Sicherheitskupplung für den Schwerlastbereich

Die vorgestellten Sicherheitskupplungen der Baureihe ST von R+W sind für Drehmomente von 1000 bis 160.000 Nm in vier verschieden Größen verfügbar. Damit eignen sie sich besonders zur Senkung der hohen Stillstandkosten im Schwermaschinenbau. Es können Wellendurchmesser von 40 bis 290 mm adaptiert werden. Die Kupplungen sind absolut spiel- und wartungsfrei und haben im Vergleich zu anderen Sicherheitskupplungen einen bis zu 23 % kleineren Außendurchmesser.

Inhalt

• Stahlproduktion und Schwermaschinenbau
• Vergleich mechanischer Sicherheitskupplungen
• Technischen Daten der Rutschkupplung
• Aufbau und Funktionsprinzip der Sicherheitskupplung

Stahlproduktion und Schwermaschinenbau

Weltweit produzieren hochmoderne Stahlwerke sämtliche Variationen und Legierungen des Metalls damit der enorme globale Bedarf gedeckt werden kann. In Elektroniklichtbogenöfen wird das Grund- oder Recyclingmaterial in Chargen von bis zu 100 t eingeschmolzen. Die darauffolgende Weiterverarbeitung des Stahls in Stranggießanlagen zur Vorblöcken oder Knüppeln muss unmittelbar erfolgen. Nach einer Abkühlzeit von mehreren Stunden erfolgt in der Walzanlage der letzte Arbeitsschritt in der modernen Stahlproduktion. In diesem Teil der Herstellung wird die Formgebung zu Stabstahl (erdgasbeheizter Hubbalkenofen) oder Betonabstahl (erdgasbeheizter Stoßofen) auf unterschiedlichen Walzstraßen durchgeführt.

Rund um die Uhr Betrieb

Diese Großanlagen im Schwermaschinenbau werden bzw. müssen meist im 3 Schichtbetrieb 7 Tage pro Woche betrieben werden. Ein Abschalten bzw. Herunterfahren der Anlagen für Wartungsintervalle der einzelnen Komponenten wie beispielsweise Motore, Getriebe, Lager oder Kupplungen wird möglichst vermieden, da ein sogenanntes Einfrieren der Anlage (z. B. Schlackenbad) verhindert werden muss. Demzufolge werden weitestgehend wartungsfreie mechanische Komponenten eingesetzt. In Summe ist die Anlage damit im Normalbetrieb sicher. Doch was geschieht außerhalb des Normalbetriebs:

• wenn im einzelnen Bauteil eine nicht vorher detektierbare Materialermüdung stattfindet?
• wenn sich im Stranggießanlage ein Vorblock verkeilt?
• wenn in der Walzstraße ein falscher Druck bzw. ein falscher Hubweg eingestellt wird? 

In dieser Punkten steht die Wirtschaftlichkeit der Anlage an oberster Stelle. Die Großanlage im Schwermaschinenbau muss unter allen Umständen so schnell wie möglich wieder in Betrieb genommen werden! An dieser Stelle bietet eine mechanische Sicherheitskupplung von R+W Antriebselemente GmbH einen maximalen Schutz gegen die Zerstörung der Komponenten im Antriebsstrang. Die Sicherheitskupplung wird bei der Auslegung um den Faktor 1,3 bis 2,0 über das beispielsweise Kipp- oder Sattelmoment des Motors dimensioniert.

Bahnt sich während des Normalbetriebs ein Crash an, steigt das Drehmoment im Antriebsstrang überproportional. Die Kupplung trennt im Millisekundenbereich die Crashseite von der noch intakten Seite und verhindert einen Totalausfall aller Komponenten. Durch das blitzschnelle Trennen der Sicherheitskupplung muss der Monteur im besten Fall nur ein Austausch bzw. Behebung der Blockade vollziehen. Das wartungsfreie und vor allem wiedereinrastbare Funktionsprinzip der Kupplung ermöglicht abschließend eine Wiederinbetriebnahme der Anlage im Minutenbereich.

Vergleich mechanischer Sicherheitskupplungen

Die beschriebene Thematik ist bereits seit Jahrzehnten im Schwerlastmaschinenbau bekannt. Für den Crashfall stehen dem Konstrukteur Brechbolzenkupplungen oder hydraulische Kupplungen zur Auswahl. Die Nachteile im Vergleich zur mechanischen Sicherheitskupplung von R+W sind eindeutig. Eine Brechbolzenkupplung ist zwar im Anschaffungspreis günstiger, benötigt aber zur Wiederinbetriebnahme eine vielfach höhere Montagezeit.

Eigenschaften der Brechbolzenkupplung

Die Bolzen (meist inkl. Buchsen) müssen vollständig demontiert werden. Danach muss die Kupplung neu justiert werden bevor mit enormen Montageaufwand die neuen Stifte inkl. Buchsen eingesetzt werden können. Der noch anfangs vorteilhafte Einkaufspreis ist spätestens bei dem ersten Auslösevorgang relativiert. Des weiteren benötigt die Wiederinbetriebnahme der Kupplung einen hohen Grad an Erfahrung des Monteurs, denn bei falscher „Reparatur“ der Kupplung rastet diese in Zukunft bei anderen Drehmomenten aus! Welches in Summe extreme Kosten bei Stillstand verursacht.

Eine Überlastkupplung die auf einem hydraulischen Prinzip arbeitet, punktet anfangs durch eine extrem kompakte Bauform. Löst die Kupplung aufgrund von Überlast aus, wird durch mehrere Abscherventile das bis zu 1000 bar unter Druck stehende Öl aus der Kupplung herausgeschleudert.

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Die Verunreinigung der Maschinenbauteile in nächster Nähe der Kupplung sind extrem. Nach dem Stillstand der Anlage müssen die einzelnen Ventile erneuert werden und mit einem speziellem Pumpe (exakte Druckanzeige) gefüllt werden. An dieser Stelle muss der exakte Druck eingehalten werden, da sich ansonsten das Ausrückdrehmoment verändert. Diese hydraulische Sicherheitskupplung trennt zwar im Überlastfall die An- und Abtriebseite auf das Nenndrehmoment. Ein Freilaufen der einzelnen Komponenten findet allerdings erst nach einer gewissen Zeitverzögerung statt. Dies kann unter Umständen zu weiteren Schäden von Komponenten führen.

In Summe vereinigt die mechanische Sicherheitskupplung die gesamten Nachteile und relativiert diese. Das mechanische Funktionsprinzip kann sofort (Tellerfedern) wieder in Betrieb genommen werden. Es müssen keine Verschleißteile wie beispielsweise Bolzen oder Ventile nachgerüstet werden. Es findet keine Verunreinigung der Bauteilkomponenten statt. Das wichtigste aber an dieser Stelle ist: Der Monteur bzw. der Betreiber der Anlage hat die zu 100 % garantierte Sicherheit, dass die Kupplung bei erneutem Schadensfall exakt bei dem benötigten Drehmoment ausrastet. Ein nicht ordnungsgemäße Wiederinbetriebnahme ist bei dem R+W Prinzip ausgeschlossen.

Technischen Daten der Rutschkupplung

Im Vergleich zu anderen mechanischen Sicherheitskupplungen baut diese Kupplung bis zu 23 % kompakter im Bezug auf den Außendurchmesser. Der Unterschied im Gesamtgewicht der Kupplung beträgt im extremsten Fall 1 t. Demzufolge können bei den jeweiligen Kupplungsgrößen wesentlich höhere Umfangsgeschwindigkeit zugelassen werden. In Summe verbessert die Neuentwicklung der Sicherheitskupplung ST die Baugröße, das Gesamtgewicht und die maximal zulässige Betriebsdrehzahl.

Die einzelnen Verbesserungen speziell in der Baugröße wurden vom Markt direkt gefordert. Denn eine Reduzierung (bis zu 73 %) ermöglicht eine leichtere Montage der Kupplung. Dadurch wird der gesamte Antriebsstrang leichter und kann eventuell in einer Vormontage zusammengebaut werden. Abschließend reduziert das geringere Gesamtgewicht ebenfalls das Massenträgheitsmoment durch die geringeren Schwungmassen. Neben der Verkürzung im Beschleunigungs- und Abbremsvorgangs erreicht die Anlage eine höhere Dynamik welches letztendlich eine höhere Produktivität für den Endkunden bedeutet.

Aufbau und Funktionsprinzip der Sicherheitskupplung

Die Sicherheitskupplung besteht aus zwei Flanschen, die mittels sogenannten Schaltteilen (ST) verbunden werden. Die Schaltteile werden in einem definierten Umfang am Flansch 1 montiert. Durch Tellerfedern kann die am Kopfende sitzende Kugel mit einer definierten Kraft in das gegenüberliegende Einrastsegment gedrückt werden. Über die physikalische Beziehung Kraft x Hebelarm = Drehmoment wird die Kupplung eingestellt.

Jedes Schaltteil kann in einem vorbestimmten Kraftbereich eingestellt werden. Im Gegensatz zu den derzeit verfügbaren Schaltsegmenten wird im Standard von R+W der Einstellbereich mit einer Skala deutlich vermerkt. Es entfallen aufwendige Vermessungen der Tiefe des Stößels bzw. Rückschlüsse des Ausrastdrehmoments über Grafiken und Einstelldiagramme. Die Zeitersparnis beim Einstellen des Ausrückdrehmoments an dieser Stelle deutlich. Abschließend verfügt jedes Schaltteil über einen Festanschlag in der Verstellmutter.

Eine Fehlbedienung (Sperren der Kupplung) ist somit ebenfalls ausgeschlossen. Die Sicherheitskupplung der Baureihe ST reicht bis zu einer Drehmomentbegrenzung von 160.000 Nm. Bei Anlieferung der Kupplung ist diese voll funktionsfähig und bedarf keine zusätzlichen Wartung oder Schmierung. Je nach dem Ausrückdrehmoment sitzen 3, 6 oder 9 Schaltteile am Umfang symmetrisch verteilt. Die bei allen drei Ausführungen vorgesehenen 9 Vorbohrungen ermöglichen dem Kunden jederzeit die Nachrüstung von einzelnen Schaltteilen.

Im extrem Fall (sehr kompakte Einbaulage mit extrem hohen Drehmomenten) kann die Anzahl der Schaltteile von 9 auf 12 oder die Anzahl der Tellerfedern (höhere Kraft) erhöht werden. Dies hat eine Leistungssteigerung von bis zu 25 % der gesamten Kupplungseinheit zur Folge. Auch im Bereich der Wiedereinrastung konnte der Hersteller auf der Hannover Messe Verbesserungen präsentieren. Eine umlaufende Nut ermöglicht einen Hebelpunkt zur besseren und einfacheren Wiedereinrastung der einzelnen Stößel. Dieser Vorteil reduziert die Stillstandszeiten bis zur Wiederinbetriebnahme der Anlage.

Modellreihen ST für direkte Antriebe

Die Sicherheitskupplung der Baureihe ST ist für indirekte Antriebe (Modellreihe ST1) entwickelt worden. Technische Parameter wie beispielsweise Radial-Querkräfte durch Ketten- oder Riemenräder werden durch spezielle Schulterlager kompensiert. Diese Lager ermöglichen ebenfalls eine nahezu unbegrenzte Zeit für das Abbremsen der einzelnen Schwungmassen bis zum Stillstand.

Die Hauptanbindungsart für die Modellreihe ST1 sind Gelenkwellen bzw. Kardanwellen. Diese Verbindungselemente werden meistens zur Kraftübertragung in Schwermaschinenbau genutzt. Durch die kompakte Bauweise wird der Außerdurchmesser der gesamten Kardanwellen nur minimal größer. Als Anbindung an die meist kleineren DIN Flansche der Kardanwelle wird eine einfache Lösung mit einem Verbindungsflansch angeboten.

Neben den indirekten Antrieben stehen dem Markt zwei weitere Modelle für direkte Antriebe zur Verfügung. Die Baureihe ST2 besitzt neben dem Sicherheitssegment ein elastischen Ausgleichselement. Dieser Kunststoff in Form von Natur- oder Synthesekautschuk gleicht die auftretenden Versätze in axialer, lateraler und angulare Richtung aus. Weiterhin werden Drehmomentstöße oder Schwingungen gefiltert. Die zweite Baureihe für direkte Antriebe (Modell ST3) wird als torsionssteife Ausführung angeboten. Merkmale sind eine exakte Drehmomentübertragen, sehr hohe Robustheit und die Kompensation von allen drei auftretenden Versatzarten bei sehr geringen Rückstellkräften.