DE4122002C1

DE4122002C1 -

Info

Publication number: DE4122002C1
Application number: DE4122002A
Authority: DE
Inventors: Helmut 8804 Dinkelsbuehl De Fleuchaus
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1991-07-03
Publication date: 1992-08-13
Anticipated expiration: 2011-07-04
Also published as: ITTO920535A0; GB2257102A; FR2678591B3; IT1259591B; GB2257102B; GB9212765D0; ITTO920535A1; FR2678591A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Antrieb einer abwärts fördernden Bandanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Antriebs einrichtung ist aus der WO 82/04 107 (EP 82 900 960) bekannt; anderweitige Antriebseinrichtungen für abwärts fördernde Bandanlagen basieren auf einfachen Konfigurationen, wie z. B. einer elastischen Verbindungskupplung zwischen dem Elektromotor und der Band-Antriebswelle oder einer hydro dynamischen Anlaufkupplung zwischen dem Elektromotor und der Antriebswelle der Bandanlage.

Bei den bekannten Antriebseinrichtungen sind die einzelnen Antriebskomponenten stets so dimensioniert, daß sie dem maximalen Leistungsbedarf entsprechen. Bezogen auf den speziellen Anwendungsfall einer abwärts fördernden Bandan lage bedeutet dies, daß die einzelnen Komponenten der An triebseinrichtung dem maximalen Leistungsbedarf des abwärts fördernden Bandes entsprechend ausgelegt sind.

Bei abwärts fördernden Bandanlagen liegen jedoch ganz spezifische Verhältnisse vor. Ist das Förderband noch leer, d. h. unbeladen, so muß beim Anfahren, d. h. bei Inbetrieb nahme der Bandanlage nur so viel Leistung aufgebracht werden, wie zur überwindung der Reibungswiderstände in bzw. an den verschiedenen Lagerstellen notwendig ist; dies gilt auch noch bei teilbeladenen Förderbändern. Mit zunehmender Be ladung der Bandanlage kehrt sich der Kraftfluß (vom An triebsmotor zur Antriebswelle) um, da die Beladung des Förderbandes aufgrund der auf einer schiefen Ebene wirken den Eigengewichtskraft nicht mehr eine positive Leistung des Elektromotors erfordert, sondern an diesen gar genera torische Leistung abgibt. Je nach Betriebsart der Bandan lage und je nach Beladungszustand nehmen abwärts fördernde Bandanlagen also Leistung (vom Elektromotor) auf oder sie geben generatorische Leistung (an den Elektromotor) ab. Wie bereits erwähnt, sind die einzelnen Komponenten der be kannten Antriebseinrichtungen stets dem maximalen (genera torischen) Leistungsbedarf entsprechend dimensioniert.

Im praktischen Betrieb ist es jedoch so, daß beim Anlaufen der leeren Förderbänder teilweise nur 10 . . . 20 % des rech nerisch vorgegebenen und installierten Leistungsbedarfs erforderlich sind; mir zunehmender Beladung des Förderbandes ist der für den Anlaufbetrieb erforderliche Leistungsbe darf aus den vorstehend genannten Gründen noch geringer. Da nun jedoch der Antriebsmotor dem Last- bzw. Nennbetrieb entsprechend dimensioniert wird, ist er somit für den Anfahr betrieb (zwangsläufig) weit überdimensioniert. Dies hat zur Folge, daß beim Anfahren der Bandanlage ein hohes Beschleu nigungsmoment entsteht. Damit wird das Band, das Kernstück der Bandanlage, sehr stark belastet und es entstehen ins besondere intensive longitudinale Bandzugschwingungen.

Aus DE-AS 10 15 279 ist es bereits bekannt, im Anlaufbetrieb nur eine hydrodynamische Strömungskupplung zu verwenden und im Nennbetrieb diese mittels einer mechanischen Kupplung zu überbrücken, d. h. die Drehmomentenübertragung über die mechanische Kupplung erfolgt, siehe Spalte 1, Zeilen 34 bis 41.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist aus DE 33 20 504 C1 bekannt, siehe Spalte 2, Zeilen 30 bis 35. Dabei weist die Bremseinrichtung eine vom Bandförderer angetriebene, als Pumpe arbeitende hydrostatische Verdrängermaschine auf.

Aus DE-Z: Maschinenmarkt Würzburg, 82, 1976, 57, S. 1031 bis 1034 ist es bekannt, bei Antrieben mit einem Kurzschlußläufermotor als Anlaufkupplung eine hydrodynamische Strömungskupplung zu verwenden, siehe Seite 1032.

Aus DE-PS 7 48 201 ist es bekannt, zwischen Motor und Abtrieb sowohl eine hydrodynamische Strömungskupplung als auch eine mechanische Kupplung anzuordnen und wahlweise nur eine der beiden Kupplungen zu verwenden, allerdings bei einem Fahrzeugantrieb, siehe Seite 2, Zeile 14 bis 25, 31 bis 44, 104 bis 107.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be steht darin, das Anfahrverhalten einer Antriebseinrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, daß das Beschleunigungsmoment reduziert wird, wobei aber der für den Nennbetrieb erforderliche hohe Leistungsbedarf unver ändert beibehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Konzeption gelöst.

Mit anderen als den im Patentanspruch 1 gebrauchten Worten heißt dies, daß während des Anfahrbetriebs der Kraftfluß vom Elektromotor in Richtung Bandanlage direkt, d. h. unter "Umgehung" der Schaltkupplung über die hydrodynamische Strömungskupplung erfolgt; beim Anfahren besteht mithin keine Kraftverbindung zur bzw. über die als Synchronisier einrichtung wirkende Schaltkupplung. Bei Änderung der Kraft flußrichtung infolge negativen Lastmoments der Bandanlage (im Nennbetrieb), d. h. bei Drehmomenteinleitung zum Elektro motor hin erfolgt die Drehmomentübertragung - unter "Um gehung" der hydrodynamischen Strömungskupplung - von der Bandanlage direkt zur Schaltkupplung und von hier zum Elektromotor.

Der Vorteil dieser Konzeption bzw. Konfiguration besteht darin, daß sie den unterschiedlichen Bedingungen und Er fordernissen des Anfahrvorgangs über die hydrodynamische Strömungskupplung einerseits und des Nennbetriebs unter Mit wirkung der mechanischen Schaltkupplung andererseits ent sprechend ausgelegt werden kann. Die hydrodynamische Strömungs kupplung wird entsprechend dem geringeren positiven Leistungs bedarf beim Anfahren ausgelegt; die mechanische Schalt kupplung wird dem maximalen Lastbedarf beim Nennbetrieb ent sprechend ausgelegt, wobei der Kraftschluß von der Bandan lage zum Elektromotor dann unter Umgehung der hydrodynamischen Strömungskupplung erfolgt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer abwärts fördernden Bandanlage;

Fig. 2 ein Prinzip- bzw. Funktionsschema der Antriebseinrichtung;

Fig. 3 eine Schemadarstellung einer aus einer mechanischen Schaltkupplung und einer hydrodynamischen Strömungskupplung be stehenden Antriebseinheit;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt eines Ausführungs beispiels der Schaltkupplung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Diagrammdarstellung des Motor-Dreh moments beim Anfahrbetrieb;

Fig. 6 eine Diagrammdarstellung des Drehmoments der Antriebswelle der Bandanlage beim Anfahr- und Nennbetrieb.

In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung einer abwärts fördern den Bandanlage 1 dargestellt. Diese besteht aus einem zwischen einer Antriebswelle 2 und einer relativ dazu tiefer liegenden Umlenkrolle 3 umlaufenden endlosen Förderband 4. Dieses Förderband 4 wird im Bereich der Antriebswelle 2 mit Fördergut 5 beladen und fördert dieses dem Neigungswinkel α des Förderbands 4 ent sprechend zur im Bereich der Umlenkrolle 3 liegenden Tal- bzw. Abnahmestation hin.

In Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild einer Antriebsein richtung 10 dargestellt, mittels der die Antriebswelle 2 einer abwärts fördernden Bandanlage 1 angetrieben werden soll. Die zum Betrieb der Bandanlage 1 erforderliche Energie liefert ein Elektromotor 11 der vorzugsweise als Kurz schlußläufermotor verifiziert ist.

Der Elektromotor 11 wirkt beim Anfahren, d. h. bei Inbetriebnahme der Bandanlage 1 zunächst (vgl. Pfeil X) auf eine hydrodynamische Strömungs kupplung 12, die dem für den Anfahrbetrieb erforderlichen, relativ geringen Leistungsbedarf entsprechend dimensioniert ist. Die hydrodynamische Strömungskupplung 12 wirkt ihrerseits auf die Antriebswelle 2 der Bandanlage 1 und setzt diese der Motorkennlinie des Elektromotors 11 bzw.

der Anfahrparabel der Strömungskupplung 12 entsprechend in Bewegung.

Im unbeladenen Zustand des Förderbandes 4 der Bandanlage 1 ist für deren Inbetriebnahme letztlich nur so viel Energie erforderlich, wie zur Überwindung der Reibungs- und Lager kräfte der Bandanlage 1 notwendig ist.

Wird im praktischen Einsatz die Bandanlage 1 beladen, so erfährt das Förderband 4 zunehmend Beschleunigungskräfte über die letztlich die Antriebswelle 2 der Bandanlage 1 zunehmend so beaufschlagt wird, daß eigentlich gar keine motorische Leistungsaufnahme mehr erfolgt. Der Elektro motor 11 wird über die Antriebswelle 2 der Bandanlage 1 nunmehr generatorisch betrieben. Um nun in diesem Falle zu vermeiden, daß die Bandanlage 1 ungebremst beschleunigt, ist zwischen der Bandanlage 1 und dem Elektromotor 11 eine mechanische Schaltkupplung 13 eingefügt, die inso fern als Sychronisiereinrichtung wirkt, als sie den Syn chronismus zwischen der Bandgeschwindigkeit und der Netz frequenz des Elektromotors 11 zwangsweise aufrecht erhält.

Im Nenn- bzw. Lastbetrieb der Bandanlage 1 (vgl. Pfeil Y) wird der Elektromotor 11 somit generatorisch betrieben, wobei der Synchronismus über die mechanische Schaltkupplung 13 gewährleistet wird.

In Fig. 3 ist eine Schemadarstellung einer aus einer mechanischen Schaltkupplung und einer hydrodynamischen Strömungskupplung bestehenden Antriebseinrichtung ge zeichnet. Die hier gezeigte hydrodynamische Strömungs kupplung 12 zur Kupplung des Elektromotors 11 mit der Bandanlage 1 während beziehungsweise im Anfahrbetrieb besteht aus einem starr (vergleiche Verbindung 40) mit einer Primärwelle 20 (Motorwelle) verbundenen Primär schaufelrad 21 und einer dazu gehörenden Schale 22. Koaxial zur Primärwelle 20 ist eine Sekundärwelle 30 (Abtriebswelle) mit einem Sekundärschaufelrad 31 vorge sehen, die letztlich mit der Antriebswelle 2 der Band anlage 1 gekoppelt ist. Die Schale 22 des Primärschaufel rads 21 ist über ein Wälzlagerpaar 19 auf der Sekundär welle 30 abgestützt.

Auf der Sekundärwelle (Abtriebswelle) 30 ist ein Kupp lungskörper 32 fixiert, der zwei innere Kupplungscheiben, nämlich eine starre Kupplungsscheibe 33 und eine axial bewegliche Kupplungsscheibe 34 umfaßt. Im Kupplungs körper 32 ist ferner ein ringförmiger zylindrischer Druckraum 35 mit einem der Betätigung der mechanischen Schaltkupplung 13 dienenden axial verchiebbaren Ring kolben 36 angeordnet. Schließlich ist an dem Kupplungs körper 32 noch ein Vorratsraum 37 angebaut, dessen lichter Durchmesser wesentlich kleiner ist als derjenige des Druckraums 35. Der Vorratsraum 37 steht über min destens eine über ein Ventil 41 steuerbare Verbindungs leitung 38, sowie über mindestens zwei um 180° ver setzte Stillstandsrückfüllkanäle 42 mit dem Druckraum 35 in Verbindung. Der Druckraum 35 beziehungsweise der Vorratsraum 37 sind- je nach Betriebszustand - mit einer Flüssigkeit gefüllt. Der Vollständigkeit halber sie noch angemerkt, daß die beiden Kupplungs scheiben 33/34 des Kupplungskörpers 32 über Druck federn 39 miteinander verbunden sind.

Die im Vorstehenden beschriebenen mechanischen Elemente 32 . . .39 bilden den einen Funktionsteil der mechanischen Schaltkupplung 13; diese Kupplungshälfte ist mit der Sekundärwelle 30 verbunden. Eine zweite Kupplungshälfte - bestehend aus den Elementen 23 und 24 - ist starr (vergleiche Verbindung 40) mit der Primärwelle gekoppelt.

Die Funktionsweise der in Fig. 3 gezeichneten Antriebs einrichtung ist wie folgt:

Im Anfahrzustand basiert die Kopplung zwischen dem Motor 11 beziehungsweise der Primärwelle 20 und der Bandanlage 1 beziehungsweise der Sekundärwelle 30 alleine auf der Wirkung der hydrodynamischen Strömungskupplung 12. Bezüglich der mechanischen Schaltkupplung 13 gilt, daß im Ruhe- und Anfahrzustand Druckfedern 39 die Schaltkupplung 13 geöffnet halten. Das Rotieren der Sekundärwelle 30 hat zur Folge, daß sich, sobald die Flüssigkeit mitrotiert, ein drehzahlabhängiger Druck aufbaut. Dieser bewirkt ein Übertreten der Flüssigkeit vom Vorratsraum 37 in den Druckraum 35, und zwar in Folge der Öffnung eines fliehkraftbetätigten Ventils 41, welches sich in der Verbindungsleitung 38 befindet. Im Druckraum 35 erhöht sich der Flüssigkeitsdruck, weil hier die Flüssigkeit in einem größeren Abstand von der Drehachse rotiert. Wenn die Drehzahl am Ende des Anfahrvorgangs genügend weit angestiegen ist und wenn demzufolge die auf den Ringkolben 36 wirkende Druckkraft die Rückstell kraft der Druckfedern 39 übersteigt, schließt der Ring kolben 36 die mechanische Schaltkupplung 13. Im Last beziehungsweise Nennbetrieb ist somit die Bandanlage 1 ausschließlich über die mechanische Schaltkupplung 13 mit dem Elektromotor gekoppelt.

In Fig. 4 ist eine mögliche konstruktive Ausgestaltung der Antriebseinrichtung gemäß Fig. 3 dargestellt. Alle wesentlichen Bauelemente sind hier mit den gleichen Be zugszeichen belegt wie in Fig. 3.

Die Primärwelle 20 und die Sekundärwelle 30 sind koaxial zueinander angeordnet. Die Primärwelle 20 ist über die starre Verbindung 40 mit der aus den Elementen 23 und 24 bestehenden zweiten Kupplungshälfte der mechanischen Schaltkuplung 13 und darüberhinaus mit der hydrodynami schen Strömungskupplung 12 verbunden. Die aus den in Ver bindung mit Fig. 3 beschriebenen Elementen 32 . . . 39 be stehende erste Kupplungshälfte der mechanischen Schalt kuplung 13 liegt quasi innerhalb einer durch die Verbin dung 40 und die zweite Kupplungshälfte der mechanischen Schaltkupplung 13 begrenzten Freiraum.

Die starre Kupplungsscheibe 33 ist - aus fertigungstech nischen Gründen - zweiteilig ausgebildet. Beide Teile sind als funktionale Einheit mit der Sekundärwelle 30 verbunden. Das der Verbindung 40 gegenüberliegende Teil 33a ist so ausgebildet und in die Anordnung integriert, daß einerseits der Druckraum 35 und andererseits der Vorratsraum 37 begrenzt wird. Die mechanische Schaltkupp lung 13 ist im geöffneten Zustand dargestellt, das heißt der Ringkolben 36 liegt mit nahezu seiner gesamten Stirn fläche (in der Zeichnung die linke Fläche) an, so daß die Flüssigkeit fast vollständig in den Vorratsraum 37 verdrängt ist; dabei ist die Flüssigkeit nahezu vollkom men vom Ringkolben 36 getrennt. Dies erfolgt im Still stand über mindestens einen von mehreren Stillstands rückfüllkanäle 42.

Die vom Vorratsraum 37 zum Druckraum 35 führende Ver bindungsleitung 38 ist zunächst durch das Ventil 41 ver schlossen. Dies bedeutet, daß sich während des Anfahr vorgangs auf den Ringkolben 36 nahezu kein Flüssigkeits druck aufbauen kann. Erst bei Erreichen der Motorsynchron drehzahl wird das fliehkraftabhängige Ventil 41 geöffnet und die Flüssigkeit in den Druckraum 35 freigegeben.

Der sich im Druckraum 35 nun schnell aufbauende Flüssig keitsdruck bewirkt das Schließen der mechanischen Schalt kupplung 13.

In Fig. 5 ist ein Diagramm der Motorkennlinie T_M, sowie - überlagert - der Anfahrparabel P der hydrodynamischen Strömungskupplung 12 dargestellt. Die Abszisse des Diagramms gibt die Motordrehzahl n₁ an; die Ordinate zeigt das Motor-Drehmoment T.

Beim Einschalten des Elektromotors 11, d. h. bei Inbetrieb nahme der Bandanlage 1 ergibt sich die für Kurzschluß läufermotore der bekannten und hier verwendeten Art darge stellte Motorkennlinie T_M, entsprechend der die hydro dynamische Strömungskupplung 12 beaufschlagt wird. Über die im gleichen Diagramm gezeichnete Anfahrparabel P ist zu erkennen, daß der Elektromotor 11 vor Erreichen seiner der Netzfrequenz entsprechenden Drehzahl n_syn diese Anfahrparabel P schneidet.

In Fig. 6 ist ein Diagramm der an der Antriebswelle 2 der Bandanlage 1 wirksamen, von der hydrodynamischen Strömungs kupplung 12 her übertragenen Drehmomente T_B dargestellt. Die Abszisse zeigt die Banddrehzahl n₂; die Ordinate gibt die an der Antriebswelle der Bandanlage wirksamen Dreh momente T an.

Im Anfahrbetrieb, d. h. bei vom Elektromotor 11 über die hydrodynamische Strömungskupplung 12 zur Bandanlage 1 gerichtetem Kraftfluß, wirkt - je nach Beladung des Förder bandes - auf das leere Band ein Drehmoment T_L; auf das vollbeladene Band wirkt ein Lastmoment T_V; Das Diagramm zeigt ferner, daß für den Anfahrbetrieb des leeren Förder bandes 4 eine positive Leistung des Elektromotors 11 erforderlich ist, während beim vollbeladenen Förderband 4 am Ende des Anfahrvorgangs, d. h. wenn Motordrehzahl und Bandgeschwindigkeit synchron zueinander sind, ein negatives Drehmoment (Lastmoment) und damit eine generatorische Leistung abgegeben wird. Im Leerzustand des Förderbandes ist dabei die Banddrehzahl stets geringer als die Motordrehzahl.

Nach Erreichen der Synchrondrehzahl entspricht das Moment des Förberbandes 4 dem des Elektromotors 11, wobei nun das Motormoment TΔ entgegen der Eigenbeschleunigung des Bandes wirkt bis der Betriebspunkt B erreicht wird.

Aus der Gegenüberstellung der Diagramme nach Fig. 5 und Fig. 6 ist insbesondere zu erkennen, daß aufgrund der Relation zwischen der Motor-Kennlinie TM und der Anfahr parabel P der hydrodynamischen Strömungskupplung 12 auf das leere Förderband 4 Beschleunigungsmomente T_G wirken.

Claims

Einrichtung zum Antrieb einer abwärts fördernden Bandanlage,
mittels eines Elektromotors,
insbesondere eines Kurzschlußläufermotors, der über eine hydrodynamische Strömungskupplung und eine mechanische Schaltkupplung (Synchroni siereinrichtung),
mit der Antriebswelle der Bandanlage koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die hydrodynamische Strömungskupplung (12) und die mechanische Schaltkupplung (13) derart aktivier bar sind,
daß im Anlaufbetrieb der Bandanlage (1) die Drehmomentübertragung vom Elektromotor (11) zur Antriebswelle (2) der Bandanlage (1) aus schließlich über die hydrodynamische Strömungs kupplung (12) erfolgt, und
daß im Lastbetrieb (Nennbetrieb) der Bandanlage (1) bei negativem Lastmoment der Bandanlage (1) aufgrund der Abwärtsförderung die Drehmomentübertragung von der Bandanlage (1) zum Elektromotor (11) ausschließlich über die mechanische Schaltkupplung (13) erfolgt.