Einsatz von Kupplungen für hervorragende Bahnspannungsregelung für die Zentrumswicklung

Die richtige Auswahl der Komponenten ist für die Errichtung eines Aufwickelstands mit Zentrumsantrieb ausschlaggebend. Es müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, aber letztendlich hat die Qualität der aufgewickelten Rolle die größte Bedeutung. Mit den neuesten Materialien ist eine Vielzahl neuer Herausforderungen für die Maschinenkonstrukteure entstanden, auf die man eine Antwort finden muss, um eine gute Qualität der fertigen Rolle sicherzustellen. Von leichten, dehnbaren Filmen und Vliesstoffen bis zu Folien und außergewöhnlichen Materialien ist die Auswahl des richtigen Verfahrens und der Ausrüstung verantwortlich für Erfolg oder Misserfolg.

Kupplungen werden relativ selten zur Bahnspannungsregelung bei Zentrumswicklern eingesetzt, da ihre richtige Anwendung und die Vorteile einer Kupplung gegenüber einem Motor kaum richtig verstanden werden.

Montalvo CD Tension Clutch

Montalvo CD Tension Clutch

Wenn man einen Zentrumswickler mit Kupplungsregelung findet, ist die Kupplung über ein Getriebe normalerweise so eingestellt, dass sie 50 U/min schneller dreht als es der Bahngeschwindigkeit am Kern entspricht. Die Kupplung wird normalerweise mit einem AC-Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben, und darin liegt der Kern des Problems.

Wenn der Rollendurchmesser größer wird, muss sich auch das Drehmoment an der Kupplung erhöhen, um ein konstantes Spannungsprofil in der Bahn aufrechtzuerhalten. Bei größer werdendem Drehmoment und Rollendurchmesser erhöht sich auch die Schlupfdrehzahl der Kupplung infolge des größeren Durchmessers.

Die meisten kleineren Montalvo Kupplungen könnten gemessen an ihrer Größe sehr hohe Drehmomente übertragen, die Grenze liegt jedoch an der Wärmeabfuhr. Ein gutes Beispiel hierfür sieht man an der Montalvo CD-Serie Kupplung. Die CD 136 hat 0,30 C.O.F. Beläge und kann ein Drehmoment von 100 Nm (885 lb.in.) bei 5 bar (75 PSI) übertragen. Ihre maximale thermische Belastbarkeit oder Wärmeleistung liegt jedoch bei 2,4 PS bei 1740 U/min. Nachstehende Abbildung zeigt die Wärmeleistung, die eine Kupplung bei einer typischen Zentrumswicklung bei konstanter Drehzahl abführen muss. Bitte beachten Sie: Die gestrichelte Linie zeigt die konstante (niedrige) PS-Wärmeabfuhr, die bei einer CD 136 Kupplung bei konstanter Überdrehzahl von 50 U/min erforderlich ist.

Abbildung A

Clutch HP Graph

Die Kupplung könnte ein von einem 20 PS Motor bei 1750 U/min vorhandenes Drehmoment übertragen. Das Problem ist jedoch, dass sie nicht 20 PS Wärme ableiten kann. Wird die Kupplung jedoch von einem Motor mit veränderlicher Drehzahl angetrieben, wäre die CD 136 durch die Regelung der Schlupfdrehzahl der Kupplung auf einen innerhalb der möglichen Wärmeabfuhr liegenden Wert eine ausgezeichnete Lösung für das Zentrumswickeln. Der Motor würde so heruntergeregelt, dass er 50 U/min schneller läuft als es der Bahngeschwindkeit entspricht, um eine Schlupfdrehzahl am Kern zu entwickeln. Vergrößert sich der Rollendurchmesser, wird die Motordrehzahl im gleichen Verhältnis verringert, um die Schlupfdrehzahl konstant zu halten. Die durchgehende Linie in Abbildung A entspricht der PS-Wärmeleistung, die die Kupplung bei einer konstanten Antriebsdrehzahl ableiten müsste. Bereits bei 1/3 des Maximaldurchmessers wäre hier die Wärmeleistung der Kupplung überschritten. Die gestrichelte Linie zeigt die erforderliche Wärmeabfuhr bei konstanter Schlupfdrehzahl von 50 U/min während des gesamten Wickelprozesses. Sie liegt bei 0,09 PS und liegt somit weit unter dem Maximalwert. Hinweis:  Abbildung A, die gestrichelte Linie zeigt die 0,09 PS!

Der häufigste Einwand gegen diese Methode ist: “Wenn ich einen Antrieb mit Drehzahlregelung für den Wickler habe, kann ich diesen auch zur Einstellung der Wicklerdrehzahl und der Bahnspannung benutzen und brauche keine Kupplung.”

Dies ist jedoch falsch!

Und zwar deshalb:
Ein Antrieb mit Drehzahlregelung ist genau nur das, was der Name aussagt. Er ändert die Drehzahl entsprechend der Drehzahl-Eingabe. Er stellt aber nicht die Spannung ein.  Die meisten Antriebe mit Drehzahlregelung haben ein konstantes Drehmoment bei veränderlicher Leistung. Sie sind keine Vorrichtungen zur Bahnspannungsregelung – es wird lediglich die Drehzahl geändert. Um einen Antrieb mit Drehzahlregelung zur Einstellung der Spannung zu benutzen, gibt es drei Möglichkeiten:

1. Benutzen Sie einen Tänzer zur Einstellung der Bahnspannung. Der Tänzer regelt die Antriebsdrehzahl. Jedoch erfolgt durch den Tänzer keine direkte Regelung der Bahnspannung, noch zeigt er diese dem Betreiber diese an.

2. Benutzen Sie eine auf einer Kraftmessdose basierende Bahnspannungsregelung, um 5 – 10 % des Drehzahl-Referenzkreises zu trimmen.

3. Verwenden Sie einen DC-Motor mit Stromregelung und machen ihn dadurch zu einem Antrieb mit variablem Drehmoment und variabler Leistung. Ein derartiger Motor reagiert jedoch sehr träge, er hat eine langsame Beschleunigung und benötigt normalerweise eine ‚Kickerschaltung‘ zum Starten. Beim Anlaufen am Kern muss aber der Motor schnell von 0 auf nahezu die Maximaldrehzahl gehen, um das vom Prozess kommende Material aufzuwickeln. Dies wird jedoch durch die relativ große Schwungmasse des Motors im Vergleich zu einer Kupplung erschwert. Mit einer Kupplung erhält man aufgrund ihrer Konstruktion und der geringen Schwungmasse ein ‚weiches Aufwickeln’. Ein Motorantrieb mit seiner größeren Schwungmasse und seiner Konstruktion erzeugt dagegen ein ‚hartes Aufwickeln’! Obwohl man häufig versucht, mit elektronischen Mitteln ein ‚weiches Aufwickeln” zu erreichen, erhält man niemals das mit einer Kupplung mögliche ‚weiche Aufwickeln’.

1 und 2 sind Drehzahlregelungen, 3 ist eine Spannungsregelung.

Die Leistung eines Zentrumswicklers berechnet man mit folgender Formel:

PS-Leistung = Drehzahl x Spannung x Außendurchmesser / 33.000 x Kern-Außendurchmesser

Beseitigt man die Formal für den Rollenaufbau (O.D. & I.D.), erhält man eine Formel für die Bahn- oder Abzieh-Leistung:

PS-Leistung = Geschwindigkeit x Spannung / 33.000

PS-Leistung Kupplung = Schlupfdrehzahl x Drehmoment / Konstante

Mit Hilfe dieser Formel legt man die Größe eines Motors für einen Oberflächenwickler aus, wo das Drehmoment stets auf die Bahnspannung an der Rollenoberfläche übertragen wird und nicht am Zentrum der Rolle.

Alle Antriebe für Zentrumswickler, die für konstantes Drehmoment /veränderliche Drehzahl ausgelegt sind, werden auf nachstehender Abbildung dargestellt:

Clutch Graph 2

Wenn Sie die Abziehleistung mit 1 PS annehmen und sie haben ein Aufbauverhältnis von 10:1, benötigen Sie einen 10 PS Motor und Antrieb. Dies stimmt sowohl für eine direkte Drehmomentregelung des Motors als auch für eine Kupplung mit variabler Drehzahleingabe. Gute AC oder DC Motorregler machen es möglich, mit 100 Hz oder Feldschwächung zu arbeiten, wodurch man die Motorleistung halbieren kann, in diesem Falle auf 5 PS. Jedoch kommt es bei der Verarbeitung von dünnen Filmen oder Profilbahnen mit sehr geringer Spannung bei mit hohen Drehzahlen laufenden Motoren durch die Feldschwächung oder der hohen Frequenz bei einem AC VFD (Wechselstromantrieb mit veränderlicher Frequenz) zu einem anderen Problem. Wir haben zwar mehr an Leistung bei einem Einsatz eines kleineren Motors (5PS) gewonnen, der aber mit doppelter Drehzahl läuft! Man muss jetzt jedoch die Drehzahl mit einem Getriebe auf die an der Wicklereingangswelle erforderliche Drehzahl reduzieren. Hierdurch erhält man an der Aufwickelwelle eine größere Schwungmasse (ähnlich einem Schwungrad), einen Verlust durch den Getriebewirkungsgrad  usw. Durch den Einbau einer kleinen Kupplung mit geringer Schwungmasse zwischen der Aufwickelwelle und dem Wicklerantriebsstrang kann man die Aufwickelfunktion vom Antrieb und somit von den vielen Variablen trennen, die sonst auf die aufzuwickelnde Bahn übertragen würden. Mit einer kleinen Kupplung erhält man in 40 Millisekunden oder weniger eine große Änderung des Ausgangsdrehmoments!

Trotz der etwas größeren Komplexität durch den zusätzlichen Einbau einer Kupplung am Aufwickelstand hat man jedoch viele Vorteile, insbesondere bei der Verarbeitung dehnbarer Materialien mit geringer Bahnspannung. Beim Starten läuft der Kupplungseingang bereits mit Bahngeschwindigkeit plus 50 U/min und nur die Aufwickelwelle,  der Kern und die Kupplungsspinne müssen beschleunigt werden. Bei der direkten Drehmomentregelung eines Motors müssen zusätzlich auch die Schwungmassen von Motor und Getriebe beschleunigt werden. Während des Aufwickelprozesses reagiert eine pneumatische Kupplung immer schneller auf Drehzahl- und Drehmomentänderungen.

Für das Abrollen gelten die gleichen Vorteile und bei Prozessen mit geringen Bahnspannungen ist es ideal, wenn die Kupplung mit entgegengesetzter Drehzahl läuft. Beim Stoppen der Maschine hält sie eine konstant niedrige Bahnspannung aufrecht. Diese Lösung wird hundertfach für viele Stanzen und Laminatoren mit bis zu 10 Abrollungen/Aufwicklungen pro Maschine zur Herstellung von Telefonkomponenten eingesetzt. Dieses System ist AC/DC Motoren und Servoantrieben überlegen und vermeidet einen Tänzer durch den Einsatz von Kraftmessdosen.

Alle Wickelwellen an dieser vielseitigen Maschine können zum Aufrollen oder Aufwickeln benutzt werden, indem man lediglich die Eingangsdrehzahl der Kupplung umkehrt.
Die beste Lösung ist die Regelung von Kupplung und Bahnspannung mit einer Kraftmessdose und dem Montalvo Aufwickel-Bahnspannungsregler Z4-RL, bisher der X-3400. Am Bahnspannungsregler ist auch eine Bahngeschwindigkeits-Sollwertanzeige angeschlossen. Der Z4-RL liefert ein 50 U/min Überdrehzahl-Signal am Kern an den Antrieb mit Drehzahlregelung. Wenn sich der Rollendurchmesser vergrößert senkt der Z4-RL den Drehzahl-Sollwert am Antrieb, um die Schlupfdrehzahl und damit die Schlupf-PS konstant zu halten.

Der Regler kann den Rollendurchmesser mit den Impulsen von zwei Näherungsschaltern oder mit einer Durchmessereingabe von einem Ultraschallsensor errechnen. Alternativ kann er auch einen analogen Durchmesser vom Maschinen-PLC erhalten.

Clutch Graph 3

Letztendlich kann man sagen, dass man hervorragende Ergebnisse beim Aufwickeln von fast jedem Material relativ einfach erhalten kann. Es muss nur verstanden werden, was man mit einem Motor und einer Kupplung erreichen kann.

© Montalvo – Dieses urhebergeschützte Material kann komplett oder in Teilen  verwendet werden, wenn es als © www.montalvo.com gekennzeichnet wird.