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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen Doppelschneckenextruder
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
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Extruder
zum Extrudieren von Kunststoff oder anderen Materialien erfordern
sehr hohe Antriebsleistungen für
ihre Extruderwellen. Die Extruderwellen werden üblicherweise unabhängig von
ihrer Form als Schneckenwellen bezeichnet. Die Schneckenwellen können je
nach Ausführungsform in
gleicher Drehrichtung oder in entgegengesetzten Drehrichtungen rotieren.
Es ist bekannt, für
Getriebe von Doppelschneckenextrudern sogenannte Leistungsteilungsgetriebe
zu verwenden, bei welchen die Antriebsleistung auf mehrere Leistungszweige
verteilt wird, damit die einzelnen Getriebeelemente nicht zu groß werden.
Die Wellen derartiger Antriebsvorrichtungen sind in Wälzlagern
gelagert. Aus der
DE 197
36 549 C2 ist ein derartiges Getriebe für Doppelschneckenextruder mit
einem Leistungsteilungsgetriebe bekannt.
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Wälzlager
haben eine begrenzte Lebensdauer und gelegentlich fallen sie auch
vor der berechneten Lebensdauer frühzeitig aus. Die ungeplanten
Stillstände
führen
bei großen
Anlagen zu erheblichen wirtschaftlichen Ausfällen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Antrieb für Doppelwellenextruder mit
größerer Betriebssicherheit
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäße Gleitlagerung der
Getriebewellen ist in vorteilhafter Weise eine verschleißfreie Lagerung
mit rechnerisch unbegrenzter Lebensdauer gegeben.
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Die
erfindungsgemäß gleitgelagerten
Wellen können
auch mit größeren Abmessungen
vorteilhaft ohne einschränkende
Drehzahlbegrenzungen betrieben werden.
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Zum
Anfahren unter Last oder bei niedrigeren Drehzahlen kann besonders
vorteilhaft eine hydrostatische Unterstützung vorgesehen werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
einer bevorzugten Ausführungsform
als Beispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen in verschiedenen
Maßstäben
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1 schematisch
eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
mit einem elektrischen Haupt-Motor und einem elektrischen Zusatzmotor,
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2 perspektivisch
eine Planetengetriebe-Ausgangswelle und eine zu ihr parallele zweite Ausgangswelle,
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3 eine
Seitenansicht der Getriebeteile von 2 mit eingetragenen
Kraft-Richtungspfeilen,
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4 eine
Stirnansicht des Getriebes von 1 in Richtung
von den Schneckenwellen des Extruders auf das Getriebe gesehen,
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5 einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäß gleitgelagerten
Welle.
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Die
in den Zeichnungen beispielhaft dargestellte Extruder-Antriebsvorrichtung
dient zum Antrieb eines Doppelschneckenextruders, von welchem nur
die beiden parallel zueinander angeordneten Schneckenwellen 2 und 4 dargestellt
sind, welche beide in gleicher Drehrichtung 6 angetrieben
werden. Die Extruder-Antriebsvorrichtung
enthält
eine Planetengetriebeanordnung 8 und ein ihr nachgeordnetes Leistungsteilungsgetriebe 10.
Die Planetengetriebeanordnung 8 enthält vorzugsweise zwei axial
hintereinander angeordnete Planetengetriebestufen 12 und 14.
Ein elektrischer Hauptmotor 16 ist vorzugsweise über eine
Drehmoment-Sicherheitskupplung 18, ein einstufiges Stirnradgetriebe
mit den beiden Zahnrädern 19 und 20 und
eine Zahnkupplung 21, in dieser Reihenfolge, mit einem
Sonnenrad 22 der ersten Planetengetriebestufe 12 antriebsmäßig verbunden.
Gemäß einer
abgewandten Ausführungsform kann
der Motor 16, wie in 1 in gestrichelten
Linien dargestellt und mit der Bezugszahl 16' versehen, axial zum Sonnenrad 22 angeordnet
und mit ihm ohne das einstufige Stirnradgetriebe 19, 20 antriebsmäßig verbunden
sein. Das Sonnenrad 22 kann durch eine Bremse 24 blockiert
werden, welche am freien äußeren Ende
einer Welle 25 des zweiten Zahnrades 25 angeordnet
ist. Der Motor 16` könnte alternativ
auch über
eine weitere Planetengetriebestufe mit dem Sonnenrad 22 verbunden
sein.
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Ein
elektrischer Zusatzmotor 30, welcher bezüglich seiner
Leistung und damit auch bezüglich
seiner Abtriebsdrehzahl stufenlos regelbar ist und vorzugsweise
eine kleinere Leistungskapazität
als der Hauptmotor 16 hat, kann über eine Drehmoment-Sicherheitskupplung 32 und
ein einstufiges Stirnradgetriebe mit Zahnrädern 34, 35 und 36,
mit einer Aussenverzahnung 38 eines drehbar angeordneten Hohlrades 40 der
ersten Planetengetriebestufe 12 antriebsmäßig verbunden
sein.
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Der
Zusatzmotor 30 kann auch in Stufen regelbar sein oder ohne
Regelung ausgestattet sein.
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Ein
drehbar angeordneter Planetenträger 42 der
ersten Planetengetriebestufe 12 trägt Planetenräder 43,
die einerseits mit einer Aussenverzahnung des Sonnenrades 22 und
andererseits mit einer Innenverzahnung 44 des Hohlrades 40 in
Eingriff sind.
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Der
Planetenträger 42 der
ersten Planetengetriebestufe 12 ist über eine Zahnkupplung 46 mit einem
axial neben ihm angeordneten Sonnenrad 50 der zweiten Planetengetriebestufe 14 verbunden.
Die zweite Planetengetriebestufe 14 hat ein nicht-drehbar
angeordnetes Hohlrad 52 und einen drehbar angeordneten
Planetenträger 54,
welcher Planetenräder 56 trägt, die
einerseits mit einer Aussenverzahnung des Sonnenrades 50 und
andererseits mit einer Innenverzahnung des Hohlrades 52 in
Eingriff sind.
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Das
Hohlrad 40 der ersten Planetengetriebestufe 12 ist
durch eine Bremse 33 oder eine Rücklaufsperre blockierbar, welche
im Antriebsstrang zwischen ihm und dem Zusatzmotor 30 angeordnet
ist, vorzugsweise am freien äußeren Ende
einer Welle 37 des ersten vom Zusatzmotor 30 angetriebenen Zahnrades 34.
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Eine
Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 ist axial zu den Sonnenrädern und
Planetenträgern
der beiden Planetengetriebestufen 12 und 14 und
auch axial zur einen Schneckenwelle 2 angeordnet. Diese Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 kann
mehrteilig oder vorzugsweise einteilig ausgebildet sein und ist an
ihrem Antriebsende über
eine Kupplung 62 drehfest und axialfest mit der einen Schneckenwelle 2 verbunden.
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Die
Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 kann auch direkt durch
die erste Planetengetriebestufe 12 angetrieben werden.
Die Planetengetriebeanordnung 8 besteht dann nur aus einer
Planetengetriebestufe.
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Das
Leistungsteilungsgetriebe 10 enthält zwei (oder mehr) zur Planetengetriebe-Ausgangsweile 60 parallel
angeordnete Zweigwellen 62 und 64, deren der Planetengetriebeanordnung 8 nahegelegenen
Endabschnitte je mit einem Zahnrad 63 bzw. 65 drehfest
verbunden sind, welche gleichen Durchmesser haben und mit einer
Schrägverzahnung 66 bzw. 67 mit
gleicher Zähnezahl
versehen sind und mit einer korrespondierenden Schrägverzahnung 68 eines
zentrales Zahnrades 70 in Eingriff sind, welches drehfest
auf der Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 angeordnet ist.
Das zentrale Zahnrad 70 bildet mit den Zahnrädern 63 und 65 eine Leistungsverzweigung
von der Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 auf die Zweigwellen 62 und 64.
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Die
von der Planetengetriebeanordnung 8 weiter entfernten Endabschnitte
der Zweigwellen 62 und 64 sind je mit einem Zahnrad 73 bzw. 75 drehfest verbunden,
welche je gleichen Durchmesser und vorzugsweise einen schräg verzahnten
Aussenzahnkranz 76 bzw. 77 mit einer gleichen
Anzahl von Zähnen
haben. Diese Zahnräder 73 und 75 sind
mit einem Zahnrad 80 in Eingriff, welches eine entsprechende
schräg
verzahnte Aussenverzahnung 78 hat und mit einer zweiten
Ausgangswelle 84 drehfest verbunden ist. Die Zahnräder 73, 75 und 80 bilden
am entfernten Ende der Zweigwellen 62 und 64 eine Leistungssummierung
von den beiden Zweigwellen 62 und 64 auf die zweite
Ausgangswelle 84 der Extruder-Antriebsvorrichtung. Diese zweite Ausgangswelle 84 ist
parallel zur Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 und axial
versetzt zur zweiten Schneckenwelle 4 angeordnet und an
ihrem von der zweiten Planetengetriebestufe 14 weiter entfernten
Ende über
eine Kupplung 86 mit der zweiten Schneckenwelle 4 drehfest
und axialfest verbunden.
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Damit
beide Zweigwellen 62 und 64 und ihre Zahnräder in 1 ersichtlich
sind, sind sie in eine gemeinsame Ebene geklappt dargestellt, während sie
in Wirklichkeit nicht in einer gemeinsamen Ebene mit der Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 liegen, damit
beide Zahnräder 73 und 75 am
entfernten Ende der Zweigwelle 62 und 64 mit dem
gemeinsamen Zahnrad 80 in Eingriff sind, wie dies in 1 durch
einen Pfeil 82 angedeutet und in 2 der Praxis
entsprechend richtig dargestellt ist.
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Damit
entspricht die Drehrichtung 6 der Schneckenwellen 2 und 4 auch
der Drehrichtung 6 der beiden Ausgangswellen 60 und 84.
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Axiale
Schubkräfte
der einen Schneckenwelle 2 werden über die Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 auf
ein Axialdrucklager 88 und von diesem auf einen Getriebegehäuseteil 90 übertragen.
Das Axialdrucklager 88 befindet sich zwischen dem treibenden Zahnrad 70 der
Leistungsverzweigung 63, 65, 70 und dem
Planetenträger 54 der
zweiten Planetengetriebestufe 14.
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Die
axialen Schubkräfte
der zweiten Schneckenwelle 4 werden über die zweite Ausgangswelle 84 auf
ein zweites Axialdrucklager 92 und von diesem ebenfalls
auf einen Getriebegehäuseteil 94 übertragen.
Das zweite Axialdrucklager 92 befindet sich neben den Wellen 60, 62 und 64 in
einem Zwischenraum zwischen den Zahnrädern 63, 65, 70 der Leistungsverzweigung
und den Zahnrädern 73, 75, 80 der
Leistungssummierung der Zweigwellen 62 und 64.
Der Ort der Axialdrucklager 88 und 92 ist von besonderer
Bedeutung, wenn man bedenkt, dass in einem solchen Getriebe, in
welchem über
15000 kW Leistung und 700000 Nm Drehmoment übertragen werden sollen, der
Mitten-Abstand der beiden Ausgangswellen 60 und 84 beispielsweise
nur 300 mm betragen darf, entsprechend dem gleich kleinen Mitten-Abstand
der Schneckenwellen 2 und 4.
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Aus
diesem Grunde sind die Schrägverzahnungen
des Leistungsteilungsgetriebes 10 derart gewählt, dass
zwar die Axialkräfte
F63 und F65, welche wegen der Schrägverzahnung von den getriebenen Zahnrädern 63 und 65 auf
ihr treibendes Zahnrad 70 der Leistungsverzweigung wirken,
in die gleiche Richtung gegen das eine Axialdrucklager 88 gerichtet
sind wie die axialen Schubkräfte
der einen Schneckenwelle 2, jedoch die Axialkräfte F73
und F75, welche wegen der Schrägverzahnung
von den treibenden Zahnrädern 73 und 75 auf
das von ihnen getriebene Zahnrad 78 der Leistungssummierung
wirken, entgegengesetzt zur Axialschubrichtung der anderen Schneckenwelle 4 gerichtet
sind und damit die Axialkraft dieser anderen Schneckenwelle 4 teilweise kompensieren,
so dass auf das davon betroffene andere Axialdrucklager 92 der
zweiten Ausgangswelle 84 eine geringere resultierende axiale
Kraft wirkt als über
die Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 auf das ihr zugeordnete
eine Axialdrucklager 88. Damit ist berücksichtigt, dass für das Axialdrucklager 92 der zweiten
Ausgangswelle 84 noch weniger Raum zur Verfügung steht
als für
das eine Axialdrucklager 88 der einen Planetengetriebe-Ausgangswelle 60.
Innerhalb der Zweigwellen 62 und 64 sind die Axialkräfte ihrer
Zahnräder 63 und 73 bzw. 65 und 75 gegeneinander
gerichtet, so dass sie sich gegenseitig aufheben und in diesen Zweigwellen 62 und 64 keine
resultierenden Axialkräfte
entstehen. In 3 sind die in den Zahnrädern 63, 65, 73 und 75 entstehenden Umfangskräfte jeweils
mit 96 bezeichnet. Der schräge Verlauf der Zähne der
Schrägverzahnungen
dieser Zahnräder 63, 65, 73 und 75 ist
jeweils durch einen in ihnen schräg gezogenen Strich angedeutet, welcher
mit der gleichen Bezugzahl wie die zugehörige Schrägverzahnung 66, 67, 68, 76, 77 bzw. 78 bezeichnet
ist.
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Das
Axialdrucklager 88 der Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 ist
in 3 nur schematisch angedeutet. Ferner ist zu beachten,
dass die Zweigwellen 62 und 64 und die zweite
Ausgangswelle 84 in 3 nur zum
besseren Verständnis
der Kräfteverhältnisse
in der gleichen Ebene wie die Planetengetriebe-Ausgangswelle 60 dargestellt
sind, jedoch in Wirklichkeit um deren Umfang herum entsprechend 2 verteilt
angeordnet sind.
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Selbstverständlich können statt
Schrägverzahnungen
auch Geradverzahnungen vorgesehen werden.
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Wie
Pfeile 6 in 1 zeigen, drehen sich die Sonnenräder 22 und 50 der
beiden Planetengetriebestufen 12 und 14 in gleicher
Drehrichtung wie die Schneckenwellen 2 und 4.
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Die
Anordnung der vorzugsweise vorgesehenen Drehmoment-Sicherheitskupplungen 18 und 32 an
den in 1 dargestellten Stellen hat den Vorteil, dass
ihnen zur Betätigung
erforderliche Druckluft vom frei zugänglichen Ende der Welle 17 bzw. 37 her zugeführt werden
kann, welche durch die Sicherheitskupplung 18 bzw. 32 mit
dem Motor 16 bzw. 30 verbunden ist.
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Eine
in 1 schematisch dargestellte elektronische Regeleinrichtung 100 dient
zur Einstellung und Regelung der Leistung und damit auch der Drehzahl
des regelbaren Zusatzmotors 30 und zum Einschalten und
Ausschalten des Hauptmotors 16 und der Bremsen 24 und 33 in
Abhängigkeit
von der geforderten Betriebsart der Schneckenwellen 2 und 4.
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Abgewandelte
Ausführungsformen
der Erfindung können
unter anderem sein, ohne darauf beschränkt zu sein: Der Hauptmotor 16 oder 16' kann ein bezüglich seiner
abgegebenen Leistung und Drehzahl regelbarer Motor sein, vorzugsweise
ein Elektromotor. In diesem Fall kann die Drehzahl der Schneckenwellen 2 und 4 mit
dem Hauptmotor 16 oder 16' stufenlos oder in Stufen geregelt
und dadurch auf einen beliebigen Wert zwischen Null und einem Höchstwert
eingestellt werden, welcher der höchsten Drehzahl des Hauptmotors
entspricht, beispielsweise in dem genannten Bereich von Null bis 150
U/min oder von 50 bis 150 U/min. Wenn bei dieser abgewandelten Ausführungsform
der Zusatzmotor 30 nicht geregelt wird oder ein nicht-regelbarer Motor
ist, kann die als Beispiel angegebene maximale Drehzahl von 200
U/min ebenfalls erreicht werden, indem beide Motoren eingeschaltet
werden.
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Die
einfachste Ausführungsform
der beispielhaft gezeigten Antriebsvorrichtung besteht aus einer
Planetengetriebestufe mit einem Antriebseingang für einen
Motor 16, 30 sowie einer ersten Ausgangswelle 60 für die erste
Schneckenwelle 2 und mindestens zwei Zweigwellen 62, 64,
welche Leistung von der ersten Ausgangswelle 60 abzweigen und
auf eine zweite Ausgangswelle 84 für den Antrieb der zweiten Schneckenwelle
summieren.
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Der
Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Drehmoment übertragenden
bzw. sich drehenden Elemente einer Antriebsvorrichtung für Doppelwellenextruder
in Gleitlagern zu lagern.
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In 5 ist
beispielhaft die Gleitlagerung der Zweigwelle 62 im Bereich
des Zahnrades 73 dargestellt. Beidseitig des Zahnrades 73 sind
Gleitlager 101 vorgesehen. Zur hydrostatischen Unterstützung der
Gleitlager 101 kann ein hydraulischer Druckerzeuger 102 vorgesehen
werden, der die Gleitlager 101 über Ölleitungen 103 mit
Schmiermittel versorgt. Besonders vorteilhaft ist die Zuschaltung
der hydrostatischen Anhebung beim Anfahren der Extruderanlage mit
oder ohne Last sowie beim Betrieb der Anlage mit niedrigen Drehzahlen,
wo die hydrodynamische Schmierung der Gleitlager 101 nicht
zur reinen Flüssigkeitsreibung
führt.
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Je
nach Ausführung
und den damit verbundenen Drehzahlen kann es ausreichen, nur die
langsamlaufenden Gleitlager hydrostatisch zu unterstützen. Dies
sind vorzugsweise die Gleitlager im Abtriebsbereich, wie an den
Abtriebswellen und/oder den Zweigwellen.
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Als
Drehmoment übertragende
Elemente sind die Planetenträger 42, 54,
die Planetenräder 43, 56,
das drehbare Hohlrad 40, die Ausgangswellen 60, 84 sowie
die Zweigwellen 62, 64 erfindungsgemäß in Gleitlagern 101 gelagert.
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Die
Sonnenräder 22, 50 werden
vorzugsweise fliegend zwischen den Planetenrädern 43, 56 gelagert.
Falls dies bei einer Ausführungsform
nicht vorgesehen ist, werden auch für die Sonnenräder 22, 50 Gleitlagerungen 101 angeordnet.
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Falls
die Motoren 16, 30 über Stirnradgetriebe oder weitere
Planetengetriebe in die Planetengetriebeanordnung 8 eintreiben,
werden auch deren Getriebewellen gleitgelagert. Besonders vorteilhaft ist
es, auch die Motorwellen der Antriebsmotoren 16, 30 in
Gleitlagern zu lagern.
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Zur
Aufnahme der Axialkräfte
an den anderen Wellen bzw. Antriebselementen können Axialgleitlager oder kombinierte
Axial-Radial-Gleitlager vorgesehen werden.
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In
einer weiteren Ausführung
ist die Planetengetriebeanordnung 8 durch ein Stirnradgetriebe ersetzt,
dessen Wellen entsprechend dem vorbeschriebenen Beispiel in Gleitlagern
gelagert sind. Es können
ein oder mehrere Übersetzungsstufen
bzw. Untessetzungsstufen vorgesehen werden und je nach Bedarf hydrostatische
Unterstützungen
vorgesehen werden. Zur Ermöglichung
verschiedener Abtriebsdrehzahlen kann ein in verschiedenen Übersetzungs-
bzw. Untessetzungsstufen schaltbares Stirnradgetriebe oder ein drehzahlregelbarer
Antriebsmotor vorgesehen werden.
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Der
Abtrieb wird wie im vorherbeschriebenen Ausführungsbeispiel über ein
Leistungsteilgetriebe auf eine zweite Abtriebswelle verzweigt.