Leichtlaufwalze

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walzenanordnung mit einer Walze 1 und zwei Drehlagerungen 2a, 2b auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Walze 1 eine Verstärkung mit einem Faserverbundwerkstoff aufweist, die innerhalb der Walze 1 angeordnet ist. Die Verstärkung ist zwischen den Drehlagerungen 2a, 2b angeordnet und derart ausgestaltet, dass die Walze 1 gegenüber einer Biegebelastung verstärkt ist. Die Walzenanordnung ist in Bezug auf ein geringes Trägheitsmoment und eine hohe Steifigkeit optimiert, damit die Walzenanordnung im Störungsfall schneller zum Stillstand gebracht werden kann, und damit die Walze im Betrieb eine geringe Durchbiegung aufweist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walzenanordnung, die in Druckmaschinen, insbesondere in Rotationsdruckmaschinen verwendet werden.

[0002] In Rotationsdruckmaschinen werden eine Vielzahl von Umlenkwalzen verwendet, die weder aktiv angetrieben werden, noch aktiv abgebremst werden können. Im Falle eines Störungsfalles (z.B. im Falle eines Papierrisses) muss die Rotationsdruckmaschine angehalten werden. Da eine Rotationsdruckmaschine oft bei relative hohen Papierlaufgeschwindigkeiten betrieben wird (z.B. 1000 m/min bzw. 18 m/sec), dauert der Abbremsvorgang relativ lange, und der Papierausschuss ist beträchtlich (teils über 100 m Papierband).

[0003] Im Stand der Technik sind verschiedene Konstruktionen für Walzenanordnungen bekannt, die in Druckmaschinen, insbesondere in Rotationsdruckmaschinen verwendet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

[0004] Eine Walzenanordnung weist eine Walze und zwei Drehlagerungen auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Walze eine Verstärkung mit einem Faserverbundwerkstoff aufweist, die innerhalb der Walze angeordnet ist. Die Verstärkung ist vorzugsweise zwischen den Drehlagerungen angeordnet und derart ausgestaltet, dass die Walze gegenüber einer Biegebelastung verstärkt ist.

[0005] Die Verstärkung mit einem Faserverbundwerkstoff kann verschiedene Ausgestaltungen aufweisen. So kann die Verstärkung ein Rohr aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisen, welches von Innen an der Walze anliegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Verstärkung Leisten aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisen, welche parallel zur Walzenachse verlaufen und innerhalb der Walze radial angeordnet sind. Sofern Leisten verwendet werden, kann zusätzlich ein Stützrohr vorgesehen werden, um die Leisten aus einem Faserverbundwerkstoff von Innen abzustützen.

[0006] Durch die Verstärkung mit einem Faserverbundwerkstoff wird eine hohe Steifigkeit der Walzenanordnung erreicht, wobei die Walze mit der Verstärkung gleichzeitig ein relativ geringes Trägheitsmoment aufweist. Dadurch kann die Walzenanordnung bzw. die Rotationsdruckmaschine mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Walzenanordnungen im Störungsfall schneller zum Stillstand gebracht werden, als dies bei Walzenanordnungen nach dem Stand der Technik der Fall ist, wobei die Bremswirkung über die Papierbahn vermittelt wird.

[0007] Erfindungsgemäß wird durch die Verstärkung außerdem die Durchbiegung der Walze, die aufgrund der Kraft der Papierbahn erzeugt wird, minimiert, damit die Papierbahn durch die Umlenkung nicht partiell gedehnt wird. Denn an einer Stelle mit einer hohen Durchbiegung ist der Weg, den die Papierbahn zurücklegen muss geringer als an einer Stelle mit einer geringen Durchbiegung.

[0008] Die Drehlagerungen der Walzenanordnung können auf einer (feststehenden) Achse angeordnet sein, welche sich über die gesamte Länge der Walze erstreckt. Die Drehlagerungen sind dabei vorzugsweise an einem Endbereich der Walze angeordnet. Mit einer feststehenden Achse können die Drehlagerungen vorteilhaft abgestützt werden, wobei die Endpunkt der Achse, welche zur Befestigung der Walzenanordnung dienen, keine Biegemomente aufnehmen müssen.

[0009] Alternativ können die Drehlagerungen auf Achsabschnitten angeordnet sind, welche voneinander getrennt sind. Dies hat zwar den Nachteil, dass die Montage eventuell aufwendiger ist, und dass die Achsabschnitte auch Biegemomente aufnehmen müssen. Jedoch hat dies den Vorteil, dass sich die Leisten der Verstärkung, die sich gemeinsam mit der Walze im Betrieb drehen, über den Mittelpunkt hinweg erstrecken können, da keine durchgehende feststehene Achse im Wege steht.

[0010] Erfindungsgemäß wurde die gesamte Walzenanordnung optimiert, um eine möglichst minimale Durchbiegung zu erreichen. Dabei wurden die Länge der Walze, die Position der Drehlagerungen, die Wanddicken der Walze und der Verstärkung mit Faserverbundwerkstoff berücksichtigt. Dabei wurde festgestellt, dass das Verhältnis von Abstand der radialen Wirkungslinie der Drehlagerung zum Walzenende gegenüber der Gesamtlänge der Walze vorteilhaft im Bereich von 0,015 bis 0.05 liegt, insbesondere von 0,03 bis 0,04, insbesondere etwa oder genau 0,035 liegt. Das Verhältnis von Außendurchmesser der Walze gegenüber der Gesamtlänge der Walze liegt vorzugsweise im Bereich von 0,03 bis 0,1, insbesondere von 0.04 bis 0.7, insbesondere etwa 0,05 bis 0.06, vorzugsweise etwa oder genau 0,54. Das Verhältnis der Wanddicke der Walze im Bereich zwischen den Drehlagerungen gegenüber dem Außendurchmesser der Walze liegt im Bereich von 0,01 bis 0.08, insbesondere von 0,02 bis 0,06, insbesondere etwa 0,015 bis 0,04, vorzugsweise etwa oder genau 0,03. Das Verhältnis der Wanddicke des Rohres aus Faserverbundwerkstoff gegenüber der Wanddicke der Walze im Bereich zwischen den Drehlagerungen liegt im Bereich von 0,2 bis 1,0, insbesondere von 0,5 bis 0,9, insbesondere etwa 0,6 bis 0,8, vorzugsweise etwa oder genau 0,71.

[0011] An den Enden der Achsen sind vorzugsweise jeweils Walzendeckel angeordnet, wobei zwischen den Walzendeckeln und der Walze ein Luftspalt vorhanden ist. Der Luftspalt verläuft in Umfangsrichtung und liegt im Bereich von 0,3 bis 2 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1,8 mm, insbesondere im Bereich von 0,9 bis 1,4 mm, vorzugsweise etwa oder genau 1,25 mm. Durch die Wirkung der feststehenden Walzendeckel und der rotierenden Walze wird ein Eindringen von Schmutz in das Innere der Walzenanordnung verhindert.

[0012] Als Materialien für die Verstärkung aus Faserverbundwerkstoff können beispielsweise Multifilament-Carbonfasern oder Fasern auf Polyacrylnitril-Basis verwendet werden, die vorzugsweise durch Pyrolyse karbonisiert oder durch Graphitierung zu UltraHochModul-Fasern (UHM) veredelt werden. Die Fasern können in eine Matrix eingebettet werden, insbesondere in eine duroplastische Matrix bzw. eine Harz-Matrix (typischerweise Epoxidharz).

[0013] Der Verlauf der Faserrichtungen ist im Bereich der gesamten Verstärkung vorzugsweise in Längsrichtung (in Bezug auf die Walzenachse). Bei Verwendung von Leisten ist es jedoch auch möglich, dass die Fasern alternativ oder zusätzlich im Winkelbereich von 30 - 60° zur Längsrichtung verlaufen, und ggfs. gekreuzt angeordnet sind.

Kurze Beschreibung der Figuren

[0014] 

Fig. 1

zeigt einen Längsschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2

zeigt einen Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform;

Fig.

3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4

zeigt einen Längsschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig.

5 zeigt einen Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform;

Fig. 6

zeigt einen Längsschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7

zeigt einen Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform;

Fig.

8 zeigt einen Längsschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9

zeigt einen Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform.

Detailierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0015] Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Walzenanordnung weist eine Walze 1 und zwei Drehlagerungen 2a, 2b auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Walze 1 eine Verstärkung mit einem Faserverbundwerkstoff aufweist, die innerhalb der Walze 1 angeordnet ist. Die Verstärkung ist vorzugsweise zwischen den Drehlagerungen 2a, 2b angeordnet und derart ausgestaltet, dass die Walze 1 gegenüber einer Biegebelastung verstärkt ist.

[0016] Die Verstärkung besteht in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aus einem Rohr 3 aus einem Faserverbundwerkstoff, welches von Innen an der Walze 1 anliegt. Wie bereits ausgeführt, wird durch die Verstärkung eine hohe Steifigkeit der Walzenanordnung erreicht, wobei die Walze mit der Verstärkung gleichzeitig ein relativ geringes Trägheitsmoment aufweist. Dadurch kann die Walzenanordnung bzw. die Rotationsdruckmaschine mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Walzenanordnungen im Störungsfall schneller zum Stillstand gebracht werden, als dies bei Walzenanordnungen nach dem Stand der Technik der Fall ist, wobei die Bremswirkung über die Papierbahn vermittelt wird. Außerdem wird durch die Verstärkung die Durchbiegung der Walze, die aufgrund der Kraft der Papierbahn erzeugt wird, minimiert, damit die Papierbahn durch die Umlenkung nicht partiell gedehnt wird. Denn an einer Stelle mit einer hohen Durchbiegung ist der Weg, den die Papierbahn zurücklegen muss geringer als an einer Stelle mit einer geringen Durchbiegung.

[0017] Die Drehlagerungen 2a, 2b der Walzenanordnung sind bei der Ausführungsform nach Fig. 1 auf einer feststehenden Achse 8 angeordnet, welche sich über die gesamte Länge der Walze erstreckt. Die Drehlagerungen 2a, 2b sind dabei an einem Endbereich der Walze, d.h. rechts und links angeordnet. Mit einer feststehenden Achse können die Drehlagerungen vorteilhaft abgestützt werden, wobei die Endpunkt der Achse, welche zur Befestigung der Walzenanordnung dienen, keine Biegemomente aufnehmen müssen.

[0018] Erfindungsgemäß wurde die gesamte Walzenanordnung optimiert, um eine möglichst minimale Durchbiegung zu erreichen. Dabei wurden die Länge der Walze, die Position der Drehlagerungen, die Wanddicken der Walze und der Verstärkung mit Faserverbundwerkstoff berücksichtigt. Dabei wurde festgestellt, dass das Verhältnis von Abstand der radialen Wirkungslinie der Drehlagerung zum Walzenende gegenüber der Gesamtlänge der Walze vorteilhaft bei etwa 0,035 liegt. Das Verhältnis von Außendurchmesser der Walze gegenüber der Gesamtlänge der Walze liegt vorzugsweise bei etwa 0,54. Das Verhältnis der Wanddicke der Walze im Bereich zwischen den Drehlagerungen gegenüber dem Außendurchmesser der Walze liegt bei etwa 0,03. Das Verhältnis der Wanddicke des Rohres aus Faserverbundwerkstoff gegenüber der Wanddicke der Walze im Bereich zwischen den Drehlagerungen liegt bei etwa 0,71.

[0019] An den Enden der Achsen sind vorzugsweise jeweils Walzendeckel 10a, 10b angeordnet, wobei zwischen den Walzendeckeln 10a, 10b und der Walze ein Luftspalt 11 vorhanden ist. Der Luftspalt verläuft in Umfangsrichtung und liegt im Bereich von 1,25 mm. Durch die Wirkung der feststehenden Walzendeckel und der rotierenden Walze wird ein Eindringen von Schmutz in das Innere der Walzenanordnung verhindert.

[0020] Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass keine durchgehende Achse vorhanden ist. Stattdessen sind die Drehlagerungen 2a, 2b auf Achsabschnitten 9a, 9b angeordnet, welche voneinander getrennt sind.

[0021] Fig. 4 und Fig. 5 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform entspricht der zweiten Ausführungsform, wobei die Verstärkung zusätzlich Leisten 4 aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist, welche parallel Walzenachse verlaufen und innerhalb der Walze 1 radial angeordnet sind. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, erstrecken sich die Leisten über den Walzenmittelpunkt. Wie bereits ausgeführt, hat zwar den Nachteil, dass die Montage eventuell aufwendiger ist, und dass die Achsabschnitte auch Biegemomente aufnehmen müssen, da keine durchgehende Achse vorhanden ist. Jedoch hat dies den Vorteil, dass sich die Leisten 4, die sich gemeinsam mit der Walze im Betrieb drehen, eine sehr hohe Versteifungswirkung haben.

[0022] Fig. 6 und Fig. 7 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind ebenfalls Leisten 6 vorgesehen, die sich jedoch nicht über den Walzenmittelpunkt hinweg erstrecken. Zur Versteifung ist hier radial innenliegend in Bezug auf die Leisten 6 ein weiteres Stützrohr 5 vorgesehen, um die Leisten 6 aus einem Faserverbundwerkstoff von Innen abzustützen. Das Stützrohr kann ebenfalls aus dem Faserverbundwerkstoff bestehen. Außerdem kann zusätzlich auch ein Rohr 3 vorgesehen werden, wie dies bei der ersten Ausführungsform der Fall ist.

[0023] Fig. 8 und Fig. 9 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine Walzenanordnung nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform weist als Verstärkung ausschließlich Leisten 7 aus Faserverbundwerkstof auf, jedoch kein Rohr aus einem Faserverbundwerkstoff.

[0024] Als Materialien für die Verstärkung aus Faserverbundwerkstoff können beispielsweise Multifilament-Carbonfasern oder Fasern auf Polyacrylnitril-Basis verwendet werden, die vorzugsweise durch Pyrolyse karbonisiert oder durch Graphitierung zu UltraHochModul-Fasern (UHM) veredelt werden. Die Fasern können in eine Matrix eingebettet werden, insbesondere in eine duroplastische Matrix bzw. eine Harz-Matrix (typischerweise Epoxidharz).

[0025] Der Verlauf der Faserrichtungen ist im Bereich der gesamten Verstärkung vorzugsweise in Längsrichtung (in Bezug auf die Walzenachse). Bei Verwendung von Leisten ist es jedoch auch möglich, dass die Fasern alternativ oder zusätzlich im Winkelbereich von 30 - 60° zur Längsrichtung verlaufen, und ggfs. gekreuzt angeordnet sind.

[0026] Die Verstärkung kann bei allen Ausführungsbeispielen in einem Zustand eingebracht werden, wenn die Matrix bzw. das Epoxidharz noch nicht ausgehärtet ist. Auf diese Weise wird ein fester Verbund zwischen der Verstärkung und der Walze erreicht. Alternativ kann die Verstärkung auch vorher ausgeformt werden, und anschließend in die Walze eingeschoben und eingeklebt werden.

[0027] Nach der Montage wird die Walzenanordnung gewuchtet, wobei - sofern erforderlich - Ausgleichsgewichte im Walzeninneren an geeigneten Stellen angeordnet bzw. angeklebt werden.

[0028] Die Drehlager sind in den Ausführungsbeispielen als Kugellager dargestellt. Es können jedoch stattdessen auch Gleitlager oder Luftlager verwendet werden.

Ansprüche

1. Walzenanordnung mit einer Walze (1) und zwei Drehlagerungen (2a, 2b), dadurch gekennzeichnet, dass
die Walze (1) eine Verstärkung mit einem Faserverbundwerkstoff aufweist, die innerhalb der Walze (1) angeordnet ist.

2. Walzenanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mit einem Faserverbundwerkstoff zwischen den Drehlagerungen (2a, 2b) angeordnet ist und derart ausgestaltet ist, dass die Walze (1) gegenüber einer Biegebelastung verstärkt ist.

3. Walzenanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung ein Rohr (3) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist, welches von Innen an der Walze (1) anliegt.

4. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung Leisten (4; 6; 7) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist, welche parallel Walzenachse verlaufen und innerhalb der Walze (1) radial angeordnet sind.

5. Walzenanordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung ein Stützrohr (5) aufweist, um die Leisten (6) aus einem Faserverbundwerkstoff von Innen abzustützen.

6. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlagerungen (2a, 2b) auf einer Achse (8) angeordnet sind, welche über die gesamte Länge der Walze erstreckt.

7. Walzenanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlagerungen (2a, 2b) auf Achsabschnitten (9a, 9b) angeordnet sind, welche voneinander getrennt sind.

8. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Drehlagerung (2a; 2b) an einem Endbereich der Walze angeordnet ist.

9. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Abstand der radialen Wirkungslinie der Drehlagerung zum Walzenende gegenüber der Gesamtlänge der Walze im Bereich von 0,015 bis 0.05 liegt, insbesondere von 0,03 bis 0,04, insbesondere etwa oder genau 0,035.

10. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Außendurchmesser der Walze gegenüber der Gesamtlänge der Walze im Bereich von 0,03 bis 0,1 liegt, insbesondere von 0.04 bis 0.7, insbesondere etwa 0,05 bis 0.06.

11. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wanddicke der Walze im Bereich zwischen den Drehlagerungen gegenüber dem Außendurchmesser der Walze im Bereich von 0,01 bis 0.08 liegt, insbesondere von 0,02 bis 0,06, insbesondere etwa 0,015 bis 0,04.

12. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wanddicke des Rohres aus Faserverbundwerkstoff gegenüber der Wanddicke der Walze im Bereich zwischen den Drehlagerungen im Bereich von 0,2 bis 1,0 liegt, insbesondere von 0,5 bis 0,9, insbesondere etwa 0,6 bis 0,8.

13. Walzenanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Achsen jeweils Walzendeckel (10a, 10b) angeordnet sind, wobei zwischen den Walzendeckeln (10a, 10b) und der Walze ein Luftspalt (11) vorhanden ist.

14. Walzenanordnung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Luftspalt in Umfangsrichtung verläuft und im Bereich von 0,3 bis 2 mm liegt, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1,8 mm, insbesondere im Bereich von 0,9 bis 1,4 mm.

15. Druckmaschine, insbesondere Rotationsdruckmaschine, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Walzenanordnungen nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.

Zeichnung