Die Exzenterbuchse des Kegelbrechers, ein rotierendes Kernelement um die Hauptwelle, ist für den Antrieb der Brechbewegung von entscheidender Bedeutung. Ihre Hauptfunktionen sind die Erzeugung einer Exzenterbewegung (Umwandlung der Rotationsbewegung in eine Umlaufbewegung der Hauptwelle und des beweglichen Kegels), die Drehmomentübertragung, die Aufnahme von Lasten (bis zu Tausenden von Kilonewton) und die Funktion eines Schmierkanals.
Strukturell handelt es sich um eine zylindrische oder konische Hülse mit versetzter Innenbohrung, die aus Komponenten wie dem Buchsenkörper (hochfester legierter Stahl oder Stahlguss wie 42CrMo oder ZG42CrMo), einer exzentrischen Bohrung (mit 5–20 mm Versatz), einer Verzahnung (Evolventenprofil, Modul 10–25), Schmierkanälen, Flansch/Schulter und verschleißfester Auskleidung (Bronze oder Weißmetall) besteht.
Für große Buchsen (Außendurchmesser > 500 mm) umfasst der Gießprozess die Materialauswahl (ZG42CrMo), die Modellherstellung (mit Schrumpfungstoleranzen), das Formen (harzgebundene Sandform), das Schmelzen und Gießen (kontrollierte Temperatur und Durchflussrate), das Abkühlen und Ausschalen sowie die Wärmebehandlung (Normalisierung und Anlassen). Der Bearbeitungsprozess umfasst die Grobbearbeitung, die Zahnradbearbeitung, die Wärmebehandlung zum Härten (induktionsgehärtete Zahnräder auf HRC 50–55), die Feinbearbeitung (Schleifen auf AGMA 6–7-Genauigkeit), den Einbau einer verschleißfesten Laufbuchse und das Auswuchten.
Die Qualitätskontrolle umfasst Materialprüfungen (chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften), Maßprüfungen (KMG und Lasertracker für Exzentrizität und Konzentrizität), Härte- und Mikrostrukturprüfungen, zerstörungsfreie Prüfungen (UT und MPT) sowie Leistungsprüfungen (Rotations- und Belastungstests). Diese stellen sicher, dass die Exzenterbuchse die Präzisions- und Haltbarkeitsanforderungen für einen effizienten Kegelbrecherbetrieb in Hochleistungsanwendungen erfüllt.
Detaillierte Einführung in die Exzenterbuchsenkomponente des Kegelbrechers
1. Funktion und Rolle der Exzenterbuchse
Die Exzenterbuchse des Kegelbrechers (auch Exzenterhülse oder Exzenterzylinder genannt) ist ein rotierendes Kernelement, das sich um die Hauptwelle herum befindet und eine zentrale Rolle bei der Brechbewegung spielt. Zu ihren Hauptfunktionen gehören:
Erzeugung exzentrischer Bewegungen: Umwandlung der Drehbewegung des Antriebszahnrads in die exzentrische (orbitale) Bewegung der Hauptwelle und des beweglichen Kegels, wodurch die Zerkleinerungswirkung durch periodisches Schließen und Öffnen des Spalts zwischen dem beweglichen und dem festen Kegel entsteht.
Drehmomentübertragung: Übertragen des Drehmoments vom Ritzel (durch Eingriff mit dem Exzenterrad) auf die Hauptwelle, wodurch ausreichend Kraft zum Zerkleinern harter Materialien wie Erze und Steine gewährleistet wird.
Tragfähigkeit: Aufnahme der beim Zerkleinern entstehenden radialen und axialen Belastungen (bis zu Tausenden von Kilonewton) und gleichmäßige Verteilung auf Rahmen und Lager.
Schmierkanal: Interne Ölkanäle im Gehäuse, die Schmiermittel an die Hauptwelle und die Lager liefern und so Reibung und Wärmeentwicklung bei Hochgeschwindigkeitsrotation (normalerweise 150–300 U/min) reduzieren.
Aufgrund ihrer Rolle im Hochlast- und Hochgeschwindigkeitsbetrieb muss die Exzenterbuchse über außergewöhnliche Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Maßgenauigkeit verfügen, um einen vorzeitigen Ausfall zu vermeiden.
2. Zusammensetzung und Aufbau der Exzenterbuchse
Die Exzenterbuchse ist eine zylindrische oder konische Hülse mit versetzter Innenbohrung und weist folgende Hauptkomponenten und Konstruktionsdetails auf:
Buchsenkörper: Eine dickwandige zylindrische Struktur aus hochfestem legiertem Stahl (z. B. 42CrMo oder 35CrMo) oder hochwertigem Stahlguss (ZG42CrMo). Die Außenfläche ist oft mit einem großen Zahnrad (Exzenterrad) ausgestattet, das mit dem Ritzel kämmt, mit einem Modulbereich von 10–25 und einer Zähnezahl von 30–80.
Exzentrische Bohrung: Eine zentrale Bohrung mit einem Versatz (Exzentrizität) im Verhältnis zum Außendurchmesser, typischerweise 5–20 mm, je nach Brechermodell. Dieser Versatz bestimmt den Hub des beweglichen Kegels und wirkt sich direkt auf die Brechleistung und den Durchsatz aus.
Zahnradzähne: An der Außenfläche der Buchse angeformt oder angeschweißt, mit Evolventenprofil (Eingriffswinkel 20°), um einen reibungslosen Eingriff mit dem Ritzel zu gewährleisten. Das Zahnrad ist für die Übertragung hoher Drehmomente ausgelegt und hat eine Zahnbreite von 150–400 mm.
Schmierkanäle: Interne Bohrungen oder Nuten, die mit dem Hauptschmiersystem verbunden sind und Öl an die Schnittstelle zwischen Buchse und Hauptwelle sowie an die oberen und unteren Lager liefern.
Flansch oder Schulter: Ein radialer Vorsprung an einem Ende der Buchse, der als Axiallagerfläche dient, um axiale Belastungen aufzunehmen und die axiale Bewegung relativ zum Rahmen zu begrenzen.
Verschleißfeste Auskleidung: Eine austauschbare Innenhülse aus Lagerbronze (z. B. ZCuSn10Pb1) oder Weißmetall, die in die Innenbohrung gepresst wird, um die Reibung zwischen der Buchse und der Hauptwelle zu verringern.
Die Exzentrizität (Versatz zwischen Innen- und Außenachse) wird präzise gesteuert, um einen gleichmäßigen Hub des beweglichen Kegels zu gewährleisten, was sich direkt auf die Produktionskapazität und Produktgröße des Brechers auswirkt.
3. Gießverfahren für die Exzenterbuchse
Für große Exzenterbuchsen (Außendurchmesser 500 mm) ist das Gießen das bevorzugte Herstellungsverfahren, um komplexe Formen und eine integrierte Zahnradbildung zu erreichen:
Materialauswahl:
Hochfester Stahlguss (ZG42CrMo) wird aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften ausgewählt: Zugfestigkeit ≥800 MPa, Streckgrenze ≥600 MPa und Schlagzähigkeit ≥45 J/cm². Er bietet nach der Wärmebehandlung eine gute Härtbarkeit und Verschleißfestigkeit.
Musterherstellung:
Aus Holz, Schaumstoff oder 3D-gedrucktem Harz wird ein maßstabsgetreues Muster erstellt, das den Außendurchmesser der Buchse, die exzentrische Bohrung, die Verzahnung (vereinfacht), den Flansch und die Positionen der Schmierkanäle nachbildet. Schrumpfungstoleranzen (2–2,5 %) werden hinzugefügt, wobei für die Verzahnung und dickwandige Abschnitte größere Toleranzen vorgesehen sind.
Das Muster umfasst Kerne zur Bildung der exzentrischen Innenbohrung und der Ölkanäle, wodurch die Maßgenauigkeit des Versatzes gewährleistet wird.
Formen:
Es wird eine harzgebundene Sandform mit separaten Kernen für die Innenbohrung und die Verzahnung vorbereitet. Form und Kerne werden mit einer feuerfesten Schlichte (auf Aluminiumoxidbasis) beschichtet, um das Eindringen von Metall zu verhindern und die Oberflächengüte zu verbessern.
Die Form wird mit präziser Ausrichtung des inneren Kerns zusammengebaut, um sicherzustellen, dass die Exzentrizität (Versatz) den Konstruktionsspezifikationen entspricht (Toleranz ±0,1 mm).
Schmelzen und Gießen:
Der Gussstahl wird in einem Lichtbogenofen bei 1530–1570 °C geschmolzen, wobei die chemische Zusammensetzung auf 0,38–0,45 % C, 0,9–1,2 % Cr und 0,15–0,25 % Mo eingestellt wird, um ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit herzustellen.
Das Gießen erfolgt mit einer Bodengießpfanne und einer kontrollierten Durchflussrate (100–200 kg/s), um Turbulenzen zu vermeiden und eine vollständige Füllung der Form, insbesondere der Zahndetails, zu gewährleisten. Die Gießtemperatur wird bei 1490–1530 °C gehalten.
Abkühlen und Ausschütteln:
Das Gussteil wird 72–120 Stunden in der Form gekühlt, um die thermische Spannung zu minimieren, und anschließend durch Vibration entfernt. Sandrückstände werden durch Kugelstrahlen (G18-Stahlkorn) entfernt, wodurch eine Oberflächenrauheit von Ra50–100 μm erreicht wird.
Wärmebehandlung:
Durch Normalisierung (860–900 °C, luftgekühlt) wird die Kornstruktur verfeinert, gefolgt von Anlassen (600–650 °C), um die Härte auf 220–260 HBW zu reduzieren und so die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
4. Bearbeitungs- und Herstellungsprozess
Schruppbearbeitung:
Der Gussrohling wird auf einer CNC-Drehmaschine mit Exzentervorrichtung montiert, um den Außendurchmesser, die Flanschfläche und die äußere Zahnradreferenzfläche zu bearbeiten. Dabei wird eine Fertigungstoleranz von 5–8 mm eingehalten. Die Innenbohrung wird vorgebohrt, um die Exzentrizität mit einer Toleranz von ±0,2 mm festzulegen.
Zahnradbearbeitung:
Die Außenverzahnung wird mit einer CNC-Wälzfräsmaschine grob bearbeitet, mit einer Toleranz von 0,5–1 mm für die Endbearbeitung. Die Verzahnungsparameter (Modul, Eingriffswinkel, Zähnezahl) werden präzise gesteuert, um sie an das Ritzel anzupassen.
Wärmebehandlung zum Härten:
Die Verzahnung und die Außenfläche werden bis zu einer Tiefe von 2–5 mm induktionsgehärtet, wodurch eine Oberflächenhärte von HRC 50–55 erreicht wird, die die Verschleißfestigkeit erhöht. Die Innenbohrung und die Lagerflächen weisen aus Gründen der Zähigkeit eine geringere Härte (HRC 25–35) auf.
Durch das Anlassen bei 200–250 °C werden Restspannungen durch die Härtung abgebaut und so Rissbildung bei der anschließenden Bearbeitung verhindert.
Fertigbearbeitung:
Außendurchmesser und Zahnradzähne: Die Außenfläche und die Zahnräder werden mit einer CNC-Zahnradschleifmaschine fertiggeschliffen, um eine Genauigkeit von AGMA 6–7 mit einer Zahnprofilabweichung von ≤0,02 mm und einer Oberflächenrauheit von Ra0,8 μm zu erreichen.
Innenbohrung: Die exzentrische Innenbohrung ist fertig gebohrt und auf eine Maßtoleranz von IT6 gehont, mit einer Oberflächenrauheit von Ra0,4 μm, um eine ordnungsgemäße Passung mit der verschleißfesten Laufbuchse zu gewährleisten.
Schmierkanäle: Öllöcher und -nuten werden gebohrt und mit Gewinde versehen, mit präziser Positionierung (±0,2 mm), um sie auf das Schmiersystem der Hauptwelle auszurichten.
Installation einer verschleißfesten Auskleidung:
Die Laufbuchse aus Bronze oder Weißmetall wird mit einer hydraulischen Presse in die Innenbohrung gepresst. Für eine sichere Verbindung wird eine Presspassung (0,05–0,1 mm) verwendet. Die Innenfläche der Laufbuchse wird fertiggedreht, um dem Durchmesser der Hauptwelle zu entsprechen.
Ausgleich:
Die montierte Exzenterbuchse wird auf einer Auswuchtmaschine dynamisch ausgewuchtet, um die Massenexzentrizität zu korrigieren und bei Betriebsgeschwindigkeit Vibrationspegel von ≤0,1 mm/s sicherzustellen, um übermäßigen Verschleiß der Lager zu vermeiden.
5. Qualitätskontrollprozesse
Materialprüfung:
Durch Analyse der chemischen Zusammensetzung (mittels optischer Emissionsspektrometrie) wird bestätigt, dass der Legierungsgehalt den Standards entspricht (z. B. 42CrMo: C 0,38–0,45 %, Cr 0,9–1,2 %).
Zugversuche an Gussproben bestätigen die mechanischen Eigenschaften: Zugfestigkeit ≥800 MPa, Dehnung ≥12 %.
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) prüft wichtige Abmessungen: Exzentrizität (Versatz zwischen Innen- und Außenachse, Toleranz ±0,05 mm), Zahnradparameter und Innen-/Außendurchmessertoleranzen.
Ein Lasertracker überprüft die Konzentrizität des Außenzahnrads und der Innenbohrung und stellt so die Ausrichtung mit der Hauptwelle sicher.
Härte- und Mikrostrukturprüfung:
Die Oberflächenhärte der Zahnräder wird mit einem Rockwell-Härteprüfgerät gemessen (HRC 50–55 erforderlich).
Durch eine metallografische Analyse werden die Tiefe und Gleichmäßigkeit der gehärteten Schicht überprüft, um sicherzustellen, dass weder übermäßiger Martensit noch Risse vorhanden sind.
Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):
Mittels Ultraschallprüfung (UT) wird der Buchsenkörper auf innere Defekte (z. B. Schrumpfporen, Risse) mit einer Größenbegrenzung von φ2 mm untersucht.
Durch die Magnetpulverprüfung (MPT) werden Oberflächenrisse in den Zahnrädern und in spannungsbelasteten Bereichen (z. B. Flanschfüßen) erkannt.
Leistungstests:
Rotationsprüfung: Die Buchse wird auf einem Prüfstand montiert und 2 Stunden lang mit Betriebsgeschwindigkeit gedreht, wobei Vibration und Temperatur überwacht werden, um die Stabilität sicherzustellen.
Belastungsprüfung: Eine simulierte Axiallast (120 % der Nennlast) wird 1 Stunde lang angewendet. Die Kontrolle nach dem Test zeigt keine Verformung oder Lagerversagen.
Durch diese strengen Fertigungs- und Qualitätskontrollprozesse erreicht die Exzenterbuchse die Präzision und Haltbarkeit, die für die Erzeugung der für einen effizienten Kegelbrecherbetrieb wesentlichen Exzenterbewegung erforderlich ist, und gewährleistet so eine zuverlässige Leistung bei Hochleistungsanwendungen im Bergbau und bei der Verarbeitung von Zuschlagstoffen.
