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40 VERFAHRENSTECHNIK & OPTIMIERUNG FACHBEITRAG
Schüttgut in Bewegung
Druckluft-Kolbenvibratoren als gewichts- und energiesparender Antrieb
für Unwuchtrinnen
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Für leichte Schüttgut-Förderrinnen
zur Überwindung großer
Distanzen gibt es schwerwiegende
Gründe, von den
üblicherweise eingesetzten,
bis zu 17 kg schweren
Elektro-Unwuchtantriebe auf
Druckluft-Kolbenvibratoren
umzusteigen. Die kleinste
Version bringt gerade mal
90 g auf die Waage. Erkennen
diese darüber hinaus selbständig
die Resonanzfrequenz
des Fördersystems,
kommen die Vorteile der
Leichtgewichte erst richtig Der kleinste Druckluft-Kolbenvibrator NTK 8 AL mit Schwinggewichten würde bei einem 0,5 kg schweren Rinnentrog
zum Tragen. Fördergeschwindigkeiten
bis 40 m/min. sind mit einem solchen Fördersystem durchaus erzielbar.
mit 6 mm Schwingbreite die sechsfache Erdbeschleunigung erzielen.
KLAUS-RÜDIGER BOCHBERG
Dipl. Ing. KLAUS-RÜDIGER BOCHBERG
ist Abteilungsleiter Anlagenbau bei
Netter in Mainz-Kastel
KONTAKT
T +49/6134/2901-34
p&a-info@netter.de
I
n der Förder- und Siebtechnik ist
der Einsatz von vier- oder sechspoligen
Elektro-Unwuchtantrieben
mit Drehzahlen von 1500 bis
1000 Schwingungen pro Minute allgemein üblich.
Wegen ihres hohen Eigengewichtes können
solche Antriebe für leichte oder lange Förderrinnen
jedoch nicht eingesetzt werden. Für Dauerbetrieb
ausgelegte Ausführungen wiegen bei
vier-poligen Elektro-Vibratoren mindesten 5 kg,
bei sechs-poligen sogar mindestens 17 kg. Um
gerichtete Schwingungen zu erzeugen, sind jeweils
zwei Geräte erforderlich. Das Antriebsgewicht
beträgt dann das Doppelte: 10 bzw. 34 kg
– zu schwer für leichte Rinnen.
Diese Lücke wird durch niederfrequente Druckluft-Kolbenvibratoren
geschlossen. Der kleinste
Kolbenvibrator aus der Netter Baureihe NTK
wiegt nur 90 g. Davon werden 60 g (Gehäusegewicht)
dem Rinnentrog zugeordnet.Mit einem zusätzlichen
Gewicht (am Kolben festgeschraubt)
würde dieses Gerät einen 0,5 kg schweren Rinnentrog
mit einer Schwingbreite von 6 mm bewegen
und die sechsfache Erdbeschleunigung
erzielen.
Neu ist der Einsatz von Netter-Druckluft-Kolbenvibratoren,
die sofort die Eigenfrequenz von
federgelagerten Systemen erkennen und sich automatisch
auch bei unterschiedlichen Belastungen
auf deren Resonanzfrequenz einstellen.
P&A Mai 2005

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Bei Brutal-Force-Rinnen zwingt die Kraft des Antriebs den Trog in die
Antriebsfrequenz.
Resonanzrinnen zeichnen sich durch eine deutliche Schwingbreitenvergrößerung
aus.
Grundlagen
Für den Antrieb von Abzugs-, Förder- und Siebrinnen
werden gerichtete Schwingungen benötigt.
Die Richtung dieser Schwingungen wird
durch die Neigung des Vibrators zum Trogboden
bestimmt. Neigungen von 20° bis 40° sind üblich.
Das Fördergut wird in diesem Winkel angestoßen
und bewegt sich in einer Wurfparabel weiter.
Durch die Wahl des richtigen Winkels kann die
Fördergeschwindigkeit optimiert werden.
Die Fördergeschwindigkeit ist natürlich auch
abhängig von Schwingbreite und Frequenz. Sind
höhere Förderleistungen gefragt, wählt man deshalb
größere Schwingbreiten bei niedrigeren
Frequenzen. Hierdurch werden Eigenschwingungen
und Schwingungsknoten insbesondere
in leicht gebauten Konstruktionen vermieden.
Leichte Förderrinnen ermöglichen also größere
Schwingbreiten und dadurch höhere Förderleistungen.
Außerdem ist ihre Herstellung einfacher
und deshalb deutlich billiger und der Energieverbrauch
durch die kleineren Antriebe wesentlich
niedriger.
Um große Schwingbreiten zu erzielen, muss das
Unwuchtgewicht des Antriebs entsprechend
groß sein. Schwerere Kolben erhält man, indem
man diesen aus dem Gehäuse herausführt und
nach Bedarf zusätzliche Gewichte an den Kolben
anschraubt. Durch Ändern der Gewichte lassen
sich verschiedene Schwingbreiten erreichen. Der
Vorteil: Das Gehäuse und damit das Gewicht,
das den Rinnentrog belastet, bleibt weiter-
hin unverändert und damit klein und leicht.
Unwuchtrinnen können in zwei Gruppen eingeteilt
werden: so genannte Brutal-Force-Rinnen
sowie Resonanzrinnen.
Brutal-Force-Rinnen
Bei Brutal-Force-Rinnen wird der Rinnentrog
auf Schwingelementen wie zum Beispiel Gummipuffern
oder Druckfedern gelagert. Die Kraft
des Antriebs zwingt den Rinnentrog in dessen
Antriebsfrequenz. Die Schwingbreite des Trogs
hängt direkt vom Arbeitsmoment des Antriebs
und damit vom Kolbengewicht ab. Es ergeben
sich mittlere Fördergeschwindigkeiten bei durchschnittlichen
Luftverbrauchswerten.
Durch Drosseln der Abluft lässt sich die Schwingbreite
und damit die Fördergeschwindigkeit stufenlos
verkleinern. Auch feine Dosieraufgaben
lassen sich erfüllen. Da (von der Seite gesehen)
nur zwei Lagerstellen erlaubt sind, muss der Trog
umso biegesteifer sein, je länger er wird.
Resonanzrinnen
Bei Resonanzrinnen wird der Trog auf Blattfedern
gelagert. Die Schwingfrequenz entspricht
der Eigenfrequenz der Rinne. Die Bewegung in
Resonanz (=Verstärkung) führt zu einer deutlichen
Schwingbreitenvergrößerung. Der Vibrator
ist sowohl am Trog als auch am Untergestell
angeschraubt. Die Befestigung wird mit dem
Verbindungselement FlexiLink ausgeführt, um
die Bewegungsunterschiede des Trogs zum Rinnenuntergestell
auszugleichen und Querkräfte
auf den Kolben zu vermeiden.
Da der Vibrator fest montiert ist, arbeitet er
auch bei Laständerung immer in Resonanz.
Schwingungsverstärkung ist also immer gewährleistet.
Durch die Resonanz ist nur geringe
Energiezufuhr erforderlich. Es wird nur die
Energie benötigt, die zur Aufrechterhaltung der
Bewegung erforderlich ist (analog dem Pendel
einer Standuhr).
Das Gewicht des bewegten Teils (Troges) spielt
nur in der Startphase eine Rolle, um die erforderliche
Geschwindigkeit und Schwingbreite zu
erreichen. Der Druckluft-Kolbenvibrator startet
deshalb mit einem Druckstoß und arbeitet anschließend
bei geringem Druck und deshalb bei
niedrigem Luftverbrauch weiter. Die Vorteile
dieses Systems:
Erzielung großer Schwingbreiten (bis 20 mm)
bei niedriger Frequenz;
kostensparender Leichtbau bei geringem
Konstruktionsaufwand;
größte Fördergeschwindigkeiten bei niedrigem
Luftverbrauch.
Auslegung der Förderrinnen
Für die Auslegung der Förderrinnen hinsichtlich
Förderleistung und Rinnenquerschnitt ist zu
▲
Der Wurfwinkel ist abhängig von Schwingbreite und
Frequenz und wird durch die Blattfedern bestimmt.
Kontraproduktive Knotenbildung im Rinnentrog kann durch
Versteifung des Troges vermieden werden.
Ansteuerung und Regelung:Hohe Druckenergie ist nur zur
Beschleunigung der Trogmasse notwendig.
P&A Mai 2005
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Bezüglich Steifigkeit und Rinnenlänge ist zu beachten,
dass alle Stellen des Trogbodens, der das
Fördergut „wegwirft“, sich gleichmäßig in eine
Richtung bewegen müssen. Ist die Konstruktion
nicht steif genug, verformt sie sich unter der
Vibrationskraft. Gleichmäßige Förderung wird
erschwert. Besonders am Ort der Krafteinleitung
muss die Steifigkeit hoch sein.
Unangenehm ist es, wenn es zur Knotenbildung
kommt (Resonanzfrequenz des leichten Troges).
Das zu fördernde Schüttgut kann an diesen
Stellen liegen bleiben. Auch ist Rückwärtsfördie
nur eine Bewegungsrichtung zulassen, wird
der Trog an jeder Lagerstelle einheitlich in
Wurfrichtung angehoben. Der Wurfwinkel wird
also durch die Blattfedern bestimmt. Die Position
des Vibrators ist nur noch zweitrangig.
Schwingelemente aus Gummi oder Druckfedern
müssen grundsätzlich gleich belastet sein, um
gleichmäßige Förderung zuzulassen. Hier ist die
Kenntnis über die genaue Schwerpunktlage des
Troges unbedingt notwendig. In Resonanz erzeugen
diese Schwingelemente ungewollte und
störende Schwingungen. Deshalb muss die Antriebsfrequenz
weit höher als die Eigenfrequenz
der Lagerung sein. Das gilt natürlich nur für
Brutal-Force-Rinnen.
Förderrinne mit Druckluft-Kolbenvibrator.
beachten, dass zuerst die Förderhöhe des Produkts
ermittelt werden muss. Sie ist abhängig
von den Produkteigenschaften, von Frequenz,
Schwingbreite und Beschleunigung. Bei niedrigerer
Frequenz und größerer Schwingbreite ist
eine größere Förderhöhe möglich. Granulat und
stückiges Material kann in dickerer Schicht gefördert
werden.
Die gewünschte Förderleistung hängt ab von der
Fördergeschwindigkeit und dem Rinnenquerschnitt:
Q = Förderleistung [m 3 /h],
b = Breite [m],
h = Förderhöhe [m],
v = Fördergeschwindigkeit [m/h]
(1)
derung möglich. Abhilfe schafft eine Versteifung
des Trogs oder die Reduktion der Vibrationsfrequenz,
um den Abstand der Knoten zu verlängern.
Je länger eine Rinne wird, desto größer werden
natürlich die Anforderungen an die Biegesteifigkeit.
Der Trog wird überproportional schwer und
damit auch die bewegte Masse. Der Antrieb muss
entsprechend groß ausgelegt werden und wird
damit auch teurer. Ziel muss es sein, das Rinnengewicht
niedrig zu halten. Erreicht wird das,
indem der Trog durch mehrere Blattfeder-Lagerstellen
abgestützt wird. Der Trog kann sich nicht
mehr durchbiegen, auf große Steifigkeit kann
überwiegend verzichtet werden. Die Kosten des
Stahlbaus werden minimiert. Da die Blattfedern
die Bewegungsrichtung bestimmen, kann der
Druckluft-Kolbenvibrator auch an der Stirnseite
waagerecht befestigt werden. Seine Antriebskraft
wird längs zum Trogboden eingebracht und leitet
dadurch kein Biegemoment ein.
Ein weiterer Faktor bei der Förderrinnen-Auslegung
ist der Wurfwinkel. Der Rinnentrog muss
das zu fördernde Produkt in Förderrichtung werfen.
Dieser Wurfwinkel hängt unter anderem von
der Beschleunigung ab, welche aus Schwingbreite
und Frequenz errechnet wird.
Wird der Trog auf Druckfedern gelagert, muss
die Kraftrichtung des Vibrators, der im Wurfwinkel
befestigt sein muss, durch den Rinnenschwerpunkt
gehen. Nur so werden alle Stellen
des Trogs gleichmäßig in Wurfrichtung angehoben.
Problemlos ist die Abstützung durch
Blattfedern. Durch die Form dieser Elemente,
Resonanz und Leistung
Wird Resonanz – wie beim Netter-System, bestehend
aus Blattfedern, Druckluft-Kolbenvibrator
und Verbindungselement FlexiLink – richtig
eingesetzt, wird die Leistung einer Förderrinne
vervielfacht, ohne die Energiezufuhr oder Leistungsstärke
des Antriebes zu erhöhen. Ein solches
System arbeitet auch bei Lastwechsel immer
in Resonanz.Übliche Frequenzen sind 600 Schwingungen
pro Minute bei Schwingbreiten von 10 bis
20 mm. Dadurch können sich Fördergeschwindigkeiten
bis 40 m/min. ergeben.
Der Luftverbrauch des Systems hängt von der
Schwingfrequenz und der eingestellten Schwingbreite
ab und ist deshalb veränderlich. Die genannten
Verbräuche gelten in diesem Fall für hohe
Fördergeschwindigkeiten. Bei langsamerer
Förderung sinken die Verbräuche deutlich.
Ansteuerung und Regelung
Kraft und damit Druckenergie ist nur für den
Start erforderlich, um die träge Trogmasse zu beschleunigen.
Durch die Resonanz tritt sofort eine
Schwingbreitenverstärkung ein. Zur Aufrechterhaltung
dieser Schwingbewegung ist dann nur
noch verminderter Luftdruck erforderlich. Bei
allen Rinnen mit Druckluft-Kolbenvibratoren
kann die Schwingbreite und damit die Fördergeschwindigkeit
durch Drosseln der Abluft
stufenlos verstellt werden. ■
Luftverbrauch in [l/min] in Abhängigkeit von Frequenz und Schwingbreite:
Typ Trog [kg] Betriebs- Frequenz Schwing- Luftverbrauch
druck [bar] [min -1 ] breite [mm] [l/min]
NTK 18 AL 10 4 660 7 23
NTK 25 AL 12 4 642 19 62
NTK 40 AL 78 4 576 11 108
NTK 55 NF 150 4 570 10 222
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