FI127194B - Menetelmä ja säätölaitemekanismi alumiinisulaton yhteydessä - Google Patents

Description

MENETELMÄ JA SÄÄTÖLAITEMEKANISMI ALUMIINI SULATON

YHTEYDESSÄ

KEKSINNÖN ALA

Keksinnön kohteena on menetelmä ja vastaava säätölaitemekanismi alumiinin valmistuksessa käytettävien anodien säätämiseksi vastaavien kiinteiden katodien suhteen .

KEKSINNÖN TAUSTA

Alumiinin valmistus Hall-Heroult menetelmällä perustuu elektrolyyttiseen prosessiin, jossa sulan aluminakryoliittiliuoksen läpi johdetaan korkea sähkövirta. Alumiininvalmistuskenno koostuu hiilipohjaisesta kato15 dista, joka muodostaa valmistusaltaan pohjan, sekä hiilipohjaisista anodeista, joita riiputetaan sopivalla etäisyydellä katodista, esimerkiksi noin 2-5 cm. Anodit ovat nopeita kulumaan ja niitä täytyy säätää jatkuvasti, jotta ihanteellinen etäisyys katodiin säi20 lytetään. Lisäksi anodeita uusitaan niiden kuluttua loppuun noin kahden viikon välein. Uusi anodi ripustetaan säätörakenteeseen sopivalle etäisyydelle katodista, jonka jälkeen sitä säädetään yhdessä muiden eriasteisesti kuluneiden anodien kanssa.

Säätörakenne on tyypillisesti runkorakenne, jota säädetään laitteistolla, joka koostuu kahdesta tai useammasta anodijakista. Anodijakit ovat tyypillisesti muunnelma perinteisestä ruuvitunkista, joka koostuu trapetsimaisen kierteen omaavasta akselista ja vastaavan kierteen omaavasta pronssimutterista. Rakenteesta riippuen joko ruuvia tai mutteria pyöritetään, jolloin saadaan aksiaalinen nostoliike. Pyörityksen hoitaa tyypillisesti rakenteeseen integroitu kierukkavaihde.

Yhteen jakkiin voi olla kytkettynä sitä käyttävä moottori tai vaihtoehtoisesti yksi moottori voi väliakse20165322 prh 20 -12- 2017 lien ja kulmavaihteen kautta pyörittää 2-8 jakkia synkronoidusti.

Nostoruuvikäytöille on tyypillistä erilainen tehontar5 ve nosto- ja laskuliikkeissä. Ruuvin nousukulmasta ja kierteen kitkasta riippuen ruuvi voi olla itse pidättävä, jolloin se kykenee kannattamaan kuorman ilman kiinnipitävää vastamomenttia. Itsepidättyvyys toteutuu, kun nousukulma on pieni tai kitka on riittävän suuri. Itsepidättyvyys on tärkeä anodijakille asetettava vaatimus ja tämän takia ruuvin hyötysuhdetta ei pyritäkään tekemään paremmaksi, mikä olisi helposti saavutettavissa esimerkiksi kuularuuvikäytöllä.

Usein käytännön syistä johtuen rakenne on itsepidättävä staattisessa tilanteessa, mutta dynaamisen kitkatilanteen vallitessa itsepidättyvyys ei ole kovin voimakasta. Tämä ominaisuus aiheuttaa erityisesti ongelmia jakin säätöliikkeen ollessa laskeva. Tällöin säädön pysäytyksen jälkeen pysähtyminen on hidasta moottorin inertian viedessä kuormaa eteenpäin ja kitkojen jarruttaessa hitaasti. Normaalijärjestelmässä pysähtymismatka voi alaspäin olla 5-10-kertainen verrattuna pysähtymismatkaan ylöspäin ajossa. Käytännössä ero voi olla nostoruuvilla luokkaa 1-2 mm.

Ongelma on esiintynyt aina jonkinasteisena ja tapauskohtaisesti sitä on voitu kiertää ohjausjärjestelmällä ottaen ohjauksessa huomioon kyseisen eron. Ongelma kuitenkin vaikeuttaa alumiinin valmistuksen tarkkaa säätöä, jonka merkitys on noussut uusien valmistusteknologioiden ja ympäristövaatimusten myötä, joiden vaatimaa tarkempaa säätöä haettaessa yhä lyhyemmät säätöliikkeet ovat tarpeen. Ongelman ratkaisee joissain ta35 pauksissa sähkömoottori, joka sisältää automaattisesti toimivan kiinnipitojarrun, jonka aukaisee moottorin

20165322 prh 20 -12- 2017 ohjausjännite. Näin jarru aukeaa aina kun moottoria ajetaan ja kytkeytyy kun moottori sammutetaan.

Ns. jarrumoottoria ei kuitenkaan voida käyttää kaikis5 sa järjestelmissä korkean ympäristön lämpötilan vuoksi, joka voi olla jopa 150 °C. Järjestelmässä vaikuttava korkea magneettikenttä vaikeuttaa myös sähkömagneettisten jarrujen toimintaa. Jarrut aiheuttavat myös merkittävän kuluerän suurten laitosten tapauksessa, jossa moottoreita voi olla jopa 2000 kpl. Askelmoottoreilla tätä ongelmaa ei esiintyisi, mutta niiden käyttöä rajoittaa korkea hinta ja ympäristöolosuhteet.

Jakin ja sitä käyttävän koneiston kokonaishyötysuhteen laskeminen esimerkiksi ruuvin nousua pienentämällä niin että alaspäin ajon pysäytys olisi toivotun nopea, johtaa ongelmiin liikkeelle lähdössä sekä ylöspäin ajossa. Lisäksi ruuvin nousun pienentäminen johtaa pienempään kierteen kokoon ja heikentää kantokykyä ja vähentää osien kulumisvaraa. Nostoruuvin hyötysuhteen laskeminen geometriaa muuttamalla johtaa myös laitteiston tehontarpeen nousuun ja vaikuttaa negatiivisesti valmistuskustannuksiin mitoituksen muuttuessa vaativammaksi.

Entuudestaan tunnetaan julkaisusta US 4414070 anodin säätöjärj estelmä.

KEKSINNÖN TARKOITUS

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut tunnetun tekniikan epäkohdat. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen menetelmä ja vastaava säätömekanismi, joiden avulla nostoruuvikäytölle ominainen hyötysuhde-ero saadaan kompensoiduksi voimansiirtoketjun elementtejä muuttamalla niin, että erityisesti laskusuuntaan tapahtuvassa säädössä systeemin hyötysuhdetta saadaan alennetuksi. Tällöin eri

20165322 prh 20 -12- 2017 ratkaisuin tapauskohtaisesti saadaan tehontarve optimoiduksi mahdollisimman samanlaiseksi molempiin ajosuuntiin.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Keksinnön mukaiselle menetelmälle ja säätölaitemekanismille on tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä alumiinisulaton anodien säätölaitemekanismin käyttämiseksi käytettävään alumiinin valmistuskennoon kuuluu katodi, joka muodostaa valmistusaltaan pohjan, sekä anodi, jota pidetään sopivalla etäisyydellä katodin yläpuolella nostamalla ja laskemalla anodia. Keksinnön mukaisesti menetelmässä käytettävän säätölaitemekanismin jotain pyörivää osaa jarrutetaan anodia alaspäin laskettaessa. Lisäksi pyörivän osan, kuten esimerkiksi hammasakselin, laakerointi on järjestetty siten, että se sallii akselin vähäisen liikkeen aksiaalisuunnassa anodin nostosta laskuun tai laskusta nostoon vaihdettaessa. Näin keksinnössä vinon hammastuksen tuottama aksiaalivoima saadaan painamaan pyörivään osaan kytketyn jarrurakenteen kitkapintaa anodin laskusuunnassa, mikä jarruttaa pyörivää liikettä. Nostosuunnassa taas aksiaalivoiman ollessa vastakkainen jarrupinnat ovat erillään toisistaan mainitun vähäisen liikkeen verran niin, että jarrutusta ei tapahdu.

Edullisessa sovelluksessa mainittuun pyörivään osaan kuuluu viistohammastus tai kierre siten, että pyörivään osaan kohdistuu sitä pyöritettäessä myös aksiaalisuuntainen voima, joka on erisuuntainen anodin nostossa ja laskussa.

Edelleen keksintö koskee alumiinisulaton anodin säätölaitemekanismia, jossa alumiinin valmistuskennoon kuu20165322 prh 20 -12- 2017 luu katodi, joka muodostaa valmistusaltaan pohjan sekä anodi, jota riiputetaan sopivalla etäisyydellä katodin yläpuolella. Säätölaitemekanismiin kuuluu säädettävää eli nostettavaa ja laskettavaa anodia kantava nosto5 ruuvi, nostoruuvia kannatteleva kierukkapyörä sekä kierukkapyörää pyörittävä kierukka-akseli, johon sopiva voimalaite, yleensä sähkömoottori, on kytketty sen pyörittämiseksi molempiin suuntiin. Keksinnön mukaisesti säätölaitemekanismiin kuuluu kierukka-akseliin kytketty jarrumekanismi kierukka-akselin jarruttamiseksi anodia laskettaessa. Tällöin sopivasti kierukka-akseli on laakeroitu sekä pyöriväksi että vähäisessä määrin sen aksiaalisuunnassa liikkuvaksi. Toisin sanoen laakeroinnissa on vähäinen aksiaalisuuntainen välys, joka mahdollistaa akselin siirtymisen aksiaalisuunnassa siirryttäessä anodin nostosta laskuun tai päinvastoin. Edelleen jarrumekanismiin kuuluu kierukka-akseliin tukeutuva jarruelementti sekä etäisyydellä siitä anodia nostettaessa oleva kitkamateriaali. Ano20 dia laskettaessa akselin aksiaaliliikkeestä johtuen jarruelementti liikkuu kontaktiin kitkamateriaalin kanssa toteuttaen keksinnön mukaisen jarrutuksen.

KEKSINNÖLLÄ SAAVUTETTAVAT EDUT

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja vastaavalla säätölaitemekanismilla on merkittäviä etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna. Keksinnön avulla anodin liikuttaminen eli nostot ja laskut sekä varsinkin pysäyttämiset paikalleen näiden liikkeiden jälkeen saadaan täsmällisiksi ja identtisiksi molemmin suuntaisista liikkeistä. Näin riippumatta anodin liikesuunnasta säädössä saadaan se aina samalla tarkkuudella halutulle korkeudelle katodiin nähden.

LYHYT PIIRUSTUSTEN KUVAUS

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

20165322 prh 20 -12- 2017 kuva 1 esittää poikkileikkausta tyypillisestä jakkivaihteesta, kuva 2 esittää kuvan 1 jakin poikkileikkausta päältä niin että keksinnön mukainen rakenne näkyy ja kuva 3 esittää suurennosta kuvan 2 jarrurakenteesta.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Kuvassa 1 on esitetty poikkileikkaus tyypillisestä jakkivaihteesta, jota voidaan käyttää alumiinin valio mistuksessa anodin paikkaa säädettäessä eli nostettaessa ja laskettaessa anodia halutulle etäisyydelle katodin yläpuolella. Vaihteeseen kuuluu runko 1, jonka sisällä on pituussuunnassa liikutettava nostoruuvi 3, johon säädettävä anodi tuetaan. Nostoruuvin ulkopin15 nalla on kierteet 8, joihin tukeutuu vastakierteillä varustettu nostoruuvia ympäröivä mutteri ja kierukkapyörä 2. Mutteri on laakeroitu runkoon laakereilla 5. Kierukkapyörään 2 on yhteydessä kierukka-akseli 4, jota pyörittämällä kierukkapyörä pyörii ja nostoruuvi nousee tai laskee. Jakissa on myös nostoruuvin 3 suojaputket 6 ja 7, joiden sisällä pääasiassa nostoruuvi on järjestetty liikkuvaksi.

Kuvassa 2 on esitetty kuvan 1 jakin poikkileikkaus päältä katsottuna niin, että siinä näkyy kierukkaakseli 4 laakereineen 9 ja 10 sekä kierukka-akselin ja rungon välille sijoitettu keksinnön mukainen jarrurakenne 13, joka koostuu akseliin 4 tukeutuvasta jarruelementistä 11 sekä runkoon tukeutuvasta kitkamate30 riaalista 12.

Jarruelementti 11 on akselin 4 ympärillä oleva siihen jäykästi tukeutuva rengasmainen levy. Kitkamateriaali 12 on sijoitettu laakerinpesän kannen 14 sisäpintaan samansuuntaiseen tasoon jarruelementin vastinpinnan kanssa, joka taso on kohtisuorassa kierukka-akselin 4 aksiaalisuuntaan nähden. Jarrun toimiessa jarruele20165322 prh 20 -12- 2017 mentti 11 puristuu kitkamateriaalia 12 vasten kierukka-akselin 4 aksiaalivoiman F vaikuttaessa niiden välissä silloin kun ajosuunta vastaa kuorman eli anodin laskua. Kuvassa kierukka-akselin hammastus on oikeakä5 tinen, jolloin nuolet kuvaavat pyörimissuuntaa, kun jakki toimii kuormaa laskien. Tällöin laakerit 9 ja 10 kantavat akselissa 4 sen kierukkahammastuksen aiheuttamaa radiaalikuormaa ja aksiaalikuorman ottaa vastaan jarrurakenne 13. Kun voima vaikuttaa toiseen suuntaan eli jakki nostaa kuormaa, akseli 4 siirtyy vaihtuneeseen hammasvoiman suuntaan laakerivälyksen, esimerkiksi noin 0,1 mm, verran eli sen verran, että laakeri 9 alkaa kantaa myös aksiaalikuormaa ja jarruelementin 11 ja kitkamateriaalin 12 väliin muodostuu vastaava rako.

Kuva 3 esittää suurennosta kuvan 2 jarrurakenteesta

13. Kitkamateriaali 12 on sijoitettu laakeripesän kannen 14 sisäpuolelle ja laakeripesän kansi 14 on kiinnitetty runkoon 1. Rengasmainen jarruelementti 11 on kiinnitetty akselin 4 ympärille lähelle sen päätä ja se pyörii akselin mukana laakerin 10 varassa. Laakerin 10 ja laakerinpesänkannen 14 välinen aksiaalivälys B on säädetty suuremmaksi kuin jarruelementin 11 ja kitkamateriaalin 12 välinen maksimietäisyys A. Tyypilli25 sesti etäisyys A on hieman suurempi kuin akselin lämpölaajenemisen vaatima vara, joka on noin 0,1 mm. Laakerin 10 aksiaalivälys voi siten olla esimerkiksi noin 0,15 mm, jolloin käytännössä kaikki aksiaalivoima toiseen suuntaan akselia pyöritettäessä välittyy kitkama30 teriaaliin 12.

Keksinnön mukainen tavoite voidaan siis saavuttaa esimerkiksi tekemällä vaihteen akseli tai useampi sellaiseksi, että aksiaalisen laakerivälyksen puitteissa ko. akselin aksiaalivoima kannetaan kuorman noston suuntaisessa ajossa vierintälaakerin välityksellä, mutta alaspäin ajossa erityisten kitkapintojen välityksellä, jotka lisäävät tarvittavaa tehoa ja siten pysäyttävät laitteen nopeammin. Tämä vaikutus saadaan aikaan, kun tiedetään, että kierukka-akselilla tai vinohammastetulla lieriöhammastusakselilla aksiaalivoi5 man reaktiosuunta vaihtuu kuormituksen suunnan mukaisesti. Tarkoitukseen sopiva kierukka-akseli löytyy em. jakkivaihteen sisältä ja sopivia lieriöhammastusakseleita on etuvaihteena toimivassa moottorivaihteessa, joita käytetään usean jakin systeemeissä, joissa jakit on kytketty em. väliakselilla synkronoidusti toimivaksi kokonaisuudeksi.

20165322 prh 20 -12- 2017

Yleensä jakin kierukka-akseli on laakeroitu molemmissa päissä sijaitsevin kartiorullalaakerein ja vastaavaa laakerointia käytetään myös etuvaihteiden akseleilla. Tämänkaltaiseen laakerointiin jätetään yleensä pieni 0,05-0,15 mm aksiaalivälys, jonka tarkoituksena on sallia akselin piteneminen lämpölaajenemisen seurauksena. Pieni välys loivakulmaisessa kartiorullalaake20 rissa ei vielä vaikuta akselin asentoon haitallisesti, vaikka aksiaalikuormitettu pää keskittää akselin ja vapaa pää löystyy ja tukee vain säteissuunnassa. Tätä välystä, jota voidaan myös vielä vähän suurentaa, hyödynnetään tämän keksinnön sovelluksessa. Tällöin kie25 rukka-akseliin on kytketty jarrulevymäinen laippa tai joissakin rakenteissa sitä käyttävä hammaspyörä. Kun jakilla nostetaan kuormaa tai kyseessä on liikkeelle lähtö ylöspäin, on akseli siirtyneenä aksiaalivälyksen verran eli esimerkiksi noin 0,15 mm kuvassa 2 voi30 manuolta F vastakkaiseen suuntaan, jolloin jarrulevyn tai hammaspyörän taakse sovitetut kitkapalat ovat juuri irti laipan pinnasta.

Kun kuorman suunta manuolen F suuntaan aksiaalikuormaa ja tehoa moottorilta.

vaihtuu ja alkavat em. j arruttamaan akseli liikkuu voikitkapalat kantamaan käyttöä ja ottamaan

Esimerkin mukaisessa rakenteessa,

20165322 prh 20 -12- 2017 jossa ylöspäin ajon tehontarve normaalisti vastaisi 100% ja alaspäin tehontarve 30% saataisiin jarrutustehoa kuvan mukaisella sommittelulla 150%. Siirtämällä kitkamateriaalia sisemmäksi tai alentamalla sen kitka5 kerrointa saadaan kitkatehoksi helposti hyötysuhteiden erotus 70%, jolloin ajoteho molempiin suuntiin tulee samaksi ja sulaton anodijärjestelmän säätö saadaan tarkemmaksi.

Rakenteen kyky jarruttaa riippuu myös välitysosien välityssuhteesta. Öljykylvyssä toimivien kytkinten kitkamateriaaleilla ja hyödyntämällä maksimihalkaisija tai vaihtoehtoisesti pronssista valmistetuin kitkapaloin pienellä halkaisijalla saadaan noin viisinkertai15 nen ero jarrutusmomentteihin. Valitsemalla aina tapaukseen sopiva yhdistelmä saadaan valtaosassa sovelluksista jarrutustarve katetuksi tällä menetelmällä.

Kierukka-akselin laakerointi voidaan tehdä myös niin, että toinen pää toteutetaan vain säteislaakerilla, jona voi toimia esimerkiksi NU-tyyppinen lieriörullalaakeri. Tämä mahdollistaa akselin vapaan liikkeen kitkapinnan suuntaan, jolloin pintojen kuluminen ei muodosta ongelmaa, kun kulumisvaraa voidaan järjestää huo25 mattavasti enemmän kuin kartiolaakeroinnin aksiaalivälys mahdollistaa. Tämän tyyppisessä rakenteessa akselin toisessa päässä pitää olla laakerointi, joka kantaa aksiaalivoiman nostotilanteessa sekä säteisvoiman molemmissa tilanteissa. Tämä saadaan aikaan vastakkai30 sin kartiolaakerein tai viistokuulalaakerein tai vaihtoehtoisesti esimerkiksi uivalla lieriörullalaakerilla sekä erillisellä aksiaalilaakerilla.

Lisätyn jarrutehon käyttö rakenteessa aiheuttaa osien35 lämpenemistä ja kulumista. Anodijakkien käytölle on kuitenkin ominaista hyvin lyhyet, suuruusluokkaa 1-5 s, säätöliikkeet ja pitkät useiden minuuttien, jopa ίο kymmenien minuuttien, tauot säätöliikkeiden välillä, jolloin haitallista lämpenemistä ei pääse tapahtumaan. Alasajoa ei normaalisti tehdä koskaan koko matkaa yhtäjaksoisesti täydellä kuormalla. Ylösajo sen sijaan tehdään toisinaan, mutta tähän suuntaan kitkasysteemi ei vaikuta.

Edellä keksintöä on selostettu esimerkinomaisesti oheisten piirustusten avulla keksinnön eri sovellusten ollessa kuitenkin mahdollisia patenttivaatimusten mää10 räämissä rajoissa.

Claims (5)

1. PATENTTIVAATIMUKSET

   1. Menetelmä alumiinisulaton anodien säätölaitemekanismin käyttämiseksi, jossa menetelmässä käytettävään

   5 alumiinin valmistuskennoon kuuluu katodi, joka muodostaa valmistusaltaan pohjan, sekä anodi, jota pidetään sopivalla etäisyydellä katodin yläpuolella nostamalla ja laskemalla anodia, tunnettu siitä, että säätölaitemekanismin jotain pyörivää osaa jarrutetaan ano10 dia alaspäin laskettaessa ja pyörivän osan, kuten hammasakselin, laakerointi sallii akselin liikkeen aksiaalisuunnassa siten, että hammastuksen tuottama aksiaalivoima painaa pyörivään osaan kytketyn jarrurakenteen kitkapintaa anodin laskusuunnassa jarruttaen pyö15 rivää liikettä.
2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pyörivään osaan kuuluu viistohammastus tai kierre siten, että pyörivään osaan kohdis20 tuu sitä pyöritettäessä aksiaalisuuntainen voima, joka on erisuuntainen anodin nostossa ja laskussa.
3. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pyörivänä osana käytetään

   25 hammasakselia kuten kierukka-akselia (4).
4. 4. Alumiinisulaton anodin säätölaitemekanismi, jossa alumiinin valmistuskennoon kuuluu katodi, joka muodostaa valmistusaltaan pohjan sekä anodi, jota riipute30 taan sopivalla etäisyydellä katodin yläpuolella, ja johon säätömekanismiin kuuluu anodia kantava nostoruuvi (3), nostoruuvia kannatteleva kierukkapyörä (2) sekä kierukkapyörää (2) pyörittävä kierukka-akseli (4), johon voimalaite on kytketty sen pyörittämiseksi mo35 lempiin suuntiin, tunnettu siitä, että säätölaitemekanismiin kuuluu kierukka-akseliin (4) kytketty jarrumekanismi (13) kierukka-akselin jarruttamiseksi ano12 dia laskettaessa ja että kierukka-akseli (4) on laakeroitu pyöriväksi sekä vähäisessä määrin sen aksiaalisuunnassa liikkuvaksi, jolloin jarrumekanismiin (13) kuuluu kierukka-akseliin (4) tukeutuva jarruelementti
5. 5 (11) sekä etäisyydellä siitä anodia nostettaessa oleva kitkamateriaali (12), joka anodia laskettaessa on kiinni jarruelementissä mainitun aksiaalisuuntaisen liikkeen johdosta.