Walzenantrieb – Whitepaper ROMIL

Die Zerkleinerung von Getreidekörnern wurde seit jeher durch Druck und Scherung vollzogen. Vor etwa 27.000 Jahren wur- den zum ersten Mal Mahlsteine für deren Zerkleinerung verwendet. Mittels einer oszillierenden Bewegung des Mahlsteins gegenüber einer Gegenfläche konnten die dazwischenliegenden Getreidekörner beansprucht werden. Bei vielen nachfolgenden Entwicklungen wurde das Prinzip beibehalten, dass eine Mahlfläche ortsfest und eine relativ dazu in Bewegung gehalten wird. Beispielsweise durch ein horizontales oder vertikales Scheibenpaar, einen Konus mit Gegen- stück oder eine Walze mit angrenzender Gegenfläche. Dabei führt die ortsfeste Gegenfläche keine Leistung aus, da sie zwar Kräfte aufnimmt, aber keinen Weg macht. Dies änderte sich mit der Entwicklung der Walzenvermahlung im 18. Jahrhundert.

Das Mitbewegen der bisher ortsfesten Gegenfläche brachte mehrere Vorteile. Mit der Ausführung als zwei parallele, gegen- läufige Walzen mit ihren jeweiligen Drehzahlen konnten Druck und Scherung als maßgebende Einflussgrößen gezielt und voneinander unabhängig vorgegeben werden. Es waren zum Beispiel eine Durchsatzsteigerung und eine erwünschte se- lektive Vermahlung möglich. Dank vielen weiteren Parametern wurden mehrstufige, ausgeklügelte Vermahlungsprozesse entwickelt.

Aus Sicht des Maschinenbauers ist ein Element bei der Walzenvermahlung besonders erwähnenswert: Der sogenannte Übertrieb, das heisst die Kopplung der beiden Walzendrehzahlen. Mit der technisch einfachen Konstruktion – nämlich zwei unterschiedlich grossen, ineinandergreifenden Stirnräder an einem Ende des Walzenpaars – ist eine geniale Lösung ge- lungen. Bei der für Getreide-Walzenstühle typischen Konstellation muss die langsame Walze stets abgebremst werden, um das gewünschte Drehzahlverhältnis aufrecht erhalten zu können. Bei konstantem Drehzahlverhältnis der Vermahlung, kann diese erstaunlich hohe Bremsleistung an der langsamen Walze direkt via Stirnräder an die schnelle Walze zurückgeführt werden.

Bei einem typischen Walzenpaar wird also die schnelle Walze durch einen Elektromotor angetrieben und diese schnelle Walze treibt via Mahlgut im Mahlspalt die langsame Walze an. Der Übertrieb hindert die langsame Walze daran, die Dreh- zahl der schnellen Walze zu erreichen und gibt die Bremsleistung an die schnelle zurück. Somit wird ein überragend grosser Teil mechanischer Leistung im Kreis geführt. Messungen zeigen, dass die Bremsleistung an der langsamen Walze sehr gross ist im Vergleich zur eingebrachten Leistung ins Walzenpaket. Bei Glattpassagen ist diese Bremsleistung in der Regel sehr viel grösser als die Zerkleinerungsleistung. Umso wichtiger ist es, dass diese bei hohem Wirkungsgrad an die schnelle Walze zurückgeführt wird. Die Walzen verspannen sich aufgrund des Mahlguts und des Übertriebs. Aus den gemessenen Momenten an den Walzen lässt sich ein Momentverhältnis bilden, das bei für Walzenstühle typischen Betriebsbedingungen in einem gewissen Be- reich liegt. Die Einflüsse auf dieses Momentverhältnis sind komplex. Wie hoch die Bremsleistung ist, wird durch das Dreh- zahlverhältnis und durch obiges Momentverhältnis bestimmt: – Je kleiner die Drehzahl der langsamen Walze im Vergleich zur schnellen, desto kleiner ist die erforderliche Bremsleistung. – Je stärker sich die Walzen gegeneinander verspannen, desto grösser ist die erforderliche Bremsleistung. Selbstverständlich sagt obiger Sachverhalt nichts über die effektive Zerkleinerungsleistung aus, also die Leistung, die als Differenz zwischen Antriebs- und Bremsleistung im Mahlspalt umgesetzt wird.

Druck kann im Betrieb durch einen variablen Mahlspalt auf einfache Art variiert werden. Eine im Betrieb variable Scherung erzeugt durch ein veränderbares Drehzahlverhältnis muss hingegen teuer erkauft werden. Sei dies durch eine Rückführung der Bremsleistung bei entsprechenden Verlusten und/oder durch einen technisch aufwändigen Maschinenaufbau. Deshalb wurde der gewonnene Freiheitsgrad durch ein variables Drehzahlverhältnis immer sehr stiefmütterlich behandelt, für jewei- lige Passagen optimiert und im Betrieb grösstenteils konstant belassen.

Der Vergleich der beiden Passagen zeigt, dass sich die Leistungen der Ausmahlpassage trotz kleinerer Zerkleinerungs- leistung auf höheren Niveaus befinden als diejenigen der Schrotpassage. Dies gilt selbstverständlich sinngemäß auch für weniger stark ausgelastete Passagen.

Variabilität vs. Wirtschaftlichkeit Ein im Betrieb variables Drehzahlverhältnis lässt sich heutzutage am einfachsten umsetzen, in dem beide Walzen mit je einem Motor versehen und die zugehörigen Frequenzumrichter im Zwischenkreis verbunden werden. Dieser Walzen-Einzel- antrieb kann als Direktantrieb oder durch einen abgesetzten Motor mit Riementrieb ausgeführt sein. Da in einem solchen System die Bremsleistung beim generatorisch betriebenen Motor der langsamen Walze aus dem System und via Motor an der schnellen Walze wieder ins System geführt wird, muss z.B. der Motor an der schnellen Walze viel grösser gewählt werden als bei einem vergleichbaren Walzenpaket mit fixem Drehzahlverhältnis.

Denn sie wissen nicht immer, was sie tun… Um bei einem Walzenpaket mit Walzen-Einzelantrieb den vollen Freiheitsgrad nutzen zu können, müssen selbstverständlich Nennmomente bzw. Nennleistungen der Komponenten genügend gross gewählt werden. Dies darf nicht unterschätzt wer- den. Über den im Allgemeinen unbekannten Leistungsfluss beim fixen Übertrieb muss man sich keine Gedanken machen. Ist die Leistungsübertragung schnelle Walze → Produkt → langsame Walze gross, dann ist eben die Übertriebsleistung gross und es wird mehr Leistung im Kreis geführt. Die notwenige Antriebsleistung tangiert dies nicht und es kann mit den üblichen Annahmen für den Leistungsbedarf (kW pro t/h) gerechnet werden. Nicht so beim Walzen-Einzelantrieb: Die komplexe Kraftübertragung im Mahlspalt hat direkten Einfluss auf die notwenige Antriebs- und Bremsleistung und die Wahl der Komponentengrösse, da die Leistung komplett elektrisch aus- und wieder in das Paket eingeführt werden muss. Falsche Auslegungen führen dazu, dass der Durchsatz reduziert oder die Mahlarbeit verringert werden muss oder das prozesstechnisch optimale Drehzahlverhältnis nicht auf- rechterhalten werden kann.

Variabilität in Mühlen In einer Getreidemühle gibt es eine Vielzahl an Schrot- und Mahlpassagen, wo sich ein im Betrieb variables Drehzahlverhält- nis nicht rechnet. Hingegen kann die Variabilität bei einzelnen Passagen sinnvoll sein, um mit deren Hilfe Spezialprodukte erzeugen zu können. Dies kann zum Beispiel eine Schrotpassage sein, wo damit im Extremfall die Riffelstellung (Rücken/ Rücken zu Schneide/Schneide) geändert wird oder eine Glattpassage, bei der man mit einem hohen Drehzahlverhältnis be- sonders viel Scherung erzeugen möchte.

Die Energieeffizienz kann durch die Optimierung des Mühlendiagramms und den Einsatz energieeffizienter Maschinen er- reicht werden. Einem System Energie zu entziehen und diese dem System wieder rückzuführen, resultiert in einer schlech- teren Energieeffizienz. Die Leistungsverluste sind beim Walzen-Einzelantrieb größer, weil die Energierückgewinnung für diese Anwendung nicht energieeffizient ist. Ist die Variabilität des Drehzahlverhältnisses für die Herstellung spezieller Produkte erforderlich, so kann dies für ausge- wählte Passagen mit individuell zugeordneten Motoren problemlos realisiert werden. Die technische Einfachheit und der hohe Wirkungsgrad des traditionellen Riemenantriebs sind für einen energieeffizienten Walzenstuhl von Vorteil. In Ver- bindung mit moderner Produktniveauregelung und -zuführung sowie der präzisen Einstellung und Stabilität des Mahlspalts durch robuste Walzenpakete ergibt sich ein insgesamt energieeffizienter Mahlprozess. Für technische Systeme sollte gene- rell nur die benötigte Energie in geeigneter Form für eine optimale Energieeffizienz zugeführt werden. Der Trend zur Prozessoptimierung durch energieeffiziente Anlagen mit nachhaltigen Maschinen in der Mühlenindustrie spart nicht nur Kosten, sondern unterstützt auch das Fachpersonal bei ihrer Arbeit. Innovative Konzepte ermöglichen ener- gieeffiziente und lebensmittelsichere Lösungen für die Mühlenindustrie zur Verarbeitung von pestizidarm angebautem Getreide in käferfreien Mühlen.