Schüttgut in Bewegung

Dipl.-Ing. Klaus-Rüdiger Bochberg

Für den Dauerbetrieb ausgelegte vierpolige Elektro-Vibratoren haben ein Gewicht von mindesten 5 kg. Sechspolige Antriebe wiegen mindestens 17 kg. Um gerichtete Schwingungen zu erzeugen, sind jeweils zwei Geräte erforderlich. Das Antriebsgewicht beträgt dann 10 bzw. 34 kg. Damit sind sie zu schwer für leichte Rinnen. Diese Lücke wird durch niederfrequente Druckluftkolbenvibratoren, beispielsweise der NTK-Baureihe, geschlossen. Der kleinste dieser Baureihe hat lediglich ein Gewicht von 90 g (Abb. 1). Davon werden 60 g (Gehäusegewicht) dem Rinnentrog zugeordnet. Mit einem zusätzlichen, am Kolben festgeschraubten Gewicht bewegt dieses Gerät einen 0,5 kg schweren Rinnentrog mit einer Schwingbreite von 6 mm und einer Beschleunigung von 6 g.

Zudem gibt es Druckluftkolbenvibratoren, die sofort die Eigenfrequenz von blattfedergelagerten Systemen erkennen und sich automatisch – auch bei wechselnden Belastungen – auf deren Resonanzfrequenz einstellen.

Für den Antrieb von Abzugs-, Förder- und Siebrinnen sind gerichtete Schwingungen notwendig, deren Richtung von der Neigung des Vibrators zum Trogboden bestimmt wird. Dabei sind Neigungen von 20 bis 40° üblich. Das Fördergut wird in diesem Winkel angestoßen und bewegt sich in einer Wurfparabel weiter. Dabei läßt sich die Fördergeschwindigkeit ebenfalls durch die Wahl des Neigungswinkels optimieren.

Die Fördergeschwindigkeit ist natürlich auch abhängig von der Schwingbreite und der Frequenz. Sind höhere Förderleistungen gefragt, wählt man größere Schwingbreiten bei niedrigeren Frequenzen. Auf diese Weise lassen sich insbesondere bei leichtgebauten Konstruktionen Eigenschwingungen und Schwingungsknoten vermeiden. Leichte Förderrinnen ermöglichen also größere Schwingbreiten und dadurch höhere Förderleistungen.

Um große Schwingbreiten zu erzielen, muß das Unwuchtgewicht des Antriebes entsprechend groß sein. Dazu werden die Kolben aus dem Gehäuse herausgeführt und in Abhängigkeit von der gewünschten Schwingbreite mit zusätzlichen Gewichten versehen. Wesentlicher Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß das Gehäusegewicht, das den Rinnentrog belastet, unverändert klein bleibt.

Bei den Brutal-Force-Rinnen erfolgt die Lagerung des Trogs auf Schwingelementen, beispielsweise auf Gummipuffern oder Druckfedern. Die Kraft des Antriebs zwingt den Rinnentrog in seine Antriebsfrequenz. Dabei hängt die Schwingbreite des Trogs 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, so daß auch Dosieraufgaben, die eine hohe Genauigkeit erfordern, erfüllt werden können. Da auf jeder Seite nur zwei Lagerstellen erlaubt sind, muß der Trog bei zunehmender Länge eine immer höhere Biegesteifheit aufweisen.

Bei Resonanzrinnen wird der Trog auf Blattfedern gelagert. Die Schwingfrequenz entspricht der Eigenfrequenz der Rinne. Die Bewegung in Resonanz führt zu einer deutlichen Schwingbreitenvergrößerung. Über Flexi-Link-Verbindungselemente werden die Vibratoren sowohl am Trog als auch am Untergestell befestigt. Flexi-Link gleicht Bewegungsunterschiede zwischen Trog und Rinnenuntergestell aus und vermeidet zudem Querkräfte auf den Kolben.

Die Vibratoren sind fest montiert und arbeiten so auch bei Laständerung immer in Resonanz. Dadurch ist nur eine geringe Energiezufuhr erforderlich; es wird nur die Energie aufgenommen, die zur Aufrechterhaltung der Bewegung erforderlich ist.

Das Gewicht des zu bewegenden Troges spielt nur in der Startphase eine Rolle. Um die erforderliche Geschwindigkeit und Schwingbreite zu erreichen, startet der Druckluftkolbenvibrator mit einem Druckstoß und arbeitet anschließend bei geringem Druck weiter. Diese Systeme zeichnen sich durch folgende Vorteile aus:

• große Schwingbreiten (bis 20 mm) bei niedriger Frequenz,

• kostensparender Leichtbau,

• hohe Fördergeschwindigkeiten bei niedrigem Luftverbrauch.

Bei der Auslegung von Förderinnen sind unterschiedliche Parameter zu berücksichtigen.

Zuerst muß die Förderhöhe des Produktes ermittelt werden, die von den Produkteigenschaften, der Frequenz, Schwingbreite und der Beschleunigung bestimmt wird. Bei niedrigerer Frequenz und größerer Schwingbreite ist eine größere Förderhöhe möglich, so daß Granulat und stückiges Material in dickeren Schichten gefördert werden können.

Die Förderleistung hängt von der Fördergeschwindigkeit und dem Rinnenquerschnitt ab und ergibt sich nach folgender Gleichung:

Q = b • h • v

wobei

Q: Förderleistung [m³/h],

b: Breite [m],

h: Förderhöhe [m],

v = Fördergeschwindigkeit [m/h].

Alle Stellen des Trogbodens müssen sich gleichmäßig in eine Richtung bewegen. Ist die Konstruktion nicht steif genug, verursachen die auftretenden Vibrationskräfte Verformungen, die eine gleichmäßige Förderung erschweren. So muß beispielsweise am Ort der Krafteinleitung die Steifigkeit besonders hoch sein.

Des weiteren ist eine Knotenbildung (Resonanzfrequenz des leichten Troges) zu verhindern, denn das zu fördernde Schüttgut bleibt an diesen Stellen liegen und es besteht die Gefahr einer Rückwärtsförderung. Um diesen Störungen vorzubeugen, kann man einerseits den Trog versteifen oder andrerseits die Vibrationsfrequenz reduzieren, um den Abstand der Knoten zu verlängern.

Mit zunehmender Rinnenlänge wird auch die zu bewegende Masse größer. Vor diesem Hintergrund sind nicht nur höhere Anforderungen an die Biegesteifigkeit zu stellen, sondern auch an die Leistungsfähigkeit des Antriebs. Die Auslegung von Förderrinnen sollte deshalb das Ziel haben, das Rinnengewicht möglichst niedrig zu halten. Erreicht wird dies durch den Einsatz von Blattfedern, die den Trog an mehreren Stellen abstützen, so daß er sich nicht mehr durchbiegen kann. Zudem kann auf eine große Steifigkeit der Konstruktion verzichtet werden.

Da die Blattfedern die Bewegungsrichtung bestimmen, können die Druckluftkolbenvibratoren auch waagerecht an der Stirnseite der Rinne befestigt werden. Ihre Antriebskraft wird dann – ohne Biegemomente – längs zum Trogboden eingebracht.

Wird der Trog auf Druckfedern gelagert, muß die Kraftrichtung des in Wurfrichtung befestigten Vibrators durch den Rinnenschwerpunkt gehen. Nur so werden alle Stellen des Troges gleichmäßig in Wurfrichtung angehoben.

Problemlos ist die Abstützung durch Blattfedern. Durch die Form dieser Elemente, die 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.

Um eine gleichmäßige Förderung zu gewährleisten, müssen bei den Brutal-Force-Rinnen die Schwingelemente aus Gummi oder Druckfedern grundsätzlich gleich belastet werden. Die Kenntnis über die genaue Schwerpunktlage des Trogs ist unbedingt notwendig.

In Resonanz erzeugen diese Schwingelemente ungewollte und störende Schwingungen. Deshalb muß die Antriebsfrequenz weit höher als die Eigenfrequenz der Lagerung sein. Werden Resonanzerscheinungen allerdings planmäßig genutzt, vervielfacht sich die Leistung einer Förderrinne, ohne die Energiezufuhr oder Leistungsstärke des Antriebes erhöhen zu müssen.

Das Flexi-Link-System arbeitet auf Grundlage von Resonanzerscheinungen. Es besteht aus Blattfedern, einem Druckluft-Kolbenvibrator und dem Verbindungselement Flexi-Link (Abb. 2). Auch bei Lastwechsel befindet es sich immer in Resonanz. Übliche Frequenzen sind 600 Schw./min bei Schwingbreiten von 10 bis 20 mm. Daraus ergeben sich Fördergeschwindigkeiten von bis zu 40 m/min.

Der Luftverbrauch des Flexi-Link-Systems hängt von der Frequenz und der eingestellten Schwingbreite ab. Die in der Tabelle zusammengefaßten Luftverbräuche gelten für hohe Fördergeschwindigkeiten; bei geringeren Fördergeschwindigkeiten sinken die Verbräuche deutlich.

Bei allen Rinnen mit Druckluft-Kolbenvibratoren läßt sich die Schwingbreite und Fördergeschwindigkeit stufenlos durch Drosseln der Abluft einstellen.

Weitere Informationen cav-299