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Zentrifuge zu-na Entwässern von feinkörnigen Gut, insbesondere von
Grobschlamm Die Erfindung bezieht sich auf eine Entwässerungszentrifuge für feinkörniges
Gut mit einer umlaufenden und gleichzeitig in Achsrichtung schwingenden, oben offenen
Siebtrommel. Diese ist besonders für eine Entwässerungszentrifuge für Grobschlamm
geeignet, d. h. für eine Zentrifuge, die eine im Durch-Tnesser verhältnismäßig kleine
und mit hoher Drehzahl umlaufende Siebtrommel besitzt.
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Gemäß der Erfindung wird eine derartige Zentrifuge wesentlich dadurch
verbessert, daß die Siebtrommel axial federnd mit einer zentralen umlaufenden Welle
in Verbindung steht, die ihrerseits axial federnd im Maschinengestell gelagert ist,
und daß die Welle mit einer Einrichtung zur Erzeugung von axialen Schwingungen mit
einer solchen Frequenz -: ersehen ist, daß die Schwingungen annähernd in Resonanz
erfolgen. Auf diese Weise erhält man eine Zentrifuge, die ein System aus zwei gegeneinander
schwingenden Massen, nämlich der Siebtrommel als Nutzmasse und der Siebtrornmelwelle
mitsamt allen :nit ihr schwingenden Teilen als Gegenmasse, aufweist. Dabei kann
man die Siebtrommel so ausbilden, daß sie eine wesentlich geringere Masse als die
Gegenmasse besitzt. In diesem Fall schwingt die (je,)enriasse mit sehr kleinen Amplituden,
die sogar zu Null werden können, während die Siebtrommel Schwingungen mit großen
Amplituden ausführt. Hierdurch wird einmal der Vorteil erzielt, daß bei kleiner
Antriebsleistung für die Schwingbewegung die Siebtrommel hohe Schwingbeschleunigungen
erfährt, wodurch ein gutes Austragen des entwässerten Gutes aus der Trommel gewährleistet
ist, und zum rinderen, daß die Massenkräfte, die aus den Schwingbewegungen herrühren
und von den Lagern für die Siebtrommelwelle aufgenommen werden müssen, klein sind,
wodurch man zu niedrigen und daher zu betriebssicheren Lagerbeanspruchungen kommt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Abb. 1 eine Zentrifuge gemäß der Erfindung im mittleren Längsschnitt,
Abb. 2 einen Grundriß hierzu, Abb. 3 einen Schnitt nach der Linie E-F in Abb. 9.,
Abb. 4 einen Schnitt nach der Linie M-N in Abb. 1 und Abb. 5 ein Resonanz-Schaubild.
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Die Zentrifuge besitzt eine oben offene Siebtrommel 1 mit dem Boden
2 und einem kegelförmigen, mit Löchern von. etwa 0,15 mm Durchmesser versehenen
Siebmantel 3, dessen Erzeugende gegen die Trommelachse C-D eine Neigung von
etwa 15° aufweist. Vorteilhafterweise ist die Siebtrommel am oberen Ende mit einem
nach außen vorstehenden Flansch 37 versehen. Ihr Durchmesser beträgt, in halber
Höhe gemessen, beispielsweise etwa 400 mm (mittlerer Durchmesser) und ihr Gewicht
etwa 20 kg. Der Boden 2 «reist, wie aus Abb. 1 zu erkennen, eine zentrale Öffnung
80 auf. Durch diese ragt das untere Ende einer Welle 81 hindurch, welche aus drei
aneinander geflanschten Strängen 82, 83 und 84 besteht. Um an Gewicht zu sparen,
sind die einzelnen Wellenstränge hohl ausgebildet. Am unteren Flansch 85 des Wellenstranges
83 ist ein Federteller 86 angebracht. Er ist am äußeren Rand mit Rippen 87 versehen,
welche einen kegelstumpfförmigen Leitkörper 88 tragen. Das untere Ende des Wellenstranges
84 weist einen Flansch 89 auf, an welchem ein Federteller 90 angeschraubt ist. An
den Federtellern stützen sich ringförmige Gummifedern 91 bzw. 92 ab, die, wie aus
Abb. 4 zu ersehen, konzentrisch zur Welle 81 liegen und den Siebtrommelboden 2 zwischen
sich einspannen. Jede Feder besitzt eine Federkonstante von etwa 250 bis 1500 kg/cm,
so daß die Gesamtfederkonstante aus den beiden Federn etwa 500 bis 3000 kg/cm beträgt.
Die Federteller weisen in der gezeichneten Mittelstellung der Siebtrommel einen
solchen Abstand vom Boden 2 auf, daß in dieser Stellung jede Feder etwas, z. B.
um 5 mm zusammengedrückt d. h. vorgespannt ist. Um die Lage der Federn zu sichern,
ist jeder Federteller mit einer Ausnehmung 93 bzw. 94 und der Boden mit Wülsten
95 bzw. 96 versehen.
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Die beiden Wellenstränge 82 und 83 sind mit den Flanschen 30 und 31
unter Einspannung einer Keilriemenscheibe 32 miteinander verschraubt. Der obere
Wellenstrang 82 ist in Scheibentonnenlager 5 und 6 drehbar, jedoch in axialer Richtung
unverschiebbar im Lagergehäuse 7 geführt. Die richtige Einstellung der beiden Lager
erfolgt durch eine Klemmschraube 8, welche in dem Gewindeloch 94 der Siebtrommelwelle
sitzt.
In die Klemmschraube ist, wie aus Abb. 1 zu ersehen, eine Kopfschraube 9 eingeschraubt,
und zwar so weit, daß diese mit ihrem unteren Ende auf den Boden des Gewindeloches
drückt. Hierdurch ist die Klemmschraube 8 gegen Lockern gesichert.
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Das Lagergehäuse ist am unteren Rand mit einem dreiarmig gestalteten
Flansch 10 (Abb. 3) versehen und hier mittels der Scheibe 38, in welcher eine Dichtung
39 untergebracht ist, gegen Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit geschützt. Der
Flansch ist an drei gleichmäßig verteilten Stellen zwischen je zwei zylindrischen
Gummifedern 11 und 12 eingespannt, die je eine Federkonstante von etwa 200 bis 400
kg/cm haben. Die Gesamtfederkonstante aller sechs Federn beträgt somit etwa 1200
bis 2400 kg/cm. Die Federn 11 stützen sich mit ihrer unteren Stirnfläche gegen eine
Platte 13 ab, welche auf der zylindrischen Außenwand 14 des Maschinengestells mittels
Schrauben 15 befestigt ist und eine mittlere Öffnung 66 zum Einführen der Welle
aufweist. Die oberen Stirnflächen der Gummifedern 12 finden ihr Widerlager an der
Decke 16 eines über die Federn gestülpten, unten offenen Kastens 17. Er ist, wie
aus Abb. 3 zu ersehen, ebenfalls dreiarmig derart ausgebildet, daß seine einzelnen
Arme 18, 19 und 20 reichlich Platz zur Aufnahme der Gummifedern und des Flansches
10 bieten. Während die beiden Arme 18 und 19 verhältnismäßig kurz gehalten sind,
ist der durch eine Querrippe 59 verstärkte Arm 20 so weit nach außen verlängert,
daß er über die Wand 14 des Maschinengestells hinausragt. Die Umfassungswände des
Kastens weisen an ihrem unteren Rand nach außen gerichtete Ösen 21 und 22 auf, mit
welchen der Kasten auf der Platte 13 verschraubt wird. Die Hölle der Umfassungswände
ist so bemessen, daß die Gummifedern beim Anschrauben des Kastens etwa: zusammengedrückt,
d. h. vorgespannt werden. Die Vorspannung kann durch Einfügen von Beilagen zwischen
den Flansch und die, Federn noch erhöht bzw. geregelt werden. Die Federn sind mit
einer axialen Bohrung 25 und die Decke 15 sowie der Flansch 10 und die Platte 13
mit entsprechenden, etwas in die Bohrungen 25 hineinragenden Zapfen 26 bzw. 27 versehen.
Hierdurch ist dafür gesorgt. daß die Federn während des Zusammenbaues ihre richtige
Lage bewahren. Aus Abb. 2 und 3 ist ferner zu ersehen, daß die Platte 13 innerhalb
der Lücken zwischen den einzelnen Kastenarmen sektorförmige Öffnungen 23 aufweist.
Diese Öffnungen bieten den Vorteil, daß die Siebtrommel durch sie zugänglich ist
und beobachtet werden kann.
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Die Riemenscheibe 32 stellt über drei Keilriemen 33
mit einem
Motor 34 in Verbindung, der an der Gestellwand 14 befestigt ist. Die Keilriemen
liegen innerhalb des Kastenarmes 20. der entsprechend breit bemessen ist. Das äußere
Ende des Armes ist mit einer Kappe 35 versehen, welche die Antriebscheibe 36 des
Motors umfaßt. Die Kappe schließt den Arm 20 nach außen ab, wodurch der Riementrieb
36. 33 und 32 vor Verschmutzung geschützt ist. Innerhalb des Armes 20. und zwar
in der Mitte zwischen den auflaufenden und ablaufenden Keilriemen 33, ist auf der
Platte 13 ein Steg 40 befestigt. An diesem ist das eine Ende einer im Querschnitt
kreisrunden Stabfeder (Torsionsfeder) 31 angebracht. die waagerecht und parallel
zur Symmetrielinie H-1 des Riementriebes liegt und mit ihrem anderen Ende mit dem
Flansch 10 verbunden ist. Die Stabfeder ist so stark bemessen, daß sie die aus dem
Riemenzug des Antriebes 36, 33 und 32 herrührende Kraft aufnimmt. Die Siebtrommelwelle
81 kann somit nicht durch den Riemenzug zum Motor hin verschoben werden.
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An dem Lagergehäuse ist ein zusätzliches Gehäuse 42 angeschraubt,
dessen Wände einen allseitig nach außen abgeschlossenen Raum 98 begrenzen. Das Gehäuse
42 stellt einen oberen Abschluß des Lagergehäuses 7 dar, so daß dieses auch an dieser
Stelle gegen das Eindringen von Schmutz oder Feuchtigkeit geschützt ist. In dem
Gehäuse 42 ist mittels der Rollenlager 43 eine Welle 44 geführt, welche parallel
zur Symmetrieebene HJ liegt. Sie trägt innerhalb des Raumes 98 eine Unwucht
45 und steht über einem Gummischlauch 71 als Kupplung mit einem Motor 50 in Verbindung.
Der Gummischlauch ist so bemessen, daß er das Drehmoment des Motors auf die Welle
44 zu übertragen vermag, andererseits jedoch so elastisch ist, daß er etwas in Achsrichtung
federn kann und nach allen Richtungen hin beweglich ist.
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An die Öffnung 66 in der Platte 13 schließt sich unten ein zentrales
Rohr 51 an, welches innerhalb des Leitkörpers 88 und mit geringem Abstand vom Siebtrommelboden
2 endet. In dem Rohr mündet von der Seite her ein schräges Rohr 52, welches oben
an einer nicht gezeichneten Zuleitung für das Schleudergut angeschlossen ist. Die
Siebtrommel ist von einer Wand 53 umgeben, die kegelförmig gestaltet ist und sich
nach oben hin bis kurz unter den Flansch 37 erstreckt. Unten schließt sich an die
Wand ein Boden 55 an. Hierdurch entsteht ein Behälter 56 zum Auffangen des abgeschleuderten
Wassers. Dieses wird durch ein Rohr 100 abgeleitet, das an dein Boden angeschlos-Seil
ist.
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All dein Flansch 37 ist ein kegeliger Ring 60 angeordnet, welcher
das obere Ende der Wand 53 mit reichlichem Spiel umschließt. Mit Abstand von dem
Ring 60 ist eine kegelige Wand 101 vorgesehen, die oben bis nahe all den Flansch
37 heranragt und unten all dem Boden 55 befestigt ist. An der Wand 101 sind Rippen
103 angeordnet, die mit der Gestenwand 14 in Verbindung stehen. Hierdurch werden
die Teile 53, 55 und 101, die unter sich fest verbunden sind, im Maschinengestell
gehalten. Die Wände 53 und 101 schließen zusammen mit dem Boden 55 einen Ringrahm
102 ein, in welchem unmittelbar über dem Boden ein nach außen führendes Rohr 57
mündet. Der Ringraum 61, der von der Gestellwand 14 sowie von der kegeligen Wand
101 begrenzt wird, ist unten über einem Sammelbunker 65, auf welchem die Schleuder
unter Zwischenschaltung von Gummifedern 66 ruht, offen. Statt der Gummifedern können
auch starre Auflager vorgesehen sein. Im Raum 61 ist mit Abstand von der Wand 14
eine Ringschürze 64 aus Gummi oder einem ähnlichen elastischen Stoff aufgehängt,
welche bis unter den Flansch 37 herabreicht.
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Im Betrieb wird die Welle 81 und mit ihr die Siebtrommel 1 von dem
Motor 34 über die Teile 36, 33 und 32 mit einer Drehzahl von z. B. 1400 U/min angetrieben.
Bei dieser Drehzahl herrscht in der halben Höhe der Siebtrommel, also dort, wo sie
einen Durchniesser von etwa 400 min aufweist, an ihrem Umfang eine Fliehkraftbeschleunigung
r - 0_)2 von etwa -100facher Erdbeschleunigung. Gleichzeitig wird die Welle 44 und
mit ihr die Unwucht 45 von dem Motor 50 über die Schlauchkupplung 71 angetrieben
und dadurch, wie weiter unten ausgeführt ist, die Siebtrommel in axiale Schwingungen
versetzt. Das Schleudergut, z. B. eingedickter Steinkohlen-Grobschlamm, der im Liter
etwa 600 g Steinkohle in der Korngröße von 0 bis 1 mm enthält, wird der Schleudertrommel
durch die Rohre 52 und 51 zugeführt. Die
Aufgabemenge beträgt etwa
30 m3/h. Nach dem Austritt aus dem Rohr 51 trifft der Schlamm auf den Federteller
86, der mit der Welle umläuft. Von diesem wird der Schlamm gegen den Leitkörper
88 geschleudert. Er tritt dann durch die Öffnungen 105, die von den Rippen 87, dem
unteren Rand des Leitkörpers 88 und dem äußeren Rand des Federtellers 86 eingeschlossen
werden, nach unten aus und gelangt anschließend auf den Siebmantel 3. Dabei
wird ein großer Teil des Wassers infolge der Fliehkraft durch den Mantel durchgesetzt.
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Die Stabfeder 31 ist nach allen Richtungen hin biegsam und erlaubt
zudem eine Drehung des Gehäuses 7 um seine Achse. Da ferner die Schlauchkupplung
71 allseitig beweglich und in Achsrichtung elastisch ist, kann sich das Gehäuse?
um den Punkt G, dem Schnittpunkt der Stabfederachse mit der Achse C-D, wie in einem
Kugelgelenk in gewissen Grenzen (drehen. Hierdurch ist die Welle in die Lage versetzt,
Präzisionsbewegungen mit dem Festpunkt in G auszuführen, wenn z. B. infolge ungleicher
Gutverteilung im Siebkorb eine Unwucht entsteht.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Zentrifuge derart, daß die
Siebtrommel mittels der Federn 91 und 92 an der -Welle 81 befestigt und dies; :wiederum
über das Lagergehäuse? mittels der Federn il und 12 im Maschinengeste-11 gelagert
ist, erhält man mit Bezug auf die Schwingungen, die der Schleudertrommel von der
Unwucht 45 in axialer Richtung aufgezwungen werden, ein schwingfähiges System, bestehend
aus zwei Massen, nämlich der Siebtrommel 1 als Nutzmasse und der Siebtrommelwelle
81 mitsamt allen mit ihr schwingenden Teilen, d. h. der Riemenscheibe 32, dem Lagergehäuse
7 einschließiich der Lager 5 und 6 sowie dem Gehäuse 42 mit den Teilen 43, 44 und
45 als Gegenmasse. Das Gewicht der Siebtrommel beträgt etwa 20 kg. Die Gegenmasse
besitzt ein Gewicht, das aus konstruktiven Gründen wesentlich größer als das des
Siebkorbes ist und beispielsweise 70 kg beträgt. Von den senkrechten Fliehkraftkomponenten
der Unwucht werden die Gegennasse und die Siebtrommel in gegeneinander gerichiete
Schwingungen versetzt. Wählt man bei den angegebenen Gewichten die Gesamtfederkonstante
der Federn 11 und 12 beispielsweise zu etwa 1800 kg/cm und die Gesaintfederkonstante
der Federn 91, 92 zu etwa 2400 kg/cm, ferner die Unwucht so, daß sie bei einem Gewicht
von 3 kg eine Exzentrizität von 25 inne besitzt, so erhält man ein Resonanzschaubild
gemäß Abb. 5, in welchem die ausgezogenen Kurvenäste a und b die Amplituden der
Siebtrommel und die gestrichelten Kurvenäste c und d die Amplituden der Gegenmasse
in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit cu der Unwucht darstellen. Da es sich
bei der erfindungsgemäßen Zentrifuge um ein System mit zwei durch elastische Elemente
miteinander verbundene Massen handelt, die federnd gegenüber dem Raum abgestützt
sind, ergeben sich zwei Resonanzen I und 1I. Die erste Resonanz I ist charakterisiert
durch eine gleichsinnige Bewegung beider Massen und stellt sich bei etwa(,)
= 1_30/s ein. Ihre Lage ist im wesentlichen bestimmt durch die Gesamtfederkonstante
c" der Federn 11 und 12. Die zweite Resonanz 1I gibt den Zustand an, bei dem die
beiden Massen gegeneinander schwingen. Ihre Lage ist im wesentlichen bestimmt durch
die Gesamtfederkonstante c der Federn 91, 92 und stellt sich im vorliegenden Fall
bei etwa oj = 360/s ein. Wird nun die Unwucht entsprechend der Drehzahl des Motors
50 mit (,) = 290/s betrieben, so sieht man, daß die Gegenmasse mit einer Amplitude
S2 schwingt, die nur etwa 0,3 mm beträgt, während die Siebtrommel Schwingungen mit
einer Amplitude St = 2,7 mm ausführt. Ihre Schwingbeschleunigung r - w2 ergibt sich
damit zu etwa 22facher Erdbeschleunigung. Hieraus resultiert eine Massenkraft des
Siebkorbes von rund 440 kg, die von den Lagern 5 und 6 aufgenommen werden muß. Es
ist leicht einzusehen, daß es keinerlei Schwierigkeiten bereitet, die Lager so zu
bemessen, daß sie dieser geringen Axialbeanspruchung im Dauerbetrieb gewachsen sind.
Durch die Erfindung ist es also mit einfachen Mitteln möglich, trotz hoher Schwingbeschleunigung
der Siebtrommel zu niedrigen und damit betriebssicheren Lagerbeanspruchungen zu
kommen. Die gleiche Massenkraft von 440 kg muß ebenfalls von den Federn 11, 12 und
95, 96 aufgenommen werden. Die Federn kann man leicht durch entsprechende Ouerschnittsbemessung
so ausbilden, daß ihre spezifische Flächenbelastung nur etwa 1 bis 2 kg/cm2 beträgt.
In diesem Fall ist auch eine hohe Lebensdauer der Gummifedern gewährleistet.
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Bemerkenswert an dem Schaubild ist noch, daß sich die Amplitude der
Siebtrommel über einen großen Drehzahlbereich nur unwesentlich ändert. Dies bringt
den Vorteil mit sich. daß Änderungen der Antriebsfrequenz innerhalb dieses Bereiches
praktisch ohne Einfluß auf die Amplitude des Siebkni-hes sind. Weiterhin läßt das
Schaubild erkennen, daß bei einer Winkelgeschwindigkeit der Unwucht von (o = etwa
305/s der Kurvenast d durch die Abszisse des Koordinatensystems hindurchgeht, d.
h. daß bei dieser Winkelgeschwindigkeit die Amplitude der Gegenmasse zu Null wird.
Man kann also durch entsprechende Wahl der Drehzahl, mit welcher die Unwucht angetrieben
wird, sogar erreichen, daß die Gegenmasse stillsteht.
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Bei der Zentrifuge gemäß der Erfindung besteht weiterhin eine direkte
Proportionalität zwischen den Amplituden der beiden Massen und der Fliehkraft, welche
durch die Unwucht hervorgerufen wird, d. h., daß beispielsweise bei einer Vergrößerung
der Fliehkraft um das Doppelte, die Amplituden ebenfalls tun das Doppelte anwachsen.
Hierdurch hat man es in der Hand, die Schwingbeschleunigung der Siebtromviel unter
Konstanthaltung der Antriebsfrequenz in einfacher Weise dadurch zu regeln, daß man
die Unwucht ändert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man die Masse
der Unwucht unter Belastung ihrer Exzentrizität vergrößert bzw. verkleinert oder
indem man die Masse beläßt und dafür die Exzentrizität ändert.
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Unter der Einwirkung der axialen Schwingbewegung der Siebtrommel wandert
die Kohle in einer Schicht von etwa 10 mm Stärke auf dem Siebmantel nach oben, wobei
sie weiter entwässert wird. Die entwässerte Kohle verläßt schließlich die Siebtrommel
über den Flansch 37, von dem sie gegen die Gummischürze 64 abgeschleudert wird.
Die Schürze verhindert, daß die Kohle gegen die Wand 14 prallt. Durch sie wird also
einer weiteren Zerkleinerung, vor allem der gröberen Kohleteilchen, durch Prallwirkung
vorgebeugt. Die von der Schürze abfallende Kohle gelangt dann durch den Ringraum
61 in den Sammelbunker 65. Das Wasser, welches durch den Siebmantel durchgesetzt
wird, gelangt zum größten Teil in den Auffangbehälter 56 und wird aus diesem durch
das Rohr 100 abgeleitet. Das restliche Wasser, welches am oberen Ende des Siebmantels
abgeschleudert wird und auf den Kegelring 60 prallt, sammelt sich in dem Ringraum
102, aus dem es durch das Rohr 57 abgeführt wird. Durch den Ring 60 ist dafür gesorgt,
daß
praktisch kein Wasser in den Ringraum 61 austritt. Die entwässerte Kohle wird also
durch den genannten Ring vor einer Wiederbefeuchtung durch das abgeschleuderte Wasser
bewahrt.
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Der Schwerpunkt S des schwingungsfähigen Systems liegt, wie aus Abb.
1 zu erkennen ist, sehr weit unten. Infolgedessen führt die Welle 81 unter dem Einfluß
der waagerechten Fliehkraftkomponenten, die von der Unwucht herrühren, eine Pendelbewegung
um den Punkt S aus. Dieser Pendelbewegung vermag das Lagergehäuse, da sowohl die
Stabfeder 31 als auch die Schlauchkupplung 71 nach allen Richtungen hin biegsam
sind, zu folgen. Die Pendelbewegung, die der Siebkorb dabei ausführt, ist infolge
der tiefen Lage des Punktes S so gering, daß sie praktisch nicht in Erscheinung
tritt.