DE102022116309A1

DE102022116309A1 - Mischverfahren und Mischer

Info

Publication number: DE102022116309A1
Application number: DE102022116309.1A
Authority: DE
Inventors: Dominik Lutz; Alexander Niederquell; Lukas Knierim
Original assignee: Liebherr Mischtecknik GmbH
Current assignee: Liebherr Mischtecknik GmbH
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-04
Also published as: EP4299170A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mischverfahren zum Mischen von Mischungskomponenten, wobei das Mischen mittels Einbringen einer mechanischen Leistung in die Mischungs-komponenten erfolgt, wobei die Leistung durch einen Antrieb bereitgestellt wird, wobei das Mischen mindestens teilweise bei geregelter Leistung erfolgt und/oder dass eine Mischgüte der Mischungs-komponenten ermittelt wird. Die Erfindung betrifft auch einen Mischer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mischverfahren zum Mischen von Mischungskomponenten, wobei das Mischen mittels Einbringen einer mechanischen Leistung in die Mischungskomponenten erfolgt, wobei die Leistung durch einen Antrieb bereitgestellt wird.
Bei bekannten Mischprozessen aus dem Stand der Technik ist es üblich den Antrieb des Mischers mit einer konstanten Drehzahl zu betreiben. Bei einer konstanten Mischwerkdrehzahl schwankt die Antriebsleistung während des Mischprozesses. Das ist darauf zurückzuführen, dass Änderungen der Homogenität bzw. Konsistenz des Mischguts erfolgen.
Während des Beschickens steigt die Mischleistung an, da durch Zugabe von Material ein höheres Mischdrehmoment benötigt wird. Die benötigte Leistung ist bei der Zugabe der Materialien am höchsten. Auf diesen Punkt wird die Antriebsleistung daher ausgelegt.
Im Verlauf des Mischens sinkt die Mischleistung in der Regel wieder ab, da sich homogene Mischguteigenschaften einstellen und das Mischdrehmoment abnimmt. Während des restlichen Mischprozesses ist die Mischleistung daher niedriger als beim Beschicken. Als Folge dessen ist der Mischer für große Bereiche des Mischprozesses überdimensioniert.
Durch das Entleeren des Mischgutes sinkt die Mischleistung weiter, da weniger Material in dem Mischer vorhanden ist.
Dies geht aus der Mischleistungskurve in dem Diagramm gemäß 2 hervor, wobei auf der Abszisse des Diagramms die Zeit und auf der Ordinate des Diagramms die Mischleistung aufgetragen ist. Ebenso sind die drei Phasen „Beschicken“, „Mischen“ und „Entleeren“ in 2 eingezeichnet.
Der Zeitpunkt, bei dem das Mischgut ausreichend durchmischt ist, also die gewünschte Mischgüte vorliegt bzw. die Endqualität des Mischgutes erreicht ist, wird nach dem Stand der Technik üblicherweise abgeschätzt. Dazu kann das Mischgut visuell, etwa durch eine Kamera, beurteilt werden.
Am Ende des Mischprozesses geht die Mischleistungskurve in eine Asymptote über, wie dies aus 2 hervorgeht. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei einem annähend waagrechten Mischleistungsverlauf keine Konsistenzänderung bzw. Änderung der Mischgüte mehr auftritt. Dieser Zeitpunkt wird gegenwärtig z.B. vom Mischmeister abgeschätzt und ist somit von persönlicher Erfahrung des Mischmeisters abhängig und damit nicht reproduzierbar.
Die durchschnittliche Leistung des Antriebs PA liegt dabei üblicherweise weit unter der Nennleistung des Antriebs PN, wie dies aus 2 hervorgeht, worin die beiden Leistungen PA und PN durch horizontale Linien repräsentiert werden. Bei einer konstanten Drehzahl des Antriebs ergibt sich benötigte Mischleistung direkt proportional aus dem benötigten Mischdrehmoment. Der Zusammenhang zwischen Leistung, Drehmoment und Drehzahl ist der folgenden Gleichung zu entnehmen: $Leistung = 2 π \times Drehmoment \times Drehzahl .$
Bei einer konstanten Drehzahl des Antriebs während des Mischprozesses, wird die Nennleistung des Antriebes daher nicht optimal ausgenutzt.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mischverfahren bereitzustellen, bei dem die installierte Nennleistung des Antriebs besser genutzt wird.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Mischen mindestens teilweise bei geregelter Leistung erfolgt und/oder dass eine Mischgüte der Mischungskomponenten ermittelt wird.
Die Mischungskomponenten ergeben vorzugsweise das Mischgut.
Aus prozesstechnischer Sicht wird vorzugsweise ein leistungsgeregelter Mischprozess zur Mischzeitverkürzung und konstanten Maschinenauslastung bereitgestellt. Ebenso wird vorzugsweise eine definierte und reproduzierbare Methode zur Bestimmung der benötigten Homogenität der Mischung bzw. zur Bestimmung des Zeitpunktes an dem die benötigte Endqualität der Mischung erreicht ist und der Mischer entleeren kann bereitgestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise die Ausstoßleistung eines stationär betriebenen Mischsystems erhöht, indem die installierte Motorleistung optimal ausgenutzt wird. Zudem wird vorzugsweise der Zeitpunkt, bei dem die Endqualität der Mischung erreicht ist, durch eine definierte Messmethode bestimmt.
Die Drehzahl des Antriebs wird während des Mischprozesses vorzugsweise so angepasst, dass die Motorleistung, also die Antriebsleistung, konstant auf einen optimalen Wert geregelt wird.
Als Folge dessen ergibt sich vorzugsweise eine höhere mittlere Mischwerksdrehzahl während des Mischprozesses. Die benötigte Mischzeit sinkt und die Ausstoßleistung wird erhöht. Durch die konstant geregelte Motorleistung wird ein Überhitzen des Antriebs ausgeschlossen und mechanische Bauteile werden geschont.
Eine Verkürzung der Mischzeit hat den weiteren Vorteil, dass, um die gleiche Ausstoßleistung erreichen zu können, der Mischer kleiner gebaut werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Mischungskomponenten eine Flüssigkeit, wie Wasser, ein Bindemittel, wie Zement und ein Zuschlagmittel, wie Gesteinskörnung umfassen und in gemischten Zustand Beton umfassen oder sind.
Es kann vorgesehen sein, dass die Leistung durch das Bewegen oder Drehen eines Mischwerkzeugs und/oder durch das Bewegen oder Drehen eines Mischbehälters eingebracht wird.
Denkbar ist, dass Leistung auf die Nennleistung des Antriebs geregelt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Antrieb ein rotierender Antrieb ist und nur bis zu einer maximalen Drehzahl betrieben wird.
Es besteht vorzugsweise die Möglichkeit zur variablen Anpassung der Mischwerksdrehzahl. Dadurch kann vorzugsweise eine optimale Drehzahl eingestellt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in vorteilhafter Weise der Energieverbrauch reduziert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, die Mischgüte durch die Änderung der Kraft oder des Drehmoments des Antriebs, ermittelt wird und eine gewünschte Mischgüte als erreicht gilt, wenn die Änderung der Kraft oder des Drehmoments für eine definierte Zeit unter einem definierten Wert bleibt. Es kann vorgesehen sein, dass die Mischungskomponenten nach Erreichen der gewünschten Mischgüte entleert werden.
Der definierte Wert ist vorzugsweise Null. Die Änderung, also die Ableitung, der Kraft oder des Drehmoments ist dann vorzugsweise negativ, was bedeutet, dass die Kraft oder das Drehmoment sinkt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zustand der Mischung, also die Mischgüte vorzugsweise somit anhand der Ableitung des Drehmomentsignals beurteilt. Ein zu langes oder zu kurzes Mischen wird vorzugsweise ausgeschlossen und eine gleichbleibende Qualität wird vorzugsweise gewährleistet.
Denkbar ist, dass kein Eingriff eines Nutzers während des Mischens erfolgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Mischen zwischen einem Beschicken eines Mischbehälters mit den Mischungskomponenten und einem Entleeren der Mischungskomponenten aus dem Mischbehälter erfolgt, wobei die Masse der Mischungskomponenten, die aus dem Mischbehälter entleert werden, zu über 90 %, vorzugsweise zu über 95 oder 98 % der Masse der Mischungskomponenten mit denen der Mischbehälter beschickt wurde, entspricht.
Eine hohe Drehzahl beim Entleeren hat vorzugsweise zur Folge, dass weniger Restmaterial im Mischer bleibt. Dadurch wird die Sortenreinheit nachfolgender Mischungen gewährleistet.
Die Erfindung betrifft auch einen Mischer, der Mittel, die dazu ausgebildet sind ein erfindungsgemäßes Mischverfahren durchzuführen und/oder einen Frequenzumrichter und/oder eine programmierbare Steuerung aufweist.
Maschinentechnisch wird der Mischer vorzugsweise mit einem Frequenzumrichter in Kombination mit einer programmierbaren Steuerung betrieben.
Es kann vorgesehen sein, dass der Mischer ein stationärer oder mobiler Betonmischer, eine Betonmischanlage oder ein Fahrmischer oder ein Bestandteil einer dieser Maschinen ist.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente. Weiterhin können alle hierin beschriebenen Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombiniert oder voneinander isoliert beansprucht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen:

1: fünf Diagramme mit Mischparameterkurven.
2: ein Diagramm mit einer Mischleistungskurve eines Mischverfahrens aus dem Stand der Technik.

Beispielsweise wird ein stationärer Mischer mit mindestens einem in einem Mischbehälter rotierenden Mischwerkzeug bereitgestellt. Das Mischwerkzeug wird durch einen Elektromotor angetrieben.
In 1 sind fünf Diagramme mit Mischparameterkurven bei Mischen mit dem beispielhaften Mischer zu sehen, wobei auf der Abszisse des jeweiligen Diagramms die Zeit und auf der Ordinate des jeweiligen Diagramms der Mischparameter aufgetragen ist.
Das linke obere Diagramm zeigt als Mischparameter die Mischleistung bei konstanter Drehzahl und das linke untere Diagramm zeigt als Mischparameter die Drehzahl bei konstanter Drehzahl.
Das rechte obere Diagramm zeigt als Mischparameter die Mischleistung bei geregelter Mischleistung. Das rechte mittlere Diagramm zeigt als Mischparameter die Drehzahl bei geregelter Mischleistung und das rechte untere Diagramm zeigt als Mischparameter die Ableitung des Mischdrehmoments.
T_{Misch konst} bezeichnet in 1 die Mischzeit, die ein ungeregelter Mischprozess mit konstanter Drehzahl zum Erreichen der gewünschten Mischgüte bzw. Endqualität benötigt.
T_{Misch geregelt} bezeichnet in 1 die Mischzeit, die der geregelte Mischprozess zum Erreichen der gewünschten Mischgüte benötigt.
n_const bezeichnet in 1 die konstante Drehzahl die bei einem Mischverfahren nach dem Stand der Technik eingestellt wird.
n_max bezeichnet in 1 die maximale Drehzahl, die nicht überschritten werden soll.
t_{M const} bezeichnet in 1 die Zeit, in der sich die Ableitung des Drehmomentes in den vordefinierten Grenzen befinden soll, damit die gewünschte Mischgüte als erreicht gilt.
Ṁ_min bezeichnet in 1 den Bereich in dem sich die Ableitung des Drehmomentes über einen definierten Zeitraum befinden soll, damit die gewünschte Mischgüte als erreicht gilt.
Um die Drehzahl, beispielsweise der Mischwerkzeuge während des Mischens, anpassen zu können, ist die Verwendung eines Frequenzumrichters notwendig. Dabei sind unterschiedliche Parameter in der Steuerung zu implementieren und zu definieren.
P_soll ist die Motorleistung, auf die während des Mischprozesses geregelt wird. Damit bei einem niedrigen Mischmoment, wie beim Dosieren bzw. Entleeren die Drehzahl nicht extrem ansteigt, wird zum Schutz der mechanischen Komponenten des Antriebsstranges eine maximale Drehzahl (n_max) definiert, die nicht überschritten werden soll.
Die prozentuale Mischzeitverkürzung Δt%, die sich durch eine durchschnittlich höhere Mischerdrehzahl ergibt, kann folgendermaßen ermittelt werden: $Δ t_{%} = \frac{T_{M i s c h k o n s t} - T_{M i s c h g e r e g e l t}}{T_{M i s c h k o n s t}}$
Bei einem Elektromotor ist das Drehmoment direkt proportional zum Motorstrom und kann damit über den Motorstrom gemessen werden.
Das Drehmoment, das der Antrieb aufbringen muss, um die Mischwerkzeuge mit einer bestimmten Drehzahl zu drehen, verändert sich während des Mischprozesses.
Das ist darauf zurückzuführen, dass sich beim Mischen von Suspensionen die Konsistenz ändert und beim Mischen von Trockenstoffen die Reibwerte. Nach Abschluss des Mischprozesses verändern sich die Konsistenz bzw. die Reibwerte nicht mehr. Das Drehmoment zum Drehen der Mischwerkzeuge bleibt konstant. Die Mischung hat ihren Endzustand erreicht.
Ein Beurteilungskriterium für den Zustand der Mischung ist die zeitliche Änderung, also die Ableitung oder der Differentialquotient, des Drehmomentsignals. Unterschreitet die Ableitung des Drehmomentsignals zum Ende des Mischprozesses einen gewissen Wert, wie Ṁ_min in 1 hat die Mischung ihren Endzustand erreicht und der Mischprozess ist abgeschlossen.
Zusätzlich wird steuerungstechnisch der Parameter t_{M konst} implementiert. Dieser gibt an, wie lange die Ableitung des Drehmomentes Ṁ_Min unterschritten werden muss, bevor sichergestellt ist, dass die Endqualität der Mischung erreicht ist.

Claims

Mischverfahren zum Mischen von Mischungskomponenten, wobei das Mischen mittels Einbringen einer mechanischen Leistung in die Mischungskomponenten erfolgt, wobei die Leistung durch einen Antrieb bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen mindestens teilweise bei geregelter Leistung erfolgt und/oder dass eine Mischgüte der Mischungskomponenten ermittelt wird.
Mischverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungskomponenten eine Flüssigkeit, wie Wasser, ein Bindemittel, wie Zement und ein Zuschlagmittel, wie Gesteinskörnung umfassen und in gemischten Zustand Beton umfassen.
Mischverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung durch das Bewegen oder Drehen eines Mischwerkzeugs und/oder durch das Bewegen oder Drehen eines Mischbehälters eingebracht wird.
Mischverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistung auf die Nennleistung des Antriebs geregelt wird.
Mischverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein rotierender Antrieb ist und nur bis zu einer maximalen Drehzahl betrieben wird.
Mischverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischgüte durch die Änderung der Kraft oder des Drehmoments des Antriebs, ermittelt wird und eine gewünschte Mischgüte als erreicht gilt, wenn die Änderung der Kraft oder des Drehmoments für eine definierte Zeit unter einem definierten Wert bleibt.
Mischverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein Eingriff eines Nutzers während des Mischens erfolgt.
Mischverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen zwischen einem Beschicken eines Mischbehälters mit den Mischungskomponenten und einem Entleeren der Mischungskomponenten aus dem Mischbehälter erfolgt, wobei die Masse der Mischungskomponenten, die aus dem Mischbehälter entleert werden, zu über 90 %, vorzugsweise zu über 95 oder 98 % der Masse der Mischungskomponenten mit denen der Mischbehälter beschickt wurde, entspricht.
Mischer, der Mittel, die dazu ausgebildet sind ein Mischverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen und/oder einen Frequenzumrichter und/oder eine programmierbare Steuerung aufweist.
Mischer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer ein stationärer oder mobiler Betonmischer, eine Betonmischanlage oder ein Fahrmischer oder ein Bestandteil einer dieser Maschinen ist.