DE4325801C2 - Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe-Verbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung von zwei Teilen, vorzugsweise Einbauteilen in Chemieapparaten, insbesondere emaillierten Rührwerksapparaten.

Zur Vermeidung großer Öffnungen in Chemieapparaten, insbesondere emaillierten Rührwerksapparaten, werden Einbauteile mit zweidimensional großer Ausdehnung, wie bestimmte Rührer- und Umlenkeinbautenformen in Einzelteilen gefertigt und nach deren Einbringen im Behälter zu ihrer funktionsbedingten Bauform kraftschlüssig zusammengefügt, wobei im Innern der Behälter alle Oberflächen der eingebrachten oder hineinragenden Teile hochkorrosionsbeständig beschichtet vorzugsweise emailliert sind. Die hohen Druckfestigkeiten und durch Schmiermittel praktisch nicht zu beeinflussenden Reibungskoeffizienten von glatt aufeinander liegenden keramischen oder silikatischen Werkstücken, wie sie bei der auflaufsicheren und selbsthemmenden Abdichtung von Gefäßen mit eingeschliffenem Stopfen seit langem bekannt sind, bieten mit den üblichen ebenfalls seit langem bekannten Verbindungsmethoden des thermischen Einschrumpfens oder mechanisch hydraulischen Einpressens einer guten feinstbearbeiteten zylindrischen oder konischen, ggf. hohlen Welle in eine innen geometrisch ebenso beschaffenen Nabe keine grundsätzlichen Schwierigkeiten.

Da in der spröden und rißempfindlichen Beschichtung der Nabe im Betrieb keine großen Zugbeanspruchungen auftreten dürfen, ist diese sehr dickwandig und starr ausgeführt, so daß die Pressung in der zylindrischen bzw. konischen Berührungsfläche zwischen Welle und Nabe bei den bekannten Konstruktionen im wesentlichen lediglich aus der elastischen Stauchung der gewöhnlich hohl eingeführten Welle resultiert. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Preßverbindung wird neben dem reibschlüssig übertragbarem Drehmoment, insbesondere von der Höhe der vorhandenen elastischen Verformung der eingepreßten Hohlwelle bestimmt. Bei den bekannten Konstruktionen ist als obere theoretische Grenze der elastischen Verformung lediglich die der ausgeprägten Streckgrenze mit plötzlich einsetzender großer plastischer Verformung der emaillierfähigen Stähle entsprechende elastische Stauchung von ca. 0,1% anzusehen, was bei beispielhaftem Fügedurchmesser und -länge von 100 mm lediglich 0,1 mm elastischer Gesamtverformung entspricht.

Bei der thermisch geschrumpften zylindrischen Verbindung nach US 4221488 = DE 30 07 718 C2 verringert sich dieser Betrag unter Außerachtlassung schädlicher Fertigungstoleranzen nach Abzug des erforderlichen Fügespiels auf weniger als 0,06 mm, während bei der mechanisch/hydraulisch gefügten Konuspreßverbindung gleicher Abmessung nach EP 0145370 A2 oder EP 0393516 A1 lediglich maximal 0,04 mm elastische Gesamtverformung aufgebracht werden können, was in dem gewählten Beispiel bereits mit einer durch die hohe Reibung bedingten axialen Preßkraft von mehr als 300.000 N verbunden ist.

Durch Temperaturänderungen im Behältermedium kommt es im laufenden Betrieb zu zeitweiligen Temperaturdifferenzen zwischen Nabe und Hohlwelle, die bei heißer Nabe und kalter Welle die elastische Stauchung der Welle und damit auch das übertragbare Drehmoment verringern.

Dem wird konstruktiv teilweise dadurch begegnet, daß die Verbindung gegenüber den auftretenden Betriebslasten extrem überdimensioniert wird, andererseits wird die Wandstärke der Hohlwelle minimiert um deren Wärmeträgheit gering zu halten, was aber durch die im Betrieb auftretenden Drehmomente bzw. durch die erwähnten hohen Fügekräfte des Konuspreßsitzes, vor allem aber durch die geringe Festigkeit des emaillierten Hohlwellenmetalls nur begrenzt möglich ist.

Mit Ausnahme einer bekanntgewordenen technischen Lösung nach DE 41 22 533 A1 mit balliger Hohlwelle und konischer Nabe haben alle übrigen bekanntgewordenen technischen Lösungen mit Konus- bzw. Zylinderform geradlinige Berandungen der ineinander gepreßten Teile.

Dies führt zu einer Erhöhung der Pressung an den Rändern und zu ihrem Abfall in der Mitte des Schrumpfbereiches von Welle und Nabe, so daß die Bereiche der Verbindung mit den höchsten Traganteilen den thermischen und korossiven Einwirkungen des Behälterinhaltes am stärksten ausgesetzt sind. Andererseits unterliegen auch die im inneren Bereich der Preßverbindung liegenden Emailflächen dem korrosiven Medienangriff, was besonders bei basischen oder sauer- basisch wechselnden wäßrigen Lösungen bei erhöhten Temperaturen nachweisbar ist. Da durch das mechanische Bearbeiten der gepreßten Emailflächen die glatte Glasurschicht entfernt wird und die Blasenstruktur der Emailschicht freigelegt wird, ist auch bei feinster Bearbeitung und maximaler Pressung keine elektrolytische Dichtheit der Preßfuge erreichbar, so daß ein stetiger korrosiver Abtrag erfolgt. Die zuvor abgeschätzten Stauchungen der Hohlwelle sind daher im Vergleich mit den jährlichen Korrosionsraten offener brennglatter Emailflächen von mehreren Hundertsteln im sauren bzw. mehreren Zehnteln Millimetern im basischen bzw. basisch-sauer wechselnden Medium bedenklich niedrig. Während bei der konischen Verbindung durch periodische Kontrolle und erforderlichenfalls Nachspannen Pressungsverluste kompensiert werden können, ist dies bei der zylindrischen Preßverbindung nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil der bekannten technischen Lösungen mit geraden Mantellinien von Zylinder bzw. Konus liegt darin, daß geringste Fertigungsfehler in der Parallelität zwischen Nabe und Zapfen sowie Positionsfehler beim Fügen unweigerlich zu gefährlichen Kanten- bzw. Linienpressungen führen können.

Die Lösung für den durch Unterkühlung eingeschrumpften zylindrischen Zapfen hat zudem den Nachteil, daß das Vereisen des vor dem Einführen der Außenluft ausgesetzten Hohlzapfens mittels besonderer Maßnahmen verhindert oder beseitigt werden muß. Zudem ist für das lange Einführen und Ausziehen ein beträchtliches Spiel erforderlich, das außerdem durch geringste Verschmutzungen und die genannte Vereisung beeinträchtigt wird.

Die in einem geschlossenen Behälter mit darin notwendigerweise befindlichem Montagepersonal durch thermische Einwirkung erzielbare Durchmesserveränderung zwischen Nabe und Hohlwelle aus emaillierfähigem Stahl beschränkt sich auf 0,2% und ist nur durch Innenkühlung mit Flüssigstickstoff möglich. Tieferkalte Medien, wie Flüssigwasserstoff, scheiden aus Sicherheitsgründen aus, ebenso eine Erwärmung der Nabe von außen.

Sind Welle und Nabe vor dem thermischen Lösen im Preßkontakt, so verringert sich dieser Wert, da bei der bekanntgewordenen technischen Lösung durch bloßes Füllen des Hohlzapfens mit siedendem Kühlmittel infolge Bildung und Haftung eines Dampfpolsters an der Zapfeninnenwand der Wärmeübergang verringert wird und der Abkühlvorgang langsam erfolgt, so daß durch die gleichzeitige Abkühlung der Nabe für die elastische Stauchung der Hohlwelle und das auch zum Lösen des Zylindersitzes erforderliche Fügespiel praktisch insgesamt nur 0,1% des Durchmessers des Fügesitzes zur Verfügung steht. Von der verfügbaren Temperaturdifferenz von mehr als 210°C gehen durch zu langsame Abkühlung und erforderliches Fügespiel mehr als 120°C verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Montage- und Betriebssicherheit der kraftschlüssigen Hohlwelle - in Nabe - Verbindung dadurch zu erhöhen, daß die nach dem Fügen vorhandene elastische Gesamtverformung gegenüber den bekannten technischen Lösungen erheblich gesteigert wird, der Einfluß von Fertigungs- und Montageungenauigkeiten weitgehend ausgeschaltet und der schädliche Korossionseinfluß drastisch verringert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der eingesteckte Hohlzapfen aus einem hochfesten im ungepreßten Zustand unter Druck stehenden inneren Teil und einem unter Zug stehenden emaillierfähigen Außenteil besteht, wodurch die Hohlwelle im Vergleich zur einschichtigen emaillierfähigen Ausführung erheblich dünner und weniger wärmeträge ausgeführt werden kann, durch eine konische Nabe und eine konisch-ballige Hohlwelle auf ein Fügespiel verzichtet werden kann und die Pressungskonzentration an den Rändern sowie Kantenpressungen durch Fertigungs- und Montageungenauigkeiten vermieden werden, der Wärmeübergang und die Abkühlgeschwindigkeit durch Strömungs- und benetzungsintensivierende Einbauten in der Hohlwelle gesteigert wird, so daß die maximal mögliche Temperaturdifferenz nahezu vollständig ausgenutzt wird, die nutzbare Temperaturdifferenz durch gleichzeitig wirkende ohne äußere Einwirkung erzeugte Temperaturerhöhung der Nabe und Unterkühlung der Hohlwelle mittels nacheinander jeweils von innen erfolgender langsamer Erwärmung von Hohlwelle und von außen wärmeisolierter Nabe und schneller Abkühlung der Hohlwelle erhöht wird, wobei das Fügen und Lösen durch axiale mechanisch/hydraulisch aufgebaut Kräfte erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Welle - in Nabe - Verbindung kräftefrei zusammengesteckt,

Fig. 2 Welle - in Nabe - Verbindung mechanisch/hydraulisch vorgepreßt mit Außenisolierung von innen erhitzt,

Fig. 3 Welle - in Nabe - Verbindung von innen gekühlt, mechanisch/hydraulisch in Fügeendstellung gebracht,

Fig. 4 Kühlvorrichtung für tiefkaltes siedendes Flüssiggas,

Fig. 5 Kühlvorrichtung für trockeneisgekühlte Flüssigkeit.

Die Hohlwelle 1 hat am Ende einen Hohlzapfen 2, dessen Außenwand 3 mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung, insbesondere mit einer Emailschicht 4 überzogen ist und dessen Innenwand 5 aus einem höherfesten Material besteht. Dies ist möglich durch eine innere oder äußere Auftragsschweißung, das großflächige Verbinden zweier Teile mittels Sprengplattieren, Diffusionsschweißen, -löten, Kleben, Einpressen und äußere Randentkohlung oder andere geeignete Verfahren des Schichtauftragens oder des Verbindens zweier Teile. Außerdem herrscht in der Wandung des Hohlzapfens 2 vor dem Einpressen in die Nabe 6 ein Eigenspannungszustand, der beispielsweise durch rasche Abkühlung des Hohlzapfens 2 von innen aus der Emailliertemperatur oder/und bei der abschreckbedingten Gefügeumwandlung durch dessen Volumenzunahme erzeugt wird, wodurch in der Innenwand 5 Druckspannungen und in der Außenwand 3 Zugspannungen auftreten.

Dadurch können von außen auf den Hohlzapfen 2 größere elastische Stauchungen aufgebracht werden, ohne daß in der emaillierfähigen Außenwand 3 die Emailschicht 4 schädigende plastische Verformungen auftreten können. Die Wanddicke des Hohlzapfen 2 kann zur Übertragung der Wellenkräfte und -momente zudem wegen der durch den inneren Wandteil erhöhten Festigkeit wesentlich geringer und damit weniger wärmeträge ausgeführt werden.

Es wurde gefunden, daß legierte Vergütungsstähle mit kohlenstoffarmer mindestens zweischichtiger Auftragsschweißung nach der Emaillierung von innen mit sprühfeuchter Preßluft abgeschreckt und anschließender längerer mäßiger Temperierung die Erzeugung von bis zu 0,1% elastischer Dehnung in der Außenwand 3 ermöglichen.

Der Hohlzapfen 2 hat eine leicht ballig-konische Form, die so bemessen ist, daß nach dem hydraulisch/mechanischen Einpressen des Hohlzapfen 2 in die Nabe 6 der Hohlzapfen 2 und die Nabe 6 über die gesamte Fügelänge der Preßverbindung spaltfrei aneinander anliegen.

Danach werden mittels eines von außen durch die Hohlwelle 2 über die Zuführungsleitung 7 zugeführten Heizmittels Hohlzapfen 2 und Nabe 6 erwärmt. Da die Wärmeleitung durch die beiden Emailschichten 4 sehr langsam erfolgt und der Wärmebedarf der dickwandigen Nabe 6 sehr groß ist, müssen Wärmeverluste durch die Außenwand der Nabe 6 weitestgehend vermieden werden. Bei geringen Anschlußquerschnitten nach außen führender Teile an der Nabe 6 wie Schäfte von Flügelblättern oder ähnlichem genügt eine Wärmeisolierung 8 der Nabe 6. Abhängig von der weiteren Verfahrensweise sind Heißluft oder Heißdampf geeignete Heizmittel für die Erwärmung von innen. Bei sehr langen schlanken Hohlwellen 1 empfiehlt sich zudem die Isolierung der Zuführungsleitung 7 zur Vermeidung zusätzlicher Wärmeverluste.

Anschließend wird der Hohlzapfen 2 von innen mittels eines geeigneten Kühlmittels schnell abgekühlt, wobei es wichtig ist, daß die Nabe 6 gegen Herabfallen, zweckmäßigerweise mit der Vorrichtung zum mechanisch/hydraulischen Aufpressen gesichert wird, da abhängig von Temperatur und Kühlwirkung der Hohlzapfen 2 sehr schnell und stark kontrahieren kann, so daß es zur völligen Aufhebung der mechanisch/hydraulisch erzeugten Vorpressung und Luftspaltbildung zwischen Hohlzapfen 2 und Nabe 6 kommen kann.

Während oder nach dem Abkühlen des Hohlzapfen 2 erfolgt ein Aufschieben der Nabe 6 auf den Hohlzapfen 2 um ein genau vorherbestimmbares und sehr einfach und genau kontrollierbares Maß durch das der thermisch erzeugte Anteil der elastischen Pressung exakt definiert wird.

Wird auf das Erwärmen verzichtet, erfolgt das hydraulisch/mechanische Aufpressen erst nach der Unterkühlung des Hohlzapfens 2, da während der Unterkühlung die Kontaktfläche zwischen balligem Hohlzapfen 2 und Nabe 6 sehr klein ist und der keilförmige Luftspalt beidseitig der Kontaktzone eine sehr wirksame Isolierung bildet. Da der Hohlzapfen 2 bereits vollständig von der Nabe 6 umgeben ist, kann eine Vereisung nicht auftreten.

Die nach dem plötzlichen Wechsel von Heizung auf Kühlung erzielbaren Temperaturdifferenzen und deren zeitlicher Abfall zwischen Nabe 6 und Hohlzapfen 2 hängen bei optimal dünnwandig ausgeführtem Hohlzapfen 2, dessen Oberfläche der Innenwand 5 zur Intensivierung der Wärmeabführung an das Kühlmittel durch Profilierung mittels Gewindegängen oder Nuten vergrößert werden kann, vorwiegend von der Gesamtdicke der beiden aneinanderliegenden Emailschichten 4 ab.

Es wurde gefunden, daß diese bei reiner Innenkühlung nicht unter 1,6 mm und bei kombinierter durch den Hohlzapfen 2 erfolgende Erwärmung und Kühlung nicht über 2,4 mm liegen sollte.

Günstige Kombinationen von Heiz- und Kühlmittel sind Heißluft und Flüssigstickstoff; wobei durch die Heißluft störende Restfeuchten und Schwitzwasser in Zuführungsleitung 7 und Hohlzapfen 2 beseitigt werden, während bei Verwendung von Dampf verbleibende Feuchten z. B. durch nachfolgende Kühlung mit wasserlösendem durch Kohlensäureschnee unterkühlten Alkohol entfernt werden.

Mit den vorstehend genannten Mitteln konnten kurzzeitige Temperaturdifferenzen von 270°C für Heißluft/Flüssigstickstoff und 220°C für Dampf/Trockeneis/Alkohol nachgewiesen werden.

Die nach dem bisher bekannten Verfahren erzielten Durchmesserdifferenzen zwischen Hohlzapfen 2 und Nabe 6 von maximal 0,06% konnten sogar mittels Heißluft und trockeneisgekühlter Luft bei Temperaturdifferenzen zwischen Hohlzapfen 2 und Nabe 6 von 65°C nachgewiesen werden.

Die zuvor genannten hohen Temperaturdifferenzen von 220 bis 270°C und die dafür erforderliche extrem schnelle Abkühlung des Hohlzapfen 2 werden allerdings auch bei sehr leistungsfähigen Kühlmitteln nur erreicht, wenn der Wärmeübergang zur Innenwand 5 des Hohlzapfens intensiviert wird.

Während beim bloßen Einfüllen von siedendem Flüssiggas die Wärmeabführung durch Gasblasenbildung und -filmhaftung an der Innenwand stark verlangsamt wird, ist die Verwendung von tiefgekühlten Flüssigkeiten nur bei großen zeitlichen Durchflußmengen sinnvoll.

Die Lösung beider Probleme liegt darin, daß das Kühlmedium mit erhöhter Geschwindigkeit entlang der Innenwand 5 des Hohlzapfens 2 geführt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß in dem Hohlzapfen 2 ein Verdrängerkörper 9 mit Spiralnuten 10 angeordnet wird, wodurch eine Drallströmung mit intensiverem Wärmeübergang erzeugt wird.

Bei dem siedenden Flüssiggas tritt ein zusätzlicher Sichtungseffekt auf, da unter der Wirkung der Zentrifugalkraft der Drallströmung die Gasblasen von der Innenwand 5 des Hohlzapfens 2 weg und das schwerere Flüssiggas zur Innenwand 5 hingedrückt wird, was zu besserer Benetzung der Innenwand 5 und dem kühlungsintensiveren Blasensieden führt. Es wurde gefunden, daß dieser Effekt besonders wirksam ist, wenn die Tiefe der Spiralnut 10 mindestens 25% des Innendurchmessers des Hohlzapfens 2 beträgt.

In der Darstellung - Fig. 4 - wird Flüssiggas zwischen zwei Druckgefäßen 12 wechselseitig durch den Hohlzapfen 2 hindurchgedrückt, wobei das durch die Rücklaufleitung 12 strömende Gas- Flüssiggasgemisch an einem Abscheider 13 getrennt wird und durch die Austrittsöffnung 14 im wesentlichen nur Gas austritt, während das Flüssiggas sich im Druckgefäß 11 sammelt.

Dabei strömt das Gas/Flüssiggasgemisch jeweils aus dem zur Rücklaufleitung 12 und der Austrittsöffnung 14 verschlossenen Druckgefäß 11 durch die Zulaufleitung 12, den Hohlzapfen 2 in das über die Austrittsöffnung 14 entlüftete Druckgefaß 11. Durch die intensive Gasbildung des siedenden Flüssiggases im Druckgefaß 11, der Zuführungsleitung 7 und dem Hohlzapfen 2 bildet sich in dem zur Atmosphäre geschlossenen Druckgefaß 11 ein Dampfdruck, der eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit dem beschriebenen zentrifugalen Phasentrenneffekt in der Spiralnut 10 des Verdrängerkörpers 9 im Hohlzapfen 2 bewirkt.

Bei der Anordnung nach Fig. 5 wird eine Flüssigkeit, z. B. Äthylalkohol, Propanol zwischen den beiden Druckgefäßen 11 mittels Druck hin- und hergepumpt, wobei die Abkühlung durch Trockeneis erfolgt, das in Kühlkörben 15 von der zu kühlenden Flüssigkeit umströmt wird.

Zur Erzeugung ausreichender Strömungsgeschwindigkeiten über die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckgefäßen 11 reicht das durch das Verdampfen des Trockeneises entstehende Druckpolster besonders in der Endphase der Unterkühlung nicht aus, so daß dieses mittels eines Inertgases 16 , z. B. Stickstoff aufgebracht wird. Der Austritt von Kühlflüssigkeit wird durch einen, die Austrittsöffnung 14 bei entsprechender Füllung des Druckgefäßes 11 verschließenden Schwimmer 17, verhindert.

Bezugszeichenliste

1 Hohlwelle
2 Hohlzapfen
3 Außenwand
4 Emailschicht
5 Innenwand
6 Nabe
7 Zuführungsleitung
8 Wärmeisolierung
9 Verdrängerkörper
10 Spiralnut
11 Druckgefaß
12 Rücklaufleitung
13 Abscheider
14 Austrittsöffnung
15 Kühlkorb
16 Inertgas
17 Schwimmer

Claims (8)

1. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung von zwei Teilen, insbesondere Einbauteilen in Chemieapparaten, wie emaillierten Rührwerksapparaten, mit einer zur Verbindung hin mit einem konisch-balligen Hohlzapfen (2) endenden emaillierten Hohlwelle (1), dessen Hohlzapfen (2) vollständig emailliert ist und unter gleichzeitiger innerer Kühlung in eine vollständig emaillierte Nabe (6) eingepreßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzapfen (2) zweischichtig aus einer Innenwand (5) und einer die Emailschicht (4) tragenden Außenwand (3) aufgebaut ist, wobei die Innenwand (5) aus druckvorgespanntem, gegenüber der Außenwand (3) höhefesten Material besteht, welche aus einem zugvorgespannten, emaillierfähigen Material besteht.

2. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der beiden aufeinanderliegenden Emailschichten (4) von Nabe (6) und Hohlzapfen (2) zwischen 1,6 und 2,4 mm liegt.

3. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Hohlzapfens (2) ein Verdrängerkörper (9) mit einer oder mehreren Spiralnuten (10) angeordnet ist.

4. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Spiralnut (10) mindestens 25% des Innendurchmessers des Hohlzapfens (2) beträgt.

5. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Hohlzapfens (2) über eine Zuführungsleitung (7) und eine Rücklaufleitung (12) mit 2 Druckgefäßen (11) verbunden ist.

6. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß in den Druckgefäßen (11) ein Abscheider (13) angeordnet ist.

7. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß in den Druckgefäßen (11) ein Kühlkorb (15) und ein Schwimmer (17) angeordnet sind.

8. Kraftschlüssige Hohlwelle - in Nabe - Verbindung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (6) während der Erwärmung über Umgebungstemperatur von außen mit einer Wärmeisolierung (8) umgeben ist.