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Separator
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Separator, dessen Zentrifugentrommel
auf einer im Gehäuse vertikal, Jedoch pendelnd beweglich gelagerten Rotationswelle
angeordnet ist, so daß die Zentrifugentrommel im Betrieb neben der Drehbewegung
auch eine kreiselnde Bewegung ausführen kann.
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Es ist zwar bekannt, daß derartige Separatoren zur Trennung von zwei
oder drei Stoffgemischen mit verhältnismäßig hohen Drehzahlen (6.000 bis 8.000 Umdrehungen
pro Minute) betrieben werden. An derartige Separatoren werden daher sehr hohe Anforderungen
hinsichtlich der Festigkeit, Fertigung und Anordnung, insbesondere der rotierenden
Teile gestellt, um einen möglichst störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Trotz
sorgfältiger Auslegung und Anordnung der rotierenden Teile eines solchen Separators
lassen sich Jedoch geringfügige Restunaschten nicht ausschalten. Hierzu können,
insbesondere bei der Trennung von Feststoff-Flüssigkeitsgemischen, unterschiedlich
starke Feststoffablagerungen in der Zentrifugentrommel auftreten, die zu einseitigen
Trommelbelastungen und damit zu erhöhten Unwuchten der rotierenden Teile führen.
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Physikalisch bilden die rotieJe.se>, Teile eines derartigen Separators
das System eines Kreisels, welcher bei der Rotation stets das Bestreben hat, das
Trägheitsmoment
seiner Masse rotationssymmetrisch zur Drehachse
angeordnet zu halten. Aufgrund des physikalischen Gesetzes von der Erhaltung des
Impulses korrigiert ein solcher Kreisel jedes Störmoment durch eine Unwucht mit
einem gleich großen, entgegengesetzt gerichteten Kreiselmoment. Um nun der Zentrifugentrommel
im Betrieb die Möglichkeit zu geben, sich auf die jeweilige Schwerachse einzustellen,
hat man, wie beispielsweise der deutschen Offenlegungsschrift 1482747 entnommen
werden kann, die Schleudertrommel zusammen mit dem Lagergehäuse und der Antriebswelle
gegenüber dem feststehenden Gehäuse federnd elastisch nachgiebig angeordnet. Auf
diese Weise wird zwar der Schleudertrommel die Möglichkeit gegeben, daß sie im Betrieb
aufgrund der Unbalance eine kreiselnde Bewegung ausfUhren und sich auf die jeweilige
Schwerachse einstellen kann; jedoch werden hierdurch die im Betrieb auftretenden
Eigenschwingungen, die sich insbesondere zusammen mit der im Betrieb auftretenden
Unwucht sehr nachteilig auf den Betrieb der Zentrifuge auswirken können, nicht vermieden.
Schwingungstechnisch handelt es sich hierbei also nicht um ein Einmassenpendel,
bei dem aufgrund der hohen Drehzahl der Zentrifugentrommel auch noch Kreiselmomente
auftreten, sondern um ein Zweimassensystem, bei dem die Rotationswelle als massenbehattofe
Feder die eine der Massen und die Riemenscheibe mit #cr Verlagerung im unteren Sttltzlagerbereich
die andere Masse darstellt. Demnach treten bei
diesen Separatoren
außer den Grundfrequenzen weitere Resonanzfrequenzen auf, und zwar bei unterschiedlichen
Betriebsdrehzahlen. Wie aus der Praxis bekannt ist, liegt der untere Resonanzbereich
bei verhältnismäßig niedrigen Betriebsdrehzahlen, während der obere Resonanzbereich
bei hohen Betriebsdrehzahlen auftritt. Da der obere Resonanzbereich nahe der Betriebsdrehzahl
des Separators liegt und daher zu Betriebsstörungen fUhren kann, ist man bestrebt,
durch besonders sorgfältige Fertigung der Zentrifugentrommel und der übrigen rotierenden
Teile die Betriebsdrehzahl des Separators so weit wie möglich von der kritischen
Resonanzdrehzahl nach unten oder nach oben hin zu verlegen. Dies ist jedoch, wie
die Praxis gezeigt hat, trotz sorgfältiger Fertigung der rotierenden Teile nicht
möglich, da die Wälzlager mit ihren Grenzdrehzahlen letztlich die Durchmesser der
Zentrifugenwelle bestimmen und dadurch die obere kritische Resonanzdrehzahl nicht
so weit von der Betriebsdrehzahl verlegt werden kann, wie es für einen störungsfreien
Betrieb erforderlich wäre. Weist aber dazu noch die Zentrifugentrommel eine größere
Restunwucht auf, dann ist man aufgrund der Amplitudenvergrößerung schon weit vor
der eigentlichen Resonanzlage nicht im Stande den Separator hochzufahren, da die
gesamte A-tribsenergie durch die vergrößerte Schwingungsamplitude w'f#ezehrt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, durch besondere Ausgestaltung
und Anordnung der Rotationswelle im Separator den oberen kritischen Resonanzbereich
entweder ganz auszuschalten oder so weit unterhalb der Betriebsdrehzahl zu verlegen,
daß er mit Leichtigkeit durchfahren werden kann Diese Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die Rotationswelle innerhalb einer Hohlwelle angeordnet ist, die die Rotationswelle
mit Abstand umgibt, und die gegenüber dem Gehäuse in feststehenden Lagern drehbeweglich
gehalten ist, und daß die Rotationswelle am unteren Ende mit der Hohlwelle fest
und im oberen Bereich über wenigstens ein elastisches Element mit der Hohlwelle
in radialer Richtung nachgiebig verspannt ist.
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Durch diese erfindungsgemä.ße Anordnung und Verspannung der Rotationswelle
mit der Hohlwelle wird sehr vorteilhaft eine Verzweigung des Antriebsdrehmomentes
erreicht, und zwar wird ein Teil der Antriebskraft direkt auf die Rotationswelle
und der übrige Teil der Antriebskraft Uber die Hohlwelle und von dort über das elastische
Element auf die Zentrifugentrommel des Separators übertragen. Die Rotationswelle
kann daher verhältnismäßig schwach dimensioniert werden, so daß sie sich im Betrieb
wie ein elastischer Federstab schon bei niedrigen Betriebsdrehzahlen auf die Rotationsschwerline
einstellt. Auf diene Weise wird sehr vorteilhaft eine Verlagerung des Resonanzbereiches
bis
weit unterhalb der Detriebsdrehzahl erreicht und dadurch der obere kritische Resonanzbereich
ausgeschaltet. Es tritt daher im Betrieb nur ein Resonanzbereich bei sehr niedrigen
Drehzahlen auf, der jedoch im Anlaufstadium des Separators leicht und sehr rasch
durchfahren werden kann. Ferner wird dadurch, daß die Rotationswelle im oberen Bereich
mit der Hohlwelle über ein elastisches Element verspannt ist, eine sehr starke Dämpfung
der im Resonanzbereich auftretenden Schwingungsamplituden erzielt und dadurch das
Durchfahren des Resonanzbereiches sowohl beim Anfahren als auch beim Auslaufen besonders
begünstigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht
das elastische Element aus einer Feder, vorzugsweise aus einer Ringgummifeder, die
zwischen einer an der Rotationswelle befestigten Ringscheibe und einem am oberen
Ende der Hohlwelle angeordneten Flansch eingespannt ist. Durch die Anordnung einer
Feder, insbesondere einer Ringgummifeder, zwischen der Rotationswelle und der Hohlwelle
wird neben einer wirksamen Dämpfung der im Betrieb auftretenden Schwingungsamplituden
auch eine drehelastische, in radialer Richtung nachgiebige Lagerung der Rotationswelle
im oberen Bereich gegenüber der Hohlwelle bewirkt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist außen am Flansch
der Hohlwelle ein zylinderförmiger Ring befestigt:, der die an der RotationszSle
angeordnete Ringscheibe und die Ringgummifeder mit Abstand umgibt, und der im oberen
Bereich einen nach innen auskragenden Ringteil aufweist, der die Ringseheibe von
oben mit Abstand überkragt. Auf diese Weise wird sehr vorteilhaft bei einem im Betrieb
des Separators auftretenden Bruch der Rotationswelle ein ruhiger Auslauf der Maschine
gew1lhrleistet, da in diesem Fall die an der Rotationswelle angeordnete Ringscheibe
nur bis zu dem im oberen Bereich nach innen auskragenden Ringteil des an der Hohlwelle
befestigten Ringes ausweichen kann und dort mit Sicherheit festgehalten wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind
am überkragenden Ringteil und an der Ringscheibe angreifende Federspannelemente,
vorzugsweise Druckschrauben, vorgesehen, durch die die zwischen der Ringscheibe
der Rotationswelle und dem Flansch der Hohlwelle angeordnete Ringgummifeder eine
axiale Vorspannung erhält, die dem Gewicht der Zentrifugentrommel entspricht. Hierdurch
erhält die Rotationswelle bei der Montage eine Zugvorspannung, die durch das Gewicht
nach der anschließenden Montage der Zentrifugentrommel wiederum beseitigt wird.
Die RotationsweLle gemäß der Erfindung wird auf diese Weise im Betrieb praktisch
spannungsSrei gehalten und
kann daher sehr dünn mit entsprechend
geringer Biegefestigkeit ausgebildet werden.
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Weitere Binzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Erläuterung eines in der Zeichnung schematisch im Teillängsschnitt
dargestellten Ausführungsbeispieles.
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Wie diese Zeichnung zeigt, ist zentral in einem nicht näher dargestellten
Gehäuse 1 eines Separators eine vertikal verlaufende Rotationswelle 2 innerhalb
einer verhältnismäßig dünnwandigen Hohlwelle 3 angeordnet. Die Hohlwelle 3 ist gegenüber
dem Gehäuse 1 in feststehenden Lagern 4 und 5 drehbeweglich gehalten. Die Rotationswelle
2, die aus einem hochwertigen Federstahl mit kreisrundem Querschnitt besteht, weist
am unteren Ende einen zylindrischen Bund 6 und am oberen Ende einen Konus 7 auf.
Der Konus 7 dient hierbei zur Aufnahme der Zentrifugentrommel 8, während auf dem
zylindrischen Bund 6 am unteren Ende der Rotationswelle 2 eine Riemenscheibe 9 befestigt
ist, die über Keilriemen mit einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Antrieb
verbunden ist. Von der Riemenscheibe 9 wird aunh dro Hohlwel;e 3 mit umfaßt und
durch Schrauben 10 mit di¢Q~r fest verbunden. Auf diese Weise werden von der Riemenscheibe
9 beide Wellen, nämlich die Rotationswelle 2 und
die Hohlwelle
3 im Betrieb mit Sicherheit mitgenommen und in Umdrehungen versetzt. Im oberen Bereich
ist die Rotationswelle 2 mit einem ringförmigen Bund 11 und einer darauf befestigten
Ringscheibe 12 versehen. Ferner ist am oberen Ende der Hohlwelle 3 ein Flansch 13
befestigt, der außen einen zylinderförmigen Ring 14 trägt, welcher die an der Rotationswelle
2 angeordnete Ringscheibe 12 mit geringem Abstand umgibt. Der obere Bereich dieses
Ringes 14 ist mit einem nach innen auskragenden Ringteil 15 versehen, der die Ringscheibe
12 mit Abstand überkragt. Zwischen dieser an der Rotationswelle 2 befestigten Ringscheibe
12 und dem am oberen Ende der Hohlwelle 3 angeordneten Flansch 13 ist eine Ringgummifeder
16 eingespannt.
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Diese Ringgummifeder 16 wird bei der Montage der Rotationswelle 2
mit Hilfe von Druckschrauben, die von oben durch den überkragenden Ringteil 15 des
Ringes 14 hindurchgeführt sind, und die an der Ringscheibe 12 von oben angreifen,
soweit nach unten zusammengedrückt und vorgespannt, daß keine weitere Zusammendrückung
bzw. Vorspannung der Ringgummifeder 16 durch das Gewicht der anschließend auf dem
Konus 7 der Rotationswelle 2 aufgesetzten Zentrifugentrommel 8 erfolgt. Im Anschluß
an diese Vorspannung der Ringgummifeder 16 wird die Antriebsriemenscheibe 9 mit
der Rotationswelle 2 und der Hohlwelle 3 fest verbunden und die zur Verspap?iI#jg
der Feder i6 benutzten Druckschrauben gelöst. Die Rotationswelle 2 wird auf diese
Weise
praktisch frei von Zug- oder Druckspannungen gehalten und
im Betrieb allenfalls auf Torsion beansprucht. Aber auch diese von der Rotationswelle
im Betrieb aufzunehmenden Torsionsspannungen sind aufgrund der dämpfenden Wirkung
der flinggummifeder 16 gering, so daß sie auch von einer verhältnismäßig schwach
dimensionierten Welle leicht aufgenommen werden können.
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Die Rotationswelle 2 wird im unteren Lager 4, welches die Axialbelastung
der Zentrifugentrommel aufnimmt, festgehalten und kann im Betrieb innerhalb der
Hohlwelle eine dem freien Raum entsprechende pendelnde oder kreiselnde Bewegung
ausführen. Im übrigen wird durch die radiale starre Einspannung der Hohlwelle 3
im Zentrifugengehäuse 1 auch die Rotationswelle 2 im Betrieb von den Zugspannungen
entlastet, die vom Keilriemen auf die Riemenscheibe 9 übertragen werden. Dadurch,
daß die Rotationswelle 2 und die Hohlwelle 3 an ihren unteren Enden über die Antriebsriemenscheibe
9 fest miteinander verspannt sind, erfährt das Antriebsdrehmoment sehr vorteilhaft
eine Veræweigung, in dem ein Teil der Antriebsleistung in die Rotationswelle 2 geleitet
wird, die aufgrund ihrer geringen radialen Ausdehnung und in Bezug auf ihre Länge
praktisch einen Torsionsstab darstellt, während der übrige Teil der Antriebsleistung
über die Hohlwelle 3, Ringgummifeder 16 und Ringscheibe 12 auf den zentrifugentrommeltragenden
Konus 7 der Rotationswelle 2 übertragen
wird. Bei dieser erfindungsgemäßen
Ausbildung und Verlagerung der Zentrifugentrommel eines Separators kann man in schwingungstechnischer
Hinsicht davon ausgellen, daß die verhältnismäßig dünn dimensionierte Rotationswelle
2 wie eine Feder ohne Massenbehaftung wirkt. Demzufolge tritt im Betrieb des Separators
nur eine Grundschwingung auf, deren absoluten Werte sehr weit unterhalb der Betriebsdrehzahl
liegen, und die aufgrund des stets vorhandenen Dämpfungseinflusses der Ringgummifeder
sehr leicht durchfahren werden können, und zwar auch dann, wenn die Zentrifugentrommel
nicht exakt ausgewuchtet ist. Die erfindungsgemäße Auslegung und Anordnung des Rotationsantriebes
eines Separators ermöglicht somit ein rasches und störungsfreies Durchfahren des
Dreh- bzw. Resonanzbereiches und zeichnet sich durch den besonders ruhigen Lauf
der Zentrifugentrommel im Betrieb aus. Darüber hinaus wird auch bei einem Bruch
der Rotationswelle ein störungsfreier Auslauf des Separators gewåhrleistet, da die
an der Rotationswelle 2 befestigte Ringscheibe 12 vom überkragenden Ringteil 15
des am Flansch 13 befestigten zylinderförmigen Ringes 14 festgehalten wird und nicht
nach oben ausweichen kann. Ferner kann hierbei auch noch als weitere Sicherung ein
Ring 17 mittels Schrauben 18 am Gehäuse des Separators 1 befestigt werden, der den
am oberen Ende der Hohlwelle 3 angeordneten Flansch 13 überkragt. Darüber hinaus
ermöglicht die erfindungsgemäße Ausbildung und Antriebsverlagerung
der
Zentrifugentrommel auch eine Reduzierung der Bauhöhe gegenUber den bisher bekannten
Separatoren, da die verhältnismäßig dünne Rotationswelle radiale Auslenkungen von
z.
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B. 1 bis 2 mm Exentrizität des Zentrifugenrotors schon bei geringer
axialer Länge erlaubt.
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