Schneckengetriebe für die Armaturenautomatisierung

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1 Schneckengetriebe für die Armaturenautomatisierung Wenn es darum geht, die notwendigen Drehmomente für große Schwenkarmaturen aufzubringen, so führt kein Weg an der Verwendung eines Schwenkgetriebes vorbei. Dabei hat sich der Drehmomentbedarf in der vergangenen Dekade erhöht, werden doch beispielsweise in Ballungszentren Pipelines mit immer größeren Durchmessern eingesetzt oder mit immer höheren Drücken betrieben. Hier bietet sich das Konstruktionsprinzip des Schneckengetriebes an. Zwischenzeitlich gibt es Schneckengetriebe mit Ausgangsmomenten bis zu Nm. Die Konstruktion von Getrieben, mit denen sich solche Kräfte beherrschen lassen, erfordert viel Knowhow und Erfahrung. Höchste Zuverlässigkeit der Stellgeräte ist eine Grundanforderung bei Anwendungen in diesen Dimensionen, denn ein Versagen kann zu fatalen Folgen führen. Die Schneckengetriebekonstruktion ermöglicht hohe Untersetzungen in einer einzigen Getriebestufe. Dadurch lassen sie sich sehr flach bauen, was den Platzverhältnissen im Bereich der Armaturenautomatisierung zu Gute kommt. Wichtiger noch ist die selbsthemmende Wirkung der Schneckengetriebe. Diese verhindert, dass durch Krafteinwirkungen am Stellkörper dessen Stellung verändert wird. Hand- oder Motorbetrieb Durch die hohen Untersetzungen eignen sich Schneckengetriebe für die Handbetätigung. Dann ist am Getriebeeingang ein Handrad oder eine Kurbel montiert. Je größer die Armatur und somit das Drehmoment, desto seltener erfolgt die Betätigung per Handkraft. Prinzipiell ist es aber möglich, durch sogenannte Vorgelege, das sind vorgelagerte Getriebestufen am Getriebeeingang, das Eingangsmoment so weit zu reduzieren, dass auch die größten Getriebe per Hand betätigt werden können. In Zeiten zunehmender Automatisierung gewinnt die motorische Betätigung an Bedeutung. Dazu wird am Getriebeeingang ein elektrischer Stellantrieb montiert, die Verbindung erfolgt über nach ISO 5210 genormte Flansche, Wellenenden und Abtriebsformen. Genormt ist auch die Verbindung zwischen Getriebe und Armatur. Die Flanschmaße entsprechen der ISO 5211, ebenso die Bohrung in der Kupplung zur Übertragung des Drehmoments. Die Kupplung ist ein separates Bauteil und wird auf die Armaturenwelle gesteckt. Danach wird das Getriebe wiederum auf die Kupplung aufgesteckt und die beiden Flansche werden miteinander verschraubt. Die Kraftübertragung zwischen Schneckenrad und Kupplung erfolgt über eine feine Längsverzahnung. Untersetzungen, Wirkungsgrad und Stellzeiten Die typische Untersetzung der Schneckenstufe liegt bei ca. 50 zu 1. Durch Montage eines der bereits oben erwähnten Vorgelege sind Gesamtuntersetzungen bis zu ca zu 1 möglich. Die Vorgelege sind in der Regel ein-, zwei- oder dreistufige Planeten- oder Stirnradgetriebe.

2 Die erforderliche Selbsthemmung bedingt einen Wirkungsgrad des Getriebes von unter 50 %. Bei der Berechnung des erforderlichen Eingangsmomentes spielt somit nicht nur die Untersetzung eine Rolle, sondern auch der Wirkungsgrad. Die Untersetzung multipliziert mit dem Wirkungsgrad ergibt das Verhältnis von Ausgangsmoment zu Eingangsmoment. Die meisten elektrischen Drehantriebe wiederum decken ein Drehzahlspektrum von 4 Umdrehungen pro Minute bis 180 Umdrehungen pro Minute ab. In Kombination mit den vielen verfügbare Untersetzungen der Schneckengetriebe ergeben sich nahezu unerschöpfliche Kombinationsmöglichkeiten. Über eine ganze Baureihe hinweg, das heißt Drehantriebs-Schneckengetriebe-Kombinationen für Armaturen von einigen Zentimetern Durchmesser bis zu etlichen Metern, ergibt sich ein Stellzeitspektrum von 17 Sekunden bis zu 27 Minuten. Die Stellzeit ist auf die Zeit zum Durchfahren einer 90 Schwenkbewegung bezogen. Endanschläge Schneckengetriebe zur Betätigung von Schwenkarmaturen enthalten Endanschläge. Im Falle von durchdrehenden Armaturen beschränken sie bei handbetätigten Armaturen den Stellweg. Bei motorischer Betätigung dienen die Endanschläge zur Sicherheit, falls die automatische Wegschaltung versagen sollte. Prinzipiell gibt es für die Endanschläge zwei Konstruktionsprinzipien. Im ersten Fall werden keine kompletten Schneckenräder eingesetzt, sondern nur Schneckenradsegmente. In der Endlage fährt dann das Segmentende über eine Einstellschraube gegen einen Anschlag im Getriebegehäuse. Berücksichtigt man die große Untersetzung der Getriebe, so führen bereits geringe Überhöhungen des Eingangsmomentes zu enormen Belastungen des Gehäuses. Stellt man sich ein Szenario vor, dass ein Bediener am Handrad oder an der Kurbel einen Hebel ansetzt, um die Armatur richtig dicht zu schließen, so liegt ein Bruch des Gehäuses im Bereich des Möglichen. Das Getriebe ist dann nicht mehr betriebsfähig. Dieses Sicherheitsrisiko wird bei Einsatz des anderen Konstruktionsprinzips, der Anschlagmutter, vermieden. Am Ende der Schneckenwelle befindet sich ein Gewinde, auf dem die Anschlagmutter zwischen zwei Endanschlägen hin und her fährt. Auf diese Endanschläge wirken nicht die großen Ausgangsmomente, sondern die wesentlich geringeren Eingangsmomente und das Getriebegehäuse bleibt belastungsfrei. Im Falle des Festfahrens oder eines Bruchs des Endanschlages durch zu hohe Belastung kann das Getriebe trotzdem noch betätigt werden, denn das Gehäuse bleibt unbeschädigt. Wird außerdem ein komplettes Schneckenrad eingesetzt kann das Getriebe mit jedem beliebigen Schwenkwinkel oder, bei Verzicht auf die Endanschläge, auch durchdrehend betrieben werden. Endanschläge mit Block Stop Fährt die Anschlagmutter mit überhöhtem Drehmoment gegen einen Endanschlag, z.b. bei Versagen der Wegabschaltung, so verhindert je ein Sicherheitskeilscheibenpaar vor den Endanschlägen (Patentanmeldung, in Markteinführung für Drehmomente bis derzeit ca Nm) ein Blockieren der Anschlagmutter. Das zum

3 Lösen erforderliche Moment beträgt lediglich ca. 60 % des Momentes, mit dem der Endanschlag angefahren wurde. Somit ist sichergestellt, dass das zum Lösen aus dem Endanschlag erforderliche Drehmoment in jedem Fall zur Verfügung steht. Erreicht wird das durch die Keilflächen der Sicherheitskeilscheiben (Safety Wedge Discs). Bewegt sich die Anschlagmutter auf das Scheibenpaar zu, bilden außenliegende Radialrippen mit der Mutter bzw. mit dem Endanschlag auf der drehenden Schneckenwelle eine formschlüssige Verbindung. Die Scheiben fahren gegeneinander und leiten einen Teil der Kraft in die Keilflächen bzw. schieben sich auf den Keilflächen nach oben. Entsprechend gleiten die Scheiben auf den Keilen beim Lösen zurück. Zusammenfassung Armaturen müssen zuverlässig bedient werden können, zu jedem Zeitpunkt. Angesichts der immer größer werdenden Nenndurchmesser und der steigenden Drücke braucht es ein Getriebedesign, das von Grund auf die Belastungen auf die Getriebekomponenten minimiert. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Anschlagmutterlösung vorzuziehen. Das Getriebegehäuse bleibt von Belastungen durch die hohen Ausgangsmomente verschont, ein Ermüdungsbruch des Gehäuses bei Anfahren der Endanschläge ist ausgeschlossen. Selbst bei einem Bruch eines Endanschlags kann das Getriebe zumindest noch behelfsmäßig betätigt werden. Durch die Sicherheitskeilscheiben wird das Blockieren der Endanschläge verhindert. Somit ist keine Situation denkbar, die für das Betriebspersonal vor Ort nicht beherrschbar wäre. Bilder und Bildunterschriften

4 Bild 1: Schneckengetriebe/Drehantriebs-Kombination mit Ausgangsmoment bis Nm Bild 2: Schneckengetriebe/Drehantriebs-Kombination in einem Heizkraftwerk Bild. 3: Aufbau Schneckengetriebe mit Motorflansch und alternativ Handradflansch. Die Kupplung zur Übertragung des Drehmoments auf die Armatur ist steckbar. Bild 4: Mehrstufiges Vorgelege

5 Bild 5: Endanschlagskonstruktion. [1] Anschlagmutter, [2] Endanschläge, [3] Sicherheitskeilscheiben