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Die Erfindung betrifft eine Wellenlagerung für einen Rührwerksantrieb gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Antriebe für Rührwerke im industriellen Einsatz müssen vielfach sehr hohen technischen Anforderungen genügen. Bevorzugt werden Drehstrommotoren mit festen Drehzahlen von z. B. 1500, 1000,750 und 500 Umdr/min benutzt. Um den Wirkungsgrad zu maximieren, werden die Rotordurchmesser den Polzahlen entsprechend abgestuft, wodurch sich die Anzahl der benötigten Baugrössen erhöht. Besondere Probleme entstehen ferner bei der Lagerung der Rührwelle, die nicht selten ausserordentlich lang sein muss.
Wo es die Konstruktion von Hochbehältern und der darüber verfügbare Platz zulässt, werden aus Kostengründen gelegentlich Rührwerke mit einem am Behälterboden befestigten Spurlager eingesetzt. Ein Beispiel für diese Technik ist in Fig. 1 schematisch veranschaulicht. Der als Antrieb dienende Motor --10-- hat einen Vorsprung --12--, der in einen Zentrierflansch --14-- an der Oberseite eines Behälters --16-- eingreift. Die Rührwelle --18--, welche wenigstens ein Rührwerk trägt, das der Einfachheit halber hier nicht gezeichnet ist, wird am unteren Ende von einem gefütterten Spurlager --20-- gehalten, das sorgfältig auf Rundlauf ausgerichtet und anschliessend mit einer Befestigung --22-- am Boden des Behälters--16--festgelegt, z. B. verschweisst wird.
Wenn das Spurlager nicht fluchtet, können schon geringe Abweichungen eine Dauerbeanspruchung der Rührwelle bewirken, die zu ihrem Bruch (am oberen Ende) führt.
Bevorzugt sind daher Antriebe üblich, bei denen die Rührwelle fliegend gelagert ist. Man spart eine zusätzliche Lagerung der Rührwelle und eine schematisch veranschaulichte Kupplung - 24- (Fig. l) bei Hohlwellenmotoren ein, die zugleich Antrieb, Rührwellenlagerung und Kupplung bilden. Die dadurch mögliche einfache Art der Montage ist vor allem bei ungünstigen Raumverhältnissen von grossem Vorteil. Die hohl gestaltete Motorwelle ist sehr viel stärker als diejenige von Standardmotoren mit Vollwelle. Die Durchbiegung der Hohlwelle ist entsprechend kleiner, und der Luftspalt kann sehr knapp gehalten werden. Leistungsfaktor und Wirkungsgrad liegen deshalb weit über der Normalausführung von Drehstrommotoren.
Ein Beispiel für einen solchen Rührwerksantrieb ist in der DE-PS Nr. 954926 angegeben. Die dort gezeigte Ausführung eines Hohlwellenmotors hat eine glatte Oberfläche, um den hygienischen Anforderungen der Milchwirtschaft zu entsprechen. Amtlicherseits befürchtete man seinerzeit, die Anbringung von Lüftern und Lüfterhauben sowie von Kühlrippen könnte die Milch bakteriologisch beeinflussen. Bei blosser Wärmeabstrahlung von der glatten Aussenfläche des Motors ergaben sich aber Leistungsgewichte von über 90 kg/kW. Auch wurden die Milchlagertanks immer grösser ; während früher Volumina von 2 bis 30 m3 gebräuchlich waren, sind inzwischen Grössen von 5 bis 350 m3 üblich.
Infolgedessen benötigt man sehr hohe elektrische Leistungen, die Kühlmassnahmen am Antrieb unvermeidlich machten, zumal unterdessen auch höherviskose Molkereiprodukte zu verarbeiten sind, beispielsweise Eiscreme mit einer Zähigkeit bis zu 2000 mPa-s. Das durch die Wärmeabfuhr bedingte gänzlich andere thermische Verhalten brachte unerwartete Schwierigkeiten.
Der Übergang zu einem Hohlwellenmotor mit aufgeschweissten Kühlrippen erwies sich nämlich als problembelastet. Zwar ist bei gleicher Gehäuseabmessung bzw. vergleichbarer Masse mehr als die doppelte Leistung verfügbar ; Leistungsgewichte von nur 40 kg/kW und darunter lassen sich mit rationeller Konstruktion erzielen. Anderseits steigt aber die Temperaturdifferenz zwischen der Gehäuseoberfläche und der Hohlwelle stark an. So können schon im Normalbetrieb am Rotor aussen z. B. 400C, innen - an der Welle - hingegen 120 bis 150 C herrschen. Es kommen aber auch Anwendungsfälle vor, bei denen das Rührgut im Behälter hoch erhitzt wird, etwa auf Temperaturen von 500 bis 800 C, so dass umgekehrt eine Wärme-Einleitung über die Antriebswelle in den Motor stattfindet.
Die Folge so hoher Temperaturunterschiede ist, dass sich die Rührwelle innerhalb der Motor-Hohlwelle lockert, was wieder die Schwingungsfestigkeit und die kritischen Drehzahlen stark beeinträchtigt und mithin die Betriebszuverlässigkeit mindert oder gar in Frage stellt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten fliegenden Lagerung der Rührwelle eines Hohlwellen-Rührwerksantriebes, mit welcher ein bleibender oder nachstellbarer, jedenfalls aber funktionssicherer Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen bei möglichst hoher Biegesteifigkeit der Verbindung erzielt wird, wobei im Ruhezustand der Wellenbefestigung oben über
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das Gewicht der Rührwelle hinaus möglichst keine Zugspannung auftreten soll.
Die erfindungsgemässe Wellenlagerung sieht hiezu die Merkmale des kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1 vor. Ein gewöhnlich mit der Rührwelle einteiliges Lagerstück wird demgemäss am
Oberteil der Motor-Hohlwelle durch eine Schraubverbindung lösbar festgelegt, die elastisch vorgespannt ist, so dass mit einfachsten Mitteln eine wirksame Sicherung gegen Lockerung der Rührwelle erzielt ist. Wichtig ist, dass eine solche elastische Vorspannung - die gemäss Anspruch 2 und 3 ausgestaltet sein kann - nicht nur eine elastische Axialspannung, sondern auch eine Zentrierung der Hohlwelle am oberen Ende ihres Lagerstückes gestattet. Versuche haben erwiesen, dass eine derartige Lagerung thermischen Wechselbeanspruchungen ebenso wie dauernden Temperaturdifferenzen von beispielsweise 100 C und zum Teil weit darüber mühelos standhält.
Es ist von grosser Bedeutung, dass erfindungsgemäss lediglich durch die elastische Vorspan- nung an der Lagerung die dauerhafte Befestigung der Rührwelle gesichert ist, ohne dass deren kritische Drehzahlen (bekanntlich geht die freie Rührwellenlänge hier quadratisch ein !) davon nennenswert beeinflusst würden. Dies ermöglicht es vor allem, den üblichen unterkritischen Direktantrieb beizubehalten, der für schnelles Durchmischen der verschiedensten Rührgüter sehr günstig ist.
Eine überaus vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 4 angegeben. Hiebei wird die elastische Vorspannung durch eine nach unten konkav gewölbte Tellerfeder erzeugt, die besonders einfach und kostensparend herstell- und montierbar ist. Es können aber auch gemäss den Ansprüchen 5 bis 7 Paare, insbesondere gegensinnig angeordneter, Tellerfedern und Tellerfedersäulen eingesetzt werden, um die Federcharakteristik den Bedarfsfällen entsprechend einzustellen.
Bevorzugt wird laut Anspruch 8 zur Festlegung eine Zylinderschraube mit breitem Flanschkopf benutzt, der den Oberteil der Motor-Hohlwelle oder einen an ihr angreifenden Spannteil übergreift und in axialem Abstand mit einem Gewindeloch am oberen Ende des Lagerstückes schraubt.
Eine andere ebenfalls sehr wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht nach Anspruch 9 eine Feder vor, die den Schaft einer solchen Zylinderschraube umschliesst und sich zwischen deren Flanschkopf und der oberen Stirnfläche des Lagerstückes abstützt, das laut Anspruch 10 am oberen Ende einen Hohlkonus haben kann, in den ein federbelasteter Gegenkonus eintaucht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die Spannmittel der erfindungsgemässen Wellenlagerung sind Gegenstand der Ansprüche 11 und 12 ; die dort vorgesehenen Massnahmen erleichtern die Fertigung sowie die Montage und Demontage.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen. Darin zeigen : Fig. 2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Rührwerksantriebes, teilweise im Axialschnitt, Fig. 3 eine verzögerte Axialschnittansicht eines Hohlwellenmotors mit Lagerung des oberen Endes der Rührwelle nach der Erfindung, Fig. 4 einen vergrösserten Ausschnitt entsprechend dem Kreis in Fig. 3, Fig. 5 einen schematisierten Axialschnitt einer abgewandelten Ausführungsform einer Rührwellenlagerung, Fig. 6 einen schematisierten Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Rührwellenlagerung nach der Erfindung und Fig. 7 einen schematisierten Axialschnitt noch einer andern Ausführungsform einer Rührwellenlagerung nach der Erfindung.
Aus Fig. 2 ist ein Motor --30-- ersichtlich, der einen Befestigungsflansch --32-- besitzt und in seiner Hohlwelle --38-- die Rührwelle --34-- lagert, an deren unterem Ende ein Rührwerkzeug, beispielsweise ein Propeller --36--, angebracht ist. Man erkennt, dass die freie Rührwellenlänge !. sehr viel grösser ist als die Einspannlänge L, die für die Lagerung der Rührwelle - zur Verfügung steht. Hat man nur wenig Platz oberhalb der Befestigungsebene des Flansches --32--, so muss der Motor --30-- sehr flach bzw. niedrig konstruiert sein, wodurch sich die nutzbare Eigenspannlänge L weiter verkürzt.
Eine für diesen Fall geeignete Lagerung der Rührwelle --34-- in einem Motor --30-- von geringerer Bauhöhe ist in Fig. 3 veranschaulicht. Hiebei ist die Motor-Hohlwelle --38-- mit dem Rotor --40-- starr verbunden, der dem Stator --42-- mit kleinstmöglichem Radial-Luftspalt gegenübersteht. Am oberen Ende --48-- der Hohlwelle --38-- ist ein Lüfterrad --44-- angebracht.
Die Hohlwelle --38-- ist in einem oberen Kugellager --46-- und in einem unteren Kugella-
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In den Motor --30-- hinein setzt sich die Rührwelle --34-- mit einem Lagerstück --54-fort, das unten in einem Konuslager --52-- und oben in einem Zylinderlager --50-- mit der Hohlwelle --38-- drehfest verbunden ist. Ein Anschlusskasten --56-- enthält die elektrischen Anschlüsse zu der Wicklung des Stators --42--.
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kömmlicher Weise ausgebildet ist, sieht die Erfindung am oberen Ende --48-- eine durch den Kreis --60-- hervorgehobene Schraubverbindung besonderer Art vor (vgl. Fig. 4). Sie besteht vorzugsweise aus einer Zylinderschraube --62-- mit breitem Flanschkopf --70-- und Schaft --72--, der in einem Gewindeloch --64-- an der oberen Stütz- oder Stirnfläche --74-- des Lagerstückes - eingeschraubt ist.
Zwischen dem Schraubelement --62-- und dem Gegenelement --67-herrscht eine elastische Vorspannung, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 von einer Tellerfeder --66-- bewirkt ist, deren äusserer Rand --68-- sich am Oberteil --48-- der Hohlwelle --38-bzw. einer damit drehfest verbundenen Passbuchse des Zylinderlagers --50-- abstützt. Hiebei ist wichtig, dass zwischen der Unterseite der Tellerfeder --66-- und der Fläche --74-- bei allen Betriebszuständen des erfindungsgemässen Rührwerksantriebes ein Mindest-Axialabstand verbleibt.
Sowohl innen als auch aussen ist das Lagerstück bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungs-
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oberen Lagerfläche --80-- des oberen Zylinderlagers --50--. Dazwischen ist eine Lagerschale - axial eingespannt, so dass sich die wirksame Einspannlänge L ergibt. Am oberen Ende - der Hohlwelle ist die Schraubverbindung --60-- wirksam. Sie besteht wieder aus einer Zylinderschraube --62-- mit Flanschkopf --70-- und Schaft --72--, der mit einem Gewindeloch --64-- am oberen Ende des Lagerstückes --54-- schraubt. Zwischen dessen oberer Stützfläche
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Dieses Prinzip ist auch bei Ausführungsform gemäss Fig. 6 angewendet.
Hier ist die Motor- -Hohlwelle --38-- mit ihrem oberen Ende --48-- vom Flanschkopf --70-- der Zylinderschraube - übergriffen, deren Schaft --72-- mit dem Gewindeloch --64-- im Oberteil des Lagerstückes - schraubt. Letzteres hat dort einen Hohlkonus --84--, dem ein auf dem Schaft --72-- der Zylinderschraube --62-- gleitbarer Gegenkonus --86-- gegenübersteht. Dieser hat eine obere Stützfläche --74-- für die Druckfeder --76--, die am andern (oberen) Ende von der Unterseite einer einspringenden Lagerbuchse --78-- abgestützt wird.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel hat das obere Ende --48-- der Motor- - Hohlwelle eine Konusbuchse --92--, der eine vorzugsweise in Axialrichtung geschlitzte Konus- -Spannbuchse --8-- konzentrisch gegenübersteht. An ihrem Kopf greift die Schraubverbindung - an, wobei die Zylinderschraube --62-- mit dem Flanschkopf --70-- die Konus-Spannbuchse - übergreift. Der Schaft --72-- der Schraube --62-- ist wieder mit dem Gewindeloch --64-im Oberteil des Lagerstückes --54-- verbunden. Zwischen seiner oberen Stützfläche --74-- und der Unterseite des Flanschkopfes --70-- sitzt eine Druckfeder --76--, welche die elastische Vorspannung der Schraubverbindung --60-- bewirkt.
Allgemein ist zu sagen, dass der Rotor --40-- sich aussen in einer einzigen Einspannung drehen und schleifen lässt. Auch die Sitze für die Kugellager-46, 46'-sowie für die verschiedenen Spannteile für die Rührwelle --34-- bzw. ihr Lagerstück --54-- können in einem Arbeitsgang geschliffen werden. Diese Spannteile, z. B. die Buchsen --88, 90--, können aus einem schlecht wärmeleitenden Material bestehen, das die Wärmeübertragung vom Rotor --40-- zum La- gerstück --54-- vermindert und verlangsamt ; es ist aber auch möglich und erfindungsgemäss vorgesehen, sie aus hochfestem Stahl herzustellen, zu schleifen und zu härten. Diese Einzelstücke lassen sich auf Automaten überaus präzise und preisgünstig fertigen. Da sie austauschbar sind, kann nun z.
B. der Betriebsschlosser das Auswechseln vornehmen, wogegen bei herkömmlichen Antrieben eine völlige Demontage mit maschineller Bearbeitung des Rotors notwendig waren.
Formen und Abmessungen der Spannteile sind so gewählt, dass die im Betrieb auftretenden
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Massänderungen, namentlich Wärmedehnungen, ohne Überbelastung kompensiert werden. Entsprechend ist die Ausgleichsfederung, die auch aus einem Feder-Aggregat bestehen kann, dimensioniert.
Eine Lockerung des Lagerstückes --54-- der Rührwelle --34-- tritt daher auch bei Langzeitbetrieb mit starken Lastwechseln nicht auf.
Insbesondere bei empfindlichen Rührgütern ist eine tadellose Abdichtung des Antriebes unerlässlich. Hiebei ergab sich mit herkömmlichen Konstruktionen die Schwierigkeit, dass im Falle des Austausches der Rührwelle --34-- trotz der Zentrierung durch das untere Konuslager--52-- kein sattes Anliegen der Dichtung gewährleistet war. Dies bedingte, dass bei sogenannten Dichtflansch-Rührwerken Antriebe mit Massivwellen eingesetzt werden mussten, deren Querschnitte nur etwa ein Fünftel des bei Hohlwellen möglichen Querschnittes betrugen. Demgegenüber gestattet der Hohlwellen-Antrieb nach der Erfindung die Einarbeitung einer Labyrinth-Dichtung, die Integration mit einer Tropfscheibe und/oder den Anschluss eines mitrotierenden Dichtungsträgers, so dass selbst höchsten Hygiene-Anforderungen Rechnung getragen werden kann.
Den vorbeschriebenen Ausführungsformen und weiteren Abwandlungen ist gemeinsam, dass unterschiedlichen Wärmedehnungen und auch Toleranzen von Fertigung und Montage mit einfachsten Mitteln zuverlässig begegnet wird. Dank dieser Anordnung ist es möglich, die axiale und radiale Baugrösse des Rührwerksantriebes äusserst kompakt zu halten. Durch den einwandfreien Sitz der Rührwelle in der Motor-Hohlwelle ist ein stetiger Kraftfluss mit vollständiger Übertragung des Drehmoments gewährleistet ; zusätzlich nimmt die Lagerung alle auftretenden Axialkräfte sowie das Gewicht der Rührwelle sicher auf.
Für die Produktion ist es sehr vorteilhaft, dass an den Wellen wenig oder keine Feinbearbeitung erforderlich ist.
Im Betrieb erweist es sich als günstig, dass die Wellen nirgends geschwächt sind und infolge radialer Steife alle Biegemomente der praktischen Beanspruchung aufgefangen werden. Die Lagerung und Befestigung hat darüber hinaus den grossen Vorzug, dass dank gesicherter Zentrierung eine Mehrfachmontage jederzeit reproduzierbar möglich ist, so dass Wartungsarbeiten bequem durchgeführt werden können und auch ein Austausch der Rührwelle stattfinden kann, ohne dass eine Nachbearbeitung der Lagersitze nötig würde.
Schwingungsverhalten und kritische Drehzahl (en) sowie die Dichtungsverhältnisse sind bei dem Rührwerksantrieb nach der Erfindung stets definiert. Soweit erfindungsgemäss die elastische Vorspannung, insbesondere durch wenigstens eine Tellerfeder, bewirkt wird, ist deren Bemessung durch-von der Baugrösse des benötigten Rührwerks abhängige - geeignete Wahl von Aussen- und Innendurchmesser sowie Wandstärke und Anstellwinkel leicht auf die Rührwellen-Verhältnisse abzustimmen. Durch einfaches Nachstellen der elastischen Vorspannung an der Schraubverbindung lassen sich die Betriebsbedingungen den jeweiligen Erfordernissen anpassen, um die Lasterhöhung oder-minderung auf die Wärmedehnungen einzustellen, die im Anwendungsfall auftreten.
Für die Verwirklichung der Erfindung ist es sehr günstig, wenn bei der elastischen Schraub- - Verspannung unter Einsatz von Tellerfedern diese namentlich auch ineinandergeschachtelt werden, indem jeweils eine obere Tellerfeder die zugeordnete untere übergreift oder umgekehrt. Durch Anlage des Umfanges der dann inneren Tellerfeder an einem ausgewählten Ringbereich der äusseren Tellerfeder kann die Gesamt-Federcharakteristik besonders vorteilhaft beeinflusst werden.
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