16. Tagung Zahnriemengetriebe am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden

Transkript

1 am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel (TU Chemnitz) Dipl.-Kaufm. Florian Drechsler (TU Chemnitz) Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik 1. Problemstellung 2. Stand der Technik 3. Theoretische Grundlagen 4. Funktionsweise des Direktantriebes am Beispiel eines Mattenkettenfördersystems 5. Übertragbare Zugkräfte 6. Zusammenfassung und Ausblick

2 1. Problemstellung 16. Tagung Zahnriemengetriebe Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 58) Für den Stückguttransport in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie, dem Automobilbau und dessen Zulieferindustrie, aber auch in fast allen anderen Industriezweigen werden Stetigfördersysteme mit speziellen Fördergurten sowie zunehmend auch mit Kunststoffmodulketten eingesetzt. Ihre Vorteile liegen vor allem in einem schmierungsfreien und sauberen Betrieb sowie dem schonenden Guttransport. In Bandfördersystemen sind die geraden und die kurvengängigen Abschnitte durch separate Anlagenkomponenten zu gestalten, wobei diese auch jeweils einen eigenen Antrieb besitzen. Die Übertragung der Antriebsmomente erfolgt über die Antriebstrommel kraftschlüssig, so dass die Fördergurte entsprechend hoch vorgespannt sein müssen, um eine sichere Mitnahme der Gurte zu gewährleisten. Bedingt durch die häufig sehr kleinen Achsabstände, ist es oft schwierig, den Geradeauslauf der Gurte zu gewährleisten. In Modul- bzw. Mattenkettenfördersystemen können sowohl gerade als auch kurvengängige Förderabschnitte mit einer Kunststoffkette ausgeführt werden, so dass diese nur von einer Antriebseinheit angetrieben werden. Zwischen Kurve und Gerade entsteht keine Übergabelücke. Bedingt durch die zusätzlichen Reibkräfte in den horizontalen Kurven stoßen jedoch die heutigen Anlagen mit kurvengängigen Mattenketten schnell an ihre Einsatzgrenzen. Bei den derzeitig eingesetzten Gleitelementen zur Abstützung der horizontalen Kräfte entstehen Reibwerte im Bereich von 0,25 bis 0,40. Dies bedingt vor allem bei mehreren Kurven und hohen Gutmassen hohe Kettenzugkräfte und eine starke Erwärmung in den Gleitflächen. Bedingt durch die Kurvengängigkeit können die Zugkräfte zudem nur über den äußeren Bereich der Kette übertragen werden. Dies minimiert die zulässige Kettenzugkraft in erheblichem Maße und führt schnell zur Überlastung der Kette. Anlagenbauer gestalten deshalb aus Erfahrung einzelne Förderabschnitte mit höchstens zwei bis maximal drei Kurven, was zu einer erhöhten Anzahl von kritischen Übergabestellen führt, die vor allem für Stückgüter kleiner Abmessungen Störstellen beim Guttransport zur Folge haben. Kopfantriebe erweisen sich in derartigen Fördereinrichtungen als ungeeignet. Grund dafür ist die konstruktive Gestaltung, welche den Mattenketten nur eine sehr geringe Angriffsfläche für den Eingriff der Kettenräder ermöglicht. Obwohl mehrere Räder zu einem Antrieb angeordnet werden, kommt es aufgrund der hohen Kettenzugkräfte häufig zum Übersprung der Kette, verbunden mit teilweise erheblichen Funktionsstörungen und extremen Verschleiß oder sogar Zahnbruch.

3 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 59) Die oben genannten Problemstellungen bildeten die Motivation für die Entwicklung eines Direktantriebssystems für Zug- und Tragmittel in der Fördertechnik, mithilfe dessen die bekannten Schwachstellen bei der Momentenübertragung von einem Rad bzw. einer Trommel auf ein Zug- und Tragmittel umgangen werden können. Der Lösungsansatz ist, dass auf der Unterseite des Zug- und Tragmittels (z. B. Fördergurt, Matten- oder Gleitkette, Transportwagen) entsprechend gestaltete Mitnehmer befestigt sind, die von zwei sich gegenseitig anziehenden magnetischen Zahnriemen geklemmt werden. (vgl. Bild 1) In Folge der hohen Klemmkräfte der sich anziehenden Magnete (permanent-/elektromagnetisch) und der speziellen Rückenbeschichtung der Zahnriemen wird Schlupf bei der Mitnahme des Zug- und Tragmittels minimiert. Je nach Gestaltung des Zahnriemenrückens kann die Mitnahme auch formschlüssig gestaltet werden. Geometrie und Anordnung der Zahnriemenpaarung tragen dazu bei, die bisher begrenzte Kontaktzone zur Übertragung der Antriebsenergie wesentlich zu vergrößern, sodass auch problemlos höhere Kräfte eingeleitet werden können. a) b) Bild 1: Direktantrieb durch Magnetzahnriemen a) Bandförderer b) Kettenförderer

4 2. Stand der Technik 16. Tagung Zahnriemengetriebe Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 60) Der Antrieb von Zug- und Tragmitteln in Stetigfördersystemen erfolgt prinzipiell kraft- bzw. formschlüssig. Beispielsweise in Bandförderern wird die Übertragung des Drehmoments von der Antriebstrommel auf der Laufseite der Fördergurte durch Reibkräfte (Kraftschluss) gewährleistet, wobei ein gewisser Schlupf technisch bedingt und nicht vermeidbar ist. Voraussetzung für die sichere Mitnahme des Fördergurtes ist dessen ausreichende Vorspannung. Diese Gurtvorspannkraft erfordert eine stabile Gestellkonstruktion sowie ein aufwändiges Spannsystem. Wie bereits in der Einleitung erwähnt, erfolgt in Kettenfördersystemen die Übertragung des Moments durch den formschlüssigen Eingriff der Kettenräder in die einzelnen Glieder der Kette. Ein Schlupf ist hier ausgeschlossen. Nachteil ist aber bei Kettenfördersystemen der entstehende Polygoneffekt, d. h., dass es in Folge des polygonartigen Umschlingens der starren Kettenglieder um das verzahnte Kettenrad und der damit verbundenen momentanen Verschiebung des Eingriffsradius zu Geschwindigkeitsschwankungen in der Förderkette kommt. Ein Zug- und Tragmittel ist z. B. in flurfreien Hängefördersystemen vorhanden, bei dem die untereinander gekoppelten Wagen bzw. rollend geführten Zug- und Tragelemente durch beidseitig angreifende Reibräder kraftschlüssig angetrieben werden. Hier werden die Wagen, je nach Lage des von außen wirkenden Antriebs, entweder gezogen oder geschoben. Bei Reibradantrieben sind neben dem Schlupf auch die begrenzte Anpresskraft und der erhöhte Verschleiß an den Reibrädern nachteilig. Als Direktantrieb an den Zug- und Tragmitteln, d. h. dass die Krafteinleitung nicht über Antriebstrommeln, -räder bzw. Kettenräder erfolgt, sind z. B. in Bandförderern Systeme bekannt, bei denen von unten an die Laufseite eine Art Flachriementrieb angedrückt wird und so über Reibschluss die Mitnahme erfolgt. Nachteilig bei dieser direkten Antriebslösung ist, dass zur Aufbringung der Normalkräfte des von unten angreifenden Flachriemens dieser abgestützt werden muss. Dadurch entstehen zusätzliche Reibkräfte, die den Wirkungsgrad erheblich senken. 3. Theoretische Grundlagen Der theoretische Verlauf der wirkenden Zugkraft in herkömmlichen Fördereinrichtungen mit umlaufenden Zug- bzw. Tagmittel ist in Bild 2 grafisch dargestellt. Abbildung a) zeigt die gleichmäßige Kraftverteilung im Zug-/Tagmittel im Stillstand bzw. Leerlauf nach Aufbringen

5 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 61) der Spannkraft (Kettenspannkraft, Vorspannung für Bandfördersysteme). In Abbildung b) wird das System mit einem Kopfantrieb betrieben. An der Antriebstrommel bzw. dem Antriebsrad entstehen hohe Lastspitzen, was eine übermäßige Zugstrangbelastung zur Folge hat. Damit verbunden sind ein hoher Verschleiß in den Kettengelenken bzw. auf der Verzahnung der Kettenräder. Aufgrund der hohen Zugkräfte im Obertrum sinkt die Kraft im Untertrum erheblich. Gemäß der für Umschlingungssysteme geltenden Euler-Eytelweinschein-Formel kann dieser Zustand sogar zum Stillstand des Gesamtsystems führen, wenn z. B. bei einem Bandfördersystem die Zugkräfte im Untertrum gegen Null sinken. (1) a) b) Bild 2: Darstellung des Kraftverlaufs in kopfseitig angetriebenen Fördersystemen mit umlaufenden Zug- bzw. Tragmitteln a) Stillstand, Zug-/Tragmittel vorgespannt b) Betriebszustand Der Direktantrieb ermöglicht die an der Umlenkung auftretenden Zugkräfte zu minimieren und somit eine Verringerung der Zugmittelbelastung. In Bild 3 wurde der Kopfantrieb durch Direktantriebsbaugruppen ersetzt, was zu wesentlich günstigeren Kraftverhältnissen im Einlauf der Umlenkung führt, da die Zugkräfte vor kritischen Stellen (Kurven, Umlenkungen)

6 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 62) abgebaut werden können. Eine Mehrfachanordnung von gekoppelten Direktantrieben ermöglicht es, die Kettenzugkraft im Fördersystem noch gleichmäßiger zu verteilen. Bild 3: Darstellung des Kraftverlaufs in direktangetriebenen Fördersystemen mit umlaufenden Zug- bzw. Tragmitteln 4. Funktionsweise des Direktantriebes am Beispiel eines Mattenkettenfördersystems Das neue Direktantriebsystem basiert auf Zahnriemen, in denen analog zu den Zahnabständen Magnete eingebracht sind. Als Magnetmaterial sind vorzugsweise Neodym-Eisen-Bor- Magnete zu verwenden, die sich durch eine hohe Effizienz Magnetwirkung/Volumen auszeichnen. Diese Magnete können beim Herstellungsprozess der Riemen variiert und so den Anforderungen angepasst werden. Die beiden gegenläufig angetriebenen Zahnriemen mit den integrierten Magneten werden so unterhalb des Zug-/Tragmittels angeordnet, dass in Folge der wirkenden Anziehungskräfte zwischen den gegenüberliegenenden Magneten die am Zug-/Tragmittel befestigten Mitnehmer geklemmt werden. Durch die dabei wirkenden Normalkräfte entstehen beim synchronen Antreiben der Zahnriemen Reibkräfte, die die Bewegung der Mitnehmer in Bewegungsrichtung der Zahnriemen verursachen. Dieses Antriebsprinzip soll im Nachfolgenden am Beispiel eines Mattenkettenförderers (vgl. Bild 4) ausführlicher dargestellt werden. Im beschriebenen Einsatzfall erfolgt die Momentenübertragung lediglich über Kraftschluss. Durch eine entsprechende Rückenbeschichtung bzw. -oberflächenform der Zahnriemen sowie einen ferromagnetischen Mitnehmerwerkstoff kann die Mitnahme der Kette allerdings auch kombiniert kraft-/formschlüssig erfolgen. Die Klemm- bzw. Reibkräfte können somit gezielt eingestellt und im Rahmen der experimentellen Untersuchungen optimiert werden. Durch die gegenseitige Anziehung der Magnetzahnriemen ist ein Andrücken nicht erforderlich, wodurch Andruckvorrichtungen entfallen und zusätzliche Reibkräfte vermieden werden können. Hierduch wird ein höherer Wirkungsgrad gegenüber konventionellen Lösungen erreicht.

7 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 63) Bild 4: Direktantrieb an einer Mattenkette Die Befestigung der Mitnehmer an der Kette wird über die Kettenbolzen realisiert, dies bedeutet, dass die Mitnehmer zwischen den Kettengliedern positioniert sind. Es ist auch möglich, die Mitnehmer direkt an ausgewählte Kettenglieder anzuspritzen und diese in die modulare Kettenstruktur einzufügen. An Fördergurten werden die Mitnehmer durch Schweißen bzw. Kleben, z. T. in Kombination mit weiteren Fügeverfahren befestigt. Wichtig ist hier die entsprechende Biegeflexibilität an den Umlenkungen. Aufgrund seiner kompakten modularen Bauweise (vgl. Bild 5) ist das Antriebssystem an verschiedenen Stellen der Förderanlage positionierbar. Die Magnetzahnriemen werden durch die Zahnscheiben der Antriebseinheit angetrieben und über die hinteren Zahnscheiben vorgespannt. Der Antrieb der vorderen Zahnscheiben erfolgt über eine Kegelradstufe. Dadurch kann ein exakter Synchronlauf der Zahnriemen realisiert und ein gleichmäßiger Antrieb der Kette ohne Polygoneffekt gewährleistet werden.

8 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 64) Bild 5: Basiseinheit des Direktantriebes Über die beiden horizontalen Traversen lässt sich der Antrieb mit dem Gestell des Förderers koppeln und einfach in der richtigen Position ausrichten. Eine Kombination mehrerer Antriebseinheiten neben bzw. hintereinander ist möglich. Dadurch können eine größere Antriebsleistung übertragen und breite Mattenketten effizient angetrieben werden. 5. Übertragbare Zugkräfte Bei der gezielten Kombination von mechanischen und tribologischen Eigenschaften im Gesamtsystem ist eine Verringerung der Zugmittelbelastung, verbunden mit längerer Lebensdauer und größerer Funktionssicherheit, und zudem die Einsparung von Antriebsenergie möglich. Alternativ können mit dem neuen System wesentlich längere und kurvenreichere Anlagen mit weniger Antrieben und Gutübergabestellen oder größere Förderlasten bzw. -geschwindigkeiten realisiert werden. Mittels einer Versuchseinrichtung wurden die verschiedenen Einflussfaktoren analysiert. In Bild 6 ist eine Versuchseinrichtung dargestellt, bei der es möglich war, die Höhe der Kettenzugkraft über eine Bremse an der Umlenktrommel einzustellen. Ziel dieser Versuche war es, vorteilhafte Wirkpaarungen zu bestimmen und die Anwendungsgrenzen der Direktantriebe aufzuzeigen. Die für die Zahnriemen verwendete Rückenbeschichtung (Polyurethan) wurde bei den Versuchen nicht variiert. Für den Antrieb mittels Magnetzahnriemen stehen je nach Anforderung mehrere Kombinationsmöglichkeiten der Mitnehmer mit den Zahnriemen zur Verfügung. Je nach Mitnehmerwerkstoff, Riemenbeschichtung sowie Riemenbreite und Magnetanzahl lassen sich unter-

9 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 65) schiedliche Zugkräfte abbilden. All diese Faktoren beeinflussen die Antriebskraft und damit die Förderleistung des Systems. Bild 6: Versuchseinrichtung Direktantrieb Experimentell konnte bei Kombination von acht Varianten das in Bild 7 dargestellte Kraftspektrum ermittelt werden. Es ist die Kettenzugkraft bei Bremsmomenterhöhung in Zusammenhang mit dem im Antriebssystem auftretenden Schlupf dargestellt. Der Schlupf wurde dabei aus der Differenz zwischen den gemessenen Antriebs- und Abtriebsdrehzahlen berechnet und stellt ein Durchrutschen der Mitnehmer am Riemen dar. Um die Verschleißerscheinungen an Riemen und Mitnehmern zu reduzieren, sollte dieser Effekt allerdings auf ein Minimum reduziert werden. Die farbigen Bereiche (horizontale Ausdehnung der Wertebereiche) der einzelnen Kombinationsmöglichkeiten (Riemen, Mitnehmer) stellen die Abhängigkeit der Kräfte von der Fördergeschwindigkeit des Systems dar. Je schneller der Förderer betrieben wird, desto mehr Kraft kann bei konstantem Schlupf übertragen werden. Für die Identifikation der einzelnen Versuchskombinationen wurde folgender Bezeichnungsschlüssel festgelegt: ZXX X _ X.X Riemenbreite Z25 = 25 mm Z50 = 50 mm Mitnehmermaterial S = Stahl K = Kunststoff (POM) Anzahl Magnete 1 = 100% 0,5 = 50%

10 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 66) Aus den bisher durchgeführten experimentellen Untersuchungen kann geschlussfolgert werdern, dass der Schlupf die Grenze von 5 % nicht übersteigen darf, da sonst der Verschleiß an der Rückenbeschichtung der Zahnriemen zu hohe Werte annimmt. Beispielhaft sollen hier zwei ermittelte Antriebskräfte genannt werden: - 25 mm breiter Zahnriemen, Kunststoffmitnehmer, 100 % Magnete: N - 25 mm breiter Zahnriemen, Stahlmitnehmer, 100 % Magnete: N Mit andern Beschichtungen der Zahnriemen kann die übertragbare Antriebskraft noch wesentlich erhöht werden. Z50K_0,5 Z25S_0,5 Z50S_0,5 Z25S_1 Z25K_0,5 Z25K_1 Z50K_1 Z50S_1 Bild 7: Schlupf zwischen Zahnriemen und Mitnehmern in Abhängigkeit der Kettenzugkraft, der Magnetanzahl, der Mitnehmerwerkstoffe, der Zahnriemenbreite 6. Zusammenfassung und Ausblick In derzeitig eingesetzten Fördersystemen wird aufgrund unterschiedlicher Faktoren ein zu hoher Energieverbrauch verzeichnet - häufig aber vor allem verursacht durch fehlende durchgängige Prozess- bzw. Transportketten. Mithilfe von Direktantrieben wird es möglich, das Layout von Fördersystemen nahezu unbegrenzt zu erweitern.

11 Prof. K. Nendel: Magnetische Zahnriemen für Direktantriebe in der Fördertechnik (Seite 67) Das beschriebene Direktantriebssystem für Zug- bzw. Tragmittel ermöglicht zusammengefasst folgende Systemvorteile: Minderung des Verschleißes an den Krafteinleitungselementen Reduzierung der Zugstrangbelastung (Kappung der Belastungsspitzen) durch Verteilung der Krafteinleitung und dadurch Verschleißminderung Wesentliche Senkung der Vorspannkraft bei kraftschlüssig angetriebenen Zug-/Tragmitteln Möglichkeit des Zwischenantriebes in flachen bis steilen Förderstrecken, insbesondere mit großen Trommelabständen Erhöhter Wirkungsgrad, da keine Reibkräfte in Folge der Abstützung der Zahnriemenpaare entstehen (nur gegenseitige Anziehung) Verminderung von Schlupfproblemen durch große Kontaktzonen und hohe Reibkräfte in Folge der gezielten Beschichtung der Zahnriemenrücken Verminderung des Polygoneffektes bei Kettenförderern Durch das Klemmen und damit auch seitliche Führen der Mitnehmer kann insbesondere bei Fördergurten ein sehr guter Geradenauslauf gesichert werden Bei kraftschlüssig angetriebenen Zug- und Tragmitteln kann die Vorspannkraft erheblich gesenkt werden, so dass auch bei der Umgebungskonstruktion eine leichtere Bauweise realisiert werden kann Bei formschlüssig angetriebene Kettenfördersystemen führen größere Teilungsschwankungen bzw. -zunahmen in den Zugmitteln erstmals nicht zum Überspringen der Kettenräder bzw. zur Behinderung des Kettenauslaufs In zukünftigen Forschungsarbeiten wird auf die Möglichkeit des formschlüssigen Eingreifens von speziell gestalteten Elementen der Zahnriemenrückens in die geteilten Mitnehmer und Ausstülpungen des Zug- und Tragmittels näher eingegangen werden. Beim Eingriff und der schlupflosen Kraftübertragung können dann radial wirkende Kräfte durch die Anziehungskräfte der Magnete kompensiert werden.