GEA macht Schluss mit der Knüppelei

Wie die aktive Drehmomentregelung von GEA für Dekanterzentrifugen die Wirtschaftlichkeit steigert.

Knarrende Türen, quietschende Bremsen oder stotternde Pneumatikzylinder und diskontinuierlich laufende Schlitten an Werkzeugmaschinen – Folgen eines Phänomens, das sowohl im Alltag als auch im industriellen Einsatz meist unerwünscht ist: der Stick-Slip-Effekt.

Dieser schädliche Effekt kann auftreten, wenn die Haftreibung zwischen den gegeneinander bewegten Festkörpern größer ist als die Gleitreibung. Wird die Rutschgeschwindigkeit des Festkörpers zu gering, bleibt er stecken und benötigt zusätzliche Energie, um wieder ins Rutschen zu kommen. Dies ähnelt einem unregelmäßigen Rattern: Hängenbleiben – Lösen – Rutschen – Bremsen – Kleben – Lösen – Rutschen und so weiter.

Von außen unsichtbar mit teuren Folgen Der Stick-Slip-Effekt kann auch bei Dekanterzentrifugen, unabhängig vom Maschinenhersteller und der Bauart, auftreten und ist von außen nicht erkennbar: Die Feststoffe des zu verarbeitenden Produkts werden von der Zentrifuge gegen die Trommelwand geschleudert Kraft und von dort durch die Spirale zur Entladung weitergeleitet. Bei Produkten, die im Zentrifugalfeld relativ schwer zu fördern sind, wie beispielsweise Stärke oder Molke bei der Kaseinherstellung, kann dies den Stick-Slip-Effekt auslösen.

Die Feststoffe bewegen sich ungleichmäßig und erzeugen dynamische Belastungen auf die mechanischen Komponenten. Mögliche Auswirkungen: Starke Drehmomentstöße und Schwingungen, die zu Belastungen auf der Antriebswelle führen. Dies führt zu erhöhter Ermüdung und Abnutzung von Maschinenkomponenten wie Trommel, Spirale, Getriebe, Wellen und Kupplung. Stick-Slip erhöht das Risiko ungeplanter, teurer Ausfallzeiten mit kostspieligen Reparaturen.

Den Ursprung identifizieren und durch effiziente Kontrolle beseitigen Dekanter arbeiten mit einem optimal eingestellten Arbeitspunkt, bei dem die Feststoffe möglichst trocken ausgetragen werden. Manchmal liegt der optimale Punkt im Grenzbereich, wo Stick-Slip ein Problem darstellt. Tritt Stick-Slip auf, kann der Effekt durch Anpassung des Arbeitspunktes beseitigt werden.

Option eins: Durch eine erhöhte Differenzgeschwindigkeit können die Feststoffe schneller aus der Trommel gefördert werden (Reduzierung der Feststofffracht in der Trommel), aber weniger trocken.

Oder Option zwei: Die Trommelgeschwindigkeit wird reduziert, um eine leichtere Förderung der Feststoffe zu ermöglichen, allerdings mit entsprechender Reduzierung der Kapazität der Anlage. Beide Optionen haben eines gemeinsam: die beeinträchtigte Wirtschaftlichkeit. Der Anlagenbetreiber weiß nur, dass der Arbeitspunkt angepasst werden muss, um Ruckgleiten zu vermeiden, wenn ein Schaden festgestellt wird, nicht aber um wie viel. Ist die Korrektur zu gering, drohen mechanische Schäden. Ist er zu groß, sind die aus dem Dekanter austretenden Feststoffe feuchter als nötig und die Energiekosten für die nachgeschaltete thermische Trocknung steigen unnötig.

Die Aufgabe besteht also darin, das Auftreten des Stick-Slip-Effekts zuverlässig zu erkennen und so zu steuern, dass unter Berücksichtigung des Stick-Slip-Effekts ein bestmögliches Prozessergebnis erzielt wird. Genau das ist GEA nun mit der Entwicklung der Active Torque Control (ATC) gelungen.

GEA-Lösung: Korrektur der Differenzgeschwindigkeit mittels aktiver Drehmomentregelung Hier haben die Forschungs- und Entwicklungsexperten von GEA Detektivarbeit geleistet: Die detaillierte Analyse der Schadensbilder ergab, dass das Stick-Slip-Phänomen am Antriebsstrang des Dekanters erkannt werden musste. Im Rahmen der Untersuchung wurde die Kopplung zwischen Scrollmotor und Getriebe visuell mittels Hochgeschwindigkeitskamera und Stroboskop überprüft.

Die Ergebnisse zeigten eine sichtbare Schwingung der Kupplungskomponenten, die durch ein dynamisches Drehmoment beim Betrieb an einem Arbeitspunkt innerhalb des Stick-Slip-Grenzbereichs erzeugt wurde. Für die GEA-Ingenieure bedeutete dies die Entwicklung einer neuen sensorbasierten Überwachungs- und Steuerungsmethode, um das Auftreten von Drehschwingungen an der Kupplung präzise zu erkennen und diese je nach Intensität durch eine automatische Änderung des Arbeitspunkts zu vermeiden.

Vorteile von ATC für den Anwender Die innovative Lösung von GEA basiert auf einer automatischen Korrektur der Schneckengeschwindigkeit, die sich schneller dreht als die Trommel, um die Differenzgeschwindigkeit für die Förderung von Feststoffen aus dem Dekanter zu erzeugen. Der Anwender profitiert von automatisierten, präzisen Änderungen im laufenden Betrieb. Auch bei Produkten, die zu Stick-Slip-Bedingungen neigen, kann der Dekanter möglichst nahe am optimalen Arbeitspunkt mit bestmöglicher Trockensubstanzausbeute betrieben werden. Und es rechnet sich: Bei der Stärkeproduktion mit einem GEA CF 6000 Dekanter beispielsweise kann bereits bei einem um nur ein Prozent höheren Trockensubstanzwert der Feststoffe eine jährliche Einsparung von rund 20.000 Euro beim Einsatz des Trockners erzielt werden.

Auch im Kaseinverfahren kann eine um 1-2 Prozentpunkte höhere Trockensubstanz erreicht werden, was zu ca. 15.000 Euro geringeren Trocknungskosten führen kann. Bei dieser Anwendung zeigt das System seine Stärken in einer größeren Anlagenkapazität und vor allem in einer gleichmäßigeren Struktur der Kaseinflocken und dem damit verbundenen stabileren Trocknerbetrieb. Und schließlich wird das Risiko gefürchteter ungeplanter Stillstände drastisch reduziert.

ATC-Ausrüstung für neue und bestehende Maschinen GEA bietet sowohl neue Maschinen der CF-Dekanterserie mit ATC-Ausstattung als auch die Möglichkeit, bestehende CF-Dekanter mit dem revolutionären automatischen Maschinenüberwachungs- und Steuerungssystem ATC nachzurüsten. Erfahrungen mit Dekantern ohne ATC zeigen, dass das Bedienpersonal quasi „blind“ die Differenzgeschwindigkeit erhöht, um auf der „sicheren“ Seite zu sein. Mit ATC können die negativen Folgen in Form zusätzlicher unnötiger Kosten für die nachgeschaltete Trocknung vermieden werden und das Betriebs- und Wartungspersonal kann die Ergebnisse sehen.

Abschluss Mit der automatisch arbeitenden Active Torque Control für CF-Dekanter hat GEA eine Marktneuheit entwickelt, die den Produktionsprozess für Stärke und Kasein nicht nur zuverlässiger, sondern auch unter Stick-Slip-Bedingungen möglichst profitabel macht. Die aktive Drehmomentregelung im Prozessbetrieb bietet dem Anwender im Vergleich zu Dekantern ohne ATC eine optimale Maschinenauslastung und -verfügbarkeit, höchste Prozesssicherheit und -flexibilität, optimale Produktqualität und Ausbeute durch Erhöhung der Trockensubstanz. Dies reduziert die Energiekosten bei der thermischen Trocknung. Würde nur ein einziger Produktionsstopp durch die Folgen des Stick-Slip-Effekts durch das ATC-System verhindert, hätte sich die Investition bereits gelohnt.