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Stand der Technik:
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Bei Zerkleinerungsmaschinen, die nach dem Wolf-Wirkprinzip arbeiten, erfolgt die Zuführung des zu zerkleinernden Rohstoffs, vorzugsweise Fleisch zum Schneidsatz in der Regel durch eine oder zwei Förderschnecken.
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Bisher geht man davon aus, dass der Schubdruck durch die eingesetzten Zuführungsschnecken erzeugt wird und so die ursächliche Voraussetzung für den erreichbaren Durchsatz der Wolfmaschine darstellt.
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Es wird angenommen, dass das Eindringen der Fleischteile in die Bohrungen als Fleischzapfen eine reine druckabhängige Größe des ursprünglich großstückigeren Rohstoffzustandes ist. Diese steht damit in direkter Beziehung zur Anordnung der Bohrungen auf der Scheibenfläche.
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Somit werden drucksteigernde eingängige Schneckensysteme mit abnehmenden Schneckenkammervolumen in Richtung Schneidsatz bevorzugt.
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Die Zerkleinerungswirkung, welcher der Rohstoff während des Fördervorgangs infolge seiner Aufgabe zur Kraftübertragung unterliegt, findet allgemein nur geringe Beachtung.
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Hier treten Zerstörungen des Rohstoffs ein, die zu einer Minderung der Schubkrafterzeugung und zu seinem Rückfluss führen können.
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So gesehen werden unterschiedliche Festigkeitseigenschaften des Verarbeitungsgutes ausgeglichen und eine Differenzierung beim Austritt aus dem Schneidsatz ist nicht erkennbar.
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Ganz anders verhält sich die Rohstofffestigkeit, wenn der Förderprozess mit einem System erfolgt, welches das Verarbeitungsgut im Verlauf der Zuführung nicht verändert, weil die Schnecken ein gleiches Kammervolumen besitzen und eine Verarbeitung durch den auftretenden rückflussfreien Schubdruck erst nach dem Verlassen der Schnecken im Werkzeugsystem erfolgt.
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Hier muss das volle Festigkeitspotential der Struktur des zu zerkleinernden Materials nur durch höheren Druck beim Einpressen in das Scheiben-Messer-System des Schneidsatzes überwunden werden.
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Dabei wird auffällig, dass der Rohstoff in seiner gewachsenen Struktur große Festigkeitsunterschiede besitzt und ganz unterschiedliche stoffartbezogene Zapfenlängen erzeugt werden.
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Besonders kritisch ist es bei Verarbeitungsgütern im tiefgefrorenen Zustand, deren Festigkeitszustand durch die Frostung noch weit höher ist und bei denen mit reinem Druck überhaupt keine Zapfenbildung möglich ist.
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Für die Verarbeitung von tiefgefrorenen Fleisch mit herkömmlicher Doppelschnecken-Wolftechnik und Endlochscheibe Durchmesser 3 mm liegen bisher keine Untersuchungsergebnisse vor.
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Die Werkzeuge des Schneidsatzes und die Festigkeit des Verarbeitungsgutes setzen einer Zapfenbildung in den Lochscheiben einen großen Widerstand entgegen.
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In der Folge kommt es bei typischen Wolfschnecken mit Kraftübertragung zwischen Schnecke und Gehäuse zu Erwärmung, Rohstoffrückfluss, Vermischung und einer Verringerung der Stofffestigkeit.
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Erst mit Temperaturanstieg, Verringerung der Festigkeit durch die Erwärmung und Strukturzerstörung gelingt es, im Schneidsatz Zapfen zu bilden und zerkleinertes Verarbeitungsgut aus der Endlochscheibe abzuführen.
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Dies ist beispielsweise bei tiefgefrorenem Fleisch erst bei einer Differenz von ca. 14 Grad zur Austrittstemperatur aus der Lochscheibe der Fall.
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Die Verringerung der Strukturfestigkeit mit Zunahme der Rohstofftemperatur tritt in Verbindung mit mechanischer Arbeit bei der Kraftübertragung der Rohstoffzuführung mit den überwiegend verwendeten Arbeitsschnecken bei der Förderung zu den Schneidwerkzeugen auf.
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Typische Arbeitseigenschaften sind der Rohstoffrückfluss und die Mischvorgänge im Schneckenbereich.
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Die Eindringbedingungen in die Lochscheiben des Schneidsatzes werden gebildet durch den reinen Schubdruck, der sich aus dem Widerstand der Werkzeuge und der Stoffstruktur als Reaktion auf die Stoffzuführung bei der Ausführung der Zerkleinerungsarbeit ergibt.
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Daraus resultiert, dass mit den bekannten Schubdrücken bei tiefer Rohstofftemperatur die Herstellung eines Ausgangsproduktes mit sehr kleiner Körnungsgröße nicht mehr möglich ist, weil der typische von Wirkelementen freie Raum vor den Schneidsatzwerkzeugen mit verdichtetem Verarbeitungsgut verstopft wird.
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Bei der Förderung mit zur Gehäusewandung dichten Extruder-Schnecken gibt es diese Belastungen des Verarbeitungsgutes bezüglich seiner Strukturfestigkeit und des Temperaturzustandes nicht.
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Bei den überwiegend verwendeten Wolfmaschinen mit der Anordnung je einer Zuführschnecke und anschließender Arbeitsschnecke erfolgt die Annahme des grobstückigen Rohstoffs durch einen rotierenden Schneckenkörper im Trichter der Wolfmaschine.
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Dabei wird der Rohstoff an der Trichterwandung gehalten.
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Hier zieht der rotierende Schneckenkörper die Fleischteile einseitig ein und fördert diese in das geschlossene Arbeitsschneckengehäuse.
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Der erfasste Rohstoff wird mit der Förderbewegung durch den Schubdruck der rotierenden Schnecken in Richtung des Auslaufs gepresst.
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Der dort angeordnete Schneidsatz übernimmt mit umlaufenden Messern das Abschneiden aus den Scheibenbohrungen.
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Mit der einseitigen Rohstoffannahme entstehen beim Rohstoffeinzug aus dem Trichter hohe Verformungskräfte an der Schnecke, die einseitig gelagerte Schneckenwelle biegt durch und wird aus der Laufmitte gedrängt.
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Das ist die Ursache für Verkantung und Biegung des Messerzapfens und es entsteht erhöhter Verschleiß bei den Messern und Lochscheiben.
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Allgemein wird von den Herstellern der Wolfmaschinen der Messerzapfen als die zweite Lagerstelle der Schnecke im Schneidsatz angesehen.
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In Wirklichkeit ist der Messerzapfen eine eigene Antriebs- und Lagerstelle für das Schneidsystem, der eine besondere Schwachstelle darstellt und der Ausschluss einer Biegung infolge Platzmanges in der Scheibenmitte nicht durch eine Verstärkung zu erreichen ist.
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Sein Antrieb erfolgt lediglich durch eine schwache Verbindung zur Kraftübertragung zwischen der Schneckenwelle und dem Zapfen.
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Lässt man die Biegung des Zapfens weg, erkennt man dass die Querschnitte zur Kraftübertragung der beiden Wellen nicht in der Lage sind, eine vollständige Schneckenlagerung für die Rohstoffzufiihrung und Übergabe an das Schneidsatzsystem sicher zu gewährleisten.
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Nach durchgeführten Untersuchungen sind die Messerzapfen nur für die Verarbeitung von Rohstoffen im frischen Zustand geeignet.
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Bei tiefgekühlten Rohstoffen reicht die Querschnittsgeometrie des Zweikantprofils nicht mehr für die auftretenden Messerkräfte aus.
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Es wäre eine Vergrößerung des Messerzapfenquerschnittes mit Auswirkungen auf die Abmessungen des gesamten Schneidsatzes, d. h. Verringerung der Arbeitsgeometrien der Werkzeuge und somit der Maschinenleistung notwendig.
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Das muss jedoch ausgeschlossen werden, da die Schneidteilgrößen weltweit festgelegt sind.
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Die Schnecken- und Messerzapfenbiegung ist die Ursache der Werkzeugverkantung infolge unzureichender Lagerung bzw. Anzahl gleichwertiger Lager in der Dimension des Antriebslagers der Wolfmaschine.
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Daraus ergibt sich erhöhter Verschleiß und die Zerstörung von Teilen der Maschine, hauptsächlich der Schnecke, der Gehäuse und der Werkzeuge.
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Die Schwachstelle - Verbindung der eigenen Messerzapfenwelle für die Werkzeuge als Antrieb in der Arbeitsschneckenwelle ist die völlig falsche Anordnung der Lagerung der Schnecke und die Stabilität der Schneckenwelle gegen die Kräfte zum Einzug des Rohstoffes in das Arbeitsgehäuse.
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Der Messerzapfen soll eine zweite Lagerstelle bilden und gleichzeitig die Werkzeuge antreiben. Dazu ist er in die Schnecke eingebaut.
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Diese Doppelfunktion im Messerzapfen ist durch die verschieden großen Wirkkräfte nicht erfüllbar.
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Die Werkzeuge hingegen sind in einem eigenen Werkzeuggehäuse eingesetzt und werden mit den Messern senkrecht montiert und gespannt.
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Das Werkzeuggehäuse ist eine eigene Baugruppe und die Lagerstelle für die Werkzeuge.
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Es ist nur funktionell mit dem Schneckengehäuse verbunden und hat keine begründete Funktion für die Schneckenlagerung.
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Zielstellung:
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Mit einer Kombination unterschiedlicher Schnecken für die Zuführung zu den Werkzeugen des Schneidsatzes und Nutzung deren Eigenschaften soll eine optimale Anpassung der Wirkbaugruppen einer nach dem Wolfprinzip arbeitenden Zerkleinerungsmaschine an alle Arten von Verarbeitungsgütern und die jeweiligen unterschiedlichen Zustandsformen möglich sein.
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Damit soll das Einsatzspektrum bei Einhaltung hoher Anforderungen an verschleiß- und störungsfreie Funktionalität, Effektivität der Maschine und Qualität des Endprodukts über die Anwendung in verschiedenen Maschinengrößen deutlich erweitert werden.
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Aufgabe:
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Die Aufgabe soll dahingehend gelöst werden, dass die Zuführung des Rohstoffs bis zum
Schneidsatz in Abschnitte für die Rohstoffaufnahme im Trichter, Übergabe, Transportkammer mit Rückflussvermeidung und Vorzerkleinerung zur Festigkeitsminderung aufgeteilt wird und die Förderschnecken in diesen Abschnitten jeweils auf den Zweck abgestimmte geometrische Formen besitzen, sowie getrennt und mit variablen Geschwindigkeiten, aber bei Bedarf auch gemeinsam im Verbund angetrieben werden.
Gleichzeitig sollen die Lagerbedingungen der Schnecken verbessert werden, um Verkantungen zu vermeiden und den Verschleiß der Schneidsatzkomponenten hochgradig zu reduzieren.
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Beschreibung:
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Schneckenzuführung vom Trichter bis zum Schneidsatz aus drei Bereichen mit unterschiedlichen Schneckensegmenten besteht, deren Module entsprechend des zu verarbeitenden Rohstoffs mit aufgeteilten Funktionen in Bedarfslängen und mit definierten Eigenschaften gestaltet sind.
Die Schneckenmodule werden getrennt und mit variablen Geschwindigkeiten angetrieben (9,10,11).
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Der Rohstoff gelangt vom Trichter (3) und dem Übergabebereich (4) in den Bereich der Transportkammer (5), der keinen Materialrückfluss mehr zulässt und nachfolgend auch Sperrschneckenbereich genannt wird.
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In der nachfolgenden Zone der Festigkeitsminderung (6) ist die Schnecke mit Elementen zur Vorzerkleinerung (8) versehen.
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Alle Schneckenelemente sind austauschbar und können mit ihrer geometrischen Gestaltung optimal an die unterschiedlichen Verarbeitungsgüter und an das zu erreichende Endprodukt angepasst werden.
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Ein vor dem Schneidsatz (2) angeordneter Drucksensor (13) gewährleistet eine variable Drehzahlregulierung der Schnecken und eine dosierte Zuführungsmenge durch die Transportkammer (5), um nur so viel Material zu fördern, wie der Schneidsatz aufnehmen kann.
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In diesem Bereich arbeiten die doppelt angeordneten Schnecken kompressionsfrei als Verdrängerschnecken, die den Rohstoff ohne zustandsändernden Energieeintrag fördern. Der Fördervorgang gilt für alle Zustandsformen der verschiedenen Verarbeitungsgüter und Mengen.
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Es ist kein hoher Füllungsgrad der Schnecken erforderlich, da das zu fördernde Material mit der Spiralform der Verdränger-Geometrie beider Schnecken weitergeschoben wird.
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Die Schneckenschrauben dichten sich gegenseitig bis zu 98 % mit Schneckengängen an ihren Wellen ab.
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Damit wird ein Materialrückfluss durch die Kraftwirkung vom Staudruck verhindert, der im Vorzerkleinerungsbereich (6) vor dem Schneidsatz (2) erzeugt wird.
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Der Fördervorgang der Sperrschnecken wird ohne das Verarbeitungsgut mechanisch zu belasten, unabhängig vom Füllungsgrad durch die spiralförmigen Schneckenkammern realisiert, die sich nach dem Prinzip der Volumenverdrängung ineinander abwälzen.
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Der Füllungsgrad der Schneckenkammern ist dabei unbedeutend.
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Es werden sowohl 100% als auch nahe 0% zu förderndes Material gleichmäßig bewegt.
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Das ist neben der Drehzahlanpassung die Voraussetzung für eine Dosierung der Zuführmengen.
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Die Lagerung der Schnecken wird durch ein dynamisches Lagersystem zur Gehäusewandung (7) verbessert, weil die Verformung der Schnecken durch die beim Rohstoffeinzug wirkenden Kräfte bedeutend reduziert wird.
So wird hoher Verschleiß der Schneidwerkzeuge bis hin zur Zerstörung der Schnecken und des Schneckengehäuses durch seitliche Auslenkung des Messerzapfens ausgeschlossen.
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Die Ursachen für die bisherige unzureichende Lagerung liegen in fehlender Lagerdimensionierung einer zweiten Lagerstelle für die Arbeitsschnecke, in dem großen Abstand zwischen den Lagerstellen im Schneckenantrieb, im Schneidsatz mit dem Messerzapfen als ersetzende Lagerstelle für die Schnecke und dem Schneckengehäuse mit den Stützprofilen.
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Eine Verstärkung des Zapfens ist nur begrenzt möglich, da die technische Umgebung durch die weltweit festgelegten Werkzeug- und Gehäusemaße nicht entsprechend der auftretenden Kräfte der Rohstoffannahme dimensioniert werden kann, ohne große funktionelle Anteile der Werkzeugabmessungen negativ zu verändern.
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Es bedarf einer Lagerung mit verkürzten Hebelarmen für den Krafteingriff und einer Lagerfläche, welche die entstehenden Kräfte aufnehmen kann, ohne den Messerzapfen in die Kraftaufnahme einzubeziehen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die funktionsbedingten, Verschleiß erzeugenden Schnecken und Schneckengehäuse gegen ein Fördersystem ausgetauscht werden, mit dem die Lagerfunktion direkt von den Schnecken und im Gehäuse übernommen wird.
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Dazu werden die Werkstoffpaarungen zwischen den beiden Teilen so gewählt, dass eine Gleitlagerpaarung entsteht, die den Verschleiß nahezu ausschließt, indem die Lagerfunktion mit der Länge der Schnecken und mit der Anzahl der Schneckengänge auf die Gehäuselänge abgestimmt ist.
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Mit dieser Form der Übernahme der Lageraufgabe werden die Hebellängen beim Rohstoffeinzug um den Faktor 3 bis 5 verkürzt, die Einzugskräfte werden mittig auf zwei Wellen verlegt und die Kraftwirkung auf die Einzelwelle halbiert.
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Antriebsseitig sind Wellenlängen vorhanden, die die Bedingungen einer fliegenden Wellenlagerung mit bedeutend höherer Lagersicherheit erfüllen.
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Im Bereich für die Festigkeitsminderung (6) sind zwischen den fördernden Schneckengängen zusätzliche, an den Rohstoff angepasste Schneidelemente (8) zur Vorzerkleinerung und Mischung mit Wärmeaustausch angeordnet.
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Die Zuführung des Verarbeitungsgutes erfolgt im Trichterbereich (3) mit offenen Schneckenelementen, deren Aufgabe es ist, den Rohstoff anzunehmen und dem Sperrschneckenbereich (5) zuzuführen.
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Die Schneckengänge sind so gestaltet, dass sie neben der Förderfunktion auch einer groben Strukturauflösung zwecks leichterer Übergabe an die Sperrschnecken (5) dienen.
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Die Antriebe (9, 10, 11) arbeiten getrennt oder werden aufgabenbezogen gekoppelt.
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Für eine gewünschte Mitnahme der Schnecke zur Vorzerkleinerung (6) durch die Arbeits- und Sperrschnecken (5) werden beide Schnecken nach Austausch der Vorzerkleinerungsschnecke (6) mechanisch miteinander verbunden und der Antrieb (11) der Vorzerkleinerungsschnecke durch die Schaltkupplung (12) getrennt.
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Durch die Drehzahlabstimmungen zwischen den unterschiedlichen Schnecken ist eine variable Förderfunktion mit der Einstellung der Mengenzuführung und des Zeitbedarfes für die gewünschte Zerkleinerung gewährleistet.
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Dabei geht es darum, einen verringerten Festigkeitszustand des Verarbeitungsgutes, wie beispielsweise Fleisch, im Raum (6) vor dem Schneidsatz (2) zu erzielen, der in den Lochscheiben des Schneidsatzes eine Zapfenbildung gewährleistet.
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Zapfenbildungen sind Verformungen in einem Rohstoffteilstück mit gewachsenen, unterschiedlich festen Strukturen.
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Die Überwindung dieser Festigkeitsstrukturen erfordert eine Belastung, die den Verbund in den Gewebeteilen zerreißt, zumindest aber lockert, die direkt auf der Lochscheibe aufliegen. Erst dann lassen sich Zapfen frei in die Bohrungen hinein ausformen.
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Bei der Verwendung der bekannten normalen Wolfschnecken tritt ein Rückfluss immer ein, da der Förderwirkungsgrad infolge fehlender funktioneller Dichtheit dieser Schnecken zur Gehäusewandung ca. 30 bis 50% niedriger ist.
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Dadurch werden große Teile der geförderten Mengen vom Schneidsatz nicht abgenommen. So entsteht unter der Schnecke im Stützsystem ein Rückfluss bereits belasteter und teilweise zerstörter Teile des Verarbeitungsgutes.
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Die Sperrschnecken sichern durch ihre Abdichtungseigenschaft den Verbleib des Verarbeitungsgutes nur in diesem Arbeitsraum und sorgen für die festigkeitsbezogene Stoffzustandsänderung als Voraussetzung für das Eindringen in die Bohrungen der Lochscheibe.
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Im Vorzerkleinerungsbereich (6) werden die festverbundenen, gewachsenen und hochelastischen Materialstrukturen durch bewusstes mengengesteuertes Fördern der Sperrschnecken aufgebrochen.
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Dadurch kann auch eine feste Materialstruktur bei sehr niedrigen Temperatur, wie beispielsweise im gefrosteten Zustand durch den Eintrag von Förderarbeit erwärmt und durch Zerreißen aufgelöst werden.
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Eine Ummantelung (14) des Schneckengehäuses (7) ermöglicht je nach Rohstoffzustand zusätzlich die Zufuhr von Wärmeenergie, die in Form von Wasser, Öl, Induktion, Mikrowellen oder Ultraschallanregung erfolgen kann.
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Es stellen sich mit gesteuerter Belastungsarbeit unter Nutzung des Rohstoffrückflusses im Raum (6) ein verformungsfähiger Stoffzustand und ein für das Werkzeugsystem abnahmefähiger Zustand des Verarbeitungsgutes ein.
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Bei Verwendung der üblichen, bekannten, Wolfschnecken für tiefgekühltes Verarbeitungsgut zeigt sich ein Ungleichgewicht zwischen der zugeführten Menge und dem Abnahmevermögen des Schneidsatzes.
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Somit ist keine Aufnahme im Schneidsatz zur weiteren Zerkleinerung möglich.
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Es setzt eine Drucksteigerung durch dosierte Zuführmengen aus den Sperrschnecken voraus, die dann das zerstörte Verarbeitungsgut im Raum (6) in den Schneidsatz ein- und durch diesen hindurchpresst.
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Dieses Wirkverhalten wird bei tiefgefrorenem Material, wie beispielsweise Fleisch genutzt, um die Eindringeigenschaften in die Bohrungen durch mechanische Belastung mit Erwärmung zu erreichen.
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Mit Hilfe des Drucksensors (13) im Bereich vor dem Schneidsatz und der Steuerung der Maschine kann die Drehzahlabstimmung der Schnecken erfolgen und eine entsprechende Stoffzuführung, sowie ein konstant bleibender Verarbeitungszustand mit der Stoffeigenschaft zur Zapfenbildung in die Bohrungen der Lochscheibe erzeugt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Erfindungsansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung nach 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kombination unterschiedlicher Schnecken
- 2
- Schneidsatz
- 3
- Trichter für Rohstoffaufnahme
- 4
- Übergabebereich
- 5
- Transportkammer als Bereich zur Rückflussvermeidung
- 6
- Vorzerkleinerungsbereich zur Festigkeitsminderung
- 7
- Gehäusewandung
- 8
- Vorzerkleinerungselemente
- 9
- Antrieb für Arbeits- und Sperrschnecke
- 10
- Antrieb für Zuführschnecke
- 11
- Antrieb für Schnecke zur Festigkeitsminderung
- 12
- Schaltkupplung
- 13
- Drucksensor
- 14
- Ummantelung für Schneckengehäuse
