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Die Erfindung betrifft eine Siebmaschinenantriebsanordnung zur Erzeugung mechanischer Rüttelschwingungen für einen Siebbelag, der von einem ortsfesten Gehäuse zur Aufnahme von zu siebendem Schüttgut umgeben ist, umfassend mindestens einen elektromotorischen Drehantrieb, dessen Rotationsbewegung eine Getriebeeinheit in mechanische Rüttelschwingungen zur Beaufschlagung des Siebbelags umwandelt. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Siebmaschine zum Sieben von Schüttgut, welche eine solche Siebmaschinenantriebsanordnung umfasst.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Siebmaschinen zum Sieben von Schüttgut, welche sich je nach Konstruktionsprinzip in folgende Unterarten eingruppieren lassen. Zum einen existieren Siebmaschinen, bei denen das komplette Gehäuse zur Aufnahme des Siebguts samt dem bodenseitig des Gehäuses angeordneten Siebbelags schwingt. Hierfür werden gewöhnlich niederfrequente Antriebe im Frequenzbereich zwischen 16 Hz bis 25 Hz verwendet. Zum anderen existieren sogenannte direkt angeregte Siebmaschinen, bei denen das Gehäuse ortsfest bleibt und nur der Siebbelag mechanisch zu Schwingungen angeregt wird. Dies erfolgt meist mit einem elektromagnetischen Antrieb, der im Frequenzbandbereich der Netzspannung von ca. 50 Hz arbeitet. Darüber hinaus existieren auch hochfrequente Siebmaschinen, die üblicherweise in einem Frequenzbandbereich von ca. 18 kHz bis ca. 24 kHz arbeiten und meist für Spezialanwendungen zum Einsatz kommen.
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Zum Antrieb der verschiedenen Siebmaschinenarten werden unterschiedliche Antriebsanordnungen eingesetzt.
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Die
DE 36 07 189 A1 offenbart eine Siebmaschinenantriebsanordnung, die auf dem Prinzip eines Unwuchtmotors basiert. Die Siebmaschine besitzt ein an einem Maschinengestell gehaltenes ortsfestes Gehäuse als Siebrahmen, an dem ein Unwuchtmotor angebracht ist. Der Unwuchtmotor besitzt eine Exzenterwelle, an der ein Joch drehfest befestigt ist. An dem der Exzenterwelle abgewandten Ende ist an dem Joch ein Unwuchtsegment angeordnet, dass entgegen oder mit der Drehrichtung der Exzenterwelle angetrieben wird. Weiterhin kann an dem Joch ein zusätzliches verstellbares Gewicht angeordnet werden. Der Unwuchtmotor erzeugt aufgrund der Anordnung der Unwuchtgewichte und der Fixierung der Achse im Maschinengestell eine Rüttelschwingung. Zur Erregung des Siebbelags wird in der Regel eine Anordnung mehrerer solcher Unwuchtmotoren pro Siebbelag verwendet. Eine derartige Siebmaschinenantriebsanordnung zeichnet sich durch eine hohe Robustheit aus; der Ansatz ist jedoch beschränkt auf niederfrequente Siebmaschinen.
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Elektromagnetische Antriebe sind in der Regel aus sogenannten Feder-Masse-Schwingsystemen aufgebaut. Diese Systeme weisen einen Resonanzpunkt auf, so dass eine Veränderung der Frequenz in Richtung des Resonanzpunktes im Extremfall eine Zerstörung des Antriebs zur Folge haben kann. Masse-Feder-Schwingsysteme werden normalerweise für einen relativ engen Frequenzbereich ausgelegt. Bei schwankenden Frequenzen müssen die Federn entsprechend ihrer Federkonstanten ausgetauscht werden. Beispielsweise können elektromagnetische Antriebe für einen 60 Hz Netzbereich nicht mit denselben Federn wie bei einem 50 Hz Netzbetrieb ausgerüstet werden.
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Die
DE 34 27 080 A1 offenbart eine andere Siebmaschinenantriebsanordnung, welche auf elektromagnetischen Aktoren zur Schwingungserzeugung basiert. Der Siebbelag wird durch mehrere Magnetvibratoren in mechanische Rüttelschwingungen versetzt. Jedem Magnetvibrator ist ein eigenes elektrisches Versorgungsaggregat zugeordnet, dass nach Maßgabe eines Steuersignals eines Steuergeräts betrieben wird, welche ein periodisches oder aperiodisch veränderliches Steuersignal liefert, mit dessen Änderung die Schwingamplitude und die Schwingfrequenz des Magnetvibrators variierbar ist. Bauartbedingt sind Frequenzänderungen jedoch nur in einem recht schmalen Frequenzbereich machbar. Es ist möglich, das Steuersignal der Magnetvibratoren zwischen mehreren festen Werten umzuschalten, um die Effizienz des Siebvorganges zu erhöhen.
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Mit einem Unwuchtmotor lassen sich Schwingfrequenzen über 50 Hz aufgrund der hohen mechanischen Belastungen nicht realisieren, da hohe Belastungen durch die relativ großen Massen des Unwuchtmotors hervorgerufen werden. Darüber hinaus sind schnelle Änderungen der Anregungsfrequenz aufgrund der hohen trägen Massen des Unwuchtmotors nicht möglich.
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Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik gehen ferner auch hochfrequente Siebmaschinenantriebe hervor, die auf einer Ultraschallerregung basieren. Hierbei wird ein Ultraschallübertrager auf der Siebbelagfläche befestigt. Der Siebbelag mit ultraschallübertragender Struktur wird dabei meist durch ein Piezoelement zur hochfrequenten Schwingung angeregt. Da die Piezoelemente nur eine sehr geringe Amplitude an mechanischer Schwingung erzeugen, sind hochfrequente Siebmaschinen auf Spezialanwendungen, beispielsweise besonders feinkörnige Siebungen, beschränkt. Aufgrund der sehr hohen Frequenz sind die Beschleunigungen der Siebpartikel auf dem Siebbelag extrem hoch. Dies führt dazu, dass die zu siebenden Partikel auf dem Siebbelag eine Art Wirbelschicht formen, so dass die Partikel über den Siebbelag schweben anstatt durch die Siebmaschen zu fallen. Aus diesem Grund wird Ultraschall auch häufig nur intervallweise eingesetzt, um beispielsweise kurzfristig den Siebbelag zu reinigen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Siebmaschinenantriebsanordnung beziehungsweise eine Siebmaschine zur Erzeugung mechanischer Rüttelschwingungen für einen Siebbelag zu schaffen, welche mit direkter Anregung des Siebbelags eine hohe spezifische Durchsatzleistung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Siebmaschinenantriebsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen, beziehungsweise ausgehend von einer Siebmaschine gemäß Anspruch 9, gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein elektromotorischer Drehantrieb der Antriebsanordnung als ein bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist, dessen Drehzahl nach Maßgabe einer Steuereinheit derart variierbar ist, dass die erzeugten mechanischen Rüttelschwingungen in einem variierbaren Frequenzbandbereich zwischen 25 Hz bis 300 Hz, vorzugsweise zwischen 50 Hz bis 200 Hz, liegen.
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Damit basiert die erfindungsgemäße Lösung für einen Siebmaschinenantrieb auf einem robusten Unwuchtmotor, der jedoch speziell ausgebildet ist, um auch mittlere Frequenzbandbereiche weit oberhalb von 50 Hz zu erschließen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird das Prinzip der direkt angeregten Siebmaschine in Richtung der mittelfrequenten Schwingungen erweitert. Ganz vorzugsweise arbeitet der erfindungsgemäße Siebmaschinenantrieb im Frequenzbandbereich zwischen 50 Hz bis 200 Hz, wobei auch Oberfrequenzen auftreten, die zwar eine geringere Amplitude als die Anregungsfrequenz besitzen, jedoch ein Vielfaches der Anregungsfrequenz betragen können, so dass am Siebbelag im geringen Maße auch Frequenzen weit oberhalb der 200 Hz auftreten. Insbesondere bei feinkörnigen Schüttgütern ist eine hohe Frequenz sinnvoll, da das Siebgut auf dem Siebbelag durch die hochfrequente Anregung besser dispergiert wird und die Zahl der Kontakte des Siebguts mit dem Siebbelag vervielfacht wird. Diese beiden Phänomene erhöhen die spezifische Durchsatzleistung des Siebes. Versuche haben ergeben, dass neuartige bürstenlose Gleichstrommotoren in der Lage sind, die speziellen mechanischen Rüttelschwingungen zu erzeugen, welche die spezifische Durchsatzleistung einer Siebmaschine erhöht, ohne dass es beim Betrieb zu Resonanzproblemen kommt. Mit hoher Leistungsdichte kann ein erfindungsgemäß hoher mittlerer Frequenzbandbereich abgedeckt werden, mit der Möglichkeit, Antriebsfrequenzen sehr schnell zu verändern. Die hohe Leistungsdichte eines bürstenlosen Gleichstrommotors als elektromotorischer Drehantrieb gestattet recht hohe Amplituden der hiermit erzeugbaren mechanischen Rüttelschwingungen für eine hohe Durchsatzleistung der Siebmaschine.
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Die ausgehend vom speziellen elektromotorischen Drehantrieb erzeugten Rotationsbewegungen werden mit einer Getriebeeinheit in die mechanischen – größtenteils linearen – Rüttelschwingungen zur Beaufschlagung des Siebbelages umgewandelt. Hierfür eignen sich die nachfolgenden beiden bevorzugten Ausführungsformen:
Um einen dauerhaften Reibkontakt zwischen der Unwuchtscheibe und dem Winkelhebel sicherzustellen, wird vorgeschlagen den Winkelhebel vorzugsweise gemeinsam mit einem Abtriebslager auf einer Welle anzuordnen. Durch eine zusätzliche optionale Rückstellfeder kann das auf der gemeinsamen Welle angeordnete Abtriebslager auf die Unwuchtscheibe gedrückt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist eine Getriebeeinheit eine vom Drehantrieb angetriebene Kurbelwelle auf, deren Pleuel einen Winkelhebel in mechanische Schwingungen versetzt, um diese über eine Schwingachse auf den Siebbelag zu übertragen. Für einen hohen Wirkungsgrad und einen verschleißarmen Betrieb wird vorgeschlagen, dass das Pleuel über ein Lager, vorzugsweise ein Wälzlager, mit der Kurbelwelle verbunden ist.
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Generell gilt für beide alternativen Ausführungsformen der Getriebeeinheit zur Umformung der Rotationsbewegung des Antriebs in eine überwiegend lineare Bewegung für den Siebbelag, dass die bewegten Getriebeteile möglichst leicht und steif ausgeführt werden sollten, um die mit dem speziellen Drehantrieb möglichen schnellen Drehzahländerungen in möglichst direkte Schwingungsänderungen für den Siebbelag umzusetzen, ohne dass eine Beeinträchtigung durch Bauteilträgheiten entsteht.
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Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Siebbelag mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet ist, dessen Messwert die Steuereinheit derart signalverarbeitet, dass die mechanischen Rüttelbewegungen des Siebbelages in der Nähe der Resonanzfrequenz liegen. Hierdurch lässt sich die mechanische Rüttelschwingung über einen entsprechenden Regelkreis dahingehend einstellen, dass der Siebbetrieb im Bereich des maximalen Wirkungsgrades gehalten wird, was durch die schnell einstellbare Veränderbarkeit der Drehzahl des speziellen Drehantriebs möglich wird. Dadurch, dass die Resonanzfrequenz des Siebbelags unter anderem von dessen Spannung, der Beladung des Siebbelags und der Materialeigenschaften abhängt, berücksichtigt die Regelung automatisch die Einflussfaktoren um eine optimale Betriebsweise zu realisieren.
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Daneben ist es auch möglich, eine kurzzeitige Frequenzänderung der mechanischen Schwingungen zu bewirken, um beispielsweise einen Abreinigungsimpuls für den Siebbelag zu setzen. Da die Kraft, welche auf das Siebgewebe übertragen werden kann, quadratisch von der Schwingfrequenz abhängt, reichen geringe Drehzahländerungen des Drehantriebs aus, um einen solchen Abreinigungsimpuls zu setzen.
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Durch den Einsatz eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit der erfindungsgemäß drehzahlvariablen Ansteuerung zur Erzeugung mechanischer Rüttelschwingungen im mittleren Frequenzbandbereich können beim Siebvorgang Betriebszustände erreicht werden, die zu vergleichsweise höheren spezifischen Durchsatzleistungen führen. Mit den bislang bekannten Drehantrieben für unwuchterregte direkt angetriebene Siebmaschinen können nur relativ geringe spezifische Durchsatzleistungen erzielt werden, da in höheren Drehzahlbereichen die Drehmomente entweder zu gering werden oder die herkömmlichen Drehantriebe sehr groß sein müssten, um eine entsprechende Leistung zu erzielen. Selbst bei großen herkömmlichen elektromotorischen Drehantrieben ist normalerweise kein mit dem erfindungsgemäßen Frequenzbandbereich vergleichbarer Bereich abdeckbar, selbst durch den Einsatz von Frequenzumrichtern. Zudem erweist sich ein bürstenloser Gleichstrommotor als erfindungsgemäßer elektromotorischer Drehantrieb im Betrieb als besonders geräuscharm, auch im Vergleich zu elektromagnetischen Antriebsanordnungen. Zudem sind die mechanischen Belastungen der Schwingachse im Vergleich zu herkömmlichen Unwuchtmotoren geringer, da keine umlaufenden Kräfte aufgenommen werden müssen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer unwuchterregten direkt angetriebenen Siebmaschine,
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2 eine Antriebsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform, umfassend eine Getriebeeinheit mit einer Unwuchtscheibe, und
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3 eine Antriebsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, umfassend eine Getriebeeinheit mit einer Kurbelwelle.
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Gemäß 1 besteht eine unwuchterregte direkt angetriebene Siebmaschine für Rüttelschwingungen im mittleren Frequenzbandbereich von 50 Hz bis 200 Hz im Wesentlichen aus einem Maschinengestell 1 zur ortsfesten Anordnung eines kastenförmigen Gehäuses 2. Das kastenförmige Gehäuse 2 wird über einen Aufgabetrichter 3 mit zu siebendem Schüttgut 4 beaufschlagt. Bodenseitig des kastenförmigen Gehäuses 2 ist ein Siebbelag 5 angeordnet, welcher direkt ausgehend von mehreren elektromotorischen Drehantrieben 6 (exemplarisch) über je eine die Rotationsbewegung in mechanische Rüttelschwingungen umwandelnde Getriebeeinheit 7 angetrieben wird. Unterhalb des kastenförmigen Gehäuses 2 ist eine Auffangwanne 8 zur Aufnahme des gesiebten Schüttguts 4a angeordnet.
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Die Drehzahl der als bürstenlose Gleichstrommotoren ausgebildeten elektromotorischen Drehantriebe 6 (exemplarisch) ist synchron über eine elektronische Steuereinheit 9 derart variierbar, dass die über die nachgeschalteten Getriebeeinheiten 7 (exemplarisch) erzeugten mechanischen Rüttelschwingungen im Frequenzbereich von 50 Hz bis 200 Hz liegen.
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Während des normalen Siebbetriebs kann die elektronische Steuereinheit 9 die Drehantriebe 6 darüber hinaus auch zu einer kurzzeitigen Drehzahlerhöhung oder -verminderung veranlassen, um eine entsprechende Frequenzänderung der mechanischen Rüttelschwingungen zu veranlassen. Hierdurch wird ein Abreinigungsimpuls für den Siebbelag 5 erzeugt.
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Der Siebbelag 5 ist des Weiteren mit einem zusätzlichen Beschleunigungssensor 10 versehen, der die mechanischen Rüttelschwingungen erfasst und an die Steuereinheit 9 weitergibt. Die Steuereinheit 9 wertet die vorhandenen Rüttelschwingungen des Siebbelags 5 hinsichtlich von Beschleunigungswerten aus und steuert die Drehzahl des Drehantriebes 6 derart an, dass die Rüttelschwingungen des Siebbelags 5 in der Nähe der Resonanzfrequenz gehalten werden, bei welcher die Energieeffizienz maximal ist.
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Gemäß der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform einer Antriebsanordnung für die Siebmaschine treibt der als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildete Drehantrieb 6' eine Getriebeeinheit 7' mit einer auf der eingangsseitigen Antriebswelle angeordneten Unwuchtscheibe 11 an. Die Unwuchtscheibe 11 wirkt mit einem Abtriebswälzlager 12 zusammen, das drehbar auf einer Abtriebswelle 13 angeordnet ist und mit einem Winkelhebel 14' in Verbindung steht, der die so erzeugte mechanische Schwingbewegung auf eine Schwingachse 15' überträgt, auf welche der – nicht weiter dargestellte – Siebbelag aufliegt. Die Abtriebswelle 13 ist schwimmend gelagert und über eine Rückstellfeder 16 an der der Unwuchtscheibe 11 gegenüberliegenden Seite mit einer Federkraft beaufschlagt, um einen dauerhaften Reibkontakt zwischen Unwuchtscheibe 11 und Abtriebslager 12 zu gewährleisten.
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Gemäß der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform der Antriebsanordnung treibt ein Drehantrieb 6'' in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors eine Kurbelwelle 17 einer Getriebeeinheit 7'' an. Im Bereich der Kröpfung der Kurbelwelle 17 ist über ein Wälzlager 18 ein Pleuel 19 gelagert, womit die Drehbewegung der Kurbelwelle 17 in eine lineare Bewegung zur Erzeugung der mechanischen Rüttelschwingungen umgewandelt wird. Das Pleuel 19 überträgt die durch diesen Kurbeltrieb erzeugte lineare Bewegung über einen hier nur schematisch dargestellten Winkelhebel 14'' weiter an die Schwingachse für den Siebbelag.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen für eine Siebmaschinenantriebsanordnung. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die Getriebeeinheit 7 zur Umsetzung der Rotationsbewegung des Drehantriebs 6 in mechanische Rüttelschwingungen zu Beaufschlagung des Siebbelages 5 nach einen anderen Konstruktionsprinzip auszuführen. Hierbei ist zu beachten, dass die Getriebeeinheit 7 Änderungen der mechanischen Rüttelschwingungen mit möglichst geringer trägheitsbedingter Verzögerung an den Siebbelag 5 weitergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinengestell
- 2
- Gehäuse
- 3
- Aufgabetrichter
- 4
- Schüttgut
- 5
- Siebbelag
- 6
- Drehantrieb
- 7
- Getriebeeinheit
- 8
- Auffangwanne
- 9
- Steuereinheit
- 10
- Beschleunigungssensor
- 11
- Unwuchtscheibe
- 12
- Abtriebslager
- 13
- Abtriebswelle
- 14
- Winkelhebel
- 15
- Schwingachse
- 16
- Rückstellfeder
- 17
- Kurbelwelle
- 18
- Wälzlager
- 19
- Pleuel
