EP2699355B1 - Zentrifuge und verfahren zur überwachung eines drehmoments - Google Patents

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EP2699355B1
EP2699355B1 EP12715967.1A EP12715967A EP2699355B1 EP 2699355 B1 EP2699355 B1 EP 2699355B1 EP 12715967 A EP12715967 A EP 12715967A EP 2699355 B1 EP2699355 B1 EP 2699355B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
centrifuge
lever arm
overload
input shaft
gear
Prior art date
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Active
Application number
EP12715967.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2699355A2 (de
Inventor
Volker Knospe
Richard Korzinetzki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GEA Mechanical Equipment GmbH
Original Assignee
GEA Mechanical Equipment GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by GEA Mechanical Equipment GmbH filed Critical GEA Mechanical Equipment GmbH
Publication of EP2699355A2 publication Critical patent/EP2699355A2/de
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Publication of EP2699355B1 publication Critical patent/EP2699355B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B3/00—Centrifuges with rotary bowls in which solid particles or bodies become separated by centrifugal force and simultaneous sifting or filtering
    • B04B3/04—Centrifuges with rotary bowls in which solid particles or bodies become separated by centrifugal force and simultaneous sifting or filtering discharging solid particles from the bowl by a conveying screw coaxial with the bowl axis and rotating relatively to the bowl
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B1/00—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles
    • B04B1/20—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles discharging solid particles from the bowl by a conveying screw coaxial with the bowl axis and rotating relatively to the bowl
    • B04B1/2016—Driving control or mechanisms; Arrangement of transmission gearing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/08—Arrangement or disposition of transmission gearing ; Couplings; Brakes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B1/00—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles
    • B04B1/20—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles discharging solid particles from the bowl by a conveying screw coaxial with the bowl axis and rotating relatively to the bowl
    • B04B1/2016—Driving control or mechanisms; Arrangement of transmission gearing
    • B04B2001/2025—Driving control or mechanisms; Arrangement of transmission gearing with drive comprising a planetary gear

Definitions

  • the invention relates to a centrifuge according to the preamble of claim 1 and a method for monitoring a torque.
  • Decanters are known which are used for processing drilling mud.
  • a decanter When processing such a sludge, also called drilling mud, a decanter is usually operated at a lower load than when processing other products.
  • One reason for this is that in the event of a failure due to overload, the decanter must be disassembled and cleaned.
  • the DE 10 2006 028 804 A1 discloses a generic centrifuge with a drum and a screw, which are driven by a first motor and preferably a second motor, wherein a gear arrangement is arranged between motors and the drum and the screw, which has a plurality of gear stages, with torques in the four shafts first and the second gear stage are initiated and wherein a first and a second gear stage are driven on at least three shafts.
  • the arrangement serves, among other things, to generate a differential speed between the drum and the screw.
  • the DE 10 2006 028 804 A1 an uncontrolled drive is realized, in which a transmission input shaft is held.
  • a transmission input shaft is held.
  • the possibility is described to implement a torque overload protection on the fixed shaft.
  • the DE 94 09 109 U1 discloses a centrifuge with two epicyclic gear stages combined to form a superposition gear.
  • an input of the epicyclic gear stages is recorded and a signal is determined at this input as a function of the torque on the worm. This signal can be used for monitoring, overload indication and / or damping measures
  • the FR 2 507 798 A1 discloses a solid bowl screw centrifuge with a torque overload safety device, which has a lever which is held via intermediate elements on a boom of a transmission input shaft. A lever end is held between two rollers, which are connected to a spring support via a double articulated arm. If the centrifuge is in operation, the lever presses against one of the two rollers, which are equipped with one Measuring device is connected. This measuring device determines the force exerted by the lever and, when a predetermined limit value is exceeded, issues a control command to a control device of the centrifuge which stops the inflow of product into the centrifuge. In the event of an excessive overload, the double articulated arm can buckle, whereby the fixation of the lever is released by the rollers. As a result, the gearbox input shaft of the centrifuge is no longer fixed or released.
  • the object of the invention is to provide a centrifuge which enables the drilling mud product to be processed in a particularly suitable manner.
  • the overload lever arm is detachably connected at one end radially to the axis of rotation of the transmission input shaft directly to the transmission input shaft or a part connected to it in a rotationally fixed manner, the overload lever arm having a receptacle at its free end which presses against a coupling means (54) and thus keeps the transmission input shaft at a standstill
  • the overload lever arm advantageously serves as a torque arm, which in the event of an overload is released from the transmission input shaft or the part connected to it in a rotationally fixed manner, such as an arm or a disk.
  • normal operation means that the torque acting on the overload lever arm is less than a predetermined first limit value. If this first limit value is exceeded, operating parameters are first changed in a suitable manner. For example, the product feed can be throttled.
  • the solid bowl centrifuge is switched off and moves to a safe state.
  • “Overload case” means that the torque increases to the extent that a compensation by influencing process parameters and even a shutdown can no longer be done in time.
  • the overload lever arm compresses. This releases the transmission input shaft and the belt drive of the motor can no longer transmit torque to the worm or the drum via the transmission.
  • the overload lever arm is preferably designed as a cylinder / piston arrangement, which is designed in particular fluidically - pneumatically or hydraulically - in a telescopically resilient manner or has a mechanical spring element such as a helical spring.
  • the centrifuge has means for determining the momentary torque load on the cylinder / piston unit. These means can, for example, determine the change in length of the overload lever arm and / or determine the relative or absolute change in the tilting angle of the piston rod to a starting position. This information can be used to assess which operating state is currently in use.
  • the method according to the invention can be used to prevent the overload situation even more reliably by specifying a total of two limit values, the operating parameters being changed when a first limit value is reached or exceeded, and being switched off when a second limit value is reached or exceeded. Only when the overload safety device is triggered does the elaborate cleaning of the centrifuge, in particular the screw, become necessary. This can include prevented by the new step of timely shutdown.
  • the Figures 1 to 3 show a solid bowl screw centrifuge with a rotatable drum 1 with preferably a horizontal axis of rotation D and a rotatable screw 2 arranged inside the drum 1, which has a centrifuge drive 3 for rotating drum 1 and screw 2.
  • the drum is arranged between a drum bearing 4a, 4b on the drive side and a drive bearing facing away from the drive.
  • the centrifuge drive 3 has a motor 5 and a gear arrangement arranged between the motor 5 and the drum 1 and the screw 2.
  • the gear arrangement comprises, for example, a single gear, a so-called planetary gear 6, with three or more gear stages 7, 8, 9, which are connected downstream of the motor 5, the first two gear stages 7, 8 and the third gear stage 9 in the embodiment selected here the two axial sides of the drive-side drum bearing 4a are arranged.
  • Alternative configurations e.g. with all gear stages 7, 8, 9 inside or outside the drum bearing 4a (relative to the drum 1) can also be realized.
  • the design of the gear 6 is such that a differential speed can be set between the speed of the drum 1 and the speed of the screw 2 during operation.
  • the first gear stage 7 and the second gear stage 8 of the transmission 6 are each designed in the manner of a planetary gear, the first gear stage 7 forming a type of preliminary stage and the second gear stage 8 forming a type of main stage, both of which are arranged in a common housing 12.
  • the first and second gear stages 7, 8 are designed as epicyclic gears, with the housing 12 also being driven, which in turn drives the drum 1, which is connected to the housing 12 preferably in a rotationally fixed manner via a hollow shaft 13.
  • the first gear stage 7 has in the housing 12 a sun gear 14 on a sun gear shaft 15, planet gears 16 on planet gear axes 17, which are combined to form a planet gear carrier 33, and an outer ring gear 18.
  • the second gear stage 8 also has - likewise inside the housing 12 - a sun gear 19 on a transmission input shaft 20, also known as a sun gear shaft, planet gears 21 on planet gear axles 22 which are combined to form a planet gear carrier 40, and an outer ring gear 23.
  • the motor 5 drives directly (not shown) or indirectly (via a first belt transmission 24 with a pulley 25 on its motor shaft 26, a belt 27 and a pulley 28, which rotatably with the housing 12 and the planet wheel axes 17 of the planet gears 16 of the first gear stage 7 is coupled, so that it also forms the planet carrier 33), the housing 12 and the planet gears 16.
  • the pulley 28 can also be formed in one piece with the housing 12 or on its outer circumference.
  • the first motor 5 drives the (hollow) shaft 15 for the sun gear 14 of the first gear stage 7 directly or indirectly (for example via a second belt drive 29 with a pulley 30 on its motor shaft 26, a belt 31 and a pulley 32).
  • the ring gear 18 is also coupled via a spacer to a ring gear 23 of the second gear stage 8 to form an intermediate shaft 39 in a rotationally fixed manner or is designed in one piece with the latter.
  • the planet gear axles 22 of the planet gears 21 of the second gear stage 12 drive an intermediate shaft 41 to the third gear stage 9 via the planet gear carrier 40, which drives the worm 2 (as a single or again multiple output gear stage) (only indicated schematically here).
  • a differential speed that can be set by the first and the second gear stage 7, 8 can be realized, which is determined on the one hand by the speed of the transmission input shaft 20 of the second gear stage 8 and on the other hand by the speed of the intermediate shaft 39.
  • the transmission input shaft 20 is set to zero in the present exemplary embodiment. This arrangement can also be referred to as a zero point drive.
  • the speed of the intermediate shaft 39 is determined by the speed of the sun gear shaft 15 of the sun gear 14 of the first gear stage 7 and is therefore also dependent on the output speed of the (drum) motor 5. Both the sun gear shaft 15 and the housing 12 have a rotational speed other than zero, the rotational speed of the housing 12 being fixedly coupled to the rotational speed of the sun gear shaft 15.
  • the two first gear stages 7, 8 are arranged within the common (rotatable) housing 12, since this can be implemented inexpensively and is compact.
  • the first gear stage 7 forms a kind of preliminary stage, which acts with the second gear stage 8 as a kind of superordinate primary gear stage.
  • the first two gear stages 7, 8 can, however, also be arranged completely together (possibly with further stages) between the drive-side drum bearing 4a and the drum 1 or, relative to the drum 1, outside the drive-side drum bearing 4a.
  • the dependence of the differential speed on the slip and on the load condition of the decanter is low.
  • the specified differential speed range can be set in a simple manner.
  • the differential speed can be preset by exchanging the belt pulley of the belt transmission, the differential speed being changeable within the given ranges during operation by regulating or controlling the motor 5.
  • the transmission input shaft 20 points in Fig. 1 and 2nd at its free end a washer 46.
  • an overload lever arm 47 is supported outside the axis of rotation D.
  • This overload lever arm 47 can be designed in different ways and, in its function as a torque arm, prevents the transmission input shaft 20 from rotating.
  • the overload lever arm 47 is designed as a cylinder / piston unit or as a compression spring with a cylinder housing 49 and a piston rod 50 that is linearly movable thereto.
  • a force in the manner of a restoring force is exerted on the piston rod 50, in particular a spring force or a pressure by a fluid, e.g. a gas or a liquid. If a force acts on the piston rod 50, it moves relative to the cylinder housing 49.
  • the overload lever arm is, for example, a pneumatic cylinder, which opposes the force which the worm transmits to the pneumatic lever via the disk, a restoring force by a gas pressure.
  • the overload lever arm exerts a restoring force against the direction of rotation R of the drum 1 and the screw 2 during operation of the centrifuge and uses this force to keep the transmission input shaft 20 at rest.
  • the force which acts on the overload lever arm through the transmission input shaft is measured by a load cell 51 which is fixed on the overload lever arm 47.
  • the measurement can be carried out in various ways, for example by measuring the change in length of the elements of the overload lever arm that are movable relative to one another or by measuring the angle of the lever arm to the base or frame on which it is fixed.
  • Pneumatic cylinders gas pressure springs
  • various control commands can be issued. If a predetermined limit is slightly exceeded, the inflow of product into the centrifuge can be throttled or stopped completely. By determining the torque during operation of the centrifuge, the drive power of the motor 5 or the intake power of the product can thus be regulated, for example, so that the centrifuge can be operated up to its performance limit.
  • the load cell 51 outputs a signal which is passed on to a computing unit 52 and is compared with a limit value or limit value.
  • the load cell 51 is arranged in a compact manner directly on the overload lever arm 47 or integrated therein.
  • the overload lever arm 47 has a receptacle 53, here for example a metal clip, which presses against a coupling means 54, preferably a bolt of the disc 46, and thus keeps the transmission input shaft 20 at a standstill.
  • a coupling means 54 preferably a bolt of the disc 46
  • the force is measured which acts on the overload lever arm and the torque is determined from this.
  • the drilling mud is clarified. This clarification takes place by feeding drilling mud into the centrifuge. In the centrifugal field of the centrifuge, the drilling mud is converted into a liquid phase and a solid phase, which are discharged from the centrifuge through various processes.
  • the overload lever arm remains in its original position, however operating parameters are changed.
  • the inlet is preferably switched off and a safe state is thus generated.
  • the centrifuge will be switched off and move to a safe state.
  • the overload lever arm remains in its original position even when the second limit value is reached or exceeded.
  • the piston rod 50 has a receptacle 53 on the end which is rigidly connected to the piston rod 50 or is formed on the end of the piston rod 50.
  • the receptacle can preferably be formed in the form of a groove 58 with a shoulder 59 for guiding the bolt 54. As in Fig. 3 is shown, the bolt 54 of the washer 46 rests in the groove 58 of the receptacle 53.
  • the disc 46 exerts a force in the direction of rotation R of the drum 2 on the bolt 54 when the centrifuge is operating.
  • the disk 46 is decoupled from the overload lever arm 47 and moves in the direction of rotation R.
  • the bolt 54 is released from the groove 58 of the receptacle 53 during the rotational movement, which leads to decoupling the disk 46 and the screw 2 connected to it.
  • the overload lever arm is arranged pivotably about the pivot pin 55 of a tilt joint 61. By decoupling the transmission input shaft 20 is free and rotates with.
  • the present invention has the advantage that an emergency stop and thus cleaning of the worm and renewed decoupling of the overload lever arm is only necessary when the third limit value is reached, ie in the event of a fault.
  • an optimal utilization of the centrifuge is achieved by the force measurement or the determination of the torque and the operating parameters coordinated with it, such as the drive power of the motor 6.
  • Vibrations or resonance vibrations may occur while the centrifuge is operating or stopping. These can be damped by damping feet 56 and damping plates 57, so that the centrifuge does not transmit any vibrations to a machine frame 60 or the surface.
  • the operation of the centrifuge can additionally be set and monitored by means for determining vibrations 62, for example a vibration sensor.

Landscapes

  • Centrifugal Separators (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Überwachung eines Drehmoments.
  • Es sind Dekanter bekannt, welche zur Verarbeitung von Bohrschlamm eingesetzt werden. Bei der Bearbeitung eines solchen Schlammes, auch Drilling Mud genannt, wird ein Dekanter üblicherweise bei niedrigerer Last als bei der Verarbeitung anderer Produkte betrieben. Ein Grund dafür ist, dass bei einem Ausfall wegen Überlastung eine aufwendige Demontage und Reinigung des Dekanters erfolgen muss.
  • Die DE 10 2006 028 804 A1 offenbart eine gattungsgemäße Zentrifuge mit einer Trommel und einer Schnecke, die durch einen ersten Motor und vorzugsweise einen zweiten Motor angetrieben werden, wobei zwischen Motoren und der Trommel und der Schnecke eine Getriebeanordnung angeordnet ist, die mehrere Getriebestufen aufweist, wobei an vier Wellen Drehmomente in die erste und die zweite Getriebestufe eingeleitet werden und wobei eine erste und eine zweite Getriebestufe an wenigstens drei Wellen angetrieben sind. Die Anordnung dient u.a. zur Erzeugung einer Differenzdrehzahl zwischen Trommel und Schnecke.
  • Bei einer Ausführungsvariante wird in der DE 10 2006 028 804 A1 ein ungeregelter Antrieb realisiert, bei welchem eine Getriebeeingangswelle festgehalten wird. In diesem Zusammenhang wird die Möglichkeit beschrieben, eine Drehmoment-Überlastsicherung an der feststehenden Welle zu realisieren.
  • Die DE 94 09 109 U1 offenbart eine Zentrifuge mit zwei zu einem Überlagerungsgetriebe zusammengefassten Umlaufgetriebestufen. Bei einer der erläuterten Ausführungsvariante wird ein Eingang der Umlaufgetriebestufen festgehalten und an diesem Eingang ein Signal in Abhängigkeit von dem Drehmoment an der Schnecke ermittelt. Dieses Signal kann zu Überwachungs-, Überlastanzeige- und/oder Dämpfungsmaßnahmen genutzt werden
  • Die FR 2 507 798 A1 offenbart eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge mit einer Drehmoment-Überlastsicherungseinrichtung, die einen Hebel aufweist, welcher über Zwischenelemente an einem Ausleger einer Getriebeeingangswelle gehalten ist. Ein Hebelende wird zwischen zwei Laufrollen gehalten, welche über einen Doppelgelenkarm mit einer Federstütze verbunden sind. Dabei drückt der Hebel, sofern sich die Zentrifuge in Betrieb befindet, gegen eine der beiden Laufrollen, welche mit einem Messgerät verbunden ist. Dieses Messgerät ermittelt die durch den Hebel ausgeübte Kraft und gibt bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes einen Steuerbefehl an einer Steuereinrichtung der Zentrifuge aus, welche den Zulauf an Produkt in die Zentrifuge stoppt. Im Falle einer zu hohen Überlast kann der Doppelgelenkarm einknicken, wobei die Fixierung des Hebels durch die Laufrollen gelöst wird. Somit wird die Getriebeeingangswelle der Zentrifuge nicht mehr fixiert bzw. gelöst.
  • Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Zentrifuge bereitzustellen, die in besonders geeigneter Weise die Verarbeitung des Produkts Bohrschlamm ermöglicht.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Nach dessen Kennzeichen ist der Überlasthebelarm mit seinem einem Ende radial zur Drehachse der Getriebeeingangswelle beabstandet direkt mit der Getriebeeingangswelle oder einem damit drehfest verbundenen Teil lösbar verbunden, wobei der Überlasthebelarm an seinem freien Ende eine Aufnahme aufweist, die gegen ein Kopplungsmittel (54) drückt und so die Getriebeeingangswelle in Stillstand hält
  • Durch die spezielle Ausgestaltung des Überlasthebelarms und dessen Verbindung mit der Getriebeeingangswelle wird eine konstruktive Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik erreicht.
  • Vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Überlasthebelarm dient dabei vorteilhaft als Drehmomentstütze, welcher sich im Überlastfall von der Getriebeeingangswelle oder dem damit drehfest verbundenen Teil wie einem Arm oder einer Scheibe löst.
  • "Normalbetrieb" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das auf den Überlasthebelarm wirkende Drehmoment geringer als ein vorgegebener erster Grenzwert ist. Bei Überschreiten dieses ersten Grenzwertes werden zunächst in geeigneter Weise Betriebsparameter verändert. So kann z.B. der Produktzulauf gedrosselt werden.
  • Wird ein zweiter höherer Grenzwert für das Drehmoment überschritten, so wird die Vollmantelschneckenzentrifuge abgestellt und fährt in einen sicheren Zustand.
  • "Überlastfall" bedeutet, dass das Drehmoment in dem Maße ansteigt, dass ein Ausgleich durch Beeinflussung von Prozessparametern und selbst ein Abschalten nicht mehr rechtzeitig erfolgen kann. In diesem Fall federt der Überlasthebelarm ein. Dadurch wird die Getriebeeingangswelle gelöst und der Riementrieb des Motors kann kein Drehmoment mehr über das Getriebe auf die Schnecke oder die Trommel übertragen.
  • Der Überlasthebelarm wird vorzugsweise als Zylinder-/Kolbenanordnung ausgebildet, der insbesondere fluidisch - pneumatisch oder hydraulisch - teleskopartig federnd ausgelegt ist oder über ein mechanisches Federelement wie eine Schraubenfeder verfügt.
  • Um einem Überlastfall bereits vor dem Erreichen dieses Zustands rechtzeitig vorzubeugen, weist die Zentrifuge Mittel zur Ermittlung der momentanen Drehmomentbelastung auf die Zylinder-/Kolbeneinheit auf. Diese Mittel können beispielsweise die Längenveränderung des Überlasthebelarmes ermitteln und/oder die relative oder absolute Veränderung des Kippwinkels der Kolbenstange zu einer Ausgangsposition ermittelt. Diese Information kann zur Beurteilung, welcher Betriebszustand gerade vorliegt, verwendet werden.
  • Verfahren, welche mit einer Drehmoment-Überlastsicherung arbeiten, und welche bei einem ersten Grenzwert den Zulauf abschalten, gehören bereits zum Stand der Technik. Allerdings kann durch das erfindungsgemäße Verfahren durch die Vorgabe von insgesamt zwei Grenzwerte, wobei bei Erreichen oder Überschreiten eines ersten Grenzwertes eine Änderung der Betriebsparameter erfolgt und bei Erreichen oder Überschreiten eines zweiten Grenzwertes ein Abschalten erfolgt, dem Überlastfall noch zuverlässiger vorgebeugt werden. Erst bei Auslösen der Überlastsicherung wird ein aufwendiges Reinigen der Zentrifuge, insbesondere der Schnecke, notwendig. Dies kann u.a. durch den neuen Schritt eines rechtzeitigen Abschaltens verhindert werden.
  • Der Einsatz des Verfahrens bei der Verarbeitung von Bohrschlamm hat sich als besonders sinnvoll erwiesen, da es bei der Bearbeitung von Bohrschlamm zum Auftreten von unvorhergesehenen Zuständen kommt, die außerhalb des Normalbetriebes der Zentrifuge liegen. Durch ein differenzierteres Überwachen des Drehmoments mit der Vorgabe eines ersten und eines zweiten Grenzwertes kann der Prozentsatz eines auftretenden Überlastfalles überraschend verringert werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Sie zeigen:
    • Figur 1
    eine schnittartige, schematische Darstellung einer Vollmantelschneckenzentrifuge;
    Figur 2
    eine Vorderansicht einer Vollmantelschneckenzentrifuge;
    Figur 3
    eine Detailansicht eines Überlasthebels aus Fig. 2 und
    Figur 4a)-4c)
    Teilansichten der Vollmantelschneckenzentrifuge aus Fig. 2 und 3 in verschiedenen Betriebszuständen.
  • Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge mit einer drehbaren Trommel 1 mit vorzugsweise horizontaler Drehachse D und einer innerhalb der Trommel 1 angeordneten, ebenfalls drehbaren Schnecke 2, die einen Zentrifugenantrieb 3 zum Drehen von Trommel 1 und Schnecke 2 aufweist. Die Trommel ist zwischen einem antriebsseitigen und einem antriebsabgewandten Trommellager 4a, 4b angeordnet.
  • Der Zentrifugenantrieb 3 weist einen Motor 5 sowie eine zwischen dem Motor 5 sowie der Trommel 1 und der Schnecke 2 angeordnete Getriebeanordnung auf.
  • Die Getriebeanordnung umfasst beispielsweise ein einziges Getriebe, ein sogenanntes Planetengetriebe 6, mit drei oder mehr Getriebestufen 7, 8, 9, die dem Motor 5 nachgeschaltet sind, wobei in der hier gewählten Ausgestaltung die ersten beiden Getriebestufen 7, 8 und die dritte Getriebestufe 9 auf den beiden axialen Seiten des antriebsseitigen Trommellagers 4a angeordnet sind. Alternative Ausgestaltungen z.B. mit sämtlichen Getriebestufen 7, 8, 9 innerhalb oder außerhalb des Trommellagers 4a (relativ zur Trommel 1) sind ebenfalls realisierbar.
  • Die Auslegung des Getriebes 6 ist dabei derart, dass zwischen der Drehzahl der Trommel 1 und der Drehzahl der Schnecke 2 im Betrieb eine Differenzdrehzahl einstellbar ist.
  • Die erste Getriebestufe 7 und die zweite Getriebestufe 8 des Getriebes 6 sind jeweils planetengetriebeartig ausgebildet, wobei die erste Getriebestufe 7 eine Art Vorstufe und die zweite Getriebestufe 8 eine Art Hauptstufe ausbildet, die beide in einem gemeinsamen Gehäuse 12 angeordnet sind. Die erste und die zweite Getriebestufe 7, 8 sind umlaufgetriebeartig ausgelegt, wobei das Gehäuse 12 mit angetrieben wird, welches wiederum die Trommel 1 antreibt, die mit dem Gehäuse 12 vorzugsweise über eine Hohlwelle 13 drehfest verbunden ist.
  • Die erste Getriebestufe 7 weist im Gehäuse 12 ein Sonnenrad 14 auf einer Sonnenradwelle 15, Planetenräder 16 auf Planetenradachsen 17, die zu einem Planetenradträger 33 zusammengefasst sind, und ein äußeres Hohlrad 18 auf.
  • Die zweite Getriebestufe 8 weist ferner - ebenfalls innerhalb des Gehäuses 12 - ein Sonnenrad 19 auf einer Getriebeeingangswelle 20, auch als Sonnenradwelle bekannt, Planetenräder 21 auf Planetenradachsen 22 die zu einem Planetenradträger 40 zusammengefasst sind, und ein äußeres Hohlrad 23 auf.
  • Der Motor 5 treibt direkt (nicht dargestellt) oder indirekt (über ein erstes Umschlingungsgetriebe 24 mit einer Riemenscheibe 25 auf seiner Motorwelle 26, einem Riemen 27 und einer Riemenscheibe 28, die drehfest mit dem Gehäuse 12 und den Planetenradachsen 17 der Planetenräder 16 der ersten Getriebestufe 7 gekoppelt ist, so dass sie hier auch den Planetenträger 33 ausbildet) das Gehäuse 12 und die Planetenräder 16. Die Riemenscheibe 28 kann auch einstückig mit dem Gehäuse 12 ausgebildet sein oder auf dessen Außenumfang ausgebildet sein.
  • Darüber hinaus treibt der erste Motor 5 direkt oder indirekt (beispielsweise über einen zweiten Riementrieb 29 mit einer Riemenscheibe 30 auf seiner Motorwelle 26, einem Riemen 31 und einer Riemenscheibe 32) die (Hohl-)Welle 15 für das Sonnenrad 14 der ersten Getriebestufe 7.
  • Das Hohlrad 18 ist zudem über ein Zwischenstück mit einem Hohlrad 23 der zweiten Getriebestufe 8 zu einer Zwischenwelle 39 drehfest gekoppelt oder mit diesem einstückig ausgestaltet.
  • Die Planetenradachsen 22 der Planetenräder 21 der zweiten Getriebestufe 12 treiben über den Planetenradträger 40 eine Zwischenwelle 41 zur dritten Getriebestufe 9, welche (als eine einfache oder wiederum mehrfache Abtriebsgetriebestufe) die Schnecke 2 antreibt (hier nur schematisch angedeutet).
  • Zwischen dem Gehäuse 12 und der Zwischenwelle 41 ist eine durch die erste und die zweite Getriebestufe 7, 8 einstellbare Differenzdrehzahl realisierbar, die einerseits durch die Drehzahl der Getriebeeingangswelle 20 der zweiten Getriebestufe 8 und andererseits durch die Drehzahl der Zwischenwelle 39 bestimmt ist.
  • Zur Einstellung der Differenzdrehzahl wird die Getriebeeingangswelle 20 im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf Null festgesetzt. Diese Anordnung kann auch als Nullpunktsantrieb bezeichnet werden.
  • Die Drehzahl der Zwischenwelle 39 wird dabei durch die Drehzahl der Sonnenradwelle 15 des Sonnenrades 14 der ersten Getriebestufe 7 bestimmt und ist damit auch von der Ausgangsdrehzahl des (Trommel-) Motors 5 abhängig.
    Sowohl die Sonnenradwelle 15 als auch das Gehäuse 12 weisen eine von Null verschiedene Drehzahl auf, wobei die Drehzahl des Gehäuses 12 fest mit der Drehzahl der Sonnenradwelle 15 gekoppelt ist.
  • Vorteilhaft ist auch, dass die beiden ersten Getriebestufen 7, 8 innerhalb des gemeinsamen (drehbaren) Gehäuses 12 angeordnet sind, da dies kostengünstig realisierbar ist und kompakt baut.
  • Dabei bildet die erste Getriebestufe 7 eine Art Vorstufe, die mit der zweiten Getriebestufe 8 als eine Art übergeordnete Primärgetriebestufe wirkt.
  • Nach der Anordnung der Fig. 1 und 2 ist durch die außerhalb des antriebsseitigen Trommellagers 4a liegende Vorstufe eine dynamisch steife Anbindung an das drehende System möglich.
  • Die beiden ersten Getriebestufen 7, 8 können aber auch vollständig zusammen (ggf. mit weiteren Stufen) zwischen dem antriebsseitigen Trommellager 4a und der Trommel 1 angeordnet werden oder relativ zur Trommel 1 außerhalb des antriebsseitigen Trommellagers 4a angeordnet werden.
  • Als Vorteil der Konstruktionen ist noch zu erwähnen, dass die Abhängigkeit der Differenzdrehzahl vom Schlupf und Vom Belastungszustand des Dekanters gering ist. Durch ein Wechseln der Riemen bzw. Riemenscheiben kann der vorgegebene Differenzdrehzahlbereich auf einfache Weise eingestellt werden.
  • Hier ist zu erkennen, dass die Differenzdrehzahl durch Austausch der Riemenscheibe des Umschlingungsgetriebes voreinstellbar ist, wobei im Betrieb innerhalb der Bereiche durch Regeln oder Steuern der Motors 5 die Differenzdrehzahl innerhalb der gegebenen Bandbreiten veränderbar ist.
  • Bei dieser Konstruktion findet keine Drehzahlumkehr statt, was in Kombination mit einem Planetengetriebe herkömmlicher Bauart zu einer voreilenden Schnecke führt. Durch das Festhalten der nun freien Getriebeeingangswelle 20 der zweiten Getriebestufe 12 ist ein zwar voreingestellter jedoch im Betrieb ungeregelter Antrieb realisierbar. An der feststehenden Welle wird hier jeweils das Drehmoment gemessen und eine Überlastsicherung 45 realisiert.
  • Der konstruktive Aufbau und die Funktionsweise der Überlastsicherung 45 werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Die Getriebeeingangswelle 20 weist in Fig.1 und 2 an ihrem freien Ende eine Scheibe 46 auf. An dieser Scheibe 46 ist ein Überlasthebelarm 47 außerhalb der Drehachse D abgestützt. Dieser Überlasthebelarm 47 kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein und verhindert in seiner Funktion als Drehmomentstütze eine Drehbewegung der Getriebeeingangswelle 20.
  • Dabei ist der Überlasthebelarm 47 in einer bevorzugten Ausführungsvariante als Zylinder/Kolbeneinheit bzw. als Druckfeder mit einem Zylindergehäuse 49 und einer dazu linear beweglichen Kolbenstange 50 ausgebildet. Auf die Kolbenstange 50 wird dabei eine Kraft in der Art einer Rückstellkraft ausgeübt, insbesondere eine Federkraft oder ein Druck durch ein Fluid, so z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit. Wirkt eine Kraft auf die Kolbenstange 50, so bewegt sich diese relativ zu dem Zylindergehäuse 49.
  • Im Ausführungsbeispiel der Fig.2 handelt es sich bei dem Überlasthebelarm beispielsweise um einen Pneumatikzylinder, welcher der Kraft, welche die Schnecke über die Scheibe auf den Pneumatikhebel überträgt, eine Rückstellkraft durch einen Gasdruck entgegensetzt.
  • Der Überlasthebelarm übt bei Betrieb der Zentrifuge eine Rückstellkraft gegen die Rotationsrichtung R der Trommel 1 und der Schnecke 2 aus und hält mit dieser Kraft die Getriebeeingangswelle 20 in Ruhe.
  • Dabei wird die Kraft die durch die Getriebeeingangswelle auf den Überlasthebelarm einwirkt, durch eine Kraftmessdose 51 gemessen, die am Überlasthebelarm 47 festgelegt ist. Die Messung kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, so z.B. durch Messung der Längenveränderung der zueinander beweglichen Elemente des Überlasthebelarmes oder durch Messung des Winkels des Hebelarmes zu dem Untergrund oder Gestell, an welchem er festgelegt ist. Im Fall eines Pneumatikzylinders (Gasdruckfeder) ist auch eine Messung des Gasdruckes möglich.
  • In Abhängigkeit von der ermittelten Kraft, können verschiedene Steuerbefehle ausgegeben werden. So kann bei einem geringen Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes der Zulauf an Produkt in die Zentrifuge gedrosselt oder vollständig gestoppt werden. Durch die Ermittlung des Drehmoments im Betrieb der Zentrifuge kann somit beispielsweise die Antriebsleistung des Motors 5 oder die Zulaufleistung des Produktes geregelt werden, so dass die Zentrifuge bis an ihre Leistungsgrenze betrieben werden kann.
  • Hierfür gibt die Kraftmessdose 51 ein Signal aus, welches an eine Recheneinheit 52 weitergegeben wird und mit einem Grenzwert bzw. Grenzwert abgeglichen wird. Die Kraftmessdose 51 ist im vorliegenden Beispiel in kompakter Weise direkt am Überlasthebelarm 47 angeordnet oder in diesen integriert.
  • An seinem zur Scheibe zugewandten freien Ende weist der Überlasthebelarm 47 eine Aufnahme 53 auf, hier beispielsweise einen Metallklipp, der gegen ein Kopplungsmittel 54, vorzugsweise einen Bolzen der Scheibe 46 drückt und so die Getriebeeingangswelle 20 in Stillstand hält.
  • In Betrieb der Zentrifuge wird die Kraft gemessen, welche auf den Überlasthebelarm einwirkt und daraus das Drehmoment ermittelt. Sofern sich die Vollmantelschneckenzentrifuge im Normalbetrieb befindet, erfolgt eine Klärung des Bohrschlamms. Diese Klärung erfolgt durch Zuleiten von Bohrschlamm in die Zentrifuge. Im Zentrifugalfeld der Zentrifuge wird der Bohrschlamm in Flüssigphase und eine Feststoffphase ungewandelt, welche durch verschiedene Abläufe aus der Zentrifuge abgeführt werden.
  • Sobald ein erster Grenzwert erreicht oder überschritten wird, verbleibt der Überlasthebelarm in seiner ursprünglichen Position, allerdings werden Betriebsparameter verändert. Vorzugsweise wird der Zulauf abgeschaltet und so ein sicherer Zustand erzeugt.
  • Sofern ein zweiter Grenzwert des Drehmoments M erreicht oder überschritten wird, so wird die Zentrifuge abgestellt werden und fährt in einen sicheren Zustand. Auch bei Erreichen oder Überschreiten des zweiten Grenzwertes verbleibt der Überlasthebelarm in seiner ursprünglichen Position.
  • Erst im Ernstfall bzw. Überlastfall, in dem das Drehmoment im Getriebe und damit die Kraft am Überlasthebelarm so schnell steigt, dass eine Abschaltung nicht schnell genug möglich wäre, federt die Kolbenstange 50 des Überlasthebelarmes 47 in einer Linearbewegung A ein und löst sich während der Rotation des Getriebes 6 in einer konzertierten Kippbewegung B vom Getriebeeingang. Der Anstieg des Drehmoments ist dM/dt.
  • Sofern ein vorgegebener Grenzwert für den Anstieg des Drehmoments dM/dt überschritten wird und die Kraft auf dem Überlasthebelarm zu schnell steigt, so löst dieser sich vom Getriebeeingang. Dies ist schematisch in den Figuren 4a-4c dargestellt. Das Lösen des Überlasthebelarmes vom Getriebeeingang entspricht dabei dem Auslösen einer Drehmoment-Überlastsicherung.
  • Die Kolbenstange 50 weist dabei endseitig eine Aufnahme 53 auf, die starr mit der Kolbenstange 50 verbunden ist oder endseitig an der Kolbenstange 50 ausgeformt ist.
  • Die Aufnahme kann bevorzugt in Form einer Hohlkehle 58 mit einer Schulter 59 zur Führung des Bolzens 54 ausgeformt sein. Wie in Fig. 3 gezeigt wird, liegt der Bolzen 54 der Scheibe 46 in der Hohlkehle 58 der Aufnahme 53 auf.
  • Die Scheibe 46 übt auf dem Bolzen 54 bei Betrieb der Zentrifuge eine Kraft in der Rotationsrichtung R der Trommel 2 aus.
  • Sofern die Kolbenstange 50 in das Zylindergehäuse 49 des Überlasthebels 47 eintaucht, wird die Scheibe 46 vom Überlasthebelarm 47 entkoppelt und bewegt sich in Rotationsrichtung R. Beim Entkoppeln löst sich der Bolzen 54 während der Rotationsbewegung von aus der Hohlkehle 58 der Aufnahme 53, was zum Entkoppein der Scheibe 46 und der damit verbundenen Schnecke 2 führt. Dabei ist der Überlasthebelarm verschwenkbar um den Schwenkstift 55 eines Kippgelenks 61 angeordnet. Durch das Entkoppeln wird die Getriebeeingangswelle 20 frei und rotiert mit.
  • Die vorliegende Erfindung hat dabei den Vorteil das erst beim Erreichen des dritten Grenzwertes, also im Fehlerfall, einen Notstopp und damit ein Reinigen der Schnecke sowie ein erneutes des entkoppelten Überlasthebelarms notwendig ist. Zudem wird durch die Kraftmessung bzw. die Ermittlung des Drehmoments und die darauf abgestimmten Betriebsparameter, wie z.B. die Antriebsleistung des Motors 6, eine optimale Auslastung der Zentrifuge erreicht.
  • Während des Betriebs oder des Anhaltens der Zentrifuge kann es zu Vibrationen oder Resonanzschwingungen kommen. Diese können durch Dämpfungsfüße 56 und Dämpfungsplatten 57 gedämpft werden, so dass die Zentrifuge keine Schwingungen auf ein Maschinengestell 60 oder den Untergrund überträgt. Der Betrieb der Zentrifuge kann zusätzlich durch Mittel zur Ermittlung von Schwingungen 62, beispielsweise einem Vibrationssensor, eingestellt und überwacht werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Trommel
    2
    Schnecke
    3
    Zentrifugenantrieb
    4
    Trommellager
    5
    Motor
    6
    Planetengetriebe
    7
    Getriebestufe
    8
    Getriebestufe
    9
    Getriebestufe
    12
    Gehäuse
    13
    Hohlwelle
    14
    Sonnenrad
    15
    Sonnenradwelle
    16
    Planetenräder
    17
    Planetenradachsen
    18
    Hohlrad
    19
    Sonnenrad
    20
    Getriebeeingangswelle
    21
    Planetenräder
    22
    Planetenradachsen
    23
    Hohlrad
    24
    Umschlingungsgetriebe
    25
    Riemenscheibe
    26
    Motorwelle
    27
    Riemen
    28
    Riemenscheibe
    29
    Riementrieb
    30
    Riemenscheibe
    31
    Riemen
    32
    Riemenscheibe
    33
    Planetenradträger
    39
    Zwischenwelle
    40
    Planetenradträger
    41
    Zwischenwelle
    45
    Überlastsicherung
    46
    Scheibe
    47
    Überlasthebelarm
    49
    Zylindergehäuse
    50
    Kolbenstange
    51
    Kraftmessdose
    52
    Recheneinheit
    53
    Aufnahme
    54
    Bolzen
    55
    Schwenkstift
    56
    Dämpfungsfüße
    57
    Dämpfungsplatte
    58
    Hohlkehle
    59
    Schulter
    60
    Maschinengestell
    61
    Kippgelenk
    62
    Mittel zur Ermittlung von Schwingungen
    D
    Drehachse
    R
    Rotationsrichtung
    A
    Linearbewegung
    B
    Kippbewegung

Claims (12)

  1. Vollmantelschneckenzentrifuge zur Verarbeitung von Bohrschlämmen mit einer drehbaren Trommel (1) und einer drehbaren Schnecke (2), wobei die Zentrifuge eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb der Trommel und der Schnecke mit einem Antriebsmotor und mit einer Getriebeanordnung zur Erzeugung einer Differenzdrehzahl zwischen der Trommel (1) und der Schnecke (2) im Betrieb der Zentrifuge aufweist, wobei eine Getriebeeingangswelle (20) der Getriebeanordnung durch einen in einem Drehmomentüberlastfall auslösbaren Überlasthebelarm (47) drehfest fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlasthebelarm (47) mit seinem einem Ende radial zur Drehachse der Getriebeeingangswelle beabstandet direkt mit der Getriebeeingangswelle (20) oder einem damit drehfest verbundenen Teil lösbar verbunden ist, wobei der Überlasthebelarm an seinem freien Ende eine Aufnahme (53) aufweist, die gegen ein Kopplungsmittel (54) der Getriebeeingangswelle (20) drückt und so die Getriebeeingangswelle (20) in Stillstand hält.
  2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlasthebelarm (47) mit seinem anderen Ende an einem Maschinengestell abgestützt ist.
  3. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlasthebelarm (47) als längenveränderliche Druckfedereinheit ausgestaltet ist.
  4. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlasthebelarm (47) als eine Kolben-Zylindereinheit ausgebildet ist.
  5. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die der Überlasthebelarm (47) als Drehmomentstütze ausgebildet ist, wobei das Kopplungsmittel (54) vorgesehen ist, das von der Aufnahme (53) an der Getriebeeingangswelle oder dem drehfesten Teil in einem Überlastfall lösbar ist.
  6. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Getriebeeingangswelle (20) verbundene Teil eine Scheibe oder ein sich in radialer Richtung erstreckendes Armsegment ist.
  7. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlasthebelarm (47) teleskopartig ausgebildet ist.
  8. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-/Zylindereinheit als fluidisch oder mechanisch wirkendes Federelement ausgebildet ist.
  9. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge Mittel zur Dämpfung von Schwingungen (56, 57) der Zentrifuge auf einem Maschinengestell (60) und/oder einem Fundament aufweist.
  10. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlasthebelarm (47) an einem von der Getriebeeingangswelle abgewandten Ende an einem Maschinengestell (60) befestigt ist.
  11. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge ein Mittel zur Ermittlung des auf eine Kolbenstange (50) wirkenden Drehmoments aufweist.
  12. Zentrifuge nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Ermittlung der Drehmomentbelastung (51) auf die Kolbenstange (50) als Kraftmessdose ausgebildet ist.
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