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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Aufwickeln einer Materialbahn zu einer Rolle, bei dem die Rolle
in einem Wickelbett liegt, von einer Belastungswalze in das Wickelbett
gedrückt
wird und zumindest während
eines Teils des Wickelvorgangs durch ein Druckluftpolster im Wickelbett
unterstützt wird.
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Ein derartiges Verfahren ist aus "Wochenblatt für Papierfabrikation"; 19–1999, Seiten
1240 bis 1245 bekannt. Die Belastungswalze verringert mit zunehmendem
Rollendurchmesser ihre Belastung auf einen Minimalwert, der nahezu
bei Null liegt. Kurz vor Erreichen dieses Minimalwerts wird eine
Druckluftentlastung eingeschaltet, deren Nipkraft mit zunehmendem
Rollendurchmesser ansteigt.
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Firmenprospekt Voith Sulzer Paper
Technology; "Systems
for Finishing TORO WINDER" fi
1040 e 2200 – 7.98
beschreibt ein Wickelverfahren, bei dem die Wickelrolle zu Beginn
des Wickelvorgangs bis zu einem Durchmesser von etwa 880 mm durch eine
Belastungswalze belastet wird, deren Belastungskraft kontinuierlich
bis fast auf Null abnimmt. Kurz bevor die Belastungswalze ihre minimale
Kraft erreicht hat, wird eine Druckluftentlastung zugeschaltet,
deren Druck mit zunehmendem Rollendurchmesser anwächst. Damit
wird eine leicht ansteigende Belastung in den Auflagenips erzielt.
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DE 42 14 713 A1 beschreibt ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Aufwickeln einer laufenden Bahn, bei dem eine
Wickelrolle unter Zwischenlage eines gespannten Bandes auf zwei
Tragwalzen aufliegt und beim Wickeln durch eine Belastungswalze belastet
wird. Die Kraft der Belastungswalze sinkt bis zu einem Rollendurchmesser
von etwa 60 cm ab und bleibt dann auf einem Wert von 0,34 kN/m.
Die Wickelrolle wird dabei nicht nur durch die Tragwalzen unterstützt, sondern
auch von dem gespannten Band, so daß die Auflagefläche relativ
groß und
der Auflagedruck damit entsprechend klein wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
einer Papierbahn als Beispiel für
eine Materialbahn beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern
kann bei anderen Materialbahnen angewandt werden, bei denen ähnliche
Probleme wie bei Papier auftreten. Beispiel hierfür sind Karton
oder Folien aus Metall oder Kunststoff.
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In einem der letzten Herstellungsschritte muß eine Papierbahn,
die in der Regel "endlos" produziert wird,
zu handhabbaren Rollen aufgewickelt werden. In vielen Fällen geht
dem Aufwickeln noch ein Längsschneiden
in Papierbahnstreifen voraus. Beim Aufwickeln möchte man einen gewissen Wickelhärteverlauf
erreichen. Die Rolle soll nämlich
im Innern härter
gewickelt sein als im Bereich des Umfangs. Die Wickelhärte soll
also von innen nach außen
abnehmen.
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Die Wickelhärte wird unter anderem durch eine
Nipkraft beeinflußt,
die sich im Nip zwischen der Wickelrolle und den Tragwalzen einstellt,
die das Wickelbett bilden. In erster Näherung kann man davon ausgehen,
daß die
Wickelhärte
um so höher
ist, je größer die
Nipkraft ist.
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Der gewünschte Wickelhärteverlauf
läßt sich ohne
zusätzliche
Maßnahmen
praktisch nicht realisieren. Zu Beginn des Wickelvorgangs besteht
die Rolle praktisch nur aus der Wickelhülse. Sie ist also relativ leicht,
so daß sich
aufgrund der Nipkraft dementsprechend nur eine geringe Wickelhärte ergeben würde. Mit
zunehmendem Rollendurchmesser steigt auch das Gewicht der Rolle
und damit die Nipkraft an den Auflagenips, was die Wickelhärte erhöhen würde. Es
ist daher bekannt, zu Beginn des Wickelvorgangs eine Belastungswalze
auf der Rolle ruhen zu lassen, wobei die Belastungswalze die Rolle
mit einer vorbestimmten Kraft in das Wickelbett hineindrückt. Hierdurch
läßt sich
die Rolle relativ hart anwickeln, d.h. die Wickelhärte ist
im Bereich des Rollenkerns oder der Wickelhülse hoch genug. Da mit zunehmendem
Rollendurchmesser die Gewichtskraft zunimmt, wird die Belastung
durch die Belastungswalze zunehmend zurückgeführt. Oft wird mit Hilfe des
Druckpolsters im Wickelbett eine in entgegengesetzte Richtung wirkende
Kraft auf die Rolle aufgebaut. Die Belastung durch die Belastungswalze
wird zurückgenommen,
weil sie wiederum zu einer Erhöhung
der Nipkraft an den Auflagenips führen würde, was unerwünscht ist.
Die Belastungswalze wird vielfach nur noch lose oder unter einem
relativ geringen Druck von etwa 0,2 kN/m an der Rolle gehalten,
um ein versehentliches Auswerfen (Kick-out) der Rolle aus dem Wickelbett
zu verhindert.
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Trotz aller dieser Maßnahmen
kann man gelegentlich beobachten, daß sich die Rolle nicht so aufbaut,
wie dies an und für
sich gewünscht
ist. Insbesondere dann, wenn sich bei einer Papierbahn oder bei
einer anderen Bahn größere Quer-
oder Längsprofilabweichungen
ergeben, kann der Lauf der Rolle beim Wickeln sehr unruhig werden,
so daß man
im Grunde genommen nicht einmal davon ausgehen kann, daß der Wickelhärteverlauf über den
gesamten Umfang der Rolle gleich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Wickelqualität
zu verbessern und den Betrieb sicherer zu machen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Belastungswalze die Rolle
während
des gesamten Wickelvorgangs mit einer Mindestbelastung von 0,5 kN/m
in das Wickelbett drückt
und das Druckluftpolster in Abhängigkeit
von der Belastung der Belastungswalze so gesteuert wird, indem bei
einer höheren
Belastung durch die Belastungswalze über eine Steuereinrichtung
der Druck des Druckluftpolsters im Wickelbett entsprechend erhöht wird.
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Diese Maßnahme erscheint an und für sich widersinnig,
weil man durch die zusätzliche
Belastung, die die Belastungswalze aufbringt, auch die Nipbelastung
in den Auflagenips erhöht,
was an und für
sich zu einer Erhöhung
der Wickelhärte
in den äußeren Bereichen
der Wikkelrolle führen
würde.
Dieser Effekt ist zwar in geringem Maße vorhanden. Insbesondere
im Endabschnitt des Wickelvorgangs, beispielsweise in den letzten
40% des Durchmessers, wird durch das Einklemmen der Rolle zwischen
der Belastungswalze einerseits und dem Wickelbett andererseits aber
ein wesentlich ruhigerer Lauf erzielt. Ein "Springen" der Rolle und die damit verbundene starke
Ungleichmäßigkeit
im Wickelhärteverlauf
wird durch die Belastungswalze weitgehend vermieden. Hierbei ist
zu beachten, daß die
zusätzliche
Nipkraft, die die Belastungswalze ausübt, bezogen auf die Nipkraft,
die aus dem Rollengewicht resultiert, nur noch von untergeordneter
Bedeutung ist. Die "negativen" Auswirkungen, die
durch eine Erhöhung
der Nipkraft der Belastungswalze auf die Rolle zu erwarten sind,
werden durch die "positiven" Auswirkungen dieser
Erhöhungen
mindestens kompensiert. Wenn die Belastung der Belastungswalze erhöht wird,
dann wird eben der Druck im Druckluftpolster ebenfalls erhöht, so daß man die
Nipkraft in den Auflagenips auf den das Wickelbett bildenden Tragwalzen
begrenzen kann. Hierbei ergibt sich ein gewisser Automatismus. Das
Druckluftpolster ist, gegebenenfalls unter Beachtung weiterer Bedingungen,
wie ein Mindestrollendurchmesser, unmittelbar an die Belastung durch die
Belastungswalze gekoppelt. Da diese zumindest ab einem vorbestimmten
Rollendurchmesser mit einer konstanten Kraft wirkt, kann man eine
entsprechend konstante Gegenkraft mit Hilfe des Druckluftpolsters
erzeugen. Da sich die entsprechenden Kräfte linear überlagern lassen, wird die
Steuerung sehr einfach.
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Vorzugsweise wird die Belastungswalze
verwendet, um den Durchmesser der Rolle zu ermitteln, wobei das
Druckluftpolster in Abhängigkeit
von vorgebbaren Parametern der aufgewickelten Materialbahn und vom
Durchmesser der Rolle gesteuert wird. Wenn die Belastungswalze am
Umfang der Rolle anliegt, dann gibt der Ort der Belastungswalze
eine Information über
den Durchmesser der Rolle. Diese Durchmesserinformation erlaubt
es, unter Berücksichtigung
der Parameter der Materialbahn, beispielsweise Flächengewicht
oder Dichte, auf das Gewicht und die damit verbundene Gewichtskraft
der Rolle zurückzuschließen. Aus
der Gewichtskraft läßt sich
dann auf die Nipkraft in den Auflagenips der Rolle schließen. wenn
die Beispielsweise also nicht nur ihre Kraft, sondern auch ihren
Ort, an eine Steuerung weitergibt, dann kann die Steuerung das Druckluftpolster
relativ genau einstellen.
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Vorzugsweise wird das Druckluftpolster
so eingestellt, daß eine
vorbestimmte maximale Nipkraft zwischen der Rolle und den das Wickelbett
bildenden Tragwalzen nicht überschritten
wird. Damit wird die Wickelhärte
begrenzt.
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Vorzugsweise liegt die maximale Nipkraft
in Abhängigkeit
von der Papiersortenempfildichkeit im Bereich von 2 bis 5 kN/m.
Dieser Wert hat sich als ausreichend erwiesen, um die gewünschte Wickelhärte zu erzeugen,
andererseits aber die Materialbahn ausreichend zu schonen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
ist vorgesehen, daß ein
Nipkraftverlauf zwischen Rolle und Tragwalze über den gesamten Wickelvorgang
annähernd
konstant bleibt. Trotz der Belastung durch die Belastungswalze verbleibt
die resultierende Nipkraft, die sich auch unter Berücksichtigung
der Gewichtsentlastung mit Hilfe des Druckluftpolsters ergibt, annähernd konstant.
Mit diesem Begriff ist gemeint, daß gewisse Variationen durchaus
zulässig
sein können. Die
Veränderungen
bleiben jedoch unter 25% eines Mittelwerts des Nipkraftverlaufs.
Um dennoch einen Wickelhärteverlauf
einstellen zu können, bei
dem die Wickelhärte
von innen nach außen
abnimmt, kann man weitere Maßnahmen
ergreifen. beispielsweise die Antriebsmomente der Tragwalzen unterschiedlich einstellen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist
es nun möglich,
daß man
die Rolle beim Wickeln beobachtet und die Belastung durch die Belastungswalze
erhöht,
wenn sich ein unruhiger Lauf zeigt. Der unruhige Lauf kann durch
einen Bediener visuell festgestellt werden. Man kann aber auch Vibrationsmessungen
vornehmen und in Abhängigkeit
von der Frequenz oder der Amplitude der Vibrationen die Kraft der
Belastungswalze erhöhen.
Durch diese Rückkopplungsmöglichkeit
läßt sich
die Wickelqualität
der Rolle weiter verbessern. Da die durch das Druckluftpolster erzeugte
Gegenkraft automatisch an die Kraft der Belastungswalze angeglichen
wird, ergeben sich trotz eines "festeren" Haltens der Rolle
im Wikkelbett keine nennenswert geänderten Wickelhärteverläufe.
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Mit Vorteil wird das Druckluftpolster
erst ab einem vorbestimmten Rollendurchmesser eingeschaltet, wobei
dieser Rollendurchmesser mit der Belastung durch die Belastungswalze
verändert
wird. Bei dieser Vorgehensweise trägt man der Tatsache Rechnung,
daß erst
ab einem vorbestimmten Rollengewicht tatsächlich eine Druckluftentlastung
notwendig ist, weil erst ab einem bestimmten Rollendurchmesser das
Rollengewicht so weit ansteigt, daß die Nipkraft in den Auflagenips
die Wikkelhärte
negativ beeinflussen könnte.
Durch die Erhöhung
der Kraft der Belastungswalze können
sich nun aber die Verhältnisse
verschieben. Wenn beispielsweise aufgrund eines unruhigen Laufs
der Rolle eine Erhöhung der
Kraft der Belastungswalze notwendig ist, kann die Summe aus Belastungskraft
und Gewichtskraft bereits dann einen kritischen Wert annahmen, wenn der
sonst übliche
Rollendurchmesser noch nicht erreicht ist. In diesem Fall wird das
Druckluftpolster entsprechend früher
aufgebaut.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Wickelvorrichtung und
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2 verschiedene
Kurven zur Darstellung des Wikkelverfahrens.
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1 zeigt
eine Wickelvorrichtung zum Aufwickeln einer Materialbahn 2 zu
einer Wickelrolle 6'. Die
Materialbahn 2 wird hierbei auf eine Hülse 6 aufgewikkelt,
die in einem Wickelbett 11 ruht, das durch zwei Tragwalzen 3, 5 gebildet
ist. Das Wickelbett 11 wird mit Hilfe eines Blaskastens 4,
der im Zwickel unterhalb der Tragwalzen 3, 5 angeordnet
ist, mit Druckluft versorgt, d.h. im Wickelbett 11 kann
gesteuert ein Druckluftpolster aufgebaut werden, das zur Unterstützung der
Wickelrolle 6' dient
und damit die Auflagekraft der Wickelrolle 6' auf die Tragwalzen 3, 5 verringert.
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Oberhalb des Wickelbettes 11 ist
eine Belastungswalze 7 angeordnet, die mit Hilfe eines
Motors 8, der im vorliegenden Fall als Kolben-Zylinder-Motor ausgebildet
ist, über
ein Gestänge 9 in
Richtung auf das Wickelbett belastet werden kann. Hierdurch wird die
Hülse 6 und
später
die Wickelrolle 6' in
das Wickelbett 11 hineingepreßt, also gegen die Tragwalzen 3, 5.
Mit zunehmen dem Durchmesser der Wickelrolle 6' wandert die
Belastungswalze 7 nach oben. Für einen größeren Durchmesser der Wickelrolle 6', der gestrichelt
eingezeichnet ist, ist die Position der Wickelrolle 7 ebenfalls
gestrichelt eingezeichnet.
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Die Winkellage, d.h. ein Winkel α, des Gestänges 9 gegenüber einem
Drehpunkt 13 wird mit Hilfe eines Sensors 12 erfaßt. Da die
Länge des
Hebelgestänges 9 bekannt
ist, läßt sich
aus dem Winkel α die
Position der Belastungswalze 7 relativ zum Wickelbett 11 bestimmen.
Diese Lageinformation kann aber auch auf andere Weise gewonnen werden,
beispielsweise aus der Ausfahrbewegung des Motors 8. Es
ist schließlich
nicht notwendig, daß die
Belastungswalze über
ein Hebelgestänge 9 bewegt
wird. Es ist auch denkbar, daß die
Belastungswalze 7 in einer Linearführung angeordnet ist.
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Die Positionsinformation des Sensors 12 wird
einer Steuereinrichtung zugeführt.
Die Steuereinrichtung steuert über
den Motor 8 eine Kraft F, mit der die Belastungswalze 7 auf
die Wickelrolle 6' wirkt. Wie
weiter unten erläutert
wird, ist die Kraft der Belastungswalze abhängig vom Durchmesser der Wickelrolle 6'. Deswegen sind
in 1 zwei unterschiedliche
Kräfte
F, F' angegeben,
die bei unterschiedlichen Durchmesser der Wickelrolle 6' bzw. der Hülse 6 von
der Belastungswalze 7 aufgebracht werden. Ferner steuert
die Steuereinrichtung 10 auch den Druck des Blaskastens 4,
d.h. den Druck der Luft im Wickelbett 11.
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In 2 sind
nun einige Kurven dargestellt, anhand derer die Erfindung erläutert werden
soll. Hierbei ist von links nach rechts ein Durchmesser D der Wickelrolle 6' in mm angegeben.
Von unten nach oben ist jeweils ei ne Streckenlast F in kN/m aufgetragen.
Mit einer Kurve 14 ist die Streckenlast angegeben, die
sich bei zunehmendem Durchmesser der Wickelrolle 6' ohne zusätzliche
Maßnahmen
ergeben würde.
Die negative Streckenlast ergibt sich daraus, daß zu Beginn des Wickelvorgangs,
wo die Wickelrolle 6' noch
relativ leicht ist, die Bahn 2 im Falle ihres Einlaufs über die
Tragwalze 3 die Tendenz hat, die Hülse 6 aus dem Wickelbett 11 herauszuheben.
Aus diesem Grunde übt
in diesem Bereich die Belastungswalze 7 eine relativ große Kraft
aus. Diese Kraft der Belastungswalze ist in einer Kurve 15 aufgetragen.
Schließlich
ist mit einer Kurve 16 die Kraft zu erkennen, mit der die
Druckluftentlastung im Wickelbett 11 arbeitet. Diese Kraft
ist in einem relativ großen
Bereich des Wickelvorgangs gleich Null. Sie setzt hier erst bei
einem Durchmesser von etwa 950 bis 1000 mm ein. Aus der Summe der
auf die Wickelrolle 6' wirkenden
Kräfte
ergibt sich eine Kurve 17. Diese fällt am Anfang ab, bleibt dann
im wesentlichen konstant und steigt schließlich geringfügig an.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll ein Verlauf, wie er in
der Kurve 17 dargestellt ist, als "annähernd
konstant" bezeichnet
werden. Veränderungen
gegenüber
einem Mittelwert von ±25%
sind hierbei durchaus zulässig.
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Zu Beginn des Wickelvorgangs wird,
wie gesagt, die Belastungswalze 7 mit einer relativ hohen Kraft
F in das Wickelbett 11 gerichtet, so daß die Wickelhülse 6 und
die sich darauf bildende Wickelrolle 6' mit einer relativ hohen Nipkraft
oder Nipbelastung gewickelt wird. Dies erzeugt eine relativ hohe
Wickelhärte
zu Beginn des Wickelvorgangs. Da mit zunehmendem Durchmesser der
Wickelrolle die Nipkraft in den Auflagenips zwischen der Wickelrolle 6' und den Tragwalzen 3, 5 aufgrund
des Eigengewichts der Wickelrolle 6' zunimmt, hat man bis lang die Belastung durch
die Belastungswalze 7 kontinuierlich zurückgefahren,
bis die Belastung durch die Belastungswalze 7 praktisch
kaum noch spürbar
war. Übliche
Werte lagen hierbei bei 0,2 kN/m. Diese Belastung F' diente lediglich
noch dazu, die Wickelrolle 6' daran
zu hindern, aus dem Wickelbett 3, 5 herausgeworfen
zu werden. Hierbei ging man von der Überlegung aus, daß eine zu
große
Belastung durch die Belastungswalze 7 sich negativ auf
die Wickelhärte
der Wickelrolle 6' auswirkt.
Diese Überlegung
ist an und für
sich richtig. Man kann aber beobachten, daß der Wickelhärteverlauf
bei manchen Wickelrolle dennoch unbefriedigend ist.
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Versuche haben ergeben, daß ein unbefriedigender
Wikkelhärteverlauf
vor allem dann zu beobachten ist, wenn der Lauf der Wickelrolle 6' sehr unruhig
ist. Die Rolle springt und vibriert in derartigen Fällen, d.h.
eine zuverlässige
und reproduzierbare Ermittlung der beim Wickeln herrschenden Nipkräfte ist
im Grunde praktisch nicht möglich.
Ein unruhiger oder unrunder Verlauf kann viele Ursachen haben. Möglich sind
beispielsweise Dikkenschwankungen der zulaufenden Materialbahn 2,
die sich bei der Herstellung beispielsweise einer Papierbahn nicht
immer vermeiden lassen. Insbesondere bei höheren Wickelgeschwindigkeiten
machen sich Schwingungen in der Lagerung der Tragwalzen 3, 5 bemerkbar,
die sich zudem noch gegenseitig beeinflussen können.
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Die erfindungsgemäßen Überlegungen gingen nun dahin,
den Lauf der Wickelrolle 6' wieder
zu beruhigen. Hierzu hat man dann die Belastung durch die Belastungswalze 7 während des
gesamten Wickelvorgangs immer bei mindestens 0,5 kN/m gehalten.
Dies ist in der rechten Hälfte
der 2 ab etwa 1035 mm
Rollendurchmesser eingetragen. Durch den schraffierten Bereich ist
angedeutet, daß die
Belastung durch die Belastungswalze in diesem Bereich auch höher sein
kann, wenn dies erforderlich ist.
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Damit durch die höhere Belastung keine negative
Beeinflussung der Wickelhärte
auftritt, erhöht die
Steuereinrichtung 10 den Druck im Wickelbett 11 entsprechend.
Dies ist anhand der Kurve 16 erkennbar. Auch hier ist durch
einen schraffierten Bereich angedeutet, daß der Druck im Wickelbett abhängig ist
von der Belastung durch die Belastungswalze 7. Die Steuerung
ist hierbei relativ einfach zu realisieren, weil sich die Kraft
F, F' der Belastungswalze 7 der
Gewichtskraft der Wickelrolle 6' linear überlagert. Dementsprechend
kann man auch zur Steuerung des Drucks im Wickelbett 11 das
Prinzip der Überlagerung
von konstanten und variablen Drücken
verwenden.
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Man kann nun der Steuereinrichtung 10 die entsprechenden
Kräfte
F, F' der Belastungswalze 7 und
die dazugehörigen
Drücke
im Wickelbett 11 in Abhängigkeit
von Parametern der Materialbahn, insbesondere Flächengewicht oder Dichte, vorgeben. Man
kann aber auch noch eine Stelleinrichtung 18 vorsehen,
mit deren Hilfe eine Bedienungsperson den Druck auf die Belastungswalze
erhöhen
kann, wenn sich beim Wickeln zeigt, daß die Unruhe ein tolerierbares
Maß übersteigt.
Die Beurteilung dieser Frage kann entweder visuell durch eine Bedienungsperson
erfolgen oder anhand von Vibrationsmessungen an den Tragwalzen 3, 5 oder
der Belastungswalze 7 vorgenommen werden. In gleichem Maße, wie mit
Hilfe der Stelleinrichtung 18 die Belastung der Belastungswalze 7 erhöht wird,
wird natürlich
auch der Druck im Wickelbett 11 erhöht.
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Der Druck im Wickelbett 11 sollte
in Abhängigkeit
von der Papiersorte und ihrer Empfindlichkeit so eingestellt werden,
daß die
Nipkraft in den Auflagenips zwischen der Wickelrolle 6' und den beiden Tragwalze 3, 5 bei
etwa 2 bis 5 kN/m liegt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen
wird erreicht, daß die
Materialbahnrolle 6' mit
Hilfe der Belastungswalze 7 einerseits fest in das Wickelbett
eingedrückt
wird, um zu Beginn des Wickelvorgangs die gewünschte hohe Wickelhärte zu erzeugen
und gleichzeitig ein Herausschleudern (Kick-out) der Materialbahnrolle
aus dem Wickelbett zu verhindern. Diese Halte- oder Einspannfunktion
wird über
den gesamten Wickelvorgang beibehalten. Andererseits verhindert
man durch die Steuerung, daß die
Auflagekraft der Materialbahnrolle 6' auf den Tragwalzen 3, 5 so
groß wird,
daß Schäden entstehen.
Die Steuerung erlaubt es, sogar mit erheblich größeren Kräften an der Belastungswalze 7 zu
arbeiten, weil die Druckluftentlastung für eine entsprechende gesteuerte
Kompensation sorgt.