Seit gut 20 Jahren kommen Zahnradpumpen in der Gummiindustrie zum Einsatz. Trotzdem dauerte es lange, bis sich die Zahnradpumpe zum Strainern von Gummimischungen durchgesetzt haben. Dies liegt unter anderem daran, dass Zahnradpumpen nicht selbsteinziehend sind. Aus diesem Grund werden Zahnradpumpen heute mit Einzugshilfen eingesetzt.

In der Praxis haben sich drei grundsätzliche Konstruktionsprinzipien durchgesetzt: die Fütterung durch Schneckenmaschinen (Abb. 1), durch außenliegende Speisewalzen (Abb. 2) und durch innenliegende Speisewalzen (Abb. 3). Alle Systeme lassen sich wahlweise mit kalter oder warmer Mischung beschicken. Bei der Auslegung der Schneckenmaschine sind die Schneckenlänge und das Schneckendesign an die Temperatur der Mischung bei der Beschickung anzupassen. Beim Einsatz von externen Speisewalzen ist die Fütterung mit kalter Mischung in der Regel mit Abstrichen im Durchsatz der Anlage verbunden.

 

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Drei Varianten von Einzugshilfen

Die Schneckenmaschine ist mit Abstand die aufwendigste der drei vorgestellten Einzugshilfen. Dies bezieht sich auf den benötigten Platz und Energiebedarf beim Strainern (Abb. 4) und auf die installierte Technik. Unabhängig davon ist diese Variante in der Gummiindustrie bei Weitem am häufigsten anzufinden. Dies liegt unter anderem an dem vielseitigen und robusten Förderprinzip.

Es kommen Einschnecken-Kurzextruder mit und ohne Stiften zum Einsatz. In Sonderfällen, zum Beispiel als Austragsextruder unter einem Innenmischer, werden auch konische Doppelschneckenextruder eingesetzt. Der Extruder wird hier dazu genutzt, die Mischung einzuziehen, sie zu plastifizieren und mit einem Vorlagedruck von 10 bis 50 bar der Zahnradpumpe bereitzustellen. Die Höhe des Vorlagedruckes richtet sich nach der Mischungsviskosität und der verwendeten Geometrie der Pumpenverzahnung. Bei Pfeilverzahnung und größeren Kavitäten genügt tendenziell ein geringerer Vorlagedruck. Je höher der Vorlagedruck ist, desto stärker steigen der spezifische Energieverbrauch und die Mischungstemperatur, wodurch eine zusätzliche Scorchgefahr entsteht.

Besondere Aufmerksamkeit ist auf den Übergangsbereich zwischen dem Extruder und der Pumpe zu legen. Hier gibt es die folgenden Aspekte zu berücksichtigen:

  • Reinigung beim Auftragswechsel
  • Verbleibende Restmengen beim Auftragswechsel
  • Vermeiden von Turbolenzen

Am Ende eines Auftrages verbleibt zwischen der Schneckenspitze und den Zahnrädern der Pumpe ein mit Gummi gefüllter Saugraum. Diese Mischung lässt sich häufig nicht mehr dem Produktionsprozess zuführen und erhöht somit den Prozessabfall. Auf diesen Punkt haben die Anlagenbauer konstruktiv in unterschiedlicher Form reagiert, um die verbleibende Gummimenge möglichst gering zu halten.

Um die Anlage zu reinigen, muss der Bereich zwischen Extruder und Pumpe zugänglich sein. In der Praxis haben sich hydraulische Klemmverbindungen zur Verriegelung der Anschlussflansche bewährt. Trotz des konstruktiven Aufwandes stehen hier kurze Rüstzeiten und ein für den Bediener einfaches Handling im Vordergrund. Häufig entsteht an dieser Stelle jedoch ein Interessenkonflikt, da das hydraulische Verklemmen inklusive Adapter Platz benötigt, der dann zu einer höheren Gummimenge in der Anlage zum Ende des Auftrages führt.

Abb. 5 zeigt den Saugraum einer Zahnradpumpe schematisch. Da der Extruder linear auf die Pumpe zu fördert, füllen sich die Kavitäten im Zwickelbereich frühzeitig. Mit der Drehrichtung der Zahnräder kommt es zu einer Fließrichtungsumkehr, die zu Wirbeln und einer unerwünschten Temperaturerhöhung beiträgt. Weiterentwicklungen basieren auf einem Einsatz im Saugraum, der die Mischung gezielt aus dem Zwickelbereich fern hält und dem Zahnrad die Mischung auf 8 beziehungsweise 10 Uhr zuführt.

Seit einigen Jahren sind alternativ zu den Schneckensystemen Anlagen mit Speisewalzen verfügbar. Diese haben sich in Mischerzeilen bewährt. In diesem Bereich stehen Anwender häufig vor dem Problem, dass sie den Strainer nachträglich in eine vorhandene Mischerlinie integrieren müssen. Häufig entstehen hierbei Platzprobleme, welche mit Speisewalzen-Systemen deutlich einfacher zu lösen sind, als mit einer Schneckenmaschine als Einzugshilfe. Unabhängig davon sind die auf den Energieverbrauch beruhenden Betriebskosten deutlich geringer als bei der Schneckenmaschine (Abb. 4) [4].

Das Konzept der außenliegenden Speisewalze (Abb. 2) basiert darauf, dass dem Walzenspalt ein Streifen zugeführt wird. Hinter dem Walzenpaar liegt der Saugraum der Pumpe. Dort wird die Mischung, ähnlich wie beim Extrudieren, komprimiert und so den Zahnrädern zugeführt. Zu Reinigungszwecken lässt sich der Saugraum öffnen. In der Regel ist hier die Zahnradpumpe deutlich leichter zugänglich als bei herkömmlichen Extrudervarianten. Jedoch ist auch hier im Zwickelbereich der Zahnräder ein Verwirbeln der Mischung inklusive Fließrichtungsumkehr zu erwarten.

Zahnradpumpen mit innenliegenden Speisewalzen (Abb. 3) bauen nochmals kompakter als die oben dargestellten Einzugshilfen und lassen sich aufgrund ihres geringen Strombedarfs relativ günstig betreiben (Abb. 4).

Die Idee der innenliegenden Speisewalzen ist nicht neu. Vor Jahren gab es bereits erste technische Lösungen in Kombination mit gradverzahnten Pumpen. Diese Kombination ist jedoch in ihrem Einsatz beschränkt, da es je nach Mischung immer wieder zu abgerissenen Streifen kam, sodass kaum ein kontinuierlicher Betrieb möglich war. Aktuelle Konzepte verknüpfen die innenliegenden Speisewalzen mit pfeilverzahnten Pumpen. In dieser Kombination scheinen die Probleme behoben zu sein, da immer mehrere Zahnflanken im Eingriff sind. Während eine Kavität zwischen zwei Zahnrädern gefüllt wird, sorgen die nächsten Zähne in Verbindung mit der Speisewalze für den weiteren Transport des Streifens.

Das Förderprinzip unterscheidet sich grundsätzlich von den oben dargestellten Varianten.

Zahnradpumpen mit innenliegenden Speisewalzen sollten möglichst parallel mit zwei Streifen gefüttert werden. Im Bereich zwischen der Speisewalze und dem Zahnrad wird die Mischung in die Kavität des Zahnrades gedrückt. Somit ergibt sich keine plastifizierte Mischung im Saugraum, die bereits zu einer Heat-History des Materials beitragen kann. Ebenfalls entfallen das Entnehmen und gegebenenfalls das Entsorgen des im Saugraum verbleibenden Materials zum Auftragswechsel oder Produktionsende. Dies kann zu einer erheblichen Reduzierung des Prozessabfalls beitragen.

Diverse Versuche ergaben, dass glatte Speisewalzen weniger Reinigungsaufwand verursachen als geriffelte Walzen. Überdies fördern glatte Walzen ebenso konstant wie die geriffelten Versionen. Experimente mit unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten zwischen den Speisewalzen und dem Zahnrad legen nahe, dass Even Speed zu bevorzugen ist.

Beim Füttern der Kavität wird bewusst eine Unterfüllen in Kauf genommen. Dadurch lassen sich Dimensionsschwankungen bei den Fütterstreifen besser ausgleichen und der Rückstrom der Mischung zwischen Zahnrad und Pumpengehäuse sinkt, ebenso die damit verbundene Wärmeentwicklung.

Die Förderleistung einer Pumpe mit innenliegenden Speisewalzen hängt somit von der Dimension der zur Verfügung gestellten Streifen ab. Dies ist beim Auslegen der Anlagen zu beachten. Je nach abgestimmtem Steifenquerschnitt ist für den Auslaufbereich ein Einschub für die Rücklaufsperre auszulegen (Abb. 6). Dieser temperierte Einschub ist grundsätzlich mit der Pumpe verbunden, lässt sich jedoch bei Bedarf an neue Streifengeometrien anpassen.

Die Rücklaufsperren verhindern den Rückfluss der Mischung aus dem Druckraum in die unterfüllte Kavität. Dies funktioniert in der Form, dass die Kavitäten sich erst zu dem Zeitpunkt gegenüber dem Druckraum öffnen, wenn sich das Volumen der Kavitäten durch den Eingriff des anderen Zahnrades reduziert hat. Somit lassen sich das Temperaturniveau der Mischung, der Energiebedarf der Anlage und der Prozessabfall zum Produktionsende weiter verringern.

 

Zahnräder für Verzahnungsvarianten

Es gibt drei Verzahnungsvarianten: gradverzahnte, schrägverzahnte und pfeilverzahnte (Abb. 7). Das Herstellen der Gradverzahnung ist mit dem geringsten technischen Aufwand verbunden. Zudem eignet sie sich für die meisten Straineranwendungen. Während des Betriebes neigt sie jedoch zu Pulsation, da immer nur eine Kavität gleichzeitig entleert wird. Schrägverzahnungen und speziell Pfeilverzahnungen sind aufwendiger herzustellen, fördern das Material jedoch gleichmäßiger. Außerdem entsteht in diesem Fall deutlich geringere durch Pulsation verursachten Druckspitzen, was ein zusätzliches Ansteigen der Temperatur vermindert.

Zahnräder mit einer Schrägverzahnung führen zu einer zusätzlichen Komplexität in der Anlage. Während sich bei der Pfeilverzahnung die Längskräfte in Richtung der Zahnradachse aufheben, müssen diese bei Schrägverzahnungen separat aufgefangen werden. Hinzukommt, dass der Aufwand für eine gleichmäßige Schmierung aller Lager deutlich höher ist, als bei anderen Verzahnungsarten.

Beim Herstellen der Verzahnung ist besondere Sorgfalt von Nöten. In der Regel werden die Verzahnungen heute gefräst. Durch Stoßen und nachträglichem Läppen lässt sich der Leckstrom deutlich reduzieren und damit der energetische Wirkungsgrad der Pumpe erhöhen.

Ab einem Durchmesser von ca. 120 mm werden Zahnräder mit einer Temperierbohrung angeboten. Als Werkstoff kommen verschiedene Stahlsorten zum Einsatz. Jeder Pumpenhersteller hat hier mehrere Varianten im Angebot. Anwender wählen zwischen verschleißarmen oder zähen Materialien. Erstere tragen jedoch häufig das Risiko mit sich, dass sie bei Kontakt mit Fremdkörpern eher spröde reagieren. Gegebenenfalls ist hier das Beschichten der Zahnräder ein Kompromiss. Für chemisch aggressive Produkte haben sich zum Beispiel Beschichtungen aus Titan-Aluminium-Legierungen bewährt. Mit den erhältlichen Werkstoffen lassen sich Laufleistungen von mehr als zehn Jahren erreichen. Die tatsächliche Laufleistung hängt jedoch davon ab, wie abrasiv das zu fördernde Produkt ist. Mehrere Hersteller bieten zudem Pumpen für abrasive Produkte mit einer externen Übersetzung beziehungsweise mit zwei Antrieben an. Dies führt dazu, dass die Pumpenverzahnung keine Kraft auf die zweite Welle übertragen muss, was das Pitting auf den Zahnflanken und damit den Verschleiß erheblich reduziert.

Neben der Materialwahl und der Verzahnungsart unterscheiden sich die angebotenen Pumpen in ihrem Fördervolumen. Abb. 8 zeigt das Fördervolumen pro Umdrehung für unterschiedliche Zahnradpumpen mit einer Zahnbreite von 150 mm. Die Fördervolumina haben mit der Verzahnungsart zu tun und wirken sich auf die Pulsation der Pumpe aus. Außerdem beeinflusst die Verzahnungsart die notwendige Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder bei vergleichbarem Durchsatz. So reduzieren größere Kavitäten die Umfangsgeschwindigkeit und erhöhen die Pulsation. Eine Pfeilverzahnung kann den Einfluss der Kavität auf die Pulsation kompensieren. Kleinere Umfangsgeschwindigkeiten führen zu kleineren Schergeschwindigkeiten zwischen dem Pumpengehäuse und dem Zahnrad, was die Temperaturentwicklung der Mischung reduziert. Daher werden Pumpen für beschleunigte Gummimischungen so ausgelegt, dass sie eine maximale Umfangsgeschwindigkeit im Auslegungspunkt von unter 20 m/min einhalten.

Intelligente Lager reduzieren Prozessabfall

Eine einstufige Zahnradpumpe kann Druckdifferenzen zwischen Saugraum und Druckseite von bis zu 500 bar erzeugen. Die Zahnwellen werden in Gleitlagern geführt. Als Gleitmittel dient das zu fördernde Mischgut. Den Austrieb durch die Gleitlager geben die Hersteller in der Regel mit 0,1 bis 1 Prozent des Durchsatzes an. Der Umfang dieses Prozessabfalls hängt nicht von den Bedürfnissen der Lagerschmierung, sondern von der Viskosität der zu verarbeitenden Mischung und der Höhe des Druckes auf der Druckseite ab.

Seit längerem gibt es Bemühungen seitens der Hersteller, diesen Austrieb zu reduzieren. Für das Strainern von Masterbatches beziehungsweise relativ langsam beschleunigten Mischungen hat sich bewährt, den Austrieb aus den Lagern in den Saugraum zurückzuführen. Bisher mussten sich Anlagenbauer jedoch entscheiden, den Lageraustrieb entweder ins Freie treten zu lassen oder zurückzuführen. Zwischenzeitlich sind Lösungen mit schaltbaren Lagern auf den Markt gekommen. Bei diesen lässt sich die Materialrückführung nach Bedarf aktivieren oder das Mischgut nach außen fördern. Um auch in diesem Fall die Austriebsmenge auf das notwendige Maß zu reduzieren, verfügen diese schaltbaren Lager über eine einstellbare Drossel. Die Lager werden automatisch über produktspezifische Werte geschaltet, die in der Steuerung hinterlegt sind. Mit dieser Technik lässt sich die Wirtschaftlichkeit einer Zahnradpumpe speziell bei hochwertigen Mischungen erheblich beeinflussen.

Antriebe mit Zusatzfunktionen

Pumpen sind mit elektromechanischen Antrieben auf Basis von DC und AC Motoren sowie mit elektrohydraulischen Antrieben erhältlich. Die elektromechanischen Antriebe sind hierbei trotz ihres größeren Platzbedarfes im Produktionsumfeld häufiger anzutreffen.

Eine senkrecht aufgestellte Zahnradpumpe mit Hydraulikantrieb für einen Durchsatz von bis zu 2.500 kg/h war dieses Jahr auf der Messe Tire Tech in Hannover zu sehen. Der Platzbedarf dieser Einheit lag bei deutlich unter einem Quadratmeter im Produktionsbereich, allerdings zuzüglich dem Platz für die Hydraulikeinheit.

Wie sehen die Prozessanforderungen an den Antrieb der Maschine aus? Als Basis hierfür dient die bereits in Abb. 8 vorgestellte Pumpe mit einer Zahnlänge von 150 mm. Für einen Durchsatz von ca. 1000 l/h benötigt die Pumpe eine Drehzahl zwischen 10 und 30 U/min. Aus der Produktionsdatenerfassung geht hervor, dass das höchste Drehmoment in der Regel beim Anfahren der Pumpe, dem Losreißen, benötigt wird. In der laufenden Produktion sinkt das Drehmoment bis sich die Druckkammer vor dem Sieb gefüllt hat. So lange sich keine Fremdkörper in der Pumpe festsetzen, steigen der Druck mit dem Verschmutzungsgrad des Siebes und damit das Drehmoment stetig an. Dieses erreicht jedoch in der Regel den Wert des Losreißens nicht mehr. Die Kombination aus hohem Startmoment und geringer Drehzahl kommt der in Abb. 9 für einen Hydraulikantrieb aufgezeigten Kennlinie sehr nah.

Neben der reinen Antriebsfunktion übernehmen die Antriebsstränge aber auch weitere Funktionen. So kann eine Sicherheitskupplung helfen, die Anlage vor Beschädigungen durch Fremdkörper zu schützen. Alternativ kommen häufig Metalldetektoren zur Kontrolle des Mischgutes zum Einsatz. Beide Varianten führen zu einem erhöhten Investitionsvolumen, benötigen im Produktionsbereich zusätzlich Platz und helfen doch nur den regulären Produktionsbetrieb abzusichern. Überlast beim Hochfahren der Anlage, durch abgebrochene Stifte aus dem Extruder oder durch unsachgemäße Reinigung lassen sich auf diese Weise nicht absichern. In diesem Bereich kommt eine weitere Stärke des Hydraulikantriebes zur Geltung. Ähnlich wie bei den Walzwerkanwendungen kann der Hydraulikantrieb aufgrund seines geringen Massenträgheitsmomentes auch in diesem Fall die Anlage im Bereich von Millisekunden stoppen, nachdem er einen unerwarteten Drehmomentanstieg erkannt hat. Die hierfür notwendigen Schwellwerte lassen sich für jedes Produktionsprogramm gesondert in der Steuerung hinterlegen. Abb. 10 zeigt einen Schraubendreher, der bei Versuchen bewusst in eine laufende Pumpe gesteckt wurde. Die Anlage hielt innerhalb von weniger als 50 mSek. an, nachdem sie den Drehmomentanstieg erkannt hatte. An den Zahnwellen und Lagern war keine Beschädigung durch diesen Versuch zu erkennen. Ein weiterer Versuch mit einer M8-Mutter blieb ebenfalls folgenlos für die Pumpe

Automatische Siebwechsler erhöhen die Prozessfähigkeit und Verfügbarkeit

Das Volumen zwischen Strainerkopf und Zahnrädern ist während der Produktion mit Gummimischung gefüllt und beeinflusst die mittlere Verweilzeit und das Verweilzeitspektrum der Mischung in der Anlage maßgeblich. Da an dieser Stelle bereits plastifizierte Mischung vorhanden ist, wirkt sich dieser Bereich auch stark auf die Heat-History des Materials aus. Bei klassischen Strainerköpfen gibt es sich widersprechende Optimierungsansätze für das Auslegen. Große Siebflächen führen zu langen Standzeiten des Siebes und damit zu einer hohen Produktivität der Anlage. Sie führen jedoch auch zu größeren Querschnitten und längeren Fließwegen (Abb. 11). Die Auslegung des Fließkanals ist daher immer ein Kompromiss, da er den Anforderungen vieler Produkte mit unterschiedlichen Viskositäten genügen muss. Somit können sich relativ kalte Zonen im Randbereich bilden, wo die Fließgeschwindigkeit gering und damit die Verweilzeit lang sind, was den eigentlichen Fließkanal verkleinern. Kritisch ist hierbei, dass sich die Temperatur des fließenden Materials aufgrund der schlechten Wärmeleitung des Gummis bei einer hohen Fließgeschwindigkeit und damit kurzen Verweilzeiten kaum noch beeinflussen lässt. Kleinere Kanalquerschnitte mit angehobenen Wandtemperaturen können sich hierbei positiv auf die Temperaturentwicklung im Gummi und damit auf die Prozessfähigkeit der Anlage auswirken.

Diesen sich widersprechenden Optimierungsansätzen begegnen die Anlagenhersteller, indem sie einen Strainerkopf mit zwei klappbaren Kopfhälften anbieten. Das reduziert die Wechselzeiten und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Zusätzlich lassen sich solche Systeme mit kleineren Siebdurchmessern ausstatten.

Eine weitere sinnvolle Variante ist eine Zahnradpumpe mit einem Siebwechsler. Die angebotenen Geräte wechseln das Sieb in weniger als 30 Sek. und erhöhen damit die Anlagenverfügbarkeit deutlich. Dies gilt im Besonderen bei Strainern, die im Verbund mit weiteren Fertigungsanlagen stehen, zum Beispiel Mischerzeilen. Bei diesen kurzen Wechselzeiten können auch die Siebflächen verkleinert werden, was wiederum die Verweilzeit der Mischung in der Maschine senkt. Zudem verringern die kleineren Durchmesser das Biegemoment auf die Stützscheiben hinter dem Sieb, sodass dünnere Scheiben zum Einsatz kommen können. Dies führt zu einem reduzierten Druckbedarf für das Durchfließen des Gummis. Da die Stärke der Stützscheibe überproportional mit dem Siebdurchmesser ansteigt und der Druckbedarf linear mit der Länge des Fließweges in der Stützscheibe zunimmt [5], führen kleinere Siebflächen zu einem deutlich geringeren Druckbedarf. Dieser wiederum erhöht die Prozessfähigkeit, da sich dadurch weniger Wärme entwickelt.

Der automatische Siebwechsler bietet in dieser Kombination einen ergänzenden Optimierungsansatz beim Anfahren der Anlage. Aufgrund des volumetrischen Förderprinzips der Pumpe kommt es zu Druckspitzen vor dem Sieb, wenn sich der Druckraum füllt. Diese können das Sieb bereits zerstören. Das Anfahren des Strainers mit einer sieblosen Kassette ermöglicht dagegen höhere Geschwindigkeiten, ohne zu riskieren, das Sieb zu beschädigen. Steigt der Druck, wird der Wechsel der Siebkassette ausgelöst und ein Strainersieb in den Prozess befördert. Speziell bei einem Online-Strainer im technischen Gummiwarenbereich mit kurzen Auftragslängen kann dies die Produktivität erheblich erhöhen. Da beim Einsatz eines Wechslers die Druckspitzen auf das Sieb beim Anfahren sinken, lassen sich noch dünnere und kleinere Siebe einsetzen.

Der technische Aufwand, um eine bestehende Anlage mit einem automatischen Siebwechsler nachzurüsten, hält sich in Grenzen. Denn ein Hydraulikaggregat für die Klammerung von Extruder und Pumpe beziehungsweise für die zweite Kopfplatte ist in der Regel bereits vorhanden.

Die Lebensdauer der Siebwechslerdichtung lässt sich erhöhen, indem in der Steuerung der Anlage hinterlegt wird, dass vor einem Siebwechsel der Druck im Druckraum abgebaut wird. Dieser Aspekt sollte Bestandteil der oben angeführten 30 s für das Wechseln des Siebes sein.

Anwenderspezifischer Siebaufbau und Stützscheibe

Im Gummibereich werden Siebpakete mit Maschenweiten von 0,06 bis 0,4 mm eingesetzt. Sicherlich ist vorstellbar, dass diese Spannweite bereits bei ein und derselben Mischung zu stark unterschiedlichem Druck vor dem Sieb führt.

Häufig werden symmetrisch aufgebaute Siebe und immer die gleichen Stützscheiben verwendet. Dies führt dazu, dass Prozesse nicht optimal geführt werden können, die Beschaffungskosten der Siebpakete unnötig hoch sind und der Fließwiederstand im Vergleich zu asymmetrischen Siebpaketen hoch ist. Zudem legen die Hersteller die Stärke der Stützscheibe auf den Maximaldruck der Pumpe aus, meist ca. 500 bar, und nicht auf den benötigten Druck, der häufig deutlich niedriger liegt, etwa kleiner 300 bar. Dadurch entstehen unnötig lange Fließwege.

Die Strainersiebe werden ebenfalls auf den maximalen Pumpendrucks ausgelegt. Da die Streckgrenze von feinen Sieben deutlich kleiner ist als bei groben Sieben, müssen diese entweder durch ein zusätzliches Sieb abgestützt werden oder der zulässige Durchmesser der Bohrungen in der Stützscheibe muss sinken. Kleinere Lochdurchmesser erhöhen aber den Fließwiederstand der Stützscheibe exponentiell.

Bei gleichem Durchmesser und gleicher Feinheit lassen sich die freien Siebpassagen mithilfe eines Siebwechslers, je nach produktionsrelevanten Drücken, um bis zu 15 Prozent erhöhen. Allerdings ist es aus logistischen Gründen nicht sinnvoll, für alle Produkte eigene Siebpakete beziehungsweise Stützscheiben im laufenden Betrieb einzuführen. Jedoch ermöglicht der abgestufte Einsatz derselben erhebliche Einsparungen.

Um das Reinigen der Stützscheiben zu vereinfachen bieten einige Hersteller Stützscheiben mit speziellen Oberflächenbeschichtungen oder konischen Bohrungen an. Diese reduzieren den Reinigungsaufwand erheblich. Konische Bohrungen erhöhen jedoch im Vergleich zu zylindrischen Bohrungen den Fertigungsaufwand und den Druckbedarf beim Durchfließen mit Gummi. Ergänzend beziehungsweise alternativ ist es sinnvoll, an die eigenen Prozesse angepasste Stützscheiben zu verwenden und zu prüfen, ob sich damit bereits, ohne konische Bohrungen, der Reinigungsaufwand verringern lässt.

Seit einiger Zeit sind auch mehrteilige Stützscheiben erhältlich. Hierbei befindet sich eine erste, dünne Stützscheibe mit relativ kleinen Bohrdurchmessern hinter dem Siebpaket. Diese Scheibe trägt das Strainersieb. Aufgrund der kurzen Fließwege in der Scheibe ist der Druckbedarf klein. Die zweite, stärkere Scheibe mit größeren Löchern stützt die erste Scheibe ab. Der Druckbedarf für die zweite Scheibe ist aufgrund der großen Bohrungen sehr gering. Um Totwassergebiete im Zusammenspiel der beiden Scheiben zu vermeiden, muss das Bohrbild aufeinander abgestimmt sein und die Position der beiden Stützscheiben fixiert werden.

Reinigen von Zahnradpumpenstrainern

Beim Reinigen eines Zahnradpumpen-Strainers sind zwei Gesichtspunkte zu berücksichtigen: der in vielen Fällen immer noch vorhandene manuelle Aufwand inklusive des Produktionsausfalls während der Reinigungszeit und das nicht mehr verwendbare Restmaterial. Gerade beim Verarbeiten von hochwertigen Synthesekautschuk-Mischungen ist das in der Maschine verbleibende Restmaterial betriebswirtschaftlich relevant.

Im Folgenden werden die verschiedenen Anlagenkonzepte hinsichtlich des sich hieraus ergebenden Reinigungsaufwands dargestellt. Die zu reinigenden Bereiche sind die Einzugshilfe, der Saugraum, die Zahnräder, der Druckbereich, die Stützscheibe und das Werkzeug.

Bei Extrudern und außenliegenden Speisewalzen als Einzugshilfen wird der Pumpe plastifizierte Mischung mit einem Vorlagedruck im Saugraum bereitgestellt (Abb. 12). Konstruktiv wird die mechanische Kopplungen von Einzugshilfen und Pumpen häufig durch eine hydraulische Verriegelung gelöst, die der Anwender zum Reinigen öffnet. Aus ergonomischen Gründen wird dann entweder die Einzugshilfe oder die Pumpe verfahren beziehungsweise weggeklappt, wodurch die Anlage im Reinigungsmodus zusätzlich Platz im Produktionsbereich benötigt.

Bei innenliegenden Speisewalzen entfällt das Plastifizieren vor der Pumpe. Es entsteht kein Vorlagedruck, sodass ausschließlich die Leitbleche, die den Streifen zur Speisewalze führen, entfernt werden müssen. Der manuelle Aufwand zur Vorbereitung der Reinigung ist deutlich geringer und es wird kaum zusätzlicher Platz für die Reinigung benötigt. Somit entsteht bei innenliegenden Speisewalzen-Anlagen auch kein Prozessabfall aus dem Saugbereich.

Ein zusätzlicher Vorteil bei den Varianten mit Speisewalzen ist die einfache Zugänglichkeit der Zahnräder auf der Beschickungsseite der Pumpe. Dies erleichtert das Reinigen der Zahnräder erheblich und ermöglicht es auch, den Prozess zu automatisieren. Dazu eignet sich Trockeneis. Erste hierzu durchgeführte Versuche verliefen vielversprechend.

Der Aufwand zum Reinigen der Zahnräder (Abb. 13) und die dort verbleibende Mischungsreste hängen mit der Größe des Leckstroms zusammen. Dieser ergibt sich über die Nutzung der Anlage aus dem Verschleiß beziehungsweise hängt von der Fertigungsgenauigkeit der Zahnräder ab. Also beides Faktoren, die sich aus der Qualität der verwendeten Zahnräder ergeben.

Ein erheblicher Aufwand bedeutet auch heute noch die Reinigung der Stützscheibe (Abb. 14). Durch eine zusätzliche Stützscheibe kann die Anlagenverfügbarkeit bereits erhöht werden, da die Reinigungsdauer nun nicht mehr den Anlagenstillstand beeinflusst. Die manuelle Reinigung ist dann jedoch parallel zum laufenden Betrieb zu organisieren.

Einige Anlagenbauer bieten daher bereits mehr oder minder automatisierte Lösungen nach dem Druck-/Saugprinzip bzw. Bestrahlungsprinzip an.

Bei beiden Konzepten wird in einem ersten Arbeitsschritt die Stützscheibe vom Sieb getrennt. Für das Druck-/Saugprinzip wird nun die Stützscheibe eingespannt und einseitig mit Druck bzw. Unterdruck beaufschlagt. Hiermit soll erreicht werden, dass das Gummi sich flächig aus den Bohrungen der Stützscheibe löst. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass das Gummi sich nicht immer gleichmäßig von der Scheibe trennt und es bei vereinzelten Bohrungen zu einem Ausgleich zwischen dem Druck- und dem Saugbereich kommen kann. Auf Grund dieses „Kurzschlusses“ wirken auf die anderen Bohrungen keine Kräfte und die Restreinigung hat manuell zu erfolgen. Alternativ soll das Bestrahlungskonzept vorgestellt werden. Hier wird die Stützscheibe in einer Kabine auf eine drehbare Aufnahme gelegt und mit einer linear geführten Bestrahlungsvorrichtung beschossen. Als Strahlungsmedium kommen z.B. Trockeneis oder Wasser in Frage.

 

 

Quellen

[1] T. Wilhelmsmeyer, Zahnradpumpen in der Elastomertechnik, Diss. 2006

[2] G. Ivarsson, Comparison of Variable Speed Drives, 2011

[3] Zahnradpumpenextruder, Firmenschrift Paul Troester Maschinenfabrik, Hannover 2000

[4] T. Bartilla, Zahnradpumpen in neune Extrusionsanwendungen, Kunstsoffe 82 (1992) Heft 10

[5] F. Röthemeyer, Skriptum zur Vorlesung, Verfahrenstechnik der Kautschukverarbeitung I, Hannover 1993

Über den Autor

Johannes Jennissen

Geschäftsführer bei Rado Engineering, Lippstadt