Analyse und Beseitigung der Ursache von Schwingungen in Papierrollmaschinen

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Doppeltragwalzenroller dienen zum Schneiden und Aufwickeln unterschiedlichster Papiere. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Doppeltragwalzenrollers. Zwischen Abrollung und Tragwalzen wird in der Papierbahn ein Bahnzug (Bahnspannung) erzeugt, um die Papierbahn fehler- und faltenfrei durch die Schneidepartie zu leiten, wo die Papierbahn in Längsrichtung geschnitten wird. Um einer Faltenbildung vor der Schneidepartie entgegenzuwirken, wird die Papierbahn quer zur Papierlaufrichtung gestreckt und anschließend auf einzelnen Hülsen kontinuierlich aufgerollt.


Schwingungsproblem

Bei dem Betrieb mit hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten treten besonders bei der Verarbeitung von festen Papieren mit hohen Reibwerten immer wieder starke Papierrollenvibrationen auf, die im Extremfall zum Aushebeln einzelner Rollen führen können. Die Papierrollenvibrationen werden derzeit zwar so weit beherrscht, dass ein Rollenauswurf verhindert werden kann, die Schwingungsursache und der Entstehungsmechanismus waren aber noch weitgehend unbekannt. Bei der Untersuchung des dynamischen Verhaltens der Maschine müssen zahlreiche Einflüsse berücksichtigt werden. Hierzu zählen

  • Betriebsparameter wie z.B. die Bahnzugkraft oder die Papierbahngeschwindigkeit
  • Produkteigenschaften wie z.B. das Reibverhalten, Geometriefehler oder die Eindringsteifigkeit und
  • konstruktive Parameter wie z.B. die Maschinengeometrie oder die Art der Bahnführung


Simulationsmodell

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Modellelemente und Verknüpfungsstruktur des Mehrkörpermodells

Da das komplexe Zusammenspiel aller Einflussgrößen durch Versuche und Messungen nicht vollständig erfasst werden kann, wurde vom Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik ein Mehrkörpermodell des Doppeltragwalzenrollers entwickelt. Das Modell umfasst zahlreiche Modellelemente bzw. -parameter, um unterschiedlichste physikalische Effekte nachzubilden. Zu diesen Effekten zählen z.B.

  • Geometriefehler der Papierrolle
  • das gegenseitige Eindringen von Tragwalzen und Papierrolle sowie die damit verbundene Entstehung von Reibungskräften und Schlupf in den Kontaktzonen und
  • die translatorischen und rotatorischen Federungs- und Dämpfungseigenschaften der Walzenkörper und -lager

Das Modell stellt das physikalische Modell der Teile des technischen Systems dar, die für das Systemverhalten maßgeblich sein können. Bei der Modellierung war zu beachten, dass die für die Modellbeschreibung eingeführten Modellparameter am realen System mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden konnten. Feder- und Dämpferkonstanten wurden z.B. aus den Werkstoffkennwerten und den geometrischen Daten der tatsächlichen Walzenkörper berechnet.


Schwingungsanalyse

Zunächst wurden die Modellparameter im Rahmen einer Validierung des Modells so optimiert, dass die Simulationsergebnisse ausreichend gut mit Messwerten übereinstimmten. Bei einer anschließenden Empfindlichkeitsanalyse mit dem parametrierten Mehrkörpermodell wurde eine voll automatisierte Variation und Bewertung von Betriebsparametern, Produkteigenschaften und konstruktiven Parametern in Bezug auf ihren Schwingungseinfluss vorgenommen . Die Empfindlichkeitsanalyse lieferte auch Aufschluss darüber, welche Parameter für die Schwingungen relevant sind und wo nach dem Erregungsmechanismus gesucht werden musste.

Einige Modellparameter zeigten nur einen geringen Einfluss auf das Schwingungsverhalten wodurch einige Effekte wie z.B. Torsionseigenschwingungen der Tragwalzen als Schwingungsursache ausgeschlossen werden konnten. Andere Modellparameter wie z.B. die Reibwerte des Papiers oder die Eindringsteifigkeit des Tragwalzenbelags hatten hingegen einen großen Einfluss auf das Bewegungsverhalten.


Schwingungsursache

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Stark vereinfachtes ebenes Ersatzmodell des Doppeltragwalzenroller

Die Auswertung der Ergebnisse der Empfindlichkeitsanalyse lieferte Hinweise darauf, dass die Schwingungen durch einen Selbsterregungsmechanismus verursacht werden. Die Berechungsergebnisse der Empfindlichkeitsanalyse lieferten dabei die Grundlage für die Erstellung des vereinfachten Modells für die Untersuchung des Selbsterregungseffekts, Bild 3.

Es zeigte sich aber auch noch, das der Selbsterregungseffekt nur die primäre Schwingungsursache ist. Die dadurch verursachten Schwingungen rufen zwei Sekundäreffekte hervor, die nur mit dem komplexen Mehrkörpermodell berechnet werden können.


Schwingungsminderung

Mit dem vereinfachten Modell konnte z.B. über eine Berechnung der Eigenwerte für unterschiedliche Parameterkombinationen gezielt die Abhängigkeit des Stabilitätsverhaltens von verschiedenen Parametern analysiert werden. Die Berechnung der Eigenwerte für die Ausgangskonfiguration zeigte, da es sich um ein instabiles System handelte, bei dem die Schwingungen sehr langsam anwachsen.

Ansatzpunkte für eine Verbesserung des Schwingungsverhaltens liegen zum einen in einer gezielten Erhöhung der Dissipation, damit diese größer als die Energiezufuhr durch den Selbsterregungseffekt wird (z.B. Einbau von Dämpfern) und zum anderen eine Verringerung der Energiezufuhr durch den Selbsterregungseffekt (z.B. Verringerung der Eindringsteifigkeit oder Reibwerte). Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen kann mit dem Mehrkörpermodell berechnet werden, wodurch auf Basis der Mehrkörpersimulation entschieden werden kann, welche Maßnahmen in der Praxis umgesetzt werden.

 
Literatur:

[Har 2002] Harmeling, F.; Veuskens, B.: Analyse und Minderung von Schwingungen in Doppeltragwalzenrollern mit Hilfe der Mehrkörpersimulation, In: Tagungsband Reibung und Schwingungen in Fahrzeugen, Maschinen und Anlagen; VDI-Verichte 1736; Düsseldorf, VDI Verlag, 2002

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