Entwicklung eines kippbeweglichen/selbsteinstellenden Ritzels für den Antrieb von Miningmühlen

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kippbeweglichen/ selbsteinstellenden Ritzels zum Ausgleich von Flankenlinienabweichungen des Zahnkranzes auf einer Rohrmühle. Der Zahnkranz weist aufgrund von verschiedensten Faktoren (Montage,- Ausrichtungs,- und Fertigungsungenauigkeiten, Durchbiegung des Mühlenrohres unter verschiedenen Füllgraden und thermischen Verformungen) Abweichungen zur idealen, theoretischen Zahnform auf. Diese Abweichungen führen zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung entlang der Zahnflankenbreite und zu sogenanntem Kantentragen, was in Folge zu Verschleiß und Zahnflankenschäden des verhältnismäßig teuren Zahnkranzes und des Ritzels führen kann. In der Tragfähigkeitsberechnung nach DIN 3990 wird die ungleichmäßige Lastaufteilung entlang der Zahnbreite mit einem Breitenfaktor berücksichtigt. Diese Breitenfaktoren werden bei einer konventionellen Ritzelwelle ab einer gewissen Zahnbreite so groß, dass aus einer weiteren Erhöhung der Breite ceteris paribus keine nennenswerte Erhöhung der Tragfähigkeit resultiert. In solchen Fällen wird die tragende Breite teilweise sogar kleiner als die Zahnbreite, d.h. die Last ist nicht über die gesamte Zahnbreite verteilt. Flankenlinienabweichungen steigen i.A. mit der Zahnbreite. Besonders bei großen Zahnbreiten (z.B. 900mm), wie sie bei Rohrmühlen verwendet werden, sollte durch die Verwendung eines kippbeweglichen Ritzels eine deutliche Verbesserung der Breitenlastaufteilung mit sich bringen. Um die Vorteile eines kippbeweglichen Ritzels bewerten zu können, wurde als Ausgangspunkt für die Entwicklung ein Referenzprojekt gewählt, wo sich bei der Tragfähigkeitsberechnung einer schrägverzahnten Ritzelwelle eine relativ große erforderliche Zahnkranzbreite von b= 865mm ergibt. Die Kippbeweglichkeit des Ritzels ist stark von der Reibung in den Gelenklagern und der Zahnkupplung im Inneren des Ritzels abhängig. Das sich einstellende Schmierverhältnis in den Lagern und in der Kupplung, ausgedrückt durch den Reibwert µ, beeinflusst entscheidend die Wirkungsweise eines kippbeweglichen Ritzels. Diese Reibung wird in dieser Arbeit mit einem Korrekturfaktor für den Breitenfaktor in der Tragfähigkeitsberechnung nach DIN 3990 berücksichtigt. Unter der Annahme eines Reibwertes µ= 0,2 wurde ermittelt, dass die Zahnkranz-Zahnbreite auf 780mm bei der Verwendung eines geradverzahnten kippbeweglichen Ritzels verringert werden kann. Abschließend wurden für alle relevanten Maschinenelemente im kippbeweglichen Ritzel eine Tragfähigkeits-, bzw. Lebensdauerberechnung durchgeführt und Fertigungszeichnungen erstellt.

The purpose of this thesis is the development of a tiltable/ self-adjusting pinion to compensate the flank line deviation of a gear rim on a tubular mill. Due to various factors (inaccuracies due to installation, adjusting, machining; mechanical deformations of the mill tube due to varying filler content and thermal deformations) the gear rim has deviations to its ideal, theoretical tooth profile. These deviations are resulting in an unequal load distribution along the tooth width and in edgewise supporting contact and wear. This can lead to tooth flank damages of the relatively expensive gear rim and the pinion. The unequal load distribution along the tooth width is considered in the load capacity calculation according to DIN 3990 with load factors. These load factors are raising at conventionally used pinion shafts with the tooth width, so that at a certain tooth width ceteris paribus no noteworthy increase of the load capacity is to be expected. In such cases, the supporting tooth width is smaller than the actual tooth width, which means the load is not equally distributed along the whole tooth width. Flank line deviations are rising usually with the tooth width. The gear rims which are typically used at tube mills are reaching tooth widths up to 900mm. At such large tooth widths, the usage of a self-adjusting pinion should lead to a significant improvement of the load distribution along the tooth width. To evaluate the improvements due to a self-adjusting pinion a reference project has been chosen, where the load capacity calculation of the helically toothed pinion shaft leads to a relatively large tooth with of a gear rim of b= 865mm. The tiltability of the pinion is heavily influenced by the friction in the angular contact spherical plain bearings and by the toothed coupling in the inner of the pinion. The lubrication conditions in the bearings and in the coupling, represented by the friction coefficient µ, are crucially influencing the effectiveness of the tiltable pinion. Here in this work the friction is considered with a rectification coefficient for the load factor in the load capacity calculation according to DIN 3990. With the assumption of a friction coefficient µ= 0,2 the gear rim tooth width of 865mm at a helically toothed gear rim can by reduced by the usage of a spur-toothed, tiltable pinion down to 780mm. Finally, for all relevant elements in the tiltable pinion a load capacity calculation, or a service life calculation have been executed and manufacturing drawings have been prepared.