Vorrichtung zur Lagerung von Rollen in Rollenöfen

Abstract

 Es wird eine Vorrichtung zur Lagerung von aus keramischem Material bestehenden Rollen in Rollen­öfen, zum Brennen von Fliesen, Sanitärwaren und dergleichen Stein- und/oder Porzellanbrenngut aller Art vorgeschlagen. Das zu brennende Gut wird auf einer Vielzahl von zu einem Rollenförderer zusammen­gefaßten Keramikrollen durch einen Ofen geführt und hier zusammen mit den Keramikrollen einer Wärme­beaufschlagung von größenordungsmäßig 1000°C oder mehr ausgesetzt, wobei die Keramikrollen beidseitig durch die Ofenwandungen hindurchragend außerhalb des Ofens gelagert und in ihrer Gesamtheit einseitig angetrieben sind. Die Rollenlager (RL) sind wenigstens entlang einer Ofenseite definiert aus­richtbar höhen- und/oder winkelverstellbar ange­ordnet und bestehen aus Führungselementen (1) mit einem minimalen Schlupf zwischen diesen und den äußeren hiermit in Eingriff stehenden Umfangsflächen der Keramikrollen (2), wobei die Einspannlänge und deren Ausrichtung im Abhängigkeit von der durch die Belastung bzw. aktive Rollenlänge sich ergebenden inneren Spannung festlegbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vor­richtung zur Lagerung von aus keramischem Material bestehenden Rollen in Rollenöfen zum Brennen von Brenngut gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Ein wesentliches Problem bei Rollenöfen der hier interessierenden Art, ist die Vergröße­rung seiner nutzbaren Breite, also der Be­satzbreite für das zu brennende Keramikgut bei gleichzeitiger Verringerung der Durch­messer der Keramikrollen des Rollenförder­ers durch den Ofen hindurch. Da diese Proble­matik in sich wi-dersprüchlich ist, sind nur Kompromißlösungen denkbar, für die die Be­achtung einer Mehrzahl von Parametern wesent­lich ist. Hierzu gehören neben der Liefer­länge der Keramikrollen insbesondere auch ihre freie, also verfügbare Länge, die durch den Abstand der Rollenauflagen außer­halb und beidseitig des Rollenofens defi­niert ist, sowie die Temperaturlänge der Rol­len, die der lichten Ofenbreite entspricht und ihre Besatzbreite, die letztlich die Ofen­kapazität für das Brenngut bestimmt. Da­neben sind von erheblicher Bedeutung der Elastizitätsmodul der einzelnen Rollen, ihr Flächenmoment und das Biegemoment, die auf die Spannung der Rollen und deren Grenzen unmittelbaren Einfluß haben.

[0003] Ein noch weiterer für die hier anzustellende Betrachtungsweise wichtiger Parameter ist die Ofentemperatur.

[0004] Bei den bisher bekannten Rollenöfen werden die Rollen an einem Ende entlang einer äußeren Ofenseite in Halterungen mit relativ großem freien Spiel aufgenommen. Die Gesamtheit der Halterungen des Ofens, die je nach Ofenlänge viele hundert Rollen aufnehmen, werden über einen Antrieb gemeinsam mit gleicher Winkelgeschwindigkeit gedreht. Da die Rollen untereinander gleiche Außen­durchmesser aufweisen, ergibt sich durch den Ofen hindurch ein Rollenförderer mit gleicher Geschwindigkeit an der Oberfläche der Rollen.

[0005] Die Rollenenden sind frei geführt in dem Sinne, daß sie in ihren Lagern dem Nei­gungswinkel entsprechend der Rollenbelastung bzw. Durchbiegung, der bei maximal einigen Grad liegen kann, folgen können. Das gilt für das der Antriebsseite gegenüberliegende Rollenende ohnehin, da die Rollen dort nur lose auf den Lagern aufliegen.

[0006] Innerhalb des Rollenofens ist seine maximale Temperaturbelastbarkeit begrenzt durch die Temperaturstabilität des verwendeten Rollenmaterials. Bei niedrigen Temperaturen werden aus Kostengründen Stahlrollen verwendet, beim Sinterbrand von Keramikgut müssen die Rollen aus keramischem Material bestehen. Das kera­mische Material der Rollen muß deutlich temperaturstabiler sein als dasjenige der zu sinternden, die Rolle zusätzlich belastenden Keramik. Mit steigender Tem­peraturbelastbarkeit steigen die Her­stellkosten der keramischen Rollen stark an.

[0007] In der Praxis haben sich bisher zwei Materialgruppen durchgesetzt. Eine Ma­terialgruppe baut sich auf der Basis eines Gemisches von Al₂O₃ und SiO₂ auf und ist für nicht so hohe Temperatur-­Anforderungen geeignet. Bei der anderen, auf der Basis von SiC sind die Herstell­kosten sehr viel höher. Aber auch inner­halb der Gruppe der preiswerteren Rollen gibt es erhebliche Unterschiede in der Material-Zusammensetzung und dem Herstel­lungsaufwand mit der Folge erheblicher Unterschiede bezüglich Belastbarkeit und Preis.

[0008] Rollenöfen werden insbesondere für den Brand von Fliesen, Geschirr und von Sa­nitär-Porzellan eingesetzt, wobei die Belastung der Rollen sehr unterschied­lich sein kann. Die Last pro Rolle kann bei Sanitär-Öfen größenordnungsmäßig das zwanzigfache eines Fliesen-Ofens aus­machen, weswegen - gleiche Dimensionen bei Länge sowie Außen- und Innendurch­ messer vorausgesetzt - eine Keramik für einen Sanitär-Ofen viel eher an die Grenzen ihrer Belastbarkeit stößt als für einen Fliesen-Ofen.

[0009] Auch ist es Bestreben der Ofen-Betriebe, den Außendurchmesser der eingesetzten Rollen möglichst klein und damit die Förderoberfläche möglichst homogen zu halten. Dadurch erhält der Rollenförderer zugleich in stärkerem Maße den Charakter eines quasi kontinuierlichen Bandes, so daß ein gleichmäßig abgestützter Durch­lauf des Brennguts durch den Ofen mög­lich wird. Der geringere Durchmesser der Rollen wirkt sich jedoch wiederum un­günstig auf die Belastbarkeit der Rolle aus und begrenzt ihre Einsetzbarkeit er­heblich.

[0010] Für den Ofenbetreiber gibt es den oben genannten weiteren sehr wichtigen Para­meter für die Auswahl eines bestimmten Ofens, nämlich dessen nutzbare lichte Innenbreite. Deren Vergrößerung erhöht bei gleichen Betriebsbedingungen den Energiebedarf des Ofens keineswegs pro­portional, sondern bleibt deutlich darunter. Für das Investitionsvolumen gilt entsprechendes.

[0011] Aus Wirtschaftlichkeitsgründen sind daher die Ofenbetreiber daran interessiert, möglichst breite Öfen einzusetzen, wozu möglichst lange Rollen benötigt werden. Waren etwa vor 10 Jahren Rollenlängen von 2.000 mm noch die Ausnahme, so hat sich diese Grenze inzwischen auf etwa 3.000 mm erhöht und noch breitere Öfen werden gefordert. Auch hier läuft eine sehr wesentliche Forderung der Ofenbe­treiber nach Erhöhung der Wirtschaft­lichtkeit den Möglichkeiten, die durch die Keramik-Rollen und deren Einbau in die bekannten Rollenöfen gegeben sind, entgegen.

[0012] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für aus keramischem Material be­stehende Rollen von Rollenöfen der gattungs­gemäßen Art eine Anordnung und Ausgestaltung der Rollenlagerung zu finden, bei der eine universelle Anwendungsmöglichkeit durch Erhöhung sowohl der Temperatur als auch der statischen Belastbarkeit und der kapazitiven Länge bei möglichst gleich­zeitiger Durchmesserreduzierung unter Einsatz von nicht zu teueren Keramik-End­materialien möglich ist.

[0013] Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungs­gemäß durch die im Kennzeichen des An­spruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

[0014] Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aufgaben­lösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0015] Bei einem vorgegebenen keramischen Material lassen sich die Einsatzgrenzen so gegen­über dem bekannten Stand der Technik erheblich herausschieben, was sowohl für die Anwendung bei
- höheren Temperaturen im Ofeninneren, als auch für
- kleinere Rollendurchmesser,
- größere Ofenbreiten und damit geringere Betriebskosten gilt.

[0016] Erfindungsgemäß werden vorteilhafte Maß­nahmen aufgezeigt, die in jedem einzel­nen Anwendungsfall die Spannungen im Inneren der Rollen weitestmöglich reduzieren. Die Rollen werden an ihren Enden fest einge­spannt und erhalten wahlweise bestimmte Winkelstellungen, wie auch einen Höhen­versatz zueinander.

[0017] Diese Maßnahmen können abhängig oder un­abhängig voneinander abgestimmt werden. Diese Abstimmung muß unter Berücksichtigung bestimmter Beziehungen zwischen den ein­zelnen Parametern erfolgen, wenn ein Optimum an Verbesserung erzielt werden soll. Diese Beziehungen können durch mathematische Gleichungen angegeben werden.

[0018] Jedes Material, das für Rollen Verwendung finden soll, findet seine Einsatzgrenze in erster Linie dadurch, daß die Be­lastungen, denen die Rollen ausgesetzt werden, zu inneren Spannungen σ führen, die einen materialtypischen kritischen Wert σ_krit nicht überschreiten dürfen. Gemäß der erfindungsgemäßen Lehre zum technischen Handeln gelingt es in be­sonders vorteilhafter Weise, durch definierte Maßnahmen die im Ofen resultierenden Spannungen im Inneren der Rolle zu redu­zieren und damit die Einsetzbarkeit eines vorgegebenen Rollenmaterials zu verbessern. Da weiterhin der kritische Wert für die innere Spannung der Rollen für jedes keramische Material mit stei­gender Temperatur absinkt, ergibt sich hieraus, daß die erhöhte Einsetzbarkeit auch höhere Einsatztemperaturen ermöglicht. Bei Rollen aus einem Sintergemisch auf der Basis von Al₂O₃-SiO₂ können je nach den spezifischen Gegebenheiten des einzelnen Anwendungsfalles Temperatur­erhöhungen von 200° C und mehr erzielt werden.

[0019] Sowohl das Eigengewicht der Rolle als auch die durch das Brenngut aufgelegte äußere Last führen dazu, daß sich die einzelne Rolle zwangsläufig durchbiegt, also Krümmungen erfährt. Die auftretenden inneren Spannungen sind ein direktes Maß für diese Krümmungen. Die Lösung der gestellten Aufgabe nach der vorliegenden Erfindung liegt in der überraschenden Erkenntnis, die Durchbiegung der Rolle und damit die in den Rollen im Ofen auf­tretenden Spannungen durch Veränderung der an den Rollenenden bzw. den Rollen­ lagern auftretenden Randwinkel und/oder der Lagerkoordinaten zu reduzieren.

[0020] Hierfür werden die bisherigen freien Rollenlager in bestimmter Weise verändert. Die Rollenenden sind beim Stand der Technik frei geführt, in dem Sinne, daß sie in ihren Lagern dem Neigungswinkel entsprechend der Rollenbelastung bzw. Durchbiegung, der bei maximal 2° liegen kann, folgen können. Das gilt für das der Antriebsseite gegenüberliegende Rollenende ohnehin, da die Rollen dort nur lose auf den Lagern aufliegen.

[0021] Um die sich aus den Durchbiegungen der Rollen, soweit sie unkritisch belastbar sind, ergebenden kleinen Randwinkel wirkungsvoll und definiert zu ändern, bedarf es der erfindungsgemäßen Einspannung in der Halterung, die größenordnungsmäßig nur einen Bruchteil dieser Werte zulassen, also in der Größenordnung von 0,005 Grad. Hierfür ist es wesentlich, die üblichen Halterungen, in die die Rollen etwa 30 mm bis 40 mm tief eingesetzt sind, zu verlängern, um ein- oder beidseitig noch ohne erheb­lichen technischen Mehraufwand realisier­bare Toleranzen vorgeben zu können.

[0022] Ein erheblicher Anteil der heute ver­markteten Keramik-Rollen bleibt an den Rollenenden ungeschliffen, so daß mit Toleranzen von größenordnungsmäßig ± 0,3 mm - total also 600 µm - und mehr gerechnet werden muß. Aber auch die Toleranzen von geschliffenen Rollen liegen beim heutigen Stand der Technik noch bei ± 0,1 mm - total also 200 µm - oder mehr.

[0023] Die der Erfindung zugrunde liegende Auf­gabenlösung umfaßt zwei Möglichkeiten, nämlich einseitig und beidseitig einge­spannte Rollen. Es werden entweder ein­seitige oder beidseitige Rollenlager für die Rollenenden vorgesehen, die diese auf möglichst kleine Winkeltoleranzen fest einspannen, bevorzugt mit einer Ge­nauigkeit von etwa 0,055°, oder es wer­den Rollenlager vorgesehen, die die zu­sätzliche Möglichkeit haben, die Rolle unter einem bestimmten, wohl definierten Winkel α_v austreten zu lassen. Dabei können bei beidseitiger Einspannung die Winkel links und rechts durchaus unter­schiedlich sein.

[0024] Neben diesen wahlweisen oder aber auch kombinierten Möglichkeiten ist zuein­ander noch ein Höhenversatz Δ H zwischen den Rollenlagern zu beiden Seiten des Rollenofens möglich.

[0025] Es können dann exakte Verfahren und Ab­hängigkeiten ermittelt werden, welche Winkel und/oder welcher Höhenversatz in jedem Anwendungsfall die vorteil­hafteste Lösung bringt.

[0026] Der Aufwand, einen möglichst genauen Schliff an einem Rollenende anzubringen, steigt mit zunehmender Anforderung an die Toleranz. Daher wird bevorzugt vorge­schlagen, die Länge der Einspannung des Rollenendes in der Halterung bzw. dem Rollen­lager auf etwa 200 bis 250 mm auszudehnen. Die benötigte Genauigkeit im Winkel wird dann bei einer Schliffgenauigkeit von etwa ± 5 µ, total also 0,01 mm Schlupf erreicht. Der technische Mehraufwand für eine solche Genauigkeit ist vergleichs­weise gering, eine Massenfertigung ist durchaus realisierbar, die Mehrkosten pro Schliff liegen in der Größenordnung von einem Prozent der gesamten Rollenkosten und sind daher von untergeordneter Bedeutung.

[0027] Für die Vorgabe der Toleranzgrenzen ist des weiteren sowohl der keramische Aus­dehnungskoeffizient des Rollenlagers wie auch der Keramikrollen bedeutend.

[0028] Obwohl die Rollenlager außerhalb der Öfen liegen, nehmen sie doch nicht die Raumtemperatur an, sondern eine ober­halb liegende Temperatur von teilweise bis zu 70° C.

[0029] Deshalb wird für die Halterung ein Material gewählt, dessen thermischer Aus­dehnungskoeffizient möglichst nahe bei demjenigen der Rolle liegt, (Δα≃0). Da bei kann auch daran gedacht werden, die Halterung selbst aus Keramik herzustellen.

[0030] Auch kann der äußere Durchmesser D des Rollenschliffs bei der Herstellung be­reits um die bei höherer Temperatur vergrößerte Spaltverbreiterung größer ausgelegt werden.

[0031] Die Rollenhalterung selbst wird so ausge­führt, daß sie wärmebedingte Spaltverbrei­terungen sowie eventuell auch weitere nach­trägliche Materialtoleranzen ausgleichen kann (siehe Fig. 1).

[0032] Bei einer Rollenlänge von größenordnungs­mäßig 3500 mm ergibt sich bei einer Be­triebstemperatur von ca. 1200° C eine Längenausdehnung ΔL der Rolle von ca. 15 mm bis 20 mm gegenüber der Länge bei Zimmertemperatur. Das ist für den Fall der einseitig eingespannten Rolle be­deutungslos, bei der beidseitigen Ein­spannung dagegen muß, vorzugsweise auf der dem Antrieb gegenüberliegenden Seite, diese thermische Expansion ΔL von einer der beiden Rollenlager aufgefangen werden.

[0033] Grundlage für die nachfolgenden Betrachtungen soll sein, daß eine Winkelvorgabe α_v und ein Höhenversatz der Rollenlager möglich ist. Die Vorgaben für Winkel α_v und Höhenversatz ΔH an den Rollenenden für die Rollenlager sind dabei so zu gestalten, daß der Verlauf des Biege­momentes M(x) innerhalb des temperatur­kritischen Bereichs der Länge 1_T, d.h. letztlich der lichten Breite des Rollen­ofens möglichst geringe Absolutwerte annimmt. Außerhalb der Temperaturlänge 1_T dürfen die Biegemomente durchaus stärker zunehmen, da mit sinkender Tempera­tur die für das Rollenmaterial zulässigen Biegemomente bzw. Spannungen rasch an­steigen. Außerhalb des Ofens - also ins­besondere an den Einspannstellen, die hier mit A (bei X = 0) und mit B (bei X = 1) bezeichnet werden sollen, dürfen sogar vergleichsweise sehr hohe Werte in Kauf genommen werden, da die zulässigen Spannungen bei Raumtemperatur um ein Viel­faches höher liegen als im Innenbereich des Ofens.

[0034] Da das Biegemoment vom Maximum in etwa der Rollenmitte nach außen hin abnimmt, (mit einem positiven Maximum in der Nähe der Ofenmitte und nach Durchlaufen des Wertes Null im Wendepunkt der neutralen Faser, mit zunehmend negativen Werten, die an den Einspannpunkten schließlich ihr negatives Maximum erreichen) wird deutlich, daß die Möglichkeit zur Opti­mierung darin besteht, den Verlauf des Biegemomentes im Ofen so zu steuern, daß an den Grenzen des heißen Ofeninneren (von 1_T) das Biegemoment gerade entgegen­gesetzt gleich groß ist dem Maximalwert in der Nähe der oder unmittelbar in der Rollenmitte.

[0035] Für einseitig bzw. beidseitig eingespannte Rollen ist der Verlauf aller relevanten Größen unterschiedlich, weshalb beide Fälle unterschiedlich behandelt werden müssen.

[0036] Berechnung einer einseitig eingespannten Rolle:
Es sei die Seite B bei x = 1 die einge­spannte Seite und die Seite A bei x = 0 die freie Seite

[0037] Es werden definiert:

1) Zur Berücksichtigung des Einflusses des Eigengewichts q1 mit q als Längen­last, d.h. Gewicht pro Länge und 1 al s die freie verfügbare Länge
Vorgabewinkel bei B:

α_v,q bzw. χ_α sind positiv, wenn der Winkel bei B nach oben, also in nega­tive y-Richtung zeigt.
Höhenversatz

ΔH und damit χ_H ist demnach positiv, wenn A niedriger liegt als B (also in Richtung positiver y-Werte), und negativ, wenn A höher liegt als B.

2) Zur Berücksichtigung des Einflusses der äußeren Last F, Gewichtes des Brenngutes, auf die Rolle:
Vorgabewinkel bei

Höhenversatz

Die Vorzeichen von α_v,F und ΔH_F bzw. die von φ_α bzw. φ_H sind analog den­jenigen unter Ziff. 1).

[0038] Weiterhin werden eingeführt:
λ_α = χ_α +

V·φ_α      λ_H = χ_H +

·φ_H
χ = χ_α + χ_H; φ = 3φ_α + φ_H; λ = χ +

·φ

[0039] Dann bestehen in jedem Anwendungsfall bzgl. der Reduzierung der inneren Spannungen genau dann optimale Voraussetzungen, wenn der Wert von λ (genannt λ_opt) folgender Beziehung genügt:
λ_opt = U - √U² + Z mit
U = 5(1+V) + W(9 + 8T) und
Z = -25(1+V)² + W(1+V) · {- 90+176 T}
              + 16 W²·{

- 9T +4T²}

[0040] Da sich λ_opt = (χ +

·φ)_opt aus den beiden Größen χ und φ zusammensetzt, wird deutlich, daß es eine ganze Schar "optimaler" Lö­sungen gibt, daß also eine Winkelvorgabe α_v bei B jeweils mit einem Höhenversatz ΔH der beiden Rolleneinspannungen ge­eignet kombiniert werden kann, so daß eine aus der Schar der optimalen Lösungen entsteht. Die Umsetzung des Erfindungs­gedankens besteht also darin, den Ofen für die Produktion so einzustellen, daß die oben genannte Bedingung für λ erfüllt ist oder wenigstens so weit wie für den technischen Einzelfall wünschenswert.

[0041] Innerhalb der Schar optimaler Lösungen gibt es nun einzelne, deren Wahl in der Praxis ganz besonders vorteilhaft sein können, darunter etwa

(1) λH = λ_opt⇒ λ_α = 0, bei der also die Optimierung der Einspannung voll­ständig durch einen Höhenversatz von Seite A gegenüber Seite B realisiert wird, die Rolle bei B aber genau horizontal eingespannt wird. In der Praxis wird es vorkommen, daß in einem Ofen das Brenngut und damit auch das Gewicht pro Rolle geändert wird. Je nach dem wie groß dieser Gewichtsunterschied ausfällt, wird es sinnvoll sein, dem dadurch ver­änderten Wert von λ_opt dadurch ge­recht zu werden, daß die Einspannbe­dingungen entsprechend modifiziert werden, um den neuen Wert von λ_opt zu er­füllen. Dabei kann es einfacher sein, nur eine von zwei auf einander abzustimmenden Größen nachstellen zu müssen, hier also den Höhenunterschied ΔH, und den Vorgabe­winkel α_v bei null zu belassen. Überdies kann eine Höhenverstellung u.U. besonders einfach dadurch durchgeführt werden, daß Rollen bei B zu einer Mehrzahl oder so­gar zu einer Vielzahl in Gruppen oder Modulen zusammengefaßt eingebaut werden. Es kann dann genügen, die neue optimale Einstellung für 30 oder sogar 50 Rollen eines Moduls simultan dadurch vorzunehmen, daß lediglich zwei Stellschrauben für die Höhenregulierung nachgestellt werden (siehe Fig. 2).

(2) λ_α = λ_opt ⇒ λ_H = 0
Der Vorteil bei dieser Lösung besteht darin, daß die Möglichkeit einer Höhen­verstellbarkeit von A gegenüber B bei der Ofen-Konstruktion nicht einmal vor­gesehen werden müßte, sondern lediglich eine Winkelverstellbarkeit. Also braucht bei Änderung des Besatzes auch nur ein Parameter (hier der Vorgabewinkel α_v) nachgestellt zu werden. Diese Lösung hat gegenüber (1) den Vorteil höherer Symmetrie zwischen linker und rechter Seite, die maximale Durchbiegung der Rolle etwa liegt der Rollenmitte näher.

(3) Die symmetrische Lösung, für die

und
λ_α = λ_opt - λ_H ist.

[0042] Diese Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß z.B. bei einem Fliesen-Ofen der Flie­senteppich beim Verlassen des Ofens am wenigsten verschoben wäre.

[0043] Zur Illustration der Vorteile des Einspannens mit simultanem Höhenversatz zwischen links und rechts werden nachfolgend zwei Beispiele angeführt.

[0044] Die Lieferlänge bzw. Einbaulänge L der Rolle sei L = 3.500 mm, die Einspann­länge rechts (bei B) soll 190 mm und die Auflagelänge links (bei A) soll 25 mm bei Raumtemperatur betragen. Daher beträgt die freie Rollenlänge 1 = L - (190 + 25 mm) = 3.285 mm.

[0045] Die sogenannte Temperaturlänge 1_T (=Breite der Maximaltemperatur im Ofen) sei 2.300 mm = 0,7 1.

[0046] Die Besatzbreite 1 soll ebenfalls 2.300 mm = 0,7 · 1 sein.

[0047] Für T, d.h. das Verhältnis von Temperatur­länge 1_T zur freien Rollenlänge 1, ergibt sich T = 0,7, ebenfalls ist Q = 0,7, wobei Q = 1_b/1 das Verhältnis von Besatzbreite zur freien Rollenlänge ist.

Beispiel 1:

[0048] Fliesenofen mit dem Rollenaußendurchmesser D_a und dem Innendurchmesser D_i (für die üblichen keramischen Hohlrollen)
D_a/D_i = 27 mm/17 mm, so daß
q · 1 = 2,611 kp
Die Fliesenlast pro Rolle sei 1,5 kp = F = 0,5745 · q1, also V = 0,5745.

[0049] Die Berechnung ergibt: λ_opt = 0,5846

[0050] Würde die Rollenlagerung wie bisher vorgnommen, so würde ein keramisches Material auf der Basis Al₂O₃-SiO₂ von der kostengünstigsten Materialgruppe nur bis etwa 900° C ein­setzbar sein, was für einen Fliesenbrand eine deutlich zu niedrige Temperatur bedeutet, d.h. diese kostengünstigste Materialgruppe wäre nicht verwendbar, es müßte eine deutlich teurere Materialgruppe gewählt werden.

[0051] Wird dagegen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgegangen, also z.B. auf Seite B definiert eingespannt und gemäß λ_opt optimiert, so ist dasselbe Material der kostengünstigsten Materialgruppe auf Al₂O₃-SiO₂-Basis noch einsetzbar bis 1.135° C.

[0052] Diese oder etwa niedrigere Temperaturen werden beim Brand von Fliesen häufig ange­wendet.

[0053] Wie erläutert, kann λ_opt in vielfacher Form in der Praxis umgesetzt werden, z.B.

(i) auschließlich durch Höhenversatz ΔH, also α_v = 0
wodurch sich fürΔH ergibt:

(ii) bei einer ausschließlichen Winkelvorgabe α_v ⇒ ΔH = 0 ergibt sich hingegen:

Bei B muß also ein Vorgabewinkel α_v von 0,128 Grad gegen die Horizontale nach oben eingestellt werden.

(iii) die bestmöglich symmetrische Lösung liegt vor bei
λ_H = 0,2490 ⇒ ΔH = 3,1197 mm und
λ_α = λ_opt - λ_H = 0,8336, womit sich ergibt:
α_v = 0,1822 Grad.

[0054] Die Auflageseite A muß also um ca. 3.12 mm höher liegen als die Einspannseite B, außerdem muß bei B ein Vorgabewinkel α_v von 0,182 Grad gegen die Horizontale nach oben eingestellt werden.

Beispiel 2:

[0055] Ofen für Sanitärporzellan mit D_α/D_i = 40 mm/30 mm daraus ergibt sich q·1 = 4,154 kp

[0056] Die Last des Brenngutes sei F = 24,924 kp ≈25 kp. Daraus folgt für das Verhältnis der äußeren Last (d.h. des Brenngutes) zu dem Produkt aus Längenlast und freier Rollenlänge V = 6 und W = 1 + V· Q = 5,2

[0057] Die Berechnung ergibt: λ_opt = 2,846

[0058] Die sich damit ergebenden Werte für die Spannungen in der Rolle führen zu dem Ergebnis, daß die kostengünstigste Ma­terialgruppe auf der Basis Al₂O₃-SiO₂ überhaupt keinerlei Anwendungschance hat. Es gibt allerdings andere Materialien auf der Basis Al₂O₃-SiO₂, die deutlich höhere Festigkeitswerte aufweisen, aller­dings deutlich höhere Kosten bei der Her­stellung verursachen, jedoch wesentlich niedriger im Preis liegen als Rollen auf Basis SiC, die ihrerseits deutlich höhere Festigkeitswerte aufweisen.

[0059] Aber auch die teuersten Werkstoffe auf der Basis von Al₂O₃-SiO₂ würden nach dem heutigen Stand der Technik nur bis ca. 1.020°C einsetzbar sein.

[0060] Das reicht für eine Anwendung in aller Regel nicht aus. Bei Rollenlagern ohne definierte Höhen- und/oder Winkel­verstellbarkeit müßten also die erheb­lich teureren Rollen auf der Basis SiC eingesetzt werden.

[0061] Dagegen können bei Anwendung der erfin­dungsgemäßen höhen- und/oder winkelver­stellbaren einseitig eingespannten Rollenlagerung die Spannungen soweit herab­gedrückt werden, daß Materialien aus der teureren Gruppe auf der Basis Al₂O₃/SiO₂ bis 1.140°C einsetzbar bleiben, was für viele Anwendungen bereits ausreicht, so daß der Einsatz des nochmals wesentlich teureren SiC vermieden werden kann.

[0062] Die Umsetzung in der Praxis kann neben vielfachen anderen Möglichkeiten etwa folgendermaßen erfolgen:

(i) nur Höhenversatz ΔH, also α_v = 0 daraus folgt:

A muß dann also um 14,52 mm niedriger liegen als B.

(ii) nur Winkelvorgabe α_v, also ΔH = 0 daraus folgt:

Bei B muß also ein Vorgabewinkel α_v von 0,25 Grad gegen die Horizontale nach oben eingestellt werden.

(iii) bestmöglich symmetrische Lösung
es ergibt sich für λ_H = 1,188 und für ΔH =-6,06 mm
sowie
λ_α= λ_opt - λ_H = 4,035 und
α_v =0,359 Grad.

[0063] Die Auflageseite A muß also um ca. 6,06 mm höher liegen als die Einspannseite B, außer­dem muß bei B ein Vorgabewinkel α_v von ca. 0,359 Grad gegen die Horizontale nach oben eingestellt werden.

[0064] Wie die Beispiele im Fall der einseitig eingespannten Rolle gezeigt haben, kann unter Umständen durch das definierte einseitige Einspannen der Rolle ein sehr deutlicher Anwendungs- bzw. Kostenvorteil erzielt werden. Es ist daher ohne weiteres plausibel, daß sich durch beidseitiges Einspannen der Rolle noch größere Kosten­vorteile erzielen lassen.

[0065] Bei der einseitigen Einspannung gibt es zwei Parameter, die unabhängig vonein­ander verstellt werden können, nämlich den Verstellwinkel α_v und die Verstell­höhe ΔH, bei der beidseitig eingespannten Rolle sind es sogar drei. Neben dem Höhenunterschied ΔH zwischen linker und rechter Einspannstelle können nämlich ge­trennte Vorgabewinkel rechts und links α_v,li bzw. α_v,re für die linke und rechte Einspannseite vorgesehen werden. Für die quantitative Behandlung erweist sich die Einführung zweier anderer Winkel als vor­teilhafter, nämlich des symmetrischen Vorgabewinkels α

der am linken und rechten Rollenende gleichermaßen ange­legt werden soll und in Analogie zur einseitigen Einspannung auf der Seite B (d.h. bei x = 1) dann positiv sein soll, wenn er gegen die Horizontale nach oben geneigt ist, was bei A entsprechend um­gekehrt ist, sowie des asymmetrischen Vorgabewinkel Δα_v, der hier nur bei B angewendet werden soll, so daß
α_v,li = α

und α_v,re = α

+ Δα_v ist.

[0066] Zusätzlich zu den schon bei der einseitig eingespannten Rolle verwendeten Größen werden hier somit eingeführt:

Δα_v = Δα_v,q + Δα_v,F
Dann besteht die Optimierung der Einspannung darin, die ingesamt 6 Parameter χ_α,Δχ_α, χ_H, φ_α, Δφ_α und φ_H unter den folgenden Be­dingungen auszuwählen:

Δχ_α Daraus bildet man

und stellt die Vorgaben an den Rollen­enden folgendermaßen ein:
auf Seite A, also links [bei x = 0]: Vorgabewinkel α_v,links = α


Höhenunterschied zu B: ΔH_links = ΔH
auf Seite B, also rechts [bei x = 1]:
Vorgabewinkel α_v,rechts = α

+ Δα_v sowie ΔH_rechts = 0.

[0067] Für die beiden Parametersätze χ_α;Δχ_α, χ_H bzw. φ_α; Δφ_α; φ_H, die jeweils aus drei Parametern bestehen, gibt es also jeweils zwei Bedingungsgleichungen, die für eine Optimierung zu erfüllen sind. Dies zeigt, daß es auch hier wieder, wie schon bei der einseitigen Einspannung,eine ein­dimensionale Schar von Lösungen gibt. Diese unterscheiden sich nicht bezüg­lich der Belastbarkeit im Ofen, sondern lediglich bezüglich des Gesamtverlaufs innerhalb und außerhalb des Ofens.

[0068] Innerhalb der möglichen Lösungsschar haben die folgenden Lösungen spezielle Bedeutung

(i) α

= 0
Auf Seite A wird die Rolle horizontal eingespannt und die Höhenverstellung vorgenommen, bei B der Winkel α_v,rechts =Δα_v eingestellt. Bei Änderung des Besatzes kann die horizontale Einspannung bei A beibehalten werden, lediglich der Einspannwinkel α_v,rechts sowie die Höhen­differenz ΔH werden nachgestellt. Bei der Auslegung des Ofens braucht daher bei A eine Winkelverstellbarkeit der Rollenenden überhaupt nicht vorgesehen zu werden.

(ii) Δα_v = 0 (symmetrische Lösung) d.h. ΔH = 0

[0069] Hier braucht also keine Höhenverstellbar­keit bei der Auslegung der Rollenhalte­rungen vorgesehen zu werden, sondern lediglich Winkeleinstellbarkeit an den beiden Rollenenden.

[0070] Zur Verdeutlichung der Vorteile des beid­seitigen Einspannens werden die analogen Beispiele wie beim einseitigen Einspannen behandelt, d.h. zwei Beispiele mit:
L= 3.665 mm, der Einspannlänge links und rechts mit je 190 mm, also einer freien Rollenlänge von 1 = L - 380 mm = 3.285 mm, einer Temperaturlänge von:
2.300 mm (T = 0,7) und mit einer Besatzbreite von 1_b = 2.300 mm (Q = 0,7).

Beispiel 3:

[0071] Fliesenofen mit D_a/D_i/F = 27 mm/17 mm/1,5 kp (analog zu Beispiel 1)

[0072] Die Berechnung ergibt:
2χ_α + Δχ_α = 0,53
2φ_α + Δφ_α = 0,607

[0073] Das maximale in der Temperaturzone 1_T des Ofens auftretende Biegemoment M_max

[0074] Diese Belastung verträgt bei den gewählten Abmessungen dasselbe Material aus der kostengünstigsten Gruppe auf Al₂O₃-SiO₂-­Basis, das bereits in Beispiel 1 betrachtet wurde, bis 1235°C, also genau 100°C mehr als im Fall der einseitigen Einspannung. Damit sind auch die höchsten Brandbe­bingungen, die für Fliesen bekannt sind, abgedeckt.

[0075] Was die Details der Einspannung betrifft, würden sich ergeben bei:

(i) α

= 0

Aus der linken Seite bei A muß also hori­zontal eingespannt werden, wobei A um 6,6 mm höher liegen muß als B. Bei B muß der Winkel α_v,rechts =Δα_v = 0,23 Grad eingestellt werden.

(ii) Δα_v = 0 ⇒ α

= 0,115 Grad
ΔH = 0
Hier muß der Höhenversatz zwischen bei­den Einspannseiten null sein, beide Enden werden unter einem Winkel von 0,115 Grad gegen die Horizontal nach oben eingespannt.

Beispiel 4:

[0076] Ofen für Sanitärware mit D_a/D_i/F = 40 mm/30 mm/24,924 kp (analog zu Beispiel 2)

[0077] Die Berechnung ergibt wieder
2χ_α + Δχ_α = 0,53
2φ_α + Δφ_α = 0,6073

es ergibt sich:
M_max = 432,23 kp cm

[0078] Diese Belastung vertragen Materialien auf Basis Al₂O₃-SiO₂ bei kostengünstiger Ausführung bis 1.000°C teurer Ausführung bis 1.240°C

[0079] Zwar werden die 1.000°C beim kostengün­stigsten Material in aller Regel für einen Brand nicht ausreichen, aber bei der teureren Ausführung auf der Basis von Al₂O₃-SiO₂ kann durch das beidsei­tige Einspannen die Anwendungstempera­tur bis auf 1.240°C ausgedehnt werden, also noch genau 100°C höher als bei ein­seitiger Einspannung. Dies reicht für alle in der Praxis auftretenden Anwen­dungsfälle, so daß die wesentlich teureren Keramiken auf der Basis von SiC generell vermieden werden können.

[0080] Die Kostenersparnis ist daher erheblich.

[0081] Was die Details der Einspannung angeht, gibt es eine ganze Schar von Möglich­keiten, bevorzugt sind:

(i) α

= 0

Auf der linken Seite bei A muß also hori­zontal eingespannt werden, wobei A um ca. 15,30 mm höher liegen muß als B. Bei B muß der Winkel α_v,rechts = Δα_v ≃ 0,534 Grad eingestellt werden.

(ii) Δα_v = 0 ⇒ α

≃ 0,267 Grad ΔH = 0
Hier muß also ohne Höhenversatz einge­spannt werden, und zwar an beiden Enden mit einem Vorgabewinkel von α_v ≃ 0,267 Grad nach oben gegen die Horizontale.

[0082] In den bisherigen Ausführungen spielte der Höhenunterschied ΔH = H_A - H_B eine wesentliche Rolle, d.h. der absolute Höhenunterschied des linken gegenüber dem rechten Rollenende in bezug auf die Horizontale. Dies könnte den Schluß nahelegen, daß in der Praxis höhere An­forderungen bezüglich der horizontalen Ausrichtung gestellt werden, als dies beim bisherigen Stand der Technik der Fall ist. Dies trifft jedoch nicht zu. Dort, wo bisher ein Niveauunterschied zwischen linkem und rechtem Rollenende in Kauf genommen werden konnte, ohne daß z.B. bei einem Fliesenofen der Fliesenteppich beim Austritt aus dem Ofen zu stark außermittig ausläuft, ist das bei eingespannten Rollen erst recht der Fall, weil der Neigungsverlauf längs der gesamten Rolle geringer wird als bei den freigelagerten Rollen.

[0083] Wesentlich ist allerdings, daß der Wert
h = ΔH - H
eingehalten wird (s. Fig. 3). H ergibt sich als Abstand zur Horizontalen auf der Ofenseite A der unter dem Winkel α_v auf der Ofenseite B eingespannten Rolle, wenn diese sich nicht durchbiegen würde, zu:
H =-1 · tanα_v = - 1α_v

[0084] Da sowohl H als auch ΔH zur Horizontalen definiert sind, gilt dies für h = ΔH - H nicht. Solange also eine absolute Abwei­chung von der Horizontalen für die Praxis nicht nennenswert von Bedeutung ist, re­duziert sich die Einstellung des Vorgabe­winkels α_v und des Höhenversatzes A auf die Einstellung des Wertes
h = ΔH + 1 · α_v

[0085] Für die richtige Ermittlung ist die Be­achtung der Vorzeichenfestlegung bei α_v und ΔH wichtig:

a) ein bei B nach oben angelegter Winkel α_v hat positives Vorzeichen, ein nach unten ausgelegter entsprechend nega­tives

b) dagegen haben ΔH und H für Werte ober­halb der Horizontalen negatives Vor­zeichen.

[0086] Für h_opt gilt:

[0087] In der Praxis treten nur Fälle mit Q ε 0,8 auf, so daß gilt:
h_opt > 0
Da in den Fällen einseitiger bzw. beid­seitiger Einspannung die Einspann-Vor­richtungen sich unterscheiden, werden diese nachfolgend getrennt behandelt.

[0088] Wie bereits ausgeführt, bieten sich un­ter den optimalen Lösungen besonders diejenigen mit

(i) λ_α = 0 bzw. α_v = 0 oder

(ii) λ_H = 0 bzw. ΔH = 0

an, weil bei ihnen nur ein Parameter nachgestellt werden muß, wenn infolge von Besatzänderung eine erneute Opti­mierung vorgenommen werden soll. Dagegen ergibt sich die Symmetrische Lösung mit

(iii) λ_α ≠ 0 und λ_H ≠ 0

so daß bei Besatzänderung zur Optimierung grundsätzlich α_v und ΔH nachgestellt wer­den müssen. In der Praxis werden jedoch die Lasten pro Rolle nicht sehr unter­schiedlich sein, da in aller Regel dünn­wandige Fliesen mit ihrem geringen Gewicht pro Rolle nicht abwechselnd mit Sanitär-­Keramiken mit ihren hohen Lasten pro Rolle in demselben Ofen gebrannt werden. Sondern es werden Fliesen in dafür opti­mal ausgelegten Fliesenöfen und Sanitär-­Keramiken in anders ausgelegten Rollen­öfen gebrannt.

[0089] Speziell bei den Fliesen-Öfen kommt hin­zu, daß das Gewicht der Fliesen pro Rolle in aller Regel geringer ist als das Ei­gengewicht der Rolle, daß also der Ein­fluß des Fliesenbesatzes im Vergleich zum Rollen-Eigengewicht ohnehin gerin­ger ist. Daher wird eine Änderung der Fliesen-Last ohnehin nur relativ geringe Auswirkungen auf die optimalen Einstell­parameter α_v und ΔH haben.

[0090] Es wird in vielen Fällen folgendes Vor­gehen der Praxis bereits vollständig ge­recht:

a) Fixierte Einstellung des "mittleren optimalen" Vorgabewinkels α_v auf Seite B (rechts), die vorzugsweise auch die Antriebsseite sein wird. α_v wird vorzugsweise gemäß (iii) be­stimmt, also gemäß der bestmöglichen Symmetrie im Ofen. Der Begriff "mittlerer optimaler α_v" wird anhand folgenden Beispiels erläutert:
ergibt sich etwa bei geringster zu er­wartender Belastung ein optimales α_v von 0,17 Grad und bei größter zu er­wartender Belastung pro Rolle ein optimales α_v von 0,19 Grad, so wird als mittlerer optimaler Vorgabewinkel ein Wert von α_v = 0,18 Grad verwendet. "Fixierte" Einstellung dieses Winkels soll dabei bedeuten, daß auf eine Nach­justierungsmöglichkeit verzichtet wer­den kann, was aus Kostengesichtspunkten vorteilhaft ist.

b) Höhenverstellung auf Seite A, also links. Da es zu jedem α_v (also λ_α) einen zugehörigen Wert λ_H = λ_opt - λ_α gibt, so daß das Wertepaar (α_v, ΔH) eine optimale Lösung darstellt, kann bei wechselndem Besatz die neue Opti­mierung - sofern überhaupt sinnvoll - durch einfache Höhenverstellung des freien Rollenendes auf Seite A erfol­gen.

[0091] Die thermische Expansion des Rollen-Werk­stoffes in Längsrichtung erfordert bei einseitiger Rollen-Einspannung keine spe­zielle konstruktive Berücksichtigung, da sich die Rolle auf der freien Seite frei ausdehnen kann. In radialer Richtung kann die thermische Expansion der Rolle be­sonders einfach konstruktiv durch eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 berücksichtigt werden, nämlich die Halterung durch Fugen, Schlitze o.ä. an geeigneten Stellen lokal so zu schwächen, daß dort durch Anziehen von Schrauben der Radius des Rollenlagers geringfügig (d.h. in der Größenordnung von einigen hundertstel Millimetern) elastisch reduziert und so die Rolle in der Halterung festgeklemmt werden kann.

[0092] Von einigen solchen lokalen Schwächungen abgesehen (vorzugsweise 2 Stück, also je eine am hinteren und am vorderen Ende der Rollenlagerung), muß das Rollenlager jedoch so stabil ausgelegt sein, daß sie das Biegemoment am Rollenende verzugs­frei aufnehmen kann. Naturgemäß sind die Biegemomente bei Öfen für Sanitär-Por­zellan mit ihren hohen Lasten pro Rolle am größten, sie können Werte in der Größenordnung von 2 · 10³ kp cm = 200 N.m erreichen oder sogar mehr. Solche Werte können mit einem Stahllager sicher auf­genommen werden, dabei zeigt sich jedoch zugleich

a) daß es auch aus der Sicht des von der Rolle in die Lagerung eingeleiteten Biegemomentes vorteilhaft ist, die Rolle nicht nur ca. 30 - 40 mm in dem Rollenlager zu führen, sondern mög­lichts deutlich länger.

b) daß die zur oben erwähnten Verklemmung der Rolle in der Aufnahme vorteilhafte Schwächung der Aufnahmewandung nur (wie vorgeschlagen) lokal sein, aber keines­falls die gesamte Lagerung betreffen darf. Ein vom Anfang bis zum Ende durchgehender Schlitz in der Aufnahme etwa würde diese i.a. viel zu deut­lich schwächen, als daß ein verzugs­freier Sitz gewährleistet wäre.

[0093] Was die Genauigkeit der Einstellbarkeit des Winkels α_v auf Seite B (rechts) bzw. von ΔH bei A (links) betrifft, ist ΔH auf der freien Rollenseite ohne Schwie­rigkeiten genau einstellbar, während es technisch aufwendiger ist, α_v präzise einzustellen. Eine Verstellbarkeit von ΔH mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 mm wird für die Praxis i.a. bereits aus­reichen und ist technisch mit einfachen Mitteln zu verwirklichen. Die Umsetzung dieser Genauigkeit in einen Winkel führt bei einer angenommenen Aufnahmelänge von sogar 250 mm aber nur zu einer Genauig­keit von ca. 0,023 Grad, die aber um etwa den Faktor 5 übertroffen werden sollte. Dies ist zwar durch eine feinere Justier­barkeit auf 0,02 mm durchaus machbar. Die Genauigkeitsanforderungen der Praxis legen aber der folgenden einfacheren und damit auch kostengünstigeren Weg nahe

1) Einstellung von α_v mit einer Genauig­keit von ca. 0,02 Grad (=̂ Höhenge­nauigkeit von 0,1 mm), etwa gemäß dem i.f. angefügten Vorschlag. Bei einer in den Beispielen 1 bis 4 ver­wendeten freien Rollenlänge von ℓ = 3.285 mm ergibt dies eine Unge­nauigkeit von |H| = |- 1 . α_v| von ca. 1,2 mm.

2) Der Wert h - ΔH - H ist für alle opti­malen Einstellungen identisch, wird also bei Ungenauigkeit von ΔH beibe­halten. Das bedeutet, daß die Unge­nauigkeit von α_v bzw. von H übertra­gen wird auf ΔH. Im Beispiel 1 (iii) etwa wird der Wert h = ΔH - H≈7,32 mm dadurch aufrecht erhalten, daß ΔH - sollte H tatsächlich um die vollen 1,2 mm abweichend ausfallen, also statt der errechneten -10,44 mm entweder -11,64 mm oder -9,24 mm betragen - statt auf -3,12 mm dann auf -4,32 mm bzw. -1,92 mm eingestellt wird.

[0094] Da dies wiederum mit einer Genauigkeit von 0,1 mm ohne technischen Mehraufwand erfolgen kann, läßt sich indirekt mit technisch einfachen Mitteln eine Winkel­genauigkeit bei α_v von ca. 0,0017 Grad erzielen, die für die Praxis mehr als ausreicht.

[0095] Der wesentliche Punkt bei der Einstellung des Parameter-Paares (α_v, ΔH) besteht da­her in der auf 0,1 mm genauen Einstellung von h. Diese kann auf mehreren Wegen er­folgen. Beispielsweise kann der Punkt P (s. Fig. 3), also der Verlängerungspunkt der unter α_v eingespannten, (hypothetisch) als ungekrümmt gedachten Rolle, mit Hilfe eines gebündelten Lichtstrahls ermittelt und von dort aus h eingestellt werden. Diese Lichtquelle kann vorzugsweise ein kleiner Laser sein, der in das Rollen­lager auf Seite B (rechts) spielfrei eingepaßt werden kann und dessen Licht­strahl auf Seite A auf einer mm-Skala registriert wird.

[0096] Zwar wird die fixierte Winkeleinstellung von α_v bereits ausreichen, es soll hier jedoch ein prinzipieller konstruktiver Vorschlag für ein Rollenlager vorgegeben werden, bei dem der Winkel α_v auch ver­stellbar ist.

[0097] Dazu zeigt die Fig. 2 einen Rahmen R, in den das Rollenlager RL mit geeigne­ten Mitteln eingebaut ist. Die Winkel­verstellbarkeit erfolgt dadurch, daß das hintere Ende des Rollenlagers über ein Scharnier S schwenkbar ist und daß das vordere Ende über eine Justierschraube Sch in der Höhe verstellt werden kann.

[0098] Die Fig. 2 zeigt außerdem in Draufsicht die beiden Klemmschrauben "5" und die zugehörigen Schlitze "4". Bei geeigneter Dimensionierung erlauben sie die spiel­freie elastische Klemmung der Rolle in dem Rollenlager, das zugleich auch einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizient von Rolle und Lagerung überbrückt.

[0099] Statt je eines Rollenlagers für jede einzelne Rolle wird es in der Praxis vor­teilhafter sein, ein gemeinsames Gehäuse für ein Bündel von Rollen, beispiels­weise jeweils 10 Stück pro Bündel, vor­zusehen und die Einstellung des Winkels α_v am gesamten Gehäuse vorzunehmen. Da­durch sind alle Rollen eines Bündels synchron einstellbar, so daß es unter­einander keine Abweichungen gibt. Auch kann es entsprechend sinnvoll sein, die gegenüberliegenden freien Rollenenden ebenfalls zu gleichen Bündeln zusammen­zufassen und ihre Höhenverstellung gemein­sam vorzunehmen.

Beidseitige Einspannung

[0100] Bei der Konstruktion hierfür geeigneter Rollenlager sind die folgenden Anforde­rungen zu berücksichtigen:

Seite A:

[0101] Sie nimmt die thermische Längsdehnung der Rolle bis zu maximal 20 mm auf, wes­wegen eine Verschraubung nicht möglich ist.

[0102] Damit die Rolle in das Rollenlager bei thermischer Längenänderung störungsfrei gleiten kann, erhält das Rollenlager eine Fase und es wird der Spalt zum Rollenschliff gefettet. Der Sitz S_RA der Rolle in der Rollenlagerung sollte möglichst lang die Paßgenauigkeit zwi­schen Rollenschliff D_a,R und Lagerung D_i,H klein sein. Folgende Wertekombi­nation reicht für die Praxis zur Erzie­lung einer Winkelgenauigkeit von 0,005 Grad aus:
S_R,A = 300 mm
D_i,H = D_i,H + 0,009 mm / -0
D_a,R = D_i,H + 0 / -0,009
Dabei ist bereits eine thermische Dehnung von Δt = 50°C und Stahl als Material für das Rollenlager berücksichtigt. Ein ge­ringeres Δt bzw. eine bessere Überein­stimmung der Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Rollenlager erhöhen die Genauigkeit der Winkeleinstellung weiter.

Beidseitige Einspannung

Seite B:

[0103] Damit die Rolle nach dem Einschieben in ihre Lagerung auf Seite A auch auf Seite B in dem Rollenlager montiert werden kann, muß
- entweder das Rollenlager von Seite A eine zusätzliche Verschiebbarkeit der Rolle um den Sitz S_R,B der Rolle in der Lagerung B von größenordnungsmäßig 200 mm zulassen
- oder das Rollenlager B zum Einlegen der Rolle geöffnet werden. Dazu kann das Rollenlager beispielsweise aus zwei Halbzylindern bestehen, die etwa mit einem Scharnier in Längsrichtung verbunden sind. Der genaue Sitz der Rolle in der Lagerung B wird dann vor­zugsweise durch Verschrauben erzielt, wie bereits bei der einseitigen Ein­spannung beschrieben.

[0104] Was die Justierung der Einstellwerte auf Seite A und Seite B angeht, wird in Analogie zum Fall der einseitigen Einspannung folgendermaßen vorgegangen:

1) In aller Regel wird in der Praxis die symmetrische Lösung gewählt werden, also mit Δα_v = 0 und ΔH = 0 sowie α_li = α_re = α_v. Daher wird bei A (links) und bei B (rechts) jeweils α_v angelegt. Zur Erzielung einer optimalen Einstel­lung muß die Summe des linken und rechten Winkels möglichst genau dem Doppelten von α_v entsprechen, also
α_li + α_re = 2 . α_v
Im Beispiel 4 (ii) etwa soll der Wert
α_li + α_re = 0,53 Grad
möglichst genau erreicht werden. Auch aus dieser Sicht ist es vorteilhaft, das Rollenlager auf Seite A ca. 500 - 600 mm lang auszulegen, so daß sowohl eine hohe Einstellgenauigkeit von α_li als auch eine Verschiebbarkeit der Rolle um S_R,B von ca. 200 mm (s.o.) möglich wird.

2) Wenn sich bei der Einstellung von α_li bzw. α_re eine Asymmetrie
Δα_v = α_re - α_li
ergeben haben sollte oder bewußt einge­stellt wurde, wird zur Erzielung der optimalen Einstellung der Höhenunter­schied

auf Seite A (links) eingestellt. Hierbei ist die Bedeutung des Vorzeichens zu be­achten, wozu zwei Fälle vorkommen können
a) α_re>α_li d.h.Δα_v> 0 und ΔH < 0 d.h. auf Seite A (links) muß das Rollenlager nach oben verschoben werden und damit höher liegen als auf Seite B (rechts).
b) α_re<α_li d.h. Δα_v< 0 und ΔH > 0, d.h. auf Seite A (links) muß die Hal­terung nach unten verschoben werden, so daß sie tiefer liegen wird als diejenige auf Seite B.
Zur Umsetzung der Vorgaben bezüglich Vor­gabewinkeln und Höhenversatz muß daher das Rollenlager auf Seite A verstellbar sein bezüglich des Winkels und bzgl. der Höhe.

[0105] Ein Vorrichtungsbeispiel hierzu zeigt Fig. 4. Es lehnt sich an dasjenige für das Rollenlager bei einseitiger Einspan­nung von Fig. 2 an, weist aber folgende Unterschiede auf:

[0106] Da die Rolle auf Seite A nicht fixiert wird, ist auf die entsprechende Schrauben und Schlitze verzichtet.

[0107] Das Rollenlager RL ist am hinteren Ende in die Aufnahme A aufgenommen, die am Rahmen R befestigt und an diesem mit ge­eigneten Mitteln mit einer Genauigkeit von 0,1 mm höhenverstellbar ist.

[0108] Die Rollenlagerung RL hat die Länge von S_R,A + S_R,B. Das erlaubt es, die Rolle bei der Montage um diesen Betrag S_R,A + S_R,B tief in die Lagerung A hineinzu­schieben, dann das Rollenende auf Seite B in die Lagerung B einzuführen und um die Länge S_R,B zurückzuschieben. Auf diese Weise kann darauf verzichtet wer­den, das Rollenlager B zum Öffnen aus­legen zu müssen. Außerdem ist in der Lagerung A bei dieser Auslegung genügend Platz für die thermische Längenausdehnung der Rolle vorhanden.

[0109] Fig. 4 zeigt die Phase Fa am vorderen Ende des Rollenlagers R, um ein wider­standsfreies Gleiten der Rolle KR sicher­zustellen.

[0110] Die Winkelverstellung wird mit Hilfe der Schraube Sch vorgenommen, die Höhenver­stellung ΔH durch gleich große Verstel­lung von Sch und von A.

[0111] Aus den vorstehenden Ausführungen läßt sich zusammenfassend entnehmen:

[0112] Durch das einseitige oder beidseitige definiert ausrichtbare Einspannen der Rollenenden in geeigneten Rollenlagern kann eine erhebliche Ausweitung der heu­tigen Anwendungsgrenzen beim Einsatz keramischer Rollen vorgegeben werden. Definiert ausrichtbar bedeutet dabei, daß zu jeder Winkel- und Höheneinstel­lung der Halterung die zugehörigen An­wendungsgrenzen quantitativ angegeben werden können, und zwar sowohl im Fall der einseitig eingespannten Rolle als auch im Fall der beidseitig eingespannten Rolle.

[0113] Die optimale Einstellung der Rollenlager ist gegeben, wenn der Verlauf des Biege­moments in der Rolle (λ_opt) im Bereich der Temperaturzone des Ofens so klein wie möglich gehalten wird, und zwar so­wohl bei einseitig eingespannten Rollen als auch bei beidseitig eingespannten Rollen.

[0114] Sämtliche Kriterien dazu können quantita­tiv ermittelt werden.

[0115] Die Festlegung der wesentlichen Elemente der benötigten Einspann-Vorrichtungen erfolgt über deren Länge, die Winkel-­Einstellung dieser Vorrichtungen und Höhenversatz ΔH und zwar sowohl bei einseitig als auch bei beidseitig ein­gespannten Rollen.

[0116] Der Schliff am Rollenende muß bezüglich der Toleranz abgestimmt sein auf den Innendurchmesser des Rollenlagers und die gelagerte Rollenlänge in der Hal­terung bzw. dem Rollenlager, damit eine hinreichende Winkelgenauigkeit erzielt werden kann.
Bei beidseitiger Einspannung muß die eine Rollenlagerung die thermische Längen­ausdehnung der Rolle auffangen können. Zur Berücksichtigung der thermischen Durchmesser-Expansion des Rollenlagers einerseits und der Rolle andererseits wird ein möglichst identischer Ausdeh­nungskoeffizient der beiden Materialien (Lager, Rolle) und/oder Preßsitz bei t = 20°C und/oder Verklemmen durch ela­stische Verschraubung vorgeschlagen.

[0117] Als bevorzugte Einstellungen haben sich die folgenden ergeben:
- Winkel (auf Seite B) α_v = 0; d.h. es ist nur ein Parameter lastabhängig, nämlich ΔH (auf Seite A)
- oder ΔH = 0; lastabhängig ist nur ein Parameter, nämlich α_v (auf Seite B)
- die symmetrische Lösung, bei der aller­dings bei Laständerung beide Parameter, also α_v und ΔH in Abstimmung zueinander verstellt werden müssen.

[0118] Allen drei Einstellungen ist der Wert
h = ΔH - H
gemeinsam. Und auch alle sonstigen Ein­stellungen mit demselben Wert für h, bieten dasselbe Ausmaß an Verbesserung gegenüber dem heutigen Stand der Technik. Allen optimalen Einstellungen z.B. ist der Wert h_opt gemeinsam mit

[0119] Daher reicht es in der Praxis in aller Regel aus, daß bei B der "mittlere optimale" Winkel α_v eingestellt wird und bei Lastwechsel (wenn überhaupt) zur Bei­behaltung von h nur ΔH auf Seite A nach­gestellt wird. Die dabei mit einfachen Mitteln erzielbare Genauigkeit von 0,1 mm reicht für die Anforderungen der Praxis vollständig aus.

[0120] Es braucht nicht jede Rolle einzeln ver­stellbar gehaltert zu werden, sondern ein ganzes Bündel von Rollen kann in einer gemeinsamen Rollenlagerung einge­spannt werden, und nur diese muß ver­stellbar sein.

[0121] Wenn auch mit einem gewissen Nachteil gegenüber der optimalen Einstellung ver­bunden, kann es in der Praxis vorteil­haft sein, auf die Verstellbarkeit von α_v und/oder ΔH zu verzichten, (z.B. bei Fliesen-Öfen oder bei wenig differieren­den Lasten), also die Halterungen mit fest vorgegebenen Einstellungen auszu­rüsten. Dies gilt sowohl für einseitig als auch für beidseitig eingespannte Rollen.

[0122] Zur Montierbarkeit der Rolle erhält

a) entweder das Rollenlager A am Ort die Länge S_R,A + S_R,B

b) oder das Rollenlager A nur die Länge S_R,A + S_W
(S_W = Wärmeausdehnung der Rolle ≈ 20 mm), und die Rollenlagerung auf Seite B wird zum Öffnen ausgelegt.

[0123] In einer beispiels­weisen Ausführungsform wird das Rollen­lager mit einer Fase ausgebildet, wobei ein Längs-Spalt zwischen Rollenschliff und Rollenlager gefettet wird. Nur die Rollenlagerung auf einer Seite B erhält eine elastische Rollenklemmung mittels Verschraubung.

[0124] Die Schar bestmöglicher Lösungen für die Einspannung der Rollenenden ergibt sich
a) bei einseitig eingespannten Rollen aus

Mit

ergibt sich das maximale in der Tempera­turzone des Ofens in der Rolle auftretende Biegemoment, das den Einsatz begrenzt zu

b) bei beidseitig eingespannten Rollen aus

ergibt sich hier das maximale Biegemoment zu

[0125] Darüber hinaus kann im Fall einseitig eingespannter Rollen mit anderen als den optimalen Einspann­vorgaben die Ermittlung des maxi­malen Biegemomentes in der Rolle im Be­reich der Temperaturzone des Ofens und damit der zugehörigen Anwendungsgrenzen vorgenommen werden.

[0126] Analog kann auch im Fall der beidseitig einge­spannten Rolle mit anderen als den optimalen Einspannvorgaben die Ermittlung des maximalen Biegemomentes in der Rolle im Bereich der Temperaturzone des Ofens und damit der Anwendungs­grenzen vorgenommen werden.

[0127] Die beiliegenden Figuren 1 bis 5 dienen in ihrer beispielsweisen Darstellung der weiteren Erläute­rung der vorliegenden Erfindung. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Rollen­halterung mit definiert einstellbarer Lagertoleranz,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine winkelver­stellbare Rollenlagerung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Einflüsse der Höhen- und/oder Winkelverstellbarkeit der Rollenlager,

Fig. 4 einen Längsschnitt entsprechend Fig. 2 für die linke Einspannung, und

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Rollenofen in vereinfachter Wiedergabe.

[0128] In Fig. 1 ist geschnitten in Teilwiedergabe ein Führungselement 1 gezeigt, das im wesentlichen eine Lagerhülse darstellt, in die das eine Ende einer Keramikrolle 2 eingeschoben ist. Das das Rollenlager darstellende Führungselement 1 besitzt, wie dar­gestellt, mehrere Längsschlitze 3, deren mittiger Bereich entlang der äußeren Umfangsfläche des Rollen­lagers flanschartig verdickt ausgebildet ist, mit Spannschrauben 4, die in zugehörige Gewindebohrungen 6 eingeschraubt über Stellköpfe 5 so angeordnet sind, daß die Längsschlitze 3 eine mehr oder weniger starke Vorspannung des Rollenlagers und damit eine genau vorgebbare Toleranzgröße zwischen der vorzugs­weise geschliffenen äußeren Umfangsfläche des ge­lagerten Endes der Keramikrolle und der inneren Umfangsfläche des in diesem Bereich wulstartig nach innen eingezogenen Rollenlagers vorgebbar ist. Über Fettnippel 7 kann das Rollenlager bzw. ent­sprechende gelagerte Ende der Keramikrolle inner­halb dieses Führungselementes eine Minimierung der Lagertoleranz begünstigend geschmiert werden.

[0129] Wie vorstehend ausgeführt, ist es vorteilhaft für das Führungselement 1 bzw. das Rollenlager einer­seits und die Keramikrollen 2 Materialien bzw. Sinterprodukte einsetzen, die zumindest vergleich­bare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so daß unabhängig vom Temperaturgradienten die definiert eingestellten Toleranzwerte annähernd konstant ge­halten werden können.

[0130] Fig. 2 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1 in einem um 90° versetzten Längsschnitt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Stellköpfe 5 der Spannschrauben senkrecht auf der Zeichnungsebene stehen. Ein Gehäuse 11 bildet einen Rahmen R für die Aufnahme eines oder mehrerer Führungselemente 1, in die die gelagerten Enden der Keramikrollen 2 ein­gefügt sind. Auch hier sind somit die Keramikrollen 2 in Führungselemente 1 eingeschoben, die ein Rollen­lager RL bilden, welches einseitig, und zwar benach­bart zur Wandung des Rollenofens, mittels einer Höhenstellschraube ScH in seiner Winkellage zur Horizontalen verstellbar ist, wobei es an dem der Schraube ScH entgegengesetzten Ende mittels eines Scharniers S oder dergleichen fixiert schwenkbar ist. Die Schraube ScH stellt somit eine Justierschraube für die Winkelverstellung der Lagerung der Keramik­rolle dar.

[0131] Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung sowohl die Änderung des Lagewinkels α_v als auch die damit verbundene Höhenveränderung, wie das in der vorstehenden allgemeinen Beschreibung ausgeführt wurde. Es zeigt sich, daß die Einhaltung des Wertes h = ΔH - H wesentlich ist, wobei sich der Wert H als der Abstand zur Horizontalen auf der Ofenseite A ergibt, der unter dem Winkel α_v durch die Gleichung H = -1 · tanα_v ist. Da es sich bei der Verstellung des Rollenlagers um sehr kleine Winkel handelt, kann auch von der vereinfachten Gleichung A = -1α_v aus­gegangen werden. Die Einstellung für h genügt somit der Gleichung H ΔH + 1 · α_v.

[0132] Das Rollenlager RL auf der linken Seite des Rollen­ofens, in die die gegenüberliegenden gelagerten Enden der Keramikrollen 2 mit definierter Toleranz eingefügt sind, besteht aus dem Führungselement 1′, das wiederum innerhalb eines Rahmens R′ angeordent ist und an der der Ofenwand abgewandten Seite mittels einer Schwenklagerung fixieret ist, während es un­mittelbar angrenzend an die Ofenwandung von einer Justierschraube ScH′ getragen wird, mittels der die Höhendifferenz und damit der Lagerwinkel α_v vorgegeben werden kann. Der Unterschied dieses Rollenlagers RL bzw. des Führungselementes 1′ auf der Seite A des Ofens gegenüber demjenigen auf der Seite B des Ofens ist lediglich der, daß es in seiner Länge so ausge­bildet ist, daß bei weiterer als der in Fig. 4 darge­stellten teleskopartigen Ineinanderfügung von Keramikrolle und Führungselement ein Herausziehen des Führungsendes der Keramikrolle auf der gegenüberlie­genden Seite möglich wird.

[0133] Schließlich zeigt Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Rollenofen mit den Seitenwandungen 8 entlang derer die Rahmen R für die Rollenlager RL angebracht sind, wobei die Keramikrollen durch die Ofenwandungen in an sich bekannter Weise hindurchgeführt sind und innerhalb des Rollenofens die Besatzbreite 1_b de­finieren. Die Decke 9 des Rollenofens wie auch der Boden 10 sind zusammen mit den Seitenwänden 8 in üblicher Form aufgebaut. Der Rollenofen selbst ist nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung, die sich ausschließlich auf die Lagerung der Rollen innerhalb der außerhalb des Ofens angeordneten Führungselemente bezieht.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Lagerung von aus keramischem Material bestehenden Rollen in Rollenöfen, zum Brennen von Fliesen, Sanitärwaren und dergleichen Stein- und/oder Porzellanbrenn­gut aller Art, wobei das zu brennende Gut auf einer Vielzahl von zu einem Rollenförderer zusammengefaßten Keramikrollen durch einen Ofen geführt und hier zusammen mit den Keramik­rollen einer Wärmebeaufschlagung von größen­ordnungsmäßig 1000°C oder mehr ausgesetzt ist und wobei die Keramikrollen beidseitig durch die Ofenwandungen hindurchragend außerhalb des Ofens gelagert und in ihrer Gesamtheit einseitig angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen­lager (RL) wenigstens entlang einer Ofenseite definiert ausrichtbar höhen- und/oder winkel­verstellbar angeordnet sind, und daß die Rollenlager aus Führungselementen (1) bestehen, mit einem minimalen Schlupf zwischen diesen und den äußeren hiermit in Eingriff stehenden Umfangsflächen der Keramikrollen (2), wobei die Einspannlänge und deren Ausrichtung in Abhängigkeit von der durch die Belastung bzw. aktive Rollenlänge sich ergebenden inneren Spannung festlegbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Rollenlager aus in Achs­richtung geschlitzten Führungselementen (1) bestehen, deren Durchmesser mittels Spann­elementen in vorgegebenen Grenzen regulierbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Spannelemente Spann­schrauben (4) sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Führungselemente (1) als Führungshülsen ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannlänge der Rollen (2) in der Halterung (RL) größer als 40 mm ist, insbesondere zwischen 200 und 300 mm liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Schlupf zwischen der Halterung (RL) und der äußeren Umfangsfläche der Rollen (2) kleiner ± 8µm ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Winkelverstellbarkeit mit einer Winkeltoleranz von weniger als 0,01° erfolgt und bis zu 2° beträgt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei optimaler Auslegung von einseitig eingespannten Rollen diese für die innere Spannung die Bedingung erfüllen:
λ_opt = U- √U² + Z
wobei sowohl U als auch Z Funktionen von V (Verhältnis der äußeren Last zum Eigengewicht der Rolle), W (Produkt von V und dem Verhältnis der Besatzbreite zur freien Rollenlänge ℓ plus eins) und T (Verhältnis von lichter Ofenbreite zur freien Rollenlänge) erfüllen.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei optimaler Auslegung von zweiseitig eingespannten Rollen gilt: λ_opt = 2 - 3T² +

V (4 -

Q - 4T· (1-Q] - 2·QT²)
und,
( λ_H) _opt = -

(λ_Δα)_opt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der optimalen Einspannmöglichkeiten

ist, wobei gilt:

a) bei einseitiger Einspannung besteht h_opt nur aus einem Beitrag,

b) bei beidseitiger Einspannung dagegen besteht h_opt aus linkem und rechtem Anteil, die untereinander identisch sind, also

wobei q die Längenlast, E der Elastizitätsmodul und I das Flächenmoment der Rolle ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenenden wenigstens über die Einspannlänge geschliffene Oberflächen aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßgenauig­keit der Schliffe an den Rollenenden abgestimmt ist auf den inneren Durchmesser der Halterung und die Lagerlänge der Rolle in dieser Halterung.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der voran­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen in Bündeln zu Einheiten zusammengefaßt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Rollen wenigstens teil­weise aus Metall oder dergleichen Materialien bestehen.

15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl bei einseitig als auch bei zweiseitig eingespannten Rollen unter Verzicht auf die optimale Einspannung die Lagereinstellung mit α_V≃0 und Δ H≃ 0 vorgebbar ist.

Zeichnung