Technikartikel
Auswahl und Wartung von Zahnkupplungen für Walzwerke: Drehmoment, Stoß beim Walzguteinzug und einseitiger Verschleiß
Zuerst den Wellenabschnitt der Kupplung bestimmen
Grobwalz-Hauptantriebe, Fertigwalzwerke, Haspeln, fliegende Scheren, Richtmaschinen und Rollgänge weisen unterschiedliche Lastkollektive auf. Auch an der Eingangs- und Ausgangsseite eines Getriebes erzeugt derselbe Motor unterschiedliche Betriebsdrehzahlen und Drehmomente. Vor der Auswahl ist daher ein vereinfachtes Schema aus Motor–Kupplung–Getriebe–Arbeitsmaschine zu erstellen. Darin sind der Wellenabschnitt der Kupplung, das Übersetzungsverhältnis, die Drehrichtung und die Position der Bremse einzutragen. Andernfalls kann trotz korrekter Motorleistung die Betriebsdrehzahl des falschen Wellenabschnitts in die Berechnung eingehen.
Das stationäre Drehmoment ist nur der Ausgangspunkt; Lastspitzen beim Walzguteinzug und Reversieren sind entscheidend
Das Grunddrehmoment wird mit `T = 9550P/n` abgeschätzt. Dabei ist `P` aus der Motorleistung für den jeweiligen Betriebszustand abzuleiten; `n` ist die Betriebsdrehzahl des Wellenabschnitts, in dem die Kupplung sitzt. In die abschließende Prüfung müssen außerdem Walzguteinzug und -auswurf, schnelles Reversieren, Bremsvorgänge, Walzspaltverstellung und außergewöhnliche Blockaden einfließen. Für unterschiedliche Einbaustellen darf nicht pauschal derselbe Betriebsfaktor angesetzt werden. Er ist anhand des jeweiligen Produktkatalogs, der Konstruktionsunterlagen der Anlage und der vor Ort aufgezeichneten Lasten festzulegen.
| Einbaustelle oder Ereignis | Zu berücksichtigende Daten | Auswirkung auf die Kupplung |
|---|---|---|
| Walzguteinzug im Grobwalzwerk | Spitzenstrom/-drehmoment, Dauer, Zustand des Walzguts | Kurzzeitige Hochlast an Verzahnung, Passfeder und Schrauben |
| Kontinuierlicher Betrieb im Fertigwalzwerk | Lastschwankungen, Höchstdrehzahl, Torsionsschwingungen | Ermüdung, Erwärmung und dynamisches Verhalten des Wellenstrangs |
| Haspel | Bunddurchmesser, Zugkraft, Trägheitsmoment des vollen Bundes, Bremsvorgang | Mit den Prozessphasen wechselndes Drehmoment |
| Häufiges Anfahren und Stoppen des Rollgangs | Starts und Stopps pro Stunde, Rollenblockaden, Synchronsteuerung | Wiederholte Stöße und Mikrobewegungen an der Passfedernut |
| Störfallbedingte Blockade | Ansprechen der Schutzfunktion und bisherige Schadensstelle | Zeigt, ob ein separater Überlastschutz erforderlich ist |
Wenn die Steuerung Strom- und Betriebsdrehzahlverläufe sowie Störzeitpunkte exportieren kann, sind diese Daten mit den Zeitpunkten von Zahnbrüchen, gelösten Schrauben oder dem Verschleiß der Passfedernut abzugleichen. Der bloße Wechsel auf eine größere Baugröße kann die Schwachstelle auf die Antriebswelle, das Getriebe oder die Lager verlagern.
Wellenbohrung, Passfedernut und Nabe separat prüfen
Das Spitzendrehmoment eines Walzwerkantriebs wird nicht nur von der Verzahnung aufgenommen, sondern auch über Wellenbohrung, Passfeder, Schrauben oder andere Verbindungselemente übertragen. Anzugeben sind die Wellendurchmesser, die Längen der Wellenenden, die Abmessungen der Passfedernuten, die Passungen, die Übergangsradien an den Wellenschultern und die Einbaurichtung an beiden Seiten. Zeigt eine alte Nabe rotbraunen Abrieb, plastisch verformte Passfedernflanken oder Fressspuren in der Wellenbohrung, ist das Wellenende zu vermessen und die Ursache der Mikrobewegungen zu untersuchen. Der verschlissene Bohrungsdurchmesser darf nicht einfach auf das Neuteil übertragen werden.
Importierte oder umgebaute Anlagen können Sonderflansche, Zwischenwellen, verlängerte Naben oder nicht genormte Lochbilder aufweisen. Bei unvollständigen Unterlagen ist zuerst die alte Kupplung zu vermessen. Erst danach wird entschieden, ob eine Standard-Zahnkupplung oder ein Sonderersatz nach Zeichnung eingesetzt wird.
Ausrichtung und Wärmeversatz: Kalt ausgerichtet bedeutet nicht im Walzbetrieb ausgerichtet
Walzgerüst, Getriebe, lange Wellen und Lagergehäuse verändern ihre Lage unter Temperatur und Last. Instandhaltungsprotokolle müssen zwischen der anfänglichen Kaltausrichtung, dem Wärmeversatz nach dem Aufheizen und dem Axialversatz unterscheiden. Eine ballige Verzahnung kann den Kontakt bei geringem Versatz verbessern, aber keinen Fluchtungsfehler dauerhaft aufnehmen, der den in der Maßzeichnung zulässigen Bereich überschreitet. Einseitiger Verschleiß über die Zahnbreite, einseitige Erwärmung der Dichtung oder wiederholt gelöste Schrauben sind Signale, die Lage des Wellenstrangs erneut zu prüfen.
Staub, Wasserdampf und Zunder verändern die Schmierbedingungen
Zahnkupplungen sind auf Schmierung und Abdichtung angewiesen. Bei einer Kontrolle genügt es nicht festzustellen, ob Fett vorhanden ist. Zu prüfen ist auch, ob der Schmierstoff dünnflüssig oder verklumpt ist, Wasser, Zunder oder metallische Abriebpartikel enthält und über welchen Weg die Verunreinigungen eingedrungen sind. Das Wechselintervall ist an die Bauform, die Betriebsdrehzahl, die Temperatur und die Befunde vor Ort anzupassen. Ein starres Kalenderintervall darf nicht unterschiedslos auf alle Einbaustellen übertragen werden.
Folgende Punkte sollten Bestandteil jeder planmäßigen Instandhaltung sein:
- Vor der Demontage Temperatur, Schwingung, ungewöhnliche Geräusche, Leckagerichtung und Schraubenmarkierungen dokumentieren;
- Dichtungen, Gehäuse, Schmieranschlüsse und Schleifspuren an der Schutzhaube prüfen;
- Entwicklung des Kontaktbilds, der Grübchenbildung, der Fressspuren und des Zahnflankenspiels vergleichen;
- Axialposition der Nabe, Kontakt der Passfedernut, Flanschanlage und Verbindungselemente prüfen;
- Lagerspiel, Fundament, Kalt-/Warmausrichtung und Axialversatz erneut prüfen;
- Schmierstoffsorte, Füllmenge, Probenzustand und Wechselgrund dokumentieren.
Ein ausführlicherer Ablauf von den Symptomen zur Ursache steht unter Fehlersuche bei Zahnkupplungen.
Wann eine Neuauslegung oder zusätzlicher Schutz erforderlich ist
Treten an derselben Stelle wiederholt Zahnbruch, Lockerung der Passfedernut, Verschleiß der Wellenbohrung oder Verformung der Schraubenlöcher auf, müssen Lastkollektiv, Betriebsfaktor, Wellenanschluss und Einbauzustand erneut geprüft werden. Ist eine außergewöhnliche Blockade das Hauptrisiko, muss zusätzlich eine Sicherheitskupplung oder Drehmomentbegrenzer-Kupplung bewertet werden. Eine herkömmliche Zahnkupplung darf nicht die Funktion eines abschaltenden Überlastschutzes übernehmen.
Die Unterlagen für die technische Bewertung müssen die Einbaustelle im Walzwerk, das Antriebsschema, die Motorleistung, die Betriebsdrehzahlen der einzelnen Wellenabschnitte, Aufzeichnungen zu Walzguteinzug und Reversieren, den Nachweis der Spitzenwerte, Wellenendzeichnungen, den Wellenendabstand (DBSE), den Wärmeversatz, die ursprüngliche Typbezeichnung, Instandhaltungsintervalle, Schmierstoff, Übersichtsaufnahmen des beschädigten Teils und Nahaufnahmen der Zahnflanken enthalten. In der endgültigen Lösung sind folgende Punkte einzeln zu bestätigen: Nenndrehmoment, Zulässige Drehzahl, Wellenbohrung, Einbaumaße, zulässiger Versatz, Schmierung, Abdichtung und Prüfanforderungen. Nur so lassen sich Auslegungsfehler und wiederkehrende Schäden gemeinsam beheben.
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