具有用来检测压力的压电传感器的工业辊的制作方法

专利名称：具有用来检测压力的压电传感器的工业辊的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及工业辊，并且更具体地说涉及用于造纸的辊。
背景技术：
在通常的造纸工艺中，纤维素纤维的水浆或悬浮液(通称为造纸“原料”)供给到在两个或多个辊之间行进的钢丝网和/或合成材料环形带的上行侧(upperrun)顶面上。通常称作“成形织物”的带在其上行侧上表面上提供了造纸表面，所述上行侧上表面用作将造纸原料的纤维素纤维与水介质分离从而形成湿纸幅的过滤器。通过重力或者位于织物上行侧(即“机器侧”)的下表面上的真空，将水介质通过成形织物的网眼(通称为排水孔)排出。
在离开成形段之后，纸幅被传递到造纸机的压制段，在该处其穿过一个或多个覆盖有另一种织物(通常称为“压毡”)的压力机(通常为辊压机)的辊隙。来自压力机的压力将其它湿气从纸幅中去除；去除湿气通常通过压毡“棉毛”层来增强。然后纸张被传递至干燥段以进一步去除湿气。在干燥之后，纸张就可以进行二次处理和包装。
圆柱形辊通常用在造纸机的不同段中，比如压制段。这种辊在苛刻的环境中存在和操作，它们可能暴露于高的动态负荷和温度以及侵蚀性或腐蚀性化学试剂。举例来说，在典型的造纸厂中，辊不仅用于在处理站之间传输纤维质基料片，而且在压制段和砑光辊的情况下，用来将基料片本身加工成纸张。
通常需牢记在造纸机内位置来构造用于造纸的辊，这是因为处于造纸机内不同位置的辊需要执行不同的功能。因为造纸辊可能具有很多不同的性能要求，并且因为替换整个金属辊会相当昂贵，很多造纸辊包括聚合物覆层，其围绕通常为金属的芯部的圆周表面。通过改变覆层所采用的材料，覆层设计者能根据造纸应用需求来给辊提供不同的性能特点。而且，相比替换整个金属辊而言，修理、再次研磨或替换金属辊上的覆层就相当地便宜。用于覆层的示例性聚合物材料包括天然橡胶、合成橡胶，比如氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯(“CSPE”-也公知为DuPont的商标HYPALON)、EDPM(由乙烯-丙烯二烯单体所形成的乙烯-丙烯三元共聚物的名称)、聚氨酯、热固合成物以及热塑合成物。
在很多情况下，辊覆层将包括至少两个单独的层基层，其覆盖芯部并提供与其的粘合；以及顶层，其覆盖并粘合至基层并且用作辊的外表面(一些辊还将包括夹在基层和顶层之间的中间“结合”层)。这些材料的层通常选择为给覆层提供用于操作的预定物理性能。这些能包括必需的强度、弹性模量、以及对于温度升高、水和苛刻化学物质的抵抗力以承受造纸环境。另外，覆层通常被设计为具有适于其所要执行工序的预定表面硬度，并且它们通常要求纸张从覆层“释放”而不会对纸张造成损伤。而且，为了经济，覆层应当耐磨。
在纸幅被传送通过造纸机时，非常重要的是了解纸幅所承受的压力分布。压力变化会影响从纸幅排出的水量，这会影响最终纸张的湿气含量、厚度和其它性能。因此用辊施加的压力大小可能影响造纸机所生产的纸张的质量。
辊的其它性质也非常重要。例如，辊覆层在机器横向上经受的应力和应变能提供有关覆层耐用性和尺寸稳定性的信息。另外，辊的温度分布能帮助识别覆层的潜在问题区域。
已知在工业辊的覆层中包括压力和/或温度传感器。例如，授权给Moschel等的美国专利No.5,699,729描述了一种具有螺旋形布置的纤维的辊，其包括多个嵌入辊的复合物覆层中的压力传感器。过去，用于辊的传感器通常是光纤传感器(例如参见授权给Meller等的美国专利No.6,429,421)。然而，给定覆层的厚度和光纤传感器的灵敏度和通向传感器的光纤，在某些情况下难以产生和接收一致的信号。而且，在传感器之间布线的光纤可能易碎，因此在制造期间将它们放置在覆层中会很困难。另外，置于辊的芯部上(覆层的基层之下)的电传感器通常要求电绝缘并且会导致芯部-覆层结合的失效，这种失效对于覆层是灾难性的。相反，置于基层顶部上的传感器充分地绝缘，但是由于覆层顶部中的水渗透会导致故障。已经有人建议了一些压电传感器，但是其中很多由于不能在希望的温度范围(即居里温度太低，高于所述居里温度所建议的压电材料丧失可靠的压电性能)内可靠地工作而是不适合的。

发明内容
本发明能解决现有工业辊中出现的一些问题。作为第一方面，本发明的实施例涉及一种工业辊，其包括具有外表面的基本上为圆柱形的芯部；圆周地覆盖芯部外表面的聚合物覆层，该覆层包括圆周地覆盖芯部的基层和覆盖基层的顶层；和传感系统。该传感系统包括多个嵌入在覆层基层中的压电传感器，该传感器构造成传感辊所受到的压力并提供与该压力相关的信号；和与传感器操作地相关联的处理器，该处理器对由传感器提供的信号进行处理。在这种配置中，能采用通常比光纤传感器更结实的压电传感器，并且能解决以前使用压电传感器时遇到的一些问题。
作为第二方面，本发明的实施例涉及一种构造工业辊的方法，该方法包括步骤提供具有外表面的基本上为圆柱形的芯部；涂敷聚合物覆层的基层，该基层圆周地覆盖芯部外表面；将多个压电传感器嵌在基层中，所述传感器构造成传感辊所受到的压力并提供与该压力相关的信号；和涂敷圆周地覆盖基层的复合物覆层的顶层。在一些实施例中，基层包括内基层和外基层，并且传感器的嵌入包括在涂敷外基层之前将传感器施加于内基层。


图1是本发明的辊和检测系统的示意图。
图2是在图1所示辊的制造中形成的壳体和内基层的示意性透视图。
图3是利用车床形成于图3所示内基层中的槽的示意性透视图。
图4是用于图1所示辊的示例性传感器和附接电缆的放大示意图。
图5是涂敷于图2和4的内基层、电缆和传感器上的外基层的示意性透视图。
图6是涂敷于图5所示外基层上的顶层的示意性透视图。
具体实施例方式
下面将结合附图更具体地描述本发明。本发明并不限于所示的实施例，而是，这些实施例是用来向本领域的技术人员完全彻底地公开本发明。在附图中，同样的附图标记一直涉及同样的元件。为清楚起见，一些部件的厚度和尺寸可能被放大。
除非另有限定，本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属技术领域中的普通技术人员所通常理解的相同意思。本发明的描述中使用的术语仅是为了描述具体实施例而不是要限制本发明。对于本发明的描述和所附的权利要求，单数形式“一”、“该”也包括复数格式，除非文中另有清楚的指示。对于本文所使用的词语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。在使用之处，词语“附接”、“连接”、“互连”、“接触”、“耦合”、“安装”、“覆盖”等可意味着元件之间直接或间接的附接或接触，除非另有说明。
现在参照附图，宽泛地标识为20的辊在图1中示出。吸水辊20包括中空圆柱形壳体或芯部22(参见图2)和围绕芯部22的覆层24(通常由一种或多种聚合物材料形成)。用于感测压力、温度、湿度或一些其它感兴趣操作参数的传感系统26包括一对导线28a、28b以及多个压电传感器30，每个压电传感器都嵌在覆层24中。如这里所使用的，传感器“嵌”在覆层中指的是传感器或者完全包含在覆层内，并且传感器“嵌”在覆层的特定层或多层中指的是传感器完全包含在该层或多层内。传感系统26还包括对由压电传感器30所产生的信号进行处理的处理器32。
芯部22通常由抗腐蚀的金属材料形成，比如不锈钢或青铜。芯部22可以是实心的或中空的，并且如果是中空的则可以包括能改变压力或辊轮廓的装置。
覆层24能采取任何形式并且能由本领域技术人员所认知的适用于辊的任何聚合物和/或弹性测量材料形成。示例性的材料包括天然橡胶、合成橡胶，比如氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯(“CSPE”-也公知为商标名HYPALON)、EDPM(由乙烯-丙烯二烯单体所形成的乙烯-丙烯三元共聚物的名称)、环氧树脂以及聚氨酯。在很多情况下，覆层24将包括多层。图2、5和6示出了内基层42a、外基层42b和顶层70的涂敷；也可以包括其它层，比如介于外基层42b和顶层70之间的“结合”层以及介于壳体22和内基层42a之间的粘合剂层。覆层24还可以包括增强和填充材料、添加剂等。示例性的添加材料在授予Stephens的美国专利No.6,328,681、授予Jones的美国专利No.6,375,602以及美国专利公开No.20040053758中有讨论，所述专利文献的全部内容结合于此。
现在参照图4，传感系统26的压电传感器30能采取本领域技术人员认为适合于检测压力的任何形状或形式。压电传感器可包括在经受压力、温度或其它物理参数变化时显示压电效应的任何装置。“压电效应”定义为介质晶体在受到机械应力时产生电或电极性，或者这种晶体在受到所施加的电压时产生应力，所述电或电极性的大小足以将其与电噪声区分开。示例性的压电传感器包括由压电陶瓷，比如PZT型铅-锆酸盐(zirgonate)-钛酸盐、石英、合成石英、电气石、正磷酸镓、CGG(Ca3Ga2Ge4O14)、铌酸锂、钽酸锂、罗谢尔盐以及硫酸锂一水合物，形成的压电传感器。具体地，传感器材料的居里温度可高于350，并且在一些情况下高于600，这使得能在辊于造纸环境下经常经受的温度下准确地传感。传感器30的典型外部尺寸(即长度、宽度、直径等)为约2mm至20mm，并且传感器30的典型厚度为约0.002至0.2英寸。
在所示实施例中，传感器30是圆的；然而，其它形状的传感器和/或孔径也是适合的。例如，传感器30本身可以是正方形的、矩形的、圆形的、环形的、三角形的、椭圆形的、六角形的、八角形的等等。而且，传感器30可以是实心的，或者可以包括内部或外部孔(即所述孔可具有封闭的周边，或者所述孔可以是开口的，以使得传感器30呈“U”形或“C”形)。另外，也可以采用连续测量的传感器，比如压电电缆。
在所示实施例中，传感器30围绕辊20的圆周分布，以使得它们彼此间大致圆周地等距，但是也可以采用其它布置，包括这样的布置，其中传感器(a)与辊的轴线平行，(b)定位在辊上相同的轴向位置处，(c)随机分散，或者(d)上述布置的组合。而且，在所示实施例中，传感器30绕着辊的轴线限定不超过单转，但是其中传感器绕着辊限定了螺旋形的多转的布置也是适合的，如美国专利公开No.2004-0053758所示，该专利申请的全部内容结合于此。
再参照图4，传感系统26的导线28a、28b可以是本领域技术人员认为适用于在吸水辊中传送电信号的任何信号承载元件。在所示实施例中，导线28a在其一个横向边缘上在所示压电传感器30之下经过，导线28b在其直径上相对的横向边缘上在压电传感器30上方经过。每个压电传感器30都遵循这种布置。或者，导线可以布置在传感器30的相同表面上。作为另一可选方案，传感器30可具有从该传感器接触导线的边缘径向向外延伸的“翼”。作为又一可选方案，可以采用无线系统，比如2004年10月29日提交的与本申请同样未决且共同转让的、名称为“Wireless Sensors in Roll Covers(辊覆层中的无线传感器)”的美国专利申请No.10/977,948所述的无线系统；该专利申请的全部内容结合于此。
再次参照图1，处理器32通常为个人计算机或者类似的数据交换设备，比如造纸厂的分布控制系统，其与传感器30操作地相关联并且能将来自传感器30的信号处理为有用的、易于理解的信息。优选地使用无线通信模式(比如RF发信号)来将从传感器30收集的信号发射至处理单元32。其它可选的配置包括，使得信号能够从传感器30发送到处理器32的滑环连接器。适合的示例性处理单元在授权给Moore的美国专利No.5,562,027、授权给Gustafson等的美国专利No.6,752,908、以及2004年10月29日提交的名称为“WirelessSensors in Roll Covers(辊覆层中的无线传感器)”的美国专利申请No.10/977,948中有讨论，所述每份专利文献的全部内容都结合于此。
辊20能以下面所描述的和图2-6所示的方式制造。在这种方法中，最初芯部22被覆盖覆层24的一部分(比如内基层42a)。从图2中能看出，内基层42a能用喷嘴40来涂敷，不过内基层42a也能通过本领域技术人员所知的其它技术来涂敷。通常，内基层42a由橡胶或环氧树脂基复合材料形成，并且其厚度为约0.030至0.350英寸。
现在转向图3，一对连续螺旋槽50a、50b由切割设备，比如这里所示的车床52，切割到内基层42a中。槽50a、50b以约0.010英寸的深度形成(其应当足够地深以将导线28a、28b保持在其中)，并且可以按需要在内基层42a的外表面形成一个或多个完整的旋转。
现在参照图4，在槽50a、50b形成于内基层42a中之后，安装导线28a、28b以及传感系统26的传感器30。导线28a、28b螺旋地在相应的槽50a、50b内缠绕，并且传感器30紧邻所期望的位置定位。导线28a、28b被保持在槽50a、50b内从而防止了其左右地运动。
一旦传感器30处于所期望的位置，它们就能粘附就位。这可以通过本领域技术人员所知的任何技术来执行，一种示例性的技术是粘合剂粘合。
现在参照图5和6，一旦传感器30和导线28a、28b已经定位和附于内基层42a，就涂敷基层42的其它部分(即外基层42b)。图5示出了通过喷嘴52涂敷外基层42b，不过本领域的技术人员能理解外基层42b的涂敷也能通过认为适合于这种涂敷的任何技术来执行。在一种典型的辊中，外基层42b由橡胶或环氧树脂基的复合材料形成并且厚度为约0.030至0.350英寸，以使得传感器30嵌入基层42内。而且，通常外基层42a将由与内基层42a相同的材料形成。
因为压电传感器30应用在内基层42a上而非直接应用于芯部22，它们就能在没有温度绝缘的情况下应用。这样，基层42和芯部22之间的界面处的结合就不会由于传感器30的存在而受损，其结果是显著降低了这种结合失效的危险(并且因此也降低了覆层灾难性失效的危险)。另外，外基层42b在传感器30上的涂敷能降低通过顶层70的水渗透的影响。因而，将传感器30布置在基层42内能解决辊覆层中以前传感器所经受的这两个问题。
如上所述，本发明旨在包括其覆层仅包括基层和顶层的辊以及其覆层具有另外中间层的辊。任何中间层可在涂敷顶层70之前涂敷于外基层42b上。
现在转向图6，顶层70涂敷于外基层42b上。顶层70通常由橡胶或聚氨酯形成，并且可以借助本领域技术人员已知的适合于涂敷聚合物层的任何技术来施加，尽管图6中示出了借助于喷嘴72来涂敷。顶层70通常是硬度低于基层42的聚合物材料。顶层70一般为约0.200至4.00英寸。涂敷顶层70之后紧接着是固化，固化技术是本领域技术人员所公知的并且这里无需赘述。
前述是本发明的举例而非是对其的限制。尽管已经描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员将容易理解到，在实际上不偏离本发明的新颖教导和优点之下很多变型都是可能的。因此，所有这些变型都应当包含在本发明如权利要求所限定的范围之内。本发明由所附权利要求以及包括在这里的权利要求的等同范围所限定。
权利要求
1.一种工业辊，包括具有外表面和内腔的基本上为圆柱形的芯部；圆周地覆盖芯部外表面的聚合物覆层，该覆层包括圆周地覆盖芯部的基层和覆盖基层的顶层；和传感系统，该传感系统包括多个嵌入在覆层基层中的压电传感器，所述传感器构造成传感辊所受到的压力并提供与该压力相关的信号；和与传感器操作地相关联的处理器，该处理器对由传感器提供的信号进行处理。
2.如权利要求1所述的工业辊，其中传感系统还包括两根将所述多个传感器中的每个互连的电导线。
3.如权利要求2所述的工业辊，其中一根电导线接触一个传感器的顶面，并且另一根电导线接触该传感器的底面。
4.如权利要求1所述的工业辊，其中压电材料包括压电陶瓷。
5.如权利要求1所述的工业辊，其中压电材料具有至少350的居里温度。
6.如权利要求1所述的工业辊，其中基层包括内基层和外基层，并且其中传感器布置为处于内基层之上且位于外基层之下。
7.如权利要求1所述的工业辊，其中基层包括橡胶或环氧树脂基复合材料。
8.如权利要求1所述的工业辊，其中顶层由选自于包括橡胶、聚氨酯和环氧树脂的组中的材料形成。
9.如权利要求1所述的工业辊，其中内基层的厚度为约0.030至0.350英寸，并且外基层的厚度为约0.030至0.350英寸。
10.如权利要求1所述的工业辊，其中顶层的厚度为约0.200至4.0英寸。
11.一种构造工业辊的方法，所述工业辊能检测其所经受的压力，该方法包括步骤提供具有外表面的基本上为圆柱形的芯部；涂敷圆周地覆盖芯部外表面的聚合物覆层的基层；将多个压电传感器嵌在基层中，所述传感器构造成传感辊所受到的压力并提供与该压力相关的信号；和涂敷圆周地覆盖基层的复合物覆层的顶层。
12.如权利要求11所述的方法，其中涂敷基层的步骤包括将内基层涂敷于壳体上并将外基层涂敷于内基层上，并且嵌入传感器的步骤包括在涂敷外基层之前将传感器附着于内基层。
13.如权利要求11所述的方法，其中基层包括橡胶或环氧树脂基的复合材料。
14.如权利要求11所述的方法，其中顶层由选自包括橡胶、聚氨酯和环氧树脂的组中的材料所形成。
15.如权利要求11所述的方法，其中压电材料包括压电陶瓷。
16.如权利要求11所述的方法，其中压电材料具有至少350的居里温度。
17.如权利要求11所述的方法，其中内基层的厚度为约0.030至0.350英寸，并且外基层的厚度为约0.030至0.350英寸。
18.如权利要求11所述的方法，其中顶层的厚度为约0.200至4.0英寸。
全文摘要
一种工业辊包括具有外表面和内腔的基本上为圆柱形的壳体；圆周地覆盖壳体外表面的聚合物覆层；和传感系统。传感系统包括多个嵌入在覆层基层中的压电传感器，该传感器构造为传感辊的操作参数并提供与所述操作参数相关的信号，其中至少一些传感器具有孔；以及与传感器操作上相关联的处理器，该处理器对由传感器提供的信号进行处理。在一些实施例中，壳体和覆层包括贯穿传感器孔的通孔。
文档编号D21G1/02GK1989294SQ200580015112
公开日2007年6月27日 申请日期2005年5月11日 优先权日2004年5月14日
发明者R·H·穆尔 申请人:斯托·伍德沃德有限责任公司