Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen

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1 Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen. Einfçhrung Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen haben ein breites Anwendungsfeld. Entsprechend vielfåltig sind die an sie gestellten Anforderungen und ihre Bauarten. In leistungsstarken Anlagen werden vorzugsweise Trommel- und Scheibenbremsen eingesetzt. In Getriebemotoren oder Elektrozçgen arbeiten neben Scheibenbremsen auch Kegelbremsen. In vielen Bereichen dienen Reibkupplungen gleichzeitig auch als Bremse. In Bagger-, Montage- und Schiffswinden mit großen Trommeldurchmessern sind Bandbremsen çblich. Mit ihnen lassen sich große Bremskråfte aufbringen und manuell steuern []. Dieses Kapitel stellt die wichtigsten Bauarten der in Industrieanlagen eingesetzten mechanischen Bremsen vor, beschreibt das energetische Zusammenspiel zwischen Bremse und Triebwerk, zeigt die Reibungs- und Verschleißeigenschaften im praktischen Bremsbetrieb, und gibt Unterstçtzung bei der Dimensionierung der Bremsen.. Industriebremsen Zu den so genannten Industriebremsen zåhlen Trommel- und Scheibenbremsen, die z. B. in Kranen, Færder-, Hçtten-, Bergwerks- und Windkraftanlagen eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich von den Bremssystemen des Fahrzeugbaus durch ihre i. A. græßeren Abmessungen, die Konstruktionsart und die Einsatzbedingungen. In Antriebssystemen, die mit einer elektrischen Bremse ausgerçstet sind, fållt die mechanische Bremse erst bei einer relativ kleinen Geschwindigkeit ein, nimmt deswegen nur noch eine vergleichsweise kleine Restenergie auf und wirkt anschließend als Haltebremse. Allerdings muss sie bei Stromausfall die gesamte Bremsenergie in Wårmeenergie umwandeln. Deshalb ist der Notstopplastfall der Bemessungslastfall fçr die Reibpaarungen. Berechnungsgrundsåtze und weiterfçhrende Normen liefert DIN 44, Teil -... Bauarten Trommelbremse (Bild -): Wåhrend des Bremsvorgangs drçckt eine einstellbare Feder zwei mit dem Reibbelag belegte Bremsbacken çber ein Hebelsystem 4 gegen die rotierende Trommel. Das Úffnen der Bremse geschieht i. A. elektrohydraulisch durch das sog. ELDRO 7, seltener vollhydraulisch oder durch einen Elektromagneten. Die erforderliche Lçftkraft bzw. der Lçftweg lassen sich çber einen Exenter 6 einstellen. Das wartungsfrei arbeitende ELDRO (Bild -) æffnet die Bremse durch Einschalten des Drehstrommotors. Dazu færdert das Pumpenrad Úl aus dem Raum in den Raum 4 und drçckt dadurch den Kolben mit der daran befestigten Schubstange 6 nach oben. Solange die Bremse geæffnet ist, ist der Motor eingeschaltet. Er wird erst stillgesetzt, wenn die Bremse geschlossen werden soll. Die im ELDRO untergebrachte Feder 7 oder wahlweise die in die Bremse eingebaute Feder (Bild -, Teil ) drçckt danach die Schubstange 6 nach unten und erzeugt die Anpresskraft zwischen den Reibpartnern. Lüftweg a) b) Bild - Trommelbremse nach DIN 4, Bauart ASKU-Scholten Bild - Elektro-hydraulisches Lçftgeråt (ELDRO), Bauart EMG Automation GmbH

2 4 Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen a) b) Bild - Bremstrommeln mit Bremsbacken. a) Außenstegtrommel mit Bolzenkupplung, bestehend aus Kupplungsflansch, Bolzen 4 und zylinderfærmigen Gummielementen. b) Mittenstegtrommel mit drehelastischer Kupplung (Periflex- Kupplung, Fa. Stromag), bestehend aus Kupplungsflanschen und gummielastischem Reifen 4 Das ELDRO zeichnet sich gegençber dem elektromagnetischen Bremslçfter durch einen nahezu stoßfreien Aufbau der Reibkraft aus und nimmt dafçr eine geringfçgig långere Einfallzeit in Kauf. Die Trommeln (Bild -) werden aus GS-6 oder aus GGG 4, fçr untergeordnete Zwecke auch aus GG- gefertigt. Den Trommelmantel und die Nabe verbindet eine Außenstegscheibe (Bild -a) oder eine mittig liegende Stegscheibe (Bild -b). Die Trommeln haben einen Durchmesser zwischen mm und 7 mm. Wegen des relativ großen Massentrågheitsmoments der Trommel liegt die wirtschaftliche Grenzdrehzahl fçr die mm Trommel bei min und fçr die 7 mm Trommel bei 6 min. Dies entspricht einer Reibgeschwindigkeit zwischen 6 und m/s. Die Reibbelåge bestehen aus organisch gebundenen Reibwerkstoffen. Die rechnerische Flåchenpressung sollte wegen der gekrçmmten Reibflåchen auf p ¼ N/cm begrenzt werden. Die Trommel sitzt i. A. direkt auf der Getriebeeingangswelle und ist mit dem Motor çber eine in die Trommel integrierte Bolzenkupplung (Bild -a), bei hohen dynamischen Belastungen besser çber eine spielfreie, stark dåmpfende Gummiringkupplung (Bild -b) verbunden. Solange die Trommelbremse den Anforderungen gençgt, wird sie der Scheibenbremse vorgezogen, da sie preiswerter und wartungsårmer ist. Vorteilhaft ist ferner, dass die Reibkråfte an den beiden Bremsbacken die Getriebewelle praktisch nicht durch eine Querkraft belasten, da sie annåhernd gleich groß sind, in entgegengesetzter Richtung wirken und sich deswegen nahezu aufheben. Bild -4 Scheibenbremse nach DIN 4, Bauart ASKU-Scholten Scheibenbremse (Bild -4): Die Anpresskraft zwischen den mit dem Belag belegten Bremsbacken und der rotierenden Scheibe erzeugt eine Bremszange 4, die durch Schrauben- oder Tellerfedern beaufschlagt wird. Ûber einen keilfærmigen Messerhebel 6 wird die Zange hydraulisch, i. A. aber durch das sog. ELDRO 7 (ELDRO siehe Bild -) geæffnet. Massive Scheiben (Bild -) werden aus St - oder bei hohen Beanspruchungen besser aus 4CrMo 4 gefertigt []. Der Einsatz der erheblich teureren selbstbelçftenden Scheibe aus Stahlguss oder Sphåroguss ist nur dann sinnvoll, wenn çber eine långere Zeit relativ große Bremsenergien aufgenommen werden mçssen, die bei Einsatz der massiven Scheibe fçr den Reibbelag unzulåssig große Temperaturen bringen wçrden. Die Bremsscheibe wird çber eine hochfeste Schraubenverbindung mit einer Nabe verbunden (Bild -), die fest auf der Getriebeeingangswelle sitzt. Zwischen dem Motor und der Bremsscheibe wird eine drehelastische Kupplung (z. B. die Periflex-Kupplung wie in Bild -b) oder bei großen Bremsmomenten eine drehstarre Zahnkupplung (Bild -) eingebaut. Werden besonders kurze Schaltzeiten in Scheibenbremsen gefordert, wirken die Bremsfedern direkt auf die Bremsbelåge (Bild -6). Das vorgespannte Motorseite Getriebeseite Bild - Massive Bremsscheibe mit Zahnkupplung [Fa. Bubenzer]

3 . Industriebremsen 4 4 Schnitt A-A A Bild -6 Selbstschließende, hydraulisch lçftende Bremszange mit Bremsscheibe (Fa. Bubenzer) Tellerfederpaket, die Reibbelåge und die hydraulische oder pneumatische Einrichtung 4 zum Lçften der Bremse sind dann in einer Baueinheit integriert. Wegen der steifen Federkennlinie hat der Reibbelagverschleiß einen relativ starken Abbau der Anpresskraft zur Folge, sodass die Feder håufiger als in der mit einem Hebelsystem ausgerçsteten Bremse, z. B. nach Bild -4, nachgestellt werden muss. Wegen des relativ kleinen Massentrågheitsmoments der Scheibe, der ebenen Reibflåchen und der gçnstigen Wårmeabfuhr kænnen Scheibenbremsen bei græßeren Flåchenpressungen, græßeren Reibgeschwindigkeiten und hæheren Reibflåchentemperaturen arbeiten als Trommelbremse und dadurch bei gleichem Reibkærperdurchmesser und kleineren Reibbelagflåchen eine um ein Vielfaches græßere Bremsenergie aufnehmen. Fçr organisch gebundene Reibwerkstoffe sind bei Reibgeschwindigkeiten bis zu m/s Flåchenpressung um N/cm çblich. In Sonderfållen sind N/cm mæglich. Bei großer Reibflåchenbeanspruchung werden gesinterte Reibwerkstoffe eingesetzt. Sie erlauben Reibgeschwindigkeiten bis zu 9 m/s. Die Flåchenpressung liegt hier i. A. um N/cm. In Sonderfållen kann sie bis 4 N/cm betragen. Scheibenbremsen mit nur einer Zange, wie z. B. nach Bild -4 oder Bild -6, erzeugen eine den Reibkråften gleichgroße Reaktionskraft (Querkraft) an der Getriebewelle und dadurch ein umlaufendes Biegemoment. Durch den Einbau von zwei symmetrisch zum Scheibendrehpunkt angeordnete, zeitgleich betåtigte Zangen låsst sich diese fçr die Getriebewelle ungçnstige Wechselbiegebeanspruchung vermeiden... Das energetische Zusammenspiel zwischen Triebwerk und Bremse Die wåhrend eines Bremsspiels vom Triebwerk in die Bremse eingebrachte mechanische Bremsenergie W mech setzt sich im allgemeinen Fall aus den beiden A Anteilen W J und W(t) zusammen. W mech ¼ W Q þ WðtÞ (.) W J ist die bremszeitunabhångige Energie der abzubremsenden rotierenden Teile. W Q errechnet sich aus dem Massentrågheitsmoment Q der auf die Bremswelle reduzierten rotierenden Massen und aus der Drehgeschwindigkeit w zu Bremsbeginn: W Q ¼ Q w (.) W(t) ist der bremszeitabhångige Energieanteil, der wåhrend des Bremsprozesses von außen in das Triebwerk eingebracht wird. Z. B. ist dies in einem Kranhubwerk (Bild -7) die potentielle Energie der Masse m, die auf dem Senkweg s ¼ v t b / frei wird. Dabei sind v die Senkgeschwindigkeit der Last zu Bremsbeginn, t b die Bremszeit und g die Erdbeschleunigung. WðtÞ ¼ m g v t b (.) In anderen Anlagen, z. B. in Windkraftanlagen, wirkt wåhrend des Bremsvorgangs ein Zusatzmoment M zu auf die Bremswelle. Ist M zu çber die Bremszeit konstant, dann gilt: WðtÞ ¼M zu j b (.4) Andernfalls ist mit dem mittleren Zusatzmoment zu rechnen. Mit dem Drehwinkel j b zwischen Bremsbeginn und Bremsende nach Gl. 4.8 und Bild 4-6b folgt aus Gl..4: WðtÞ ¼ M zu w t b (.) Um W(t) nach Gl.. oder nach Gl.. klein zu halten, ist eine kurze Bremszeit t b anzustreben. Aus der Sicht der Bremse gesehen, ist die bei konstantem Bremsmoment M b gewandelte Energie W b ¼ M b j b (.6) oder mit Gl. 4.8: W b ¼ M b w t b (.7) v s 4 m g Bild -7 Kranhubwerk, Abbremsen einer Last von der Anfangsgeschwindigkeit v bis zum Stillstand

4 44 Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen Energie W W Θ Triebwerk W mech Bremse WB t b A W Θ Wt ( b) t b W B Das Zusammenspiel von Triebwerk und Bremse zeigt Bild -8. Die Kennlinie fçr die vom Triebwerk in die Bremse eingebrachte Energie W mech beginnt mit einem endlichen Wert W Q (Gl..) und steigt mit W(t) nach Gl.. oder nach Gl.. linear mit der Bremsdauer an. Die Kennlinie W B der Bremse nach Gl..7 entspringt dagegen im Ursprung. Das Energiegleichgewicht W mech ¼ W Br im Schnittpunkt A bestimmt die Bremszeit t b zwischen Bremsbeginn und Stillstand der Bremse. Die Bremszeit t b kann deswegen durch Gleichsetzen von Gl.. und.7 rechnerisch bestimmt werden. Wenn das wirkliche Bremsmoment kleiner ist als das in der Berechnung zugrunde gelegte, verringert sich die Steigung der Kennlinie W B. Dadurch verschiebt sich in Bild -8 der durch die neue Kennlinie WB bedingte Schnittpunkt von A nach A. Durch die långere Bremszeit tb vergræßert sich die eingebrachte mechanische Energie um DW. Wenn als Folge davon die mittlere Reibungszahl m m abfallen wçrde, wçrde sich das Bremsmoment wegen M B ¼ f ðm m Þ abermals verkleinern, und die Bremszeit wçrde sich weiter verlångern. Diese Kettenreaktion kann in Antrieben, bei denen die Bremsenergie mit der Bremszeit wåchst, zu gefåhrlichen Betriebszustånden fçhren. Deswegen muss durch Nachstellen der Bremsfeder fçr einen mæglichst geringen Abfall der Federkraft infolge des Belagverschleißes gesorgt und durch Wahl geeigneter Reibbelåge sichergestellt werden, dass die mittlere Reibungszahl m m im Bremsbetrieb nicht unter den der Berechnung zugrunde liegenden Wert abfållt. Diese Hinweise sind besonders fçr den Lastfall Notstopp von Bedeutung. Hier liegt die Drehgeschwindigkeit w zu Bremsbeginn um den Betrag Dw oberhalb der Nenndrehgeschwindigkeit w nenn (Bild -9), denn der Befehl zum Einfallen der Bremse wird erst bei einer festgelegten Ûberdrehzahl ausgelæst. Ein weiterer Drehgeschwindigkeitsanstieg erfolgt in der Zeit zwischen Einschalten und Eingreifen der Bremse. Der schraffierte Bereich Dj A Zeit t Bild -8 Energetisches Zusammenspiel zwischen Triebwerk und Bremse W Drehgeschwindigkeit v v v nenn t a f nenn v( t) in Bild -9 ist ein Maß fçr die durch die Drehgeschwindigkeitsvergræßerung Dw hervorgerufene Vergræßerung des Drehwinkels j B. Es ist j B ¼ j nenn þ Dj. Der zusåtzliche Energieeintrag DW in Bild -8 infolge der Drehgeschwindigkeitsvergræßerung Dw ¼ w w nenn wåchst mit dem Verhåltnis ðw =w nenn Þ. Deswegen darf bei der Dimensionierung der Bremse nicht die Nenndrehgeschwindigkeit w nenn, sondern es muss die Drehgeschwindigkeit w zum Zeitpunkt des Einfalls der Bremse zugrunde gelegt werden. Um Dw mæglichst klein zu halten, muss die Ansprechzeit der mechanischen Bremse mæglichst kurz sein... Reibungs- und Verschleißeigenschaften der Reibpaarungen Die Reibwerkstoffe der Belåge bestehen aus einem Gemisch zahlreicher Stoffe, die zusammen mit dem Bindemittel unter großer Temperatur und großem Druck zu dem festen Reibbelag gepresst werden. Wåhrend des Einlaufvorgangs veråndern sich die Reibeigenschaften. Den Einlaufprozess beschreibt Kap. 4.. Eingelaufene Reibpaarungen besitzen unter der gleichen Belastung stets gleiche Reibeigenschaften. Bild - zeigt beispielhaft einen Einlaufvorgang in der Reibpaarung einer 6 mm Trommelbremse. Nach dem Einlauf haben die Diagramme aller weiteren Messreihen das Aussehen wie in Bild -b, wåhrend sich in der ersten Messreihe die Form der m(t)-kurven, die Bremszeit t b und damit die mittlere Reibungszahl m m relativ stark veråndern (Bild -a). Veråndert sich eine die thermische Belastung bestimmende Græße, kænnen sich auch die Reibeigenschaften veråndern. Nach einer bestimmten Belastungsdauer stellt sich ein neuer quasi-stationårer Reibzustand ein, es sei denn, die Reibpaarung ist thermisch çberlastet (siehe Kap. 4.7). Wie in Kap. 4. gezeigt, wandern wåhrend des Bremsprozesses Metallpartikel aus dem metallischen v f t b fb = fnenn + f Zeit t Bild -9 Beziehung zwischen der Nenndrehgeschwindigkeit w nenn, der Drehgeschwindigkeit w bei Bremsbeginn, der Ansprechzeit t a, der Bremszeit t b und dem Drehwinkel der Bremse j B unter Berçcksichtigung des zusåtzlichen Drehwinkels Dj infolge der Ûberdrehgeschwindigkeit Dw

5 . Industriebremsen 4. Messreihe 4. Messreihe Reibungszahl m ( t ) [ ],,,, Bremsfolgezahl z b a) Bremszeit t b [s] b) Bremszeit t b [s] Bild - Verånderung der Reibungszahlkurven mðtþ wåhrend des Einlaufs a) fabrikneuer Belag, b) eingelaufener Belag [nach 4]. Trommelbremse d a ¼ 6 mm mit organisch gebundenem Reibbelag. A Reib ¼ 6 cm, p ¼ N/cm, v ¼ 9,7 m/s, Schalthåufigkeit S h ¼ h, q ¼ 7 J/cm, _q ¼ 6 W/cm, J G (. Bremsung) ¼ C, J G (. Bremsung) ¼ 9 C Reibpartner in die Reibschicht des Belages (Bild 4-9). Deren Konzentration ist um so græßer, je kleiner die thermische Belastung ist. Deswegen kann in langzeitig unterforderten mechanischen Bremsen die Reibungszahl im Laufe der Betriebszeit relativ groß werden (Bild -) und zu lokal großer Reibintensitåt fçhren. Als Folge davon kann es zur Bildung großflåchiger Metallnester im Reibbelag kommen (Fischchenbildung), die ihrerseits wieder die Reibflåche des metallischen Partners zerstæren []. Reibbelåge mit einem großen Gehalt an Stahlspånen sind hierfçr besonders anfållig. Wie stark sich die thermische Belastung im Kranbetrieb veråndern kann, macht die Schwankung der mittleren Reibflåchentemperatur J G und der mittleren Reibungszahl m m in einer Trommelbremse eines Hçttenkrans deutlich (Bild -). Das Ergebnis stammt aus einer langzeitigen Betriebsmessung. Bild - zeigt, wie die Reibungskennzahl m m in der Reibpaarung in einer Trommelbremse mit steigender Belastung abfållt, wie sich gleichzeitig das Streuband (m m, max, m m, min ) innerhalb einer Messreihe, bestehend aus 6 hintereinander unter gleicher Belastung gefahrener Bremsungen, verbreitert. Der progressive Anstieg der Verschleißkennzahl k im Bereich der hæheren Belastungsstufen deutet auf eine thermische Ûberlastung der Paarung hin. Funktionsmechanismus: In der Kontaktzone zwischen dem Reibbelag und dem rotierenden metallischen Reibpartner wirkt ein fçr die Reibpaarungen lebensnotwendiger Funktionsmechanismus (s. Kap. 4.4), der auf der Regenerationsfåhigkeit,8 mittlere Reibungszahl m m [ ],6,4,, kunstharz- und kautschukgebunden kautschukgebunden 7 Bremsfolgezahl [ ] z B m m [ ],6,4,, u G m m Bremsungen aus der Hubbewegungen u G [ C] 8 4 Bild - Verånderung der mittleren Reibungszahl m m bei relativ kleiner Belastung. q ¼,97 J/cm, v ¼ m/s, p ¼ N/cm, J G ¼ 4 C, Trommelbremse d a ¼ 6 mm, A Reib ¼ 6 cm [nach 9] Bild - Verlauf der mittleren Reibungszahl mm und der Reibflåchentemperatur J G im Kranbetrieb. Coiltransportkran, organisch gebundener Reibbelag, d a ¼ 7 mm, A Reib ¼ 88 cm [nach 4]

6 46 Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen k cm kwh u G [ C] q [J/cm ] q [J/cm ] Sh [/h] m m [ ],4,, m m,max m m,min 97 9 des Reibwerkstoffs beruht und zur ungleichen Verteilung der Belastung çber die Reibflåche fçhrt. Wie sich dieser Mechanismus in den Reibeigenschaften einer 6 mm Trommelbremse widerspiegelt, zeigt Bild -4. Dort sind die zeitlich verånderlichen Zustandsgræßen in der Reibflåche dargestellt, wie sie wåhrend nacheinander unter gleicher Belastung m m Belastungsstufe k Bild - Verånderung der Reibungskennzahl m m, der Streubreite von m m und der Verschleißkennzahl k in Abhångigkeit von der Belastung [nach 4]. Organisch gebundener Reibbelag, Trommelbremse, d a ¼ 6 mm, A Reib ¼ 7 cm, p ¼ N/cm und in gleichen zeitlichen Abstånden gefahrener Bremsungen gemessen wurden [6]. Die Temperaturen in den Außenbereichen der Trommelreibflåche (Messstellen und in Bild -4b) schwingen mit einer Schwingungsdauer von çber min entgegengesetzt zu denen im Innenbereich (Messstellen und in Bild -4c). Infolge der Wårmedehnung veråndern sich im gleichen Rythmus die zugehærigen Trommelringdurchmesser (in Bild -4a, dargestellt durch die Radiusånderung Dr), so dass sich die Trommelreibflåche quer zur Reibrichtung abwechselnd konvex und konkav wælbt. Selbst die mittlere Reibungszahl m m schwingt (Bild -4a), weil die maximalen Temperaturen im Innenbereich der Reibflåche (Bild -4c) græßer sind als die maximalen Temperaturen an den Trommelråndern (Bild -4b). Der hier beobachtete Mechanismus wirkt auch in den Reibpaarungen von Scheibenbremsen, wie Bild - zeigt []. Die drei Diagramme sind jeweils drei unterschiedlichen Bremsungen innerhalb einer Messreihe zugeordnet. Sie zeigen die Temperaturverteilung çber der Reibflåchenbreite (x-achse) und in Abhångigkeit von der Zahl der Scheibenumdrehungen (y-achse) wåhrend jeweils eines Bremsvorgangs. Die Temperaturmesswerte sind çber die einzelnen gedachten Reibringe der Scheibe gemittelte Werte. Wåhrend der ersten Bremsung (Bild -a) çbertrågt der Reibbelag die Reibkraft nur in zwei eng begrenzten ringsegmentfærmigen a) Reibungszahl m m [ ],,4,,,, m m r F N F N,,,,, Radiusänderung R [mm] R R Trommel- Ringsegment Temperatur u G ( t =s) [ C] b) Temperatur u G ( t =s) [ C] c) 4 Bremsfolgezahl z b Bild -4 b) und c) Schwingende Temperaturen J G ðt ¼ sþ in einer Trommelreibflåche, aufgezeichnet jeweils s nach Bremsende, a) davon abhångig die periodische Verånderung des Radius R eines Trommelringsegments und der mittleren Reibungszahl m m [nach 6]. Organisch gebundener Reibbelag, d a ¼ 6 mm, A Reib ¼ 6 cm, p ¼ N/cm, v ¼ 9,6 m/s, q ¼ 48 J/cm, _q ¼ W/cm, Schalthåufigkeit S h ¼ 8 h

7 . Industriebremsen Bremsung. Bremsung. Bremsung z y mittlere Ringtemperatur u Ring [ C] 4 a) b) c) Reibflächenbreite B [mm] Reibflächenbreite B [mm] Reibflächenbreite B [mm] Scheibenumdrehungen x Bild - Verånderung der lokalen Reibflåchentemperaturverteilung in einer Bremsscheibe im Laufe einer Messreihe mit einem organisch gebundenen Reibbelag [nach ]. Scheibe aus St -, d a ¼ 6 mm, A Reib ¼ 9 cm, p ¼ 6 N/cm, v ¼, m/s, Schalthåufigkeit S h ¼ h, q ¼ 9 J/cm, _q ¼ 67 W/cm Flåchenbereichen an den beiden Råndern. Im Laufe der unter gleichen Belastungen und gleichen zeitlichen Abstånden gefahrenen Bremsungen beteiligen sich weitere Flåchenbereiche. Es bilden sich çber der Reibflåchenbreite ausgeprågte Temperaturberge und -tåler (Bild -b), die sich im Laufe der weiteren Bremsungen vergleichmåßigen (Bild -c) und dabei ståndig ihre Lage veråndern. Je græßer die Hårte des Reibbelags ist, um so hæher sind die lokalen maximalen Temperaturen. In dem Reibring, in dem augenblicklich die græßte Temperatur herrscht, ist auch der augenblickliche Belagverschleiß am græßten. Das zeigt in Bild -6 der Vergleich der wåhrend einer Bremsung çber die Reibflåchenbreite gemessenen Temperaturverteilung mit der wåhrend dieser Bremsung erzeugten lokalen Verschleißhæhe. Die çber die Reibflåchenbreite gemessene mittlere Reibringtemperatur und der lokale Verschleiß veråndern sich synchron. Je ungleichmåßiger die Temperatur çber die Reibflåche verteilt ist, umso unregelmåßiger schwankt der lokale Verschleiß und umso græßer ist der globale Verschleiß. mittlere Ringtemperatur u Ring [ C] 4 u Ring,,8,6,4,, Reibflächenbreite B [mm] Bild -6 Gleichklang von lokaler Temperatur und lokalem Verschleiß innerhalb einer Bremsung [nach 7]. Scheibenbremse mit organisch gebundenem Reibbelag. d a ¼ 6 mm, A Reib ¼ 9 cm, p ¼ 7 N/cm, v ¼ 4, m/s, q ¼ 86 J/cm, _q ¼ 9 W/cm Z lokaler Verschleiß Z [mm] Solange der hier beschriebene Funktionsmechanismus, der sich in den ståndig åndernden lokalen Temperaturen widerspiegelt, wirksam ist, arbeiten die Reibpaarungen sehr zuverlåssig und sie besitzen erstaunlich gut reproduzierbare Reibeigenschaften (s. Bild -7). Wenn die Reibpaarung thermisch çberlastet wird, wird dieser Mechanismus außer Kraft gesetzt. Das Reibsystem befindet sich dann in einem instabilen Zustand mit der Folge, dass die Reibungszahlen stark abfallen und der Verschleiß der Belåge stark ansteigt (Fading)...4 Dimensionierung der Reibpaarungen von Industriebremsen Einfçhrung: Wegen der Komplexitåt der Reibwerkstoffe, und wegen der von Einsatzfall zu Einsatzfall stark differierenden Belastungszustånde, gibt es çber sie weder Normen noch verlåssliche Belastungskennwerte in den Katalogen der Reibbelaghersteller. Wegen der unterschiedlichen Beanspruchungsart (s. Kap. 4.8) dçrfen an kleinflåchigen Proben gewonnene Belastungskennwerte nicht auf großflåchige Reibsysteme çbertragen werden. Deswegen ist es schwierig, eine Industriebremse fçr einen bestimmten Einsatzfall ohne durch Versuche abgesicherte Belastungskennwerte beanspruchungsgerecht zu dimensionieren. Dieses Kapitel gibt dafçr eine Hilfestellung. Positionierung der Bremse: Aus Gl..7 ergibt sich der Zusammenhang zwischen dem Bremsmoment M B, der Drehgeschwindigkeit w B der Bremsscheibe oder -trommel und der eingebrachten Bremsenergie W B. M B w B ¼ W B ð:8þ t b Gl..8 zeigt, dass es gçnstig ist, die Bremsscheibe oder -trommel auf die schnellstlaufende Welle eines Antriebssystems zu setzen, um so bei gleicher

8 48 Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen Bremszeit t b zu einem kleinen Bremsmoment und damit zu einem leichten Bremssystem zu kommen. Zu beachten ist in Gl..8, dass die Bremszeit t b auch in der Bremsenergie W B enthalten ist, wenn diese den zeitabhångigen Energieanteil W(t) nach Gl.. bzw. Gl.. einschließt. Lastkombination: Die thermische Belastung der Reibflåche wird bestimmt durch das Zusammenwirken der Reibflåchengrundtemperatur J G, der flåchenbezogenen Reibarbeit q und der Reibleistung _q (Kap. 4.). Diese drei Belastungskenngræßen sind von Einsatzfall zu Einsatzfall unterschiedlich groß. Sie werden als gleichverteilt çber die Reibflåche angenommen, da sich die maximale lokale Reibflåchenbeanspruchung wegen der Vielzahl der gleichzeitig wirkenden Einflussgræßen nicht berechnen låsst. Die fçr jeden Einsatzfall spezifische Reibflåchengrundtemperatur J G, flåchenbezogene Reibarbeit q und flåchenbezogene Reibleistung _q bilden jeweils eine Lastkombination (LK). Auf bewåhrte Lastkombinationen stçtzt sich die hier gegebene Hilfestellung bei der Dimensionierung der Reibpaarungen großer Industriebremsen. Ermittlung der Belastungskenngræßen: Die Reibflåchengrundtemperatur J G ist die mittlere Temperatur in der Reibflåche des metallischen Reibpartners bei Bremsbeginn (s. Kap. 4..4). Sie wird bestimmt durch die eingebrachte Reibenergie pro Bremsung, durch die Zahl der Bremsungen pro Zeiteinheit, ferner durch die Kçhlverhåltnisse in der Bremse. Die mittlere Reibflåchentemperatur kann çberschlågig nach DIN 44, Teil oder mit Hilfe der FE-Methode ausreichend genau berechnet werden, wenn das Programm und die Modellparameter vorher durch Messungen verifiziert wurden. Die flåchenbezogene Reibarbeit q låsst sich aus der in Kap... ermittelten Bremsenergie W B und der nutzbaren Belagreibflåche A Reib (cm ) berechnen. Aus Gl.. folgt: Reibarbeit q ¼ W B ð:9þ A Reib Die flåchenbezogene Reibleistung _q zu Beginn der Bremsung errechnet sich nach Gl. 4.: W B Reibleistung _q ¼ ð:þ A Reib t b Wenn die Reibgeschwindigkeit v, die Flåchenpressung p und die mittlere Reibungszahl m m bekannt sind, låsst sich die Reibleistung auch çber Gl. 4.6 berechnen. Zusammenwirken der Belastungskenngræßen im Bremsprozess: Grundsåtzlich bestimmen die Græße und Wirkzeit der maximalen Reibflåchentemperatur die Reibungs- und Verschleißeigenschaften der Reibpaarung. Die Reibflåchengrundtemperatur J G, die Reibarbeit q und die Reibleistung _q sind deswegen so gegeneinander abzuwågen, dass deren gemeinsame Wirkung den Reibwerkstoff durch eine zu große Reibflåchentemperatur nicht schådigt, sondern annehmbare Reibungs- und Verschleißeigenschaften ermæglicht (s. Kap. 4.8). Dabei ist zu beachten, dass das Gewicht jeder dieser drei Belastungskenngræßen in jeder Belastungskombination ein anderes ist. Im Bereich kleiner Reibgeschwindigkeiten sind die Reibflåchengrundtemperatur J G gemeinsam mit der Reibarbeit q die bestimmenden Græßen fçr die thermische Belastung der Reibflåche. Je kleiner die Reibflåchengrundtemperatur ist, umso græßer kann die eingebrachte Energie sein. Mit steigender Reibgeschwindigkeit wåchst das Gewicht der Reibleistung _q: In Bremsen mit relativ großen Reibgeschwindigkeiten wird die Reibleistung zur bestimmenden Græße. Die durch sie hervorgerufenen Spitzentemperaturen reichen dann mæglicherweise alleine aus, um die Reibpaarung zu schådigen, selbst wenn die Bremse bei Raumtemperatur startet und die eingebrachte Reibleistung verhåltnismåßig klein ist. In solchen Fållen muss ein stårker belastbarer Reibbelag gewåhlt werden. Falls dies nicht mæglich ist, muss bei Inkaufnahme einer græßeren Bremszeit die flåchenbezogene Reibleistung _q durch Reduzierung der Flåchenpressung p verkleinert werden. Falls dies nicht erwçnscht ist, muss ein græßeres Bremssystems eingesetzt werden. Bei Reibgeschwindigkeiten græßer als m/s empfehlen sich Sinterreibbelåge. Bild -7 zeigt den arteigenen Verlauf deren Reibungszahl. Die nahezu unverånderte Form der m(t)-kurven in drei nacheinander unter hoher thermischer Belastung gefahrener Notstoppbremsungen ist ein Zeichen fçr die große Zuverlåssigkeit der Reibpaarung. Die besondere Form der m(t)-kurven erklårt sich çber die mit der Bremszeit abnehmende Reibflåchenbelastung. Zu Bremsbeginn ist die Reibungszahl wegen der großen Reibleistung und der dadurch bedingten hohen Spitzentemperaturen relativ klein. Sie fållt wegen der trotz abnehmenden Reibgeschwindigkeit zunåchst m( t ),,4,,, m( t ) m( t ) m( t ) nt () nt () nt () n nenn [min ] Zeit t [s] Zeit t [s] Zeit t [s] 7 Bild -7 Verlauf der Reibungszahl wåhrend drei hintereinander gefahrener Notstoppbremsungen. Sinterbelag gegen Scheibe aus St -, d a ¼ 7 mm, A Reib ¼ 4 cm, Lastfall 4 nach Tabelle - [nach ].

9 . Industriebremsen 49 steigenden Reibflåchentemperatur weiter ab, durchlåuft einen Tiefpunkt und steigt im Gebiet kleiner Reibgeschwindigkeit bei nun fallender Reibflåchentemperatur wieder an. Die Form der Reibungszahlkurve in Bild -7 ist also systembedingt. Eine konstante Reibungszahl m(t) çber die gesamte Bremszeit ist nicht mæglich. Hilfestellung bei der Dimensionierung der Industriebremse durch Orientierung an bewåhrten Lastkombinationen: Um dem Konstrukteur eine Hilfestellung zu geben, sind in Tabelle. ausgesuchte Lastkombinationen zusammengestellt, unter denen große Trommel- und Scheibenbremsen in Industrieanlagen erfolgreich arbeiten kænnen. Den unter der Spalte Belastungsart mit N bezeichneten Lastkombinationen sind besonders große Belastungskennwerte zugeordnet. Diese Lastkombinationen gelten fçr den Notstoppbetrieb, das heißt bis zu drei in relativ kurzen Zeitabstånden hintereinander liegenden Bremsungen. Dagegen ertragen die Bremsen der mit B gekennzeichneten Lastkombinationen eine Vielzahl von hintereinander gefahrener Bremsungen ohne zu versagen, wobei die Schalthåufigkeit nicht so groß werden darf, dass die Reibflåchentemperatur wesentlich çberschritten wird. Die Bremse arbeitet in diesen Fållen als so genannte Betriebsbremse (B). Erfahren diese Bremsen bei einem gelegentlichen Notstopp erheblich græßere Belastungen als unter Tabelle. Ertragbare Lastkombinationen fçr Industriebremsen. Es bedeuten: B Betriebsbremse, N Notstoppbremse. LK Nr. d a A Reib v p q _q J G m m k Belag Belag- Nr. mm cm m/s N/cm J/cm W/cm C cm /kwh Belastungsart 6 6 8, 6 64,, B 6 6 8, 4 7,,4 B 6 6, 6 7,,6 N ,8 4, 9,,8 B 6 7 9,7 97, 46,6, N ,7 97, 4,,8 N ,6 7, 9,, N a) Trommelbremsen mit organisch gebundenen Belågen 8 6 7, ,, 4 B 9 6 7, ,,8 4 B 6 68, 6 966,, N 68 8, 9 44,4, 6 B , ,, 6 N b) Scheibenbremsen mit organisch gebundenen Belågen 7 4, 4 7,8, 7 B , ,,6 7 N 7 4, 8, 67 8,4 8 N , 7,4 9 4,8 8 N 7 7 9, 9,6 67 4,4 8 N c) Scheibenbremsen mit gesinterten Belågen

10 4 Mechanische Bremsen in stationåren Industrieanlagen dem betreffenden Lastfall B angegeben, ist mit einem Abfall der mittleren Reibungszahl zu rechnen. An der Tabelle. kann sich der Konstrukteur bei der Auslegung seiner Bremse orientieren, nachdem er vorher die drei fçr seinen Belastungsfall gçltigen Kenngræßen J G,qund _q berechnet hat. Auch wenn keine der in Tabelle. aufgefçhrten Belastungskombinationen fçr die zu projektierende Bremse zutrifft, låsst sich doch anhand ihrer Belastungskennwerte abschåtzen, ob das ins Auge gefasste Bremssystem in einem realistischen Beanspruchungsgebiet liegt, ob es mæglicherweise unterfordert oder çberlastet sein kænnte. Beim gegenseitigen Abwågen der eigenen mit den in der Tabelle angegebenen Belastungsparametern sind die in Kap. 4.8 gegebenen Hinweise hilfreich. So ist es z. B. mæglich, innerhalb einer Belastungskombination die Reibarbeit zu vergræßern, wenn gleichzeitig die Reibleistung verkleinert wird, und umgekehrt. Zu beachten ist dabei allerdings entsprechend den Ausfçhrungen im Abschnitt Zusammenwirken der Belastungskenngræßen im Bremsprozess, dass zwischen der Reibarbeit und der Reibleistung kein linearer Zusammenhang besteht. Die Angaben in der Tabelle. gelten fçr leistungsfåhige, in der Praxis erprobte Reibwerkstoffe. Wegen der stark unterschiedlichen Eigenschaften der Reibbelåge muss der passende Reibbelag stets gemeinsam mit dem Reibbelaghersteller ausgewåhlt werden.. Reibscheibenbremsen Wegen der zentrischen Anordnung der Reibelemente liegen Eingangs- und Ausgangswelle in einer Achse, sodass die Bremse gleichzeitig auch als Reibkupplung eingesetzt werden kann (Bild -9). Der eine Reibpartner ist i. A. die ringfærmige innenverzahnte, rotierende massive oder mit Lçftungskanålen ausgerçstete Reibscheibe (Bild -8). Sie besteht aus Grauguss mit besonders guten Wårmeleiteigenschaften, aus Sphåroguss oder seltener aus Stahl. Der andere aussenverzahnte Reibpartner kann eine Metallscheibe (Lamelle) sein, die ein- oder beidseitig mit organisch gebundenen Reibbelågen, im Falle großer thermischer Belastung auch mit Sinterbronze, belegt ist. Durch Parallelschalten (Bild -9) mehrerer dieser Reibpaarungen (Mehrscheibenbremse) kann die Bremse relativ große Reibmomente çbertragen. Bei besonders hoher thermischer Belastung kann die außenverzahnte Scheibe ein aus Reibwerkstoffkomponenten gesinterter massiver Ring sein. Die Anpresskraft zwischen den Belågen kann durch mechanische Federn, aber auch pneumatisch oder hydraulisch aufgebracht und in diesen Fållen durch Verånderung des Luft- oder Úldrucks verstellt werden [8]. In den Kontaktflåchen zwischen den Reibscheiben und den Lamellen wirkt der gleiche Mechanismus wie in teilbelegten Trommel- und Scheibenbremsen (s. Kap ), das heißt die lokale Reibflåchenbelastung åndert ståndig ihre Græße. Infolge der voll çberdeckten Reibflåchen ist die Wårmeabfuhr aus der Kontaktzone kleiner als bei offenliegenden teilbedeckten Bremsscheiben. Gauger [] zeigt die Beziehung zwischen den Belastungsgræßen und dem Reibbelagverschleiß. Fçr den wirtschaftlichen Betrieb von Reibscheibenbremsen mit organisch gebundenen Belågen gibt er folgende Grenzwerte fçr die Reibflåchenbelastung an: Reibflåchengrundtemperatur J G ¼ C, Reibarbeit q ¼ J/cm und Reibleistung _q ¼ 4 W/cm, wobei diese drei Græßen innerhalb einer Bremsung nicht gleichzeitig ihren Maximalwert erreichen dçrfen. Reiblänge Betätigungskolben Luftzufuhr Bild -8 Reibpaarung einer Einscheiben-Bremse, mit innenverzahnter, massiver Scheibe, zwei genuteten Reibbelagringen, geklebt auf aussenverzahnte Stahllamellentråger Reibscheiben Bild -9 Pneumatisch betåtigte Zweischeiben- Reibbremse mit axialer Luftzufuhr (Fa. Desch)

11 . Reibscheibenbremsen 4 Literatur [] Dubbel, Taschenbuch fçr den Maschinenbau.. Auflage, Kapitel U 8 [] Severin, D.; Peter, M.: Aufgabe, Funktion und Auslegung von Reibpaarungen in Bremsen von Windkraftanlagen. Antriebstechnisches Kolloquium, Aachen [] Gauger, D.: Wirkmechanismen und Belastungsgrenzen von Reibpaarungen trockenlaufender Kupplungen. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe, Nr. [4] Kleinjan, O.: Die Dimensionierung von Industriebremsen unter Berçcksichtigung der Reibwerkstoffeigenschaften. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe, Nr. 6 [] Severin, D.; Dærsch, S.: Friction mechanism in industrial brakes. Wear 8966 (), 9 [6] Lçhrsen, B.: Wirkung der thermischen Belastung auf die Reibpaarungen großer Trommel- und Scheibenbremsen. Dissertation TU-Berlin 987 [7] Dærsch, S.: Periodische Verånderung lokaler Kontaktgræßen in Reibpaarungen trockenlaufender Bremsen. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe, Nr. 7 [8] Geilker, U.: Industriekupplungen: Funktion, Auslegung, Anwendung. Verlag Moderne Industrie, 999 [9] Musiol, F.: Erklårung der Vorgånge in der Kontaktzone von trockenlaufenden Reibpaarungen çber gesetzmåßig auftretende Phånomene im Reibprozess. Dissertation TU-Berlin 994