelkreis abgeben, wodurch sich die Regelgeschwindigkeiten
beider Kreise addieren.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass der Bandzugregelkreis nur einen Bruchteil des für die totale Ausregelung erforderlichen
Stellbereiches zu beherrschen hat und zeitlich verzögert sein kann, sodass er schwingungsfrei
arbeitet und dass der ihm unterlagerte Drehzanlregelkreis dank seinem integrierenden
Verhalten die Bandgeschwindigkeit an der Vorratsrolle für alle ihre Durchmesser
konstant hält.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Von einer Material-Vorratsrolle auf der Abwickelwelle 1 wird mit Hilfe
der Förderwalze 2 das Band 3 in Pfeilrichtung abgezogen. Mit der Abwiokelwelle 1
ist eine volumetrisch regelbare hydrostatische Einheit 4, mit der Förderwalze 2
eine ähnliche Einheit 5 gekoppelt. Diese Einheiten sind durch die Leitungen 6 und
7 eines geschlossenen OelkreislauSes miteinander verbunden und können beide sinnbildgemäss
als Pumpe oder Motor arbeiten. Normalerweise ist die Einheit 4 eine Pumpe, angetrieben
dadurch die Abwickelwelle 1, und beaufschlagt über die Druckleitung 6 die als Motor
arbeitende Einheit 5 unter Rekuperation der Bremsenergie, Nur während der Beschleunigungszeit,
speziell wenn sie kurz ist, sowie gegen Ende des Abwickelprozesses, wenn die im
Durchmesser klein gewordene Vorratsrolle bei schwachem Bandzug die Reibungsverluste
der leerlaufenden Pumpe 4 nicht mehr zu überwinden vermag, kann letztere zum Motor
und von der dann als Pumpe wirkenden Einheit 5 beaufschlagt werden. Jetzt wird der
Strang 7 zur Druckleitung.
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Für eine Anlage dieser Art ist ein Hydroaggregat erforderlich.
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Es besteht aus einem Oelbehälter 8 mit zwei Zahnradpumpen 9 und 11
sowie deren Druckbegrenzungsventilen 10 und 12. Beide
Pumpen werden
durch einen gemeinsamen Elektromotor 13 angetrieben.
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Die Drehzahl der Abwickelwelle 1 und damit auch der Einheit 4 wird
durch die Tachomaschine 14 gemessen, während die Tachomaschine 15 auf der Welle
des die Förderwalze 2 antreibenden Elektromotors 16 sitzt und damit die Bandgeschwindigkeit
sowie die Drehzahl der Einheit 5 misst. Mit dem volumetrischen Verstellorgan 17
der Einheit 4, welches über einen Servomotor 18 bestätigt wird, ist ein Potentiometer
19 so mechanisch gekoppelt, dass der Spannungswert seines Abgriffes ein Mass für
das äeweilige Oelvolumen pro Umdrehung der Einheit 4 darstellt. An diesem Potentiometer
liegt die Spannung der Tachomaschine 14 an, deren Abgriff als Istwert im Mischpunkt
20 des Reglers 21 mit der vollen Spannung der Tachornaschine 15 als Sollwert verglichen
wird.
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Nimmt der Bunddurchmesser der Vorratsrolle ab, so steigt die Drehzahl
der Abwickelwelle 1 und die Spannung der Tachomaschine 14. Ihr Abgriff als Istwert
überwiegt im Mischpunkt 20 den Sollwert, wonach im Regler 21 ein Kontakt geschlossen
und damit der Servomotor 18 im Sinne einer Verminderung der Potentiometer-Abgriffsspannung,
also auch des Oelvolumens pro Umdrehung der Einheit 4, eingeschaltet wird. Der Kontakt
öffnet, sobald sicn die Soll-Istgleichheit eingestellt und das Oelvolumen sich dem
verminderten Bunddurchmesser der Vorratsrolle wieder angepasst hat. Diese Anpassung
ist streng proportional, denn Volumen x Drehzahl t Oelstrom und Bunddurchmesser
x Drehzahl = bandgesebwindigkeit; da aber Oelstrom und Bandgeschwindigkeit streng
proportional sind, muss die gleiche Beziehung auch zwischen Volumen und Bunddurehniesser
bestehen.
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Der Vorgang wiederholt sich in kurzen Abständen, bis die Vorratsrolle
ganz abgewickelt und das Volumen der Einheit 4 am kleinsten ist. Nach dem Einlegen
einer neuen Vorratarolle mus*ittels eines Hlltskontaktes 22, der den Servomotor
16 reversiert, das volumetrische Verstellorgan 17 wieder in seine Ausgangslage mit
dem grössten Volumen gebracht werden.
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Der hier beschriebene Drehzahlregelkreis zur volumetrischen Anpassung
der Einheit 4 an den jeweiligen Bunddurchmesser der Vorratsrolle ist ein sogenannter
Zweipunkt-Regelkreis. Anstelle des elektrischen Servoniotors 16 könnte z.B. auch
eine hydraulische Verstellung mittels Servozylinder zur Anwendung korken.
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Auch eine kontakt lose Steuerung der Verstelleinrichtung ist möglich.
Immer ist aber eine Regelung mit Integrations-Charakter erwünscht, d.h. eine solche,
die beim Ausbleiben der 5011- und Istwerte, wie es z.B. nach dem Anhalten der Maschine
der Fall ist, die volumetrische Verstelleinrichtung 17 in der davor gewesenen Position
mit Sicherheit bestehen lässt.
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Ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Justier-Potentiometer am
Mischpunkt 20 gestattet es, den Soll-Istvergleich vor Einführung des Bandes in die
Maschine (die Einheit 4 läuft dann leer als Motor) so einzustellen, dass die Umfangsgeschwindigkeiten
an der Vorratsrolle und an der Förderwalze 2 einander angeglichen werden. Mithin
gibt der beschriebene Drehzahlregelkreis die Gewähr, dass das Band weder durchhängen
noch reissen wird. Unter diesen Umständen darf der anschliessend zu beschreibende
Bandzugregelkreis, dem die Aufgabe zufällt, den gewünschten Bandzug aufzubauen und
aufrechtzuerhalten, genügend langsam sein, um jegliche Schwingungen auszuschalten.
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Die vorangegangenen Betrachtungen setzten voraus, dass das Oelvolumen
pro Umdrehung der mit der Förderwalze 2 gekoppelten hydrostatischen Einheit 5 konstant
bleibt, da ja auch der Durchmesser der Förderwalze sich nicht verändert. Die Einheit
5 brauchte also, was den Drehzahlregelkreis angeht, volumetrisch nicht regelbar
zu sein.
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Im Ausführungsbeispiel ist sie es doch, und zwar deswegen, um über
den Bandzugregelkreis gesteuert zu werden. Ihre volumetrische Verstelleinrichtung
23 wird mittels eines doppelwirkenden hydraulischen Zylinders 24 betätigt, dessen
Kolben durch ein Servoventil 25 beaufschgt ist. Die Walze 26 des um die Achse 27
schwenkbaren Hebelsystems zur direkten Messung der Zugkraft des Bandes 3 steuert
bei ihrer Bewegung das
Servoventil 25 und über das von der Zahnradpumpe
11 und ihrem Druckbegrenzungsventil 12 gelieferte Oel auch die Verstelleinrichtung
23 der hydrostatischen Einheit 5. Die auf das Hebelsystem ausgeübte Sollwertkraft,
welche der Komponente des Bandzuges die Waage hält, wird im pneumatischen Zylinder
28 erzeugt.
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Ihre Grösse kann von Hand am Druc,kventil 29, welches an eine hier
nicht dargestellte übliche Druckluft leitung angeschlossen ist, eingestellt und
am Manometer 30 abgelesen werden.
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Befinden sich die beiden entgegenwirkenden Kräfte im Gleichgewicht,
80 steht das Servoventil 25 in der gezeichneten Stellung, sodass die Kolbenposition
im Zylinder 24 sowie die Lage der volumetrischen Verstelleinrichtung 23 fixiert
sind. Ueberwiegt der Istwert (Bandzug zu gross), so erfolgt eine Aussteuerung der
Stelleinrichtung 23 im Sinne einer Vergrösserung des Oelvolumens pro Umdrehung der
Einheit 5. Beim Ueberwiegen des Sollwertes (bandzug zu klein) wird das Volumen verkleinert.
Die BedCimpfung, d.h. das zeitliche Verhalten dieses Regelkreises, kann mittels
einer veränderbaren Drossel 31 im weiten Bereich eingestellt werden.
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Der volumetrische Stellbereich für die Einheit 5 darf und soll möglichst
klein gehalten werden und wird in erster Linie durch die Dehnung des Bandes bestimmt,
Während der vorstehend besehriebenen Einjustierwig des Drehzahlregelkreises für
die Einheit 4 bei laufender Maschine, jedoch nicht eingeführtem Bande, zwecks Angleichung
der Umfangsgeschwindigkeit der Vorratsrolle an die der Förderwalze 2, soll das Oelvolumen
pro Umdrehung der Einheit 5 nahezu sein Maximum aufweisen, d.h. nur noch eine Reserve
von einigen wenigen Prozent besitzen zum eventuellen Ausgleich verbleibender Ungenauigkeiten.
Die dann im Betrieb mit eingeführtem Band einsetzende regeltechnische Verkleinerung
dieses Volumens geht auf Kosten der Banddehnung. Beträgt diese beispielsweise 5%,
so wird man also mit einer höchstmöglichen Volumenänderung in der Grössenordnung
von 10% auskommen. Darin liegt der wesentliohe Vorteil der Erfindung: während eine
Volumenänderung der Einheit 4 Werte von 90 und mehr errei'ct und über den schwingungsarmen
Drehzahlregelkreis bewältigt wird,
beschränkt sich der Stellbereich
der Einheit 5 in dem zu Schwingungen neigenden Bandzugregelkreise auf Bruchteile
dieser Werte, wobei eine zeitliche Bedämpfung durchaus zulässig ist.
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Anstelle einer direkten mechanischen Aussteuerung des Servoventils
25 durch die Zugmesswalze 26, kann eine solche auf elektrischem Wege erfolgen unter
Verwendung eines Magnetventils, welches vom Zugmess-System entsprechende elektrische
Impulse empfängt. Die Drossel 31 könnte entfallen und die BedAmpfung mit elektrischen
Mitteln erfolgen. Diese Lösung erleichtert auch die Verwirklic der folgenden Massnahme,
die ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist.
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Bei besonders gelagerten Betriebsverhältnissen (kaum dehnbares Bandmaterial,
extrem grosser oder auch ganz kleiner-Abßtand zwischen Förderwalze und Vorratsrolle,
unrunder Lauf der letsteren, rasche Aenderungen der Bandgeschwindigkeit u. dgl*)
können starke Abweichungen vom eingestellten Sollwert des Bandzuges auftreten, bedingt
durch die Dämpfung des Bandzugregelkreises.
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Neben anderen an sich bekannten regelungstechnischen Massnahmen kann
für solche Fälle erfindungsgemäss ein separater unverzögerter Signalgeber im Bandzugregelkreise
vorgesehen werden, dessen Impulse nur bei grösseren Abweichungen des Istwertes vom
Sollwerte erzeugt und als Korrektursignale an den Drehzahlregelkreis abgegeben werden.
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Im Ausführungsbeispiel wurden solche Signale Kontakte schliessen,
die parallel zu den Kontakten 21 und 22 geschaltet sind. Ist der Bandzug übermässig
gross, so wirkt die Leitung des Kontaktes 21, ist er übermäßig klein, so die des
Kontaktes 22. Auf diese Weise addieren sich die Geschwindigkeiten der beiden Regelkreise
und die übermässigen Abweichungen werden rasch abgebaut.
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An die Vorrichtungen nach Art des Ausführungsbeispieles wird die Forderung
gestellt, dass auch schon vor Ingangsetzung-der Maschine das Band gespannt werden
kann. Hierfür ist das Magnetventil 32 vorgesehen. Im nicht erregten Zustande leitet
es, wie in der Zeichnung dargestellt, den von der Zahnradpumpe 9 gelieferten
Oelstrom
über das Druckreduzierventil 33 mit geringem Druck in den Oelkasten 8 und zu den
beiden Rückschlagventilen 34 und 35. Damit werden die Leckoelverluste des geschlossenen
Oelkreislaufes während der ganzen Betriebsdauer kompunsiert, wobei die Wirkung des
auf einen viel höheren Druck eingestellten Ventils 10 ausgeschaltet bleibt. Vor
der Ingangsetzung der Maschine wird aber da8 Magnetventil 32 erregt, sperrt den
Zutritt zum Ventil 33 und leitet das Oel jetzt mit hohem Druck in die Leitung 6.
Die so beaufschlagten hydroßtatischen Einheiten verstellen sich, und zwar die Einheit
4 im Uhrzeigersinne, die Einheit 5 ihm entgegen, spannen das Band 3 und halten seine
Spannung aufrecht, bis im Augenblick der Ingangsetzung das Ventil 3? entregt wird.
Die restlichen gezeichneten Ventile gehören zur normalen Ausrüstung eines geschlossenen
Oelkreislaufes.
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Abschliessend soll festgehalten werden, dass die erfindungsmässige
Ueberlagerung des Drehzahlregelkreises durch den Bandzugregelkreis nicht zwingend
an die volumetrische Beeinflussung der mit der Förderwalze 2 gekoppelten hydrostatischen
Einheit 5 gebunden ist. Es ist theoretisch zulässig, eine nicht regelbare Einheit
5 zu verwenden und den bedämpften Bandregelkreis zur Abgabe analoger Korrektursignale
an den ihm unterlagerten Drehzahlregelkreis einzusetzen. Letzterer sollte allerdings
in diesem Falle auch ein der Soll-Istabweichung proportionales Verhalten aufweisen,
beispielsweise durch Verwendung eines regelbaren Gleichstrommotors anstelle des
mit konstanter Drehzahl laufenden und über Kontakte gesteuerten Wechselatrom-Servomotors
18. Für das Ausführungsbeispiel ist die beschriebene Anordnung hauptschlich deswegen
gewählt worden, weil sie weit grössere Optimi.rungsmöglichkeiten für die beiden
Regelkreise mit getrennten Stellgliedern eröffnet.