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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckwalzenpresse zur Zerkleinerung von sprödem Mahlgut, aufweisend eine erste Mahlwalze und eine zweite Mahlwalze, wobei mindestens eine Mahlwalze eine Loswalze ist, die in einem Maschinenrahmen beweglich gelagert ist, und wobei mindestens eine Mahlwalze einen elektrischen Antrieb aufweist.
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Zur Zerkleinerung von sprödem Mahlgut ist es bekannt, das Mahlgut durch eine Hochdruckbehandlung unter Vermeidung einer Scherbeanspruchung zu zerkleinern. Diese Art der Zerkleinerung unterscheidet sich von der bekannten Zerkleinerung mit Mühlsteinen eben durch die Abwesenheit oder zumindest durch die Verringerung der Scherbeanspruchung. Diese Art der Zerkleinerung ermöglicht eine gegenüber der scherenden Vermahlung sehr energieeffiziente Zerkleinerung. Hochdruckwalzenpressen zur Zerkleinerung von Mahlgut dieser Art wurden erstmals von Schönert et al. in der in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 2708053 A1 offenbart. Für industrielle Verfahren werden nach dem dort beschriebenen Prinzip Hochdruckrollenpressen zur Zerkleinerung von Zementrohmehl, Zementklinker, Erzen, aber auch von Kohle entwickelt. Damit diese Hochdruckrollenpressen einen Durchsatz von einigen tausend Tonnen pro Tag erreichen, haben die Mahlwalzen einen Durchmesser von bis zu über drei Metern und eine breite von 90 cm bis mehreren Metern. Die Mahlwalze einer solchen Hochdruckrollenpresse besteht dabei in der Regel aus einer geschmiedeten Welle aus Stahl, die mit einer Bandage mit einer besonders bearbeiteten Oberfläche ummantelt ist, wobei die Bandage ebenfalls aus einem besonderen Stahl besteht.
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Eine solche Mahlwalze kann ein Volumen von deutlich über 10 m3 aufweisen und daher wiegt die Mahlwalze einer Hochdruckrollenpresse bis zu 100 t und mehr.
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Zum Antrieb der Hochdruckrollenpressen sind daher sehr leistungsfähige Elektromotoren notwendig. Hochdruckrollenpressen der bekannten Art werden mit unterschiedlichem Aufbau eingesetzt. In der Regel ist eine Mahlwalze in einer Hochdruckrollenpresse eine Festwalze, das heißt diese bewegt sich nicht gegenüber dem Maschinenrahmen. Eine zweite Mahlwalze ist in der Regel als Loswalze ausgeführt und kann innerhalb des Maschinenrahmens Ausweichbewegungen ausführen, die zu einer Vergrößerung des Walzenspaltes zwischen den beiden Mahlwalzen führt. Andere Ausgestaltungen sehen sogar zwei Loswalzen vor, in denen beide Mahlwalzen eine Ausgleichsbewegung durchführen können. Aber nicht nur die mechanische Aufhängung der Mahlwalzen unterscheidet sich zwischen unterschiedlichen Hochdruckrollenpressen. Es sind auch unterschiedliche Antriebskonzepte für Hochdruckwalzenpressen bekannt. Der einfachste Antrieb sieht eine motorische Bewegung der Festwalze vor, wobei die Loswalze über den Andruck und das Mahlgut mitgezogen wird. Diese Art der Hochdruckzerkleinerung weist durch die Passivwalze immer noch einen geringen relativen Schlupf mit der Wirkung auf, dass das Mahlgut eine Scherbeanspruchung erfährt wodurch der Verschleiß der Mahlwalzen größer ist als bei Mahlwalzen, die einen beidseitigen Antrieb aufweisen. Bei beidseitigen Antrieben, besonders solche für sehr schwere Mahlwalzen, lässt sich der Schlupf durch eine präzise Drehzahlsteuerung in ausreichendem Maße vermeiden. Gerade in Hochdruckrollenpressen mit sehr schweren Mahlwalzen und einer entsprechenden hohen Durchsatzleistung werden entsprechend große Motoren eingesetzt, welche die Mahlwalzen einseitig antreiben. Nachteilig an den großen Motoren ist der hohe Preis, weil Elektromotoren mit sehr hoher Leistung in der Regel als Einzelstück angefertigt werden, und gegebenenfalls einen hohen manuellen Aufwand zum Zusammenbau der Einzelteile erfordern. Ein weiterer Nachteil ist die Erfahrung, dass der einseitige Antrieb dazu neigt, einen keilförmigen Walzenspalt auszubilden. Die Motoren übertragen eine asymmetrische „Wanderbewegung” auf die Loswalze, die sogar auftritt, wenn die Festwalze einseitig angetrieben wird. Es wird im Rahmen dieser Anmeldung vermutet, dass das sehr starke Drehmoment über nicht abschließend geklärte Hebelwirkung im Maschinenrahmen in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Eine Erklärung könnte sein, dass die angetriebene Loswalze über Vibrationen im Maschinenrahmen oder über die asymmetrische Lastverteilung aufgrund des einseitig angehängten und sehr schweren Antriebs eine Corioliskraft erfährt, welche zu einer Drehung der Loswalze um eine vertikale Achse führt und damit den Walzenspalt öffnet. Eine andere mögliche Erklärung wäre, dass die Masse des schweren elektrischen Antriebes aufgrund der Trägheit die Mahlwalze einseitig behäbig macht, so dass diese zu asymmetrischen Ausgleichsbewegungen neigt.
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Bei Hochdruckwalzenpressen, die über die Festwalze angetrieben werden, wären diese Erklärungen aber nicht ausreichend. Es muss eine weitere, unbekannte Ursache für diese Neigung in der Hochdruckwalzenpresse vorliegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Hochdruckwalzenpresse zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Nachteile aus dem Stand der Technik gemindert sind.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der elektrische Antrieb der mindestens einen Mahlwalze beidseitig zu beiden Seiten der Walzenenden vorhanden ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sin in den Unteransprüchen angegeben.
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Nach der Erfindung ist also vorgesehen, auf beiden Seiten der Mahlwalzen einen Antrieb vorzusehen, denn überraschender Weise wurde festgestellt, dass die Neigung der Hochdruckwalzenpresse zur einseitigen Öffnung des Walzenspalts durch den Einsatz von Antrieben zu beiden Enden der Walzenpresse verringert und bei absolut symmetrischem Aufbau sogar komplett vermieden werden kann. Der symmetrische Einsatz von Antrieben verringert die Neigung der Hochdruckwalzenpresse zur einseitigen Öffnung des Walzenspaltes nicht nur bei Hochdruckwalzenpressen mit einer angetriebenen Loswalze oder bei zwei angetriebenen Loswalzen, sondern auch bei eine Hochdruckwalzenpresse mit einer angetriebenen Festwalze. Der Einsatz von zwei Antrieben zu je einem Ende der Mahlwalzen führt aber auch zu einem weiteren, nicht unbedingt vorhersehbaren Vorteil. Es ist wirtschaftlich günstiger, zwei Antriebe mit halber Leistung und zwei Getriebe mit halber Nennleistung einzusetzen, als einen Antrieb, der die gesamte Antriebsleistung erbringen muss gepaart mit einem entsprechend ausgelegten Getriebe. Der einzige Nachteil, der in Kauf genommen werden muss, ist, dass die Hochdruckwalzenpresse zu beiden Seiten einen elektrischen Antrieb aufweist, wodurch bei Wartung der Hochdruckrollenpresse das Entfernen der Mahlwalzen gegebenenfalls aufwändiger wird, weil zwei Getriebe gelöst werden müssen. Andererseits ist die Handhabung von kleineren Motoren und kleineren Getrieben mit Hilfsmitteln, wie Kränen und Hebemaschinen weit einfacher, wenn diese bei der derzeitigen erforderlichen Leistungsstufe nur halb so groß dimensioniert werden müssen. Das Gesamtgewicht der Hochdruckrollenpresse verringert sich, weil sich das Leistungs- zu Gewichtsverhältnis eines leistungsstarken Antriebes aufgrund der notwendigen größeren Antriebsachsen und Getriebe nicht unbedingt erwünscht zu Gunsten der Antriebsleistung, sondern meist unerwünscht zu Gunsten des Gewichts erhöht.
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Bei einer Hochdruckrollenpresse mit Loswalzenwalze ist vorgesehen, dass die Loswalze im Maschinenrahmen an jedem Walzenende in Lagerblöcken aufgenommen ist, welche jeweils auf einem Gleitrahmen verschieblich gelagert sind. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Mahlwalze jeweils zwei elektrische Antriebe mit gleicher Nennleistung zu je beiden Seiten der Walzenenden aufweisen. Auf diese Weise entsteht ein vierseitiger Antrieb der Hochdruckwalzenpresse, die zu einer Selbstzentrierung des Walzenspaltes neigt. Aufwändige und Energie sowie Regelungsaufwand zehrende Quadrantensteuerungen für Hydrauliken zur Zentrierung des Walzenspaltes können dadurch vermieden zumindest aber geringer dimensioniert werden.
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Um die Antriebe gering dimensionieren zu können, ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Antriebe je einer Mahlwalze miteinander in Bezug auf die Leistungsabgabe synchronisiert sind. Es ist nicht vorgesehen, die Leistungsaufnahme zu synchronisieren, sondern die Leistungsabgabe. Da größere Elektromotoren auch heute noch zum Teil einzeln gefertigt werden und daher auch eine gewisse Toleranz der Effizienz der Umwandlung von elektrischer Leistung in Drehmoment aufweisen, ist die Synchronisation der Leistungsabgabe besonders vorteilhaft, will dadurch erst die besonders symmetrische Lastverteilung erzielt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebe der verschiedenen Mahlwalzen miteinander in Bezug auf die Drehzahl, nicht jedoch auf die Leistungsabgabe synchronisiert sind. Es ist also vorgesehen, dass die durch die Walzte selbst starr miteinander verbundenen Anriebe eine möglichst gleich hohe Leistung abgeben und von daher zu beiden Seiten ein gleiches Drehmoment auf die Mahlwalzen ausüben. Die verschiedenen Mahlwalzen jedoch sind nicht über die Leistung oder das abgegebene Drehmoment miteinander gekoppelt, sondern nur über die Drehzahl. Bei asymmetrischer Beaufschlagung des Walzenspaltes mit Frischgut kann es passieren, dass eine Mahlwalze für den Erhalt der Umdrehungsgeschwindigkeit ein weit höheres Drehmoment aufbringen muss, weil beispielsweise auf der korrespondierenden Mahlwalze das Frischgut aufliegt, wogegen beispielsweise auf der anderen Mahlwalze kaum Frischgut liegt und sich daher diese Mahlwalze mit weniger Widerstand drehen kann. Auch kann das Einzugsverhalten der verschiedenen Mahlwalzen unterschiedlich sein, was besonders dann der Fall ist, wenn eine Mahlwalze beispielsweise eine Beschädigung in Form eines Ausbruchs der Bewehrung mit Hartkörpern an einer Stelle aufweist. Eine Leistungssynchronisation zwischen den verschiedenen Mahlwalzen würde somit unweigerlich zu einem unerwünschten Schlupf und damit zur Scherbelastung des Mahlguts aber auch der Mahlwalze führen, was bei einer teilweise beschädigten Mahlwalze sogar den Verschleiß noch fördern könnte. Die Drehzahlsynchronisation der Antriebe zwischen verschiedenen Mahlwalzen und die Leistungssynchronisation zwischen Mahlwalzen derselben Achse führt zu einem besonders verschleißarmen und sich selbst zentrieren wollenden Betrieb der Hochdruckwalzenpresse.
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In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Nachteile aus dem Stand der Technik, nämlich due Neigung zur einseitigen Öffnung des Walzenspaltes, vorteilhaft zu nutzen. Dazu ist vorgesehen, dass die Synchronisation der Leistungsabgabe bei Detektion einer Walzenschiefstellung der Loswalze unterdrückt wird, so dass der Antrieb stärker belastet wird, der an dem Ende der Mahlwalze vorliegt, das den Öffnungsspalt des Walzenspaltes ausbildet. Durch die einseitige Belastung oder durch die asymmetrische Belastung der Antriebe kann somit einer Walzenschiefstellung mit überraschender Dynamik begegnet werden.
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Um die Leistungsabgabe möglichst direkt zu messen, und nicht die Leistungsabgabe mittelbar über die Leistungsaufnahme zu bestimmen, ist in besonderer Ausführungsform der Erfindung vorgehsehen, dass eine Vorrichtung die Leistungsabgabe zwischen einem zwischen dem Antrieb und der jeweiligen Mahlwalze vorhandenen Getriebe und Mahlwalze misst, wobei die Vorrichtung zur Messung der Leistungsabgabe die Leistungsabgabe über die Abnahme des Drehmoments über einen Drehmomentabnehmer und über die Drehzahl bestimmt. Die Leistungsabgabe wird somit bestimmt durch das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment, wobei das Drehmoment zwischen Getriebe und Mahlwalze abgenommen wird. Die Messung über den Drehmomentabgriff und nicht indirekt über die Leistungsaufnahme hat den Vorteil der besonders präzisen Messung und Ausgleich der Leistungsabgabe zwischen den verschiedenen Antrieben. Um eine Fehlfunktion frühzeitig zu detektieren, beispielsweise um ein beschädigtes Lager oder eine beschädigte Wicklung des Antriebmotors frühzeitig zu erkennen, ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Vorrichtung im Dauerbetrieb der Rollenpresse die Differenz zwischen elektrischer Leistungsaufnahme und der mechanischen Leistungsabgabe je eines Antriebes einer Mahlwalze zwischen zwei Antrieben je einer Mahlwalze miteinander vergleicht und bei vordefinierter Abweichung dieser Differenz zwischen zwei Antrieben die Vorrichtung ein Signal zur Anzeige einer mutmaßlichen Fehlfunktion auslöst. Die Messung und Verfolgung der Differenz zwischen der Leistungsaufnahme eines Antriebes und der tatsächlichen Leistungsabgabe lässt frühzeitig eine Fehlfunktion oder einen sich anbahnenden Schaden erkennen, was besonders von Vorteil ist, da bei einem einseitig beschädigten Antrieb der korrespondierende zweite Antrieb durch Überlastung in Mitleidenschaft gezogen werden könnte. Beim Anfahren ist die Stabilität des Verhältnisses von Leistungsaufnahme zu Leistungsabgabe nicht aussagekräftig, daher ist vorgesehen, dass die Vorrichtung im Anfahrbetrieb das Signal zur Anzeige einer mutmaßlichen Fehlfunktion unterdrückt.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Hochdruckwalzenpresse aus dem Stand der Technik mit angetriebener Festwalze aus dem STAND DER TECHNIK,
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2 eine Hochdruckwalzenpresse mit Doppelantrieb dem STAND DER TECHNIK,
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3 eine perspektivische Skizze zur Verdeutlichung der mutmaßlich in einer Hochdruckrollenpresse wirkenden Coriolis-Kräfte,
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4 eine erfindungsgemäße Hochdruckrollenpresse mit symmetrischem Antrieb.
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In 1 ist eine Hochdruckrollenpresse 1 aus dem Stand der Technik abgebildet, in welcher eine Festwalze 2 und eine Loswalze 3 vorhanden ist. In der bekannten Hochdruckrollenpresse 1 wird die Festwalze 2, die sich gegenüber dem Maschinenrahmen 4 nicht bewegt, über ein Getriebe 5 von einem leistungsstarken Elektromotor 6 angetrieben. Um Ausgleichsbewegungen, beispielsweise zur Passage von größeren Mahlgutstücken durch den Walzenspalt 7 zu ermöglichen, kann die Loswalze 3 durch die Lagerung der im Maschinenrahmen 4 aufgenommenen Lagerböcke, die hier nicht eingezeichnet sind, auch Schiefstellungen einnehmen. Beim Betrieb einer solchen Hochdruckrollenpresse 1 ist es zu beobachten, dass die Loswalze 3 über unbekannte Kraftübertragungen dazu neigt, eine Schiefstellung, wie es durch Strichelung angedeutet ist, einzunehmen. Diese Schiefstellung muss durch entsprechende Hydrauliksteuerung ausgeglichen werden, damit der Walzenspalt 7 gleichmäßig breit bleibt und daher über den gesamten Walzenspalt 7 ein gleichmäßiges Zerkleinerungsergebnis erzielt wird.
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Eine andere Bauart einer Hochdruckrollenpresse 10 aus dem Stand der Technik ist in 2 abgebildet. In dieser Variante sind sowohl die Festwalze 12 wie auch die Loswalze 13 über geringer dimensionierte Getriebe 15, 15' und Elektromore 16, 16' angetrieben. Auch diese Hochdruckrollenpresse 10 neigt dazu, im Betrieb eine Schiefstellung einzunehmen, wie es durch Strichelung angedeutet ist.
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In 3 ist schließlich die Hochdruckwalzenpresse 10 aus 2 in einer perspektivischen Ansicht mit eingezeichneten Rotationsachsen A, B und C dargestellt, um zu demonstrieren, wie Coriolis-Kräfte auf die Loswalze 13 wirken können, durch welche die unerwünschte Schiefstellung erzeugt wird. Die Rotation um Achse B mit einem sehr hohen Wert des Drehimpulses aufgrund des hohen Eigengewichts der Loswalze 13 und eine unsymmetrische Bewegung mit äußerst geringer Amplitude um die Rotationsachse A können eine Rotation um die vertikale Achse C erzeugen, die dazu führt, dass die Loswalze 13 zur Schiefstellung neigt und dadurch einen Öffnungsspalt im Walzenspalt ausbildet. Wenn die minimalen Bewegungen der Loswalze 13 um die Achse A, beispielsweise, weil die Loswalze 13 am Antrieb 16' festgehalten wird, nicht symmetrisch in Geschwindigkeit und Impuls erfolgen, so kann sich eine netto-Rotation um die Achse C ausbilden. Diese Rotation um C erfolgt langsam, kann aber im Betrieb unerwünscht starke Neigung zur Ausbildung zeigen, die nachgeregelt werden muss.
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In 4 wird daher eine erfindungsgemäße Konfiguration des Antriebs einer erfindungsgemäßen Hochdruckwalzenpresse 20 dargestellt. Festwalze 22 und Loswalze 23 werden beide durch ein Antriebspaar 28, 28' und 29, 29' angetrieben, welches in vorteilhafter Weise so synchronisiert ist, dass je zwei korrespondierende Antriebe 28 und 28' sowie 29 und 29' an je einer Mahlwalze 22 und 23 eine Synchronisation über das Drehmoment und/oder über die Leistung erfahren. Auf der anderen Seite werden die zwei Antriebs-Paare 28, 28' und 29, 29' miteinander über die Drehzahl synchronisiert. Die Synchronisation findet vorteilhafter Weise durch den Einsatz von frequenzgesteuerten Motoren statt, die über einen entsprechenden Umrichter präzise Drehzahlgesteuert werden können
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochdruckwalzenpresse
- 2
- Festwalze
- 3
- Loswalze
- 4
- Maschinenrahmen
- 5
- Getriebe
- 6
- Antrieb
- 7
- Walzenspalt
- 10
- Hochdruckwalzenpresse
- 12
- Festwalze
- 13
- Loswalze
- 15, 15'
- Getriebe
- 16, 16'
- Antrieb
- 20
- Hochdruckwalzenprersse
- 22
- Festwalze
- 23
- Loswalze
- 24
- Maschinenrahmen
- 28, 28'
- Antrieb
- 29, 29'
- Antrieb
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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