Lagenverschiebungen und Spannungsaufbau in der Nipzone zwischen Walze und Papierlagen

Bei der Papierherstellung und Verarbeitung entstehen Produktionsverluste beim Wickeln der maschinenbreiten Papierrollen und den Fertigrollen durch Wickelfehler. Beim Wickelvorgang ist mindestens eine Walze (Stahl oder gummiert) in Kontakt mit dem Wickel und erzeugt eine Nipzone, in der Spannungen induziert und Lagenverschiebungen erzeugt werden. Der Vorgang in der Nipzone mit mehreren Papierlagen ist nicht genau bekannt. Es wurden Basismodelle erstellt und der Vorgang der Verformung, der Lagenverschiebung und dem Spannungsaufbau in der Nipzone theoretisch und experimentell an einem Stapel mit 500 Lagen LWC-Tiefdruckpapier untersucht und auf den Wickelvorgang übertragen. Die Versuche wurden mit einer Stahlwalze und teilweise mit einer gummierten Walze durchgeführt. Die Verformung am Papierstapel und am Wickel zur Bestimmung eines E-Moduls ergab theoretisch als Kontaktproblem einen geringeren Modul gegenüber der Kompressibilitätsmessung. Eine Messung der Druckverteilung in der Nipzone ergab eine höhere Verteilung als nach Hertz angenommen. Beim losen Papierstapel führt das Abrollen einer Walze an der Oberfläche zu einer Lagenverschiebung im Stapel, die aus den geometrischen Größen der Verformung in Verbindung mit einer Haftzone berechnet wurde. Die Lagenverschiebung der ersten Lage ergibt sich aus der Summe der Verschiebungen der Einzellagen. Werden eine oder mehrere Lagen am Papierstapel „festgehalten“, wird beim Abrollen einer Walze eine Spannung in den Lagen erzeugt, wobei die größte Spannung in der ersten Lage auftritt. Der Einfluss einer Vorspannung auf die Lagen ergab eine Änderung im Kraftaufbau in Abhängigkeit vom Aufsetzpunkt der Walze. Werden alle Lagen „festgehalten“, wird die übertragbare Tangentialkraft auf die tiefer liegenden Lagen verteilt und eine Umkehr der Kraftrichtung nach der 8. Lage ermittelt. Die spannungsfreie 8. Lage wurde als Momentanpolebene angenommen. Die Lagen oberhalb dieser Ebene werden in Laufrichtung „geschoben“, wobei eine Längenänderung erzeugt wird, die in der Walzenmitte festgehalten und beim Abrollen freigegeben wird. Der Spannungsaufbau in der Nipzone am Papierstapel wurde unter Berücksichtigung der Formänderungen mit einer Differentialgleichung nach dem Formgebungsprozess beim „Walzen von Blechen“ ermittelt. Es ergeben sich zwei Lösungen, die dort, wo sie ineinander übergehen eine Stelle relativer Ruhe haben. Die Reibschubspannungen wechseln an dieser Stelle das Vorzeichen. Beide Lösungen waren gleich bei einer Lagenanzahl von 8-10 Lagen. Der Verlauf der Druck- und Schubbelastung während der Walzenbewegung wurde mit zwei Piezo-Foliensensoren auf der Walzenoberfläche erfasst. Es wurde dynamisch ein Drucksignal und ein Summensignal aus Druck- und Schubkräften gemessen, wobei der Schubanteil durch Differenzbildung ermittelt wurde. Bei der Kombination Walze-Wickel erfolgt beim Eintritt in die Nipzone ein steiler Anstieg im Schubanteil mit einer Umkehr, die darauf schließen lässt, dass beim Wickelvorgang ähnliche Vorgänge stattfinden wie am Stapel. Die Ergebnisse aus den Versuchen am Papierstapel wurden auf den Wickelvorgang übertragen. Der Mechanismus der Spannungserzeugung und der Lagenverschiebung wurde an einem Wickelprüfstand nachgewiesen. Er verläuft ähnlich wie am Papierstapel. Der Einfluss von der Linienlast und dem Bahnzug auf den Spannungsaufbau wurde ermittelt. Er ist hilfreich bei der Optimierung in der Praxis zur Vermeidung von Wickelfehlern.