DE4028752A1

DE4028752A1 - Anordnung von rollen in rollenoefen

Info

Publication number: DE4028752A1
Application number: DE19904028752
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Herrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-11
Filing date: 1990-09-11
Publication date: 1992-04-02

Description

In Rollenöfen kommen bei niedrigen Temperaturen meistens Stahlrollen zur Anwendung, bei höheren dagegen Keramikrollen. Und doch werden bei den heute üblichen Anwendungstemperaturen in vielen Fällen die Festigkeitsgrenzen der eingesetzten Rollen erreicht oder überschritten, so daß es zu vorzeitigem Ersatzbedarf und hohen Kosten kommt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Anwendungsgrenzen vorhandener Rollen in Rollenöfen mit möglichst einfachen, kostengünstigen und im Alltag einfach zu handhabenden Mitteln auszudehnen.

Hierzu könnte man etwa die Rollenenden in speziell am Ofen vorzusehenden Vorrichtungen fest einspannen, wobei diese zugleich verstellbar sind bzgl. Winkel und Höhenversatz zwischen linker und rechter Seite. Allerdings stehen dieser Lösung in der Praxis gewisse Nachteile entgegen:

1. Eine Nachrüstung an bestehenden Öfen ist kaum realisierbar.
2. Die Anforderungen an die Präzision der Ofenvorrichtungen zur Rollenlagerung sowie bei der Bearbeitung der Rollenenden sind relativ hoch.
3. Die optimale Einstellung der Vorrichtung sowie deren Überwachung erfordert gründlich geschultes Personal.
4. Die Kosten für die erforderlichen Vorrichtungen an den Rollenöfen sind relativ hoch.

Zur Vermeidung dieser Nachteile geht der hiermit vorgelegte Weg zur Lösung der Aufgabe von dem Umstand aus, daß die in der Praxis eingesetzten Rollen i. a. nicht massiv, sondern hohl sind. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht daher vor, in der Verlängerung der Rollen jeweils über ihr linkes und rechtes Ende hinweg am Ofen Raum für zusätzliche Anordnungen zu schaffen und außerdem einen vorzugsweise rotationssymmetrischen Stab (1) geeigneter Dimensionierung (s. Fig. 1) mit dem kürzeren Ende b_k (2) (Schaft) in das Rollenende zu stecken und mit dem längeren Ende b_l (3) aus der Rolle (4) herausragen zu lassen. Zusätzlich wird das Stabende mechanisch fest mit der Rolle verbunden, z. B. mit Hilfe des Zapfens (5), so daß es der Drehung der Rolle beim Ofenbetrieb folgt. Die Länge b_k (2) des Rollenschaftes einerseits sowie der Innendurchmesser D_i (6) der Rolle bzw. der Außendurchmesser d_a (7) des Stabes andererseits werden so aufeinander abgestimmt, daß der Stab mit nur geringem Spiel und geringer Neigung zur Rollenachse in der Rolle sitzt, so daß er sich gleichmäßig mit der Rolle drehen kann. Als Stabmaterial wird vorzugsweise Stahl eingesetzt.

Geeignete Dimensionierung des Stabes bedeutet aber zusätzlich, daß mit dem Stab ein bestimmtes Biegemoment auf das Rollenende ausgeübt werden soll, das je nach Voraussetzungen für jeden Anwendungsfall speziell ermittelt werden muß. Dieses Biegemoment M wird am günstigsten so gewählt, daß der Spannungsverlauf im Inneren der Rolle innerhalb des Ofens möglichst klein bleibt, an den Ofenwänden also entgegengesetzt gleich groß wird wie im Spannungsmaximum in der Nähe der Rollenmitte. Dieser günstigste Wert M_g des Biegemomentes bestimmt sich folgendermaßen

a) bei einseitiger Anordnung zu mitG_R = Rollengewicht
L_f = freie Länge der Rolle=Abstand zwischen den Rollenlagern
r = G_B/G_R (G_B = Gewicht des Besatzes auf der Rolle)
s = B_B/L_f (B_B = Besatzbreite) t = B_O/L_f (B_O = lichte Ofenweite)
u = 1 + r · s
b) bei beidseitiger Anordnung links und rechts zu jeweils

Um diese Biegemomente in der Praxis zu erzielen, können grundsätzlich Außendurchmesser, Innendurchmesser und/ oder Länge b (8) des Stabes geeignet dimensioniert werden. Wird dann die Besatzbreite pro Rolle geändert (z. B. wenn bei einem Fliesenofen Fliesen mit einem anderen Flächengewicht gebrannt werden sollen), kann das hierfür erforderliche günstigste Biegemoment durch Verwendung eines anderen Stabes erzielt werden.

Wenn der Besatz häufig gewechselt werden muß, müßten demnach häufig die Stäbe gewechselt werden. Außerdem müßten verschiedene Sätze von Stäben vorhanden sein, wodurch sich die Kosten erhöhen würden. In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird daher vorgeschlagen, auf dem Stab ein verschiebbares, vorzugsweise rotationssymmetrisches Zusatzgewicht (9) vorzusehen (Fig. 1), das an der gewünschten Position auf dem Stab fixiert werden kann. Dadurch wird es möglich, mit einem Satz Stäbe den Ofen auch bei wechselnden Besatz zu betreiben, indem das Zusatzgewicht an der jeweils geeigneten Stelle fixiert wird. Diese Fixierung kann z. B. dadurch erfolgen, daß ein mit (9) verbundener Stift (10) über eine Feder (11) in eine Kerbe (12) des Stabes (1) gedrückt wird (s. Fig. 1).

Im Vergleich zum heutigen Stand der Technik, bei dem keine Spannungsreduzierung im Rolleninneren erfolgt, so daß sich der Maximalwert S_0,m der Spannung zu

mit

Flächenmoment 2. Grades der Rolle ergibt und in Ofenmitte auftritt, wird durch das Anlegen des jeweils günstigsten Biegemomentes an den Rollenenden dieses Spannungsmaximum so weit wie im Ofeninneren nur möglich herabgesetzt, und zwar

a) bei einseitiger Anordnung auf das etwas außerhalb der Ofenmitte vorliegt, und zwar verschoben in Richtung vom Rollenende weg, an das das Biegemoment angelegt ist, bzw.
b) bei beidseitiger Anordnung auf das in Ofenmitte vorliegt.

Zusammen mit der zugehörigen Eichkurve des Rollenherstellers kann daraus z. B. die maximale Temperaturbelastbarkeit ermittelt werden.

Zur Illustration der erläuterten Vorschläge soll das folgende Beispiel eines Fliesenofens dienen:

i) Die Rollendaten seien vorgegeben mit D_a/D_i/L_R = 27 mm/17,1 mm/3300 mmDabei ist L_R die Länge der Rolle im Anlieferungszustand. Beim Einbau der Rolle in den Ofen stehen die Rollenenden links bzw. rechts um das (in der Praxis jeweils kurze) Stück L_u,l bzw. L_u,r über die Lagerung nach außen hinaus, so daß sich die freie Länge ergibt zuL_f = L_R - L_u,l - L_u,rIm Beispiel etwa seien L_u,l=L_u,r=50 mm, so daß sich für die freie Rollenlänge L_f ergibtL_f = 3200 mm
ii) Die Ofenvorgaben seien B_B/B₀/G_B = 2200 mm/2400 mm/1,6 kpDann würden gemäß Gl. (3) die üblicherweise für den Fliesenbrand eingesetzten Rollen auf Basis von Aluminiumsilikaten bei freier Anordnung einer inneren Spannung von maximalS_0,m = 114 kp/cm²ausgesetzt sein und daher Anwendungstemperaturenvon maximal ca. T_0,m = 960°Cvertragen, was für den Fliesenbrand in aller Regel nicht ausreicht. Daher sollen die Rollenspannungen im Ofeninneren gemäß der vorliegenden Erfindung verringert werden durch den Einsatz von Stahlstäben mit (s. Fig. 1)
iii) Außendurchmesser d_a = 17 mm (Vollstab)
Länge b = 1000 mm = 1 m
b_i = 200 mm, daher b_k = 250 mm,
daher b_a = 800 mm, daher b_l = 750 mm Der Stab allein würde daher ein Biegemoment vonM_St = -53,1 kp/cmausüben.Sei das Zusatzgewicht (9) außerdem Z=2,5 kp.
1. Die heute existierenden Rollenöfen erlauben auf der Rollenantriebsseite keinen Zugang zum Rollenende, wohl aber auf der gegenüberliegenden Seite, sie können also einseitig nachgerüstet werden. Für das günstigste anzuwendende Biegemoment M_1g ergibt sich im Beispielsfall M_1g = -191,8 kp/cm (s. Gl. (1))Daher muß Z in einer Entfernung e_1g (15) vone_1g = 55,5 cm (s. Fig. 1)vom Lager (16) angeordnet werden. Dadurch würde sich die maximale Rollenspannung im Ofen reduzieren aufS_1,m = 58,2 kp/cm² (s. Gl. (4))so daß sich eine maximale Anwendungstemperatur vonca. T_1,m = 1125°Cergeben würde. Dies bedeutet eine Steigerung um ca. 165°C und reicht in einigen Fällen für einen Fliesenbetrieb bereits aus
2. Wenn durch Umkonstruktion des Rollenofens sogar eine beidseitige Anordnung von Stäben möglich ist, ergeben sich analog M_2g,l = M_2g,r = -129,2 kp/cm
e_2g,l = e_2g,r = 30,4 cm
S_2,m = 34,4 kp/cm (s. Gl. (5))
T_2,m = 1215°Cwomit alle üblichen Fliesenbrennvorgänge abgedeckt werden. Zusammenfassung:

In Fortsetzung des Beispiels werde nun angenommen, daß ein Wechsel des Fliesenbesatzes vorgenommen werden soll, daß etwa Fliesen mit einem höheren Besatzgewicht gebrannt werden sollen, etwa

G_B = 2,2 kp/Rolle

so daß S_0,m=133,5 kp/cm² würde. Weiterhin würden sich dann folgende Resultate ergeben:

Bei einem Rollenofen mit beidseitiger Möglichkeit zur Anwendung von Biegemomenten wäre also bei der Änderung des Fliesenbesatzes von 1,6 kp/Rolle auf 2,2 kp/Rolle lediglich eine beidseitige Verschiebung des Zusatzgewichtes Z um 8,5 cm nach außen erforderlich, nämlich von der Lage bei e_2g=30,4 cm auf e_2g=38,9 cm.

Das Beispiel zeigt zugleich, wie einfach die Handhabung in der Praxis ist. Auch die Überwachung, ob tatsächlich das günstigste Biegemoment bei allen betroffenen Rollen angelegt ist, gestaltet sich sehr einfach. Dazu braucht bei nur einer einzigen Rolle die Lage des Zusatzgewichtes (9) genau überprüft zu werden, alle anderen Rollen lassen sich dann dadurch kontrollieren, ob ihre Zusatzgewichte fluchten.

Natürlich ist es nicht zwingend, daß in der Praxis genau M_1g bzw. M_2g angewendet werden. Denn selbstverständlich bringen alle Biegemomente M, die zwischen M=0 und M=M_1g bzw. M=M_2g liegen, bereits eine Reduzierung der inneren Rollenspannung, wenn auch nicht die günstigste. Auch dem Betrag nach größere Biegemomente als |M_1g| bzw. |M_2g| bringen so lange noch eine Spannungsreduzierung gegenüber freien Rollen, wie ein Grenzwert |M_Gr| unterschritten bleibt, der sich aus der Bedingung

|S_Gr| < S_0,m

wie folgt ergibt:

a) bei einseitiger Anordnung Bei obigem Beispiel ergibt sich M_1,Gr=-343,8 kp/cm.
b) bei beidseitiger Anordnung was sich bei symmetrischer Anordnung vereinfacht zuM_2,A,Gr = M_2,B,Gr = 2 M_2g Gl. (9)Für obiges Beispiel folgt:M_{2, Gr} = -300,8 kp/cm.

Es erweist sich als besonderer Vorteil des Erfindungsgedankens, daß zur Vermeidung einer sinnlos hohen Belastung der Rolle die Biegemomente mit besonders einfachen Mitteln begrenzt werden können, indem nämlich die Stablänge hinreichend kurz gehalten wird. Im erwähnten Beispiel etwa reicht die Stablänge von 1000 mm=1 m zur Erzielung eines Biegemomentes von höchstens -250 kp/cm aus, so daß eine sinnlose Überlastung der Rolle völlig ausgeschlossen ist.

Damit die Rollen in ihrer gleichmäßigen Drehung durch die Stäbe nicht gestört werden, muß der Spalt zwischen Rolle und Stab hinreichend eng sein. Dazu reicht es vollständig aus, wenn die Achse des Stabes gegen diejenige der Rolle um weniger als 0,2 Grad geneigt ist. Das bedeutet, daß bei einer Schaftlänge b_k von z. B. 250 mm die Innendurchmesser D_i der Rolle auf den Außendurchmesser der Stäbe auf ca. 0,8 mm abgestimmt sein müssen. Letztere sind ohne Schwierigkeiten mit einer totalen Toleranz von 0,2 mm herstellbar, so daß die Toleranz für die Rolleninnendurchmesser bei ca. 0,6 mm liegen soll. In aller Regel wird es möglich sein, diese bereits beim normalen Herstellprozeß der Rolle einzuhalten, in Ausnahmefällen kann noch ein nachträglicher Schleifprozeß angefügt werden.

Aus Kostengründen soll während der gesamten Betriebsdauer des Ofens nur ein Satz Stäbe erforderlich sein. Da Stahl jedoch weniger hart ist als alle verwendeten Rollenkeramiken, wird sich im Lauf der Jahre ein gewisser Abrieb am Stahlschaft auch bei geringem Spalt zur Rolle ergeben. Es kann daher sinnvoll sein, auf den Stahlschaft eine Schicht aus einer Keramik mit vergleichbarer oder größerer Härte aufzubringen.

Da der Betrag des Zusatzgewichtes (9) beim Ofenbetrieb bekannt ist, kann auf dem Stab (1) zugleich eine Eichskala für die Biegemomente vorgesehen werden, in welcher Lage des Zusatzgewichtes (9) sich also welches Biegemoment ergibt. Dadurch wird eine besonders rasche Handhabung bei der Einstellung des gewünschten Biegemomentes in der Praxis möglich.

Da Rollenöfen in aller Regel sehr lang sind - Ofenlängen von mehr als 100 m sind keine Ausnahme -, werden sehr viele Rollen pro Ofen benötigt. Um die erforderliche Konstanz bei der Durchlaufgeschwindigkeit des Brenngutes durch den Ofen zu erzielen, müssen die Rollen

a. alle denselben Außendurchmesser und außerdem
b. untereinander dieselbe Winkelgeschwindigkeit

aufweisen.

Zur Lösung von b. werden die Rollenaufnahmen auf der Antriebsseite synchron angetrieben. Dazu werden nach dem heutigen Stand der Technik der Antrieb bzw. die für die Antriebsübertragung erforderlichen Komponenten in der rückwärtigen Verlängerung der Rollen angeordnet. Daher sind die Rollenenden bisher nicht für zusätzliche Anordnungen zugänglich. Das aber bedeutet, daß bestehende Rollenöfen mit der erfindungsgemäßen Anordnung nur einseitig nachgerüstet werden können, nämlich nur auf der der Antriebsseite gegenüberliegenden Ofenseite. In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird daher vorgeschlagen, daß auf der Antriebsseite des Rollenofens der Antrieb und die Antriebsübertragung oberhalb oder unterhalb derjenigen Ebene angeordnet werden, die durch die Aneinanderreihung der Rollen definiert ist.

Eine Lösungsmöglichkeit besteht etwa darin, daß die Rollenaufnahmen jeweils einen Zahnkranz tragen und daß die Vielzahl der Zahnkränze von einer gemeinsamen Kette angetrieben wird. Dabei wird die Kette als ganzes entweder oberhalb oder unterhalb der Rollenebene angeordnet.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß nur eine einzelne Rollenaufnahme von oberhalb oder unterhalb der Rollenebene angetrieben wird. Dazu kann die Antriebswelle z. B. parallel zur Rollenachse liegen und die Rollenaufnahme über Zahnkränze antreiben. Liegt die Antriebswelle nicht parallel (z. B. senkrecht) zur Rollenachse, so kann der Antrieb der Rollenaufnahme z. B. durch Kegelräder/Tellerräder erfolgen. Die Synchronisation der Drehbewegungen der einzelnen Rollenaufnahmen untereinander erfolgt dann über je ein Zwischenrad zwischen zwei benachbarten Rollenaufnahmen mit entsprechenden Zahnkränzen.

Eine dritte Möglichkeit sieht vor, daß eine angetriebene Welle parallel zur Ofenachse (also senkrecht zu den Rollenachsen) entweder oberhalb oder unterhalb der Rollenenden angeordnet wird. Die Übertragung der Wellenrotation auf die Rollenaufnahmen kann dabei über Schraubenräder mit Schrägverzahnung erfolgen.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird schließlich vorgeschlagen, die Rollenaufnahmen nicht mehr - wie beim heutigen Stand der Technik - auf der Stirnseite zu schließen, sondern in ihr eine zentrische, kreisförmige Öffnung vorzusehen, deren Durchmesser mindestens so groß ist wie der Innendurchmesser der Rolle, so daß in das von der Rollenaufnahme umschlossene Rollenende ohne Schwierigkeiten ein Stab eingeführt werden kann.

Mit Hilfe der vorgenannten Vorschläge lassen sich die erfindungsgemäß beschriebenen Anordnungen von Rollen auf beiden Ofenseiten verwirklichen, so daß die Vorteile des Erfindungsgedankens in vollem Ausmaß zugänglich werden.

Es kann zugleich davon ausgegangen werden, daß bei neu konzipierten Öfen nicht grundsätzlich nennenswert höhere Kosten für die erfindungsgemäß vorgeschlagene Gesamtanordnung von Rollenantrieb incl. Antriebsübertragung sowie von Rollenaufnahme und Rollenlager entstehen werden. Das aber bedeutet, daß bei neu gebauten Öfen die Vorteile der Erfindung mit nur relativ geringem Mehraufwand gegenüber den Öfen nach dem heutigen Stand der Technik erzielbar sind. Bereits bestehende Öfen auch auf der Antriebsseite umzurüsten, dürfte allerdings relativ aufwendig sein.

Claims

1. Anordnung von Antrieb, Antriebsübertragung, Rollenaufnahmen und Rollenlagern bei Rollenöfen, wie sie z. B. zum Härten von Gegenständen aus Metall oder Brennen von Porzellan, Keramik, Fliesen, Ziegeln o. ä. bei Temperaturen von größenordnungsmäßig 1000 Grad Celsius oder mehr eingesetzt werden, wobei in der Hochtemperaturzone in der Regel Rollen aus keramischem Material Anwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebsseite des Rollenofens der Antrieb und alle für die Antriebsübertragung erforderlichen Komponenten oberhalb oder unterhalb der durch die Folge von Rollen festgelegten Ebene liegen und daß möglichst an jeweils beiden Rollenenden ein einstellbares Biegemoment zur Reduzierung der Spannungen in den Rollen im Ofeninneren ausgeübt wird, indem geeignet dimensionierte Gegenstände an den Rollenenden mechanisch möglichst starr befestigt werden, wobei der größere Teil ihrer Masse auf der Außenseite der Rollenlager angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände Stäbe sind, die in die Hohlrollen möglichst formschlüssig hineingesteckt werden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stäben verschiebbare Zusatzgewichte vorgesehen werden.

4. Anordnung nach Anspruch 2 bzw. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anlegbaren Biegemomente wenigstens die für die Praxis besonders günstigen Werte

- bei einseitiger Anordnung mitG_R = Rollengewicht, L_f = freie Länge der Rolle,
r = G_B/G_R (G_B = Besatzgewicht auf der Rolle
s = B_B/L_f (B_B = Besatzbreite, t=B_O/L_f (B_O=lichte Ofenweite),
u = 1 + rs
- bei beidseitiger Anordnung

erreichen, indem Stablänge bzw. Zusatzgewicht hinreichend groß sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2 bzw. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anlegbaren Biegemomente die Grenzwerte bei einseitiger Anordnung bzw. bei beidseitiger Anordnung nicht überschreiten, indem die Stäbe entsprechend kurz gehalten werden.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolleninnenseite einen Schliff erhält, der mindestens so lang ist wie der Schaft des Stabes und der die Toleranz des Rolleninnendurchmessers begrenzt auf einige Zehntel mm.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Hohlrollen steckenden Stabschäfte an der Oberfläche eine zusätzliche Schicht aus Keramik tragen, die ähnliche oder größere Härte aufweist als die Rolle selbst.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bzw. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe eine Eichung für die erzielten Biegemomente bzgl. der Lage des Zusatzgewichts aufweisen.

9. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsübertragung auf die einzelnen Rollenaufnahmen über eine gemeinsame Kette erfolgt oder mittels einer parallel zur Ofenachse verlaufenden Welle, deren Drehung auf die Rollenaufnahme mittels Schraubenrädern mit Schrägverzahnung übertragen wird, oder über jeweils ein Zwirad, wobei nur eine Rollenaufnahme angetrieben werden muß.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vorrichtung zur Aufnahme einer mit der ersteren starr verbindbaren Rolle (Rollenaufnahme) auf der Stirnseite eine zentrische, kreisförmige Öffnung vorgesehen wird, deren Durchmesser mindestens so groß ist wie der Innendurchmesser der Rolle.