Sähköosasto
Harri Rasehorn
PAPERIKONEEN KIREYSMITTAUSTEN KEHITTÄMINEN TELOJEN SÄÄTÖÖN
i 8 I 6 2
TKK SÄHKÖTEKNIIKAN OSASTON KIRJASTO OTAKAARI 5 A
02150 ESPOO
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteeksi tarkastetta
vaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa.
Työn valvoja: Prof, Aarne Halme
Työn ohjaaja: DI Olli Sarkkinen
DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä ja työn nimi:
Harri Rasehorn
Paperikoneen kireysmittausten kehittäminen telonen säätöön.
Päivämäärä: 31.1.1991 Sivumäärä : 104 Professuuri:
Sähköteknillinen osasto Automaatiotekniikka Työn valvoja: Aarne Halme
Työn ohjaaja : Olli Sarkkinen, Valmet Paperikoneet Oy
Työn tavoitteena oli muodostaa kuva paperinradan kireys- mittaukseen vaikuttavista tekijöistä ja etsiä vaihtoehto
ja nykyisin käytettävien menetelmien tilalle.
Työn alussa tarkastellaan kireysmittauksia paperinvalmis
tus®11 kannalta. Samalla selostetaan kireysmittausten sijoittamista eri puolille konetta ja selvitetään niiden tehtäviä kyseisessä ympäristössä.
Kireysmittausten kohteena olevan paperiradan ominaisuuk
sia ja käyttäytymistä on tutkittu melko laajasti, jotta eri mittausmenetelmien käyttökelpoisuutta pystytään arvi
oimaan myös paperiteknisestä näkökulmasta.
Eri mittausmenetelmien soveltuvuuden tarkastelussa käyte
tään hyväksi omilla koneilla saatuja kokemuksia ja muual
la suoritettujen koeajojen raportteja. Mittausmenetelmien vertailussa perustellaan profiloivien ja keskiarvo!stavi- en mittausten eroja ja niiden soveltuvuutta kireyden hal
lintaan.
Nykyisten kireysmittausten toiminta on todettu hyvin epä
varmaksi ja työssä on pyritty löytämään syitä virheisiin yhdistämällä useista eri lähteistä kerättyjä tietoja.
Virheiden hakeminen alkaa määrittelyillä ja ne jaetaan eri luokkiin. Varsinaisia syitä etsitään mittauskohtees- ta, ympäristöstä ja itse mittalaitteista.
Virhelähteiden tunnistamisen jälkeen mittauksia on pyrit
ty parantamaan. Parannusten vaikutusten arvioinnin jäl
keen määritellään hyvän kireysmittauksen kriteerit. Pe
rinteisellä mittausmenetelmällä päästään haluttuihin tu
loksiin kaikkien osatekijöiden ollessa kunnossa. Kriitti
sin tekijä koko mittauksessa on käytettävä anturi ja sen herkkyys ulkoisille voimille. Lopputuloksena esitetään eräs perinteiseen mittausmenetelmään perustuva ratkaisu
ani, jossa käytetään uudentyyppistä anturia. Kyseisen mittauksen toimivuus todettiin myös käytännössä.
Hakusanat: Kireysmittaus, kireyden säätö, paperin jänni
tys, paperin kuivatus, voima-anturit
ABSTRACT OF M.SC. THESIS Author and name of the thesis:
Harri Rasehorn
Development of Web Tension Measurements on Paper Machine for Roll Control
Date: Jan 31, 1991 Number of pages: 104 Department :
Electrical Engineering
Professorship :
Automation Technology Supervisor: Aarne Halme
Instructor: Olli Sarkkinen, Valmet Paper Machinery Inc.
The objective of the study was to provide an idea of the factors affecting web tension measurement and to search alternatives for currently employed methods.
The study starts with an analysis of tension measurements from papermaking point of view. The section also shows how tension measurements are located on the machine and gives their tasks in the environment concerned.
Properties and behavior of the web whose tension is measured have been studied rather widely to make it possible to evaluate the practicability of the different measuring methods also from paper-technical point of view.
In the evaluation of the applicability of different measuring methods, experiences obtained on Valmet paper machines and reports of trial runs performed elsewhere were utilized. The comparison of measuring methods gives grounds for the differences of profiling and average-producing measurements and for their applicability in web tension control.
The operation of current tension measurements has turned out to be very unreliable. The study seeks to identify thereasons of measuring faults by combining information gathered from several different sources. The searching of faults always begins with definitions, which in turn are divided into different classes.
Actual causes are searched in the target of measurement, environment and in the measuring device concerned.
After identification of the above fault sources, attempts have been made to improve the measurements. After evaluation of the effects of these improvements, the study establishes the criteria of a good tension measurement. The traditional measuring system gives the desired results when all factors affecting the process are in order. The most critical factor in the entire measurement is the load cell used and its sensitivity to external forces. The final result presents a solution model based on the application of a traditional method, where a load cell of new design is employed. The practicability of this measuring system was verified also in practice.
Keywords : Tension measurement, tension adjustment, web tension, sheet drying, load cells
Tämä diplomityö on tehty Valmet Paperikoneet Oy:n Raut
pohjan tehtaan automaatio-osaston tuotekehitysryhmässä.
Työn tarkastajalle professori Aarne Halmeelle esitän par
haat kiitokseni. Lisäksi kiitän työni ohjaajana toiminutta Olli Sarkkista saamastani ohjauksesta sekä kaikkia tuote
kehitys-, sähkö- ja järjestelmäryhmien jäseniä, jotka ovat neuvoin avustaneet työni valmistumista. Erityisesti haluan kiittää Kari Pellistä joustavasta yhteistyöstä ja saamas
tani asiantuntevasta tuesta.
Jyväskylässä 31.1.1991
Harri Rasehorn
1. JOHDANTO... 1
2. PAPERIKONEESTA JA SEN OHJAUKSEEN TARVITTAVISTA KIREYS- MITTAUKSISTA ... 3
2.1 Paperin valmistus paperikoneella ... 3
2.2 Paperikoneen rakenteelliset ominaisuudet ... 6
2.3 Kireystason mittaaminen ... 7
2.4 Kireysprofiilin mittaaminen ... g 2.5 Kireyden säätäminen ... g 2.5.1 Suora säätö... ... 2.5.2 Epäsuora säätö...13
2.6 Ajettavuus ja käyttöaste... 13
2.7 Laatutekijät... ... 3. KIREYSVOIMIEN VAIKUTUS PAPERIN OMINAISUUKSIIN JA SEN VALMISTUKSEEN ... 17
3.1 Kireys paperinvalmistuksessa ... 17
3.2 Paperin mekaaniset ominaisuudet ... 19
3.3 Paperin ominaisuuksiin vaikuttaminen ... 26
3.4 Pohjan muodostus viiraosalla ... 27
3.5 Paperirainan käsittely ... 28
3.5.1 Puristinosa...28
3.5.2 Kuivatusosa...29
3.5.3 Kalanteri... ... 3.5.4 Rullain... ... 3.6 Paperin jatkokäsittely ... 31
4. PAPERIKONEEN RAKENTEELLE ASETETTAVAT VAATIMUKSET ... 33
4.1 Ajettavuuden merkitys paperikoneen suunnittelussa 33 4.2 Viirat ja huovat... ... 4.3 Telat... 30
4.3.1 Materiaalit... ... 4.3.2 Laakerointi... ... 4.3.3 Sijoitus... ... 4.4 Säädön tarkkuus ja stabiilisuus ... 39
4.5 Paperikoneen runko ... 40
5.1 Mittausmenetelmien luokittelu ... 42
5.2 Viiraosa... ... 5.3 Puristinosa... ... 5.4 Kuivatusosa... ... 5.5 Paperinkäsittelyosat ... 45
5.5.1 Kalenteri... ... 5.5.2 Liimapuristin... ... 5.5.3 Päällystysasema... 47
5.6 Pituusleikkuri... ... 5.7 Rullain... ... 6. KIREYDEN MITTAAMISESSA KÄYTETTÄVÄT ANTURIT JA MITTA LAITTEET ... ... 6.1 Antureiden luokittelu ... 49
6.2 Jännitystason mittaaminen ... 49
6.2.1 Voima-anturit... 6.2.2 Hydraulipaineen mittaus ... 58
6.3 Kireysprofiilin mittaaminen ... 58
6.3.1 Ääniaaltoihin perustuva mittaus ... 59
6.3.2 Pätkätelalla mittaaminen ... 60
6.4 Vahvistimet ja mittaustiedon välittäminen .... 61
6.5 Olosuhteiden asettamat vaatimukset ... 62
7. VIRHELÄHTEET... 63
7.1 Virheiden luokittelu ... 63
7.2 Virhetyypit... ... 7.3 Fysikaaliset tekijät ... 67
7.4 Ympäristötekijät ... 71
7.5 Laitekohtaiset virhelähteet ... 72
7.5.1 Voima-anturit... 7.5.2 Hydraulipaineen mittaus ... 77
7.5.3 Ääniaaltoihin perustuva mittaus ... 77
7.6 Kalibrointitarkkuus ja -olosuhteet ... 78
7•7 Mittausmenetelmästä aiheutuva virhe ... 79
7.8 Voimansiirrosta aiheutuva virhe ... 80
7.9 Paperiradan aiheuttama virhe ... 80
8.1 Paperiradan kireysmittauksen määrittely ... 83
8.2 Mittausmenetelmän valinta ... 84
8.3 Mit taus suunta... 86
8.4 Lämpötilamuutosten kompensointi ... 87
8.5 Ympäristön olosuhteilta suojaaminen ... 89
8.6 Mittaussignaalin sähköinen korjaaminen ... 90
8.7 Tärinä ja ylikuormat... ... 8.8 Asennusvirheet... g2 8.9 Telojen massan pienentäminen ... 92
8.10 Virittäminen... 93
8.11 Uusi mittaus liimapuristimelle... 94
9. TULOSTEN ARVIOINTIA ... 98
9.1 Parannusten vaikutukset ... 98
9.2 Tulosten luotettavuus ... gg 9.3 Kehittämismahdollisuudet ... 100
10. YHTEENVETO... ...
LÄHDELUETTELO
LIITTEET
1. JOHDANTO
Diplomityön tavoitteena on muodostaa selkeä kuva kireysmit- tauksiin liittyvistä tekijöistä paperikoneella sekä kireyden mittaamiseen soveltuvista mittausperiaatteista. Tarkoituksena on perehtyä mittausten käyttökelpoisuuteen ja havaittujen virheiden korjaamiseen nykyisillä tai uusilla menetelmillä.
Työssä keskitytään ainoastaan paperiradan kireyden mittaami
seen paperikoneella. Viiran kireyden mittaaminen on luonteel
taan erilaista ja sen hyvyyskriteerit ovat toiset kuin paperi- mittauksessa. Rullaimella ja muilla jälkikäsittelyyn liittyvillä koneilla kireyden mittaamisen kanssa ei ole ollut samoja ongelmia kuin paperikoneella ja olosuhteet niillä ovat huomattavasti paperikoneympäristöä helpommat.
Aikaisemmin paperikoneen ajossa riitti pelkkä suureeton tieto radan kireydestä, koska mittauksen avulla pyrittiin vain varmistamaan tasainen ajettavuus. Nykyään halutaan tietää radan kireyden absoluuttinen arvo ja lisäksi estää sen vaihte
lut yli sallittujen toleranssien. Radan kireyden säädöllä pystytään vaikuttamaan paperin laatuun ja sen ominaisuuksiin /8/.
Eräs tavoite uusien paperikoneiden suunnittelussa on niiden kapasiteetin nosto. Koska leveyden lisääminen nykyisestä lisäisi kustannuksia huomattavasti ja asettaisi koneen raken
teelle kovat vaatimukset, täytyy tuotantomäärän nousta lähinnä nopeutta kasvattamalla. Nopeuden kasvaessa prosessin ohjaami
nen vaatii entistä nopeampaa ja luotettavampaa tietoa koneen toiminnasta ja paperin ominaisuuksista. Tasainen laatu edel
lyttää prosessisuureiden tuntemusta ja niiden hallintaa.
Säätötoimenpiteitä automatisoimalla pystytään koneen ajetta
vuutta ja luotettavuutta parantamaan vain joiltakin osin.
Paperikoneen käyttäjän näkökulmasta tavoitteena on paperinval
mistuksen muokkaaminen käyttäjäystävällisempään suuntaan /16/.
Aiheen käsittely on jakautunut selvästi kolmeen eri alueeseen.
Ensin tutkitaan paperin ominaisuuksia ja paperikoneelle ase
tettavia vaatimuksia tuotteen näkökulmasta. Tarkoituksena on tutustua paperin ominaisuuksiin ja sen valmistukseen vaikutta
viin tekijöihin. Tunnettaessa kireyteen vaikuttavat osatekijät voidaan kireysmittauksen määrittely suorittaa laajemmasta näkökulmasta. Sen jälkeen tarkastellaan eri mittausmenetelmiä ja arvioidaan niiden soveltuvuutta kireyden mittaamiseen.
Viimeisenä perehdytään virhelähteisiin ja esitetään keinoja kireysmittauksen parantamiseksi nykyisin käytössä olevalla tekniikalla.
Valmistusprosessin tarkastelussa ja mittausperiaatteiden tutkimisessa on käytetty paljon kirjallisuuslähteitä. Nykyis
ten menetelmien arvioinnissa on tutustuttu käytössä oleviin laitteisiin koneympäristössä, sekä tutkittu muualla tehtyjä havaintoja raporttien pohjalta. Anturien vertailu suoritettiin osittain laboratorio-olosuhteissa, mutta pääosin eri koneilla saatuja käyttökokemuksia vertailemalla. Lämpötilasta aiheutu- virhetekijöitä tutkittiin simuloimalla kiertoilmauunilla huuvassa tapahtuvia nopeita lämpötilamuutoksia avaamalla etuluukkua ja aiheuttamalla ympäristön lämpötilaan nopeita muutoksia. Osa vertailutuloksista saatiin valmiina laitetoi
mittajilta, jolloin omia kokeita ei ollut tarpeellista suorit
taa. Uuden kireysmittauksen rakentamisen yhteydessä oli mah- dollista tutkia mittaustuloksia ennen ja jälkeen parannuksia, joten siitä saatiin erittäin arvokasta tietoa mittauksiin vaikuttavista häiriötekijöistä myös muilla paperikoneilla.
2. PAPERIKONEESTA JA SEN OHJAUKSEEN TARVITTAVISTA KIREYSMIT- TAUKSISTA
2.1 Paperin valmistus paperikoneella
Paperikoneiden nopeudet ovat lähteneet nopeaan kasvuun 1980- luvulla. Kun nopeudet 10 vuotta sitten olivat vielä 650-900 m/min, ovat ne nyt luokkaa 1100-1400 m/min (kuva 1) /19/.
Maksimaalinen ajonopeus Çm/mln}
Sanoma lent i - 1*400
paperikone Aikakauslehti- paper I kone 1200
Mlenopaperi-
1000
800
600
*400
1900 1920 19*40 1960 1980 2000
Kuva 1. Paperikoneen nopeuden kehittyminen /19/.
Nopeuden noustessa hyvän kireyssäädön merkitys kasvaa entistä suuremmaksi. Aikaa havaita muutoksia on vähemmän ja vasteajan on oltava mahdollisimman lyhyt. Jollei mittaus ja säätö ole jatkuvaa, on näytteenottotaajuuden oltava entistä suurempi.
Uusilta säätöjärjestelmiltä vaaditaan myös, että ne säilyttä
vät asetetun kireyden 1 %:n tarkkuudella /3/.
Paperin ominaisuudet riippuvat sen rakenteesta ja kosteudesta.
Koska märkä paperi venyy helpommin kuin kuiva, aiheuttaa pieni nopeusero suuremman kireyden kuivassa kuin märässä päässä.
Toisaalta paperin venyminen mukauttaa sen kulloisiinkin olo
suhteisiin sitä helpommin mitä elastisempaa se on. Kuiva paperi joustaa hyvin vähän, mutta se kestää vetoa paremmin kuin märkä. Kireyssäädölle asetettavat vaatimukset ovat siten erilaiset paperikoneen eri osissa. Keskimääräinen paperiradan
pituus kahden katkon välillä lyhenee kuivassa päässä eksponen
tiaalisesti paperiradan kireyden funktiona /28/.
Mikäli paperin annettaisiin kulkea vapaasti ilman ulkoisia jännityksiä koko paperikoneen läpi, kutistuisi se viiraosalta rullalle kulkiessaan 1.5-11.0 % paperilaadusta riippuen. Tämän estämiseksi joudutaan paperirataa jännittämään ulkoisella kuormituksella. Tarvittava kireys riippuu valmistettavalta paperilta vaadittavista ominaisuuksista /18/.
Jokaiselle paperilaadulle asetetaan erilaiset vaatimukset ominaisuuksien suhteen. Eräs ominaisuuksiin vaikuttava tekijä on kuivatuksen aikainen rainan kireys, joka riippuu paperilaa
dusta, neliömassasta ja ajonopeudesta. Yleisesti käytetyt kuivan pään ajokireydet tavallisimmille paperilaaduille on esitetty kaaviossa 1.
Kone Ratak ireys p N/ rrQ
Paper ikone
- sanoma 1 e hti - SC
- L WC
550-800 300-11□□
600-700
Ru 1 lain Б00-300
Superkalanteri 500-600
Kaavio 1. Paperiradan ajokireydet eri koneilla.
Jopa tasalaatuinen märkä paperi katkeaa välittömästi tai heti seuraavassa avoimessa välissä, jos sitä jännitetään liikaa.
Paperirainan vahvuus tai sitkeys ei muuta merkittävästi kahden peräkkäisen koneenosan välistä nopeuseroa. Venymä on siis riippumaton muuttuja, jota paperinvalmistaja yleensä säätää, mutta johon myös telojen käytön epätarkkuus vaikuttaa. Paperi- radan jännitys puolestaan on riippuva muuttuja, joka kytkeytyy venymään rainan jännitys-venymä -ominaisuuksien kautta. Ilma
virrat ja muut ulkopuoliset voimat voivat joissakin tapauksis-
sa vaikuttaa paperirainan jännitykseen. Jos avointa väliä ei ole asetettu säilyttämään tarkkaa kireyttä radassa, ei vakaata tilaa ehkä saavuteta lainkaan /28/.
Asiakkaiden tavoitteena on saavuttaa paperin valmistuksessa korkeampi laatu, suurempi tuotantoteho ja hyvä toimintavar
muus. Kaikkiin edellä esitettyihin tavoitteisiin liittyy paperin kireyden tarkka ajonaikainen hallinta /16/.
Paperikoneella mitataan ratakireyden lisäksi monia muitakin tärkeitä muuttujia. Halutun suureen mittaamisessa käytettäviin menetelmiin ja sen säätömahdollisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ovat /29/
1. Syy-seuraus -suhde
- paperin laatuun vaikuttavien muuttujien ja prosessisuu- reiden välillä tulee olla selvä korrelaatio
2. Säätösilmukan tekijät
- elementtien saatavuus ja olemassaolo - säätösilmukan viive
3. Anturin ominaisuudet - tarkkuus
- luotettavuus
- kalibroinnin mahdollisuus ja stabiilisuus - viiveaika/resoluutio vakio
- paikallinen mittaustarkkuus
Kireyden vaihtelut leveillä sanomalehtipaperikoneilla ovat suuria johtuen puutteellisesta kireyssäädöstä ja leveistä teloista. Kireysprofiilin vaihtelut radan leveyssuunnassa aiheuttavat momenttimuutoksia antureille ja voiman epätasaista jakautumista. Mittauksen suunnittelussa on huomioitava nämä häiriötekijät ja pyrittävä valmistamaan siitä mahdollisimman neutraali eri häiriöille /29/.
2.2 Paperikoneen rakenteelliset ominaisuudet
Huuvan sisällä lämpötila voi nousta märässä päässä 85°C:een ja kuivassa päässä 110°C:een, joten siellä käytettäville lait- teille asetetaan lämpötilansiedon suhteen kovat vaatimukset.
Huuvan reunoilla sijaitsevat aukot aiheuttavat ilman virtausta sisään ja ulos. Koska ilman ulostulolämpötila joissakin koh
dissa saattaa olla jopa 70-80°C, joutuvat huuvan välittömässä läheisyydessäkin sijaitsevat laitteet kuumuudelle alttiiksi.
Ovien avaaminen ratakatkojen aikana aiheuttaa huuvan sisällä suuria ja nopeita ympäristön lämpötilamuutoksia. Tämä puoles
taan aiheuttaa mittalaitteille vaatimuksia dynaamisen lämpöti
lansiedon suhteen.
Paperikoneella käytettävät syövyttävät aineet rajoittavat mahdolliset valmistusmateriaalit viiraosalla ja liimapuristi- mella hyvin vähiin. Parhaisiin tuloksiin päästäisiin ruostu
mattomasta tai haponkestävästä teräksestä valmistetuilla mittalaitteilla, mutta niitä ei aina ole saatavilla tai ne eivät sovellu käytettäväksi kyseiseen tarkoitukseen.
Telojen tasainen pyöriminen on tavoitteena suunnittelun ja valmistuksen joka vaiheessa. Laakereiden ja koneistuksen laatuvaihteluiden takia jotkin telat saattavat kuitenkin pyöriä hyvinkin epätasaisesti ja täristen. Herkkiä mittalait
teita käytettäessä pienetkin värinät näkyvät mittaustuloksessa häiriöinä.
Nykyaikaisissa paperikoneissa telojen pyörimisnopeutta ohja
taan tietokoneella nopeuseroja säätämällä. Monimoottorikäytös- sä viiran nopeus pidetään vakiona ja muita käyttöjä säädetään suhteessa siihen sekä kyseistä käyttöä edeltävään ryhmään.
Paperikoneen nopeus määräytyy siis viiran mukaan ja muiden ryhmien nopeus riippuu asetusarvoista ja korjaavista säätötoi
menpiteistä. Muutettaessa nopeuksia alkupäässä muuttuvat nopeudet myös loppupäässä. Eräällä sanomalehtipaperikoneella ensimmäisen kuivatusryhmän nopeuden ollessa 1289.4 m/min kalanterin nopeus oli 1307.7 m/min. Eroa kuivatusosan päissä oli siis 18.3 m/min, eli 1.4%.
2.3 Kireystason mittaaminen
Ratakireys käsitetään paperiradan konesuuntaisena vetojänni- tyksenä, joka aiheutuu käyttöryhmien välisistä nopeuseroista ja paperin kuivuessa tapahtuvasta kutistumisesta. Paperia valmistettaessa rainaa jännitetään pyrittäessä vaikuttamaan valmiin paperin ominaisuuksiin ja haluttaessa pitää koneen ajettavuus hyvänä.
Paperiradan kireyden mittaaminen suoraan paperiradasta ajon aikana ei ole nykytekniikalla mahdollista. Siksi on jouduttu keksimään erilaisia ratkaisumalleja kireyden mittaamiseksi epäsuorasti paperirataan kohdistuvista voimista tai sen rea
goinnista ulkoiseen herätteeseen. Eräs keino mitata paperira
dan kireyttä on muodostaa rataan poikkeama kuvan 2 mukaisesti ja mitata ratakireydestä T telaan kohdistuvien voimakomponent- tien resultantti F.
ME = M ittauseIementt¡
F = Mitattava vof maKomponenttI v = Paperiradan nopeus
T = Paperirataan kohdistuva jännitys hvtvi = Mittausmuunni n
E = Ulkopuoiinen jännitelähde MT = Mittaustieto
S = Saato
D = Jannitystason osoitin
Kuva 2. Radan kireyden mittaaminen voimakomponentin avulla.
Paperiradan kireyden pystyy parhaiten määrittelemään siihen kohdistuvana vetovoimana, joka ilmaistaan yleensä kokonaisvoi- mana tai voimana per pituusyksikkö. Sopivin ajokireys riippuu käytettävästä materiaalista, prosessista ja valmistuksen jälkeisistä tapahtumista, eli jälkikäsittelystä, kuljetukses
ta, varastoinnista ja käyttötarkoituksesta /15/.
Ohuilla painopapereilla (40-60 g/m2) ajokireys kuivassa päässä on n. 300 N/m. Puristinosan jälkeen paperin lujuus ei vielä ole kovin hyvä ja kireys pidetään hyvin pienenä ratakatkojen välttämiseksi, vaikka rataa jonkin verran jännitetäänkin. Kun paperi etenee kuivatusosalla, sen lujuusominaisuudet paranevat
ja sitä voidaan ruveta kiristämään. Ensimmäisten välien n. 50 N/m.n kireys nostetaan siten vähitellen lopulliseen arvoonsa.
Perinteinen ratakireyden mittaus perustuu rainan telaan koh
distaman voiman mittaamiseen. Tällä tavalla saadaan laskemalla selville radan kokonaiskireys ja keskiarvokireys koko telan leveydeltä. Menetelmä on todettu hyväksi radan kokonaiskirey- den hallintaan ja ajon jatkuvuuden varmistamiseen.
2.4 Kireysprofiilin mittaaminen
Mitattaessa ratajännitystä eri pisteistä radan poikkisuunnassa puhutaan rainan kireysprofiilista. Sen avulla saadaan selville radan kireyden vaihtelut koneen leveyssuunnassa. Jatkuva iilin seuranta auttaa tarkkailemaan paperinvalmis
tuksessa syntyviä jaksoittaisia häiriöitä ja sivuttaissuunnas- sa tapahtuvia muutoksia. Nykyisin käytettävän mittausmenetel
män heikkous onkin juuri siinä, että vaikka konesuunnassa mitattava jännitystaso olisikin tasainen, profiilissa saattaa tapahtua suuriakin paperin laatuun vaikuttavia muutoksia /14/.
Kireyden mittaamista hankaloittaa sen riippuvuus monista muista tekijöistä. Kosteus, neliömassa, nopeus, formaatio, lisäaineet ja kimmokerroin vaikuttavat kaikki omalta osaltaan sy^^yvään kireyteen. Näistä kaikki muut paitsi nopeus voivat vaihdella sekä kone- että poikkisuunnassa. Kimmokertoimen voidaan olettaa pienenevän rullan reunoilta keskelle riippu
matta rullaustavasta tai varastoinnista. Poikittaissuuntainen vaihtelu saattaa ylittää 15 % ja pituussuunnassakin jotkut paperinvalmistajat ovat laskeneet jopa yli 10 %:n vaihteluja /25/.
Poikkisuuntainen profiili on ongelma kaikilla paperityypeillä ja sen hallinta tarjoaisi mahdollisuuden parantaa asiakasrul- lien tasaisuutta. Löysä kohta asiakasrullan keskellä saattaa esimerkiksi sanomalehteä painettaessa aiheuttaa vekkejä.
Toiselta reunalta löysä rulla aiheuttaa painokoneella ajetta
essa rauhattomuutta ja lepatusta, jolloin painojäljen taso riippuu paljon painokoneen tasosta.
Nykyisin käytettävillä menetelmillä kireysprofiilin hallinta on hyvin rajallista. Vaikka joitakin suureita voitaisiin hieman korjata, ei esimerkiksi kosteuden ja kireyden ristik- käisvaikutuksia pystytä vielä hallitsemaan. Tästä johtuen profiilimittauksesta saatavaa tietoa ei pystyttäisi ajon aikana paljoakaan hyödyntämään.
2.5 Kireyden säätäminen
Kireyden säätäminen paperikoneella on ajettavuuden kannalta tärkein käyttöihin liittyvä tekijä. Rata saattaa katketa, jos sitä jännitetään liian paljon, mutta myös liian pieni kireys voi aiheuttaa ratakatkon. Syynä on syntyvä epästabiilisuus, jolloin pienetkin herätteet aiheuttavat vahvistuessaan kriit
tisiä häiriöitä /28/.
Perussäätö on nopeuden säätö, jossa kohteen nopeus mitataan tavallisesti pyörimisnopeutena takometrillä. Monimoottori- käytöillä perusryhmänä on viira, jonka nopeus pyritään pitä
mään vakiona. Tietokoneohjauksessa tuotannon optimointi voi vaatia myös käyntinopeuden säätöä.
Paperikoneen käytön säätöjärjestelmillä ohjataan telojen pyörimisnopeuksia niihin syötettävällä virralla. Paperikone on jaettu käyttöteknisesti ryhmiin, joiden nopeutta toisiinsa nähden on voitava tietyissä rajoissa säätää. Paperikoneessa ryhmien välinen radan kireys hoidetaan ryhmien keskinäistä nopeuseroa säätämällä. Monimoottorikäytössä määrättyä ryhmien välistä nopeuseroa säädettäessä muuttuvat jäljempänä olevien ryhmien nopeudet niin, että ryhmien väliset suhteelliset nopeuserot pysyvät muuttumattomina. Täten tarvitsee säätää vain yhtä ryhmäväliä kerrallaan.
Hitailla, paksuja papereita ajavilla koneilla nopeuden vaihte
lu ei johda ratakatkoon yhtä helposti kuin nopeilla, joilla säätötarkkuuden vaatimukset ovat tiukemmat. Nopeuden säädön tarkkuudeksi vaaditaan 0.05-0.10 % koneen suurimmasta nopeu
desta /18,s.834/.
Nopeuden säädöltä vaadittava tarkkuus riippuu siitä, kuinka suuria kireysvaihteluja rataan sallitaan. Kahden perättäisen ryhmän nopeuseron muutos näkyy staattisessa tilassa radan venymän muutoksena. Kuivassa paperiradassa syntyvä kireyden muutos on suurempi kuin kosteassa samalla nopeuseron muutok
sella. Täysi ratakireys saavutetaan yleensä hyvin pienillä nopeuden muutoksilla. Paperilaadusta riippuen jopa 0.02-0.03 % muutokset riittävät radan kiristämiseen /18/. Päällystysko- neilla onkin radan hallitsemiseksi käytettävä nopeussäädön lisäksi kireyden säätöä. Vaikeimmat kireydensäätöongelmat syntyvät erittäin pieniä kireyksiä käytettäessä.
Nopeussäädön dynaamisella tarkkuudella tarkoitetaan ryhmän nopeuspoikkeaman suuruuden ja kestoajan tuloa esimerkiksi äkillisen kuormitusmuutoksen aiheuttamassa nopeusheilahdukses- sa (kuva 3).
/ / / / / / / A
/ / /
•n Staattinen tarkkuus = "r£ -100 %
Dynaaminen tarkkuus = | ~г ~1 1 | Ю0 % s
missa i\ = nimellisnopeus
nt = kayttoryhma l:n nopeus n, = kayttoryhma 2 :n nopeus t = aika
s = paperin pituus
Kuva 3. Säädön dynaamisen tarkkuuden määrittely /18/.
Säätötarkkuutta määriteltäessä nopeusheilahduksen suuruutta verrataan nimellisnopeuteen. Ajettaessa nimellisnopeutta pienemmällä nopeudella nopeusheilahduksen absoluuttinen arvo pysyy samana, mutta suhteellinen arvo vastaavasti kasvaa.
Paperikoneen nopeuseroille vaadittava dynaaminen säätötarkkuus on suuruusluokkaa 0.1 % * sekunti. Nopeudella v = 10 m/s 0.1
%:n nopeusheilahdus 1 sekunnin ajan vastaa 1 cm paperiradan pituudessa.
Kireyssäädön ja virtasäädön absoluuttiselle tarkkuudelle ei telojen ja kuivatusryhmien käytössä tarvitse asettaa turhan kovia vaatimuksia. Muutaman prosentin vaihtelu ratakireydessä tuskin näkyisi paperin laadussa, mutta tasaisen rullan valmis
taminen vaatii kuitenkin mahdollisimman pienet virherajat.
Jatkuvuustilassa radan venymä e ryhmien välillä on /18/
missä vx = edellisen ryhmän nopeus v2 = jälkimmäisen ryhmän nopeus
€ = radan suhteellinen venymä
Jos toisen ryhmän nopeus muuttuu määrällä dv, muuttuu venymä eksponentiaalisesti kohti uutta arvoaan /18/
dv -vt/l
de = v ( 1 - e ) (2.2)
missä 1 = ryhmien välisen radan pituus
Yhtälöstä nähdään, että käyttöjen nopeudensäädön on korjattava nopeus ennalleen sitä nopeammin, mitä suurempi on nopeus v tai mitä pienempi on ryhmäväli 1. Nopeusero ei saa kasvaa niin suureksi, että rata katkeaa tai radassa tapahtuu paperin ominaisuuksia huonontavia pysyviä muodonmuutoksia, eikä niin pieneksi, että paperin riippuma johtaa ratakatkoon.
Paperikoneen telojen nopeussäädössä minimi säätöväli käytän
nössä on 0.1 sek. Vasteajat säätösuureille ovat kuitenkin 1-2 sekuntia johtuen telojen ja roottoreiden hitaudesta. Säätö ei siis voi olla sitä nopeampi.
Ryhmien välisen radan kireyttä säädettäessä kiristysvoimaa mittavien anturien avulla päästään radan vienti hallitsemaan myös muutostilanteissa, joissa rata vakionopeuseroilla pyrkii joko löystymään tai kiristymään. Tällaisia tilanteita esiintyy mm. päänviennissä, radan kostutuksessa, kuivatustehon muutok
sissa ja lajinvaihdossa. Koneen nopeus on myös eräs paperin neliömassaan vaikuttavista suureista. Käytännössä kuitenkin muut tekijät määräävät neliömassavaihtelun.
Kuivassa päässä voidaan ryhmävälin säädössä käyttää myös virtasäätöä, jolla ryhmän käyttömoottorin vääntömomentti pidetään vakiona ja annetaan nopeuden vaihdella radan venymi
sen mukaan. Pope-rullaimen käyttöä säädetään hyvin usein juuri tällä periaatteella. Kuormituksen muodostuessa pääasiassa radan jännityksestä pysyy ratakireys vakiona. Konerullan vaihdossa esiintyvät kuormitussysäykset aiheuttavat häiriöitä ratakireyteen. Tarvittaessa on tällöin siirryttävä nopeuden säätöön samoin kuin päänviennissäkin.
Kireysmittauksen tulosta käytetään paperikoneen käyttöjen ohjaukseen ja halutun kireystason säilyttämiseen. Koneen käyttöjärjestelmä saa mittaussignaalin suoraan vahvistimelta ilman suodatusta. Pulpetin osoittimelle tuleva signaali puo
lestaan suodatetaan ennen näyttöä.
Uusissa koneissa paperia käsitellään usein liimapuristimellä tai päällystysasemilla. Näissä tapauksissa paperi kastuu ja sen ominaisuudet muuttuvat. Märkä paperi venyy ja se ei kestä vetoa yhtä paljon kuin kuiva. Ratakatkojen välttämiseksi kireyssäädön on tällöin oltava ehdottoman luotettava. Varmin tapa säätää kireyttä tällaisissa paikoissa on mitata radan kireys ja käyttää siitä saatua tulosta takaisinkytkentänä moottorien ohjaukseen /18/.
Pituusleikkuri11a radan kireyden säädölle asetetaan kovat vaatimukset, koska koko rullaustapahtuma nojautuu ratakireyden vakiona pitämiseen. Kireyden muuttuessa kapeiden ratojen kulku leikkuuteriltä rullalle siirtyy herkästi sivusuunnassa, jol
loin rullan päihin tulee heittoa. Kireyden lyhytaikaisella vaihtelulla ei käytännössä ole suurta vaikutusta rullan ki
reyteen. Radan vekkautumista rullauksen alussa voidaan ohuilla papereilla korjata kireyden ohjearvoa muuttamalla. Kireyden säätö pituusleikkurilla tehdään usein adaptiiviseksi, jolloin säädön ominaisuuksia muutetaan konerullan halkaisijan funktio
na. Rullan ominaisuuksiin vaikuttavat merkittävästi myös rullaintelojen suhteellista pyörimistä ohjaava virtasäätö ja painotelan asetuksien muuttuminen rullauksen edetessä /18/.
2.5.1 Suora säätö
Suoralla säädöllä tarkoitetaan tässä tapauksessa paperiradan kireyden mittasignaalin käyttöä telojen ja sylinteriryhmien nopeuden säätämiseen. Ratakireydestä on siis suora takaisin
kytkentä paperikoneen käyttöjärjestelmään ja telojen sekä sylintereiden ohjaus perustuu mitattuun radan kireysarvoon.
Suoran mittauksen etu suhteessa epäsuoraan on, että kireyden laskennallinen määrittäminen on yleensä tarkempaa kuin johta
minen nopeuserosta tai käytettävästä tehosta. Kireyttä mitat
taessa haluttuun suureeseen summautuu kuitenkin monia ympäris
töstä aiheutuvia häiriöitä ja todellinen tulos vääristyy.
Absoluuttisen arvon määrittäminen vaatii prosessin hyvää tun
temusta ja laitteilta riittävää suorituskykyä.
2.5.2 Epäsuora säätö
Kireyden mittaaminen jokaisessa välissä ei ole mahdollista eikä myöskään tarpeellista. Jos kireyttä ei voida suoraan mitata, voidaan se laskea joko kahden telan välisestä nopeus- erosta tai syötetyn virran avulla niiden vääntömomenteista. On kuitenkin huomattava, etteivät jännitys ja kireys ole sama asia ja kireys voi vaihdella tasaisella jännityksellä jonkin verran riippuen radan paksuus- ja kosteusvaihtelusta.
Joissakin kohdissa paperikonetta epäsuora kireyden säätö on ainoa mahdollisuus, koska paperirata on vielä liian heikko suoraan mittaukseen tai tilan puute estää mittauksen kokonaan.
Paperikoneeseen sijoitetut kireyssäädöllä toimivat käyttöjen ohjaukset on aina varustettu myös mahdollisuudella säätää kireyttä nopeus- tai momenttierolla.
2.6 Ajettavuus ja käyttöaste
Ohuen ja märän 8-9 m leveän paperirainan ajo häiriöittä yli 20 m/s.n nopeuksilla paperikoneen läpi ei ole ongelmatonta.
^3in3n katkoalttiuden aiheuttama taloudellinen riski on myös melkoinen. Modernilla painopaperikoneella katkoaika maksaa noin 40000 mk/h /19/.
Ajettavuudella tarkoitetaan tuotantonopeuteen, tuotantokatkoi- hin ja valmistusmäärään vaikuttavia tekijöitä. Paperin raken
neominaisuuksista ajettavuuden kannalta tärkeimpiä ovat ne- liömassa, kosteus, paksuus sekä kuitujen orientaatio. Paperi
koneella näistä kolmea ensimmäistä mitataan radan poikkisuun- taan liikkuvilla antureilla /14/.
Neliömassan kasvattaminen parantaa yleensä paperiradan lujuut
ta. Ratakatko-ongelmat esiintyvätkin useammin ohuita papereita valmistavilla koneilla, joilla katkoalttius on paksua paperia valmistavia suurempi /14/.
Kostea paperi venyy kuivaa helpommin ja rata mukautuu jänni- tysvaihteluihin paremmin pienentäen alttiutta ratakatkoihin.
Liian suuri kosteuspitoisuus kuitenkin heikentää vetoindeksiä, joten kosteudella on tietty optimiarvo. Paperikoneen kuivassa päässä pienetkin jännityksen muutokset aiheuttavat kireyteen suuria heittoja. Kuiva paperi tosin kestää huomattavasti suurempia kireysvoimia kuin märkä /14/.
Nopean paperikoneen tehokkuuden määrää hyvin pitkälle parin ensimmäisen avoimen välin toiminnan tehokkuus. Avoimissa väleissä ajettavuuden kannalta kriittisimpiä tekijöitä ovat paperirainan sitkeys, jäykkyys, kuivuus ja venytys. Eräs paperirainan käyttäytymistä hyvin kuvaava suure on kokonaisra- takireyden suhde dynaamisten voimien aiheuttamaan kireystason huojuntaan /28/.
Ratajännitystason suhdetta ajettavuuteen on tutkittu Beloitil- pilot-mittakaavassa yksinkertaisella rullaime11a. Jännitys- tasoa mitattiin punnitsemalla voimakomponentit telan molemmis
ta päistä. Tutkimuksessa nostettiin rataj ännitystasoa radan katkeamiseen asti ja mittauksessa huomioitiin sekä staattinen, että dynaaminen jännitys. Tuloksena saatiin aineistosta muo
dostettu ajettavuuskäyrä eli katkojen etäisyys toisistaan ratajännityksen funktiona (kuva 4). Yllättävä tulos oli veto
lujuuden heikko korrelointi näin määritellyn ajettavuuden kanssa. Tämä selitettiin siten, että vetolujuus tutkitaan kapeista liuskoista ja ratajännitys koko radan leveydeltä.
Sellun lisäämisellä massan joukkoon todettiin olevan ajetta
vuutta huomattavasti parantava vaikutus /14/.
Katkojen välinen etäisyys Katkojen velinen etäisyys
100 r ui laa- 1•07 katkoa / 100 rullaa Ç1 pii}
5.32 katkoa / 100 rullaa Ç2 pii}
10 ru I laa
StaattI nen
10 12
Radan kireys CP*'J Radan kireys £pliJ
Kuva 4. Ratakireyden suhde ajettavuuteen /14/.
Kuivatusosan ajettavuuteen vaikutetaan käyttöryhmien koolla ja niiden välisillä nopeuseroilla. Liian pieni nopeusero aiheut
taa rainan lepattamista ja liian suuri puolestaan katkoja.
Huono kosteusprofiili synnyttää paperirainaan kireysvaihtelu- ja, jotka edelleen heikentävät rainan kulun hallintaa /16/.
2.7 Laatutekij ät
Asiakkaalle toimitettavien paperirullien tulisi olla mahdolli
simman tasalaatuisia ja virheettömiä. Laatu tarkoittaa tuot
teen sopivuutta asiakkaan käyttöön ja tuotteen virheettömyyt
tä. Painokoneella ajettavan paperin tulisi olla laadultaan niin hyvää, ettei siitä aiheudu tuotannon hidastumista tai painojäljen heikkenemistä.
Yleisiä paperin laatua heikentäviä tekijöitä paperikoneella ovat aaltoilu ja konerullan epätasaisuus. Aaltoilu näkyy valmiissa paperissa käyristymisinä ja epätasainen konerulla puolestaan aiheuttaa hankaluuksia pituusleikkurilla. Näiden molempien haittavaikutuksia pystytään vähentämään parantamalla kireyden hallintaa.
Eräs asiakasrullan ajettavuuteen vaikuttava osatekijä on sen tasaisuus. Mikäli rullausvaiheessa kireys on liian löysä tai
se vaihtelee yli sallittujen rajojen, muodostuu rullasta reunoiltaan epätasainen. Syynä voi olla ilman joutuminen paperikerrosten väliin ja paperin vaeltaminen rullausvaiheessa reunalta toiselle. Epätasaisesta konerullasta aiheutuu pituus- leikkurin ajoa vaikeuttavaa kireystason aaltoilua. Tasainen kireys rullausvaiheessa ja tasalaatuinen konerulla vaikuttavat siten merkittävästi asiakastyytyväisyyteen.
3. KIREYSVOIMIEN VAIKUTUS PAPERIN OMINAISUUKSIIN JA SEN VALMISTUKSEEN
3.1 Kireys paperinvalmistuksessa
Painopaperin tehtävä on toimia informaation alustana. Sille asetettavia vaatimuksia ovat hyvä painettavuus, miellyttävä ulkonäkö, riittävä lujuus ja symmetrisyys. Useimmiten tietylle paperilajille asetetut vaatimukset ovat keskenään ristiriitai
sia. Vaatimukset kuituverkoston ominaisuuksien hallinnalle siten erittäin kovia ja niiden täyttäminen edellyttää syvällistä paperin rakenteen ymmärtämistä ja pitkälle vietyä raaka-aineiden ja valmistustekniikan hallintaa.
Paperin venymä riippuu paitsi jännityksestä, myös ajonopeudes
ta. Painokoneella suoritetuista koeajoista (kuva 5) näkee kuinka pieni kireystason nosto aiheuttaa huomattavan lisäyksen venymään. Vaikka osa muutoksesta aiheutuukin paperin kimmoker- toimen muuttumisesta konesuunnassa, voi tuloksista erottaa myös kireyden muutoksesta aiheutuvan lisävenymän. Samassa koeajossa mitattiin myös radan venymää yhtäaikaisesti sekä keskeltä, että reunoilta. Eri kohtia keskenään vertailtaessa huomattiin jännitystason muuttuvan eri suhteessa reunalla ja keskellä /25/. Liitteessä 5 näkee nopeussäädöllä ajettaessa esiintyvän kireystason heilunnan. Vakionopeudella ajettaessa paperin venymä on aina sama ja kimmokertoimen muuttuessa myös kireys vaihtelee. Tasaiseen kireyteen pyrittäessä saadaan kireyssäädöllä huomattavasti tasaisempi konesuuntainen profii
li kuin nopeussäädöllä.
Ajon aikana paperiradan kokonaiskireys aiheutuu pääasiassa siihen kohdistuvista dynaamisista voimista sekä muista teki
jöistä, joita ovat mm. adheesiovoimat, ilmavirrat, keskipako
voima ja paperin massa. Adheesiosta johtuva paperirainan minimikireys lisääntyy lähes lineaarisesti koneen nopeuden mukana ja neliöjuuressa suhteessa irrotustyöhön. Suurilla nopeuksilla ( > 1000 m/min) dynaamisista voimista aiheutuva jännitys on suurempi kuin adheesiosta johtuva, ellei viimeksi
mainittua lisätä tarkoituksellisesti /28/.
Venymä
1.8"
1.6"
Kimmokerroin [kN/m] A
320"
Э00-;
280"
260"
200 +
Jännitys
Nopeus Ne Iiomassa
Rainan pituus Aika
510 m/min 45 g/m2
Kuva 5. Venymä, kimmokerroin ja jännitys rullaimella ajet
taessa /25/.
Ulkoisista voimista syntyvä paperiradan kokonaiskireys riippuu paperin neliömassasta, kosteudesta ja voima-venymä -käyrästä kaavan 3.1 mukaisesti /28/.
Tt = pWd•f(E) , missä (3.1)
p = suhteellisuuskerroin W = neliömassa
d = rainan kosteus
f(6) = voima-venymä -funktio
Nopeuden merkitys suhteessa kireyteen näkyy paperirainan ajettavuudessa. Kineettisen energian kasvaminen ja adheesio- voimien vaikutus lisäävät rainan kulun hallitsemiseen tarvit
tavaa työtä. Mitä suurempaa nopeutta ajetaan, sitä enemmän rataa tulee jännittää. Paperirainan irtoamiskulman telan pinnasta on siis oltava pienempi. Jos korkeataajuisia häiriöi
tä ei ole havaittavissa, voidaan rainaa ajaa myös suuremmilla irtoamiskulmilla. Paperiradan irtoamiskulma telan pinnasta esitetään kuvassa 6 /28/.
Korkea kireystaso
Kuva 6. Paperin irtoamiskulma telan pinnasta /28/.
Ajonopeuden noustessa ja neliömassan kasvaessa joudutaan kireystasoa nostamaan. Nopeuden lisäys kireystasoa nostamatta tuottaa löysempiä rullia, koska kasvatettu nopeus lyhentää läpimenoaikaa nipeissä ja kuljettaa rullaimella enemmän ilmaa paperikerrosten väliin. Paperin paksuuden kasvaessa sen me
kaaninen lujuus lisääntyy ja saman sisäisen jännityksen tuot
taminen kuin ohuemmilla paperilaaduilla vaatii suuremman kireyden.
3.2 Paperin mekaaniset ominaisuudet
Paperin oleellisin rakenne-elementti on kuiduista muodostuva osasia koossapitävä verkosto. Tämän verkoston ominaisuuksia pyritään ohjaamaan käyttötarkoituksen mukaan materiaalivalin
noilla sekä valmistusprosessin rakenteella ja olosuhteilla /19/.
Paperin mekaanisista ominaisuuksista tärkeimpiä ovat lujuus
ominaisuudet, kimmokerroin ja reologiset ominaisuudet. Taval
lisimpia lujuusmittauksia ovat veto-, repäisy-, puhkaisu- ja pintalujuus sekä jäykkyys.
Paperinvalmistuksen kannalta keskeisin suure on vetolujuus.
Paperikoneen ajettavuus ja ratakatkoherkkyys riippuvat paljol
ti juuri paperin kyvystä sietää ulkoista jännitystä. Sen tutkiminen tapahtuu yleensä laboratorio-olosuhteissa näytekap
paleiden avulla.
Paperin vetolujuus paranee hyvin nopeasti kuiva-ainepitoisuu
den kasvaessa 40 :stä 90 % :iin. Kriittinen kuiva-ainepitoisuus on n. 60 %:n paikkeilla, jonka yläpuolella lujuuden määrää pääasiassa kuitujen välinen sidosvoima. Myös repäisylujuus paranee kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa saavuttaen selvän huippuarvon n. 80 %:ssa. Niinpä painokoneilla saavutetaan sitä parempi ajettavuus, mitä kosteampaa paperi on käsittelyvai
heessa /16/.
Toinen tärkeä ominaisuus on paperin kimmokerroin. Hooken lain mukaan normaalivenymän 6 ja normaalijännityksen S välinen yhteys määritellään yhtälöllä /25/
S = Y*6 , missä Y = Youngin moduli (3.2)
Paperi on kuitenkin epähomogeeninen aine, jolle Hooken laki ei aina päde. Siksi paperirainaa tarkasteltaessa jännityksen ja venymän suhde onkin parempi määritellä kimmokertoimen E avulla /25/.
T = E*6 , missä (3.3)
T = ratajännitys [N/m]
E = paperin kimmokerroin [N/m]
€ = suhteellinen muodonmuutos [%]
Paperia jännitettäessä kimmokerroin määrää venymän suuruuden.
Tasaisella jännityksellä kireyden pysyessä vakiona radan venymä voi siis vaihdella kimmokertoimen muuttuessa (kuva 7).
Kimmokertoimeen vaikuttavia paperiteknisiä suureita ovat rainan kosteus, paikallinen neliömassa, kuituorientaatio sekä kuitujen ja täyteaineiden välinen suhde /14,25/.
Paperin Teologisilla ominaisuuksilla tarkoitetaan jännityksen ja venymän välistä suhdetta ja sen aikariippuvuutta. Kuvaan 8
Venymä
2 . O-
4 . B-
-1.6-
<1mmoxerroI n ЭБО
320 300 - 280 260 -
K i reys C N/ mj
330
500
450
-400
1 4 5 5 4 45 54
Ne i 1 omassa 5 4 a/ m * 1 2 3 4
1 54 45 -45 54 54 45 45 54
Ra I пап pituus 2000 m 500 500 4000 4000 500 500 500
20 20 ПО ПО
A
Kuva 7. Paperin venymän suhde kimmokertoimeen ia kireyteen /25/.
on piirretty neljä eri vaihetta paperin j ännitys-venymä - käyttäytymisessä /26/:
1. Jännityksen kasvaessa paperi venyy (A-D).
2. Paperia ei venytetä, jolloin kireys palaa nollaan jättäen paperiin kuitenkin venymän (D-C).
3. Venymä pienenee ajan myötä jännityksen pysyessä nollassa (C-B).
4. Uudelleenvenytyksessä paperi ensin venyy jännityksen kasvamatta paljoakaan (B-D/B'-D). Vähitellen arvot kuiten
kin kasvavat kohti ensimmäisessä venytyksessä saatuja arvoj a.
Paperi on viskoelastinen materiaali, jonka muodonmuutokset voidaan jakaa kuvan 8 mukaisesti seuraaviin komponentteihin :
£, = plastinen muodonmuutos
£v = v iskoeI astinen muodonmuutos
= elastinen muodonmuutos У, = palautumaton muodonmuutos Vv = v i i vee I i i ne n pa i autum i ne n Уе= välitön palautuminen
Kuva 8. Paperin Teologiaa kuvaava käyrä /26/.
£e - Elastinen osuus - kuidut oikenevat ja venyvät.
Palautuu välittömästi venytyksen loputtua.
ev = Viskoelastinen osuus - palautuminen ajan myötä.
Gp = Plastinen osuus - kuitujen ja sidosten katkeilua.
Muutos on palautumaton.
Plastinen muodonmuutos Ep määritellään kokonaisvenymän ja elastisen sekä viskoelastisen venymän summan erona.
Venytettäessä paperia uudelleen elastinen ja viskoelastinen palautuminen ovat lähes yhtä suuria kuin ensimmäiselläkin kerralla. Palautuminen on kuitenkin jonkin verran alkuperäistä hitaampaa. Jos paperia venytetään entistä enemmän, plastisen muodonmuutoksen suhteellinen osuus lisääntyy elastisen palau
tumisen vähentyessä /26/.
Venytyksestä palautumisen heikentyminen johtuu kahdesta teki
jästä /26/:
a) Kimmoisuus vähenee rakenne-elementtien rikkoutumisen ja keskinäisten sidosten repeämisen takia.
b) Venytetyt rakenne-elementit näyttävät säilyttävän saavute
tun tilan varastoidun sisäisen energian avulla.
Kimmokertoimen ja kosteuspitoisuuden suhde paperin pehmenemi
seen on hyvin selvää. Kimmokerroin ei riipu suhteellisesta kosteudesta, vaan veden todellisesta määrästä. Mikäli paperia pidetään pitkän aikaa pehmenemispistettä suuremmassa kosteu
dessa, aiheutuu siitä uudelleenkiteytymistä ja kimmokertoimen ja paperin kosteuden välisen suhteen muuttumista. Kemiallises
ti kosteuden vaikutus kimmokertoimen muuttumiseen perustuu vetysidosten hajoamiseen /24/.
Kosteuden ja lämpötilan vaikutus paperin Teologisiin ominai
suuksiin näkyy selvästi kuvasta 9. Kosteusprosentin kasvaessa kuitujen liikkuvuus lisääntyy, jolloin paperin kimmokerroin pienenee ja siitä tulee viskoelastisempi. Sama vaikutus on myös lämpötilan nousulla. Liiallinen kosteus on kuitenkin haitallista ja heikentää paperin lujuusominaisuuksia /14/.
Kosteuspi toisuus
-25 "C
1096 + 65 C
Venymä Q 96J
Kuva 9. Kosteuden ja lämpötilan vaikutus paperin jännitys/- venymä-käyriin /24/.
Voima-venymä -käyrän muoto on kaikille paperilaadulle erilai
nen ja riippuu paperiteknisten ominaisuuksien ja kosteuden lisäksi kuormitusnopeudesta /14/.
Kuituominaisuuksien ja sitoutumisasteen ohella arkin kuiva- tusolot vaikuttavat hyvin voimakkaasti sen voima-venymäominai- suuksiin. Jos arkki kuivatuksen aikana pääsee kutistumaan tai sitä pidetään jännitettynä tai venytetään, saadaan aikaan erilaisia voima-venymäkäyriä. Jännityksen alaisena kuivatettu paperi on jäykkä, sen kimmo-moduli on suuri eikä voima-venymä- käyrän kaltevuus muutu paljoakaan ennen murtopisteen saavutta
mista. Paperin voima-venymäominaisuudet eroavat toisistaan kone- ja poikkisuunnassa. Tämä johtuu osittain kuivatuksen aikana vallinneista j ännitysoloista ja osittain kuitujen konesuuntaisesta orientaatiosta. Murtovenymän ja kuivatuksen aikaisen kutistumisen välillä vallitsee selvä yhteys (kuva 10), joten kireydellä pystytään vaikuttamaan valmiin paperin ominaisuuksiin /17/.
Murto
venymä
Ku i v um i sk ut. i st uma £ 96J
Kuva 10. Kuivumiskutistuman vaikutus murtovenymään /17/.
Paperin kosteuden vaihtelusta aiheutuvat mittamuutokset aihe
uttavat monissa prosessin vaiheissa hankaluuksia. Päällystyk
sessä paperi absorboi paljon vettä päällystysseoksista. Käsit- jen suhteellisen kosteuden vaihtelut aiheuttavat myös kosteusmuutoksia paperissa. Mittamuutosten perimmäinen syy on kuidun turpoaminen tai kutistuminen kuiva-ainepitoisuuden muuttuessa. Akselin suuntaiset muodonmuutokset ovat hyvin paljon pienempiä kuin paksuussuuntaiset /16/. Mitä suurempi on ajonaikainen venytys, sitä pienempi on kosteuden aiheuttama mittamuutos /17/.
Kosteudesta aiheutuvien mittamuutosten rinnakkaisilmiö on paperin käyristyminen, joka on seurausta paksuussuuntäisistä
mittamuutoksista anisotrooppisessa aineessa. Kuitujen orien
toitumisen, massakoostumuksen sekä jännityserojen johdosta kosteuden aiheuttamat ylä- ja alapinnan mittamuutokset ovat erisuuruisia, jolloin paperi käyristyy akselinsa ympäri.
Kosteusvaihteluiden aiheuttamien mittamuutosten lisäksi pape
riin syntyy pysyviä muodonmuutoksia jalostusprosesseissa rainan jännityksen ylittäessä juoksurajan /17/.
Liitteessä 6 on esitetty paperin ominaisuuksia kuvaavia käy
riä. Kuvassa 1 on kuivan rainan murtovenymän riippuvuus kuivu- miskutistumasta ja venytyksestä. Siitä nähdään, että venytystä lisäämällä saadaan jäykempiä paperilaatuja. Kuva 2 esittää kuivan rainan vetolujuuden riippuvuutta venytyskohdan kuiva- ainepitoisuudesta. Venytys on kokeissa ollut vakio 1%. Käyrä I kuvaa rainaa, jonka kutistuminen on estetty ennen venytystä.
Käyrä II:n kutistuminen on ollut vapaata. Neliöllä merkityn rainan kutistuminen on estetty koko kuivatuksen ajan. Kutistu
misen estämisellä saadaan aikaan suurempia voimia kestävää paperia. Myös kimmokerroin on silloin suurempi (kuva 3, liite 6). Huomattavin ero vapaasti kuivuneen ja jännityksen alaisena kuivatetun paperin välillä syntyy murtovenymän suhteen (kuva 4). Mitä suurempi jännitys, sitä vähemmän paperi venyy ennen katkeamistaan.
VO I
Kult usegi
te L-i î tus I Ookset
Kuva 11. Paperin voima-venymä -käyrä tietokoneelle mallitet
tuna /19/.
Puukuitujen ja muun materiaalin muodostama epähomogeeninen verkostorakenne paperissa on äärimmäisen monimutkainen ja sen mallintamisessa ei ole päästy vielä kovin pitkälle. Kuvassa 11 on erään Cray-supertietokoneella suoritetun verkostosimuloin- nin tuloksena saatuja paperin voima-venymäkäyriä, joilla
kuvataan todellisen paperin erilaisia murtumismekanismeja.
Mallia pyritään kuitenkin kehittämään edelleen siten, että se huomioisi todellisessa paperissa olevat epähomogeenisuudet ja orientaatiovaihtelut /19/.
Kuvasta näkee jännityksestä aiheutuvan venymän riippuvan a"*"ussa yhtä paljon sekä kuitujen välisten sidosten joustami
sesta että kuitusegmenttien venymisestä. Ero syntyy vasta venyttävän voiman saavuttaessa tietyn raja-arvon, jolloin kuitusegmentit venähtävät ja sidoksetkin antavat jonkin verran periksi. Paperin katkeaminen tapahtuu kuitusidosten välisten voimien pettäessä.
3.3 Paperin ominaisuuksiin vaikuttaminen
Elastisen palautumisen suhde kokonaisvenymään on pienillä venymillä hyvin suuri alkaen kokonaispalautumisesta ja pienen
tyen venytyksen kasvaessa. Suuremmilla venymillä plastisen ja viskoelastisen palautumisen osuus kasvaa ja elastisen suhteel
linen osuus pienenee (kuva 12) /26/.
Ve nyma_
УKuva 12. Plastinen, elastinen ja viskoelastinen palautuminen venymän funktiona /26/.
Jos paperia pidetään tasaisen kuormituksen alaisena, venymä kasvaa eli paperi viruu, kunnes se lopulta katkeaa. Mikäli paperia aluksi venytetään, mutta pidetään sen jälkeen vakiopi- tuudessa, sen jännitys laukeaa (relaksaatio). Palautuminen
uudelleen venytettäessä on heikompaa kuin ensimmäisellä ker
taa. Kuivatusosalla paperirata pidetään tietyn jännityksen alaisena juuri kutistumisen estämiseksi ja jännitysten lau
kaisemiseksi .
Jännityksen alaisena kuivatetun paperin venymiskyky on pienem
pi kuin vapaasti kuivatun. Jännitettynä kuivattu paperi kestää hyvin tasaisia kuormia, mutta ottaa huonosti vastaan äkillisiä jännityksiä ja iskukuormia. Monisylinterikuivatuksessa käyte
tään sekä vapaata, että estettyä kuivatusta riippuen sylinte
rien ja ryhmien nopeuseroista. Lähes kaikkien paperilajien valmistuksessa käytetään hyväksi kuivumis-kutistumisella aikaansaatavia lujuus- ja venyvyyseroja /16/.
Bolzmannin superpositioperiaatteen mukaan kokonaismuodonmuutos on yksittäisten jännitysaskeleiden aiheuttamien muodonmuutos
ten summa. Virumis- ja relaksaatiofunktioiden avulla voitai
siin periaatteessa matemaattisesti määritellä muodonmuutos yksikköjännitysaskelta kohden sekä siirtymää vastaava jänni
tys. Missään tähänastisissa määrittelyissä ei kuitenkaan vielä olla onnistuttu tyydyttävästi /25/.
3.4 Pohjan muodostus viiraosalla
Paperikoneen tärkein osa on perälaatikon ja viiran muodostama kokonaisuus. Sen tehtävä on levittää massa mahdollisimman tasaisesti koko viiran leveydelle ja estää kuitujen kasaantu
minen ja flokkien syntyminen. Tasalaatuisen paperin vedenpois
ton tulee tapahtua tasaisesti eri kohdista ja se vaatii siten homogeenisen alustan.
kiisn kireällä tai löysällä olevaan viiraan muodostuu viira- aaltoja, jotka vaikuttavat paperin neliöpainon jakautumiseen.
Veden poistuminen paperista on myös epätasaista ja vesipitoi
suuden profiili voi vaihdella huomattavasti. Liika jännitys voi myös venäyttää viiran, jolloin seurauksena on kudoslanko- jen muodon muuttuminen ja elastisuuden häviäminen. Nämä muu
tokset näkyvät paperin epätasaisena laatuna ja prosessin vaikeutumisena. Osa edellämainituista virheistä voi myös johtua perälaatikon asetuksissa olevista virheistä /17/.
3.5 Paperirainan käsittely
Paperin rakenne- ja painatusominaisuudet määräytyvät lähinnä lisäaineiden pitoisuuksista sekä perälaatikossa ja viiralla tapahtuvasta kuitujen järjestymisestä. Hyvin moniin varastoin
tiin ja kuljetukseen liittyviin ominaisuuksiin pystytään kuitenkin vaikuttamaan myös valmistuksen muissakin osissa.
, puristusta tms. säätämällä voidaan vaikuttaa paperin mekaanisiin ominaisuuksiin ja myös parantaa laadun tasaisuutta sekä kone-, että leveyssuunnassa.
Viiraosalla syntyvät paperin paksuusvirheet vaikeuttavat sen käsittelyä kaikissa myöhemmissä vaiheissa. Epätasaisesta laadusta aiheutuu myös helposti muita virheitä rainan jatkokä
sittelyn aikana.
Vaikka koneella pystyttäisiinkin mittaamaan paperirainan kireysprofiilia, ei siihen ole paljoakaan mahdollisuuksia vaikuttaa. Kireysprofiiliin pystytään kuitenkin jonkin verran vaikuttamaan puristinosan paineilla, kuivatusosan muuttujilla ja popen asetuksilla. Kuivatusosalla muuttujia ovat lämpötila, tuuletus ja kireys.
Paperin valmistus ja ajettavuuden takaaminen vaativat tietyn minimikireyden paperiradan ohjaamiseen haluttuun suuntaan.
Adheesiosta johtuen paperirata pyrkii tarttumaan telojen pintaan. Toisaalta keskipakovoima ja staattinen varautuminen pyrkivät myös ohjaamaan paperirainaa haluamaansa suuntaan.
Tarvittava kireyden alaraja adheesiosta johtuvan tarttumisen johdosta lisääntyy suorassa suhteessa nopeuteen ja neliöjuu
ressa telan pinnasta irrottamiseen tarvittavaan työhön /28/.
3.5.1 Puristinosa
Viiraosalla syntyvien virheiden korjaamiseksi voidaan puris
tinosan asetuksia joutua muuttamaan. Kyseinen virhe saatetaan saada pienemmäksi, mutta useiden tekijöiden ristikkäisvaiku- tuksesta johtuen jokin toinen kriteeri saattaa muuttua yli sallittujen rajojen. Vyöhykesäädettävien telojen yleistyessä ja niiden ohjauksen monipuolistuessa voidaan viivapaine koh
distaa entistä tarkemmin tarvittaviin kohtiin. Pelkkää puris-
tuspainetta muuttamalla el kuitenkaan pystytä hallitsemaan esim. kosteus- ja kireysprofiilin ristikkäisvaikutusta /17/.
Paperin kulkiessa puristinosan läpi sen vesipitoisuus on hyvin suuri. Viiraosalta saapuvan paperimassan kuiva-ainepitoisuus on 16-22 % ja kuivatusosalle lähtevän 38-45 % /16/. Näin kostea paperi on lujuusominaisuuksiltaan hyvin heikko ja paperirainan kuljetus avoimien välien läpi vaatii stabiilit olosuhteet. Paperi ei kestä kovin suurta vetoa, mutta se mukautuu hyvin pieniin jännityksen vaihteluihin. Parin ensim
mäisen avoimen välin tehokkuus määrittelee usein koko koneen ajettavuuden /28/.
3.5.2 Kuivatusosa
Paperikoneen kuivatusosan tehokkuuteen vaikuttaa paperin ja koneen ominaisuuksien lisäksi huopien laatu ja niiden kirey
det. Kireys vaikuttaa lähinnä paperirainan reunan kuivuuteen.
Kuivatusosalla kireä, reunoiltaan venähtänyt ja risainen huopa aiheuttaa paperiin markkeerausta. Venähtäneet viirat, huono kosteusprofiili, telojen ja sylinterien väärä asento sekä nopeuserot voivat aiheuttaa rainaan taitoksia, jotka näkyvät lopullisessa rullassa rynkkyinä. Pitämällä huopien kireys tasaisena pidennetään niiden käyttöikää ja samalla parannetaan valmistettavan paperin laatua. Huonoja kosteusprofiilin arvoja voidaan kuivatusosalla korjata ilmataskujen tuuletuksella /16,17/.
Monisylinterikuivatuksessa käytetään sekä vapaata, että jänni
tettyä kuivatusta riippuen sylinterien- ja ryhmienvälisistä nopeuseroista. Lähes kaikkien paperilaatujen valmistuksessa käytetään hyväksi kuivumis-kutistumisella saatuja lujuus- ja venyvyyseroj a. Kosteusvaihtelut aiheuttavat kuitenkin aina jonkin verran vaihtelua lujuus- ja venymäominaisuuksiin sekä kone-, että poikkisuunnassa /16/.
Paperin mittamuutokset kopioidessa ovat sitä pienemmät, mitä suuremman jännityksen alaisena se on kuivattu. Käytettävää kireyttä rajoittaa kuitenkin paperikoneen ajettavuuden kannal
ta oleellinen katkovälien lyheneminen. Paperin kuitumaisesta
rakenteesta johtuen sillä on tietty maksimikireys, jota suu
rempaa vetojännitystä rata ei kestä.
Epätasaisesta kuivumisesta ja kireysprofiilin vaihteluista aiheutuu valmiiseen paperiin kupruilua. Nämä paperiin muodos
tuvat kuprut aiheuttavat painokoneella vaaleita läiskiä, joihin painoväri ei tartu yhtä helposti kuin normaaliin pin
taan. Kuprut aiheuttavat vaihtelua myös paperipinon paksuu
teen, jolloin tuloksena voi olla vino tai normaalia paksumpi pino /16/.
3.5.3 Kalenteri
Kalenterin tarkoitus on puristaa paperia kasaan tasaisemman pinnan aikaansaamiseksi. Paperin ajaminen kalanteriteloj en välistä vaatii tarkkaa kireyden hallintaa. Löysä raina saattaa laskostaa ja aiheuttaa nipin läpi kulkiessaan paperiin vekke
jä. Nämä heikentävät tuotettavan paperin laatua ja siten myös tuotannon tehokkuutta. Välikalanterilla ja kalenterilla esiin
tyvät häiriötekijät ja ympäristöolosuhteet poikkeavat huomat
tavasti toisistaan, joten niitä pitää käsitellä toisistaan erillä.
3.5.4 Rullain
Rullaimella vaihteleva kireys aiheuttaa paperin epätasaisen rullautumisen. Se puolestaan tekee konerullasta epäkeskisen ja aiheuttaa kierrosnopeuden mukaan vaihtuvan kireyskomponentin kalenterin ja popen väliin. Vaihtelevasta kireydestä on seu
rauksena epätasainen konerulla, jonka ajettavuus pituusleikku
rilla voi tuottaa vaikeuksia.
Asiakasrullan laatu riippuu siinä esiintyvistä sisäisistä jännityksistä. Siksi näiden jännitysten ja ratavoimien väliset suhteet on hyvä tuntea. Lisäksi tunnettuja tekijöitä on hel
pompi hallita, kun tiedetään niiden vaikutus ja syntymisperi
aatteet /30/.
Rullan muodostumiseen vaikuttavat voimat voidaan jakaa kolmeen osaan. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi niille voidaan asettaa seuraavanlaiset kriteerit :
Säteittäissuuntaisen jännityksen tulee olla mahdollisimman suuri. Tällä taataan riittävä rullan kovuus varastoinnissa ja kuljetuksessa tapahtuvia vaurioita vastaan.
Kehän suuntainen jännitys tulee rullalla aina olla posi
tiivinen. Pienellä jännityksellä estetään rullassa varas
toinnin aikana tapahtuvat epäelastiset muodonmuutokset.
Rataj ännityksen tulee olla mahdollisimman suuri koko rullauksen.ajan. Näin saadaan mahdollisimman suuri paine rullaan ja estetään paperiradan mukanaan kuljettaman ilman kulkeutuminen paperikerrosten väliin ja siten toispuoleis
ten rullien synty.
Näitä periaatteita noudattamalla saadaan parempilaatuisia Koska eri tekijät eivät ole riippumattomia toisistaan, täytyy niiden välillä pyrkiä optimointiin ja etsiä paras yhdistelmä laskelmiin ja kokeiluihin perustuen /30/.
Rullaimella hienopaperin kerrosten väliin kulkeutuu helposti ilmaa, jolloin rullan reunasta saattaa tulla epätasainen ja vino. Toispuoleinen kireysprofiili saattaa myös 'kaataa' asiakasrullan, eli rullautuminen ei tapahdu normaalisti. Huono kireysprofiili syntyy yleensä jo paperikoneella, mutta saattaa syntyä myös vasta paperia päällystettäessä. SC-koneella pape- riraina kostutetaan juuri ennen rullainta profiilin hallitse
miseksi /16/.
3.6 Paperin jatkokäsittely
Jalostusasteen nostamiseksi paperi- ja kartonkikoneisiin sijoitetaan erilaisia päällystysyksiköitä. Päällystysproses- sissa raina voi nopeasti venyä kastuessaan tai kutistua kui
vuessaan, joten ratakireyden hoitamiseksi kireyssäätö on välttämätön /18/.
Valmistettaessa pituusleikkurilla ns. jumborullia (halkaisija
> 1.2 m) rullaimen toiminta on hallittava erittäin tarkasti.
Rullaan kohdistuvat rasitukset ovat suuria, joten rainan ohjaukseen liittyvät tekijät on tunnettava hyvin /14/.
Paperinj ohtoteloj en käyttöihin ja kireyden mittaukseen on jouduttu kiinnittämään huomiota nykyaikaisissa nopeissa leik
kureissa, koska radan kulku leikkuuteriltä rullalle riippuu paljolti ratakireydestä. Kireyden muuttuessa rata siirtyy sivusuunnassa aiheuttaen rullien ristiinmenon. Kireysprofiilin epätasaisuudesta johtuva löysä kohta paperin poikkisuunnassa aiheuttaa leikkauskohtaan sattuessaan huonon leikkausjäljen.
Automaation hyväksikäyttö kireyden säädössä on kuitenkin helpottanut käyttöjen ohjausta merkittävästi ja mahdollistanut entistä suuremmat ajonopeudet /18/.
Paperikoneesta erillisessä päällystyskoneessa käsitellään joko suoraan konerullalta saatavaa tai pituusleikkurissa kapeammik
si rulliksi leikattua paperia. Aukirullauksessa säädetään joko kireyttä tai virtaa. Riippuen koneen rakenteesta ja ajettavis
ta paperilajeista sijoitetaan ryhmien välille tarpeellinen määrä kireyssäätöjä. Tavoitteena on saada rata pysymään vaadi
tussa kireydessä myös kiihdytysten ja hidastusten aikana.
Jotta konetta ei tarvitsisi pysäyttää rullanvaihdon ajaksi, käytetään auki- ja kiinnirullaajassa useimmiten ns. lentävää liimausta. Kireyden säädöltä ei päällystyskoneella vaadita yhtä suurta tarkkuutta ja nopeutta kuin pituusleikkurilla, koska rata ajetaan leikkaamattomana konerullalle /18/.
4. PAPERIKONEEN RAKENTEELLE ASETETTAVAT VAATIMUKSET
4.1 Ajettavuuden merkitys paperikoneen suunnittelussa
Kireyden mittaaminen paperikoneen käydessä on erittäin vaativa tehtävä. Stabiilit olosuhteet, varsinkin mekaanisesti, tekevät mittaustuloksesta luotettavan. Suunnitteluvaiheessa tehtyjen virheiden korjaaminen on jälkikäteen vaikeaa, kun taas asen
nusvaiheessa tapahtuneiden virheiden korjaaminen on huomatta
vasti helpompaa. Mittausantureiden herkkyydestä johtuen niihin ei saa kohdistua muita, kuin ainoastaan paperiradan kireydestä aiheutuvia voimia. Sisäinen tai ulkoinen jännitys vääristää mittaustuloksen helposti epäluotettavaksi /16/.
Hyvän säätönopeuden saavuttamiseksi paperikoneen mekaanisen resonanssitaajuuden on oltava riittävän korkea. Voima-anturei- ta käytettäessä mittaustulosta häiritsevät erilaiset massavoi- mat, joista tyypillisimpiä ovat pyörimisnopeuteen verrannolli- sst vaihtokomponentit. Mekaanisten resonanssitaaj uuksien välttämiseksi koneen rungon suunnittelussa käytetään apuna tietokoneeseen perustuvaa j äykkyyslaskentaa /18/.
Nykyisin käytettävä voima—antureilla tapahtuva kireysmittaus perustuu paperin tulo- ja lähtökulmien tuntemiseen mittauste- lalla. Parhaaseen tulokseen päästään kolmella kiinteällä telalla, jolloin voimakomponentin laskennassa voidaan käyttää kiinteitä kulmien arvoja. Mikäli yksi teloista on liikkuva, voidaan siitä aiheutuvaa kulmavirhettä korjata laskennallises
ti kertoimien ja summainten avulla.
Tehokkaan käytön kannalta on nopeille paperikoneille kehitetty uuden koneen suunnittelussa käytettäviä kriteerejä. Saadut kriteerit määrittelevät paperiradan ja -koneen geometrian radan, telojen, nopeuden ja vapaiden vientien funktiona.
Kireysmittauksen suunnittelu paperikoneelle tapahtuu muiden prosessisuureiden ehdoilla. Telojen sijoittaminen ja käytettä- oleva tila on siis ennalta määritetty ja mittaus pyri
tään tekemään mahdollisimman hyväksi annetussa ympäristössä /28/.
Oletetaan, että häiriö aiheuttaa adheesion tai paperin ominai
suuksien jaksollisen vaihtelun n. Vaihtelun taajuuden ollessa liian suuri paperiraina alkaa värähdellä, koska korjaavat voimat muista väleistä eivät ehdi vaikuttaa riittävän nopeas
ti. Siksi häiriöiden taajuus n täytyy rajoittaa kaavan 4.1 mukaiseksi /28/.
n < Vn/L , missä (4.1)
Vn= häiriöaallon etenemisnopeus L = avoimen välin pituus
Avoimeen väliin telan tai paperiradan välityksellä saapuvalla häiriöllä on konesuunnassa fyysinen pituus 1. Vastaava häiriön taajuus paperiradan nopeuden v funktiona on
n = v/1 (4.2)
Stabiilisuuden takia on oltava
v/1 S Vn/L (4.3)
Yhtälöstä voidaan päätellä, että oleellinen tekijä ajettavuu
den kannalta on häiriön fyysisen pituuden ja avoimen välin suhde. Tämä on yksi hyvä syy pitää avoimet välit lyhyinä.
Hyvin alhaisilla nopeuksilla, eli dynaamisen jännityksen ollessa pieni, jopa pienetkin häiriöt pystytään vaimentamaan.
Suurilla nopeuksilla jaksollisten häiriöiden taajuus täytyy rajoittaa tai niiden fyysisen pituuden täytyy olla riittävän suuri. Satunnaisille häiriöille pätevät samat rajoitukset.
Kuten voi arvata, vaadittava minimikireys lisääntyy paperira
dan telasta erottamiseen tarvittavan irrotustyön kasvaessa.
Tarvittavan voiman lisääntyminen ei kuitenkaan ole lineaarista /28/.
Sanomalehti-, SC-painopaperi- ja LWC-pohj apaperikoneiden kuivatusosan alkupää jaetaan pieniin käyttöryhmiin, jotta ryhmien välisillä nopeuseroilla voidaan eliminoida venymän aiheuttama paperiradan löystyminen. Ryhmien lukumäärä ja niiden koko riippuu valmistettavasta paperilaadusta ja koneen
rakennenopeudesta. Esimerkiksi 41 kuivatussylinteriä sisältävä kuivatusosa voidaan jakaa seuraavasti : 5, 8, 14, 14 /18/.
4.2 Viirat ja huovat
Nykyisin käytettävät viirat valmistetaan pääasiassa muovista ja niiden venymä 12 kN/m jännityksellä on 1-2%. Niiden jousi
vakio on suuri ja ne kestävät hyvin suuria kuormia. Käyttöai- kanaan muoviviira venyy n. 1.5%, joten ajan myötä sen pituus muuttuu ja vakiokireyden ylläpitäminen vaatii kireyden mit
tausta ja säätöä /16/.
Puristinhuopien yleinen kireyden maksimi mitoitusarvo on n.
4.5 kN/m. Kuivatushuopien ja -viirojen kireyden maksimiarvona käytetään 2-3 kN/m. Mikäli viira pidetään liian kireällä, aiheuttaa se kuivatusviiroj en markkeerausta. Huomattavasti liian suuri kireys saattaa venähdyttää viiran, jolloin seu
rauksena on rynkkyjä paperin pintaan /16/.
Kuivatuskudosten tavallinen ajokireys on 1.5 kN/m. Liian pienestä kireydestä on seurauksena huono ohjattavuus ja liian kevyt kosketus kuivatussylintereihin. Epämääräinen ja hallit
sematon kireystason vaihtelu nopeuttaa huopien kulumista ja optimaalista suurempi kireys saattaa venyttää kudoksen liitos- sauman kaarelle heikentäen sen kestävyyttä /18/.
Viiran kireys eri kohdissa voi vaihdella hyvinkin paljon.
Tietyn minimikireyden ylläpitäminen vaatii oman kiristävän voimansa. Lisäksi viiraosalla olevien hankaavien listojen ja imulaatikoiden aiheuttaman kitkan voittamiseksi täytyy tehdä työtä vetämällä viiraa hieman suuremmalla voimalla. Koska kudos toimii tällöin tehonsiirtäj änä, on vetävän telan tulo
puolella vallitseva viiran kireys lähtöpuolta suurempi. Viiran kireys riippuu laahaus- ja kitkakuormista, käytettävien telo
jen tehosta, sekä telojen ja viiran kosketuskulmista /11/.
