Schleppkettenleitungen

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1 Schleppkettenleitungen Einsatz in der Industrie Volker Masuch

2 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeines über Schleppkettenleitungen Mechanische Anforderungen an Schleppkettenleitungen Andere physikalische Anforderungen an Schleppkettenleitungen Chemische Anforderungen an Schleppkettenleitungen Schleppkettenleitungen und Funktionsausfälle Drahtbrüche Korkenzieher Klassifizierung von Schleppkettenleitungen Beispiele für Schleppkettenleitungen

3 1. Allgemeines über Schleppkettenleitungen Die Schleppkette (auch Energiekette, E Kette oder Energieführungskette) ist ein Bauteil im Maschinenbau und Anlagenbau, welche flexible Kabel und Leitungen, pneumatische oder hydraulische Schläuche führt und schützt. Schleppkettenleitungen sind an einem Maschinenteil angeschlossen das wiederkehrenden Bewegungen ausgesetzt ist und versorgen das angeschlossene Maschinenteil mit Energie und Informationen, z. B. bei Werkzeugmaschinen, Drehmaschinen, Portalen und Hochregallagern. Sie werden auch eingesetzt, wenn für einen Inkrementalgeber, eine Bremse oder einen Impulsgeber bewegliche Anschlussleitungen im Maschinenbau oder auch im Anlagenbau benötigt werden. Schleppkettenleitungen können somit als Energieleitung, Nachrichtenleitung, Signalleitung oder als Datenleitung bzw. Steuerleitung verwendet werden. Aufgrund des breiten Anwendungsgebietes von Schleppkettenleitungen in der Industrie können diese Kabel und Leitungen nicht nur hohen mechanischen Belastungen, sondern auch anderen physikalischen und chemischen Belastungen ausgesetzt werden. 2. Mechanische Anforderungen an Schleppkettenleitungen Schleppkettenleitungen müssen je nach Einsatzbereich in verschiedenen Branchen der Industrie sehr unterschiedliche mechanische Belastungen erfüllen, so z. B.: Flexibilität Biegbarkeit Tordierbarkeit Anzahl Biegezyklen Biegezyklenfrequenz, Verfahrgeschwindigkeit Lebensdauer Abriebfestigkeit Biegeradius Adhäsion der Außenmäntel, Reibungskoeffizienten 2

4 Schleppketten sind je nach Anforderung als eine Kammer Einheit aufgebaut oder z. B. durch Stege innerhalb der Schleppkette unterteilt. Will der Anwender z. B. Kabel und Leitungen verwenden, die einen großen Durchmesser haben oder aufgrund von hohem elektrischem Energiebedarf große Leiterquerschnitte oder Isolierungen oder Mäntel mit steifem Material aufweisen, so muss er die Flexibilität der Schleppkettenleitungen kennen, um nicht den Antrieb der Schleppkette zu überfordern. Folglich ist die Biegbarkeit der Schleppkettenleitung bei Anwendungen wichtig. Je nach Leitungsdesign der Schleppkettenleitung kommt es zu mehr oder weniger hohen Torsionsbeanspruchungen. Diese spielen für die Lebensdauer von Schleppkettenleitungen eine sehr wichtige Rolle. In der Industrie finden wir sehr unterschiedliche mechanische Belastungen der Schleppkettenleitung, die Auswirkungen auf die Lebensdauer der Schleppkettenleitungen haben. Wird eine Schleppkette sehr oft hin und her verfahren, muss eine Schleppkettenleitung für eine große Anzahl von Verfahrwegen, d. h. Biegezyklen, ausgelegt sein. Biegezyklen beanspruchen alle Bauelemente einer Schleppkettenleitung, wobei die einzelnen Bauteile wie Leiterdrähte, Folien, Bänder, Isolierschichten, Innenmäntel, Metallfolien, Schirmdrähte und Außenmantel in sich mechanisch beansprucht werden, aber sich auch durch Wechselwirkungen untereinander beeinflussen können. Biegezyklen spielen bei der Eingliederung der Schleppkettenleitungen in sogenannte Schleppfähigkeitsklassen eine wichtige Rolle. Bei der Planung von Anwendungen in einer Schleppkette ist aber nicht nur die Anzahl von Biegezyklen zu berücksichtigen, sondern auch die Biegezyklenfrequenz. In einer Schleppkettenleitung bewegen sich die einzelnen Elemente gegeneinander bzw. wenn Elemente in der Leitung miteinander verbunden sind, z. B. Leiterdrähte mit der Aderisolierung, kommt es zu Kräftewechselwirkungen zwischen Aufbauelementen der Schleppkettenleitung. Ausgleichseffekte zwischen den Aufbauelementen von Schleppkettenleitungen benötigen während Biegezyklen immer eine gewisse Zeit. Beim Design von Schleppkettenleitungen muss deshalb die Biegezyklenfrequenz, d. h. wie schnell Biegezyklen hintereinander erfolgen, berücksichtigt werden. Ähnliches gilt auch für die Verfahrgeschwindigkeit einer Schleppkette. Für die Schleppkettenleitung ist es ein großer Unterschied, ob die Schleppkette mit z. B. 1 m/s oder mit 200 m/s bewegt wird. Wird eine hohe Biegezyklenfrequenz oder eine große Verfahrgeschwindigkeit beim Design von Schleppkettenleitungen nicht ausreichend berücksichtigt, kann es relativ schnell zu Ausfällen dieser Leitungen kommen. In Biegezyklen kann es durch Reibung der einzelnen in der Schleppkette liegenden Leitungen zu Abrieben am Außenmantel der Leitungen kommen. Außerdem kann es zu Abrieb zwischen den Außenmänteln der Schleppkettenleitungen mit den Elementen der Schleppkette kommen. Dies kann dazu führen, dass der Außenmantel, der auch einen mechanischen Schutz der Leitung darstellt, an einigen Stellen aufgerieben wird und in seiner Schutzfunktion ausfällt. In diesem Zusammenhang kann auch das Adhäsionsverhalten der Außenmäntel von Schleppkettenleitungen eine bedeutende Rolle spielen. Dies gilt in gleicher Weise für den Reibungskoeffizienten zwischen benachbarten Leitungen in einer Schleppkette oder dem Reibungskoeffizienten zwischen einer Schleppkettenleitung und Elementen der Schleppkette. Mechanische Effekte durch das Adhäsionsverhalten und den Reibungskoeffizienten zwischen anderen Komponenten in einer Schleppkette können zu Ausfällen von Schleppkettenleitungen führen. 3

5 3. Andere physikalische Anforderungen an Schleppkettenleitungen Neben mechanischen Anforderungen müssen Schleppkettenleitungen aber auch folgende Anforderungen erfüllen: EMV Anforderungen Strahlenbeständigkeit Temperaturbelastbarkeit elektrische Belastbarkeit, d. h. Strom, Spannung Werden Schleppkettenleitungen in der Schleppkette für den Transport von Signalen, Informationen oder Meß und Steuersignalen eingesetzt, müssen diese unverfälscht und sicher transportiert werden. Außerdem können Schleppkettenleitungen für den Transport von elektrischer Energie verwendet werden. Oft ändert sich gerade auch durch den Einsatz von elektronischen Steuerelementen die erforderliche Stromstärke, die über die Energieadern weitergeleitet wird, wodurch im Umfeld elektromagnetische Wechselfelder entstehen, die wiederum andere Leitungen beeinflussen können. Aufgrund dieser möglichen Wechselwirkungen sind oft geschirmte Schleppkettenleitungen im Einsatz, wobei der Leitungsschirm einerseits auf die EMV Verhältnisse und andererseits auf die mechanischen Bedingungen ausgelegt werden muss. Werden Schleppkettenleitungen in örtlichen Bereichen mit energiereicher Strahlung eingesetzt, sind die Materialien gesondert auszuwählen. In Abhängigkeit der Strahlendosis ist z. B. TPE ein geeignetes Material. Da Schleppketten in den unterschiedlichsten Bereichen der Industrie eingesetzt werden, sind die Anforderungen an die Temperaturbelastbarkeit von Schleppkettenleitungen sehr unterschiedlich. Standard Schleppkettenleitungen mit PVC Isolierung und PVC Außenmantel werden üblicherweise in Temperaturbereich von +5 C bis zu 70 C eingesetzt. Werden Werkstoffe wie TPE in der Schleppkettenleitung eingesetzt, kann der Temperatureinsatzbereich auf ca. 40 C bis 100 C ausgedehnt werden. Werden Schleppkettenleitungen für die Weiterleitung von elektrischer Energie eingesetzt, muss die Leitung auf die Höhe der elektrischen Spannung und die Höhe des maximal zu übertragenden elektrischen Stromes ausgelegt werden. Hierbei ist natürlich auch zu berücksichtigen, dass übliche Starkstromleitungen sich unbewegt mechanisch anders verhalten als im bewegten Zustand in einer Schleppkette. Mit steigender Übertragungsleistung, d. h. steigender Temperatur in der Leitung, verändern sich die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe wie Drähte, Folien, Bänder, Isolier und Mantelmaterialien. 4

6 4. Chemische Anforderungen an Schleppkettenleitungen Bei der Verwendung in der Industrie können Schleppkettenleitungen auch mit chemischen Stoffen in Berührung kommen. Chemikalien können Außenmäntel von Schleppkettenleitungen zersetzen und so die Schutzfunktion des Außenmantels aufheben oder beeinträchtigen. Lässt eine Chemikalie z. B. den Außenmantelwerkstoff quellen, verändert dies seine Oberfläche, die Härte, Adhäsionseigenschaften und den Reibungskoeffizienten. Die Funktionsfähigkeit der Schleppkette und der Schleppkettenleitung ist dann nicht mehr gegeben. Da der Einfluss von Chemikalien auf Schleppkettenleitungen folglich zum Ausfall einer Leitung führen kann, müssen diese resistent gegenüber Stoffen, wie u.a. Basen, Laugen, Säuren und Ölen sein. 5. Schleppkettenleitungen und Funktionsausfälle Die Kenntnis, wo und wofür Schleppkettenleitungen eingesetzt werden sollen, bestimmt das Design einer Schleppkettenleitung. Werden hier Fehler begangen, führen dies oft zum Ausfall der Schleppkettenleitung oder schlimmer zur negativen Beeinflussung von benachbarten Schleppkettenleitungen oder Elementen der Schleppkette. Es können hohe Folgekosten entstehen, da entweder die Schleppkette selbst und/oder die Leitungen darin ausgetauscht werden müssen und es dabei auch zu teuren Stillstandszeiten der gesamten Anlage kommt. Welche typischen Ausfallerscheinungen finden wir bei Schleppkettenleitungen? 5.1 Drahtbrüche Drahtbrüche in Schleppkettenleitungen können in den Leitern und im Schirm auftreten. Sowohl im Leiterdesign als auch im Schirmdesign sind bei Wechselbiegungen in Schleppkettenleitungen definierte Designregeln zu beachten. Werden diese nicht berücksichtigt, brechen Einzeldrähte und werden zur Ursache für den Ausfall der Leitung, da die Spitzen der gebrochenen Drähte z. B. die Isolierung der Leitung durchdringen können und es zum Kontakt mit anderen leitfähigen Elementen der Leitung kommt. 5.2 Korkenzieher Bei Schleppkettenleitungen, die viele Adern oder komplexe Elemente enthalten, kommt es bei falscher Konstruktion der Leitung oft recht schnell zum Ausfall durch sogenannte "Korkerzieher". Müssen viele Adern in einer Leitung untergebracht werden, wird konstruktiv die Lagerverseilung oder die Bündelverseilung verwendet. Bei der Lagenverseilung wird über einem Zentralelement eine "Lage" Adern verseilt und über dieser Lage eine weitere Lage usw. Bei der Bündelverseilung werden einzelne Adern zu einem Bündel verseilt und anschließend mehrere Bündel z. B. über einem Zentralelement gemeinsam verseilt. Beide Konstruktionsvarianten müssen nach definierten Regeln dimensioniert werden, damit es bei den Wechselbiegungen in der Schleppkette zu keinen schädlichen Effekten zwischen den Einzeladern und den anderen Elementen der Schleppkettenleitung kommt. Werden diese Regeln nicht eingehalten verwürgt sich die Schleppkettenleitung in einem kleinen Bereich in sich, wodurch es zu mechanischen Beschädigungen einzelner Leitungselemente, zum Funktionsversagen der Leitungen und zu Beeinträchtigungen der Schleppkette selbst kommen kann. 5

7 6. Klassifizierung von Schleppkettenleitungen Eine Klassifizierung von Schleppkettenleitungen sind die sogenannten Schleppfähigkeitsklassen. In diesen Klassen werden Schleppkettenleitungen in verschiedene Klassifizierungen eingeteilt, die angeben, wie stark Schleppkettenleitungen belastet werden können. Basis für eine solche Klassifizierung sind Kriterien wie: Maximale Geschwindigkeit für die Schleppkettenbewegung Maximale Beschleunigung der Schleppkettenleitung bei Bewegungen Maximale Verfahrlänge der Schleppkette Minimaler Biegeradius der Schleppkettenleitung Anzahl der Wechselbiegungen (Lebensdauer) Der typische Anwendungsbereich von Schleppkettenleitungen (niedrige bis hohe Klassifizierung) ist: Für die maximale Geschwindigkeit Für die maximale Beschleunigung Für die maximale Verfahrlänge Für den minimalen Biegeradius Für die erreichbare Anzahl der Wechselbiegungen m/min m/ s^ m > 7x D (D = Außendurchmesser der Schleppkettenleitung) Millionen 6

8 7. Beispiele für Schleppkettenleitungen SCHLEPPK.PVC YSLY HF JZ SCHLE.K.PVC YSLYCY HF JZ SCHLE.K.PUR YSL11Y HF JZ SCH.K.PUR YSLYC11Y HF JZ SCHLEP.K. 12YSL11Y HF JZ SCHL.K. 12YSL11YC11Y HF JZ DATENL. LI12YC11Y HF DATENL.LI12YC11Y HF TP Busleitungen und LWL für die Schleppkette 7