Beanspruchungs- und Verschleißprozessanalyse zur Modellierung des Tribosystems Schaber-Walze : tribosystematischer Ansatz zur Erhöhung der Anlagenzuverlässigkeit einer Papiermaschine

Abstract

In der Papierindustrie werden Schaberklingen zur Reinigung von Walzen- und Zylinderoberflächen verwendet. Durch die technologischen Veränderungen im Herstellprozess von Papier und die stetige Erhöhung der Papierbahngeschwindigkeit steigen die Anforderungen an eine Schaberklinge. Hierbei müssen zwei Ziele verfolgt werden: Einerseits muss zur Minimierung der Stillstandszeiten die Schaberklinge hohe Standzeiten aufweisen, andererseits muss die Reinigungswirkung an der Walzenoberfläche garantiert werden. Weiters sollen zur Steigerung der "Runability" einer Papiermaschine keine Metallschaber, sondern billigere, faserverstärkte Kunststoffklingen eingesetzt werden.<br />Ziel dieser Arbeit war es festzustellen, ob durch einen tribosystematischen Ansatz die Verschleißmechanismen in einem Schaber-Walze-Kontakt beschreibbar sind und die in der Praxis auftretenden unterschiedlichen Verschleißraten erklärt werden können.<br />Durch eine Tribosystemanalyse an Realsystemen konnte eine Arbeitshypothese aufgestellt werden, die davon ausgeht, dass der Verschleiß von Schaberklingen durch erosive und abrasive Mechanismen bestimmt wird. Die Erosion wird hauptsächlich durch die Anwesenheit von Kalziumkarbonatpartikeln im Tribokontakt verursacht. Die hier maßgebliche Abrasion beruht auf Zweikörperkontakt und kann durch Mikrobrechen lokaler Bereiche an der Schaberklinge und Mikroermüden durch Prellen der Schaberklinge gegen die Walzenoberfläche beschrieben werden.<br />Die Literaturrecherche zur Tribologie von Faserverbundwerkstoffen zeigte, dass sich die Verstärkung von Kunststoffen durch Fasern bezüglich der oben genannten Verschleißmechanismen unterschiedlich auswirkt. Wirkt ein Faseranteil von 20 - 60 Vol% in einer duromeren Kunststoffmatrix bei Abrasion verschleiß- und reibzahlmindernd, so erhöht ein steigender Faseranteil in einem Polymer vor allem die Verschleißrate bei erosiver Beanspruchung deutlich. Allerdings gelten die publizierten Daten lediglich für Gleitgeschwindigkeiten von v < 5 m/s und für die Erosionsversuche werden hauptsächlich Partikelgrößen > 50 µm verwendet. Im Vergleich dazu beträgt die Bahngeschwindigkeit einer Papiermaschine mindestens 10 m/s, und die erosiv wirkenden Kalziumkarbonatpartikel weisen Durchmesser von durchschnittlich etwa 2 µm auf.<br />Mit Hilfe eines adaptierten Stift-Scheibe-Tribometers konnten die einzelnen Verschlei߬mechanismen verifiziert werden. Die Quantifizierung der Verschleißraten erfolgte durch rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen und Rauheitsanalysen der Reibflächen. Weiters konnte festgestellt werden, dass das Grundniveau der Reibzahl für die einzelnen Werkstoffpaarungen bei Anwesenheit von (Spül-)Wasser µ ~ 0,05 beträgt.<br />Dieses stabile, vermutlich hydrodynamische Betriebsverhalten ist jedoch durch zufällig auftretende Reibzahlanstiege unterbrochen. Diese Reibzahlanstiege erreichen Werte von mindestens µ > 0,3 und sind auf lokale Änderungen der Reibbedingungen im Kontaktspalt zurückzuführen.<br />Entscheidend für die Weiterarbeit war jedoch, dass diese Reibzahlinstabilitäten eindeutig mit einer sprunghaften Zunahme im Verschleißverlauf korrelierten.<br />Um diese Reibzahlinstabilitäten mit Betriebsbedingungen im Tribokontakt zu verknüpfen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode zur Bestimmung der transienten Kraftresultierenden an der Schaberspitze entwickelt. Das dynamische Belastungskollektiv wird direkt an der Schaberklinge quantifiziert, wobei eine zusätzliche Auswertung mit Hilfe der kombinierten Zeit-Frequenz-Analyse Rückschlüsse auf die angeregten Eigenformen zulässt. Zur Konzeption der Messmethode mussten Modellrechnungen mit Hilfe eines Finite Elemente Programms durchgeführt werden. Mögliche Szenarien für Reibzahlinstabilitäten wurden aufgezeigt und berechnet. Die Ergebnisse zeigten, dass bereits bei einer Impulsanregung von 0,03 Ns die Schaberklinge in der ersten Biegeeigenform schwingt und sich Druckspannungen ausbilden, die Schädigungen des Interface induzieren. Begründet durch die Rechenergebnisse wurde der Messaufbau an einem adaptierten Stift-Scheibe-Tribometer entwickelt und an einem realitätsnahen Prüfaggregat getestet. Die Messungen zeigten, dass die Amplituden der Druckschwellbeanspruchung eine deutliche Materialabhängigkeit aufweisen. Die axiale Randfaserdehnung einer kohlefaserverstärkten Schaberklinge ist bei einer Kraglänge von 30 mm mindestens 5-mal so groß wie bei Schaberklingen mit glasfaser¬verstärktem Epoxidharz. Jedoch ist die Reinigungsleistung der kohlefaserverstärkten Schaberklinge qualitativ höher zu bewerten, als jene des glasfaserverstärkten Materials. Diese materialspezifischen Beanspruchungsunterschiede können durch Erhöhen der Schaberkraglänge von 30 mm auf 45 mm ausgeglichen werden, allerdings verlängert sich die Nachschwingzeit der Schaberklinge bei Auftreten einer zusätzlichen Eigenform. Die Verschleißhypothese wurde dahingehend erweitert, dass die Materialsteifigkeit der Reinigungswirkung einer Schaberklinge zwar zuträglich ist, jedoch die Verschleißbeständigkeit vermindert.<br />Abschließend konnte nachgewiesen werden, dass auch in einer Papiermaschine Reibzahl¬änderungen von [Delta]µ ~ 0,38 auftreten. Diese Reibzahlschwankungen kommen zustande, da sich die Druckbeanspruchung der Schaberklinge bei gleich bleibender Biegebeanspruchung erhöht. Die Änderungen sind von der Umdrehungsfrequenz der Walze abhängig und die Untersuchungen in der Papiermaschine wurden ohne Papierbahn durchgeführt.

Doctor blades are used to clean roll and cylinder surfaces of paper machines. Because of changed manufacturing procedures and higher speed limits of paper lines, the requirements for doctor blades have been increased. To achieve better efficiency of paper machines, the wear rates of doctor blades must be low while their cleaning function has to be ensured. Furthermore, the metal blades should be replaced by cheaper, fibre-reinforced polymer blades.<br />The aim of this thesis is to find a tribological approach to describe the wear mechanisms in a blade-cylinder contact and to explain the practically observed wear rates of the components.<br />Based on an analysis of the presented tribocontact of several paper machines, a work hypothesis was previously formulated. This hypothesis states that the wear of doctor blades is associated with erosive and abrasive wear mechanisms. Erosion is mainly caused by the impact of chalk particles against the contact area of the blade. Abrasion is caused by the two-body contact. Especially micro cracking of the blade material, resulting in small wear debris, and micro fatigue, caused by bouncing of the blade tip against the cylinder surface, are the dominant sub-mechanisms.<br />The comparative study of literary references to the tribology of fibre-reinforced materials showed that the reinforcement of the blade inversely influences the aforementioned wear mechanisms. In the range of 20 - 60 vol% of fibres in a polymer, with higher fibre fraction, the wear rate and friction coefficient decrease under abrasive conditions.<br />In contrast, the wear rate dramatically increases under erosive conditions. However, the published results of the appropriate literature are only valid for sliding speeds up to 5 m/s and particle sizes of the erosion test in excess of 50 µm. In the paper manufacturing process, the paper line speed is at least 10 m/s and the size of the chalk particles amounts to 2 µm on average.<br />Examinations with a pin-on-disc tribometer were carried out in order to quantify the abrasive and erosive wear rate. The verification of these tests was done by scanning electron microscope (SEM) investigations and by roughness analysis of the wear surfaces. Furthermore, we observed that the friction coefficient is generally about 0.5 for all test runs.<br />Despite different material combinations, these stable, presumably hydrodynamic contact conditions are disturbed by coincidentally occurring friction spikes. These friction spikes amount to at least 0.3 and are related to local changes of friction conditions in the tribocontact. However, the crucial point is that these friction spikes correlate with a sharp increase in the wear curve.<br />In order to associate the friction spikes with contact conditions between the doctor blade and its counterbody, a measurement system was developed for determining the transient force resultant of the blade tip. The dynamical load parameters were measured by sensors fixed onto the blade, and subsequent examinations with joint time-frequency-analysis revealed excited eigenmodes of the sample caused by friction instabilities.<br />In order to support the concept of the measurement system, model calculations based on the finite element method were carried out, and possible scenarios for friction instabilities were contemplated. The results of these calculations show that the doctor blade even vibrates in the first bending mode after an excitation with a momentum value of 0.03 Ns. This movement causes compressive stresses at the blade tip, and impairment of the interface of the fibre-reinforced material occurs.<br />Confirmed by the calculated results, the measurement system was developed using an adapted pin-on-disc model tribometer which was tested in a close-to-reality test assembly. The measurements clearly show the material-dependent amplitude of the compressive pulsating load. The axial outer fibre strain of a carbon-fibre-reinforced material is at least five times greater compared to a glass-fibre-reinforced material, whereas the cleaning function of a carbon-fibre-reinforced blade is qualitatively better than that of a glass-fibre-reinforced blade. This material-dependent load distinction of the blades disappears with an increase of the blade length, but the reverberation time is extended and we observe additional eigenmodes during impact. At this point the work hypothesis was modified in such way that the material stiffness improves the cleaning function of the doctor blade, but reduces the wear resistance of the cleaning device.<br />Finally, the mentioned friction spikes could be detected in a paper machine with an amplitude of [Delta]µ ~ 0.38. The friction coefficient increased because the blade was loaded with a higher compressive force, but constant bending force. The frictional variation correlated with the rotational frequency of the cylinder, and the measurements were taken without paper line.