DE112007001123T5

DE112007001123T5 - Anordnung, System und Verfahren zum Messen von Betriebsbedingungen eines sich in einer Bahnausbildungsmaschine oder einer Fertigbearbeitungsmaschine drehenden Elementes

Info

Publication number: DE112007001123T5
Application number: DE200711001123
Authority: DE
Inventors: Kari Holopainen; Hannu Hyvönen; Tommi Korolainen
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2009-04-09
Also published as: FI20065305A; FI119033B; WO2007128877A1; FI20065305A0; SE0850055L; SE533216C2

Abstract

Anordnung in einer Bahnausbildungs- oder fertigbearbeitungsmaschine (37, 42) zum Messen von Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes, wie zum Beispiel einer Rolle (10.1–10.5), dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Element (10.1–10.5) mit Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') zum Messen der Betriebsbedingungen ausgerüstet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung in einer Bahnausbildungs- oder einer fertigbearbeitungsmaschine zum Messen von Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes, wie zum Beispiel einer Rolle. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechendes System und Verfahren.
Papier-, Zellstoff- und Kartonmaschinen sowie Papierfertigbearbeitungs- und -umformungsmaschinen weisen zum Beispiel mehrere sich drehende Elemente auf, die mit Wälzlagern eingebaut sind. Das Messen der Betriebsbedingungen von Elementen wie zum Beispiel mit Wälzlagern eingebauten Rollen ist eine große Herausforderung. Echtzeitinformationen über die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Rollen wären zum Beispiel im Hinblick auf eine angemessene Leistung der Rolle sowie für die Zustandsüberwachung von Bedeutung.
Das Messen von Betriebsbedingungen nach dem Stand der Technik basiert oftmals auf computergestützten Verfahren. Diese sind jedoch nicht ausreichend in der Lage, Wirkungen zum Beispiel auf Grund von wechselnden Belastungszuständen zu berücksichtigen. Bei bekannten Verfahren werden oftmals nur Parameter gemessen, die ziemlich weit von der tatsächlichen Walzenleistung entfernt sind. Auf dieser Grundlage ist es möglich, die interessierende tatsächliche Betriebsbedingung zu errechnen/abzuschätzen. In diesem Zusammenhang ist es in der Tat unmöglich, über eine Echtzeitmessung von aktuellen Betriebsbedingungen zu sprechen, die zur Aufrechterhaltung oder Steuerung des Betriebes der Rollen und des Produktionsprozesses im Allgemeinen in Echtzeit und rationell verwendet werden könnte, oder dass es möglich wäre, sich entwickelnde Probleme und Schäden vorauszusagen.
Die Bestimmung des Schmierungszustandes eines Rollenlagers auf der Grundlage der berechneten Belastungen und der zuvor eingeschätzten Umgebungsbedingungen ist bekannter Stand der Technik. In Wirklichkeit werden Betriebsbedingungen eines Lagers oftmals aus einer Summe von mehreren Faktoren ausgebildet, die nicht durch das hauptsächlich statische Berechnungsmodell berücksichtigt werden. Diese umfassen zum Beispiel die Umgebungstemperatur und Luftströme sowie durch den Walzenspalt und/oder das Trägergewebe erzeugte Radial- und Axiallasten. Diese Lasten werden durch die Reibung und Passung zwischen dem Lagergehäuse und der äußeren Laufbahn des Lagers und deren Verformung wesentlich beeinflusst. Außerdem haben Veränderungen bei den Öleigenschaften (Viskosität) auch einen Einfluss auf den Schmierungszustand.
Aus den oben erwähnten Gründen ist die Bestimmung des Schmierungszustandes und der den Lagern zuzuführenden Ölmenge sehr schwierig und umfasst Unsicherheitsfaktoren. Für die Schmierung wird die Menge an dem Lager zugeführtem Öl überwacht, wodurch aber nicht die aktuelle Schmierungssituation angezeigt wird.
Eine Verbesserung davon wird durch die sogenannte selbständige Schmierölregulierung bereitgestellt. Dabei wird der Schmierungszustand unter Verwendung verschiedener Berechnungsparameter eingeschätzt. Der Ölstrom ist der Steuerungsparameter und die Öltemperatur ist der Regelungsparameter. Für die Regelung werden zum Beispiel die Laufgeschwindigkeit der Maschine, die Öltemperatur und die Maximalbelastung gemessen/definiert. Die Maximalbelastung wird auf der Grundlage der ungefähren Belastungsinformationen von dem Walzenspalt eingeschätzt, wobei die Informationen auf der Grundlage des bei der Walzenspaltlast aufgebrachten Hydraulikdruckes empfangen werden. Die Öltemperatur wird mit Sensoren gemessen. Wenn der Sensor einen Temperaturanstieg des Öls erkannt hat, wurde der Ölstrom folglich erhöht.
Neben der Schmierungssteuerung besteht die Problematik auch in der Messung der Bedingung der auf das Lager konzentrierten Belastung. In hochbelasteten Rollenlagern erfolgt eine Mikrobewegung zwischen der äußeren Laufbahn des Lagers und dem Gehäuse. Aus diesem Grund werden die Metalloberflächen klebrig (kaltgeschweißt, "mikrokontaktiert"). Das Lager an dem freien Ende der Rolle kann in dem Gehäuse nicht in Axialrichtung gleiten, was zu einer falschen Belastung des Lagers führt. Folglich wird die Belastung in dem Lager nur auf eine der Rollenreihen verteilt, was eine Überbelastung und einen möglichen Ausfall des Lagers verursacht. Die Axialbewegung kann auch auf Grund einer Schrägstellung des Lagers verhindert werden. In diesem Fall neigt die äußere Laufbahn des Lagers dazu, in das Lagergehäuse zu kippen, was dazu führt, dass die Kante der Laufbahn mit dem Gehäuse in "Eingriff" geht, wodurch sich der Reibungskoeffizient ändert.
In mit Wälzlagerelementen ausgerüsteten Lagern wird auch durch die "Nulllast" eine problematische Situation erzeugt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Wälzlagerelemente verlangsamt sich oder die Drehung hält sogar vollständig an, und zwar auf Grund von Reibungszugkräften, die durch das Schmiermittel und den Lagerträger verursacht werden, wenn die Lagerbelastung sehr klein ist. Bei bestimmten Rollen kann das Lager in einen solchen Nulllastzustand eintreten. Durch das Gleiten von Wälzlagerelementen wird der Ölfilm dünner oder der Schmierfilm kann ganz reißen. Ein Kontakt von Metall auf Metall kann in dem Lager erzeugt werden, wodurch Oberflächenschäden und möglicherweise der Ausfall des Lagers verursacht werden können. Bekannte Zustandsüberwachungsverfahren bieten erst Hinweise, wenn bis zu einem gewissen Grad bereits ein Schaden vorliegt.
In Bezug auf die Überwachung falscher Belastungszustände von Lagern im Allgemeinen wird der Stand der Technik durch einen Temperatursensor repräsentiert, der auf der Außenfläche der Lagerlaufbahn angeordnet ist. Mit diesem Messverfahren kommt es zu einer großen Verzögerung, da die Wärme über die Lagerlaufbahn geführt werden muss. Außerdem wird eine nach diesem Verfahren ausgeführte Temperaturmessung durch den Ölstrom verfälscht, der dem Lager durch die Lagerlaufbahn zugeführt wird, wodurch der Messpunkt mehr als die unter Belastung stehende Rollenlaufbahn gekühlt wird.
Neben Bahnausbildungsmaschinen waren genaue Messungen der Belastungen von Walzen, die mit Wälzlagern ausgerüstet waren (Zwischenwalzen und durchbiegungskompensierte/zonengesteuerte Walzen) auch bei Mehrwalzenkalandern schwierig, was dazu führen kann, dass Belastungen leicht in die Nullbelastungszone abdriften. Heute ist es nicht möglich, sich auf für das Lager sichere Betriebsfenster zu verlassen, die lediglich durch Berechnungen festgelegt sind, da dort unbekannte Reibungskräfte in der Walzenbaugruppe wirken (zum Beispiel in Hebelmechanismen und durchbiegungskompensierten/zonengesteuerten Walzen).
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Anordnung zum Messen von Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes in einer Bahnausbildungs- oder Fertigbearbeitungsmaschine. Die kennzeichnenden Merkmale der Anordnung gemäß der Erfindung sind in Anspruch 1 ausgeführt. Die Erfindung betrifft auch ein System zum Messen von Betriebsbedingungen sich drehender Elemente in einer Bahnausbildungs- oder einer Fertigbearbeitungsmaschine sowie ein Verfahren, dessen kennzeichnende Merkmale in den Ansprüchen 12 und 18 ausgeführt sind.
Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ist ein sich drehendes Element, wie zum Beispiel eine Walze, mit Dünnfilmsensoreinrichtungen zum Messen von Betriebsbedingungen ausgerüstet.
Dünnfilmsensoren können auf viele unterschiedliche Arten in Verbindung mit der Walze angeordnet sein. Sie können zum Beispiel mit den Stützlagern eines sich drehenden Elementes verbunden sein. Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem sich drehenden Teil einer Walze zum Beispiel um den Walzenmantel handeln. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei dem sich drehenden Teil auch um die Walzenwelle handeln.
Gemäß einer Ausführungsform können Dünnfilmsensoreinrichtungen in der Walze in ihren Stützlagern positioniert sein. Gemäß einer spezielleren Ausführungsform können die Dünnfilmsensoreinrichtungen zum Beispiel in Verbindung mit der festen Laufbahn der Stützlager angeordnet sein. Daher können die Sensoreinrichtungen zum Beispiel in dem Belastungsbereich der Laufbahn angeordnet sein. Wenn das Stützlager aus mindestens zwei Rollenlaufbahnen ausgebildet ist, kann mindestens ein Dünnfilmsensor für jede Rollenlaufbahn angeordnet sein. Die Erfindung kann gleichermaßen auch in Gleitlagern angebracht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Dünnfilmsensorbaugruppe mit der Steuerung einer Bahnausbildungs- oder fertigbearbeitungsmaschine für einen oder sogar mehrere Zwecke verbunden sein. Ein Beispiel eines solchen Zweckes ist die Zustandsüberwachung der Lagereinrichtungen. Daher kann gemäß einer Ausführungsform die Regulierung des Schmierölstromes der Lagereinrichtungen auf der Grundlage der mit den Dünnfilmsensoreinrichtungen ausgeführten Messungen gesteuert werden. Dadurch werden Reibungsverluste optimiert und eine übermäßige Ausdünnung des Schmierfilmes sogar verhindert.
Dünnfilmsensoreinrichtungen können ebenfalls zur Festlegung der auf die Lagereinrichtungen konzentrierten Belastungen verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist die problematische Nulllast. Auf dieser Grundlage kann nach der Erfüllung eines eingestellten Kriteriums eine solche Axialbelastung, die den Arbeitszustand des Lagers wiederherstellt, auf das Lager konzentriert werden.
Eine Dünnfilmsensorbaugruppe kann auch für eine aktive fortlaufende Kontrolle der Prozessbedingungen verwendet werden. Dann kann die Sensorbaugruppe zum Beispiel mit der Belastungsausrüstung der Walze verbunden werden.
Auf Grund der Erfindung können Betriebsbedingungen auf der Grundlage der tatsächlichen Betriebsbedingungen eingestellt werden, die durch die Messungen offenbart werden, die durch die Dünnfilmsensoreinrichtungen ausgeführt werden. Mit der Erfindung werden Steuerungen beseitigt, die auf Einschätzungen und berechungsmäßigen/theoretischen Beobachtungen basieren. Eine durch die Erfindung ermöglichte Echtzeitkenntnis ermöglicht eine vorbeugende Wartung, die damit auch zur Vermeidung der Entwicklung von Schäden verwendet werden kann.
Die Anordnung gemäß der Erfindung ist in Bezug auf den Betrieb, die Installation, die Kalibrierung und die mögliche Austauschbarkeit einfach. Weiterhin ist sie sehr dauerhaft. Weitere zusätzliche Vorteile, die mit der Anordnung, dem System und dem Verfahren gemäß der Erfindung erreichbar sind, werden an Hand der Beschreibung und der in den beigefügten Ansprüchen beschriebenen kennzeichnenden Merkmale ersichtlich. Die Erfindung, die nicht auf die unten beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist, wird detaillierter beschrieben, indem auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei
1 ein grobes Diagramm ist, welches ein erstes Anwendungsbeispiel eines Lagers gemäß der Erfindung darstellt,
2 ein grobes Diagramm ist, welches ein zweites Anwendungsbeispiel eines Lagers gemäß der Erfindung darstellt,
3a eine Seitenansicht eines Anwendungsbeispiels eines Lagers gemäß der Erfindung ist,
3b ein grobes Diagramm ist, welches ein drittes Anwendungsbeispiel eines Lagers gemäß der Erfindung darstellt,
4 ein erstes Anwendungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einer Pressenmittelpunktwalze darstellt,
5 ein zweites Anwendungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einer durchbiegungskompensierten Walze darstellt,
6 ein drittes Anwendungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einer Kalanderthermowalze darstellt,
7a ein erstes Anwendungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einem Online-Kalander darstellt,
7b ein zweites Anwendungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einem Mehrwalzenkalander darstellt,
7c ein viertes Anwendungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einer Walze dar stellt, die mit Gleitlagern angebracht ist,
8 ein Anwendungsbeispiel eines Systems gemäß der Erfindung in einer Bahnausbildungsmaschine darstellt,
9 ein Anwendungsbeispiel der Anwendung einer Sensorbaugruppe gemäß der Erfindung zur Beseitigung der Nulllast darstellt,
10 ein Anwendungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einer Druckausübungsschuhwalze darstellt, und
11 ein Anwendungsbeispiel der Konstruktion einer Sensorbaugruppe gemäß der Erfindung darstellt.
In 1 und 2 sind grobe Diagrame dargestellt, die einige Beispiele der Lagereinrichtungen 11 veranschaulichen, in Verbindung mit denen die Sensorbaugruppe 12 gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Entsprechende Bezugszeichen werden für Teile mit identischer Funktion verwendet. Die Anzahl solcher Lager 11 kann zum Beispiel in einer Bahnausbildungsmaschine eines oder mehrere betragen. Das Lager 11 ermöglicht die Drehbewegung des Elementes 10 oder eines Teils des in der Maschine enthaltenen Elementes 10. Beispiele für Bahnausbildungsmaschinen sind Papier- oder Kartonmaschinen (8), Gewebemaschinen und Zellstoffmaschinen. Beispiele von Fertigbearbeitungsmaschinen sind Kalander (7a und 7b), Längsschneider-Aufwickler und Maschinenrollen. Eine Fertigbearbeitungsmaschine kann ein Teil der eigentlichen Bahnausbildungsmaschine (online) oder im Wesentlichen davon getrennt sein (offline).
Beispiele für sich drehende Elemente umfassen unterschiedliche Walzen und Zylinder, die in mehreren unterschiedlichen Abschnitten der Maschine angeordnet sind. Beispiele davon umfassen Saugwalzen, Presswalzen 10.1 (4), durchbiegungskompensierte Walzen 10.2 (5), Trockenzylinder, Leitwalzen, Kalanderwalzen, Weichkalanderwalzen, Thermowalzen 10.3 (6), Glättkalander, Rollenspulen und Aufrolltrommeln, Schuhwalzen 10.4 (10).
Obwohl in 1 und 2 ein sphärisches Rollenlager dargestellt ist, sollte in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass dies nur ein Beispiel der in einer Produktionsmaschine oder einer Fertigbearbeitungsmaschine verwendeten Lagerarten ist. Weitere mögliche Lagerarten könnten zum Beispiel Zylinderrollenlager, Schrägkugellager, dreigliedrige Ringverbundlager, Gleitlager und sphärische Gleitlager umfassen.
So wird zum Beispiel ein sphärisches Rollenlager 11 in den Maschinen als ein Stützlager 11.2 für sich drehende Elemente verwendet (4–6). In seiner Grundform ist das Lager 11 im Allgemeinen aus einem Außenring 16, einem Innenring 15 und Wälzlagerelemente 18 und zwischen ihnen angeordnete Träger 17 ausgebildet. In diesem Fall handelt es sich bei den Wälzlagerelementen um Rollen 18. Sie rollen auf Laufbahnen 19.1, 19.2 entlang, die aus Ringen 15, 16 ausgebildet sind. Der Träger 17 kann die Wälzlagerelemente 18 einschließen. Andererseits kann der Träger, außer dass er eine kreisförmige Konstruktion aufweist, auch ein sogenannter massiver Träger sein.
Die Lagerrahmen 15, 16 bilden nun zwei Rollenlaufbahnen 19.1, 19.2 aus, die in Axialrichtung aneinander angrenzen. Natürlich kann die Lagereinheit 11 sogar mehr Rollenlaufbahnen oder nur eine aufweisen. Die als Stützlager 11.1, 11.2 funktionierenden Rollenlaufbahnen 19.1, 19.2 sind in einer sphärischen Anordnung. Somit weisen die Innenfläche 16.1 der äußeren Laufbahn 16 und die Außenfläche 15.2 der inneren Laufbahn 15 in der Axialrichtung eine sphärische gekrümmte Form auf. Die mit sphärischen Kugellagern 11 in Zusammenhang stehende Grundtechnologie ist Fachleuten auf diesem Gebiet ziemlich offensichtlich und wird deshalb in diesem Zusammenhang nicht detaillierter beschrieben. Als solche kann die Lagerbaugruppe 11 einer Technologie entsprechen, die bereits vollkommen bekannt ist oder die gerade in der Entwicklung steht. Die Erfindung setzt hier keine Begrenzungen.
Bei der Ausführungsform von 1 werden Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 in die Konstruktionen des Lagers 11 auf seiner äußeren Laufbahn integriert. Die Sensoreinrichtungen sind aus mindestens einer Einheit ausgebildet, die aus einem funktionellen Sensor 12 besteht.
Hierbei beträgt die Anzahl sichtbarer Sensoren 12 acht. Ein Teil der Sensoren 12 kann auf der Außenfläche 16.2 des Außenringes 16 vorhanden sein. Dann liegen diese Sensoren 12 gegen die innere Laufbahn des Lagersockels oder eine mögliche Hülsensockelbaugruppe (nicht dargestellt) an. Ein Teil der Sensoren 12 kann auf der Innenfläche 16.1 des Außenringes 16 vorhanden sein. Dann liegen die Sensoren 12 gegen die abrollenden Rollen 18 an.
Die Sensoren 12 können in einheitlichen Abständen rund um die Rollenlaufbahnen 19.1, 19.2 angeordnet sein, wo eine oder beide Rollenlaufbahnen 19.1, 19.2 mindestens einen Sensor 12 aufweisen. Im Hinblick auf das Gleichgewicht des Lagers 11 ist es vorteilhaft, beide Rollenlaufbahnen 19.1, 19.2 mit einer Sensorbaugruppe 12 auszurüsten. Durch die Anordnung mehrerer Sensoren 12 pro Rollenlaufbahn 19.1, 19.2 ist es möglich, eine laufbahnspezifische Belastung über die Laufbahn, darin auftretende Abweichungen und Ereignisse (nicht notwendigerweise/lediglich Belastungen) anzuzeigen.
Bei der Ausführungsform von 2 sind die Sensoren 12 in den Innenring 15 entweder an seiner inneren Laufbahn 15.1 und/oder äußeren Laufbahn 15.2 integriert. Auch hier sind beide Rollenlaufbahnen 19.1, 19.2 mit Sensoren 12 ausgerüstet.
Für Fachleute in diesem Bereich ist es offensichtlich, dass das Grundprinzip der Erfindung das Anordnungsverfahren der Sensoren 12 nicht auf irgendeine besondere Anordnung in den Lagern und ihren Ringen 15, 16 begrenzt. Die Sensoren 12 können sogar mit beiden Ringen 15, 16 in Verbindung stehen oder sogar auf allen Laufbahnoberflächen 15.1, 15.2, 16.1, 16.2 der Ringe 15, 16, die mit den Oberflächen verbunden sind, oder mindestens in einem Teil ihrer Oberflächen vorhanden sein. Außerdem kann die Anzahl von Sensoreinheiten 12 oder die Positionierung in Verbindung mit dem Lager 11 innerhalb der Grenzen des Grundgedankens der Erfindung extrem frei sein.
Gemäß einer Ausführungsform können Dünnfilmsensoren 12 oder mindestens der Hauptteil von ihnen in Verbindung mit dem festen Lagerring 15, 16 ausschließlich des Lagers 11 angeordnet sein, wie zum Beispiel die in 4–6 dargestellten Stützlager 11.1, 11.2, die auf einer oder mehreren Oberflächen derselben angeordnet sind. Wenn die Anordnung der Sensorbaugruppe 12 auf der Belastungsoberfläche aus irgendeinem Grund schwierig, unmöglich oder unzuverlässig ist, kann sie nur auf der Außenfläche 16.2 des Außenringes 16 oder auf der Innenfläche 15.1 des Innenringes 15 angeordnet werden.
Genauer ausgedrückt können die Sensoren 12 gemäß einer Ausführungsform auf einer solchen Oberfläche des festen Lagerrings angeordnet sein, der nicht mit den Wälzlagerelementen 18 in Kontakt steht. Somit ist es einfach, Verdrahtungen oder ähnliche physikalische Datenübertragungen von den Sensoren 12 zu der Steuereinrichtungs-CPU anzuordnen. Natürlich ist es auch möglich, Telemetrie bei der Datenübertragung anzuwenden, wobei es in diesem Fall nicht notwendig ist, sich auf die Ausrüstung nur der festen Laufbahn mit Sensoren zu beschränken. Unterschiedliche "Zugkontaktsysteme" können ebenfalls nützlich sein.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform kann hinsichtlich des Außenringes 16 fest und hinsichtlich des Innenringes 15 drehbar sein. Beispiele solcher Anwendungen sind in 4 und 6 dargestellt. Dementsprechend ist die Anwendung gemäß 2 hinsichtlich des Innenringes 15 fest und hinsichtlich des Außenringes 16 drehbar. Ein entsprechendes Beispiel einer Anwendung ist in 5 dargestellt.
In 3a ist eine Ausführungsform des Lagers 11 in einer Seitenansicht veranschaulicht. Dementsprechend ist die Positionierung der Sensoren 12 an einem Punkt der Laufbahn ebenfalls möglich. Die Dünnfilmsensoreinrichtung 12 kann mit der festen Laufbahn 15, 16 des Stützlagers 11 so in Verbindung stehen, dass ihr Standort so bemessen ist, dass er sich in der Belastungszone 30 des Lagers 11.1, 11.2 befindet. Nun ist die Belastungszone 30 der Sektorbereich unter dem Lager 11, welches sogar in gewissem Umfang flexibel sein kann. Die Belastungszone 30 kann Sensoren 12 aufweisen, die in häufigeren Intervallen als in anderen Teilen der Laufbahn 16 positioniert sind.
Bei der Ausführungsform gemäß 3b wird eine weitere Art der Verwirklichung der Erfindung dargestellt.
Nun ist das Lager 11 auf seinem Lagersockel 31 dargestellt. Auch in diesem Fall ist der Außenring 16 des Lagers fest, während sich die mit dem Innenring 15 des Lagers 11 verbindbare Welle 14 dreht. Nun sind die Sensoreinrichtungen 12 nicht fest in die Oberfläche des Lagers 11 integriert, sondern bilden eine nachrüstbare Komponente 12' an sich. Der Sensor 12' ist nun in einer geeigneten Basis 32 integriert. Die Form der Basis 32 kann derart sein, dass sie einfach zwischen dem durch das Lager 11 und den Sockel 31 ausgebildete Lagergehäuse einbaubar ist. Die Form der Basis 32 kann zum Beispiel einem keilförmigen Körper oder einer Hülse entsprechen. Daher kann die Sensorbaugruppe sogar aufgerüstet werden, indem sie leicht gegen eine neue austauschbar ist. Natürlich können in die aktuellen Lagerringkonstruktionen 15, 16 integrierte Sensoren 12 auch in derselben Lagerkonstruktion verwendet werden.
In 4–6 sind einige durch die Erfindung möglich gemachte Anordnungen dargestellt, die zum Messen der Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes wie zum Beispiel einer Walze 10.1–10.3 einer Bahnausbildungs- oder Fertigbearbeitungsmaschine verwendet werden können. Unter Bezugnahme auf 4–6 ist zu verstehen, dass sie nicht dazu dienen sollen, Walzen-, Lager- und Maschinenkonstruktionen mit feinen Details darzustellen, sondern nur sehr grob auf einem sehr grundlegenden Niveau. Wie bereits oben erwähnt, weisen die Rollen 10.1–10.3 Lagereinrichtungen 11 auf, welche die Drehung von einem oder mehreren Teilen 13, 14 der Walze 10.1–10.3 ermöglichen. Nun werden diese Walzen 10.1–10.3 mit Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 ausgerüstet, um die Betriebsbedingungen der Walze und/oder des Produktionsprozesses im Allgemeinen zu messen/steuern.
In 4 ist ein grob vereinfachtes Beispiel einer Presswalze 10, genauer gesagt einer Pressenmittelpunktwalze 10.1 dargestellt. Die Position der Mittelpunktwalze 10.1 in dem Druckabschnitt 51 einer Papiermaschine ist in 8 dargestellt.
Die in 1 und 2 dargestellten Lagereinrichtungen 11 in den Lagersockeln 31 funktionieren als Stützlager 11.1. Die Welle 14 der Walze 10.1 ist mit Lagern montiert, die mit dem Lagersockel 31 in Verbindung stehen und gleichzeitig auch die Mantelkomponente 13 der Walze drehen. Daher ist hier das sich drehende Element die Walze 10.1 mit ihren Wellen 14 und dem Mantel 13 über ihre gesamte Maschinenquerrichtungslänge. Die Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 sind nun zum Beispiel mit dem festen Lagerring der Stützlager 11.1 verbunden, welches der Außenring 16 des Lagers 11.1 ist. Im Allgemeinen können Sensoren 12 unabhängig von der Ausführungsform zum Messen der Temperatur und/oder des Druckes (Belastungen) zum Beispiel als Betriebsbedingungen verwendet werden.
In 5 ist ein grob vereinfachtes Beispiel einer Presswalze, genauer gesagt einer Pressenmittelpunktwalze 10.2 einer Presse dargestellt. In dem Druckabschnitt 51 stellen eine durchbiegungskompensierte und zonengesteuerte Walze 10.2 die Wirkung bereit, dass das hergestellte Produkt über die gesamte Bahnbreite eine gewünschte Qualität aufweist. Eine durchbiegungskompensierte, zonengesteuerte Walze 10.2 kann zum Beispiel auch in einem Kalander 53 verwendet werden. Die Position einer durchbiegungskompensierten Walze 10.2, 10.2' in dem Druckabschnitt 51 einer Papiermaschine sowie in einem Kalander 53 ist in 8 dargestellt.
Die sphärischen Rollenlager 11, die in 1 und 2 dargestellt sind, befinden sich nun innerhalb des Mantels 13 der Walze 10.2. Auch in diesem Fall können sie dahingehend dargestellt werden, dass sie als die Stützlager 11.2 des Mantels 13 funktionieren. Die durchbiegungskompensierte Walze 10.2 wird auf eine an sich bekannte Art und Weise gegen die Gegendruckwalze 10.3 in dem Kalander 53 belastet.
Die durchbiegungskompensierte Walze 10.2 ist aus einer nicht drehbaren Welle 14' und einem sich drehenden Walzenmantel 13 ausgebildet, der mit Lagereinrichtungen 11.2 gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, die sich durch sphärische Kugellager 11.2 getragen rund um die Welle 14' gemäß der Erfindung dreht. Die innerhalb des Mantels 13 angeordnete Welle 14' weist unabhängig einstellbare Druckelemente 35 auf. Die Elemente 35 tragen den Mantel 13 hydrostatisch und sie werden zur Anpassung der Durchbiegung der Walze 10.2 verwendet. Der Mantel 13 wird zum Beispiel an die Form des Mantels der Gegendruckwalze 10.1, 10.3 angepasst.
Die Welle 14 der Walze 10.2 ist über sphärische Gleitlager 33 zum Beispiel mit den Lagersockeln 34 verbunden. Die Mantelkomponente 13 der Walze ist mit der Welle 14' zum Beispiel über Rollenlager 11.2 verbunden. Hierbei ist das sich drehende Element somit der Mantel 13. Die Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 sind nun zum Beispiel mit dem festen Lagerring der Stützlager 11.2 des Mantels 13 verbunden, wobei es sich in diesem Fall um den mit der Welle 14' des Lagers 11.2 verbundenen Innenring 15 handelt. Die Sensorausrüstung 12 kann auch zum Beispiel in dem sphärischen Gleitlager 33 angeordnet sein und die Gesamtwalzenspaltlast messen.
In 6 ist ein grob vereinfachtes Beispiel einer Kalanderwalze, genauer gesagt einer Kalanderthermowalze 10.3 dargestellt. Die Position der Thermowalze 10.3 in einem Online-Kalander 53 einer Papiermaschine ist in 8 dargestellt, wobei in 7a und 7b Kalandrieranwendungen dargestellt sind, wobei durchbiegungskompensierte und/oder Thermowalzen 10.2, 10.3 gemäß der Erfindung verwendet werden können. Die Kalanderthermowalze, die zum Beispiel aus Stahl hergestellt ist, kann mit einem geeigneten Wärmeübertragungswerkstoff erwärmt werden. Die Walzenspaltlast, d. h. die Druckkraft, wird entsprechend der hergestellten Papierqualität bestimmt. Die Grundstruktur der Kalanderwalze 10.3 entspricht in großem Umfang der Pressenmittelpunktwalze 10.1, die bereits oben beschrieben wurde. Auch hier bestehen die Lagereinrichtungen 11 aus den Stützlagern 11.1, die in den Lagersockeln 31 an den Enden der Walze 10.3 angeordnet sind, wobei die Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 mit ihnen in Verbindung stehend angeordnet sind.
7a ist eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Weichkalanderanwendung. Hierbei kann es sich bei der obersten Walze um eine Thermowalze, wie zum Beispiel die Thermowalze 10.3, handeln und bei der untersten Walze kann es sich um eine durchbiegungskompensierte Walze 10.2 (zum Beispiel eine zonengesteuerte SYM-Walze) handeln. Sensorbaugruppen 12 gemäß der Erfindung können in beiden Walzen 10.2, 10.3 zum Beispiel in ihren Lagerbaugruppen 11.1, 11.2 und/oder Belastungselementen 35 vorhanden sein.
7b ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform für einen Mehrwalzenkalander 42. Hierbei kann die oberste Walze 10.2 der Walzenbaugruppe 10', die auf der rechten Seite des Diagramms veranschaulicht ist, eine feste durchbiegungskompensierte Walze sein und die unterste Walze kann durchbiegungskompensiert und zusätzlich mittels der Lager 11.2 belastbar sein. Zwischen den obersten und untersten Walzen 10.2 ist es möglich, zum Beispiel Zwischenwalzen und Thermowalzen 10.3 zu positionieren.
Die unterste Walze 10.2, die in 7b detaillierter dargestellt ist, kann eine hydraulisch durchbiegungskompensierte, zonengesteuerte Walze sein (zum Beispiel eine SYM-Z-Walze des Anmelders). Die Durchbiegungskompensation der Walze 10.2 wird mittels der hydrauli schen Belastungselemente 35 verwirklicht, die auf der Welle 14' der Walze 10.2 angeordnet sind, die den Mantel 13 der Walze 10.2 beeinflussen, indem sie ihn zonenweise unterstützen. Die Belastungselemente 35 kompensieren die Durchbiegung der Walze 10.2 auf eine gewünschte Art und Weise, wobei sie somit eine gewünschte einheitliche Linearlast bereitstellen. Außerdem stellen die Belastungselemente 35 neben der Durchbiegungskompensation eine gewünschte Profilierung je nach dem jeweiligen Profilierungsbedürfnis bereit. Die Sensorbaugruppe 12 kann in unterschiedlichen Positionen in der Belastungseinrichtungen 35 sein. Als ein Beispiel für solche Positionen kann die Gleitfläche des Belastungselementes 35 erwähnt werden.
Die durchbiegungskompensierte Walze 10.2 kann eine sogenannte Aufprallwalze oder auch eine Nichtaufprallwalze sein. Bei einer Auftreffwalze (zum Beispiel der SYM-ZS-Walze des Anmelders) sind zwischen den Lagern 11.2 des Walzenmantels 13 und der Welle 14' der Walze 10.2 Belastungseinrichtungen 36 angeordnet. Die Belastungseinrichtungen 36 können verwendet werden, um den gesamten Mantel 13 in die Richtung des Walzenspaltes 45 zu bewegen, während die Welle 14' in ihrer Position verbleibt. In diesem Fall kann gegen die Innenfläche 15.1 der Innenlaufbahn 15 der Lager 11.2 des Mantels 13 ein Belastungsring vorhanden sein, der an sich bekannt ist und der durch die Welle 14' der Walze 10.2 getragen wird. Bei einer solchen Auftreffwalze 10.2 kann der Mantel 13 der Walze 10.2 gegen die Gegendruckwalze angetrieben werden.
Wenn die Lager 11.2 und/oder der Belastungsring und/oder die hydraulischen Belastungseinrichtungen 36 mit Sensoren 12 gemäß der Erfindung ausgerüstet sind, dann können die Kantenbereiche des Bahnlaufes durch den Kalander 42 mittels der auf die Lager 11.2 konzentrierten Belastung auch genauer als zuvor gesteuert und eingestellt werden. Die Sensorbaugruppe 12 gemäß der Erfindung offenbart die tatsächliche Belastung in den Kantenbereichen der Walze 10.2. Dies hat eine wesentliche reduzierende Wirkung auf die Entwicklung von Ausschuss zur Folge, da zum Beispiel die Kanten früher nicht verwendet werden konnten.
Wie bekannt ist, können sphärische Rollenlager 11.2 an dem Ende des Mantels 13 auch durch an sich bekannte Gleitlager 11.3 ersetzt werden. Die Sensorbaugruppe gemäß der Erfindung kann in gleicher Weise unabhängig von der Walzenposition in der Gleitlagerbaugruppe 11.3 verwendet werden. Eine Gleitlagerwalze kann in ihren Grundfunktionen normal oder eine Selbstbelastungswalze mit einem sich bewegenden Mantel sein. 7c ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Anwendungsbeispiel der Ausstattung der Walze 10.5 mit einer Auftreffgleitlagerbaugruppe darstellt. Dann können die Sensoren 12 zum Beispiel auf den Gleitflächen und/oder in den Taschen/Hohlräumen 61, 62, 64, 65 der Gleitlagerelemente 114, 115 angeordnet werden. In 7c sind einige beispielhafte Positionen für die Sensoren 12 dargestellt.
Auch in 7c ist die Welle der Walze 10.5 mit dem Bezugszeichen 14' angegeben und der Walzenmantel mit dem Bezugszeichen 13. Der Walzenmantel 13 wird gegen die Innenfläche 13' des Walzenmantels mittels belasteter Gleitlagerelemente 114, 115 abgestützt. Außerdem sind die Gleitlagerelemente 114, 115 mit Dichtungen 70, 71 und druckbeaufschlagbaren Hohlräumen 61, 62 ausgerüstet. Für beide Gleitlagerelemente 114, 115 ist die Welle 14' der Walze 10.5 mit Rahmenkomponenten 63, 63a angepasst, die sich zu den Hohlräumen 61, 62 der Gleitlagerelemente 114, 115 erstrecken. In Bezug auf ihre Konstruktion können die Gleitlagerelemente 114, 115 an sich herkömmlicher Art sein, wobei sie auf ihren Außenflächen mit Öltaschen 64, 65 ausgerüstet sind. Die Öltaschen sind über Kapillarbohrungen 66, 67 mit Druckräumen 61, 62 verbunden, die durch die Gleitlagerelemente führen. Die mit den Gleitlagerbaugruppen der Walzen in Zusammenhang stehenden Grundtechnologien sind Fachleuten auf dem Gebiet an sich bekannt, wobei für die Erfindung keine speziellen technischen Lösungen erforderlich sind. In diesem Zusammenhang wird auf das Finnische Patent Nr. FI-116538 des Anmelders Bezug genommen.
In 8 ist ein Beispiel einer Bahnausbildungsmaschine dargestellt, wobei es sich nun genauer ausgedrückt um eine Papiermaschine 37 handelt. Die Papiermaschine 37 ist aus mehreren aufeinanderfolgenden Abschnitten ausgebildet, wie zum Beispiel einem Stoffauflaufkasten 49, einem Bahnausbildungsbereich, Druckabschnitt und Trockenabschnitt 50–52. Ein Kalandrie rabschnitt 53 kann zum Beispiel vor der Rolle 54 angeordnet sein. All dies wird mit der CPU-Verarbeitungseinheitseinrichtung überwacht. Genauer ausgedrückt kann die CPU-Verarbeitungseinheits-einrichtung als Maschinensteuerungs- und Zustandsüberwachungsautomatik 100–105 verstanden werden.
Die Sensorbaugruppe 12 gemäß der Erfindung, die in sich drehenden Elementen wie zum Beispiel Walzen 10.1–10.5 angeordnet ist, kann mit der CPU-Verarbeitungseinheitseinrichtung verbunden werden. Gemeinsam können sie ein System zur Überwachung und/oder Kontrolle der Betriebsbedingungen einer sich drehenden Einheit wie zum Beispiel einer Walze 10.1–10.5 einer Bahnausbildungs- oder Fertigbearbeitungsmaschine 37, 42 ausbilden. Das Verfahren kann direkt von dem System abgeleitet werden, welches nur ein Implementierungsverfahren für die praktische Verwirklichung des Grundgedankens darstellt. In der Maschine kann mindestens ein Teil der Walzen 10.1–10.5, wie zum Beispiel ihre Lager- und/oder Belastungseinrichtungen 11.1–11.3, 114, 115, 35, 36, mit Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 ausgerüstet gewesen sein. Diese können für die CPU-Verarbeitungseinheitseinrichtung aktuelle Messergebnisse bereitstellen, die mit mindestens einem Messparameter in Zusammenhang stehen. Als ein Untermodul kann ein Überwachungsmodul 100 mit Datenübertragungsverbindungen 205 hierfür genutzt werden. Zur Überwachung des Sensors 12 ist es möglich, zum Beispiel einen Wheatstone-Brückenschalter mit Verstärkern und Impulszählern zu verwenden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung 12 zur Überwachung des Zustandes von Lagern wie zum Beispiel Walzen/Gleitlagern 11.1, 11.2, 11.3 (Modul 102) verwendet werden. Bei der Zustandsüberwachung des Lagers 11.1, 11.2, 11.3 kann der Dünnfilmsensor 12 einen Problemzustand sogar erkennen, bevor der eigentliche Schaden begonnen hat, sich zu entwickeln. Eine außergewöhnliche Lastverteilung oder Last-/Temperaturniveau ist ein Hinweis auf ein abnormales Ereignis und bietet somit eine Gelegenheit zur Korrektur des Zustandes, und zur Verhinderung oder Verzögerung der Entwicklung von Schäden. Die Sensorbaugruppe 12 ist zur Überwachung des Zustandes der Lager 11.1–11.3 über die Automatisierungs-CPU verbunden.
Ein Beispiel eines mit der Zustandsüberwachung in Zusammenhang stehenden Problems, bei dem die Erfindung verwendbar ist, kann durch eine Walzenlängenveränderung auf Grund von Wärmeausdehnung verursacht werden. Die Veränderung kann zu einer Störung des Betriebes der Lager 11.1 führen, wenn die Axialgleitpassung 43 zwischen der Außenlaufbahn 16 des Lagers 11.1 und dem Gehäuse 31 nicht wie vorgesehen funktionieren (6). Dies kann zum Beispiel auf Grund von Kleben der Fall sein, was durch die Mikrobewegung der Gleitflächen verursacht wird. Als Folge des Phänomens erhöht sich die Belastung auf der zweiten Rollenlaufbahn des Lagers 11 intensiv, was hinsichtlich der berechneten Last des Lagers nicht erwünscht ist. Die Sensorbaugruppe 12 erkennt den Nachteil bei der Belastung und lässt folglich eine Öffnung des Walzenspaltes zu. Indem vorübergehend niedrige Belastungswerte aufgebracht werden, verringert sich die auf die Gleitpassung einwirkende Reibungskraft, wodurch es ermöglicht wird, dass sich das Lagergehäuse 31 und der Außenring des Lagers 11 proportional zueinander bewegen, und das Lager 11 kehrt an seinen "Platz" zurück. Danach kann der Walzenspalt wieder geschlossen werden, und es ist möglich, zu den gewünschten Belastungswerten zurückzukehren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Sensorbaugruppe 12, 100 gemäß der Erfindung zur Optimierung der Schmierung der Lager 11 verwendet werden, wie zum Beispiel der Lager 11.1, 11.2 und/oder andererseits auch der Gleitlager 11.3, 114, 115. Bei dem aktuellen einstellbaren Umlaufschmierungssystem 101, 300 wird der Sollwert des Schmierölstromes der Rollenlager 11.1, 11.2 gemäß der berechneten Maximalbelastung und der aktuellen Laufgeschwindigkeit der Maschine berechnet. In Lagern 11.1, 11.2, die mit Dünnfilmsensoren 12 ausgerüstet sind, kann die Regulierung des Schmierölstromes auf der Grundlage der aktuellen Betriebswerte (Belastung und Temperatur oder nur einer davon) gesteuert werden. Das Ziel besteht darin, die Temperatur der Lager 11.1, 11.2 innerhalb bestimmter Grenzen mit einem korrekten Ölstrom aufrecht zu erhalten.
Somit kann die Verarbeitungseinheitseinrichtung CPU, 101 zur Steuerung der Regulierung des Ölstromes der Lagereinrichtungen 11.1, 11.2 der Walze 10.1–10.5 (Re gulierungseinrichtungen 41) auf der Grundlage der mit den Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 ausgeführten Messungen verwendet werden. Ein Reißen des Schmierfilmes verursacht eine Temperatur- und Druckspitze (Belastung). Mit der Sensorbaugruppe 12 kann dies in einem frühen Stadium vor der Entwicklung von Schäden entdeckt und entsprechende Alarme aktiviert werden.
Gemäß einer dritten Ausführungsform ist es unter Verwendung der Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 auch möglich, auf die Lagereinrichtungen 11.1, 11.2 konzentrierte Belastungen zu bestimmen. Die Belastungsinformationen werden durch deren Berechnung auf der Grundlage der durch die Sensorbaugruppe 12 bereitgestellten Informationen offenbart. Eine Anwendung dafür kann in einem Beseitigungssystem für die Nullbelastung für das Rollenlager 11.1, 11.2 bestehen. Für die Belastung kann ein Kriteriumswert gesetzt werden. Nach dessen Erfüllung kann eine niedrige Axialbelastung entsprechend dem Einstellwert auf die Lagereinrichtung 11.1, 11.2 konzentriert werden.
Durch die Verwendung von Dünnfilmsensoren ist es auch möglich, ein aktives Belastungssystem 104, 20 in dem Lager 11 zu bauen, welches zur Beseitigung der Entwicklung von Überbelastungen verwendet werden kann. So können Dünnfilmsensoren 12 zum Beispiel eine Überbelastung an der zweiten Rollenlaufbahn 19.2 oder sogar einen Zustand erkennen, der eine sich anbahnende Überbelastung anzeigt. Falls die Druckmessung des Dünnfilmsensors 12 eine Belastungserhöhung der zweiten Rollenlaufbahn 19.2 auf einen kritischen Bereich anzeigt, wird die Position der festen Laufbahn des Rollenlagers in Axialrichtung bewegt. Die Bewegung kann zum Beispiel zu dem freien Ende der Rolle geführt werden. Diese Bewegung bietet eine gleichmäßige Lastverteilung auf beide Laufbahnen. Eine Rückkopplung zu der Steuerung der Bewegung kann zum Beispiel auf der Grundlage des mit dem Sensor 12 gemessenen Lagerdruckes eingerichtet werden.
In 9 ist ein Anwendungsbeispiel eines solchen aktiven Belastungssystems 20 in der Lagereinrichtung 11 dargestellt. Nun können, verbunden mit dem freien Ende der Walze, dort Stellglieder 20 zum Belasten der festen Laufbahn 16 des Rollenlagers 11 in der Axialrichtung auf der Grundlage einer Belastungsbestimmung eingebunden werden, die mit Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 durchgeführt wurde. Die Stellglieder können aus Hydraulikzylindern 20 oder zum Beispiel elektrischen Bewegungsschrauben bestehen. Die Stellglieder 20 können mit der Lagerlaufbahn 16 zum Beispiel an drei Punkten symmetrisch verbunden sein.
Gemäß einer vierten Ausführungsform können die Dünnfilmsensoreinrichtungen 12 auch zum Messen der Walzenspaltkräfte (Linearlast) von Walzenspaltkonstruktionen 45 zum Beispiel in Walzenspaltkonstruktionen 45 verwendet werden, die mit Rollen- oder sphärischen Gleitlagern angepasst sind (7b). So können Kraftmessungen zum Beispiel in den festen Laufbahnen 15, 16 der Lagereinrichtungen 11.1, 11.2 ausgeführt werden.
Auf der Grundlage der Messungen ist es möglich, den Kalandrierprozess in Zwischen- oder durchbiegungskompensierten Walzen einzustellen und zu steuern (zum Beispiel in der von dem Anmelder entwickelten SYM-Walze). Somit wird durch die Erfindung eine umfassendere Verwendung von Walzen ermöglicht, die mit Rollenlagern in Kalandern 42, 53 angebracht sind.
Außerdem ist es bei Mehrwalzenkalandern 42 mit der Erfindung möglich, Belastungen von Walzen zu messen/zu bestimmen, die mit Wälzlagern (Zwischenwalzen und durchbiegungskompensierte SYM-Walzen) angebracht sind. Damit können zu jedem Moment aufgebrachte Walzenspaltkräfte (Linearlasten) genau offenbart werden, und außerdem ist es möglich zu vermeiden, dass die Lagerlast in die Nullbelastungszone abdriftet. Früher war es möglich, die Linearlast als Gesamtheit einzuschätzen, während nun sogar die Walzenspaltprofile behandelt werden können. Neben den hydraulische Belastungselementen 35, 36 können die Profile sogar auf der Oberfläche des Walzenmantels 13 gemessen werden, der auch mit einer Sensorbaugruppe 12 gemäß der Erfindung ausgerüstet werden kann. Mit der Erfindung ist es auch möglich, die früher unbekannten Reibungskräfte zu berücksichtigen, die sich auf die Walzenbaugruppe 10' konzentrieren, wie zum Beispiel Kräfte, die durch Hebelmechanismen und durchbiegungskompensierte, zonengesteuerte Walzen erzeugt werden.
Weiterhin kann gemäß einer fünften Ausführungsform eine Dünnfilmsensorbaugruppe 12 gemäß der Erfindung sogar bei Belastungsmessungen angewandt werden, die über die Gleitflächen 38 des Gleitschuhs 39 der Bandrolle 10.4 der Presse 51 und/oder an den Taschen ihrer Gleitschuhe 39 abgenommen wurden. Diese Anwendung ist in 10 veranschaulicht. Innerhalb des sich drehenden Mantels 10.4' der Bandrolle 10.4 sind Belastungseinrichtungen 40 angeordnet, die zum Belasten des Mantels 10.4' gegen die Gegendruckwalze verwendet werden. Die Anordnung kann zum Messen der aktuellen Belastungsdrücke und/oder Temperaturen verwendet werden. Die Linearlastmessung ist auch genauer als zuvor, wenn die Sensorbaugruppe zum Beispiel in dem Schuh 39 positioniert wird. Die Sensorbaugruppe kann zum Beispiel mehrere Sensoren 12 in dem Belastungselement 39 in gleichmäßigen Abständen umfassen.
Diese Messung kann auch mit der Maschinenautomatisierungs-/Zustandsüberwachung (Modul 104) verbunden werden.
Weiterhin können gemäß einer sechsten Ausführungsform die Gleitflächen der Gleitlager 11.3, 114, 115 und die Gleitschuhtaschen/-hohlräume 61, 62, 64, 65 auch zum Messen der aktuellen Lagerbelastungsdrücke und -temperaturen mit einer Dünnfilmsensorbaugruppe gemäß der Erfindung verwendet werden. Weiterhin kann diese Lösung auch bei Produktionsmaschinen zur Zustandsüberwachung verwendet werden. In den Gleitlageranwendungen 11.3, 114, 115 sind die Oberflächendrücke niedriger als in den Wälzlageranwendungen 11.1, 11.2. In den Gleitlageranwendungen 11.3, 114, 115 werden jedoch Probleme durch Reibung und Verschleiß insbesondere bei Störungen erzeugt.
Messungs- und Steuerungslösungen auf der Grundlage von Dünnfilmsensoren bieten mehrere bedeutende Vorteile in der Papiermaschinenumgebung. Erstens bieten sie mehr Freiheit bei der Anordnung der Messung. Es ist nun möglich, den Druck und die Temperatur auch solcher Gegenstände zu messen, die aus einem oder mehreren Gründen früher nicht gemessen werden konnten. Das Messen des Druckes und/oder der Temperatur wird ermöglicht, ohne dass die Sensorbaugruppe den Rest der Ausrüstung oder den Maschinenbetrieb stört. Der Sensor ist sehr einfach implementierbar. Eine mit der Sensorbaugruppe 12, 12' ausgeführte Druckmessung bietet Zugang zu Belastungen/Kräften.
Wie auf Grund des oben Erwähnten feststellbar ist, können Dünnfilmsensoren 12 in vielen Anwendungen in Bahnausbildungs- und Fertigbearbeitungsmaschinenumgebungen verwendet werden. Die Sensorbaugruppenlösung gemäß der Erfindung stellt neue Möglichkeiten zum Messen des Druckes und der Temperatur auch auf Grund ihrer Abmessungen bereit. Für jede Messung kann der Sensor für die bestimmte Messung dimensioniert werden. Die Dimensionierung kann zum Beispiel durch die Werkstoffauswahl und/oder Dicken des Sensors 12 beeinflusst werden.
Ein Beispiel eines Sensors 12, wie er in der Erfindung verwendet werden kann, beträgt 1–15 μm, zum Beispiel 5–6 μm, was als Gesamtdicke angegeben ist. Natürlich sind auch dünnere Sensoren unter der Voraussetzung möglich, dass sie ausreichend schallisolierende Filme bieten können. Der Oberflächenbereich eines einzelnen Sensors 12 kann zum Beispiel 0,5–5 mm² betragen. Um ein Beispiel für den Durchmesser einer kreisförmigen Sensorkonstruktion bereitzustellen, kann zum Beispiel ein Durchmesser von etwa 1 mm erwähnt werden. Als beispielhafte Druckfestigkeit kann die Druckfestigkeit des Sensors in den Gleitlageranwendungen 11.3, 114, 115 zum Beispiel 40–150 Mpa, und in anderen Anwendungen wie zum Beispiel Stahl, so viel wie 1,5 GPa betragen. Um ein Beispiel für in der Papiermaschine 37 auftretende Drücke von Rollenlagern 11.1, 11.2 zu geben, beträgt der höchste Oberflächendruck 1,4 GPa in Spezialfällen, jedoch 0,6–0,8 GPa im Durchschnitt.
Ein beispielhaftes Herstellungsverfahren für die Sensorbaugruppe gemäß der Erfindung ist zum Beispiel ein Oberflächenverfahren, welches eine oder mehrere Stufen aufweist, die auf der Metalloberfläche des Lagers 11 implementiert werden. Als Beispiel für geeignete Ablagerungsverfahren können an sich bekannte industrielle Oberflächenverfahren erwähnt werden, wie zum Beispiel Sputtern und/oder schichtförmige Anordnung von Sensoren, die mit Atomisierungschichttechniken angeordnet werden (zum Beispiel ALD-Oberflächenverfahren, Atomisierungsschichtablagerung).
11 stellt ein Beispiel einer solchen Deckschichtkonstruktion in Form einer Querschnittsansicht dar.
Hierbei ist der Dünnfilmsensor 12 innerhalb eines Überzuges mit einer Steifigkeit und Härte versehen, die mindestens dem Metall A entspricht. Der Sensor 12 weist somit eine harte Schutzschicht auf, die nun keramisch ist oder aus "Kelmet" (keramisches Metall) besteht, wobei in diesem Fall ihre Oberflächendruckfestigkeit nennenswert besser als diejenige zum Beispiel von Dehnungsmessern ist. Der Sensor 12 ermöglicht auch das Messen von pulsierender Belastung, die in der Papierproduktionsumgebung auftreten kann. Die Schichten und ihre beispielhaften Filmstärken sind Folgende: Basis A (= Trägermetall), wie zum Beispiel Aluminiumlegierung oder ein Kelmetfilm; Zwischenfilm B (Cr oder Ni-Cr 0,1–0,8 μm); Isolationsfilm C (SiO₂, 2,4 μm); empfindlicher Sensorfilm D (Cu-Mn-Ni, 0,15–0,3 μm); Leiterfilm E (Cu-Mn-Ni, 0,15–0,3 μm), und Schutzfilm F (SiO₂, 2,4 μm).
Weiterhin ist zu verstehen, dass die in den Figuren dargestellten Sensoren 12 hinsichtlich ihrer Abmessungen zu Veranschaulichungszwecken extrem übertrieben dargestellt sind. In Wirklichkeit ist die Sensorbaugruppe 12 ein Teil der Oberfläche der darin integrierten Komponente 11, 35, 36. Daher bilden die Sensorbaugruppe 12 und die Komponente 11, 35, 36 eine gemeinsam funktionierende Gesamtheit aus.
Im Allgemeinen kann ein Sensor gemäß der Erfindung auf der Piezoresistivität von Manganin (ein Legierungsmetall aus Kupfer, Mangan und Nickel) aufgebaut sein. Die Form der Sensorbaugruppe auf der Oberfläche oder in der Nähe davon kann zum Beispiel ein Bogen (Bogen oder Omega (0) sein.
Es ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung und die damit in Zusammenhang stehenden Figuren nur zur Veranschaulichung der Erfindung dienen sollen. Die Erfindung ist somit nicht lediglich auf die oben beschriebenen Ausführungsformen oder die in den Ansprüchen beschriebenen begrenzt, sondern viele unterschiedliche Varianten und Abänderungen der Erfindung, die innerhalb der Grenzen des in den beigefügten Ansprüchen spezifizierten Erfindungsgedankens möglich sind, werden für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sein.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung in einer Bahnausbildungs- oder einer fertigbearbeitungsmaschine (37, 42) zum Messen von Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes, wie zum Beispiel einer Rolle (10.1–10.5). Bei der Erfindung ist das sich drehende Element mit Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') zum Messen der Betriebsbedingungen ausgerüstet. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechendes System und ein Verfahren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- FI 116538 [0064]

Claims

Anordnung in einer Bahnausbildungs- oder fertigbearbeitungsmaschine (37, 42) zum Messen von Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes, wie zum Beispiel einer Rolle (10.1–10.5), dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Element (10.1–10.5) mit Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') zum Messen der Betriebsbedingungen ausgerüstet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das sich drehende Element eine Andruckwalze (10.1, 10.2) oder eine Kalanderwalze (10.2, 10.3, 10.5) ist, die ein sich drehendes Element (13, 14) aufweist, welches mit Lagereinrichtungen (11) ausgerüstet ist, wobei die Lagereinrichtungen die Stützlager (11.1, 11.2, 11.3, 114, 115) der Walze (10.1–10.3, 10.5) umfassen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Element die Welle (14) der Walze (10.1–10.3) oder der Mantel (13) der Walze (10.2, 10.5) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') in Verbindung mit den Stützlagern (11.1, 11.2, 11.3, 114, 115) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') in Verbindung mit der festen Laufbahn (15, 16) des Stützlagers (11.1, 11.2) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') in Verbindung mit der festen Laufbahn (15, 16) des Stützlagers (11.1, 11.2) in ihrem Belastungsbereich (30) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützlager (11.1, 11.2) aus mindestens zwei Rollenlaufbahnen (19.1, 19.2) ausgebildet ist, wobei mindestens ein Dünnfilmsensor (12, 12') für jede Rollenlaufbahn (19.1, 19.2) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Element eine durchbiegungskompensierte Walze (10.2, 10.5) ist, die außerdem Einrichtungen (35, 36) zum Belasten der Walze (10.2) aufweist, wobei die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12) in Verbindung mit den Belastungseinrichtungen (35, 36) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Belasten der Walze (10.2) mehrere Belastungselemente (35) umfassen, die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12) aufweisen, die in Verbindung mit mindestens einem Teil davon angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtungen Gleitlager (11.3, 114, 115) umfassen, wobei die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12) zum Messen der Belastungsdrücke und/oder Temperatur zum Beispiel über die Gleitflächen und/oder an den Gleitschuhtaschen und -hohlräumen (61, 62, 64, 65) davon als die Betriebsbedingungen angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Element eine Bandrolle (10.4) ist, wobei die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12) zum Messen der Belastungsdrücke und/oder Temperatur zum Beispiel über die Gleitflächen (38) ihres Gleitschuhs (39) und/oder an den Taschen (38') der Gleitschuhe (39) als die Betriebsbedingungen angeordnet sind.
System in einer Bahnausbildungs- oder fertigbearbeitungsmaschine (37, 42) zur Überwachung und/oder Steuerung von Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes wie zum Beispiel einer Walze (10.1–10.5), wobei das System eine Verarbeitungseinheit (CPU) aufweist, welche die Überwachung und/oder Steuerung der Maschine (37, 42) ausführt. dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der sich drehenden Elemente (10.1–10.5) der Bahnausbildungs- oder Fertigbearbeitungsmaschine (37, 42) mit Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') ausgerüstet ist, die angeordnet sind, um die Verarbeitungseinheitseinrichtung (CPU) mit Messergebnissen zu versorgen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') in Verbindung mit den Lagereinrichtungen (11.1–11.3, 114, 115) der Walze (10.1–10.5) angeordnet sind, um mindestens ein Messergebnis für die Verarbeitungseinheitseinrichtung (CPU) in Bezug auf die Betriebsbedingungen der Walze (10.1–10.5) bereitzustellen.
System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheitseinrichtung (CPU, 101) angeordnet ist, um die Regulierung des Schmierölstromes der Lagereinrichtungen (11.1–11.3, 114, 115) der Walze (10.1–10.5) auf der Grundlage der mit den Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') ausgeführten Messungen zu steuern.
System nach einem der Ansprüche 12–14, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz der Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') die auf die Lagereinrichtungen (11.1, 11.2) konzentrierte Belastung angeordnet ist, um festgelegt zu werden, wobei für die Belastung ein Kriteriumswert eingestellt wird, nach dessen Erfüllung eine axiale Belastung gemäß dem Einstellwert angeordnet ist, um auf die Lagereinrichtungen (11.1, 11.2) konzentriert zu werden.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Stellglieder (20) in Verbindung mit dem Walzenende angeordnet sind, um die Position der festen Laufbahn des Rollenlagers (11) in der Axialrichtung auf der Grundlage der mit den Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') ausgeführten Messung zu verlagern.
System nach einem der Ansprüche 12–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') zum Messen der Walzenspaltkräfte der Walzenspaltkonstruk tionen (45) durch Messen der Kräfte an den festen Laufbahnen (15, 16) der Lagereinrichtungen (11.1, 11.2) angeordnet sind, wobei auf der Grundlage der Messung der Kalandrierungsprozess gesteuert wird.
Verfahren in einer Bahnausbildungs- oder fertigbearbeitungsmaschine (37, 42) zum Messen von Betriebsbedingungen eines sich drehenden Elementes, wie zum Beispiel einer Rolle (10.1–10.5), dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbedingungen des sich drehenden Elementes (10.1–10.5) mit Dünnfilmsensoreinrichtungen (12,12) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierung des Schmierölstromes der Lagereinrichtungen (11.1, 11.2, 11.3, 114, 115) des sich drehenden Elementes (10.1–10.5) auf der Grundlage der mit den Dünnfilmsensoreinrichtungen (12,12) ausgeführten Messungen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung der Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') die auf die Lagereinrichtungen (11.1, 11.2) konzentrierte Belastung festgelegt wird, um die axiale Belastung so zu steuern, dass sie auf die Lagereinrichtungen (11.1, 11.2) konzentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der festen Laufbahn der Lagereinrichtungen (11.1, 11.2) der Walze (10.1–10.3) in Verbindung mit dem Ende der Walze (10.1–10.3) auf der Grundlage der mit den Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') ausgeführten Messung in der Axialrichtung verlagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–21, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12, 12') zum Messen der Walzenspaltkräfte der Walzenspaltkonstruktionen (45) verwendet werden, wobei die Messung an den festen Laufbahnen (15, 16) der Lagereinrichtungen (11.1, 11.2) erfolgt, auf deren Grundlage der Kalandrierungsprozess gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–22, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12) zum Messen der Belastungsdrücke und/oder Temperatur zum Beispiel über die Gleitflächen der Gleitlager (11.3, 114, 115) und/oder an den Gleitschuhtaschen und -hohlräumen (61, 62, 64, 65) davon als die Betriebsbedingungen des Lagers (11.3) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilmsensoreinrichtungen (12) zum Messen der Belastungsdrücke und/oder Temperatur zum Beispiel über die Gleitflächen (38) des Gleitschuhs (39) der Bandrolle (10.4), und an den Taschen (38') des Gleitschuhs (39) als die Betriebsbedingungen verwendet werden.