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Führungswalze aus Quarzglas, Glas od. dgl. chemisch widerstandsfähigen,
keramischen Werkstoffen Auf vielen Gebieten der Technik sieht man sich vor die Aufgabe
gestellt, zur mechanischen Führung langgestreckter, oft feuchtigkeitshaltender Gebilde
Walzen oder Rollen hoher mechanischer Säure- und Warmfestigkeit zu gebrauchen, insbesondere
dann, wenn neben mechanischer Verschleißbeanspruchung für die Walzen auch Einflüsse
zu berücksichtigen sind, die durch chemisch aggrressive, zumeist flüssige Bestandteile
hervorgerufen werden, mit welchen die zu transportierenden Güter getränkt oder benetzt
sind und wenn außerdem noch erhebliche Temperaturunterschiede mit dem Verfahren
verbunden sind. Das ist vor allem der Fall bei der Veredlung von Textilien, seien
es fertige Gewebe oder Garne, wo mannigfache Arbeitsgänge mit Naß-, Trocken- oder
Heißverfahren hintereinander ablaufen, so daß man vergleichsweise große Anlagen
mit einer Vielzahl von Vorrats- und Führungsrollen für das zu behandelnde Gut benötigt.
Diese Führungsmittel kommen notwendigerweise mit den von dem Arbeitsgut mitgeführten
Beiz-, Färb-, Bleich- und Appreturmitteln in Berührung, die zum großen Teil die
Metalle angreifen. Außerdem liegen noch oft Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse
vor, die eine über das normale Maß hinausgehende Beständigkeit der Werkstoffe verlangen.
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Nachdem frühere Versuche und Vorschläge für eine Verwendung von chemisch
widerstandsfähigen Werkstoffen, wie Quarz u. dgl. keramischem Material, als hauptsächliche
Werkstoffe für Führungs-, Förder- und Transportwalzen nicht zum Erfolg geführt hatten,
weil man wenigstens zur Kupplung mit dem Antrieb noch Metalle verwenden mußte und
dadurch infolge der gegenüber Metallen verschwindenden Temperaturausdehnung
von
Quarz die bekannten Schwierigkeiten erwuchsen, war bei der vorliegenden Erfindung
das Ziel gesetzt, durch Schaffung einer bruchsicheren Kupplung mit den Antriebsmitteln
verbesserte. Führungswalzen aus Quarzglas zu schaffen, damit die Quarzkörper im
wesentlichen nur auf Druckbeansprucht werden und die unterschiedliche Wärmeausdehnung
nicht zu Beträgen von Dehnungs-, Zug-oder Scherspannungen führt, die die Bruchfestigkeit
von Quarz bzw. keramischem Material übersteigen. Bekanntlich ist z. B. bei Quarz
die Druckfestigkeit etwa zwanzigmal höher als die Festigkeit gegenüber Zugspannungen.
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Bei den auf Grund dieser Aufgabenstellung neu entwickelten erfindungsgemäßen
Führungswalzen insbesondere für feuchtigkeitshaltendes Gut umhüllt ein aus Quarzglas
od. dgl. keramischen Werkstoffen bestehender Mantel in Hohlzylinderform eine die
Zentrierung und den Antrieb vermittelnde, mindestens einseitig auf einer Unterstützung
gelagerte Metallwelle und ist mit ihr nur an beiden Stirnseiten durch Buchsen, Kappen
u. dgl. zur Zentrierung dienende Mittel verbunden, ohne daß in radialer Richtung
wesentliche, in der Hauptsache nur auf dem in radialer Richtung geringfügigen und
vorzugsweise von verhältnismäßig dünnen, elastischen Manschetten aufgenommenenUnterschied
in der Wärmeausdehnung zwischen keramischem Werkstoff und Metall beruhende Kräfte
auf ihn ausgeübt werden, während er in der gewünschten Lage auf der Metallwelle
durch elastische, ihn nur in axialer Richtung und im wesentlichen nur auf Druck
beanspruchende, aber die erheblich größeren axialen Wärmeausdehnungsunterschiede
aufnehmende und zur Kupplung dienende Mittel festgehalten wird.
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Mit diesem allgemeinen Erfindungsgedanken ist Rücksicht auf die Eigenschaft
vieler keramischer Stoffe, insbesondere von Quarzglas genommen, daß ihre Zugfestigkeit
im Vergleich zur Druckfestigkeit wesentlich geringer und deshalb ihre Verbindung
mit Metallen vornehmlich in Fällen verhältnismäßig großer Längenerstreckung der
Körper schwierig oder ganz unmöglich ist, wie bei Führungsrollen zumal wenn außer
den Ausdehnungsspannungen noch die den Antrieb besorgenden Kupplungskräfte angreifen,
die immer auch gewisse Zug-, Scher- und Torsionsspannungen zur Folge haben. Der
Fortschritt gegenüber bisher oft versuchten starren Verbindungen mit eingekitteten
oder einzementierten Metallteilen bzw. Metallwellen, welche erfahrungsgemäß schon
bei mäßigen Temperaturänderungen zum Bruch der Walze führen, ist dann ganz erheblich;
denn bei der erfindungsgemäßen Einspannung des Walzenmantels mittels Flanschen aus
Metallen oder anderen festen Werkstoffen und den elastischen Zwischenlagen wirken
alle Kräfte im wesentlichen nur parallel zur Achse.
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Auch gegenüber solchen Arten der elastischen Verbindungen, die auf
die Metallwelle aufgeschobene, von innen her unter Druck an der Zylinderwandung
anliegende Gummihülsen verwenden, ist eine wesentliche Verbesserung erreicht, da
diese auf die Dauer die Zentrierung des Walzenmantels nicht gewährleisten, hingegen
die erfindungsgemäße Ausführung eine Dezentrierung des Walzenmantels nicht zuläßt
und ihn nur ganz unerheblich auf Zug beansprucht.
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Schließlich können auch keine Mängel anderer bekannter kombinierter
Befestigungsarten auftreten, wo beispielsweise gummierte, auf der Stahlwelle aufsitzende
Rollen mittels einer Kittschicht mit der Innenwandung des Hohlzylinders verbunden
sind, aber nach Aushärtung des Kittes bei hinreichender, die Zentrierung gewährleistender
Dünne der Gummischichten oft Zugkräfte entstehen, die die zulässigen Grenzen überschreiten.
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Dazu bietet die erfindungsgemäß verbesserte Form von Führungswalzen
den Vorteil, daß die Einzelteile leicht zusammensetzbar und auswechselbar sind und
nach Überschieben des Quarzmantels auf die Metallwelle alle weiteren Verrichtungen
nur an den Stirnenden ohne Schwierigkeit vorgenommen werden können.
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Näheres über die Ausführungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens
sei an Hand der schematischen Zeichnungen erläutert.
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Die Fig. I zeigt ein Endstück einer Führungswalze mit dem hohlzylinderförmigen,
zur Auflage des Fördergutes dienenden äußeren Mantel I aus keramischem Werkstoff,
wie Quarz oder Glas, welcher über die Welle oder Achse 6 aus Metall, vorzugsweise
aus einem rostbeständigen Stahl, unter Belassung eines ringförmigen Zwischenraumes
15 übergeschoben ist. Nur an den Stirnseiten wird der Zwischenraum 15 durch je eine
Zentrierbuchse 2 überbrückt, welche die einzige ihn unterstützende, zentrierende
und nur die Wellenzapfen 6b belastende Auflage für den keramischen Mantel I bildet
und im übrigen aus dem gleichen bzw. äquivalenten keramischen Werkstoff besteht.
Als Puffer zur Aufnahme der geringen radialen Wärmeausdehnungsunterschiede dient
eine auf den Metallwellenschaft 611 aufgeschobene elastische Schlauchmanschette
7, beispielsweise aus Gummi.
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Die Kupplungskräfte werden in der Weise übertragen, daß zwei auf den
mit Gewinde versehenen Zapfen 6b der Metallwelle aufgeschraubte Kontermuttern 5
den keramischen Mantel r unter Zwischenschaltung von jeweils zwei elastischen, beispielsweise
aus säurebeständigem Gummi bestehenden Ringen 3 zwischen Quarzmantel und Zentrierbuchse
bzw. zwischen einer Ringscheibe q. aus Metall und der Zentrierbuchse 2 einspannen,
so daß letztere nur in axialer Richtung auf Druck beansprucht ist. Die unterschiedliche
axiale Wärmeausdehnung zwischen Metall und dem keramischen Außenmantel, die beispielsweise
bei Führungswalzen von zwei Metern Länge und einer Temperaturerhöhung von roo° C
etwa 2 mm beträgt, wird durch die beiden Zwischenfutter aus Gummi vollkommen aufgenommen.
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Die erfindungsgemäße Ausführung von Führungswalzen aus keramischem
Material hat auch noch den Vorteil, daß der keramische Mantel nur
mit
den Wellenzapfen 6b verbunden ist und daher die Möglichkeit besteht - wie an sich
in den Fig. I und 2 nicht dargestellt ist - durch deren Verjüngung gegenüber dem
dickeren Wellenschaft 6a, was bekanntlich die Festigkeit von Welle und Achse nicht
herabsetzt, in entsprechendem Maße auch den Betrag der radialen Wärmeausdehnung
des Metalls zu vermindern. Der restliche Betrag, der dann beispielsweise bei einem
Zapfendurchmesser von 50 mm bei Ioo° C Temperaturerhöhung nur etwa o,o5 mm ausmacht,
kann ohne weiteres von der elastischen Schlauchmanschette 7 aufgenommen werden.
Da erfindungsgemäß die Zentrierbuchse 2 aus dem gleichen Material wie der Außenmantel
besteht, vermindert sie den vom Metall erfüllten Querschnittsanteil der Walze auf
die mit der Festigkeit zu vereinbarende Dicke des Wellenzapfens, und damit wird
auch der radiale Wärmeausdehnungsunterschied herabgesetzt.
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Für besonders lange Walzen oder Rollen und beim Auftreten besonders
hoher Temperaturdifferenzen während des Betriebs, in welchem Falle größere Längenänderungen
zwischen der metallischen Achse und dem keramischen Mantel entstehen, empfiehlt
sich eine Ausführung der Führungswalzen nach Fig. 2. Sie unterscheidet sich von
den zuvor beschriebenen dadurch, daß zusätzlich zu den federnden Gummiringen 3 zwischen
den Haltemuttern 5 und der keramischen Zentrierbuchse 2 noch eine kräftige Druckfeder
9 eingeschaltet ist, welche auch größere Temperaturausdehnungen ohne Ausübung von
Zugspannungen auf den Walzenmantel aufzunehmen in der Lage ist. Im dargestellten
Beispiel ist noch die Lagerung Io des verjüngten Wellenzapfens 6b gezeigt.
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Schließlich zeigt die Fig. 3 eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen
Walzenwellenkupplung mit Druckfeder, nach welcher die Zentrierbuchse 2 durch eine
Kappe II aus dem gleichen keramischen Material wie der Walzenmantel ersetzt ist
und das mit einer elastischen Schlauchmanschette 7 bezogene Ende des keramischen
Mantels I von außen faßt. Aber auch hier wirken die von der starken Schraubenfeder
9 ausgeübten Kupplungskräfte über die Kappe 2 in der Hauptsache senkrecht auf die
Stirnseiten des Walzenmantels, und die Feder nimmt alle axialen Ausdehnungsunterschiede
auf. Diese Ausführungsform empfiehlt sich besonders dann, wenn der Walzendurchmesser
nicht sehr viel größer ist als der Durchmesser der Metallwelle, also bei verhältnismäßig
dünnen, aber langen Wellen bzw. Walzen.
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Eine erprobte Halterung bzw. Kupplung nach der Erfindung für einen
Walzenmantel I mit großem Durchmesser und einer Metallwelle 6 kleinen Durchmessers
zeigt Fig.4. Dabei übernimmt die aus dem gleichen oder ähnlichen keramischen Material
wie der Mantel I bestehende Scheibe 2 nur die Aufgaben der Zentrierung und Reduzierung
des vom Metall erfüllten Anteils des Walzenquerschnitts, während die Kupplung mit
der Welle durch einen aus Metall bestehenden Druckflansch I2 und den weiteren Zwischenlagen
aus Gummi 3 und der starken Druckfeder 9 vermittelt wird, deren Widerlager die Scheiben
4 und 8 und die Konterschrauben 5 bilden. Eine Distanzschraube 13 dient nur zur
Festlegung der axialen, nicht aber der radialen Lage bzw. der Winkellage der Zentrierscheibe.
Eine auf den Wellenzapfen aufgeschobene Gummimanschette nimmt wieder alle radialen
Wärmeausdehnungsunterschiede auf. Diese Ausführung verdient dort den Vorzug, wo
infolge großen Walzendurchmessers die Zentrierscheiben 2 aus keramischem Werkstoff
bei Beanspruchung durch die Kupplungskräfte bereits sehr starken Zugspannungen ausgesetzt
sind.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung waren die Stirnflächen
des keramischen Walzenmantels eben. In gewissen Fällen mag es jedoch empfehlenswert
sein, die Ränder 16 des keramischen Mantels I keilförmig, vorzugsweise beiderseitig
von innen und von außen abzuschrägen, wie in Fig. 5 dargestellt. Die Kappe 14 muß
dann eine komplementär dazu geformte Einfräsung besitzen. Auch in diesem Falle überträgt
eine elastische Zwischenlage 7 die Kupplungskräfte und nimmt auch die radialen Ausdehnungsspannungen
auf. Die keilförmige Abschrägung der Kanten des Zylindermantels kann auch durch
eine Abrundung ersetzt werden.
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Es mag unter Umständen vorteilhaft sein, die Reibung zwischen Kappe
und Mantel durch mehrere konzentrisch in die Stirnwand einzuschleifende Ringwulste
zu erhöhen.
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In vielen Fällen wird man an Stelle einer metallischen Vollwelle eine
Hohlwelle wählen, ohne daß dadurch die Festigkeit der gesamten Walze leidet. Die
Auswahl der Werkstoffe für die metallischen Wellen und die einzelnen Verbindungsteile,
wie Schrauben und Ringe, richtet sich nach den jeweiligen Erfordernissen. Es empfiehlt
sich die Verwendung von rostfreiem Stahl für die Metallteile. Oft genügt es, nur
eine Stirnseite der Walze mit der erfindungsgemäßen elastischen Kupplung zu versehen,
so daß auf der anderen Stirnseite nur ein Ring oder ein Bund das Widerlager für
die Zentrierkappe oder Zentrierbuchse bildet.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf reine Führungs- und
Transportwalzen beschränkt, sondern auch anwendbar bei Preßwalzen u. dgl. vor allem
in Tertilveredelungsanlagen benötigten Mitteln. Sie stellt beispielsweise sicher,
daß die Stoffbleichung in wirtschaftlicher Weise ausgeführt werden kann, wodurch
sich die technische Bedeutung der Erfindung erhellt.