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Sicherheit im Hochspannungsbereich mit kaltgerolltem Kugelgewindetrieb : Ausgabe 01/2018, 12.04.2018

Robuster Kugelgewindetrieb beherrscht Lichtbogen

Strom ist das Lebenselixier unserer modernen Gesellschaft und Wirtschaft. Ohne ihn geht gar nichts mehr. Für den sicheren Betrieb unseres Stromnetzes sind Leistungsschalter von entscheidender Bedeutung. Die gesamte Leistung eines Kraftwerks (im Gigawattbereich) ein- und auszuschalten und Spannungen bis 1500 kV zu lenken, ist beispielsweise ihr Auftrag. Eine überaus bedeutende und verantwortungsvolle Schlüsselfunktion dabei trägt der kaltgerollte Kugelgewindetrieb Typ Carry aus Burg.

Autor: Ursula Schädeli, Marketing, Eichenberger Gewinde AG, Burg

Bilder: Eichenberger

Die elektrische Energie wird vom Stromerzeuger, zum Beispiel vom Kraftwerk, zum Stromnutzer transportiert. Um Verluste und damit Kosten bei der Elektrizitätsübertragung zu sparen, will man möglichst geringe Stromstärken erzielen. Um trotzdem viel Leistung übertragen zu können, wird mit hohen Spannungen gearbeitet. Hier kommen Hoch- und Höchstspannungen bis zu 1150 kV zum Einsatz. Das gesamte europäische Stromnetz hat eine Länge von etwa 1,8 Mio. km.

Herausforderung der Leistungsschalter

Unabhängig von seiner Position im Netz hat ein Leistungsschalter zwei Aufgaben: Das tägliche Schalten von Leitungen im normalen Betrieb und die Unterbrechung der Stromversorgung im Falle einer Überlastung oder eines Kurzschlusses. Ein Leistungsschalter ist ein mechanisches Schaltgerät und muss in der Lage sein, innerhalb von Sekundenbruchteilen Leistungen von mehreren GVA zu bändigen.

Das Unterbrechen des Stromflusses führt bei jedem Schalter, zumindest kurzzeitig, zu einem Spannungsüberschlag zwischen den beiden Kontakten und es bildet sich eine sich selbsterhaltende Gasentladung, die Lichtbogen genannt wird. Lichtbögen haben eine enorme Energie. Bei Temperaturen von über 50 000 °C und einem Volumen von weniger als einem Liter, können Drücke von bis zu 100 MPa auftreten. Das ionisierte Gas (Plasma) leitet nicht nur weiterhin Strom, sondern reduziert die Lebensdauer des Bauteils. Bei starken Strömen kann es den Schalter sogar zerstören. Leistungsschalter sind so konstruiert, dass der beim Öffnen der Schaltkontakte entstehende Lichtbogen schnell und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss unterbrochen wird.

Mit dem richtigen Technikpartner einen Schritt voraus

Ein globales Technologieunternehmen suchte eine zuverlässige Antriebslösung, um die schweren Metallkontakte in den Leistungsschaltern blitzschnell voneinander zu trennen. Bei Eichenberger Gewinde AG wurde der Energietechnikkonzern fündig. Der Schweizer Gewindespezialist liefert seit Jahrzehnten Spindellösungen, die sich nicht nur hinsichtlich Performance, Qualität und Zuverlässigkeit auszeichnen, sondern den entscheidenden Innovationsvorsprung unterstützen. Wenn es um die Konstruktion spezifisch eingebundener Antriebskomponenten geht, profitieren die Kunden weltweit von den fundierten Kenntnissen und dem erstaunlichen Entwicklungs- und Fertigungspotenzial Eichenbergers.

Der Gewinderoller fokussiert stets auf den bedarfsorientierten, konstruktiven Austausch mit seinen Partnern. Einerseits besteht die Kunst darin, aussergewöhnliche Kundenlösungen zu entwickeln und andererseits leistungsfähige und fortschrittliche Produktionsverfahren sicherzustellen. Zukunftweisendes, vitales Denken ist fest in Eichenbergers Firmenkultur verankert. Die ideale Unternehmensstruktur «Inhouse» bedeutet, dass Entwicklung, Fertigung, Qualitätssicherung und eine agile Prototypenerstellung, inklusive Gewinderollwerkzeuge und Endenbearbeitung, gleichzeitig angeboten werden können. Dies setzt eine bemerkenswerte Flexibilität und Anpassungsfähigkeit frei. Das Qualitätsbewusstsein der Mitarbeiter ist gekoppelt mit einem entsprechend modernen Maschinenpark. Dank dieser Faktoren lässt sich besonders am Standort Schweiz sehr viel bewegen. Das permanente Erarbeiten von praktischen Kundenlösungen ist Eichenbergers Leidenschaft. Gewindeformen, die sich ausserhalb der Norm befinden, sind die gesuchten Aufgabenstellungen.

Pluspunkt Gewinderollen

Das Potenzial in dieser Tatkraft erkannt, setzte der Energietechnikhersteller auf die robusten kalt gewalzten Kugelgewindetriebe aus Burg, die im kostengünstigen Gewinderollverfahren in grossen Serien hergestellt werden. Beim Gewinderollen werden die Längsfasern des Materials, anders als beim Schleifen, Fräsen oder Drehen, nicht zerschnitten, sondern umgelenkt. Es entsteht eine komprimierte, glatt rollierte, äusserst belastbare Oberfläche, welche für eine lange Lebensdauer der Spindel zwingend ist. Die Rauheitswerte um Rz 1,0 auf den Gewindeflanken und im Grundradius sowie eine deutlich verminderte Kerbempfindlichkeit bringen ebenfalls einen grossen Vorteil. Der Rollreibungskoeffizient beträgt bei Stahlkugeln 0,003 bis 0,001 gegenüber von Gleitreibung Stahl auf Stahl (geschmiert) 0,1 bis 0,05. Die hervorragenden Gleiteigenschaften des kaltgerollten Kugelgewindetriebs sorgen für minimalen Abrieb und bieten wenig Angriffsfläche für Verschmutzung. Das geräuscharme Abrollen der Kugeln wird dadurch zum Kinderspiel.

Absolute Zuverlässigkeit, selten gefordert – aber dann in Nullkommanichts

Ein Hochspannungskurzschluss hat bereits nach 5 ms seinen maximalen Wert erreicht. Eine Unterbrechung der Stromversorgung im Falle eines Kurzschlusses wird zum Glück selten gefordert. Wenn dieser Fall aber unerwartet auftritt, ist die absolute Zuverlässigkeit der mechanischen Antriebselemente unabdingbar! Der Kugelgewindetrieb Typ Carry gewährleistet höchste Funktionssicherheit mit enormer Leistungskraft (Wirkungsgrad > 0,9) und Robustheit. Carry bereitet den mechanischen Ein- und Ausschaltvorgang beim Leistungsschalter mit Hilfe von Schraubenfedern vor. Zwei massive Schubstangen sind beidseitig fest mit der massgefertigten Mutter, auch als Mitnehmer bezeichnet, verbunden. Diese beiden Hebel setzen die riesigen, unter Federdruck stehenden Schlaganker in Bewegung, die den Metallkontakt extrem schnell trennen. Trotz widrigsten Wetterbedingungen und starken Temperatur—unterschieden erfüllt der kaltgerollte, belastungsstarke Carry absolut zuverlässig seinen Auftrag, unter wartungsfreiem Einsatz.

Verschiedenste Dimensionen für den weltweiten Einsatz

Die kundenspezifischen Anforderungen an den Kugelgewindetrieb mit eingebautem Kunden-Interface in der Mutter präsentierten sich «gehaltvoll und vielfältig». In Bezug auf Axialkraft und Geometrie wurden höchste Ansprüche genannt. Die tribologischen Aspekte wie Reibung, Verschleiss und Schmierung wurden als wichtige Voraussetzungen aufgeführt, die es zu erfüllen galt. Die knifflige Aufgabe, das Äussere des Mutternkörpers den speziellen Schnittstellenanforderungen und den kinematischen Bedingungen anzupassen, stellte sich als besonders anspruchsvoll heraus. Aufgrund der Gesamtheit der Forderungen wurden für den weltweiten Einsatz verschiedenste Dimensionen des Kugelgewindetriebs Carry bestehend aus der kaltgerollten Gewindespindel und der spezifischen Mitnehmermutter entwickelt.

Wenn Zuverlässigkeit und Kundennutzen kein Zufall sind

Die Flexibilität von mechanisch-dynamischen Funktionselementen trägt erheblich zum Erfolg von Projekten in der Antriebstechnik bei. Massgebend dabei ist die Erkenntnis, dass Qualität und Zuverlässigkeit in ein Produkt «hineinentwickelt» werden müssen. Die Hightech-Prüfsysteme von Eichenberger Gewinde AG sind daher in vielen Phasen der Produktentstehung unentbehrlich. Nur wenn Spindeln, Muttern, Kugeln und Schmierung perfekt zusammenspielen, kann höchsten Ansprüchen Rechnung getragen werden. Aufgrund der engen Toleranzen bei Drehmoment, Axialspiel und Rundlauf wird eine 100 % Kontrolle auf einem speziellen Prüfstand durchgeführt. Nicht nur in der Automations-, Fahrzeug- oder Medizinbranche sind strengste Anforderungen an beispielsweise die vollständige Rückverfolgbarkeit ein Dekret. Auf Wunsch werden bei Eichenberger unkompliziert Datenbezüge mittels einer dauerhaften Laserbeschriftung als Datamatrixcode auf den Kugel- oder Gleitgewindetrieb gebracht. Heute geht es um Technikvorsprung und höhere Leistungsdichte, bei tendenziell reduzierten Investitionskosten. Wenn der Erfinder des Produktes auch dessen kompetentester Hersteller ist, liegen die Vorteile auf der Hand. 

Infoservice


Eichenberger Gewinde AG
Grenzstrasse 30, 5736 Burg
Tel. 062 765 10 10, Fax 062 765 10 55
info.eag@festo.com, www.gewinde.ch
Halle 16, Stand F04



Kugelgewindetrieb Typ Carry, Durchmesser ø 14 mm, Steigung p 4 mm, mit Kundeninterface in Mutternkörper


Eine der Kernkompetenzen beim Gewinderollen ist das Einstechverfahren

Die vier Typen im Überblick

  • «Carry»: Verschleissfreie Kugelgewindetriebe für Anwendungen, wo grosse Lasten bei geringem Energieverbrauch zu bewegen sind. Je nach Ausführung sind besonders hohe Verfahrgeschwindigkeiten möglich.
  • «Speedy»: Die Steilgewindespindel setzt – mit hoher Verfahrgeschwindigkeit – Linear- in Drehbewegungen um. Neu: zum Teil in Aluminium erhältlich.
  • «Easy»: Die hartanodisierte Leichtgewindespindel aus Aluminium mit einem Wirkungsgrad über 0.8, für höhere Lasten als bei normalen Gleitspindeln. Das Spezialprofil verhindert ein Verklemmen der Mutter.
  • «Rondo»: Die Rundgewindespindel mit sehr ruhigen Laufeigenschaften. Neu: zum Teil in Aluminium erhältlich.

Firmenprofil

Die Notwendigkeit zur Lösung praktischer Aufgaben ist immerwährend. Die darin liegenden Chancen setzt Eichenberger Gewinde AG erfolgreich um und es gelang, sich in der Nische Antriebstechnik mit den massgeschneiderten gerollten Gewindetrieben zu etablieren. Der Schweizer Gewindespezialist hat klare Ziele: Das Rollen (Kaltverformen) von Gewinden und die Fertigung von Gewindetrieben (Spindel und Mutter). Unter Einsatz modernster Produktionsmethoden und durch die Entwicklung neuer Dimensionen unterstützt Eichenberger den Kunden in «seiner» Innovation. Die Herausforderung für den Konstrukteur im Hochpreisland Schweiz besteht darin, sehr hohen technischen Wert in einem marktgerechten, wettbewerbsfähigen Produkt zu entwickeln. Es braucht nicht nur technologisches Wissen, Forschung und Entwicklung, sondern das zusätzliche Beherrschen effizienter Fertigungsverfahren bringt den Wettbewerbsvorteil. Wenn der Erfinder des Produkts zugleich dessen wirtschaftlichster Hersteller ist, kann insbesondere am Standort Schweiz wirklich etwas bewegt werden.