FI116277B - Hakkuri- tai murskainlaitteisto, erityisesti lastuhakkuri - Google Patents

Description

1 116277

Hakkuri- tai murskainlaitteisto, erityisesti lastuhakkuri

Selluteollisuuden puuhake valmistetaan pääasiassa kiekkohakuilla, jotka on 5 kehitetty hakettamaan suuria puumääriä. Haketettavat puut ovat eteenkin Euroopassa vaihtelevaa kokoa ja suuret tyvipuut vaativat hakkureilta laajan syöttökidan sekä suuren teräkiekon. Nykyiset hakkurit varustetaan lisäksi suuren tuotannon saavuttamiseksi suurella terämäärällä 12-15 kpl.

ίο Suurtuotantohakun tyypillinen nimellispyörimisnopeus on 300 r/min. Vaikka hakkukohtaista pyörimisnopeutta ei voida säätää, vaihtelee hakun nimellinen pyörimisnopeus lähinnä puun koon ja lajin mukaan alueella 200-400 r/min. Hakepituuden ollessa 18 -30 mm saavutetaan puiden syöttönopeus 0,8 - 2 m/s.

15

Edellä mainitut hakut toimivat hyvin ja kuluttavat haketusenergiaa noin 1,5-2 kWh/m3. Yleensä on hakun kidassa haketuksessa 3-5 pienempää puuta, joista muodostuu riittävä keskituotanto. Lisäksi on käytössä olevilla hakkureilla perusvaatimuksena, että niillä pitää pystyä hakettamaan halkaisijaltaan 600 20 mm - 800 mm ja 3 - 6 m pitkä puu. Tällaiset puut vaativat haketustehoa 3000 - 4000 kW. Tämä muutaman sekunnin aikainen suuri huipputeho saavutetaan :T: käyttämällä yhtä tai useampaa suurehkoa oikosulkumoottoria, jotka on raken- nettu "kippimomenttikertoimelle" noin 2. Koska moottorien jättämä on pieni '"’i suuritehoisilla moottoreilla ei teräkiekon liike-energiaa voida huomattavasti • 25 hyödyntää. Rajoitettu teräkiekon liike-energian tilapäinen (noin 20%) hyödyn- täminen on saavutettu nestekytkimen avulla. Suuret nestekytkimet nostavat hakun rakennekustannuksia ja aiheuttavat kunnossapitotarpeen sekä tehon-.,1:’ häviön.

": 30 Toinen ongelma mainitun käytön yhteydessä on hakun käynnistyksen ja ' ‘: kuormitushuippujen yhteydessä muodostuvat suhteellisen pitkäaikaiset ja *. : korkeat virtahuiput. Näiden seurauksena vaaditaan sähköverkolta, johon : ’ hakku liitetään huomattava kuormitettavuus. Monessa yhteydessä on hakun 2 116277 käynnistyksen johdosta ja myös suurten puiden haketuksen seurauksena syntynyt seurannaishäiriöitä jakelumuuntajan sähköverkon alueella.

Kolmas haketukseen liittyvä ongelma on haketettavan puun ominaisuuksien 5 vaihtelu. Tästä seuraa hakkeen palakoon vaihtelu ja sen jatkokäyttöön liittyvät ongelma. Paperi ja sellutehtailla kutsutaan hakkeen palakoon muuttumisen ihanteellisesta ei toivottuun suuntaan hakkeen laadun heikkenemiseksi. Laatuvaihteluihin vaikuttavat vuodenajat, puun kuivuminen, puiden kasvuolosuhteet ja dimensiot. Hakkeen laatuvaihtelua pystytään kompensoimaan ίο muuttamalla hakun osia tai säätämällä niitä eri asentoon. Pohjoismaissa käytetään eri haketuspituuksia vuodenaikojen vaihtelun mukaan.

Edellä mainitut toimenpiteet ovat monessa suhteessa vaikeakäyttöisiä nopeasti vaihtuvien prosessiolosuhteiden mukaan. Yleisesti on myös tunnettu is haketusnopeuden muutosten vaikutus hakkeen palakokoon. Esimerkiksi suurten tuotantohakkujen nopeudensäädöt ovat niin kalliita suuresta tehosta riippuen, että niitä ei käytettä. Nykyisin on tosin taajuusmuuttajien käyttö yleistynyt ja halventunut, mutta vielä pidetään niiden käyttöä tehotasolla 3000 -4000 kW kalliina saatuun hyötyyn nähden.

20 :*.! Keksinnön mukaiselle hakkuri- tai murskainlaitteistolle tunnusomaiset piirteet • · :on määritelty oheisessa patenttivaatimuksessa 1. Puun haketukseen käytetyn hakkurin tunnusomaiset piirteet on puolestaan määritelty oheisessa patentti-vaatimuksessa 3.

: ’.: 25

Keksinnön mukainen laitteisto mahdollistaa esimerkiksi hakun käytön ja pyörimisnopeuden säädön huomattavasti pienemmällä teholla kuin aikaisempi: ‘ min. Keksinnön mukaisesti toimittaessa mitoitetaan käyttömoottorien teho ‘ · ‘ tietyllä reservillä haketuslinjan keskituotantoon nähden ja tarvittava suurten :i( : 30 puiden haketukseen vaadittava lyhytaikainen haketusenergia saadaan hakun : ‘ : käyttöjärjestelmän hitausmassasta. Hitausmassasta huomattava osa pysty- tään käyttämään hyväksi suurkokoisten puiden haketukseen käyttämällä ha- ’ , · kun moottorin tehon lisäksi käyttöjärjestelmään ladattua liike-energiaa alen- > » tamalla käyttöjärjestelmän pyörimisnopeutta. Pyörimisnopeuden alentumista 116277 ohjataan siten, että hakun pyörimisnopeuden hidastumisesta seuraava moottorivirran voimakkuuden kasvu ohjaa käyttömoottorille syötetyn virran taajuutta niin, että käyttömoottorin antama vääntömomentti on vakio saavutettuaan tietyn arvon millä virran taajuudella tahansa. Keksinnön toteutta-5 miseksi on käyttöjärjestelmään edullista liittää lisähitausmassaa, järjestelmään luontaisesti sisältyvän hakkurikiekon tai murskainroottorin hitausmassan oheen, esimerkiksi erillisen vauhtipyörän muodossa.

10 Keksinnön esimerkkiluonteisia toteutuksia kuvataan seuraavissa piirustuksissa.

- Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista hakkua.

15 - Kuvio 2 esittää sivukuvantona puun syöttöä kiekkohakkuun.

- Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen hakun toimintaa koordinaatistossa.

- Kuvio 4 esittää myöskin keksinnön mukaisen hakun toimintaa 20 koordinaatistossa.

- Kuvio 5 esittää kaaviokuvana keksinnön mukaisen hakun ohjaustoimintaa.

Keksinnön mukaisen kiekkohakun muodostaa kuvion 1 mukaisesti puiden : 25 syöttösuiste 1, teräkiekko 2, teräkiekon kotelo 3, akseli 4, vaihde 5, vauhti- pyörä 6 ja sen suojakotelo 7 sekä sähkömoottori 8. Teräkiekon akseli 4 on varustettu kahdella laakerilla 9 ja 10. Myös vauhtipyörän tukena on kaksi ..i:’ laakeria 11 ja 12. Sähkömoottorin ja vauhtipyörän sekä vauhtipyörän ja ’ vaihteen välissä on kytkin 13, 14. Teräkiekon ja vaihteen välissä on jarru- : : 30 levyllä 15 varustettu kytkin 16.

Teräkiekon 2 säde on Rt ja massa on Gt. Vauhtipyörän 6 säde on Rv ja massa • on Gv. Riittävällä tarkkuudella vastaavat hitausmomentit ovat (tässä ei huomi oida lastuaukkojen ja muiden reikien vaikutusta): 5 4 116277

Teräkiekko Jt = 1/2 Gt(Rt)2 ja Vauhtipyörä Jv = 1/2 Gv (Rv)2 .

Hitausmomenttien välille voidaan kirjoittaa lauseke huomioiden vaihteen 5 välityssuhde i: k Jt = i2 Jv 10

Keksinnön mukaisessa menetelmässä k = 2...3.

Mitoitetaan keksinnön mukainen kiekkohakku käyttäen esimerkkinä linja, jolla 15 haketetaan 200 m3/h. Tuotantohuippu on 300m3/h. Suurin puu on halkaisijaltaan D = 800 mm ja pituudeltaan 4,5 m, jolloin puun tilavuus on noin 2,25 m3. Sähkömoottorin koko on T = 600 kW, 1500 r/min.

Hakun normaali pyörimisnopeus nn = 300 r/min.

20 Teräkiekon hitausmomentti Jt =14 000 kgm2.

Hakun alin sallittu pyörimisnopeus na on noin 200 r/min.

:T: 4,5 m pitkän puun haketusaika t on noin 3 s.

Puun vaatima haketusenergia Ep = 4,5kWh.

*:**: Moottorista (T = 600 kW) tuleva haketusenergia Em 3 sekunnin aikana: • 25 O Em = T t = 600 kW * 3/3600 h = 0,5 kWh ,Teräkiekosta ja vauhtipyörästä tuleva energia Wh pyörimisnopeuden pudotessa arvosta nn arvoon na: '': 30

Wh = Ep - Em ' : = 4,5 kWh - 0,5 kWh = 4,0 kWh = 14 400 000 Nm.

Teräkiekon ja vauhtipyörän kokonaisliike-energia pyörimisnopeudella nn on 116277

Wk = κ J (ω„)2 ja pyörimisnopeudella na 5

Wa = 1/2 J (ω3)2.

Kulmanopeuksien ja pyörimisnopeuksien suhteet ovat samat eli 10 u)a = 2/3 ωη.

Kokonaisliike-energian laskemiseksi voidaan kirjoittaa yhtälö Wh = Wk - Wa 15 = 1/2 J (ωη)2 -y2J(2k ωη)2 = % Vz J (ωη)2 = 5/9 Wk => Wk = 9/5 Wh = 26 000 000 Nm.

20 Kokonaishitausmomentti J pääakselilla saadaan yhtälöstä :T: Wk = 1/2 J (2πηη/60)2 *:·*: => J = 52 740 kgm2.

* 25

Vauhtipyörän hitausmomentti f , Jv “ J — Jt : . , =38 740 kgm2.

30 6 116277

Sijoitettaessa vaihtopyörä vaihteen (välityssuhde i = 5:1) toiselle puolelle vaadittava hitausmomentti saadaan yhtälöstä:

Wv = Wv2 5 => Jv (ωη)2 = 1/2 JV2 (ω2)2 => JV2 = Jv /25 = 1550 kg m2

Kun vauhtipyörän halkaisijaksi valitaan 2R2 = 1600mm, saadaan massaksi G2 = 4844 kg.

10 Tämä massa saavutetaan 300 mm paksulla teräksestä valmistetulla vauhtipyörällä.

Hakun käyntiinajoaika ilman kuormaa on vähintään 90 sekuntia. Tällöin voidaan nykyisillä taajuusmuuttajilla valita riittävä käyntiinlähtöaika, joka ei 15 vaadi moottorin mitoitustehoa.

Kuvio 2 esittää hakkuun syötettävän yksittäisen puun 17 halkaisijaa d, joka antaa hakun suurimman jatkuvan haketuotannon Q = 300 k-m3/h = 0,083 m3/s. Tästä voidaan syöttönopeuden v =1,5 m/s avulla laskea halkaisija d 20 :'.,; Q = (tt/4) d2 v : ‘ : => d = 266 mm j ’ ’: 25 Haketusteho on suoraan verrannollinen haketuspinta-alaan ja siten puun halkaisijan neliöön. Suuren puun 18 halkaisijan ollessa D = 2d = 532 mm, se vaatii haketustehon 22 T = 4*600 kW = 2400 kW. Tavallinen yksittäinen .!sellupuu, jonka halkaisija on 133 mm, vaatii vain 150 kW tehon. Normaalin : : tuotannon vaatima haketusteho (2-3 kpl puuta) on siten alueella 300-450 kW.

30 ; : Kuvion 3 kaavio esittää keksinnön mukaisia toimintoja. Kuluva aika on . : origosta x-akselin suuntaan, y-akselin suuntaan on esitetty suhteellisesti ; sähkömoottorin teho W, moottorin antama vääntömomentti M, taajuus- muuttajan antama taajuus f sekä asteikon osana kierrosluku n. Ylin viiva 116277 kuvaa annettua pyörimisnopeuden säätöarvoa S0, jota muutetaan hakun halutun pyörimisnopeuden muuttuessa.

Tapahtuma alkaa origosta sillä, että hakkua kuormitetaan tasaisesti aikaan ai 5 asti, jollin laite on hidastunut 0,8 % synkronista kierrosluvusta. Esimerkiksi synkronikierrosluvun ollessa 1500 r/min on moottorin nimellistehon antava tyypillinen kierrosluku suurella moottorilla 1488 r/min. Mainitun ajan syöttää taajuusmuuttaja 50 Hz taajuudella nimellisvirtaa, jolloin ampeerit nousevat 100% tasolle ja myöskin moottorin vääntömomentti M saavuttaa 100% tason.

ίο Edellä mainittu 0,8% hidastus antaa noin 1,6% kokonaisliike-energiasta, joka keksinnön selostuksen mukaisessa tapauksessa on 416 000 Nm. Tämä energia riittää 0,115 m3 puun hakettamiseen edellä mainitun vauhtipyörän kanssa.

Ilman vauhtipyörää jää vapautunut energia määrä erittäin pieneksi.

15 Kuvion 3 mukaisessa esimerkissä lisääntyy hakun kuormitus aikavälillä ai -32, jolloin hakun kierrosluku on tasolla 90 % ja samoin alenee keksinnön mukaisesti taajuus f sekä moottorin antama teho W. Moottorista lähtevä vääntömomentti M säilyy samalla tasolla aikavälillä ai - a2.

20 Kuvio 4 on rakennettu kuvion 3 mukaiselle pohjalle, mutta sen X-akseli kuvaa , , | aikaa sekunteina. Alussa kuormitetaan hakkua 4 sekunnin ajan niin, että teho : ‘W ja momentti M nousevat 100 % tasolle. Tällöin alenee hakun pyörimis-: nopeus n säätöarvosta S0 noin 0,8 %. Kuvion 4 mukainen suoraviivainen ’."'i tasainen hidastus on hyvin poikkeuksellinen, koska moottorin antama teho j 25 lisääntyy hidastuksen seurauksena. Kuvion 4 mukaan vähenee hakun kuor- \mitus 4-8 sekunnin välillä ja vääntömomentti M sekä teho W pienenevät.

...; ’ Välillä 8-10 sekuntia tapahtuu uusi kuormituksen lisäys, joka kasvaa edel- : leen jaksolla 10-14 sekuntia. Tällöin laskee hakun pyörimisnopeus n alle 80 •, : 30 % annetusta säätöarvosta S0 ja taajuusmuuttaja antaa tällöin 80% tavoite- '; "'· taajuudesta. Täten on pyörimisnopeus n 0,8 % jättämällä noin 79,2 % tavoi- ; tearvosta. Moottorin teho W alenee myös tasolle 80 %. Laitteistoille tuleva , ; vääntömomentti pysyy vakiona niin pitkään, kun moottorin jättämä ylittää sen rakenteen ominaisen nimellisteho jättämän 0,8 %.

116277

Kuvio 5 esittää järjestelmän hakku, sähkömoottori ja taajuusmuuttaja ohjaus-kaaviota. Perinteisen sähkötekniikan mukaan annetaan sähkömoottorin kierrosluvusta tieto takometrin avulla taajuusmuuttajalle, joka laskee moottorille 5 syötettyä taajuutta moottorin jättämän ylitettyä säätöarvon S0. Vaihtoehtoisesti voidaan uusi kehittyneempi taajuusmuuttaja rakentaa niin, että syötetyn virran saavutettua säätötason, taajuusmuuttaja alentaa taajuutta siten, että moottorille lähtevä virta pitää säädetyn tason huomioiden sen pyörimisnopeuden ja alkuperäisen säätötason.

10

Edellä mainittu hakun käytön esimerkki tuo mukanaan seuraavat edut: - Sähköverkko ei ylikuormitu (helppo käynnistää, jännitevaihtelut eliminoidaan).

- Pienempi käyttömoottori.

15 - Kohtuuhintainen nopeuden säätöjä hakelaadun ohjaus.

- Mahdollistaa automatisoidun hakkeen laadun ohjauksen.

Keksinnön edut tulevat parhaiten esille silloin, kun haketusnopeuden säätö on eduksi. Huomattava lisäetu saavutetaan hakuilla, joilla on pieni haketuskapa-20 siteetti ja tarve ajaa suuria tyvipöllejä.

• » • * ·

Keksinnön mukaista hakun käyttöä voidaan myös soveltaa hakkuihin ilman erillistä vauhtipyörää. Samoin voidaan keksintöä käyttää nopeasti pyörivissä murskaimissa, joilla on hetkellisiä huippukuormituksia. Tällöin saavutetaan • 25 vain osa keksinnön eduista. Koska edellä mainituissa tapauksissa ei lisätä laitteen massan hitausmomenttia, ovat sen hyödyntämismahdollisuudet huomattavasti pienemmät. Eduksi muodostuu kuitenkin pienempi sähkö-. * verkon kuormitus laitteen käynnistyksen ja ylikuormitusten yhteydessä.

1 ' Nopeilla oikosulkumoottorin pyörimisnopeudella pyörivillä murskaimilla i : 30 voidaan roottorin massaa helposti lisätä vauhtipyörällä, joka antaa murs- : kaimelle keksinnön mukaisessa sovellutuksessa paremmat ominaisuudet.

Claims (3)

116277 Patenttivaatimukset.

1. Huomattavan pyörimisnopeuden ja massahitausmomentin omaava hakkuri-5 tai murskainlaitteisto, jonka pääosat muodostavat teräkiekko (2) tai roottori, oikosulkumoottori (8) ja moottorivirtapiiriin kytketty taajuusmuuttaja, tunnettu siitä, että teräkiekolta (2), vastaavasti roottorilta, tai moottorilta (8) on pyörimisnopeuden tiedon kytkentä taajuusmuuttajalle, että taajuusmuuttaja on järjestetty tämän tiedon avulla ohjaamaan moottorivirran taajuutta niin, että ίο moottorin kuormituksen (momentin M) saavutettua kuormitushuipputilan-teessa nimelliskuormituksen pitää taajuusmuuttaja moottorivirran taajuuden laskulla moottorikuormituksen nimelliskuormituksessa, jolloin pyörivien osien liike-energiaa vapautuu kuormitushuippukäyttöön pyörimisnopeuden alentumista vastaavasti. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hakkuri tai murskain, tunnettu siitä, että laitteisto on varustettu erillisellä vauhtipyörällä (6), joka lisää käyttölaitteiston liike-energiaa.

3. Puun haketukseen käytetty hakkuri, jonka muodostavat teräkiekko (2), ,· käyttövaihde (5), oikosulkumoottori (8), ja sen kanssa samalla nopeudella pyörivä suuren massanhitausmomentin omaava vauhtipyörä (6) ja moottorin virtapiiriin kytketty taajuusmuuttaja moottorin pyörimisnopeuden säätämiseksi : valinnaiseen arvoon (S0), tunnettu siitä, että taajuusmuuttaja on järjestetty 25 pitämään moottorin pyörimisnopeuden valitussa arvossa (S0), sähkömoottorin ’ ominaisen jättämäalueen puitteissa huippukuormitustilanteissa nimelliskuor- mitukseen (vääntömomenttiin M) asti ja sen ylittyessä laskemaan moottori-virran taajuutta niin, että hakkurin pyörimisnopeus alenee, jolloin tarvittava lisäenergia saadaan teräkiekon ja vauhtipyörän liike-energiasta siten, että : 30 käyttömoottorin vääntömomentti säilyy nimellisellä huipputasolla M. 116277 Patentkrav.