Kraftverteilung im Arbeitsspalt von Hochdruck ... - Bauverlag

Kraftverteilung im Arbeitsspalt von Hochdruckwalzenpressen
und ihre Wirkung auf Drehmoment
und Betriebsverhalten
Répartition des forces dans l’interstice de travail des
presses à rouleaux haute pression et son incidence sur
le couple et le comportement de marche
Distribución de fuerzas en la ranura de trabajo de las
prensas de cilindros de alta presión y sus efectos en el
par y el comportamiento operativo
Force Distribution in the
Working Gap of High-
Pressure Roller Presses
and its Effect on their
Torque and Operating
Performance
Dipl.-Ing. (VDI) Martin Müller, Schöneiche
Zusammenfassung Hochdruckwalzenpressen sind hocheffektive
Zerkleinerungsmaschinen. Innerhalb von 20 Jahren haben sie weltweite
Verbreitung bei der Mahlung von Zementklinker, Erz und einer
Reihe von Mineralien erlangt. Die Hochdruckwalzenpresse war
für die Brikettierung und Kompaktierung eine bekannte Maschine.
Für den neuen Anwendungsbereich Zerkleinerung wurden die theoretischen
Grundlagen im Wesentlichen durch die Arbeiten von Prof.
Schönert und seinen Schülern erforscht. Beim Betreiben der
Maschinen zeigte es sich, dass die Anlagen eine hohe zeitliche
Auslastung (92 %) erreichen können. Trotzdem treten instabile Betriebszustände
auf (Vibrationen, Rattern, Backlash im Getriebe), die
Lieferanten wie Betreiber beschäftigen. Für diese Instabilitäten werden
die Ursachen in dieser Arbeit dargestellt. Die Zusammenhänge
Kraftverteilung im Arbeitsspalt, Drehmoment und µ-Faktor werden
untersucht und die Entstehung negativer Drehmomente wird aus
diesen Zusammenhängen hergeleitet. Für das Vermeiden dieser Instabilitäten
werden Lösungen angeboten.
Résumé Les presses à rouleaux haute pression sont des machines
de fragmentation de haute efficacité. En 20 ans, elles ont connu une
diffusion dans le monde entier pour la fragmentation de clinker de
ciment, de minerai et d’une série de minéraux. Pour l’agglomération
et le compactage, la presse à rouleaux haute pression était déjà
une machine connue. Pour le nouveau domaine d’application de la
fragmentation, les recherches de base théoriques ont, pour l’essentiel,
été faites par le Pr Schönert et ses étudiants. En exploitation, il
s’est révélé qu’avec ces machines, les installations pouvaient atteindre
des taux d’utilisation élevés dans le temps (92% par rapport au
temps calendrier). Néanmoins, des états de fonctionnement instables
se présentent (vibrations, broutages; jeu d’engrenage des réducteurs)
qui préoccupent les fournisseurs et les exploitants. Les causes d’instabilité
sont présentées dans cette étude. Les corrélations entre répartition
des forces dans l’interstice de travail, couple et facteur µ sont
examinées et la formation de couples négatifs est déduite de ces
corrélations. Des solutions sont offertes pour éviter ces instabilités.
Summary High-pressure roller presses are highly effective machines
for comminution. In 20 years, their application has spread worldwide
for grinding cement clinker, ore and a range of minerals. The
high-pressure roller press was already a commonly used machine
in briquetting and compaction. The theoretical basis for its new application
in comminution has been essentially researched in the work
of Prof. Schönert and his students. The operating performance of
these machines has shown that they are capable of a high capacity
utilization over time (92 % of calendar time). Despite this, they can
sometimes demonstrate unstable operation (vibration, chattering;
backlash in the gears), which concerns both the suppliers and operators
of roller presses. The reasons for this unstable operation are
described in this paper. The relationships between the force distribution
in the working gap, torque and µ factor of the press are investigated
and the development of negative torques is derived from
these relationships. Solutions for avoiding such unstable operation
are proposed.
Resumen Las prensas de cilindros de alta presión son máquinas de
trituración altamente eficaces. En los últimos 20 años se han impuesto
en todo el mundo para la trituración de restos de cemento y una
serie de minerales. En el campo de la aglomeración (briqueteado)
y de la compactación, la prensa de cilindros de alta presión ha sido
una máquina bien conocida. Para su nuevo ámbito de aplicación,
la trituración, las bases teóricas fueron investigadas principalmente
en los trabajos del profesor Schönert y sus alumnos. Al operar
las máquinas quedó patente que las instalaciones son capaces de alcanzar
un alto grado de utilización temporal (un 92% en relación
con el tiempo de calendario). No obstante, surgen estados de operación
inestables (vibraciones, traqueteos, contragolpes en el engranaje),
que mantienen ocupados tanto a proveedores como a operadores.
En este trabajo se exponen las causas de esta inestabilidad.
Se analizan las correlaciones de distribución de fuerza en la ranura
de trabajo, el par y el factor µ, derivando de estas correlaciones
la formación de pares negativos. Además, se ofrecen soluciones a
fin de evitar estas inestabilidades.
22 AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8

1. Einleitung
Die Durchführung der Zerkleinerung im determinierten Gutbett
unter hohem Druck mit Hochdruckwalzenpressen hat zunächst im
Bereich der Feinzerkleinerung eine rasante Entwicklung ausgelöst.
Diese gründet sich auf die Energieeffizienz dieses Verfahrens [1,
3, 4]. Da die Maschine, die Hochdruckwalzenpresse für die Brikettierung
und Kompaktierung, bereits entwickelt war, wurde sie
zunächst ohne größere konstruktive Veränderungen für den neuen
Verwendungszweck übernommen. Die verfahrenstechnischen
Grundlagen zur Auslegung sind bis heute nicht abschließend
untersucht. Die Ursachen für bestimmte Phänomene (Schwingungen,
Rattern, Blockieren der Walzen, Backlash im Getriebe),
die beim Betrieb auftreten, sind nicht umfassend geklärt und
beschäftigen Lieferanten und Betreiber. Der Zerkleinerungsprozess
verläuft schnell und auf engstem Raum im Spalt zwischen den
Walzen, bei einer Verweildauer von etwa 0,1 s. Beobachtung und
messtechnische Erfassung dieses Prozesses sind direkt kaum
durchführbar und würden auch wegen ihres von vielen Einflussfaktoren
abhängenden stochastischen Verhaltens schwer auswertbar
und wenig erfolgversprechend sein. Da die vorliegenden
Auslegungsverfahren im Durchschnitt zu akzeptablen Ergebnissen
führen, sollte es möglich sein, die Schwierigkeiten durch eine
genauere Untersuchung mit den Mitteln der Mathematik und Physik
zu beseitigen.
2. Kräfteverhältnisse am Arbeitsspalt
Hochdruckwalzenpressen ziehen das Aufgabegut zwischen gegenläufig
rotierenden Walzen in den Arbeitsspalt ein. Eine der beiden
Walzen ist horizontal beweglich im Pressenrahmen gelagert,
während die zweite Walze im Rahmen fest angeordnet ist. Die
horizontal bewegliche Walze ist gegenüber dem Pressenrahmen
durch ein hydropneumatisches Federsystem abgestützt. Durch
Einstellung des Öldruckes lässt sich der Anpressdruck der Walzen
einstellen. Die Gesamtpresskraft (F t ) ergibt sich aus dem Öldruck
(P hyd ) und der Summe aller Kolbenflächen (n · A P ) der Arbeitszylinder.
F t
Als spezifische Arbeitsfläche einer Walzenpresse versteht man
das Produkt aus Durchmesser (D) und Arbeitsbreite (B) der Walze
(projizierte Querschnittsfläche senkrecht zur Walzenachse).
F
= n · Ap · P
specf
Ft
=
A
specf
hyd
A
(2)
spcf
= D · B
Der Quotient aus Gesamtpresskraft und spezifischer Arbeitsfläche
wird als spezifische Presskraft bezeichnet.
(1)
(3)
1. Introduction
The introduction of high-pressure roller presses for comminution
in a determinate material bed under high pressure initially triggered
a rapid development in fine comminution. The reason for
this is the energy efficiency of high-pressure comminution in a
determinate material bed [1, 3, 4]. As the high-pressure roller press
had already been developed for briquetting and compaction, at
first it was adopted for the new application without any major
design modifications. The basic process engineering principles for
the design of this machine have not yet been conclusively studied
to this day. The causes of certain phenomena (vibrations, chattering,
locking of the rolls, backlash in the gears) that sometimes occur
during operation of high-pressure roller presses have not been
comprehensively explained and concern both the suppliers and
operators of these machines. The comminution process in a highpressure
roller press proceeds quickly and in an extremely confined
space between the rolls, during a material residence time of around
0.1 s. Direct observation and measurement of this process are
therefore hardly possible and, as the stochastic behaviour of this
process is dependent on many influencing factors, such observations
and measurements would be difficult to evaluate and therefore
not very promising anyway. As the current design procedures
lead on average to acceptable results, it should be possible to tackle
the problems with a more exact study of the machine behaviour
based on a mathematical and physical approach.
2. Forces in the Working Gap
High-pressure roller presses draw the feed material into the gap
between two contra-rotating rolls. One of these two rolls is horizontally
movable in the press frame while the other roll is rigidly
fixed to the frame. The horizontally movable roll is supported
against the press frame by a hydropneumatic spring system. The
press force of the rolls can be adjusted by changing the oil pressure.
The total press force (F t ) results from the oil pressure (P hyd ) and
the sum of all piston areas (n · A P ) of the working cylinders.
F t
The specific working area of a roll press can be described as the
product of the diameter (D) and working width (B) of the roll (projected
cross-sectional area perpendicular to the axis of the roll):
A
= n · Ap · P
spcf
=
D · B
hyd
The quotient of the total press force and the specific working
area is termed the specific press force.
Ft
Fspecf
=
(3)
Aspecf
As can be seen from Fig. 1, the following
applies for each roll:
FN1 = FN2
= Ft·
⋅cos α
for the normal force
2
(1)
(2)
for the tangential force
For further calculations, however, it is more practical to work
with rather than with /2. It is necessary to imagine that the torque
and force are applied by one roll. This is justifiable as the following
vector addition shows:
Fig. 2 shows the forces acting in the working gap of the roller press.
Precondition for this is that the hydraulically generated press force
Bild 1: Kräfteverhältnisse am Arbeitsspalt
Fig. 1: Forces acting in the working gap
F
⎧FNx1 + FNx2
= 0
⎪
+ FN
= ⎨
⎪FNy1 + FNx2
= Ft ⋅sin ⋅ cos + Ft
⋅sin ⋅cos
⎩
2 2 2 2
N1 2
⎫
⎪
⎬
⎪
⎭
AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8 23

Wie aus Bild 1 zu entnehmen ist, gilt für jede Walze:
F F F
N1 N2
t
2
für die Normalkraft
= = ⋅cos α F t on the line connecting the roll mid-points on the horizontally
für die Tangentialkraft
Für weitere Berechnungen ist es jedoch praktischer mit und nicht
mit /2 zu rechnen. Man geht davon aus, dass Drehmoment und
Kraft von einer Walze aufgebracht werden, wie folgende Vektoraddition
zeigt:
F
⎧FNx1 + FNx2
= 0
⎫
⎪
⎪
+ FN
= ⎨
⎬
⎪FNy1 + FNx2
= Ft ⋅sin ⋅ cos + Ft
⋅sin ⋅cos
⎪
⎩
2 2 2 2 ⎭
N1 2
⎧Ftgx1 + Ftgx2
= 0
⎫
f
⎪
⎪
+ Ftg
= ⎨
f
f ⎬
⎪Ftgy1 + Ftgy2
= Ft ⋅sin ⋅ cos + Ft
⋅sin ⋅cos
⎪
⎩
2 2 2 2 ⎭
f
Ftg1 2
f
f
FN1 + FN2
= Ft·
• sinα
Ftg 1
+ Ftg2
= Ft
·•
sinα
Bild 2 zeigt die Kräfteverhältnisse am Arbeitsspalt der Walzenpresse.
Vorausgesetzt wird, dass die hydraulisch erzeugte Presskraft
F t auf der Verbindungslinie der Walzenmittelpunkte an der
horizontal beweglichen Walze in Richtung auf die Festwalze
angreift. Die Übertragung der Presskraft auf das Mahlgut durch
die sich drehenden Walzen erfolgt im Arbeitsspalt über die
Berührungsfläche des Mahlgutes und der Walzenoberfläche. Das
Mahlgut wird im Arbeitsspalt durch die horizontalen Kräfte (Bild 1)
in x-Richtung F A und -F A wie bei einem Pressvorgang belastet.
Gleichzeitig wirkt in y-Richtung die Einzugskraft F Z . Wie aus dem
Schrifttum [11] bekannt, ist die horizontal wirkende Kraft eine
Funktion von y (Bild 3) und eine Funktion der Längskoordinate
z in Richtung der Walzenachse. Für die Betrachtungen in diesem
Artikel soll eine zweidimensionale Betrachtung (x-y Ebene) ausreichen
(Mittelwert der Funktionen in z-Richtung)
Die so genannte Grip Force (GF = F tg = sin · F t ) bestimmt das
Drehmoment. Die y-Komponente der Grip Force ist die Einzugskraft,
die auf das Aufgabegut am Einzugspunkt A wirkt.
Bild 3: Kraft und Drehmoment (dimensionslos) als Funktion des
Berührungswinkels der Walzenoberfläche und des Mahlgutes
Fig. 3: Force and torque (dimensionless) as a function of the angle
of contact of the roll surface and the product
⎧Ftgx1 + Ftgx2
= 0
⎫
f ⎪
⎪
+ Ftg
= ⎨
f
f ⎬
⎪Ftgy1 + Ftgy2
= Ft ⋅sin ⋅ cos + Ft
⋅sin ⋅cos
⎪
⎩
2 2 2 2 ⎭
f
Ftg1 2
F + F = F·
• sinα
N1 N2
t
F + F = F·
• sinα
tg1 tg2
t
f
f
movable roll is applied in the direction of the fixed roll. The press
force on the product is transmitted by the rotating rolls in the gap,
over the contact surface of the product and the roll surface. In the
gap, the product stressed by the horizontal forces (Fig. 1) in the x-
direction, i.e. F A and – F A , as in a press cycle. At the same time,
the draw-in force F Z acts in the y-direction. As known from the literature
(11), the force acting in the horizontal is a function of y (see
Fig. 3) and a function of the longitudinal coordinate z in the direction
of the roll axis. For the observations in this paper, a twodimensional
analysis (x-y plane) should be sufficient (mean value
of the functions in the z-direction).
The grip force (GF = F tg = sin · F t ) determines the torque. The
y component of the grip force is the draw-in force acting on the
feed material at draw-in point A.
Bild 2: Details der Kräfte am Arbeitsspalt
Fig. 2: Details of the forces in the working gap
Bild 4: Scheinbarer Ort der Walze zur Zeit t = 2 für einen mit
dem Mahlgut mitfahrenden Betrachter
Fig. 4: Apparent location of the roll at the time t = 2 for a product
with a travelling observer
24 AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8

Ausgangspunkt für die weiteren Betrachtungen ist die Untersuchung
des Bewegungsablaufes zwischen Mahlgut (Schülpe) und
Walze. Bei der Walze handelt es sich um eine Rotation und bei der
Bewegung des Mahlgutes durch den Spalt zwischen den Walzen
um eine Translation. Dieser Bewegungsablauf ist für das rollende
Rad bereits eingehend behandelt [2]. Die Bewegungsabläufe zwischen
Mahlgut und Walzen einer Hochdruckwalzenpresse sind
analog zum rollenden Rad zu betrachten. Der Unterschied besteht
darin, dass das rollende Rad Rotation und Translation gleichzeitig
ausführt und der Boden, auf dem das Rad rollt, feststeht,
während sich in der Hochdruckwalzenpresse das Mahlgut in Translation
befindet und die Walze (das Rad) im Wesentlichen rotiert.
Zunächst gilt es zu klären, wo der Drehpunkt für die gemeinsame
Bewegung von Gut und Walze liegt. In Bild 4 ist die Situation für
zwei dicht beieinanderliegende Zeitpunkte der Bewegung
gezeichnet. Das Mahlgut hat sich dabei von A* nach A bewegt.
Am Berührungspunkt von Walzenoberfläche und Mahlgut bewegen
sich beide mit gleicher Geschwindigkeit (Voraussetzung: kein
Gleiten). Der Berührungspunkt war zum Zeitpunkt t=1 gleich A*
und zum Zeitpunkt t=2 gleich A. Legt man ein Koordinatennetz
mit dem Koordinatenurspung in das Mahlgut und die X-Achse so,
dass A* auf der x-Achse liegt, verschiebt sich bei der Bewegung die
X-Achse von A* nach A. Für einen Betrachter, der am Koordinatenursprung
steht und sich mit diesem bewegt, hat sich der Mittelpunkt
der Walzenachse scheinbar von M* nach M verschoben.
Nun ist deutlich zu erkennen (Bild 4), dass die Strecke A*A kleiner
ist als die Strecke B*B. Die Drehachse für die gemeinsame
Bewegung ist die Achse parallel zur Walzenachse, die durch den
Punkt A geht und weder im Mahlgut noch in der Walze fixiert ist.
Das wird für die Ermittlung der Richtung des Drehmomentes
unter Abschnitt 6 eine wesentliche Rolle spielen.
The starting point for further observations is an investigation of
the motion of the product (flakes) and the roll. The roll rotates
while the motion of the product through the gap between the rolls
can be described as a translation. This motion is dealt with in detail
for the rolling wheel in physics textbooks [2]. The motion of the
product and the rolls in a high-pressure roller press can be regarded
as similar to that of the rolling wheel. The difference is that the
rolling wheel performs a rotational and translational motion at the
same time and the ground on which the wheel rolls is stationary,
while in the high-pressure roller press the product performs a translational
motion (similar to the ground in the rolling wheel analogy)
while the roll (the wheel) essentially rotates. First it is necessary
to clarify where the centre of rotation for the joint motion of
the product and the roll lies.
Fig. 4 shows a drawing of this situation for two points in time of
the motion lying close to each other. In this case, the product has
moved from A* to A. At the point of contact between the roll surface
and the product, both move at the same speed (providing
there is no sliding). The point of contact at time t=1 was equal to
A* and at time t=2 equal to A. If a coordinate frame is positioned
so that its origin is in the material and x-axis so that A* lies on the
x-axis, during the motion, the x-axis shifts from A* to A. For an
observer standing at the origin and moving with this, the mid-point
of the roll axis has apparently shifted from M* to M. Now it can be
clearly seen (Fig. 4) that the distance A*A is smaller than the distance
B*B. The rotation coordinate for the joint motion is the axis
parallel to the roll axis that goes through point A and is not fixed
in the product nor in the roll. This plays an essential role in the
determination of the torque direction in Section 7.
Cemtec
AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8 25

3. Berechnung der Leistungsaufnahme einer
Hochdruckwalzenpresse
Die für die Zerkleinerungsarbeit benötigte Leistung des Antriebes
einer Hochdruckwalzenpresse berechnet sich wie folgt.
Es gilt aber auch:
P = T · (3)
P = · F · (4)
Das Drehmoment berechnet sich als Vektorprodukt
aus (3) und (4) folgt: T f = F f x r oder T = F · r · sin (5)
T · = · F · (6)
da = r , ergibt sich : F · r · sin r = · F ·
und somit gilt: = sin (7)
oder: = F · r · sin = T eff (8)
F · r T max
Die Gleichung (8) zeigt, dass der µ-Faktor das Verhältnis von
tatsächlich bei der Zerkleinerung in einer Gutbettwalzenpresse
auftretendem zum maximal mit der Presskraft (µ =1) erzeugbaren
Drehmoment ist. Der µ-Faktor hat eine ähnlich fundamentale
Bedeutung wie der Wirkungsgrad.
4. Bestimmung des µ-Faktors
Der µ-Faktor ist mit Gleichung (4) bestimmbar:
=
F·
P
(9)
Gleichung (9) stellt das Verhältnis der für ein bestimmtes Mahlgut
erzeugbaren Leistung zur maximal mit der Anpresskraft „F“
möglich erzeugbaren Leistung dar.
Mit Gleichung (9) ist die Bestimmung des µ-Faktors kein Problem,
da alle erforderlichen Größen messbar sind. Für ein Datenerfassungssystem
(wie z. B. dem Data Logger vom Ing. Büro Hübler)
besteht kein Problem, µ online als Trend mit hoher Messfrequenz
darzustellen. Auf diese Weise können unter Betriebsbedingungen
statistisch gesicherte Werte und funktionale Zusammenhänge zu
anderen Größen ermittelt werden.
5. Zusammenhänge mit dem µ-Faktor
Nach Gleichung (7) ist der µ-Faktor gleich dem Sinus des Einzugswinkels.
Wird der Hochdruckwalzenpresse ofenfallender Klinker aufgegeben,
ergibt sich µ zu etwa 0,08 und damit ein Einzugswinkel
von 4,6°.
Bei einem Walzendurchmesser von 1 m
und einem Arbeitsspalt von
23 mm
wird bei
4,6° Einzugswinkel
ein Korn von 23 mm + 1.000 mm·(1-cos 4,6) = 26,22 mm eingezogen.
Es zeigt sich aber, dass selbst größere aus dem Ofen kommende
Ansatzstücke mit Korngrößen >100 mm von Walzen mit 1 m
Durchmesser problemlos erfasst werden. Für diesen Fall müsste
der µ-Faktor bei 0,4 liegen.
Trägt man die bei unterschiedlichen Presskräften erhaltenen µ-
Faktoren als Funktion der Presskraft in ein doppelt logarithmisches
Netz ein, ergibt sich eine Gerade.
Bild 5 zeigt die Abhängigkeit des µ-Faktors von der spezifischen
Presskraft (µ = F(F spcf )) für drei unterschiedliche Fälle. Die
Bild 6 gibt die Verhältnisse beispielhaft für die Mahlung von Klinker
wieder:
Für das Drehmoment gilt:
T F · A · und damit T A · F · F F
=
specf specf
=
specf specf
= ( specf )
* * sin * * ( )
3. Calculation of the Power Consumption of a
High-Pressure Roller Press
The drive power of a high-pressure roller press for comminution
is calculated as follows.
The following also applies:
P = T · (3)
P = · F · (4)
The torque is calculated as the vector product
from (3) and (4), it follows:
T f = F f x r or T = F · r · sin (5)
T · = · F · (6)
as = r , the following results : F · r · sin r = · F ·
and therefore the following applies: = sin (7)
but it is also possible to write: = F · r · sin = T eff (8)
F · r T max
Equation (8) shows that the µ factor is the relationship of
the actually effective torque during comminution in a high-pressure
roller mill to the maximum torque that can be generated
with the press force (µ =1). The µ factor has a similarly fundamental
significance as the efficiency. It is worth studying this
closer.
4. Determination of the µ Factor
The µ factor can be determined with Equation (9):
=
F·
P
(9)
Eq. (9) represents the relationship of the power that can be generated
when a certain product is handled to the maximum power
that can be generated with the press force “F”.
The µ factor can be easily determined with Eq. (9) as the
required variables can all be measured. A data acquisition system
(e.g. the Data Logger from Ing. Büro Hübler) has no problem in
displaying
·
µ online
·
as a trend with high measurement
· ·
frequency.
Bild 5: Abhängigkeit des µ-Faktors von der spezifischen Presskraft
für 3 unterschiedliche Materialien
Fig. 5: Dependence of the µ factor on the specific press force for
three different products
26 AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8

In this way, statistically significant values and functional relationships
to other variables · · can be determined and that under operating
conditions.
Bild 6: Funktion µ-F(Fspcf) für Klinker, Kurve 1 für die Vormahlung,
Kurve 2 für die Teilfertigmahlung
Fig. 6: Function µ = F(Fspcf) for clinker, Curve 1 for pre-grinding,
Curve 2 for semi-finish grinding
Die Funktion der Kraft in Abhängigkeit vom Drehwinkel beim
Passieren des Mahlgutes durch den Walzenspalt wurde mehrfach
bestimmt und führte zu übereinstimmenden Ergebnissen [5, 6, 11].
Die größte Kraft wird bei einem Winkel zwischen 1 und 2°
gemessen. Die Funktion lässt sich mathematisch wie folgt beschreiben:
F A B −C
= ⋅e
(10)
Das Problem läuft auf die Bestimmung der Konstanten A, B
und C hinaus. Von dieser Funktion ist bekannt, dass sich der
Extremwert (Maximum) bei
max
=- B C
(11)
5. µ Factor Relationships
According to Eq. (7), the µ factor is the sine of the draw-in angle.
How can this · angle be explained?
If a high-pressure roller press is fed with clinker falling from a
kiln, µ results at around 0.08 and thus gives a draw-in angle of 4.6°.
At a roll diameter of 1 m
a working gap of
23 mm
and at a draw-in angle of 4.6 °
a particle of 23+1000*(1-cos 4,6) = 26.22 mm is drawn in
between the rolls.
Evidently, however, even larger pieces with particle sizes > 100
mm can be easily drawn in by rolls with a diameter of 1 m. In this
case, the µ factor must stand at 0.4. If the different µ factors
obtained at different press forces are plotted as a function of the
press force in a double logarithmic · grid, · a straight line results.
Fig. 5 shows the dependence of the µ factor on the specific press
force (µ = F(Fspcf)) for three different cases. Fig. 6 shows the relationships
for the grinding of clinker as an example:
The following applies for the torque:
T F A und damit · T · A F F F
=
specf specf
=
specf specf
= ( specf )
The function of the force dependent on the angle of rotation as
the product passes through the gap between the rolls has been
determined several times and concurring results have been
obtained [5,6,11].
The greatest force is measured at an angle between 1 and 2°. The
function can be described mathematically as follows:
F = A
B ⋅e
* * sin * * ( )
−C
(10)
MRS Greifer
AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8 27

ergibt und für max der Winkel zwischen 1 und 2° liegt. Damit ist
das Verhältnis B/C fix.
Normiert man die Gleichung (10) mit dem Wert für die bei max
auftretenden Kraft (Maximalkraft), erhält man folgende Gleichung:
1
B -C
FN = e
(12)
B -B
* *· *·
max · e
Für das Drehmoment muss gelten (Walzendurchmesser =1m):
T ∫ F
·
*
d
= ( )
(13)
Das bestimmte Integral der Gleichung (10) in den Grenzen von
0 bis strebt einem Grenzwert zu. Dieser Grenzwert stellt das
2
dimensionslose Drehmoment des mit Aufgabegut gefüllten Zwischenraumes
zwischen den Walzen dar. Das bestimmte Integral in
den Grenzen von 0 bis der normierten Gleichung (12) ist aber
2
auch der µ- Faktor. Er kann als das dimensionslose Drehmoment
aufgefasst werden, mit dem die Presskraft zu multiplizieren ist, um
das zugehörige Drehmoment (Walzendurchmesser = 1 m) zu
erhalten.
Beispiel: Aus der Betriebserfahrung oder aus Versuchen wurde
der µ-Faktor einer Teilfertigmahlung mit 0,095 bestimmt. Da B
aus mathematischen Überlegungen zwischen 0 und 1 liegen muss,
ergibt sich
2
für =∫F
( ) ⋅ d
= 0 ,
N
095 und für (14)
0
F 1
(15)
e
-047 , -21,
15
N( )= * * e
-
0 022 047 , 047 , · ·
, *·
In Bild 5 und 6 sind die Funktionen dargestellt, sowohl allgemein
gültig dimensionslos als auch für einen angenommenen Betriebsfall
Walzenpresse mit 1 m 2 spezifischer Arbeitsfläche und
6.000 kN/m 2 spezifischer Presskraft.
6. Erkenntnisse aus den bisherigen Überlegungen
• Der µ-Faktor, wie er bei der Dimensionierung von Hochdruckwalzenpressen
für die Zerkleinerung verwendet wird, ist das
bestimmte Integral der normierten Kraft als Funktion des
Angriffswinkels F N() in den Grenzen von 0 bis . Das bedeutet,
dass der µ-Faktor abnimmt, wenn z. B. durch Verringerung
2
der Beschickung der Füllungsgrad des Raumes zwischen den
Walzen verringert wird oder wenn der beginnende Einzug des
Aufgabegutes bei einem kleineren Winkel stattfindet.
• Jeder Betreiber kennt das Problem, dass während des Anfahrens
und Abfahrens die Schwankungen des Drehmomentes zunehmen
und oft unzulässige Werte erreicht werden. Die Stammfunktion
(das unbestimmte
Integral) der Funktion F N()
ändert ihren Wert im Bereich
des voll gefüllten Zwischenraumes
zwischen den
Walzen bei einer Füllungsgradänderung
nur geringfügig.
Wird dieser jedoch klein
gehalten, rufen schon geringe
Änderungen der Aufgabegutmenge
große Änderungen
des µ-Faktors (des Drehmomentes)
hervor. Der Grund
hierfür ist der Verlauf der
Kennlinie (Bild 7 und 8).
7. Das Auftreten negativer
Drehmomente
Das Auftreten von Schwingungen
des Drehmomentes mit
The problem comes down to the determination of the constants
A, B and C. From this function it is known that the extreme value
(maximum) is calculated as
max
=- B (11)
C
For, it is known that the angle lies between 1 and 2°. The ratio
B/C is then fixed.
If function (10) is normalized with the value for the force (maximum
force) generated at (maximum force), the following equation
is obtained.
F
1
B
e
* *· *·
max · e
N
=
B -B
(12)
The equation for the torque (with a roll diameter = 1 m) must be:
T ∫F *· d
= ( )
(13)
The definite integral of function (10) within the limits from 0 to
approaches a limit value. This limit value represents the dimensionless
torque of the space between the rolls (with a diameter of
2
1 m) filled with feed material. The determined integral within the
limits from 0 to of the normalized function (12) is, however, also
2
the µ factor. It can be explained as the dimensionless torque with
which the press force must be multiplied to obtain the associated
torque (roll diameter = 1 m).
Example: From practical experience or operating trials, the µ
factor of a semi-finish grinding process has been calculated as
0.095. As, based on mathematical considerations, B must lie
between 0 and 1, the following results
2
for =∫FN ( ) ⋅ d
= 0,
095 and for (14)
0
F 1
(15)
e
-047 , -21,
15
N( )= *· *·
e
-
0 022 047 , 047 ,
, *·
In Figs. 5 and 6, the functions are shown, firstly as dimensionless
and universally valid, and secondly for an assumed case involving
a roller press with 1 m 2 specific working area and 6000 kN/m 2 specific
press force.
6. What Findings can be Derived from these
Considerations
• The µ factor used for dimensioning high-pressure roller presses
for comminution is the definite integral of the normalized force
as a function of the angle of force application F N() within the
limits of 0 to 2
-C
Bild 7: Krafteinleitung und Drehmomentverlauf (dimensionslos)
für den Arbeitsspalt von Hochdruckwalzenpressen für einen mittleren
µ-Faktor = 0,095
Fig. 7: Power input and torque curve (dimensionless) for the
working gap of high-pressure roller presses for a mean µ factor =
0.095
. That means that the µ factor becomes lower when
the material filling in the space
between the rolls decreases, for
example as a result of a lower
feed rate, or when the feed
material is drawn in at a smaller
angle at the beginning.
• Every operator is familiar
with the problem of increased
variation of the torque during
machine start-up and shutdown,
the torque then often
exceeding the permissible
values. If the space between
the rolls is full or almost full,
the value of the anti-derivative
(the indefinite integral)
of the function changes only
slightly in response to a
change in the filling degree. If
the filling degree within the
28 AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8

Amplituden, die über den positiven
Bereich des Drehmomentes
[7, 8, 12, 13, 14] hinausgehen,
stellen einen schwerwiegenden
Störfall dar, da eine
Richtungsumkehr des Drehmomentes
verbunden mit einer
Drehrichtungsumkehr auftritt.
Wie Gleichung (5) zeigt, ist dies
entscheidend vom Kraftangriffswinkel
abhängig. Die
Drehrichtung einer am Faden
gezogenen Garnrolle kann sich
bei gleicher Richtung der ziehenden
Kraft dadurch ändern,
dass sich der Angriffswinkel
der Kraft ändert [2]. Die Garnrolle
rollt auf den Ziehenden zu
oder von ihm weg, obwohl sich
an der Richtung der ziehenden
Kraft nichts geändert hat. Liegt in der Nähe von 0°, können leicht
negative Winkel (Rückdehnung der Schülpe) kurzzeitig auftreten,
damit wird sin negativ und somit das Drehmoment (T) negativ.
T
= F⋅r⋅sinα
Für den normalen Betriebsfall der Hochdruckwalzenpresse mit
stabiler Schülpenbildung und kontinuierlicher Beschickung mit
Aufgabegut gelten die Beziehungen von Bild 9.
Für den Fall des nur teilweise mit Schülpe (Aufgabegut) gefüllten
Spaltes gelten andere Verhältnisse. Wie zu beobachten ist,
kann es bei der gedrosselten Beschickung zum sogenannten
„Verhungern“ des Arbeitsspaltes kommen. Die Schülpenbildung
setzt kurzzeitig aus. Man muss davon ausgehen, dass in diesen
Fällen im Arbeitsspalt unterhalb des mittleren Einzugswinkels
kurzzeitig der Druck für eine Schülpenbildung nicht ausreicht,
und das feinkörnige Gut aus dem Spalt herausfällt. Das entsteht
bei einer Fahrweise, die durch Drosselung der Aufgabemenge
den Kraftangriffswinkel klein hält. Wird die Aufgabemenge
größer, weil die Dosierung nicht konstant ist oder weil das Aufgabegut
Einzelkörner enthält, die sehr viel größer als das mittlere
Korn sind, dann wandert der Kraftangriffspunkt „A“ – wie in
Bild 10 gezeigt – in Richtung größerer Kraftangriffswinkel. Das
führt zu einer Richtungsumkehr des Drehmomentes und zum
Schließen des Arbeitsspaltes. Da sich die angreifende Kraft für
Bild 8: Krafteinleitung und Drehmomentverlauf für den Arbeitsspalt
einer Hochdruckwalzenpresse für einen mittleren µ-Faktor
= 0,095 Beispiel F spcf = 6000 kN/m 2 ; A spcf =1m 2
Fig. 8: Force input and torque curve for the working gap of a high
pressure roll press for a mean µ factor = 0.095 Example F spcf =
6000 kN/m 2 ; A spcf = 1 m 2
space between the rolls is,
however, kept low, even slight
changes in the rate of the material
feed to the machine result
in large changes in the µ factor
(i.e. in the torque). The reason
for this is a change in the gradient
of the characteristic curve
(Figs. 7 and 8).
7. Generation of Negative
Torques
Torque vibrations with amplitudes
exceeding the positive
range of the torque [7, 8, 12, 13,
14] cause serious problems.
How can a reversal in the direction
of the torque in connection
with a reversal in the direction
of rotation be explained. As
Eq. (5) shows, the direction of the torque is crucially dependent on
angle of force application. As described in physics textbooks, the
direction of rotation of a bobbin of thread pulled by the thread can
change even though the direction of the pulling force has not been
changed. This change in the rotational direction of the bobbin is
caused by a change in the angle of the force application. The bobbin
of thread rolls towards or away from the person pulling the
thread although the person has not changed the direction in which
he is pulling the thread. If lies near 0°, slightly negative angles
(elastic relaxation of the flakes) can occur for a short time and thus
sin and therefore also the torque (T) become negative
T
= F⋅r⋅sinα
For the normal operation of a high-pressure roller press with stable
flake formation and a continuous supply of feed material, the
relationships in Fig. 9 apply.
Other relationships apply if the gap is only partly filled with
flakes (feed material). As can be observed, a choked feed can
lead to „starvation“ of the gap. Flake formation stops for a short
time. It must be assumed in these cases that the pressure applied
in the gap below the mean draw-in angle is temporarily insufficient
to enable the formation of flakes and the fine-grained material
simply falls out of the gap. This can happen in an operating
mode that keeps the angle of force application small by choking
the feed. If the feed rate increases, because metering of the mate-
F tg =F t·sin
F tg = Kraftkomponente der
Presskraft, die zur
Drehmomenterzeugung
einen Beitrag
liefert./Force component
of the press force, which
contributes to the generation
of the torque.
F 1 = Presskraft/Press force
= Kraftangriffswinkel/ Angle
of force application
A = Drehpunkt für Koordinationssystem
fest im Gut
(bewegt)/Centre of rotation
of the coordinate system
fixed in the product
(moved)
M= Drehpunkt der Walze/
Centre of the roll
rotation
F f tg = F f tg1 +F f tg2
F f tg1 = erzeugt negatives
Drehmoment/generates
negative torque
F f tg2 = erzeugt positives
Drehmoment/generates
positive torque
F f
= F t1+F t2 Presskraft
= Kraftangriffswinkel/Angle
of force application
A = Drehpunkt/Contre of
rotation
Bild 9: Drehmomenterzeugung bei kontinuierlicher Beschickung
und Abstützung der Walzen im Mahlgut (in der Schülpe)
Fig. 9: Development of the torque with continuous feed and support
of the rolls in the product (the flakes)
Bild 10: Drehmomenterzeugung bei diskontinuierlicher Beschickung
und Abreißen der Schülpenbildung
Fig. 10: Generation of the torque with intermittent feed and interruption
in the flake formation
AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8 29

diesen Fall durch Addition der Vektoren der Teilkräfte F f tg= F f tg1 +
F f tg2 ergibt, kann F f tg2 = 0 werden, dann beträgt das Gegenmoment
F f tg= F f tg1 = F t · sin .
Dieses Gegenmoment dreht die Walzen rückwärts. Das erklärt,
weshalb Hochdruckwalzenpressen besonders bei An-und Abfahrprozessen
oder bei gedrosselter Aufgabegutmenge zu Vibrationen
(Schwingungen) neigen. Das Auftreten negativer Drehmomente
ist auch mit der Kraftverteilungsfunktion zu erklären. Bild 11 zeigt
den Fall, dass die Schülpenbildung bei einem Winkel von 4°
(0,07rad) aussetzt und der Spalt leer wird. Die Integration der
Kraftverteilungsfunktion (F/F max ) erfolgt vom Punkt 4° auf der
Abzisse und ergibt negative Werte für den Bereich < 4° und positive
Werte für den Bereich > 4°.
T = = ∫ F ( )⋅ d
=0,
020
1
T = = ∫ F ( )⋅ d
= −0,
075
2
2
007 ,
0
007 ,
N
N
Das Drehmoment T 2 ist das bestimmte Integral von 0,07 (4°) bis
0 und ist negativ. T 1 ist positiv. Das resultierende Drehmoment ist
wegen /T 1 />/T 2 / negativ.
T = T 1 +T 2
Für das Beispiel beträgt T = –0,055 für F spcif = 6000kN/m 2 und
D = 1m folgt:
T = -330 kNm.
rial is not constant or because the feed material contains single
particles that are very much larger than the mean particle size, the
point of force application “A” shifts towards larger angles of force
application. That means that the force is applied as shown in Fig.
8. This leads to a reversal of the torque direction and closing of
the gap. As the applied force in this case results from the addition
of the vectors of the force components F f tg= F f tg1 + F f tg2 can
become equal to zero, and then the countertorque is F f tg= F f tg1=
F t · sin .
This countertorque causes the rolls to rotate backwards. That
explains why high-pressure roller presses tend to suffer vibrations
particularly during start-up or shutdown or with a choked feed rate.
The occurrence of negative torques can also be explained with the
force distribution function. Fig. 11 shows the case of flake formation
stopping at an angle of 4° (0.07 rad) and the gap being emptied.
The force distribution function (F/F max ) is integrated from
point 4° on the x-axis and results in negative values for the range
< 4° and positive values for the range > 4°.
T = = ∫ F ( )⋅ d
=0,
020
1
T = = ∫ F ( )⋅ d
= −0,
075
2
2
007 ,
0
007 ,
N
N
The torque T 2 is the definite integral from 0.07 (4°) to 0 and is negative.
T 1 is positive. The resulting torque is negative on account of
/T 1 />/T 2 /.
T = T 1 +T 2
For the example, T = –0.055, for F spcif = 6000 kN/m 2 and D = 1 m
it follows:
Bild 11: Drehmomenterzeugung (Kurve INT (F/Fmax) bei nichtkontinuierlicher
Beschickung und Abreissen der Schülpenbildung
bei 4°
Fig. 11: Generation of the torque (curve INT (F/Fmax) with intermittent
feed and interruption of flake formation at 4°
Lubjuhn [11] hat für die Funktion der Kraft in Abhängigkeit
vom Drehwinkel gefunden, dass infolge von Rückdehnungen der
Schülpe negative Drehwinkel möglich sind. Bild 12 zeigt einen
angenommenen Verlauf der dimensionslos gemachten Kraft als
Funktion des Drehwinkels unter Beachtung von Rückdehnungen
der Schülpe.
Bild 13 zeigt den zugehörigen Drehmomentverlauf. Auch hier
besteht die Möglichkeit des Auftretens negativer Drehmomente,
wenn der Arbeitsspalt nur gering gefüllt ist (sogenannter „verhungerter“
Spalt). Die Gefahr, dass negative Drehmomente beim
„Verhungern“ des Spaltes auftreten, wird um so wahrscheinlicher,
je größer der Wert der Rückdehnung ist. Im dargestellten Fall tritt
ein Blockieren der Walzen bei einer Füllung des Arbeitsspaltes
Bild 12: Kraftverteilung für den Fall des Auftretens von Schülpenexpansion
(Rückdehnung: Funktion beginnt bei negativen Winkeln.)
Fig. 12: Force distribution when flake expansion occurs (elastic
relaxation: function begins at negative angles)
T = -330 kNm.
For the function of the force dependent on the angle of rotation,
Lubjuhn [11] has found that the elastic relaxation of the flakes can
lead to negative angles of rotation. Fig. 12 shows an assumed curve
of the dimensionless force as a function of the angle of rotation
with allowance for the elastic relaxation of the flakes.
Fig. 13 shows the associated torque curve. Here too, negative
torques may result if the gap is only filled with a small quantity
of material (“starved” gap). The danger of the occurrence of
negative torques during starving of the gap becomes all the
30 AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8

unter etwa 1,5° ein. Die Walzen
werden mit einem Drehmoment
von T = –120 kNm (F spcif
= 6000kN/m 2 und D = 1m) in
die Gegenrichtung gedreht,
wenn der Arbeitsspalt bis zu
seiner engsten Stelle entleert
wird.
Es existieren zwei instabile
Bereiche für den Antrieb:
• Entleeren des Arbeitsspaltes,
beginnend von der Eintragsseite
durch zu geringe Beschickung.
• Entleeren des Arbeitsspaltes,
beginnend von der Austragsseite
durch Instabilität der
Schülpe.
In Bild 14 ist dargestellt, wie
das Gesamtdrehmoment (T1 +
T2) abnimmt, wenn der Spalt
bei Winkeln unterhalb des Aufstandpunktes
(A) entleert wird.
Für A soll ein µ-Faktor von
0,095 oder = 5,45° gelten.
Bild 13: Drehmomentverteilung für den Fall des Auftretens von
Schülpenexpansion (Rückdehnung: Funktion bei negativen Winkeln.)
Fig. 13: Torque distribution when flake expansion occurs (elastic
relaxation: function begins at negative angles)
Im Schrifttum werden Vibrationen (Schwingungen) der Hochdruckwalzenpressen
auf Torsionsschwingungen des Antriebssystems
zurückgeführt. Das ist zweifellos so, erklärt aber nicht, wie die
für jede Schwingungserzeugung notwendigen Kraftstöße erzeugt
werden. Der E-Motor spannt die Torsionsfeder (Antriebswellen)
vor. Bei einem Aussetzen der Beschickung und sich langsam entleerendem
Spalt müsste es zu einer Beschleunigung der Drehzahl
kommen, da die Torsionsspannung in Richtung des Antriebsmomentes
wirkt. Das Gegenteil tritt ein. Zunächst fällt das Drehmomore
probable the larger the
value for the elastic relaxation
of the flakes is. In the case
described (Fig. 13), the rolls
become locked at a gap filling
below around 1.5°. The rolls
are rotated at torques of T =
–120 kNm (F spcif = 6000
kN/m 2 und D = 1 m) in the
opposite direction when the
gap is emptied to its narrowest
point.
There are two unstable
ranges for the drive:
• emptying of the gap beginning
from the draw-in side as
a result of an excessively low
(choked)feed rate.
• emptying of the gap beginning
from the discharge side
as a result of flake instability.
Fig. 14 shows how the total
torque (T1 + T2) decreases
when the gap becomes empty
at angles below the contact
point (A). A µ factor of 0.095 or = 5.45° should apply for A.
In the literature, vibrations of the high-pressure roller presses
are attributed to the torsional vibrations of the drive system.
Although this is doubtlessly the case, it does not explain how the
impulses necessary to excite each vibration are generated. The
electric motor pre-loads the torsion springs (drive shafts). If the
material feed is stopped and the gap between the rolls slowly empties,
the speed should accelerate as the torsional stress acts in the
direction of the driving torque. The opposite happens. First the
STC
Narlin
AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8 31

Bild 14: Drehmomenterzeugung bei diskontinuierlicher Beschickung
in Abhängigkeit vom Winkel des Abreißpunktes der
Schülpenbildung.
Fig. 14: Generation of the torque with intermittent feed as a function
of the angle of the point of interruption in flake formation
ment ab (fallender Trend) und erst dann treten Schwingungen mit
Backlash auf. Dabei zeigen die Walzen kurzzeitige Stillstände in der
Drehbewegung und bei schweren Vibrationen ein kurzes Rückwärtsdrehen
an. Ein Rückwärtsdrehen – hervorgerufen durch Torsionsspannungen
des Antriebes – kann nur erfolgen, wenn die
Kupplung wegen Überlast auslöst. Das führt aber zu keinen
Schwingungen.
Einen anderen Fall von Schwingungen beschreibt Schmitz [10].
Dieser Fall tritt bei der Feinmahlung auf. Nach eigenen Beobachtungen
verläuft die Entwicklung der Schwingung in diesem Fall
wie folgt:
Mit feiner werdendem Aufgabegut, z. B. bei der Teilfertigmahlung
durch Steigerung der Sichterdrehzahl, wird der µ-Faktor
zunächst größer und die Dicke sowie die Dichte der Schülpe
(Spalt) nehmen zu. Kann die Schülpe der erhöhten Belastung nicht
mehr standhalten, z. B. durch Lufteinschlüsse oder weil sie zu dick
geworden ist, dann ist im Bereich des engsten Abstandes der Walzen
(Punkt B, Bild 1) keine Gegenkraft zur Auflagekraft F A vorhanden,
und die Drehrichtung der Walze wechselt in die Gegenrichtung.
Es kommt zum Kraftstoß und die Schwingung wird ausgelöst.
Bild 15 zeigt den Karftverlauf im Arbeitsspalt und den
zugehörigen Drehmomentverlauf für unterschiedliche Abreißpunkte
der Schülpenbildung. Für Abreißwinkel >3° gibt es kein
positives Drehmoment.
8. Schlussfolgerungen
Für das Verhindern der oben beschriebenen negativen Betriebszustände
von Hochdruckwalzenpressen ergeben sich Forderungen
an die Betriebsweise und die Ausrüstung von Anlagen zur Zerkleinerung,
die mit Hochdruckwalzenpressen arbeiten.
Die Beschickung der Hochdruckwalzenpresse muss regelbar
sein. Einerseits muss stets soviel Gut zugeführt werden, wie der
Walzenspalt zu jedem Zeitpunkt entsprechend der zeitlich veränderlichen
Einzugsbedingungen benötigt, und andererseits müssen
die Einzugsbedingungen beeinflusst werden können. Das gilt
besonders für An- und Abfahrprozesse und für Betriebszustände,
die zu sehr dicken und dichten Schülpen bei feinkörnigem Aufgabegut
führen. Die Veränderung der Walzendrehzahl kann nur
den Durchsatz beeinflussen. Die elektrische Leistungsaufnahme
verändert sich dann proportional zum Durchsatz. Das Drehmoment
wird dabei nicht verändert und somit besteht auch kein Einfluss
auf die Einzugsbedingungen. Regelungskonzepte, die von
einer Drehzahlbeeinflussung ausgehen, können keinen Erfolg
haben. Größte Bedeutung kommt der Wahl der spezifischen Presskraft
zu, da sie einen Einfluss auf den Kraftangriffswinkel, das
Drehmoment und die maximale Presskraft im Spalt hat. Durch die
Wahl der spezifischen Arbeitsfläche der Walzen wird durch den
Bild 15: Drehmomenterzeugung bei nichtkontinuierlicher Beschickung
und Abreißen der Schülpenbildung (Parameter: Winkel
des Abreißpunktes)
Fig. 15: Generation of the torque with intermittent feed and interruption
in flake formation (parameter: angle of the point of interruption)
torque decreases (falling trend) and only then do vibrations with
backlash occur. The rolls temporarily stop rotating and, if the
vibrations are very strong, they may even rotate backwards for a
short time. A reversed rotation can only be caused by torsional
stresses of the drive if the clutch releases as a result of overload.
This does not lead to any vibrations.
Schmitz [10] describes another instance of vibrations. These are
generated during fine grinding. According to the author’s own
observations, in this case the vibrations develop as follows:
With increasingly fine feed material, e.g. during semi-finish
grinding based on a higher classifier speed, the µ factor initially
becomes larger and the thickness of the flake (gap) increases; the
density of the flake increases at the same time. If the flake is no
longer able to withstand the increased load, e.g. owing to
entrapped air or because it has become too thick, then in the region
of the narrowest distance between the rolls (point B, Fig. 1) there
is no force to counter the load pressure FA, and the direction of
roll rotation reverses. This results in an impact force and a vibration
is excited. Fig. 15 shows the pattern of force in the working gap
and the associated torque curve for different points of interruption
in flake information. For interruption angles >3°, there is no positive
torque.
8. Conclusions
To prevent the negative operating states of high-pressure roller
presses described above, the operation and equipment of comminution
plants incorporating high-pressure roller presses must
meet certain requirements.
The feed to the high-pressure roller press must be controllable.
On the one hand, as much material must always be supplied to the
gap as this requires at each point in time depending on the changing
material draw-in conditions. On the other hand, it must be possible
to influence the material draw-in conditions. This applies particularly
to the start-up and shutdown phases as well as operating
modes that lead to very thick and dense flakes when the press is
handling fine-grained feed material. Changing the speed of the
rolls can only influence the throughput rate. The electric power
consumption then changes proportionally to the throughput rate.
The torque is not changed in this process and therefore the conditions
of the draw-in the feed material are not influenced. Control
concepts based on influencing operation by adjustment of the
speed of the rolls cannot be successful therefore.
The selection of the specific press force is of the greatest importance,
as this influences the angle of force application, the torque
and the maximum press force in the gap. By selection of the specific
working surface of the roll, the suppliers also define the specific
press force. Design errors here are paid for with machine
32 AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8

Lieferanten auch die spezifische Presskraft vorgegeben. Fehlauslegungen
an dieser Stelle gehen mit Betriebstörungen und Verschleiß
einher. Die Einstellung der spezifischen Presskraft im laufenden
Betrieb sichert auch bei sich ändernden Einzugsbedingungen
einen störungsarmen Ablauf. An- und Abfahrprozesse
benötigen eine entsprechende automatische Steuerung, um die
beschriebenen stoßförmigen Belastungen zu verhindern. Diese
Forderungen lassen sich heute mit den Mitteln der Automatisierungstechnik
lösen, wenn beachtet wird, das Echtzeitmesswerte
mit einer entsprechend hohen Messfrequenz zur Verfügung stehen
und verarbeitet werden.
Zusammenstellung der verwendeten Symbole
F t oder F Gesamtpresskraft
n Anzahl der Arbeitszylinder
A P wirksame Querschnittsfläche des Kolbens eines
Arbeitszylinders
P hyd Druck des Öls der Hydraulik
A spcf spezifische Arbeitsfläche der Walze
D Durchmesser der Walze
B Arbeitsbreite der Walze
F specf spezifische Presskraft
F N Normalkraft
F N normierte Kraft (F/F max)
F tg Tangentialkraft
F f N1, F f N2 Teilkräfte für die Normalkraft für
jede Walze
F f tg1, F f tg2 Teilkräfte für die Tangentialkraft für jede Walze
F f Nx1, F f Nx2 X-Komponente der Normalkraft für jede Walze
F f Ny1, F f Ny2 Y-Komponente der Normalkraft für jede Walze
F f tgx1, F f tgx2 X-Komponente der Tangentialkraft für jede Walze
F f tgy1, F f tgy2 Y-Komponente der Tangentialkraft für jede Walze
F Z vertikale Kräfte am Punkt A (Zugkraft)
horizontale Kräfte am Punkt A
F A
breakdowns and wear. Adjustment of the specific press force during
ongoing operation of the roller press ensures a low breakdown
rate even with changing material draw-in conditions. Start-up and
shutdown processes require appropriate, automatic control to prevent
the impact loads described above. These requirements can
now be met with automatization systems, providing real-time measured
values are obtained with a sufficiently high measurement frequency
and processed accordingly.
List of Symbols Used
F t or F total press force
n
number of working cylinders
A P effective cross-sectional area of the piston of a working
cylinder
P hyd pressure of the oil in the hydraulic system
A spcf specific working area of the roll
D
diameter of the roll
B
working width of the roll
F specf specific press force
F N normal force
F N normalized force (F/F max)
F tg tangential force
F f N1, F f N2 force components for the normal force for each
roll
F f tg1, F f tg2 force components for the tangential force for each
roll
F f Nx1, F f Nx2 X component of the normal force for each roll
F f Ny1, F f Ny2 Y component of the normal force for each roll
F f tgx1, F f tgx2 X component of the tangential force for each roll
F f tgy1, F f tgy2 Y component of the tangential force for each roll
vertical forces at point A (torque)
F Z
Jöst
Füller/Adress Check
AUFBEREITUNGS TECHNIK 44 (2003) Nr. 8 33

GF Grip Force = Tangentialkraft
F tg Tangentialkraft
M Mittelpunkt der Walze
Kraftangriffswinkel
R, r Radius der Walze
B Punkt des geringsten Abstandes der Walzenoberflächen
voneinander
A Punkt des Kraftangriffs
P Leistungsaufnahme
T Drehmoment
T eff gemessenes Drehmoment zur Zeit t
T max maximal theoretisch mögliches
Drehmoment, wenn µ=1
T n normiertes Drehmoment (D = 1m und
Integral der Funktion (F/F max ) nach d
Kreisfrequenz der Rotation der Walze
µ sin des Angriffswinkels
F(..) Funktion von ...
Umfangsgeschwindigkeit der Walzen
max Winkel, für den die Normalkraft den
Maximalwert erreicht
=
Schrifttum / References
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Kalk-Gips 33 (1980) Nr. 5, S. 213/218
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(1996) Nr. 2, S. 61/67
F A
horizontal forces at point A
GF grip force = tangential force
F tg tangential force
M mid-point of the roll
angle of force application
R, r radius of the roll
B
point of the smallest distance between the roll surfaces
A
point of force application
P
power consumption
T
torque
T eff torque measured at time t
T max maximum theoretical torque when µ=1
T n normalized torque (D = 1 m and integral of the
function (F/F max )) after d
angular frequency of the roll rotation
µ sin of the angle of force application
F(..) function of ...
circumferential speed of the rolls
max angle for which the normal force reaches the maximum
value
=
[10] Schmitz, Th.: Modellierung der Zerkleinerung in der Gutbett-
Walzenmühle und Verknüpfung mit dem Schüttgutverhalten
zur Voraussage kritischer Betriebszustände, Dissertation, TU
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Verfahrenstechnik Nr. 298, Düsseldorf, 1992
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und einer Gutbettwalzenmühle Dissertation, TU Clauthal,
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Schwingungsbedämpfung in Antriebskomponenten mechanisch-elektrischer
Systeme – Teil 2: Durchführung und Beurteilung
der Versuche, VDI-Berichte Nr. 1220, 1995
[14] Beck, H.-P. u. Kayser, H.: Lastkollektivminimierung durch
aktive Schwingungs Bedämpfung in Antriebskomponenten
mechanisch-elektrischer Systeme – Teil 1: Theoretische
Untersuchungen, Regelkonzepte und Prüfstandsentwicklung,
VDIBerichte Nr. 1220, 1995
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