Dauerhafte Stoßbelastungen: Niedrig

May 26, 2023

In bedeutenden Industriesegmenten auf der ganzen Welt werden weiterhin große Investitionen in Großgeräte getätigt, die schwere Materialbewegungs- und Handhabungssysteme umfassen. In Bergbauanwendungen wie Schaufelradbaggern und Förderbändern, in Metallzerkleinerern in Recyclingbetrieben sowie in Windensystemen und Bohrausrüstungen in Offshore-Anwendungen sind leistungsstarke Antriebe mit niedriger Drehzahl, die ein hohes Drehmoment liefern und in rauen, anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig funktionieren, sehr gefragt Nachfrage.

Es gibt verschiedene Arten von Antriebsplattformen, die hierfür geeignet sind. Immer mehr Betriebe stellen jedoch fest, dass der hydraulische Direktantrieb (HDD) die Leistung bietet, die diese Systeme benötigen. HDD-Systeme bieten erhebliche Leistungsvorteile für Anwendungen, bei denen eine schwere Masse mit variablen Geschwindigkeiten bewegt werden muss, und zwar mithilfe eines Systems, das „Stoßlasten“ (plötzliche Gewichts- und Massenzuwächse der bewegten Lasten) bewältigen kann, kombiniert mit der Fähigkeit, Energie zu liefern -effiziente und zuverlässige Leistung – oft 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche im Einsatz.

HDD-Systeme werden am häufigsten für industrielle Anwendungen eingesetzt, bei denen schwere Massen kontinuierlich mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment bewegt werden, insbesondere mit hohem Anlaufdrehmoment für Betriebe mit häufigen Stopps und Starts. Die Bewegung der Materialien kann mit niedrigen Geschwindigkeiten erfolgen, typischerweise im Bereich von null bis 200 Umdrehungen pro Minute (U/min).

Diese Systeme funktionieren auch gut bei Anwendungen, bei denen es zu „Stoßbelastungen“ kommt, bei denen große schwere Lasten auf sich bewegende Förderbänder, Zuführungen, Brecher oder sich drehende Trommeln fallen gelassen werden, wodurch sich die Ladungsgröße im Normalbetrieb plötzlich um mehrere Tonnen ändert. Der Antrieb muss in der Lage sein, auf die Stoßbelastung ohne übermäßigen Verschleiß der Antriebskomponenten zu reagieren.

HDDs bieten diese Leistung aufgrund ihres einzigartigen Designs – vor allem, weil es sich um „Direktantriebe“ handelt, die die volle Betriebsenergie an die Welle liefern, die sie antreiben. Ein HDD ist ein geschlossenes System mit einem langsam laufenden Hydraulikmotor als Herzstück. Der Hydraulikmotor kann auch bei minimaler Geschwindigkeit ein hohes Drehmoment aufrechterhalten und ist direkt auf der Antriebswelle montiert – ein Untersetzungsgetriebe, Riemen, Ketten oder Kettenräder sind nicht erforderlich.

Die Stromversorgung des Hydraulikmotors erfolgt über eine separate Antriebseinheit, die nahezu überall in der Anlage positioniert werden kann. Die Antriebseinheit enthält mindestens einen Standard-Wechselstrom-Induktionsmotor, der mit fester Drehzahl läuft und eine Axialkolbenpumpe mit variabler Verdrängung antreibt. Es ist der variable Ölfluss der Pumpe, der die Geschwindigkeit und Richtung des Antriebs bestimmt.

Das komplette HDD-System umfasst außerdem die intelligente Pumpensteuerung, die Hydraulikflüssigkeitsversorgung sowie Verbindungsschläuche und Verkabelung. Das Aggregat ist über Kabel und Schläuche mit dem Hydraulikmotor auf der Welle verbunden; Dadurch können Systementwickler die Pumpe, den Elektromotor und die Steuerungen in einem Gehäuse abseits der Betriebsachse positionieren. Dies ermöglicht eine größere Designflexibilität und schützt diese Komponenten vor rauen Betriebsbedingungen.

HDD-Systeme werden immer häufiger in Schwermaschinenanwendungen eingesetzt; Dennoch sind auch andere Antriebssysteme im Einsatz, die die gleiche Funktion erfüllen. Traditionellere Industrieantriebe sind im Allgemeinen auf zwei Plattformen erhältlich: ein Antriebsmotor mit mittlerer oder hoher Geschwindigkeit, der entweder hydromechanisch oder elektromechanisch sein kann, kombiniert mit einem Untersetzungsgetriebe, um den Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment zu ermöglichen.

Hydromechanische Antriebe (HMDs) haben ein grundlegendes Drehmoment und eine ähnliche Drehzahl wie ein HDD, der Antrieb ist jedoch über ein Untersetzungsgetriebe mit der Antriebswelle des Systems verbunden. Durch diese Konfiguration entstehen mechanische Verluste, die das Ausgangsdrehmoment reduzieren. Wie viel Drehmoment genau verloren geht, hängt von der Art des verwendeten Untersetzungsgetriebes, der Anzahl seiner Getriebestufen und dem Faktor der Überdimensionierung ab.

Ein AC-Antrieb mit variabler Drehzahl (ACD) kombiniert einen Hochgeschwindigkeits-AC-Induktionsmotor mit einem Untersetzungsgetriebe, um eine niedrige Laufgeschwindigkeit zu erreichen. In manchen Fällen muss zwischen Motor und Untersetzungsgetriebe eine Flüssigkeitskupplung eingebaut werden. Es gibt verschiedene Methoden zur Steuerung eines ACD. Diese Methoden ermöglichen in der Regel eine steuerbare Geschwindigkeit im Bereich von 0 bis 100 Hz bei Hochleistungsanwendungen. Beim Betrieb mit der Nennfrequenz von 50/60 Hz kann der Antrieb dauerhaft mit 100 Prozent des Nenndrehmoments des Motors betrieben werden; Bei niedrigerer Drehzahl verringert sich jedoch das verfügbare Dauerdrehmoment.

HDD-Systeme bieten im Vergleich zu anderen Systemen mehrere inhärente Vorteile. Bei einer Getriebeantriebslösung sind der Elektromotor, das Untersetzungsgetriebe und die Kupplung mechanisch mit der angetriebenen Welle verbunden, was häufig viel Platz um die Maschine herum erfordert. Ein Direktantrieb ist deutlich kompakter. Ebenso wichtig ist, dass nahezu 97 Prozent der vollen Leistung des HDD-Systems direkt zum Drehen der angetriebenen Welle aufgewendet werden. Eine Getriebeantriebslösung erzeugt auch bei plötzlichen Geschwindigkeitsänderungen durch starke Stoßbelastungen ein hohes zusätzliches Drehmoment. Werden diese nicht kompensiert, kann es zu erheblichen Kosten durch Ausfälle und daraus resultierende Ausfallzeiten kommen. Ein Direktantrieb eliminiert dieses Risiko.

Dies kann dazu beitragen, Geräte zu schützen, die im normalen Betrieb starken Stoßbelastungen ausgesetzt sein können. Beispielsweise verwenden viele Förderbänder im Bergbau ACD-Antriebe, um Tonnen von Material durch ihre Prozesse zu bewegen. Beim Anlaufen solcher Antriebe wirkt sich die Anlaufträgheit sofort auf den Riemen aus, was mit der Zeit zu einer Überbeanspruchung des Riemens und zu Ausfällen führen kann.

Im Gegensatz dazu liefert eine HDD sofort beim Start das volle Drehmoment bei Drehzahl Null. Dadurch können Bergbaubetreiber die Geschwindigkeit langsam von einer U/min in sehr engen Schritten erhöhen, sodass das Band nicht belastet wird und das Material dennoch effizient transportiert wird.

Das einfache, robuste Design von Hydraulikmotoren ermöglicht es ihnen auch, wiederholt zu starten, zu stoppen und rückwärts zu fahren, ohne die inneren Nocken und andere Motorelemente zu belasten. Dies ermöglicht es dem Bediener, die Bewegungsabläufe so zu gestalten, dass sie der Last oder den Arbeitsanforderungen der Maschine entsprechen, die die Festplatte antreibt und so oft wie nötig anhält und startet. Bei einem ACD oder HMD, das ein Untersetzungsgetriebe verwendet, müsste das Getriebe überdimensioniert werden, um die gleiche Anzahl von Starts und Stopps durchzuführen, um diese Bedingungen zu bewältigen, ohne dass der Antrieb schnell verschleißt – und eine Überdimensionierung eines Getriebes kann eine kostspielige Lösung sein.

HDD-Systeme bieten im Vergleich zu Antriebslösungen mit Getriebekopplung auch eine überlegene Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung. Da der variable Ölfluss von der Pumpe die Geschwindigkeit und Richtung des Antriebs bestimmt, werden Geschwindigkeit und Richtungssteuerung nicht durch die Einschränkungen des Elektromotors beeinträchtigt. Und aufgrund des geringen Trägheitsmoments des Hydraulikmotors erfolgt die Reaktion nahezu verzögerungsfrei.

Neben der technologieinhärenten Schocklastfestigkeit bietet die HDD-Technologie auch einen Überlastschutz, um Maschinen zu schützen und maximale Betriebszeiten zu gewährleisten. HDDs verfügen über eine einstellbare Druckbegrenzungsfunktion, die verhindert, dass das maximale Drehmoment bei Überlast überschritten wird. Eine Überschreitung des maximalen Drehmoments wird dadurch verhindert, dass die Pumpe bei Bedarf bei längeren Beschleunigungszyklen und bei Überlastung entlastet wird.

Dies bietet eine größere Flexibilität und ermöglicht dem Betreiber, auf unterschiedliche Produktions- oder Betriebsanforderungen zu reagieren. Beispielsweise zerkleinert ein Recycler möglicherweise eines Tages Kunststoffe in einem Schredder und reduziert für diesen Vorgang den maximalen Druck der Festplatte. Dieselbe Maschine könnte einige Tage später zum Zerkleinern von Metall verwendet werden. Da in diesem Fall bekannt ist, dass mehr Drehmoment benötigt wird, genügt eine einfache Steuerungsänderung, um den maximal zulässigen Druck zu erhöhen, ohne den Antrieb zu belasten.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Endbenutzer von Schwermaschinen HDD-Systeme in ihren Betrieben implementieren können. Es gibt einige Lieferanten von Hydraulikmotoren, die den Motor liefern können, der auf der Antriebswelle montiert wird. Es wäre dann Sache des Endbenutzers oder eines Hydrauliksystemintegrators, den drehzahlvariablen Antrieb, die Hydraulikpumpe, die Steuerung und andere Antriebskomponenten zu beschaffen und das System für den Start zu programmieren.

Einige Hydrauliklieferanten bieten Komplettlösungen in schlüsselfertigen Paketen an. Einige Anbieter bieten auch Expertenempfehlungen, Installationsunterstützung und effektive Reparaturdienste an. Die Zusammenarbeit mit einem fachkundigen Lieferanten trägt dazu bei, dass für jedes Hochleistungsgerät der richtige Satz an Laufwerken entwickelt und installiert wird, um die Vorteile der HDD-Technologie über den gesamten Systemlebenszyklus hinweg voll auszuschöpfen.

Dieser Artikel wurde von Brian Howell, Vertriebs- und Betriebsleiter für große hydraulische Antriebe, Bosch Rexroth (Bethlehem, PA) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Oktoberausgabe 2022 des Motion Design Magazine.

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