Kraftverteilung im Arbeitsspalt von Hochdruck ... - Bauverlag

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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
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Seite 5 und 6: 3. Berechnung der Leistungsaufnahme
Seite 7 und 8: ergibt und für max der Winkel zwi
Seite 9 und 10: diesen Fall durch Addition der Vekt
Seite 11 und 12: Bild 14: Drehmomenterzeugung bei di
Seite 13: GF Grip Force = Tangentialkraft F t

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