DE102004020898B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern (9) oder Rakeln gegenüber einer Lochplatte (1), wobei die Messer (9) oder Rakeln an einem Messerhalter (3) befestigt sind und zwischen der Lochplatte (1) und den Messern (9) oder Rakeln eine Relativbewegung in rotierender oder oszillierender Form erfolgt, und wobei der Messerhalter (3) mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen die Lochplatte (1) gedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Messer (9) mindestens ein Drucksensor (11) angeordnet ist, der mit einem Steuergerät zur Anpassung des Anpressdruckes und/oder zur Anstellung des jeweiligen Messers (9) gegenüber der Lochplatte (1) verbunden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern oder Rakeln gegenüber einer Lochplatte mit den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1 und 10.
- Aus den Druckschriften
EP 1 275 483 A1 undEP 1 334 813 A1 sind als Unterwassergranulierungsvorrichtungen ausgebildete Granulierungsvorrichtungen zur Herstellung von Kunststoffgranulaten bekannt. Bei diesen Granulierungsvorrichtungen wird ein Kunststoffpulver in einem Extruder aufgeschmolzen, und die dabei entstehende Kunststoffschmelze wird anschließend, unter hohem Druck und erhöhter Temperatur, durch die Bohrungen in einer Lochplatte in eine Kammer gedrückt, welche von Wasser durchströmt wird. Innerhalb der Kammer werden schnell rotierende Messer über die Lochplatte geführt, durch die die zuvor in den Bohrungen geformten Kunststoffstränge beim Austritt aus der Lochplatte in kleine Granulate geschnitten werden. Die Messer sind an einem rotierenden Messerhalter befestigt, der mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen die Lochplatte gedrückt wird. - Die Höhe des Anpressdruckes der Messer ist unter anderem von den Eigenschaften des Kunststoffes abhängig und muss gemessen und geregelt werden. Bei einen zu hohem Anpressdruck werden die Messer zu stark abgenutzt, und der Verschleiß an der Lochplatte nimmt zu. Bei einem zu geringen Messeranpressdruck kann beispielsweise ein Schmierfilm auf der Lochplatte entstehen und die notwendige Granulatqualität sich erheblich verringern. Die Granulatqualität ist somit unter anderem direkt abhängig von der richtigen Wahl der Schnittparameter.
- Durch eine kontinuierliche abrasive Abnutzung der Messer verringert sich zunehmend der Anpressdruck der Messer, so dass eine Nachstellung der Messer in definierten Zeitintervallen notwendig wird, um den erforderlichen Anpressdruck der Messer an der Lochplatte zu gewährleisten. Die erforderliche Nachstellung der Messer erfolgt entweder manuell oder durch programmierte Steuerungszyklen. Das Bedienungspersonal verwendet zur Nachstellung unter anderem Erfahrungswerte wie z. B. die Stromaufnahme des Motors oder die Schnittqualität des Granulates, um die erforderlichen Nachstellungen manuell vorzunehmen, damit die abrasive Abnutzung der Messer ausgeglichen werden kann. Ferner werden halbautomatische Systeme, wie z. B. federgestützte, pneumatische Regelsysteme oder hydraulische Systeme verwendet.
- Die derzeitig bekannten Regelsysteme für die Messersteuerung basieren auf hydraulischen, pneumatischen, elektrischen (Stromaufnahme des Motors) oder mechanischen Vorrichtungen, die einen definierten Anpressdruck auf den Messerhalter über die Messerwelle erzeugen und auf die Messer übertragen. Diese Regelsysteme bieten keinen zuverlässigen Schutz vor Beschädigungen an der Lochplatte, die infolge von Bedienungsfehlern oder Veränderungen der Prozessparameter auftreten können. Eine programmierte – beispielsweise eine federgestützte Messernachstellung – kann unter Umständen einen zu hohen Anpressdruck erzeugen, da nicht alle betriebsbedingten Schwankungen berücksichtigt werden können. Hierdurch tritt ein erhöhter und unnötiger Verschleiß an den Messern und der Lochplatte auf.
- Allen bisherigen Regelsystemen ist gemeinsam, dass nicht der vorliegende, das heißt der realistische Messeranpressdruck zwischen Messer und Lochplatte gemessen und geregelt werden kann.
- Aus der
WO 02/054031 A1 US 2003/0089177 A1 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mess- und Regelungssystem zu entwickeln, das in der Lage ist, den tatsächlichen Anpressdruck zwischen der Lochplatte und den Messern zu messen und den erforderlichen Anpressdruck einzustellen.
- Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Mit der Erfindung kann der Anpressdruck durch die Position des Messers unmittelbar gemessen werden, wodurch eine individuelle Messerregelung möglich wird. Durch die Messung des Anpressdrucks zwischen Messer und Lochplatte wird außerdem ein wirksamer Überlastschutz gewährleistet und die Lebensdauer der Messer und der Lochplatte verlängert. Das notwendige Zeitintervall bis zum Austausch der Messer kann durch die Steigerung der Lebensdauer verlängert werden, was bedeutet, dass die Granulierungsvorrichtung weniger häufig abgefahren werden muss.
- Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
-
1 den Längsschnitt durch eine Granulierungseinrichtung, -
2 die Draufsicht auf die der Lochplatte zugewandten Seite des Messerhalters der Granulierungseinrichtung gemäß1 , -
3 die Einzelheit Z nach1 , -
4 die Einzelheit Y nach3 gemäß einer anderen Ausführungsform, -
5 den Bereich der Befestigung eines Messers an dem Messerhalter und -
6 den Bereich der Befestigung eines Messers an dem Messerhalter gemäß einer weiteren Ausführungsform - Die dargestellte, als Unterwassergranulierungseinrichtung ausgebildete Granulierungseinrichtung besteht aus einer Lochplatte
1 , einer Wasserkammer2 und einem Messerhalter3 . Die Wasserkammer2 ist von Wasser durchströmt und zu diesem Zweck mit einem Wasserzulauf4 und einem Wasserablauf5 versehen. Die Wasserkammer2 ist auf einer Seite von der Lochplatte1 begrenzt. In der Lochplatte1 sind Kanäle6 angeordnet, die sich gleichmäßig über einen auf der Lochplatte1 gedachten Kreis verteilen. Zur Wasserkammer2 hin enden die Kanäle6 jeweils in einer oder mehreren Reihen von Bohrungen7 . Der Messerhalter3 ist auf einer angetriebenen rotierenden Messerwelle8 befestigt, die durch eine Wand der Wasserkammer2 abgedichtet hindurchgeführt ist. An dem Messerhalter3 sind über Schrauben10 Messer9 befestigt, die mit hoher Geschwindigkeit den mit Bohrungen7 versehenen Bereich der Lochplatte1 überstreichen. - An die Lochplatte
1 der Granulierungseinrichtung ist ein nicht gezeigte Extruder angeschlossen, der eine Kunststoffschmelze mit hohem Druck und erhöhter Temperatur durch die Kanäle6 und die sich anschließenden Bohrungen7 in die Wasserkammer2 drückt. Die schnell rotierenden Messer9 schneiden die aus den Bohrungen7 auftretenden Kunststoffstränge in kleine Granulate, die durch das Wasser gekühlt und verfestigt werden. - Die Oberfläche der Lochplatte
1 unterliegt durch den Kontakt mit den Messern9 einem hohen Verschleiß. Um dem Verschleiß entgegenzuwirken, ist die Oberfläche der Lochplatte1 mit einer Beschichtung aus einer extrem dünnen, harten Verschleißschicht in einer Dicke von 2 μm bis 20 μm versehen. In der Verschleißschicht können Sensoren zur Überwachung der Dicke der Verschleißschicht installiert sein. - Die in der beschriebenen Granulierungseinrichtung auftretenden Belastungen können sich auch in anderen Vorrichtungen zeigen, in denen Messer oder Rakel mit einer Lochplatte zusammenwirken, und die Messer oder Rakel bei stillstehender Lochplatte oder die Lochplatte bei stillstehenden Messern oder Rakeln eine rotierende oder oszillierende Bewegung ausführen.
- Die Messerwelle
8 wird mit einer Vorschubkraft FM gegen die Lochplatte1 gedrückt. Die erforderliche Vorschubkraft FM wird in einem Steuergerät vorgegeben und mittels hydraulischer, pneumatischer oder sonstiger Systeme an der Messerwelle8 erzeugt. Die Vorschubkraft FM der Messerwelle8 verteilt sich auf die Messer9 und erzeugt den notwendigen Anpressdruck an den Messern9 . - Der erforderliche Anpressdruck (FM1, FM2) der Messer
9 resultiert aus dem hydrodynamischen Druck des Wassers, dem Gegendruck und den Eigenschaften des Kunststoffes, der Umdrehungsgeschwindigkeit der Messer9 (Fliehkräfte) sowie den geometrischen Verhältnissen der Granulierungseinrichtung. - Der Druck FK des Kunststoffes am Austritt aus dem Bohrungen
7 ist abhängig von den Fließeigenschaften des verarbeiteten Kunststoffes und den verschiedenen Prozessparametern, wie z. B. der Temperatur des Kunststoffes, dem Zustand der Lochplatte1 und anderen Faktoren. - Die erforderliche Vorschubkraft FM, die Messerkraft FM1, FM2 und die maximal zulässige Flächenpressung Fzul (maximaler Anpressdruck) müssen durch Versuche oder FEA-Berechnungen ermittelt werden.
- Der auf die Messer
9 wirkende Druck wird mit Hilfe von Drucksensoren11 gemessen. Als Drucksensoren11 können piezoresistive Elemente verwendet werden. Vorzugsweise werden als Drucksensoren11 die aus derWO 02/054031 A1 US 2003/0089177 A1 - Die Drucksensoren
11 sind an jedem einzelnen Messer9 , vorzugsweise an der Verbindung der Messer9 mit dem Messerhalter3 angeordnet. In Längsrichtung des Messers9 sind mehrere Drucksensoren11 nebeneinander jeweils im Bereich der Schrauben10 vorgesehen. Die Drucksensoren11 sind als Dünnschichtsensoren ausgebildet und direkt auf den Messern9 oder dem Messerhalter3 oder auf einer Komponente, wie einer Unterlegscheibe aufgebracht sein. - Mit den Drucksensoren
11 werden die resultierenden Druckspannungen an den einzelnen Messer9 gemessen, an das Steuergerät übermittelt und dort ausgewertet. Ermittelt werden die Drücke F1 und F2 an den Verbindungsstellen zwischen den Messern9 und dem Messerhalter3 . Daraus ergibt sich eine Druckspannung FM1 am radial äußeren Ende des Messers9 und eine Druckspannung FM2 am radial inneren Ende des Messers9 . Die Übertragung der Messsignale erfolgt auf allgemein bekannte Weise mittels eines Kabels oder drahtlos. - Der Sollwert des Anpressdruckes ergibt sich aus dem erforderlichen Mindestanpressdruck, der für einen guten Granulatschnitt benötigt wird. Der maximal zulässige Messwert (Abschaltwert) resultiert aus der maximal zulässigen Flächenpressung des Beschichtungsmaterials der Verschleißschicht auf der Lochplatte
1 . Je nach dem errechneten Wert erfolgt ein Steuerungsimpuls, der eine Erhöhung oder eine Reduzierung der Anpresskraft FM der Messerwelle8 bewirkt. - Zur Ermittlung des Anpressdruckes der Messer
9 an die Lochplatte1 kann zusätzlich die Verformung der Messer9 herangezogen werden. Die Verformung wird durch Dehnmessstreifen13 aufgenommen, die als Dünnschichtsensoren auf jedem Messer9 angebracht sind (6 ). - Durch die zentrisch angeordnete Messerwelle
8 ist der Messeranpressdruck im Bereich des Innendurchmessers der Lochplatte1 am höchsten und verringert sich mit zunehmendem Außendurchmesser der Lochplatte1 . Mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit (Fliehkraft am Messer) reduziert sich der Anpressdruck an den Messern9 und wird zum Teil durch eine ungenügende Biegesteifigkeit der Messer9 noch verstärkt. Auf die Schnittkante des Messers9 wirken verschiedene Kräfte. Ein gleichmäßiger Granulatschnitt ist zu erzielen, wenn zwischen der Schnittkante des Messers9 und der Oberfläche der Lochplatte1 ein Linienkontakt hergestellt werden kann und die resultierende Linienkraft gleichmäßig über die Schnittlänge des Messers9 verteilt ist. - Um eine gleichmäßige Belastungen zwischen den Messern
9 und der Lochplatte1 zu erreichen und ein gleichmäßiges Belastungsprofil zu gewährleisten, werden z. B. Piezoaktoren12 eingesetzt. Diese Piezoaktoren12 sind zwischen dem Messerhalter3 und jedem einzelnen Messer9 installiert (6 ). - Die in den
4 und5 gezeigten Piezoaktoren12 sind zusammen mit den Drucksensoren11 übereinander liegend zwischen jedem einzelnen Messer9 und dem Messerhalter3 angeordnet und an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen. Die Drucksensoren11 sind in diesem Fall z. B. auf einer Unterlegscheibe aufgebracht. - Die Piezoaktoren
12 nutzen den bekannten piezoelektrischen Effekt aus, bei dem eine Volumenänderung infolge einer Krafteinwirkung oder durch eine elektrische Spannung eintritt. Ein Steuersignal oder eine elektrische Spannung erzeugt eine Volumenänderung der Piezoaktoren12 . Diese Volumenänderung bewirkt eine entsprechende Anstellung der Messer9 , indem der Abstand zwischen den einzelnen Messern9 und dem Messerhalter3 vergrößert oder verkleinert wird. Diese Verschiebungen werden durch eine Dehnung der Schrauben10 aufgefangen, wenn die Schrauben als Dehnschrauben mit einem Dehnschaft14 ausgebildet sind Eine andere Möglichkeit, die Verschiebungen aufzufangen, ist durch Federelemente15 zu erreichen, die zwischen dem Kopf16 der Schraube10 und der Oberseite der Messer9 eingelegt sind. Die Messer9 können somit individuell und optimal zur Lochplatte1 ausgerichtet werden (5 ). - Die Drucksensoren
11 messen die Kräfte an den Messern9 . Die gemessenen Werte werden an das Steuergerät übertragen und mit einem Vorgabewert verglichen. Eine gleichmäßige Kraftverteilung zwischen den Messern9 und der Lochplatte1 liegt dann vor, wenn die Messwerte zwischen der Messerkraft FM1 am äußeren Ende und der Messerkraft FM2 am inneren Ende des Messers9 gleich sind. Durch einen stetigen Abgleich der von den Drucksensoren11 gemessenen Istwerte mit einem vorgegebenen Sollwert wird ein Steuerungssignal ermittelt, das an die Piezoaktoren12 weitergeleitet wird. Durch das Steuerungssignal wird die erforderliche Volumenänderung in den Piezoaktoren12 erzeugt und dadurch die einzelnen Messer9 individuell eingestellt.
Claims (11)
- Vorrichtung zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern (
9 ) oder Rakeln gegenüber einer Lochplatte (1 ), wobei die Messer (9 ) oder Rakeln an einem Messerhalter (3 ) befestigt sind und zwischen der Lochplatte (1 ) und den Messern (9 ) oder Rakeln eine Relativbewegung in rotierender oder oszillierender Form erfolgt, und wobei der Messerhalter (3 ) mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen die Lochplatte (1 ) gedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Messer (9 ) mindestens ein Drucksensor (11 ) angeordnet ist, der mit einem Steuergerät zur Anpassung des Anpressdruckes und/oder zur Anstellung des jeweiligen Messers (9 ) gegenüber der Lochplatte (1 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (
11 ) als piezoresistives Element ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (
11 ) aus einer dünnen diamantartigen Kohlenstoffschicht besteht, die piezoresistive Eigenschaften aufweist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoren (
11 ) an der Verbindung zwischen jedem Messer (9 ) und dem Messerhalter (3 ) angebracht sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoren (
11 ) als Dünnschichtsensoren auf einer Komponente oder direkt auf dem Messer (9 ) oder dem Messerhalter (3 ) aufgebracht sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Messers (
9 ) mehrere Drucksensoren (11 ) nebeneinander angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Drucksensoren (
11 ) auf den Messern (9 ) Dehnungsmessstreifen (13 ) als Dünnschichtsensoren angebracht sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Drucksensoren (
11 ) Piezoaktoren (12 ) zwischen jedem Messer (9 ) und dem Messerhalter (3 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messer (
9 ) verstellbar an dem Messerhalter (3 ) befestigt sind. - Verfahren zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern (
9 ) oder Rakeln gegenüber einer Lochplatte (1 ), wobei die an einem rotierenden Messerhalter (3 ) befestigten Messer (9 ) mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen die mit einer verschleißfesten Beschichtung versehenen Lochplatte (1 ) gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Messer (9 ) und dem Messerhalter (3 ) die Messerkräfte FM1, FM2 mit Hilfe von als piezoresistive Elemente ausgebildeten Drucksensoren (11 ) gemessen werden, dass die Messwerte an ein Steuergerät übermittelt werden, dass in dem Steuergerät die Messwerte der Drucksensoren (11 ) mit einem vorgegebenen Mindestanpressdruck FM des Messerhalters (3 ) und mit einem Wert der maximal zulässigen Flächenpressung der Beschichtung der Lochplatte (1 ) verglichen werden und dass nach Maßgabe des Vergleiches der Anpressdruck FM des Messerhalter (3 ) gleich gehalten, erhöht oder reduziert wird. - Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Drucksensoren (
11 ) über die Länge des Messers (9 ) ermittelten und an das Steuergerät übermittelten Messwerte mit einem über die Länge des Messers (9 ) gemittelten Vorgabewert der Messerkraft verglichen werden und dass bei einer Abweichung von dem Vorgabewert der Abstand zwischen der Lochplatte (1 ) und dem jeweiligen Messer (9 ) über Piezoaktoren (12 ) geändert wird.
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