Energieverbrauch Luftweben (AiF 15599 N) - Institut für Textiltechnik ...

Leistungssteigerung und Lärmminderung in der Weberei durch
Reduzierung der Webmaschinenschwingungen
(AiF 15476 N)
Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University:
Dipl.-Ing. Achim Hehl, Dipl.-Phys. Christian Rosiepen, Dipl.-Ing. Heiko Schenuit, Univ.-Prof.
Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries
Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik der RWTH Aachen University:
Dipl.-Ing. Felix Allmendinger, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Burkhard Corves
Laufzeit: 01.01.2008 – 30.06.2010
Einleitung
Moderne Fachbildemaschinen ermöglichen sehr hohe Webmaschinendrehzahlen.
Die damit verbundene hohe Produktivität kann häufig nicht vollständig erreicht werden.
Dies liegt vor allem daran, dass im hochtourigen Betrieb starke Schwingungen
im Antriebsstrang der Fachbildung auftreten. Als Gegenmaßnahme wird in der Praxis
die Maschinendrehzahl erheblich gesenkt. Die Schwingungen im Antriebsstrang der
Fachbildung haben verschiedene negative Folgen. Zu diesen Folgen gehören hohe
Kosten durch einen starken Verschleiß des Webgeschirrs und ein erhöhter Wartungsaufwand.
Eine weitere Folge ist eine erhöhte Lärmbelastung in den Webereien.
Die Maschinenkomponenten, die an der Fachbildung beteiligt sind (z.B. Schäfte, Unterzug,
Fachbildemaschine), werden von unterschiedlichen Firmen produziert. Die
Aufteilung auf mehrere Firmen führt zu Problemen an den Schnittstellen der Systemkomponenten
und zu fehlender maschinendynamischer Abstimmung der Einzelkomponenten.
Schwingungsanalyse
Es wurde zunächst eine umfassende Schwingungsanalyse des Fachbildungsstrangs
durchgeführt. Dabei wurden Schaftbewegung, Schwingungen im Unterzugsystem,
Kettfadenzugkräfte, Schaftbeschleunigung und Lärmemission messtechnisch erfasst.
Diese Schwingungsanalyse wurde an einem speziellen Fachbildungsprüfstand und
an einer Luftdüsenwebmaschine durchgeführt. Der Fachbildungsprüfstand wurde im
Rahmen des AiF-Projektes 14683 N (Litzenspiel) auf Basis einer Luftdüsenwebma-

schine der Firma Lindauer Dornier GmbH, Lindau entwickelt [Sch09]. Die verwendete
Webmaschine war eine Luftdüsenwebmaschine OmniPlus 800 der Firma Picanol NV,
Ieper, Belgien. Bei der Schwingungsanalyse wurde sowohl am Prüfstand als auch an
der Webmaschine der Einfluss des Profils der Schaftbewegung auf Schwingungsund
Lärmentwicklung deutlich. Bei einer Leinwandbindung erwies sich ein sinusförmiges
Bewegungsprofil als deutlich bessere Wahl gegenüber einer genäherten Rastin-Rast-Bewegung.
Geringere Schwingungen, Schaftbeschleunigungen und Lärmemission
zeichnen das sinusförmige Profil aus. Beispielhaft dargestellt ist in Abbildung
1 die Schaftbeschleunigung für eine genäherte Rast-in-Rast-Bewegung. Die
Schaftbeschleunigungen nehmen dabei Werte von 18 bzw. -20 g an. Bei einer sinusförmigen
Bewegung liegen die Maximalwerte lediglich bei ca. 10 bzw. -11 g.
60
30
Hubhöhe [mm]
40
20
0
-20
-40
Schaftbewegung
Schaftbeschleunigung
-60
0 300 600 900 1200
Maschinenwinkel [°]
20
10
0
-10
-20
-30
Schaftbeschleunigung [g]
Webmaschine
900 U/min,
genäherte Rast-
in-Rast-
Bewegung
(gemessen)
= Beschleunigungspeaks der Übergangsfunktionen
Abbildung 1:
Hubbewegung und Schaftbeschleunigung beim genäherten Rast-in-
Rast-Bewegungsprofil (P2) bei 900 U/min
Mehrkörpersimulation
Es wurde ein Mehrkörper-Simulationsmodell des Fachbildungsstrangs erstellt. Dieses
Modell wurde verwendet, um Einflussfaktoren auf die Schwingungsentwicklung
besser quantifizieren zu können und Variationen dieser Einflussfaktoren einfacher zu
prüfen. Zur Aufstellung des Modells war zunächst die Ermittlung der modalen Parameter
(Eigenfrequenz, Dämpfung, Eigenform) der Komponenten des Fachbildungs-

strangs notwendig. Die modalen Parameter wurden in Versuchen und über Finite-
Elemente-Simulationen auf Basis von CAD-Daten ermittelt. Diese Parameter wurden
in Versuchen im laufenden Betrieb validiert. In die Validierung einbezogen wurden
sowohl die simulierten Eigenfrequenzen als auch die Schwingungsform. Im Rahmen
des Simulationsmodells wurde unter anderem der Einfluss des Bewegungsprofils untersucht.
Die im Rahmen der Schwingungsanalyse festgestellten Vorteile der sinusförmigen
Bewegung gegenüber der genäherten Rast-in-Rast-Bewegung bestätigten
sich. Ferner wurde der Effekt einer Erhöhung der Steifigkeit der Unterzugstangen
und des Schaftrahmens untersucht. Eine Versteifung von Unterzugstange und
Schaftrahmen verbessert das Schwingverhalten des Systems. Ein Massenausgleich
im Unterzugsystem wurde ebenfalls betrachtet. Der Massenausgleich im Unterzugsystem
kann zur Beruhigung des Maschinenbetts beitragen. Der Effekt eines weiteren
simulierten Konzepts, das eine gegenläufige Bewegung der Unterzugstangen beinhaltet,
war gering.
Verbesserungskonzepte
Auf Basis der Erkenntnisse aus Schwingungsanalyse und Simulation ergaben sich
zahlreiche Verbesserungskonzepte zur Verringerung von Schwingungen und Lärmentwicklung.
Es erfolgte eine Bewertung der Konzepte nach technischen und wirtschaftlichen
Kriterien (z.B. konstruktiver und monetärer Aufwand zur Umsetzung, Potenzial
zur Kosteneinsparung, Reduktion der Schwingungsentwicklung, Reduktion
der Lärmemission). Als am meisten Erfolg versprechende Maßnahmen stellten sich
die Anpassung des Bewegungsprofils und die Integration von schwingungsdämpfenden
Lagerelementen heraus. Diese Maßnahmen wurden im Praxistest überprüft.
In der Schwingungsanalyse wie auch in der Simulation wurden mögliche Effekte der
Anpassung des Bewegungsprofils bereits deutlich. Die Verwendung eines sinusförmigen
Bewegungsprofils erweist sich als beste Lösung zur Vermeidung von Schwingungen
im Fachbildungsstrang. Bei Bindungen mit einem größeren Rapport als bei
der Leinwandbindung ist die Verwendung eines reinen Sinusprofils allerdings nicht
möglich, da die Schäfte häufig bindungsgerecht über mehrere Schüsse in der Offenfachposition
verbleiben. Dazu setzen die derzeitig verwendeten Fachbildemaschinen
die Schäfte in Rast. Es ist eine Übergangsfunktion notwendig, um die sinusförmige
Bewegung in eine Rastphase zu führen. Diese Übergangsfunktion ist mit höheren
maximalen Beschleunigungen verbunden. Bei einer 3/1-Köperbindung verbleibt bei-

Hubhöhe
spielsweise ein Schaft über drei Schüsse in der Offenfachposition. Es ergeben sich
aufgrund der Übergangsfunktion zwischen der Hubbewegung und der Rastphase
ähnlich hohe Beschleunigungen wie bei der genäherten Rast-in-Rast-Bewegung der
Leinwandbindung. An dem Beispiel der 3/1-Köperbindung wurde die Anpassung des
Bewegungsprofils vorgenommen. Ein entsprechend modifizierter Exzenternocken
wurde durch ein Mitglied des projektbegleitenden Ausschusses zur Verfügung gestellt.
Das Bewegungsprofil wurde so angepasst, dass der Schaft in der Offenfachposition
(über drei Schüsse) anstelle der Rast eine pendelnde Bewegung ausführt. Diese
ist schematisch dargestellt in Abbildung 2. Dadurch wird eine Reduktion der Beschleunigungsspitzen
im Übergang von der Hubbewegung in die Offenfachposition
erreicht. Die Anpassung der Bewegungsprofile wurde an der Luftdüsenwebmaschine
überprüft.
Pendelnde Bewegung
im Offenfach
360 720 1080 1440
Maschinenwinkel [ ]
Abbildung 2:
Schematische Darstellung der pendelnden Bewegung im Offenfach
[Mün08]
Mit der Entwicklung der schwingungsdämpfenden Lagerelemente wurde angestrebt,
die schwingenden Systeme Schaft und Unterzug zu entkoppeln. Als Einbaupunkte
wurden die Lagerstellen im Angriffspunkt des Schaftanschlusses gewählt. Diese
Punkte stellen die Verbindung zwischen den Systemen dar. Die modifizierten,

schwingungsdämpfenden Lagerelemente wurden an dem Prüfstand installiert und
überprüft.
Für beide Verbesserungskonzepte wurden Messungen zur Schwingungsentwicklung,
Schaftbeschleunigung, Kettfadenzugkraft und zur Lärmentwicklung vorgenommen.
Ergänzend wurde bei der Anpassung des Bewegungsprofils der Gewebeausfall untersucht.
Das pendelnde Bewegungsprofil weist Vorteile gegenüber konventionellen Bewegungsprofilen
auf: Die Schaftbeschleunigung wird durch die Anpassung der Bewegungsfunktion
erheblich verringert und auch die Lärmentwicklung ist geringer. Beides
deutet auf einen geringeren Verschleiß der Schäfte hin. Die Kettfadenzugkräfte und
der Gewebeausfall bleiben gleich. In Abbildung 3 ist der Vergleich der Schaftbeschleunigungen
für unterschiedliche Drehzahlen dargestellt. Zu erkennen ist, dass
beim Übergang von der Hubbewegung in die Rastphase bei Verwendung des pendelnden
Profils bei einer Drehzahl von 900 U/min Beschleunigungen auftreten, die
etwa den Beschleunigungen bei einer Drehzahl von 700 U/min bei Verwendung des
asymmetrischen Bewegungsprofils entsprechen. Bei der Hubbewegung ins Unterfach
(für einen Schuss) ergeben sich die gleichen Beschleunigungen wie bei Verwendung
des asymmetrischen Nockens, da dieser Teil der Bewegung nahezu gleich
ist, um das Schusseintragsfenster nicht zu beeinflussen. Insgesamt liegt bei Verwendung
des pendelnden Bewegungsprofils kein Beschleunigungspeak oberhalb von 75
% des maximalen Beschleunigungspeaks bei Verwendung des asymmetrischen Nockens.
Dies bedeutet eine Verringerung der auf den Schaft einwirkenden Kräfte und
somit einen geringeren Verschleiß. Allerdings verursacht die Pendelbewegung Beschleunigungen
während der bindungsbedingten Rastphase. Diese (geringeren) Beschleunigungen
sind ihrerseits ebenfalls für eine Belastung der Schäfte verantwortlich.
Diese Beschleunigungen treten bei Verwendung eines konventionellen Bewegungsprofils
nicht in dieser Höhe auf.

150
Schaftbewegung
60
Beschleunigung [%]
100
50
0
-50
40
20
0
-20
Hubhöhe [mm]
Webmaschine
700 bis
900 U/min,
asymmetrische
und pendelnde
Bewegung,
Köperbindung
unsymm. 900 SE/min
-100
pendelnd 900 SE/min
unsymm. 800 SE/min
unsymm. 700 SE/min
-150
0 300 600 900 1200
Maschinenwinkel [°]
-40
-60
Abbildung 3:
Vergleich der Beschleunigung des Schaftrahmens in Abhängigkeit
von dem Bewegungsprofil: asymmetrisches und pendelndes
Bewegungsprofil bei 700 bis 900 U/min
Für die schwingungsdämpfenden Lagerelemente konnte der angestrebte Effekt der
Dämpfung von Schwingungen nicht nachgewiesen werden. Die Schwingungen im
Unterzug sind vergleichbar mit den bei Verwendung der bisherigen Lagerkonstruktion
auftretenden Schwingungen. Bezüglich der Lärmemission ergaben sich für die entworfenen
Lager sogar höhere Schallleistungspegel.
Fazit
Durch die Anpassung des Bewegungsprofils kann eine Reduzierung der Schwingungs-
und Lärmentwicklung erreicht werden. Dies wurde anhand einer Leinwandund
einer Köperbindung nachgewiesen. Das angestrebte Forschungsziel einer
Lärmminderung um 2 dB kann hierdurch erreicht werden. Ebenso ergibt sich eine
Reduktion der Webmaschinenschwingungen um 20 %. Für den Maximalwert der
Schaftbeschleunigung konnte beispielhaft eine Reduktion um 30 % aufgezeigt werden.
Damit lässt sich die Erhöhung der Produktivität der Webmaschine oder eine
Verlängerung der Lebensdauer der Fachbildungskomponenten (z.B. Schäfte und Litzen)
bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Gewebequalität erreichen.

Literatur
[Sch09]
[Mün08]
Schenuit, H.; Gries, T.:
Untersuchung des Einflusses des Litzenspiels auf die Laufeigenschaften
von Hochleistungswebmaschinen und die Gewebequalität
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben AiF 14683 N am Institut für
Textiltechnik der RWTH Aachen, Aachen 2009
Münster, B.; Mettler, F.:
Kurvenscheibe für Exzentermaschine einer Webmaschine
Offenlegungsschrift DE 10 2007 015 411 A1
Anmelder: Groz-Beckert KG, Albstadt
Offenlegungstag: 02.10.2008
Danksagung
Das IGF-Vorhaben „Leistungssteigerung und Lärmminderung in der Weberei durch
Reduzierung der Webmaschinenschwingungen“, AiF-Nr. 15476 N der Forschungsvereinigung
Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstraße 12-14, 10117 Berlin
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung
und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Der Abschlussbericht ist über die Bibliothek des Instituts für Textiltechnik der RWTH
Aachen zu beziehen.