Сердечник с улучшенным взаимодействием с зажимом
Изобретение относится к улучшенным сердечникам и к способам улучшения взаимодействия между сердечниками и взаимодействующими с сердечником элементами для уменьшения или устранения повреждений сердечника или эксплуатационных проблем. Изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности, включая бумажную промышленность, производство подкладок, производство листового металла, а также в любой отрасли, связанной с наматыванием или разматыванием материалов, переносимых на сердечниках. Изобретение представляет собой улучшенный сердечник (10) для установки на одном или более взаимодействующих с сердечником элементах, таких как пара зажимов (52), и способ создания улучшенного сердечника (10). Сердечник (10) выполнен с возможностью наматывать на него материал и разматывать его. Сердечник (10) содержит покрытие (70) с высоким коэффициентом трения, расположенное на внутренней поверхности (12) сердечника (10) для улучшения взаимодействия сердечник - зажим. Технический результат – повышение надежности и эксплуатационных характеристик. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 16 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящий патент относится к сердечнику, вокруг которого может наматываться листовой или полосовой материал. Более конкретно настоящий патент относится к сердечнику для намотки, имеющему улучшенное взаимодействие со взаимодействующими с сердечником элементами, такими как зажимы или валы, для уменьшения повреждений сердечника.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Материалы в форме полотна, такие как полимерная пленка, бумага, нетканая или тканая ткань, металлическая фольга, листовой металл и др., используются для производства множества продуктов. Материалы в форме полотна обычно обеспечиваются в форме больших рулонов или катушек, формируемых путем наматывания материала в форме полотна на сердечник для намотки. Сердечник обычно является картонным, хотя он может быть армирован пластиковой наружной оболочкой и т.п. Картонный сердечник может быть сформирован из слоев картона низкой, средней или высокой прочности.
Рулон бумаги и т.п., намотанный на сердечник, обычно имеет вес более полутонны и может превышать пять тонн. Типичными размерами сердечника являются номинальный внутренний диаметр (ID) 3-8 дюймов (76,2-203,2 мм) и длина приблизительно 11-170 дюймов (приблизительно 279,4-4318 мм). Другие сердечники, такие как сердечники для ткани и сердечники для листового металла, могут иметь ID в пределах 16-23 дюйма (406,4-584,2 мм).
Для того, чтобы начать процесс намотки, передний край полотна присоединяется к сердечнику для намотки, и сердечник вращается вокруг своей оси для намотки полотна в рулон. Впоследствии рулоны разматываются во время переработки или подобного процесса.
Машины для переработки непрерывно стремятся повысить производительность процессов переработки за счет увеличения общего количества полотна, перерабатываемого за единицу времени. С этой целью было связано постоянное стремление к более высоким скоростям полотна, ширине и весу рулонов, что привело к сердечникам для намотки, которые должны вращаться при более высоких требованиях к вращению. Таким образом, переработка бумаги может предъявлять высокие требования к стабильности сердечников для намотки.
Во время операции наматывания или разматывания сердечник обычно устанавливается на вращающемся расширяющемся зажиме, который вставляется в каждый конец сердечника и расширяется для захвата внутренней части сердечника так, чтобы сердечник не проскальзывал относительно зажимов при увеличении прикладываемого вращающего момента. Как правило, вращение сердечника достигается посредством привода, соединенного с одним или обоими зажимами, и сердечник вращается, достигая скоростей полотна, например, 800-1500 фут/мин (4,1-7,6 м/с) или больше. Зажимы создают вращающий момент (вращающую силу) на сердечнике, поскольку они вращают сердечник во время операции намотки. Вращающий момент также может создаваться полотном во время операции разматывания, а также тормозящим натяжением, прикладываемым к сердечнику зажимами или другими взаимодействующими с сердечником элементами.
В настоящее время во многих операциях наматывания и разматывания (переработки) сердечники используются в комбинации с зажимами, имеющими гладкие расширяющиеся элементы. Эти гладкие расширяющиеся элементы не всегда зацепляют сердечник должным образом, или максимальный передаваемый вращающий момент превышается, и в результате зажим будет вырываться и скользить внутри сердечника. Когда это проскальзывание является чрезмерным, концы сердечника, которые контактируют с зажимами, могут быть повреждены или разрушены, материал, находящийся на сердечнике, не может быть использован, и скорость процесса переработки уменьшается. Мусор, образующийся во время нежелательного проскальзывания, может также вызывать проблемы эффективности и обслуживания зажима. Даже умеренный случай проскальзывания может привести к уменьшению производительности, снижению скорости переработки и образованию чрезмерных отходов материала. Настоящее изобретение направлено на эти потребности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к улучшенному сердечнику для установки на взаимодействующих с сердечником элементах, таких как вал, или пара зажимов, а также к способу создания улучшенного сердечника. Сердечник выполнен с возможностью наматывать на него материал и разматывать его.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к улучшенному сердечнику для установки на одном или более взаимодействующих с сердечником элементах. Сердечник предпочтительно является полым и цилиндрическим, и имеет два противоположных конца в направлении своей оси. Сердечник содержит внутреннюю поверхность и наружную поверхность, предназначенную для наматывания на нее материала и разматывания его. Сердечник может быть сделан из намотанной бумаги. Улучшение заключается в высоком коэффициенте трения (COF) покрытия, располагающегося на всей или на части внутренней поверхности. Покрытие с высоким COF выполнено с возможностью увеличивать коэффициент трения (COF) между внутренней поверхностью сердечника и взаимодействующими с сердечником элементами. Покрытие может быть жидким, порошковым или любым подходящим материалом, который реагирует, увеличивая COF внутренней поверхности сердечника при помещении между сердечником и взаимодействующими с сердечником элементами.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к улучшенному сердечнику на основе волокна, в котором один или более внутренних слоев делаются из специального материала, который улучшает взаимодействие между сердечником и взаимодействующими с сердечником элементами, такими как зажимы или вал. Этот специальный материал может быть нескользящей бумагой с высоким COF, или бумагой, имеющей другие свойства, предназначенные для улучшения взаимодействия между сердечником и взаимодействующими с сердечником элементами.
В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к улучшенному сердечнику, в котором внутренняя поверхность сердечника механически или химически обработана для улучшения взаимодействия сердечника с зажимами. Например, внутренняя поверхность сердечника может быть изменена механической абразионной или химической обработкой для увеличения шероховатости внутренней поверхности.
В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к способу создания полого цилиндрического сердечника. Этот сердечник имеет внутреннюю поверхность и наружную поверхность, предназначенную для наматывания на нее материала, а также два противоположных конца в направлении его оси. Этот способ может содержать стадии спиральной намотки одного или более внутренних слоев вокруг формирующего шпинделя для того, чтобы сформировать внутреннюю поверхность сердечника; спиральной намотки одного или более дополнительных слоев вокруг формирующего шпинделя для того, чтобы сформировать сердечник, и нанесения покрытия с высоким COF по меньшей мере на часть внутренней поверхности.
ЧЕРТЕЖИ
Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе части сердечника, используемого для намотки на него материала.
Фиг. 2 представляет собой частичный вид сверху устройства для изготовления сердечника, такого как сердечник, показанный на Фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение сердечника с намотанным на него материалом, установленного на зажимах.
Фиг. 4 представляет собой схематический вид в перспективе одного конца сердечника, показанного на Фиг. 3, с удаленной частью тела зажима для того, чтобы лучше показать расширяющиеся элементы.
Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе с торца сердечника, показывающий углубления, образуемые расширяющимися элементами.
Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе с торца сердечника, показывающий повреждения внутренней поверхности сердечника, вызываемые проскальзыванием сердечника относительно зажима.
Фиг. 7представляет собой вид в перспективе с торца сердечника после того, как покрытие было нанесено на внутреннюю поверхность со спиральным рисунком.
Фиг. 8 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и коэффициентом трения.
Фиг. 9 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и коэффициентом трения для первого картона.
Фиг. 10 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и коэффициентом трения для второго картона.
Фиг. 11 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и концентрацией материала с высоким COF.
Фиг. 12 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и покрытием площади поверхности.
Фиг. 13 представляет собой график, показывающий соотношение между рисунком покрытия и максимальным вращающим моментом.
Фиг. 14 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и плотностью картона.
Фиг. 15 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и прочностью картона.
Фиг. 16 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ создания улучшенного сердечника в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В то время как настоящее изобретение может быть воплощено во многих формах, на чертежах показаны и далее будут подробно описаны один или несколько вариантов осуществления с пониманием того, что данное раскрытие следует рассматривать как иллюстрацию принципов настоящего изобретения, и оно не предназначено для ограничения настоящего изобретения проиллюстрированными вариантами осуществления.
Терминология
Следующие определения предназначаются для простоты понимания настоящего изобретения, и не предназначены для его ограничения.
Оправка: вал или ось, на которую может быть намотан лист.
Покрытие: При использовании в настоящем документе для обозначения действия слово «покрытие» может относиться к любым подходящим средствам нанесения материала на поверхность. При использовании в настоящем документе для обозначения объекта слово «покрытие» может относиться к любому подходящему материалу, нанесенному на поверхность, такую как внутренняя поверхность сердечника, включая без ограничения жидкости, порошки, соединения, смеси и обработки.
Коэффициент трения (сокращенно COF, CoF или Cof): в настоящем документе коэффициент трения обычно означает силу трения между сердечником и взаимодействующими с сердечником элементами, когда все они являются неподвижными.
Сердечник: цилиндрическая структура, обычно полая, для помещения на нее листового или полосового материала. Сердечник может быть сделан из волокна (такого как намотанная бумага), пластмассы, металла или любого подходящего материала. Иногда сердечник упоминается как трубка или шпулька. Описанные в настоящем документе сердечники могут использоваться для удержания и выдачи любого подходящего материала, включая, без ограничений, картон (например, для использования при изготовлении упаковки, листовую бумагу и санитарно-гигиеническую бумагу), металлические листы, пластиковые пленки и текстиль.
Прогрызание: Повреждение внутренней поверхности сердечника во время операции наматывания или, особенно, разматывания, когда взаимодействующие с сердечником элементы вращаются независимо от сердечника. Прогрызание обычно происходит, когда превышается максимальный вращающий момент.
Взаимодействующие с сердечником элементы: Структура или структуры, которые взаимодействуют (контактируют) с сердечником, удерживая его во время операций наматывания и разматывания. Могут включать в себя без ограничений зажимы, сплошные валы, дифференциальные валы и оправки, с расширяющимися элементами или без них.
Зацепляющаяся поверхность (поверхности): Поверхность (поверхности) на внутренней поверхности сердечника, которые зацепляются (контактируют) с взаимодействующими с сердечником элементами.
Высокий COF: Термин «высокий COF» (или «высокое значение COF») используется в настоящем документе для описания покрытия или другой композиции, которая имеет тенденцию к увеличению COF между двумя поверхностями, такими как внутренняя поверхность сердечника и взаимодействующие с сердечником элементы.
Максимальный вращающий момент: Величина вращающего момента, который может быть приложен к сердечнику перед проскальзыванием (между сердечником и взаимодействующими с сердечником элементами).
Наматыватель: Машина, используемая для наматывания листового материала, в частности металлических листов, на сердечник или шпульку.
Валы: В отличие от зажимов, валы обычно проходят через всю длину сердечника, удерживая его. Дифференциальные валы представляют собой валы, имеющие секции, которые могут вращаться с различными скоростями.
Вращающий момент: В настоящем документе обычно означает вращающую силу, прикладываемую к сердечнику. Вращающий момент может создаваться взаимодействующими с сердечником элементами, когда они вращают сердечник во время операции намотки. Вращающий момент также может создаваться полотном во время операции разматывания, а также тормозящими силами, прикладываемыми к взаимодействующим с сердечником элементам.
Сердечник
На Фиг. 1 показан вид в перспективе части сердечника 10, используемого для намотки на него материала 100. Материал 100 может представлять собой любой подходящий полосовой или листовой материал, такой как, не ограничиваясь этим, бумага, пленка и текстиль. Сердечник 10 может содержать спирально намотанную бумагу (как например в сердечнике на основе волокна), и имеет внутреннюю поверхность 12 и наружную поверхность 14. Сердечник 10 простирается продольно (в осевом направлении) между двумя концами 16 и может иметь любую подходящую длину.
Устройство 30 для изготовления сердечника 10
Фиг. 2 представляет собой частичный вид сверху устройства 30 для изготовления сердечника, такого как сердечник 10, показанный на Фиг. 1. В большинстве случаев сердечник 10 может быть сформирован путем спиральной (или скрученной) намотки множества слоев на основе волокна на шпиндель 32, склеивания этих слоев вместе, и отделения частей или секций непрерывного сердечника по мере его схода со шпинделя 32, чтобы сформировать индивидуальные сердечники 10. Эти слои вытягиваются из соответствующих бобинодержателей (не показаны) и направляются вдоль пути к шпинделю 32. Каждый слой может иметь клейкое вещество, наносимое на него на станции нанесения клея (не показана), такой как емкость для клея, для приклеивания к соседним слоям.
В проиллюстрированном устройстве внутренний слой 34 наносится на шпиндель 32 и спирально наматывается для того, чтобы сформировать внутренние слои сердечника. Вслед за внутренним слоем 34 множество промежуточных или основных слоев 36 накладываются поверх внутреннего слоя 34 и наматываются по спирали, чтобы сформировать промежуточную зону сердечника 10. После нанесения последнего промежуточного слоя 36 и формирования промежуточной зоны один или более внешних слоев 38 наносятся поверх промежуточной зоны и спирально наматываются для того, чтобы сформировать внешнюю зону непрерывного сердечника 40. Станция обрезки (не показана) может быть включена для нарезки непрерывного сердечника 40 на дискретные длины для формирования индивидуальных сердечников 10.
Намоточный ремень 101 может использоваться для вращения непрерывного сердечника 40 винтовым образом, чтобы непрерывный сердечник 40 продвигался дальше по шпинделю 32. Для того, чтобы облегчить перемещение непрерывного сердечника 40 вдоль неподвижного шпинделя 32, смазочный материал может быть нанесен на внутреннюю поверхность самого внутреннего слоя 34 с использованием смазочной станции (не показана). Смазочный материал может быть любым подходящим смазочным материалом, включая, но не ограничиваясь этим, твердый воск, жидкость или порошок.
Устройство переработки бумаги
Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение части устройства 50 переработки бумаги, включая сердечник 10, установленный на двух зажимах 52. Сердечник 10 имеет внутреннюю поверхность 12, которая зацепляется зажимами 52, и наружную поверхность 14, на которую помещается наматываемый материал 100, такой как бумага, пластиковая пленка или металлическая фольга. Зажимы 52 располагается у обоих концов 16 сердечника 10 и имеют расширяющиеся элементы 54 (иногда называемые «кулачками»), которые зацепляют зацепляющиеся поверхности 18 сердечника 10. Зацепляющиеся поверхности 18 располагаются на каждом конце 16 сердечника 10 и являются частью внутренней поверхности 12 сердечника 10.
Зажимы могут иметь множество типов и конфигураций. Некоторые зажимы являются по существу цилиндрическими, а некоторые имеют конические удлинители. Как было отмечено выше, многие зажимы имеют расширяющиеся элементы, которые зацепляют внутреннюю поверхность 12 сердечника 10.
Внутренняя поверхность 12 обычно является картонным материалом, хотя внутренняя поверхность 12 может быть любым подходящим для сердечника 10 материалом. Как правило, картонный материал имеет плотность от приблизительно 0,58 г/см3 до приблизительно 0,7 г/см3, но иногда плотность может и выходить за пределы этого диапазона. Сердечник 10 может быть «неоднородной» трубкой, в которой различные материалы (такие как различные марки бумаги) формируют различные части (обычно слои) сердечника 10, или он может быть «однородной» трубкой, в которой вся стенка сердечника формируется из материала одного типа, что является типичным для большинства картонных сердечников для намотки.
Типичный наружный диаметр сердечника 10 для намотки может составлять приблизительно 7,025 дюймов (178,4 мм), а типичный внутренний диаметр сердечника 10 может составлять приблизительно 6,025 дюймов (153,0 мм). Сердечники для намотки обычно имеют стандартные диаметры для обеспечения единообразия обработки, но следует понимать, что сердечник для намотки может иметь различные размеры как для внутреннего, так и для наружного диаметров сердечника 10, а также для толщины сердечника 10. Длина сердечника 10 в одном варианте осуществления составляет приблизительно 170 дюймов (4,32 м), в то время как типичные длины сердечника варьируются от 11 дюймов (239,4 мм) до 140 дюймов (3,56 м). Однако следует понимать, что сердечник 10 может иметь любые подходящие размеры в зависимости от конкретного материала наматываемого полотна или от других факторов.
Фиг. 4 представляет собой схематический вид в перспективе одного конца 16 сердечника 10, показанного на Фиг. 3, с удаленной для ясности частью тела зажима 52. Зажим 52 на Фиг. 3 и 4 включает в себя три расширяющихся элемента 54. Каждый расширяющийся элемент 54 способен выдвигаться радиально наружу из тела зажима. Расширяющиеся элементы 54 могут быть расположены вокруг всей окружности зажима 52. Таким образом, расширяющиеся элементы 54 могут быть равномерно расположены вокруг всей внутренней окружности сердечника 10.
В одном варианте осуществления, в котором сердечник 10 имеет длину приблизительно 4,32 м, рулон бумаги 100, намотанный на сердечник 10, может достигать веса в 7 тонн. Расширяющиеся элементы 54 на каждом зажиме 52, расположенные в верхней части сердечника 10, в любой момент времени выдерживают вес сердечника 10 для намотки в дополнение к весу материала в форме полотна 100, который намотан на сердечник 10 для намотки. Следовательно, расширяющиеся элементы 54 способны создавать значительную силу, действующую на сердечник 10, чтобы одновременно вращать и поддерживать сердечник 10 для намотки.
Вращающий момент может прикладываться к внутренней поверхности 12 сердечника разными способами и в разное время в ходе операций наматывания и разматывания. При операции наматывания один или оба зажима 52 могут быть соединены с двигателем и т.п. для приведения сердечника 10 во вращение с тем, чтобы наматывать полотно 100 на сердечник 10. Это действие прикладывает вращающий момент к внутренней поверхности 12 сердечника.
Зажимы 52 также могут прикладывать вращающий момент к внутренней поверхности 12 во время операции разматывания. При разматывании материала 100 с сердечника 10 во время, например, операции по переработке бумаги расширяющиеся элементы 54 зацепляют зацепляющиеся поверхности 18 сердечника 10, прикладывая давление для удержания сердечника 10 во вращательном зацеплении. Во время операции по переработке бумаги, такой как показанная на Фиг. 3, полотно 100 может разматываться с сердечника 10 с помощью устройства с приводом от машины, не показанного на Фиг. 3. Во время операции разматывания по меньшей мере один зажим 52 соединяется с тормозом (не показан), который замедляет или останавливает вращение сердечника 10 для намотки. Сердечник 10 обычно вращается с линейными скоростями 4,1-7,6 м/с, хотя могут использоваться и другие скорости, включая намного более высокие. Возможно, что во время операции разматывания само полотно может создавать вращающий момент по мере того, как его вытягивают с рулона.
Хотя зажимы 52, показанные на Фиг. 3, включают в себя расширяющиеся элементы 54, следует понимать, что зажимы 52 могут иметь другие конфигурации, и альтернативно могут выдвигаться не гидравлически, а пневматически или механически внутри полости сердечника 10, как известно специалистам в данной области техники. Расширяющиеся элементы 54 также могут иметь различные конструктивные решения, размеры и формы для приема различных сердечников 10 для намотки или для конкретного приложения наматывания/разматывания. Различные типы и размеры зажимов 52 также могут быть использоваться для сердечников 10 различных размеров или для различных типов материалов сердечника для намотки.
Расширяющиеся элементы 54 могут прикладывать очень большие усилия к сердечнику 10. Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе с торца сердечника 10 после операции частичного разматывания. ID (внутренняя поверхность 12) сердечника 10 имеет видимые отпечатки/углубления 60, созданные давлением на сердечник 10 расширяющимися элементами 54 зажима, но в остальной части в основном является неповрежденной. Эти углубления зависят от радиальной силы, прикладываемой к сердечнику 10 расширяющимися элементами 54, а также от марки, плотности и твердости используемой бумаги.
По мере увеличения вращающего момента на внутренней поверхности 12 сердечника вероятность проскальзывания между сердечником 10 и зажимами 52 увеличивается. В большинстве случаев многие сердечники могут выдерживать вращающий момент величиной 350-400 фунт-фут (475-542 Н-м), а некоторые сердечники могут выдерживать намного более высокие моменты. Были разработаны зажимы для уменьшения проскальзывания, например, путем проектирования расширяющихся элементов 54 для увеличения площади контакта между расширяющимися элементами 54 и сердечником 10.
Повреждение сердечника
Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе с торца другого сердечника 10 после операции частичного разматывания. Во время операции разматывания вращающий момент на сердечнике 10 увеличивался до точки, в которой зажим 52 начал вращаться независимо от сердечника 10, и повредил внутреннюю поверхность 12 сердечника 10.
Это повреждение может затрагивать множество внутренних слоев, и иногда его называют «прогрызанием». Проскальзывание может также приводить к «выгоранию», когда трение зажимов 52 о сердечник 10 вызывает ожоги или подпаливает сердечник 10, делая его неподходящим для дальнейшего использования.
Когда происходит прогрызание (или выгорание), пользователь не может управлять полотном материала 100, сходящим с сердечника 10, что может потребовать замедления или прекращения операции переработки бумаги и регулировки зажимов. Иногда пользователь помещает прокладку или другое устройство между сердечником 10 и зажимами 52, чтобы попытаться устранить дальнейшее проскальзывание, разрывы полотна, вибрацию или другие проблемы переработки, возникающие в результате проскальзывания зажима и/или прогрызания сердечника. Иногда пользователь должен переходить на более низкую скорость, чтобы попытаться избежать проскальзывания. Кроме того, иногда пользователь заранее сращивает полотно с новым рулоном бумаги. Повторяющееся проскальзывание может приводить к преждевременному сращиванию рулонов.
Уменьшение повреждений сердечника
Общий метод уменьшения проскальзывания и повреждений, которые оно может вызвать, состоит в изменении коэффициента трения (COF) между внутренней поверхностью 12 сердечника 10 и взаимодействующими с сердечником элементами. COF, часто обозначаемый переменной µ, может быть представлен следующей формулой:
(1) µ = (Ff/Fn)
где:
µ=коэффициент трения или COF (безразмерный);
Ff=сила трения, прикладываемая одной поверхностью, когда она движется по другой поверхности (в Ньютонах); и
Fn=сила, прикладываемая по нормали к силе трения (в Ньютонах).
Существуют два вида µ, статический и кинетический. В последующем обсуждении µ (или COF) обычно представляет собой статический µ (или статический COF). Следует понимать, что в то время, как процессы, раскрытые в настоящем документе, обычно увеличивают статический µ, они также обычно увеличивают и кинетический µ.
Значение COF между внутренней поверхностью 12 сердечника 10 и зажимами 52 является функцией многих переменных, некоторыми из которых можно управлять для того, чтобы улучшить взаимодействие зажима и сердечника, и таким образом уменьшить повреждения сердечника 10. Соответственно были разработаны и далее будут описаны различные улучшенные сердечники, а также способы улучшения взаимодействия зажима и сердечника.
(i) Уменьшение повреждений сердечника с использованием покрытия с высоким COF
В одном аспекте сердечник 10 и способ создания сердечника 10 включают использование материала с высоким COF («покрытие») 70, который наносится или иным образом располагается на внутренней поверхности 12 сердечника 10. Покрытие 70 с высоким COF выполнено с возможностью увеличивать коэффициент трения (COF) между внутренней поверхностью сердечника 10 и взаимодействующими с сердечником элементами, такими как зажимы 52. Покрытие 70 может быть нанесено поверх смазочного материала (если он присутствует) и/или напрямую на внутреннюю поверхность сердечника 10.
Фиг. 7 представляет собой вид в перспективе сердечника 10 после того, как покрытие 70 с высоким COF было нанесено на часть внутренней поверхности 12. Как будет дополнительно объяснено ниже, покрытие 70 с высоким COF может быть нанесено с любым подходящим рисунком и на все или не все зацепляющиеся поверхности 18 сердечника 10.
Фиг. 8 представляет собой график, показывающий соотношение между максимальным вращающим моментом и коэффициентом трения (COF) между сердечником и взаимодействующими с сердечником элементами. Данные на Фиг. 8, полученные с помощью метода конечных элементов (FEA), показывают, что максимальный вращающий момент увеличивается при увеличении COF.
Увеличение COF между внутренней поверхностью 12 сердечника 10 и взаимодействующими с сердечником элементами (такими как зажимы 52) увеличивает максимальный вращающий момент, то есть величину вращающего момента (вращающую силу), которая может быть приложена к сердечнику 10 зажимами 52 перед тем, как произойдет проскальзывание. Другими словами, добавление покрытия 70 с высоким COF к внутренней поверхности 12 сердечника 10 заставляет зажимы 52 лучше захватывать сердечник 10.
Фиг. 9 представляет собой график, показывающий влияние COF (между внутренней поверхностью 12 сердечника 10 и взаимодействующими с сердечником элементами 52) на максимальный вращающий момент для сердечника 10, имеющего внутренний слой 34, сделанный из первого сорта картона (обозначенного как «картон 1»). Как показывает Фиг. 9, максимальный вращающий момент в целом увеличивается с увеличением COF. Те же самые данные в табличной форме:
| Коэффициент трения | 0,193 | 0,235 | 0,301 |
| Вращающий момент (фунт-фут) | 445 | 753 | 827 |
| Вращающий момент (Н-м) | 603 | 1021 | 1121 |
Фиг. 10 представляет собой график, показывающий влияние COF (между внутренней поверхностью 12 сердечника 10 и взаимодействующими с сердечником элементами 52) на максимальный вращающий момент для сердечника 10, имеющего внутренний слой 34, сделанный из второго сорта картона (обозначенного как «картон 2»). Здесь также вращающий момент в целом увеличивается с увеличением COF. Те же самые данные в табличной форме:
| Коэффициент трения | 0,21355 | 0,24471 | 0,29764 | 0,36875 |
| Вращающий момент (фунт-фут) | 376 | 684 | 740 | 788 |
| Вращающий момент (Н-м) | 510 | 927 | 1003 | 1068 |
(a) Типы покрытий
Покрытие с высоким COF может быть любым подходящим материалом, который увеличивает COF сердечника 10 и взаимодействующих с сердечником элементов 52. Покрытие 70 может наноситься в форме жидкости, порошка, густой суспензии или любой подходящей физической формы. Покрытие 70 может быть подходящим для использования с большинством, если не со всеми конструктивными решениями зажимов. Подходящие покрытия включают в себя, не ограничиваясь этим, водные дисперсии противоскользящих агентов и силикатов, латексные покрытия и клейкие вещества.
(b) Влияние концентрации материала с высоким COF на вращающий момент
Фиг. 11 представляет собой график, показывающий влияние концентрации материала с высоким COF на вращающий момент, то есть влияние мас.% материала с высоким COF в покрытии, нанесенном на 100% взаимодействующей с зажимом площади поверхности 18 на вращающий момент. Как показывает этот график, по меньшей мере для одной комбинации покрытие/картон увеличение концентрации материала с высоким COF в покрытии 70 увеличивает вращающий момент. Те же самые данные в табличной форме:
| Концентрация материала с высоким COF | 10% | 20% | 60% | 80% |
| Вращающий момент (фунт-фут) | 1007 | 1050 | 1300 | 1442 |
| Вращающий момент (Н-м) | 1365 | 1424 | 1763 | 1955 |
(c) Влияние покрываемой площади поверхности и рисунка покрытия на вращающий момент
Покрытие 70 может быть нанесено на всю или на часть внутренней поверхности 12 сердечника 10. Например, покрытие 70 может быть нанесено только на взаимодействующую с зажимом поверхность 18 около каждого конца 16 сердечника 10, или вдоль всей осевой длины сердечника 10.
Фиг. 12 представляет собой график, показывающий влияние площади поверхности на вращающий момент, и в частности влияние процента внутренней поверхности 12 сердечника, которая покрывается материалом 70 с высоким COF на максимальный вращающий момент. Доля покрытия, то есть площадь, на которую наносится покрытие 70, выраженная как процент от общей площади внутренней поверхности сердечника, варьировалась от 22% до 65%. Максимальный вращающий момент изменялся от 766 до 860 фунт-фут. Как показывает этот график, эффективность вращающего момента в целом увеличивается с увеличением доли покрытия. Те же самые данные в табличной форме:
| Доля покрытия поверхности (% внутренней поверхности сердечника) | 22% | 43% | 65% |
| Вращающий момент (фунт-фут) | 766 | 794 | 860 |
| Вращающий момент (Н-м) | 1039 | 1076 | 1166 |
Фиг. 13 представляет собой график, показывающий соотношение между рисунком покрытия и максимальным вращающим моментом. Как было отмечено ранее, покрытие 70 может наноситься на внутреннюю поверхность 12 сердечника 10 с различными рисунками или конфигурациями. Например, покрытие (70) с высоким COF может наноситься на внутреннюю поверхность (12) с некоторым рисунком для того, чтобы достичь желаемого уровня покрытия площади поверхности. Покрытие 70 может наноситься в виде одиночной спирали (как на Фиг. 7), в виде множества спиралей, в виде одного или более колец или с любым подходящим рисунком. Покрытие 70 может также наноситься на все или только на часть зацепляющихся поверхностей 18.
В результатах испытаний, показанных на Фиг. 13, покрытие внутренней поверхности 12 сердечника 10 одной, двумя или тремя спиралями шириной 7/8 дюймов привело к максимальным значениям вращающего момента 766, 794 и 860 фунт-фут соответственно. Покрытие внутренней поверхности 12 сердечника 10 одной, двумя или тремя спиралями шириной 1,5 дюйма привело к максимальным значениям вращающего момента 1088, 1083 и 1111 фунт-фут соответственно. Покрытие всей внутренней поверхности 12 сердечника 10 («полное покрытие») привело к максимальному значению вращающего момента 1137 фунт-фут. Те же самые данные в табличной форме:
| Рисунок покрытия | Ширина спирали (дюймы) | Ширина спирали (см) | Вращающий момент (фунт-фут) | Вращающий момент (Н-м) |
| 1 спираль | 7/8 | 2,2225 | 766 | 1038 |
| 2 спирали | 7/8 | 2,2225 | 794 | 1076 |
| 3 спирали | 7/8 | 2,2225 | 860 | 1076 |
| 1 спираль | 1,5 | 3,81 | 1088 | 1475 |
| 2 спирали | 1,5 | 3,81 | 1083 | 1468 |
| 3 спирали | 1,5 | 3,81 | 1111 | 1506 |
| Полное покрытие | 1137 | 1541 |
Хотя все эти результаты могут быть удовлетворительными, можно предположить, что более полное покрытие приводит к лучшему взаимодействию сердечник/зажим, по меньшей мере до определенной степени.
(d) Способ создания улучшенного сердечника
Фиг. 16 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ 110 создания улучшенного сердечника 10. Этот способ может содержать следующие стадии:
Стадия 112. Спиральная намотка одного или более внутренних слоев (34) на формирующий шпиндель (32).
Стадия 114. Спиральная намотка одного или более дополнительных слоев (36, 38) на формирующий шпиндель (32) для того, чтобы сформировать непрерывный сердечник, который перемещается вдоль оси шпинделя (32) перед тем, как сойти со шпинделя (32).
Стадия 116. Резка непрерывного сердечника на индивидуальные сердечники 10, каждый из которых имеет два противоположных в направлении оси конца (16), внутреннюю поверхность (12), содержащую одну или более зацепляющихся поверхностей около каждого конца (16), и наружную поверхность (14), предназначенную для намотки на нее материала (100).
Стадия 118. Нанесение покрытия (70) с высоким COF по меньшей мере на часть внутренней поверхности (12).
Как было отмечено выше, сердечник 10 быть сформирован путем спиральной намотки множества слоев 34, 36, 38 на шпиндель 32, склеивания этих слоев вместе для того, чтобы сформировать непрерывный сердечник 40, и отделения частей или секций непрерывного сердечника 40, чтобы сформировать индивидуальные сердечники 10. Покрытие 70 с высоким COF помещается по меньшей мере на зацепляющиеся поверхности 18 сердечника 10 одним из нескольких различных способов. Например, покрытие 70 может быть нанесено до, во время или после процесса изготовления сердечника.
Если оно наносится до процесса изготовления сердечника, покрытие 70 должно наноситься на обращенную внутрь поверхность бумаги, используемой для создания самых внутренних слоев 34.
Если оно наносится во время процесса изготовления сердечника, покрытие 70 может наноситься либо на внутренние слои 34, которые составляют внутреннюю поверхность 12, до их намотки на шпиндель 32, либо на сформированную внутреннюю поверхность 12 сердечника, когда непрерывный сердечник 40 движется вдоль шпинделя 32. Если оно наносится после процесса изготовления сердечника, то есть после резки непрерывного сердечника 40 на используемые индивидуальные сердечники 10, покрытие 70 может наноситься с помощью любых подходящих средств, включая использование аппликатора из ветоши, валиков, щеток, ракельного аппликатора или распылителя. Предпочтительно покрытие 70 наносится около каждого конца 16, где зажимы 52 зацепляют сердечник 10.
Предпочтительно покрытие 70 наносится на те области, где расширяющиеся взаимодействующие с сердечником элементы 52 (зажимы, вал и т.д.) находятся в контакте с внутренней поверхностью 12 сердечника 10. В случае зажимов 52 эта область обычно находится около каждого конца 16 сердечника 10. В случае валов эта область может простираться на большую часть или на всю длину сердечника 10. В некоторых случаях эта область может быть только одним концом 16 сердечника 10, если этот конец испытывает воздействие большего вращающего момента (например, от двигателя и/или тормоза).
(ii) Уменьшение повреждений сердечника с использованием специального материала для внутренних слоев
В другом аспекте способ улучшения взаимодействия сердечник-зажим включает использование специального материала для внутреннего слоя или слоев 34 сердечника 10 или зацепляющихся поверхностей 18 сердечника 10. Специальный материал может быть материалом с высоким COF, антискользящей бумагой или бумагой, имеющей специальные свойства. Специальные свойства могут включать в себя толщину, шероховатость и содержание вторичной бумаги.
Влияние плотности бумаги на вращающий момент
Тесты проводились для того, чтобы определить влияние плотности бумаги на максимальный вращающий момент. Фиг. 14 представляет собой график, показывающий влияние плотности внутреннего слоя 34 сердечника на максимальный вращающий момент. Как видно из этого графика, в этом кратком наборе тестов характеристики вращающего момента слабо коррелировали с плотностью внутреннего слоя 34. Те же самые данные в табличной форме:
| Плотность (г/см3) | 0,581 | 0,727 | 0,657 |
| Вращающий момент (фунт-фут) | 445 | 376 | 474 |
| Вращающий момент (Н-м) | 602 | 510 | 643 |
Влияние прочности картона на вращающий момент
Тесты проводились для того, чтобы определить влияние прочности картона внутреннего слоя или слоев 34 на максимальный вращающий момент. Фиг. 15 представляет собой график, показывающий влияние прочности картона внутреннего слоя 34 сердечника на максимальный вращающий момент. Как видно из этого графика, в этом кратком наборе тестов характеристики вращающего момента, похоже, не коррелировали с прочностью картона. Те же самые данные в табличной форме:
| Сдвиг (фунт на кв.дюйм) или psi | 190 | 240 | 477 |
| Сдвиг (Н/мм2) | 1,31 | 1,65 | 3,29 |
| Вращающий момент (фунт-фут) | 445 | 376 | 474 |
| Вращающий момент (Н-м) | 602 | 510 | 643 |
Возможно, имеется точка, где внутренняя плотность бумаги слоя или прочность картона так же важны, если не больше, как и COF между сердечником 10 и взаимодействующими с сердечником элементами 52 для уменьшения прогрызания. Например, COF между сердечником 10 и взаимодействующими с сердечником элементами 52 может быть увеличен до такого высокого уровня, что основной проблемой станет не проскальзывание зажима, а разрушение бумаги. Однако, считается, что этот резко увеличенный уровень COF, и следовательно, максимальный крутящий момент, находится за пределами нормальных рабочих уровней в большинстве операций по переработке бумаги.
(iii) Механическая или химическая обработка внутренней поверхности сердечника
В другом аспекте способ улучшения взаимодействия сердечник-зажим включает механическую или химическую обработку внутренней поверхности сердечника или только зацепляющихся поверхностей сердечника для изменения коэффициента трения (COF). Например, способ может содержать механическую или химическую обработку зацепляющихся поверхностей 18 сердечника 10 для того, чтобы увеличить COF зацепляющихся поверхностей 18, увеличивая тем самым максимальный вращающий момент между сердечником 10 и взаимодействующими с сердечником элементами 52.
В одном аспекте внутренняя поверхность 12 сердечника 10 может механически обрабатываться во время или после процесса изготовления сердечника, например путем механического истирания для увеличения шероховатости внутренней поверхности 12.
В другом аспекте внутренняя поверхность 12 сердечника 10 может химически обрабатываться для увеличения COF внутренней поверхности 12 во время или после изготовления сердечника 10. Эта обработка может включать химическую обработку материала, такого как картон, который формирует внутренний слой или слои 34, до изготовления сердечника 10.
(iv) Помещение листа материала с высоким COF между сердечником и взаимодействующим с сердечником элементом (элементами)
В еще одном аспекте способ улучшения взаимодействия сердечник-зажим включает помещение или расположение рыхлого слоя материала между внутренней поверхностью 12 сердечника 10 и взаимодействующими с сердечником элементами 52. В таких случаях этот рыхлый слой может быть удален после наматывания.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Настоящее изобретение относится к улучшенным сердечникам и к способам улучшения взаимодействия между сердечниками и взаимодействующими с сердечником элементами для уменьшения или устранения повреждений сердечника или эксплуатационных проблем. Эти сердечники и способы могут быть полезными в различных отраслях промышленности, включая бумажную промышленность (например, с операциями по нарезке листов (тонкая бумага, переработка)), производство подкладок, производство листового металла, а также любую отрасль, связанную с наматыванием или разматыванием материалов, переносимых на сердечниках.
Например, в бумажной промышленности, где сердечники часто устанавливаются обоими концами на зажимы, может быть желательно увеличить коэффициент трения (COF) между внутренней поверхностью сердечника и зажимами, либо путем увеличения COF на всей внутренней поверхности сердечника, либо только на зацепляющихся поверхностях.
Аналогичным образом, в приложениях переноса листового металла, где сердечники Metallan™ часто устанавливаются на вал, может быть желательно увеличить коэффициент трения (COF) вдоль всей внутренней поверхности сердечника 10 или вдоль части внутренней поверхности 12, например, вдоль только средней части внутренней поверхности 12 между концами 16 сердечника.
В тех отраслях промышленности, в которых используются валы дифференциальной намотки, например, в некоторых отраслях производства бумаги, пленок и лент, может быть желательно отрегулировать коэффициент трения (COF) каждого отдельного сердечника для достижения желаемого уровня натяжения полотна для каждого сердечника во время операции наматывания или разматывания. Дифференциальные валы представляют собой валы, имеющие секции, которые могут перемещаться (вращаться) друг относительно друга. Обычно несколько сердечников размещаются на разных участках вала одновременно. Дифференциальный вал обеспечивает относительное перемещение между сердечниками, а также допускает относительное перемещение или проскальзывание между каждым сердечником и соответствующей ему секцией вала. В этих приложениях может быть желательно управлять значением COF каждого сердечника с использованием методик, описанных в настоящем документе, для достижения желаемого уровня натяжения полотна для каждого сердечника во время операции наматывания или разматывания.
Описанные здесь сердечники и способы могут обеспечивать улучшенные характеристики для всех типов зажимов, включая зажимы, имеющие гладкие расширяющиеся элементы, негладкие расширяющиеся элементы, или не имеющие расширяющихся элементов. Примеры негладких расширяющихся элементов включают в себя профилированные, шероховатые или зубчатые расширяющиеся элементы. Хотя взаимодействующие с сердечником элементы, имеющие гладкие поверхности, являются более сложными, проблемы также могут возникать, например, с профилированными, шероховатыми или зубчатыми элементами.
Понятно, что описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения являются лишь частными примерами, которые служат для иллюстрации принципов изобретения.
Возможны модификации и альтернативные варианты осуществления изобретения, которые не выходят за рамки объема настоящего изобретения, определяемого вышеизложенными идеями и прилагаемой формулой изобретения. Подразумевается, что формула изобретения охватывает все такие модификации и альтернативные варианты осуществления, которые входят в их объем.
1. Сердечник (10) для установки на одном или более взаимодействующих с сердечником элементах, предназначенный для наматывания на него и разматывания материала (100), являющийся полым и цилиндрическим и имеющий внутреннюю поверхность (12) и наружную поверхность (14), предназначенную для размещения материала (100), имеющий два противоположных в направлении оси конца (16), причем сердечник содержит:
покрытие (70) с высоким коэффициентом трения (COF), расположенное на всей или на части внутренней поверхности (12), предназначенное для увеличения коэффициента трения (COF) между внутренней поверхностью (12) сердечника (10) и взаимодействующими с сердечником элементами.
2. Сердечник (10) по п. 1, в котором:
покрытие (70) с высоким COF выбирается из группы, состоящей из водных дисперсий противоскользящих агентов и силикатов, латексных покрытий и клейких веществ.
3. Сердечник (10) по п. 1, в котором:
покрытие (70) с высоким COF содержит материал с высоким COF и
мас.% материала с высоким COF в покрытии с высоким COF составляет от 10% до 80%.
4. Сердечник (10) по п. 1, в котором:
покрытие (70) с высоким COF покрывает по меньшей мере 22% внутренней поверхности (12).
5. Сердечник (10) по п. 1, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на внутреннюю поверхность (12) с рисунком для достижения заданного уровня покрытия площади поверхности.
6. Сердечник (10) по п. 1, в котором:
покрытие (70) с высоким COF нанесено на внутреннюю поверхность (12) в виде одного или более спиральных рисунков.
7. Сердечник (10) по п. 1, в котором:
один или более взаимодействующих с сердечником элементов содержат пару зажимов (52).
8. Сердечник (10) по п. 1, в котором:
один или более взаимодействующих с сердечником элементов содержат вал, проходящий вдоль оси через весь сердечник (10).
9. Сердечник (10) для установки на одном или более взаимодействующих с сердечником элементах, предназначенный для наматывания на него и разматывания материала (100), выполненный на основе волокна и имеющий внутреннюю поверхность (12) и наружную поверхность (14), предназначенную для размещения материала (100), имеющий два противоположных в направлении оси конца (16), содержащий один или более внутренних слоев (34), которые формируют внутреннюю поверхность (12), содержащую зацепляющиеся поверхности (18), которые контактируют с одним или более зацепляющимися элементами, в котором:
один или более внутренних слоев (34) изготовлены из материала с высоким COF.
10. Сердечник (10) для установки на одном или более взаимодействующих с сердечником элементах (52), имеющий внутреннюю поверхность (12) и наружную поверхность (14), предназначенную для размещения листового материала (100) в намотанном виде, имеющий два противоположных в направлении оси конца (16), содержащий один или более внутренних слоев (34), которые формируют зацепляющиеся поверхности (18), причем сердечник содержит:
механическую или химическую обработку зацепляющихся поверхностей (18) для изменения коэффициента трения (COF) зацепляющихся поверхностей (18).
11. Способ (110) изготовления сердечника (10) по любому одному из пунктов 1, 9 или 10, содержащий стадии:
спиральной намотки одного или более внутренних слоев (34) на формирующий шпиндель (32);
спиральной намотки одного или более дополнительных слоев (36, 38) на формирующий шпиндель (32) для формирования непрерывного сердечника, который перемещается вдоль оси шпинделя (32) перед тем, как сойти со шпинделя (32);
резки непрерывного сердечника на индивидуальные сердечники (10), каждый из которых имеет два противоположных в направлении оси конца (16), внутреннюю поверхность (12), содержащую одну или более зацепляющихся поверхностей около каждого конца (16), и наружную поверхность (14), предназначенную для намотки на нее материала (100); и
нанесения покрытия (70) с высоким COF по меньшей мере на часть внутренней поверхности (12).
12. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на каждую из одной или более зацепляющихся поверхностей.
13. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на внутреннюю поверхность (12) в форме рисунка.
14. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на внутреннюю поверхность (12) в виде одного или более спиральных рисунков.
15. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на внутреннюю поверхность (12) путем распыления.
16. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на внутренние слои (34) до того, как они будут спирально намотаны на формирующий шпиндель (32).
17. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на внутреннюю поверхность (12) после спиральной намотки внутренних слоев (34) на шпиндель (32), когда непрерывный сердечник движется вдоль шпинделя (32).
18. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится на все или только на часть зацепляющихся поверхностей (18).
19. Способ (110) по п. 11, в котором:
покрытие (70) с высоким COF наносится только на середину внутренней поверхности (12).
