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Die
Erfindung betrifft eine Kupplungseinheit für eine Förderanlage insbesondere für Bandanlagen und
Kettenförderer
mit einer Antriebsmaschine, bestehend aus einer variabel befüllbaren
und stets konstant entleerenden hydrodynamischen Kupplung sowie
einem eigenen direkt vom Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung
angetriebenen Betriebsmittelversorgungssystems und einer ebenfalls
mit dem Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung drehfest und axialkräftefrei
gekoppelten Lamellenkupplung mit Durchschalteinrichtung und Drehzahlüberwachung
sowie einer auf der Abtriebsseite angeordneten Bremseinheit.
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Es
ist bekannt, in Förderanlagen,
insbesondere von Gurtbandförderern,
zur Realisierung einer langsamen ruckfreien Beschleunigung der Anlage, der
Dämpfung
von Belastungsstößen und
zum Belastungsausgleich Kupplungseinheiten mit einer hydrodynamischen
Kupplung einzusetzen. Damit soll vor allem eine verschleißfreie Kraftübertragung,
ein lastfreier Motoranlauf und eine sanfte Beschleunigung schwerster
Massen erzielt werden. Diese Vorteile fallen bei Gurtbandförderern
auf Grund des bei der Kraftübertragung
auftretenden Schlupfes besonders ins Gewicht. Durch eine entsprechende
Betriebsweise der Kupplungseinheit kann eine wesentliche Erhöhung der
Gurtlebensdauer erzielt werden. Gattungsgemäße Kupplungseinheiten für Förderanlagen
mit einer Antriebsmaschine und einer hydrodynamischen Kupplung umfassend
ein Pumpen- und ein Turbinenrad, welche miteinander einen mit Betriebsmittel
befüllbaren
Arbeitsraum bilden, welchen ein Betriebsmittelversorgungssystem
zugeordnet ist, sind aus den Druckschriften
DE 195 12 367 A1 ,
DE 197 07 172 C1 ,
DE 197 06 652 A1 und
WO 98/32987 bekannt.
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Ferner
ist in der Druckschrift
EP
0 756 109 A2 eine Durchschalteinrichtung für eine hydrodynamische
Strömungskupplung
beschrieben.
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Besonders
beim Einsatz im Bergbau ist bekannt diese Kupplungen mit dem Betriebsmittel
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Wasser
zu betreiben. Das Betreiben solcher Kupplungen mit dem Betriebsmittel
Wasser bedingt, daß die
inneren Lager der Kupplung die mit Fett oder Öl geschmiert werden, gegen
das Wasser abgedichtet sein müssen.
Bei Undichtigkeit, die von außen nicht
feststellbar ist werden die Lager Schaden nehmen. Um im Dauerbetrieb
die Wärmeabfuhr
zu realisieren werden diese Kupplungen und der Betriebsmittelkreislauf
derart ausgeführt,
daß ständig Betriebsmittel
aus dem Kreislauf der Kupplung und damit die bei der Kraftübertragung
enstehende Wärme abgeführt wird.
Im allgemeinen kommen zwei Systeme zur Anwendung, einmal die Verwendung
eines offenen Systems und einmal die Verwendung eines geschlossenen
Systems.
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Bei
Verwendung eines offenen Systems werden die Kupplungen aus einer
Frischwasserleitung gespeist. Das heißt, das Wasser muß in irgend
einer Form aufbereitet sein und wird über weite Wege herangeschafft.
Bei Verwendung einer Doppelkupplung, d.h. einer Kupplung mit zwei
Kreisläufen
beinhaltet die Wassersteuerung zwei Wasserkreisläufe, die auch als Arbeitskreisläufe bezeichnet
werden. Zum Anfahren werden diese mit einem großen Volumenstrom befüllt, während im
Dauerbetrieb auf einen reduzierten Volumenstrom zurückgefahren
wird. Dieser dient zur Abführung
der bei der Kraftübertragung
anfallenden Wärme,
die bei derartigen Kupplungen im Dauerbetrieb nicht unerheblich
groß ist.
Nachteilig gestaltet sich außerdem
der hohe Wasserverbrauch, da ständig
Frischwasser zum Durchlauf durch die Kupplung bereitgestellt werden
muß. Die
Bereitstellung kann je nach Einsatzfall problematisch sein.
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Eine
zweite bekannte Möglichkeit
besteht darin, das Betriebsmittel in einem geschlossenen System
mit integrierten Kühleinrichtungen
zu fördern. Die
Kupplungen werden zu diesem Zweck aus einem Tank über Verbindungsleitungen
in Form von Schläuchen
gespeist. Der Tank ist vom Niveau her unterhalb der Kupplung angeordnet.
Das Betriebsmittel aus der Kupplung, insbesondere dem Arbeitsraum,
kann somit aufgrund der Schwerkraft zurück in den Tank fließen. Für den Betrieb
ist jedoch eine Pumpe erforderlich, die das im Tank befindliche
Betriebsmittel in den Arbeitskreislauf der Kupplung fördert. Auf
Grund der Leistungsübertragung
durch das Betriebsmittel, erwärmt
sich dieses. Es sind deshalb am äußeren Umfang
der Kupplung Abspritzdüsen
vorgesehen, über welche
ein allmählicher
Austritt des Betriebsmittels erfolgt. Das abgeführte erwärmte Betriebsmittel sammelt
sich im Betriebsmittelauffangbehälter
bzw. Kupplungsgehäuse
und gelangt von dort auf Grund der Schwerkraft in den Tank zurück. Ein
derartig geschlossenes System zeichnet sich insbesondere durch eine
wassersparende Betriebsweise aus. Es erfordert jedoch eine erhöhte Anzahl
von Bauteilen und Elementen sowie einen erhöhten Platzbedarf, insbesondere
auf Grund der Notwendigkeit des Vorsehens von Zulaufleitungen zwischen
Tank, Kühler und
Kupplung und des zur Realisierung des Rücklaufes erforderlichen Gefälles zwischen
Arbeitsraum und Tank. Ein weiterer großer Nachteil, insbesondere von
mit dem Betriebsmittel Wasser betriebenen hydrodynamischen Kupplungen,
ist die Kavitationsbildung und damit verbunden der zwangsläufige Ausfall der
Kupplung. Weiterhin ist es mit hydrodynamischen Kupplungen bei ansteigenden
Gurtförderern,
nicht möglich
den Gurtförderer
gegen Rücklauf
festzuhalten. Es muß immer
zusätzlich
am Getribe eine Haltebremse installiert werden. Außerdem ist
es nicht ohne weiteres möglich
mit hydrodynamischen Kupplungen vom motorischen Zustand in den generatorischen
Zustand überzugehen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde nur eine, in einem
Gehäuse
befindliche, Kupplungseinheit zu schaffen deren vom Pumpenrad der
hydrodynamischen Kupplung selbst direkt angetriebenes Befüllsystem
die hydrodynamische Kupplung nur für das Anfahren und für Schleichfahrten
mit Betriebsmittel befüllt,
an deren Pumpenrad des weiteren eine Lamellenkupplung drehfest gekoppelt
ist die über
eine Durchschalteinrichtung axialkräftefrei bei Erreichung der
Nenndrehzahl zugeschaltet wird, und deren Ein- und Ausgangswellendrehzahl
mittels Sensoren überwacht
und bei Gefahr die Antriebseinheit von der Antriebsmaschine entkoppelt
und deren Bremseinrichtung die Förderanlage
abbremst und somit die Nachteile der bekannten Lösungen vermieden und der Aufwand
für Steuersysteme
auf ein Minimum reduziert werden. Nachfolgend wird die Erfindung
anhand von einer, ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1, eine in einem Gehäuse befindliche Kupplungseinheit
mit hydrodynamischer Kupplung, mit eigenem Befüllsystem, mit Sensoren überwachter
Lamellenkupplung, mit Durchschalteinrichtung und mit Bremseinrichtung
im Längsschnitt.
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2 einen Ausschnitt A der 1 in vergrößerter Ansicht
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Eine
am Flansch 2 der Kupplungseinheit angeflanschte Kraftmaschime
treibt mit ihrer Antriebswelle 4 und der auf ihr montierten
Verzahnungsnuß 5 die
Antriebswelle 6, die Pumpenräder 7a und 7b der hydrodynamischen
Kupplung sowie die die Außenhülse 9 der
Lamellenkupplung an. Die Pumpenräder 7a und 7b sind über einen
Zwischenring 7c fest verbunden. Die Teile 4,5,6,7a,7b,7c und 9 drehen
also synchron.
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Gleichzeitig
wird von der Antriebswelle 6 über das Zahnrad 11 die
Zahnradpumpe 12 angetrieben. Die Zahnradpumpe 12 saugt
aus dem der Kupplungseinheit zugehörigen Ölsumpf 20 durch das Saugrohr 21 Öl an und
fördert
dieses über
die Druckleitung 22 in eine zur Kupplungseinheit gehörende, nicht
dargestellte Druckölverteilungseinheit über die Rohrleitung 23 zurück in den Ölsumpf.
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Die
Druckölverteilungseinheit
ist derart gestaltet, daß diese
das von der Zahnradpumpe 12 über die Druckleitung 22 ihr
zugeführte Öl, geregelt über die
Rohrleitung 24 den synchron mit der Antriebswelle 6 drehenden
Pumpenräder 7a und 7b sowie
dem Zwischenring 7c der hydrodynamischen Kupplung Öl zuführen kann.
Gleichzeitig schleudert die hydrodynamische Kupplung, über in dem
Zwischring 7c befindliche Düsen 25 konstant Öl ab, welches auf
Grund der Schwerkraft in den Ölsumpf 20 zurück gelangt.
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Die über die
Düsen 25 abgeschleuderte Ölmenge ist
bei Synchrondrehzahl der Kraftmaschine konstant. Über eine
steuerbare Ölzufuhrmenge über die
Rohrleitung 24 kann nun die hydrodynamische Kupplung bis
zu dem von ihr physikalisch möglichen Übertragungsmoment
befüllt
und konstant gehalten werden. Die Turbinenräder 16a und 16b,
die über eine
Zahnwellenverbindung formschlüssig
mit der Abtriebswelle 15 verbunden sind übertragen
das vom Befüllungsgrad
der hydrodynamischen Kupplung physikalisch mögliche Drehmoment. Hydrodynamische
Kupplungen haben einen typischen Wirkungsgrad von 95 bis 97% auf
die Abtriebswelle 15. Sie haben also einen Schlupf von
3 bis 5% und entwickeln somit ständig
Wärme.
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Sobald
die hydrodynamische Kupplung die erforderliche Drehzahl und das
erforderliche Abtriebsmoment erreicht hat, wird die Lamellenkupplung
mittels der Durchschalteinrichtung mit dem Stufenringkolben 26 über den
Druckanschluß 27a zugeschaltet.
Der Stufenringkolben 26 drückt über ein nach
zwei Seiten Kräfte
aufnehmendes Vierpunktlager 8 über die Nabe 17b,
die Außenlamellen 10a und die
Innenlamellen 10b der Lamellenkupplung zu. Der Zahnring 1 mit
den Innenlamellen 10b und der Abtriebswelle 15 der
Kupplungseinheit sind über
eine Zahnwellenverbindung formschlüssig verbunden. Ab diesem Zeitpunkt
sind die Turbinenräder 16a und 16b der
hydrodynamischen Kupplung, die bis dahin für die Drehmomentübertragung
zuständig
waren, funktionslos, also kurzgeschlossen, und die Lamellenkupplung überträgt reibschlüssig das
anstehende Drehmoment und die Abtriebswelle 15 der Antriebseinheit
dreht mit der Antriebswelle 6 synchron.
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Nach
der Zuschaltung der Lamellenkupplung wird die Ölzufuhr über die Rohrleitung 24 zur
hydrodynamischen Kupplung 8 von der Druckölverteilungseinheit
abgeschaltet und über
die Rohrleitung 23 dem Ölsumpf
wieder zugeführt.
Da die hydrodynamische Kupplung weiter dreht, wird das in ihr befindliche Öl über die
im Zwischenring 7c befindlichen Düsen 25, Fliehkraft
bedingt abgespritzt, so daß sich
die hydrodynamische Kupplung selbst entleert, und keine Wärme mehr
entwickelt.
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Die
Kupplungseinheit überträgt nun das
eingeleitete Drehmoment ohne Schlupf mit der Drehzahl der Kraftmaschine
synchron. Es findet also zwischen den Pumpenrädern 7a, 7b und
den Turbinenrädern 16a, 16b keine
durch den Kupplungsschlupf hervorgerufene Wärmeentwicklung mehr statt.
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Zur Überwachung
der Ein- und Ausgangsdrehzahl der Kupplungseinheit greift ein Sensor 28 die
Eingangsdrehzahl an der Außenhülse 9 und
ein Sensor 29 die Ausgangsdrehzahl an der Nabe 17b der
Lamellenkupplung ab. Die beiden Sensoren 28 und 29 kommunizieren über eine
nicht dargestellte Elektronikeinheit. Tritt nun an der Arbeitsmaschine ein
Crash ein, so, daß sich
zwischen Antriebsdrehzahl und Abtriebsdrehzahl eine Drehzahldifferenz einstellt,
wird der Stufenringkolben 26 von der Druckölverteilungseinheit über den
Anschluß 27b schlagartig
zurückgeschaltet
und über
die Druckfedern 30 offen gehalten. Die Lamellenkupplung
ist somit offen und kann frei durchdrehen. Antriebsmaschine und
Förderer
sind also augenblicklich von einander entkoppelt, so daß die Antriebsmaschine
mit dem ihr eigenen Massenträgheitsmoment
leer durch dreht. Die Förderanlage
und das Zwischengetriebe werden also somit geschützt. Gleichzeitig mit dem Drucklosschalten
der Lamellenkupplung wird die Bremseinheit 19 auch von
der Druckölverteilungseinheit über den
Anschluß 31 drucklos
geschaltet und die, der Bremseinheit eigenen Tellerfedern schließen die
Bremse, so daß über die
Bremsscheibe 18 die Abtriebswelle 15 der Kupplungseinheit
bebremst wird.