Kraftverteilung im Arbeitsspalt von Hochdruck ... - Bauverlag

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