Eine Publikation der Binkert Medien AG
Komponenten für energieeffiziente Hydrauliksysteme und rauen Einsatz im Maschinenbau : Ausgabe 02/2012, 15.09.2012

Energetische Optimierungen im Fokus

Energieeffizienz ist das aktuelle Leitthema der Antriebstechnik – auch in der Hydraulik, wo es viele «Stellschrauben» gibt, um die Effizienz zu optimieren. Der Konstrukteur ist gut beraten, bei der energetischen Optimierung von Hydraulikantrieben auch dezentrale Bauteile wie Kupplungen, Pumpenträger und das Bremssystem zu berücksichtigen. Häufig muss man auch das Kühlsystem an die veränderten Anforderungen anpassen.

Effiziente Antriebe stellen zusätzliche Anforderungen an Komponenten. Das gilt ganz selbstverständlich für die Kernelemente im Hydrauliksystem wie Pumpen und Motoren. Hier haben die Hersteller grosse Erfolge erzielt und neue Baureihen entwickelt, mit denen sich effizientere Antriebe aufbauen lassen. Die elektronische Steuerungstechnik trägt dazu bei, dass das Antriebssystem bedarfsgerecht arbeitet. Sie schafft auch die Voraussetzung dafür, dass immer häufiger servohydraulische Antriebssysteme zum Einsatz kommen.

Einfluss aller Komponenten auf die Effizienz des Gesamtantriebes

Komponenten wie Wellenkupplungen, Pumpenträger, Behälter und Kühler stehen auf den ersten Blick nicht im Fokus, wenn es um die energetische Optimierung vorhandener Hydrauliksysteme oder um die Entwicklung neuer, besonders effizienter (Servo-)Hydraulik­- antriebe geht. Aber alle vier genannten Produktgruppen haben Einfluss auf die Effi­zienz des Gesamtantriebs. Hier kann also eine sorgfältige Auswahl ebenfalls zu verbesserten Leistungswerten ohne höheren Energieverbrauch bzw. zu gleicher Leistung bei geringerem Energiebedarf führen. Bei einigen Baugruppen – zum Beispiel bei Pumpenträgern – erfordert der Einsatz von hocheffizienten Systemkomponenten auch andere Kriterien bei der Auswahl von Zubehörteilen.

Servohydraulische Antriebe eignen sich fürs High-End-Segment

In unterschiedlichen Anwendungsfeldern der Hydraulik kommen zunehmend Servoantriebe zum Einsatz, bei denen die Erzeugung und Umwandlung hydraulischer Energie im geschlossenen Regelkreis erfolgt – zum Beispiel im Kunststoffmaschinenbau. Bei den typischen Prozessen der Kunststoffverarbeitung, z. B. beim Spritzgiessen, sind hohe Kräfte erforderlich. Deshalb ist hier die Hydraulik in ihrem Element. Zugleich aber werden immer höhere Anforderungen an Präzision und Regelbarkeit gestellt. Deshalb setzt man sowohl bei Pressen als auch bei Spritzgiessmaschinen im High-End-Segment servohydraulische Antriebe ein, die eine höhere Präzision erlauben und zugleich effizienter arbeiten, da sie nur dann Energie abfordern, wenn sie tatsächlich benötigt wird.

Servomotoren bauen kompakter als Standardmotoren

So vorteilhaft dieses Konzept im Kunststoffmaschinenbau und in anderen Branchen des Maschinenbaus auch ist: Bei der Gestaltung der Antriebe und bei der Auswahl der Verbindungselemente muss der Konstrukteur berücksichtigen, dass er vorhandene Konzepte nicht 1:1 übertragen kann. Das gilt sowohl für die Wellenkupplung zwischen Motor und Pumpe als auch für den Pumpenträger. Die bekannten Pumpenträger wurden ebenso wie die Wellenkupplungen für die Lastprofile von IEC-Normmotoren entwickelt, die kein häufiges und erst recht kein hochdynamisches Hochlaufen und Abbremsen vorsehen.

Die Vorteile der Servohydraulik mit ihrem drehzahlvariablen Elektroantrieb liegen aber eben darin, ein schnelles Anfahren von null auf Betriebsdrehzahl und Arbeitsmoment und wieder zurück bis zum Stillstand der Maschine zu ermöglichen. Deshalb muss man Pumpenträger und Kupplungen in der Servohydraulik anders auslegen. Zudem bauen Servomotoren kompakter als Standardmotoren.

Pumpenträger speziell für die Servohydraulik

Wenn ein Konstrukteur diese Faktoren nicht berücksichtigt, setzt er – um ein Beispiel zu nennen – bei einem hochdynamischen Servoantrieb mit 22 kW Nennleistung einen Pumpenträger ein, der für eine kontinuierliche Antriebsleistung von 4 kW konstruiert wurde. Dass in einem solchen Fall die erwünschte bzw. geforderte Zuverlässigkeit und Lebensdauer nicht gewährt ist, liegt auf der Hand.

Bei den Pumpenträgern steht eine Baureihe speziell für servohydraulische Antriebe zur Verfügung, die an der Pumpenseite einen vergrösserten Flanschdurchmesser haben, um die der jeweiligen Motorleistung entsprechenden Pumpen aufnehmen zu können. Sie sind nicht aus Aluminium, sondern aus Grauguss gefertigt, um höheren Kräften und Belastungen standzuhalten. Zudem lässt Aluminium bei Schraubverbindungen nur geringe Anzugsmomente zu, was bei hochdynamischen Antrieben dazu führen kann, dass sich die Verbindungen im Betrieb lösen. Dieses Risiko ist bei den Servo-Pumpenträgern der PSG-Baureihe laut Hersteller ausgeschlossen.

Hoch belastbare Kupplungen mit Elastomerwerkstoff T-PUR

Bei Wellenkupplungen kann der Konstrukteur mit dieser Tatsache einfach umgehen, da entsprechende (Servo-)Kupplungen zur Verfügung stehen. Hier hat der Anwender die Wahl zwischen den spielfreien Kupplungen der ROTEX-GS-Baureihe und den Standardversionen der ROTEX-Serie mit dem universellen und hoch belastbaren Elastomerwerkstoff T-PUR. Dieser verfügt über gute dynamische Eigenschaften, wodurch er sich für den Einsatz in der Servohydraulik eignet. Je nach Belastungsprofil kann ein KTR-Ingenieur somit die für die Anwendung passende Kupplung auswählen.

Verringerung der Ölmenge erhöht die Effizienz

Die Anwender von Hydraulikantrieben sind bestrebt, die Menge des im Hydraulikkreislauf befindlichen Öls möglichst gering zu halten. Gründe dafür sind die Einkaufs- und Entsorgungskosten des Öls sowie der Wunsch nach möglichst kompakten Konstruktionen. Bei mobilen Anwendungen, z. B. in Land- oder Baumaschinen, kommt der Faktor des Gewichts hinzu. Somit trägt auch eine Verringerung der Ölmenge zur Effizienz und Nachhaltigkeit der Antriebslösung bei. KTR fertigt daher im Kundenauftrag immer häufiger massgeschneiderte Hydraulikbehälter, die optimal in die Maschinen eingepasst sind und somit von Standardabmessungen abweichen.

Umfassende Erfahrung für die Berechnung der nötigen Kühlleistung

Da sich das Hydrauliköl als Druckmedium im Umlauf erwärmt, sind dem Wunsch nach Verringerung der Umlaufmenge aus Temperaturgründen oft Grenzen gesetzt – es sei denn, man integriert Ölkühler ins System. KTR bietet hier ein aus verschiedenen Baureihen bestehendes Programm, das die Voraussetzung dafür schafft, die Ölmenge und damit Gewicht zu sparen und zugleich die Dynamik im Antriebssystem zu steigern – ohne die Leistung erhöhen zu müssen. Je nach Umgebungsbedingungen lassen sich Öl-Luft- oder Öl-Wasser-Kühler in Rohrbündel- und Plattenwärmetauscher-Bauweise einsetzen. Bei der Berechnung der nötigen Kühlleistung kann das Unternehmen auf umfassende Erfahrungen und Labortests zurückgreifen.

Ganzstahlkupplungen mit hoher Leistungsdichte

Nicht allein in der Hydraulik kommt es auf die richtige Auswahl der Antriebskomponenten an. Auch im klassischen Maschinenbau oder in der Eisenhüttenindustrie – wo auch viele hydraulische Antriebe zu finden sind und Leistungsdichte gefragt ist – werden hohe Anforderungen an die mechanischen Antriebs- und Bremssysteme gestellt.

Selbst bei den dort herrschenden hohen Umgebungstemperaturen bietet sich auf der Abtriebsseite der Industriegetriebe die doppel­kardanische Ganzstahl-Zahnkupplung GEARex an. Die Produktlinie ist für eine Drehmomentübertragung von 930 bis 1 050 000 Nm ausgelegt, bei Wellenabmessungen bis zu einem Durchmesser von maximal 450 mm.

Auf Wunsch sorgen die KTR-Kupplungen mit integrierter Scheibenbremse und dem Bremssystem KTR-STOP mit der optionalen Rampensteuerung IntelliRamp für ein sanftes Abbremsen und Halten von Förderanlagen oder z. B. Seilwinden auf der Abtriebseite.

KTR-STOP-Bremssystem sorgt für ein sicheres und effektives Abbremsen

Die KTR-STOP-Bremssysteme reagieren aufgrund ihrer Bauform mit kleinen Trägheiten, da der Luftspalt zwischen Bremsbelägen und Scheibe klein ist. Bei der KTR-STOP (passiv) handelt es sich um eine federbetätigte Schwimmsattelbremse. Die Bremskraft wird durch abnehmenden Öldruck reguliert. Zudem weist sie einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Bauraum auf und ist komplett gekapselt. Mechanische und klimatische Umwelteinwirkungen sowie aggressive Medien werden durch ihre aufwendige Kapselung effektiv von der Bremse ferngehalten. Zusätzliche Verschleissringe und integrierte Schmutzabstreifer sorgen für eine geringe Störanfälligkeit. Mit IntelliRamp ist eine spezielle Rampensteuerung erhältlich, die in der Lage ist, die Bremswirkung individuell anzupassen und somit einen effektiven und gleichzeitig schonenden Bremseingriff zu regeln. Dadurch werden Antriebskomponenten wie Kupplungen und Getriebe ebenso geschützt wie Seil- und andere Fördersysteme.

Infoservice


KTR Kupplungstechnik AG
Bahnstrasse 60, 8105 Regensdorf
Tel. 043 311 15 55, Fax 043 311 15 56
ktr-ch@ktr.com, www.ktr.com

Servohydraulische Antriebe erlauben eine hohe Präzision und arbeiten zugleich effizient


Wellenkupplung ROTEX mit dem Elastomerwerkstoff T-PUR


Gezieltes Thermomanagement mit leistungsfähigen Kühlern schafft Voraussetzung für Reduzierung der Ölmenge im Hydraulikkreislauf


Gegenüberstellung einer GEARex der Baugrösse 10 mit einer GEARex der Baugrösse 85


ROTEX-Klauenkupplung mit DZ-Elementen aus T-PUR, kombiniert mit einer KTR-STOP-Bremse an einem Grossgetriebe


Bei der Hochleistungsbremse KTR-STOP (passiv) handelt es sich um eine federbetätigte Schwimmsattelbremse, bei der abnehmender Öldruck die Bremskraft reguliert

ATEX-geprüft

Alle im Artikel aufgeführten KTR-Kupplungsbaureihen sind nach ATEX 95 geprüft und beurteilt und besitzen die Typenfreigabe der DNV und anderer Klassifizierungsgesellschaften. Somit sind sie geeignet für die Kraftübertragung in Antrieben, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen vorgesehen sind.