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Die
Erfindung betrifft einen Kalander mit einem Walzenstapel, der zwei
Endwalzen und dazwischen mehrere Zwischenwalzen aufweist, wobei
im Betrieb zwei einander benachbarte Walzen, die jeweils eine Durchbiegung
aufweisen, einen Nip bilden, wobei sich die Durchbiegungen benachbarter
Walzen voneinander unterscheiden. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn, die durch mehrere
Nips geführt
und dort mit Druck beaufschlagt wird, wobei jeder Nip durch eine
erste Walze und eine dieser benachbarten zweiten Walze gebildet
wird und man die Durchbiegungen der beiden Walzen unterschiedlich wählt.
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Ein
derartiger Kalander wird beispielsweise verwendet, um eine Papierbahn
zu satinieren. Hierbei möchte
man über
die gesamte Breite der Papierbahn einen möglichst gleichmäßigen Druckverlauf
erreichen, um Dicken- und Qualitätsunterschiede
quer zur Laufrichtung der Papierbahn zu vermeiden. Die zu satinierenden
Papierbahnen haben derzeit Breiten in der Größenordnung von bis zu 10 m.
Die entsprechend langen Walzen tendieren daher dazu, aufgrund ihres
Eigengewichts in der axialen Mitte "durchzuhängen", sie weisen also eine Durchbiegung
auf. Auch wenn diese Durchbiegung nicht allzu groß ist, macht
sie sich störend
bei der Druckbehandlung der Papierbahn oder einer anderen Materialbahn
bemerkbar.
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Man
hat versucht, dieser Erscheinung entgegen zu wirken. So ist es beispielsweise
aus
EP 0 679 204 B1 bekannt,
die Zwischenwalzen so auszuwählen,
daß sie
alle die gleiche Eigendurchbiegung aufweisen, und das Gewicht der
Walzen und die sogenannten überhängenden
Lasten, d. h. die mit den Walzen verbundenen Teile, wie Leitwalzen
oder Lagergehäuse,
komplett gewichtsmäßig zu entlasten.
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WO
98/50628 A1 zeigt einen Kalander und ein Verfahren zum Behandeln
einer Materialbahn der eingangs genannten Art. Hier haben die Zwischenwalzen
unterschiedliche Durchbiegungen. Die einzelnen Zwischenwalzen sind
dabei in einem Maße
abgestützt,
daß mehr
als die überhängenden
Lasten kompensiert werden. Dabei ergeben sich Durchbiegungslinien
der Walzen, die nach unten weisen und im wesentlichen paraboloid
ausgebildet sind. Die Stützkräfte einer
jeden Zwischenwalze werden nun so geregelt, daß die Durchbiegung der Walze
angepaßt
wird an die Formen der anderen Walzen in dem Walzenstapel des Kalanders.
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Ein
anderer Ansatz, der in
DE
198 20 089 A1 beschrieben ist, geht davon aus, daß man die
Streckenlastprofile durch Einleiten von Verformungskräften an
den Walzenzapfen der Zwischenwalze verändert. Dabei wählt man
die Verformungskräfte
derart, daß die
Zwischenwalzen zur Ausübung
von Be- oder Entlastungsdrücken
eine im wesentlichen gleiche Durchbiegung erhalten, wobei ein Grad
der Durchbiegung gemäß einer
bestimmbaren Veränderung
einer walzenbedingten Streckenlastdifferenz zwischen dem oberen
und unteren Nip eingestellt wird. Die durchbiegungssteuerbaren Walzen
an den Enden des Walzenstapels werden dann an diese Biegung angepaßt. Man
kann nun beobachten, daß trotz
dieser gleichen Durchbiegungen die Satinageergebnisse teilweise
nicht zufriedenstellend sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastung im Nip gleichförmig zu
gestalten.
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Damit
verläßt man zwar
den bisher verfolgten Ansatz, allen Walzen die gleiche Durchbiegung
zu vermitteln oder die Walzen so auszuwählen, daß sie von sich aus die gleiche
Durchbiegung haben. Man eröffnet sich
aber die Möglichkeit,
daß die
Durchbiegung in den Nips stärker
aneinander angenähert
werden können, als
bisher. Dabei spielt die Überlegung
eine Rolle, daß man
bei der Durchbiegung einer Walze bislang nicht die unterschiedlichen
Effekte berücksichtigt
hat, die sich an der konkaven und an der konvexen Seite ergeben. Wenn
man nun die Durchbiegungen unterschiedlich wählt, dann kann man diese Effekte
berücksichtigen.
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Vorzugsweise
hängt die
Amplitude
der Durchbiegung der zweiten
Walze nach folgender Beziehung von der Amplitude
der Durchbiegung der ersten
Walze ab
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Diese
Aufgabe wird bei einem Kalander der eingangs genannten Art gelöst, mit
dem Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1
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Man
kann die Durchbiegungen der beiden Zwischenwalzen, die den betrachteten
Nip bilden, im Nip aneinander anpassen, so daß der Druckverlauf im Nip über die
Breite der Materialbahn wesentlich gleichförmiger wird. Die Anpassung
erfolgt also dort, wo sie erforderlich ist. Dabei kann man ohne
weiteres in Kauf nehmen, daß die
Durchbiegungen der beiden Zwischenwalzen an sich, d.h. die Durchbiegung
an den Achsen, voneinander abweichen. Eine derartige Abweichung
ist sogar Voraussetzung, daß man
die Durchbiegungen an den beiden Mantellinien miteinander in Übereinstimmung
bringt. Durch Ändern
des Lagerabstandes kann man nach Austausch eine Zwischenwalze die
Biegelinie in die gewünschte
Form bringen.
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Wenn
von einander benachbarten Walzen mindestens eine eine Momentinleitungseinrichtung
aufweist, ist man dann nicht mehr darauf angewiesen, Walzen auszuwählen, die
von sich aus die geforderten Durchbiegungen aufweisen. Man kann
eine derartige Durchbiegung auch durch das Einleiten von äußeren Kräften bewirken.
wobei
- AB
- = Arbeitsbreite
- MbML
- = Lagerabstand
- D(i)
- = Durchmesser der
ersten Walze
- D(i+1)
- = Durchmesser der
zweiten Walze
- i
- = Index der ersten
Walze
- i + 1
- = Index der zweiten
Walze.
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Vorzugsweise
weisen benachbarte Walzen unterschiedliche Lagerabstände auf,
wenn sie in mindestens einem Parameter voneinander abweichen. Mit
dieser Ausgestaltung erreicht man nicht nur eine Übereinstimmung
der Durchbiegungen, genauer gesagt der Amplituden der Durchbiegungen
an den beiden benachbarten Mantellinien der beiden den Nip bildenden
Walzen, sondern man hat die Möglichkeit,
auch gleiche Biegelinien einzustellen. Die Biegelinien sind bekanntlich
nicht nur abhängig
von der Amplitude der Durchbiegung, sondern beispielsweise auch
von der Kurvenform der Biegelinie, die über die Schubverformung zum
Beispiel vom Schlankheitsgrad der Walzen abhängt. Wenn man nun die Möglichkeit
hat, die Lagerabstände
der Zwischenwalzen zu variieren, dann erhält man die Möglichkeit,
tatsächlich
auch die Kurvenform der Biegelinien der Mantellinien, d. h. der
beiden den Nip begrenzenden Linien besser aneinander anzupassen.
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Vorzugsweise
liegt die Differenz der Lagerabstände im Bereich von 0,1% bis
2% bezogen auf den größeren Lagerabstand.
Eine derartige Abweichung ist durchaus tolerierbar. Größere Änderungen
an der Stuhlung sind nicht erforderlich, weil die Kräfte, die
auf die Stuhlung wirken, keine wesentlich anderen Kraftangriffspunkte
erhalten. Trotzdem lassen sich mit diesen kleinen Änderungen
bereits beträchtliche
Vorteile erzielen.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß der
Lagerabstand mindestens einer Zwischenwalze veränderbar ist. Nach dem Austausch
der betreffenden Walze läßt sich
dann gegebenenfalls die Biegelinie in die gewünschte Form bringen.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Lagerung aller Walzen symmetrisch zur axialen Mitte erfolgt. Dies
gilt auch für
die Zwischenwalze, deren Lagerabstand verstellt wird. Dies bedeutet
zwar, daß man
die Verstellung der Lager an beiden axialen Enden vornehmen muß. Die Biegung
der Mantellinie dieser Walze wird dann aber über die gesamte Arbeitsbreite
an die Biegung der entsprechenden zweiten Walze angepaßt.
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Die
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß man
die Durchbiegung der ersten Walze so steuert, daß die Amplitude der Durchbiegung
der Mantellinie an der konvexen Seite der ersten Walze übereinstimmt
mit der Amplitude der Durchbiegung der Mantellinie an der konkaven
Seite der zweiten Walze.
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Wie
oben im Zusammenhang mit dem Kalander erläutert, ist es mit unterschiedlichen
Durchbiegungen der Walzen, d. h. deren Mittellinien, möglich, die
Durchbiegungen an den entscheidenden Stellen, nämlich an den den Nip bildenden
Mantellinien aneinander anzugleichen. Auf diese Weise wird das Satinageergebnis über die
Arbeitsbreite, d. h. die Breite der Materialbahn, drastisch verbessert.
Wenn man die Durchbiegungen in Übereinstimmung
bringt, erhält
man über
die Breite der Walzen ein verbessertes Arbeitsergebnis.
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Auch
ist von Vorteil, wenn man bei ungleichen Walzen den Lagerabstand
einer Walze gegenüber
dem Lagerabstand der anderen Walze abweichend einstellt. Wie oben
ausgeführt,
läßt sich
auf diese Weise nicht nur die Amplitude der Durchbiegung an den
beiden Mantellinien in Übereinstimmung
bringen, sondern auch die Kurvenform der Biegelinie.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
erste Prinzipskizze zur Erläuterung
wichtiger Größen,
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2 eine
zweite Prinzipskizze zur Erläuterung
weiterer Größen und
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3 eine
schematische Darstellung von Biegelinien.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem Walzenstapel eines Kalanders. Dargestellt
ist eine erste Walze i und eine zweite Walze i + 1, die zwischen
sich einen Nip N bilden. Durch diesen Nip N wird im Betrieb eine Materialbahn,
beispielsweise eine nicht näher
dargestellte Papierbahn, geführt
und dort mit Druck und gegebenenfalls auch mit erhöhter Temperatur
beaufschlagt. Hierbei ist es gewünscht,
daß die
Behandlung über
die gesamte Breite des Nips N (d. h. die Erstreckung in axialer
Richtung der beiden Walzen i, i + 1) gleichmäßig erfolgt. Eine Voraussetzung
dafür ist,
daß die
bei den Walzen i, i + 1 den Nip N auch gleichmäßig ausbilden können.
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Um
eine derartige gleichmäßige Ausbildung
zu erreichen, weisen die beiden Walzen i, i + 1 unterschiedliche
Durchbiegungen auf. Dabei werden die Durchbiegungen nach einer bestimmten
Vorgehensweise gewählt,
die im folgenden erläutert
werden soll. Ziel ist es, die Durchbiegung der unteren Mantellinie
der oberen Walze i anzupassen an die Durchbiegung der oberen Mantellinie
der unteren Walze i + 1. Hierbei wird vereinfachend davon ausgegangen,
daß die
Durchbiegung ausschließlich
durch die Schwerkraft und die damit verbundenen Gewichtskräfte an den
Walzen verursacht wird. Die Überlegungen
gelten aber grundsätzlich auch
dann, wenn die Durchbiegung durch äußere Kräfte oder Momente verursacht
wird.
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Ausgangspunkt
für die
nachfolgende Betrachtung ist der geöffnete Walzenstapel, d. h.
die Mittelwalzen i, i + 1 hängen,
in ihren Lagern abgestützt,
frei entsprechend ihren Eigenbiegelinien aus Schwerkraft und Steifigkeit
durch. Hierbei ergibt sich zumindest in erster Nährung die Form einer Parabel.
Für die
nachfolgende Betrachtung reicht es aber aus, wenn man die Durchbiegungslinie
als Kreislinie ansieht.
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Für den Schließvorgang
der Nips ist es als ideal anzusehen, wenn die sich aufeinander zu
bewegenden Berührungslinien
der beiden den Nip N bildenden Walzen eine bestmögliche Anschmiegungsform aufweisen.
Die beiden Berührungslinien
sind die untere Mantellinie der oberen Walze und die obere Mantellinie
der unteren Walze. Hierbei ist man weitgehend unabhängig davon,
ob im anschließenden
Betriebsfall die Walzengewicht teil- oder vollkompensiert werden.
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Die
Anforderung, daß die
untere Mantellinie der Walze i in ihrer Durchbiegungsamplitude
der Durchbiegungsamplitude
der oberen Mantellinie der
darunter befindlichen Walze i + 1 entspricht, läßt sich bei exakt gleichen
Eigendurchbiegungen f
EM benachbarter Mittelwalzen
i und i + 1 nicht erfüllen,
wie sich anhand der Skizze der
1 ableiten
läßt.
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Aufgrund
der gleichen Biegelinien ist die Distanz XR der Walzen an den Ballenrändern
gleich der Distanz XM der
Walzen in der Walzenmitte
d. h. die Walzenspaltdifferenz Δf = XR – XM ergibt
sich zu
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Zwischen
der Durchbiegung f
EM und dem Neigungswinkel α der Eigenbiegelinie
am Ballenrand besteht nach bekannten Formeln eine feste Beziehung
(bei Vernachlässigung
der Schubverformung)
daraus folgt:
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Da
tan
2α im
Vergleich zu 1 immer sehr klein sein wird, gilt als zulässige Vereinfachung:
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Damit
wird Δf
= 14 K2·fEM 2(Di +
D(i+1))
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Um
die ideale Anschmiegung, d. h. Δf
= 0 zu erhalten, muß die
Durchbiegung f
EM der Walze i + 1 gezielt kleiner
sein als die der darüber
liegenden Walze i. Wenn die Amplitude der Durchbiegung der unteren
Mantellinie der oberen Walze i mit
und die Amplitude der Durchbiegung
der oberen Mantellinie der unteren Walze i + 1 mit
bezeichnet wird, dann sollte
gelten
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Die
Größen
lassen sich nach folgenden
Beziehungen herleiten
daraus folgt:
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Wenn
man diesen Ausdruck nach
auflöst, erhält man
wobei
oben definiert worden ist.
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Damit
kann man, wenn man mit der obersten Mittelwalze eines Kalanders
beginnt (i = 2) den ganzen Walzenstapel in Bezug auf seine ideal
differierenden Eigendurchbiegungen berechnen. Dies ist in der folgenden
Tabelle niedergelegt, wobei gilt:
AB = 10.000 mm
MbML
= 11.700 mm
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Der
Walzenstapel hat zwölf
Walzen, d. h. zwei durchbiegungseinstellbare Endwalzen und dazwischen Zwischenwalzen
an den Walzenpositionen 2-11, die in bekannter Weise abwechselnd
als harte und weiche Walzen ausgebildet sind. Bei den harten Walzen
handelt es sich um Hartgußwalzen
mit Durchmessern von 760/410 mm (Außendurchmesser, Innendurchmesser).
Die weichen Walzen sind als GG-Rohrwalzen mit Kunststoffbezug ausgebildet
und weisen einen Durchmesser von 825/800/428 mm (Außendurchmesser
mit Bezug, Außendurchmesser
ohne Bezug, Innendurch messer) auf.
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Man
erkennt, daß sich
bei der 11. Walze bereits eine Abweichung ΔfEM zur
Walze 2 von 0,00237 mm ergeben hat.
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Diese
erste Ansatz hat sich bereits weitgehend bewährt. Allerdings werden hierbei
in erster Linie nur die Amplituden der Durchbiegungen aneinander
angepaßt.
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Weiter
verbessern kann man die Vergleichmäßigung der Belastung im Nip
dadurch, daß man
bei den Mittelwalzen unterschiedliche Lagerabstände wählt oder einstellt. Das Einstellen
kann beispielsweise nach einem Wechsel einer Walze erforderlich
sein.
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In
Mehrwalzenkalandern sind einander benachbarte Walzen in der Regel
nicht gleich. Dies bezieht sich nicht nur auf den ersten und auf
den letzten Nip, die in der Regel von einer Zwischen- oder Mittelwalze und
einer Durchbiegungseinstellwalze begrenzt sind, sondern auch auf
die übrigen
Nips, die von jeweils zwei Zwischenwalzen begrenzt werden. Beispielsweise
haben die elastischen Walzen, d. h. die Walzen mit einer elastischen
Oberfläche
und die harten Walzen, d. h. die Walzen mit einer unnachgiebigen
oder harten Oberfläche,
unterschiedliche Schlankheitsgrade und Walzendurchmesser. Der Schlankheitsgrad
ergibt sich aus dem Außendurchmesser.
Da dividiert durch die Arbeitsbreite AB.
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Die
Schubverformung einer Walze ist unter anderem eine Funktion f des
Schlankheitsgrades DaAB
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Die
Schubverformung beeinflußt
aber auch die Kurvenform der Biegelinie (
3) gemäß nachfolgender
Gleichung für
die Kurvenfaktoren zwischen Walzenmitte (y = 1 bei x = 0) und dem
Rand der Arbeitsbreite (y = 0 bei x = ½AB).
mit MbML als Lagerabstand
(Mitte bis Mitte Lager).
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Bei
gemeinsamem Lagerabstand MbML von Mittelwalzen mit ungleichem
(Definition weiter unten)
ergeben sich zwangsläufig
abweichende Kurvenformen ihrer Biegelinien, wie dies aus der schematischen
Darstellung der
3 zu erkennen ist.
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Auch
wenn die Durchbiegungsamplituden in der Walzenmitte übereinstimmen,
können
sich unter Umständen
die gefürchteten
M- bzw. W-Profile im Streckenlastverlauf der Walzenspalte ergeben.
Diese werden zwar bereits abgeschwächt, wenn man die Durchbiegungsamplituden
aneinander anpaßt.
Eine Verbesserung ergibt sich jedoch dann, wenn man die Lagerabstände MbML
entsprechend wählt.
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Hierbei
wird angenommen, daß die
Arbeitsbreite AB für
alle Nips N gleich bleibt. Für
zwei Nachbarwalzen i und i + 1 gilt dann
oder auf
gelöst
nach MbML
(i+1) -
Außer vom
Schlankheitsgrad
DaAB hängt die Schubverformung noch
von der Schubverteilungszahl κ des
Walzenquerschnittes, der Querdehnzahl μ des Walzenwerkstoffs und dem
Durchmesserverhältnis
DiDa bei Hohlbohrung Di wie folgt ab
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Diese Überlegungen
sollen anhand des nachfolgenden Beispiels erläutert werden
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Man
erkennt, daß man
einen Abstand in der Größenordnung
von 17,4 mm erhält.
Dies ist durchaus eine praktikable Größenordnung.