Hocheffiziente Antriebstechnik bei ... - Tschan GmbH

Innovative Antriebstechnik bei Schwerlastkränen
im Stahlbereich – ein Anwendungsbericht über den
aktuellen Stand der Technik
Am Beispiel eines Kran Neubau-Projektes der Dillinger Hütte Anfang 2000 werden
die dabei gemachten Erfahrungen mit dem Stand der heutigen gängigen Umrichter-
und Kupplungstechnik für ein modernes Antriebskonzept abgeglichen. Die dabei im
Einsatz befindlichen Ausrüstungen und Komponenten der Kräne haben bis zum heutigen
Tag nichts an Aktualität verloren, da man seitens des Betreibers sehr früh auf
eine zukunftssichere Technik Wert legte. Neben dem Neubau spielen zunehmend
auch Modernisierungen von Altanlagen eine immer größer werdende Rolle, speziell
im Hinblick auf die nachzurüstenden Frequenzumrichter. Um eine hohe Positioniergenauigkeit
der Hub- und Fahrwerke zu erreichen, erfordern die frequenzgeregelten
Antriebsmotoren einen neuen technischen Ansatz bei der Kupplungsauswahl und der
Sicherheits-Bremstechnik.

Umfeld des Projektes:
Im Rahmen eines konsequent geplanten Ausbaus der Stranggussanlage seitens der
Neubauabteilung der Dillinger Hütte im Jahr 1999 wurde unter anderem auch die
Neukonzeption eines Stranggusskranes mit einer Spannweite von 35m und einer
Tragkraft von 350 Tonnen angedacht. Die Krananlage ist heute im Stahlwerk eingesetzt
und dient zum Transport der Stahlgießpfannen. Neben dem Einsetzen der
Stahlgießpfannen in den Stahlentnahmewagen und in die Gefäße der Vakuumanlagen
ist der Einsatzschwerpunkt das Handling der Pfannen zum Gießen auf der
Stranggussanlage.
Hierzu werden die Stahlgießpfannen vom Hüttenflur auf ca. + 25 m angehoben und
in die Gießwagen eingesetzt. Während bei Kran- und Katzfahrt nur geringe Wegstrecken
zurückgelegt werden, ist das Hubwerk permanent im Einsatz. Das Hubwerk
muss eine hohe Verfügbarkeit und, wegen des Transportes von feuerflüssigem Stahl,
eine hohe Betriebssicherheit bieten.
Die Krananlage ist für die robusten Betriebsbedingungen eines Stahlwerkes ausgelegt,
Umgebungstemperaturen von –10°C bis +50°C sind keine Seltenheit. Wegen
der Wärmeabstrahlung der verschlossenen Stahlgießpfannen ist die Kranbrücke auf
150°C ausgelegt worden.
Der Stranggusskran wurde von der Firma Eiffel komplett mit Umrichtertechnik zur
Steuerung der einzelnen Antriebe geliefert. Die Sicherheitsbremsen an den Seiltrommeln
und alle Hubwerksbremsen wurden als Scheibenbremsen ausgeführt. Das
Antriebs- und Hubwerkskonzept wurde nach dem Standard der Dillinger Hütte aus
Gründen der Reserveteilvorhaltung baugleich zum benachbarten Kran realisiert. Vorhandene
Hubwerksgetriebe, Fahrwerksgetriebe, Kupplungen, Laufradsätze, Laufradschwingen
etc. wurden auf ihre Einsatztauglichkeit hin überprüft.
Zur optimalen Anpassung an den Produktionsablauf wurden die Hub- und Fahrwerke
stufenlos regelbar ausgeführt. Die früher üblichen Antriebe mit aufwendigen Schleifringläufern
oder Gleichstrommotoren wurden durch Frequenzumrichtertechnik, die
mit bewährten und robusten Kurzschlussläufermotoren arbeitet, ersetzt.
Modernes Hubwerk eines Schwerlastkranes, mit Seiltrommeln, Getrieben, Antriebsmotoren im Frequenzumrichterbetrieb und
höchsteffizienter Kupplungs- und Bremstechnik.
Modern lifting mechanism of a heavy duty crane, with cable drums, gear boxes, electric motors with frequency converter operation
and highest efficient coupling and brake technology

Durch die Ansteuerung der Antriebe durch die Umrichter bzw. die vorgegebenen
Anfahrrampen ist es möglich, sanft anzufahren und den Kran auf unterschiedliche
Betriebszustände, wie unter Last oder bei Leerfahrten erforderlich, einzustellen. Das
Abbremsen der Antriebe erfolgt über Rückspeiseeinheiten, über Bremsshopper, die
im Netz installiert sind.
Dieser Energierückgewinnungseffekt gehört mit zu den wirtschaftlichen Aspekten bei
der Entwicklung der heutigen modernen Krankonzepte. Die Arbeitsweise des Umrichters
hat für die Auswahl der Kupplungsbauart eine große Bedeutung. Während bisher
möglichst weiche Kupplungen zum Dämpfen von Einschaltstößen gefragt waren,
kann diese technische Eigenschaft in Verbindung mit Umrichterbetrieb stören und in
der Praxis bei einigen Anlagen zu Schwingungsproblemen und Positionierungenauigkeiten
führen. Der Antriebsstrang, bestehend aus Motor, Kupplung und Getriebe,
bildet -vereinfacht betrachtet- einen Zweimassenschwinger, dessen Eigenfrequenz
maßgeblich durch die Torsionssteifigkeit der Kupplung beeinflusst wird.
Vom Umrichterhersteller können starre oder träge Regelkreise geliefert werden. Bei
drehweichen Kupplungen beeinflusst der große Verdrehwinkel die Regelgenauigkeit
des Umrichters und führt im Extremfall zu Pendelmomenten. Kupplungselastika und
eventuell auch Getriebe können beschädigt werden, unangenehme Geräusche sowie
Vibrationen auftreten. Dieses Problem kann durch den Einsatz eines härteren Elastikums
reduziert bzw. beseitigt werden. Außerdem besteht auch die Möglichkeit, die
Regelung umzuprogrammieren und an die vorhandenen Gegebenheiten anzupassen.
Der Einsatz einer drehstarren Ganzstahlkupplung ist eine logische Alternative. Die
Stahllamellenkupplung erfordert aber hohe Ausrichtgenauigkeit bei der Montage und
steife Strukturen, welche die im Kranbetrieb auftretenden Kräfte sicher und verwindungsfrei
aufnehmen. Bei Zahnkupplungen ist ein gewisser Wartungsaufwand nötig,
da diese regelmäßig geschmiert werden müssen.
Durch die beengten Platzverhältnisse im Antriebsstrang können nur kurz bauende
Kupplungen verwendet werden. Drehstarre Kupplungen wie Zahn- oder Lamellenkupplungen
können größere Radialverlagerungen der Aggregate nur bei entsprechender
Baulänge kompensieren.
Die Lamellenpakete der Stahllamellenkupplung müssen auswechselbar sein, ohne
dass die zueinander ausgerichteten Aggregate verschoben werden müssen
Um diesen Anforderungen Rechnung zu tragen entwickelte die TSCHAN GmbH in
den letzen 3 Jahren in Zusammenarbeit mit erfahrenen Kranherstellern eine drehstarre
Lamellenkupplung Posimin NFFU in einer zum Patent angemeldeten Kurzbauweise.
Die Lamellenpakete sind ohne Verschieben von Motor oder Getriebe austauschbar.

Prinzipieller Aufbau eines Hubwerkes mit neuer drehstarrer Kupplung TSCHAN POSIMIN NFFU, neuer Tonnenkupplung
TSCHAN TK Crane Boost in der Seiltrommel integriert.
Working principle of a lifting mechanism with new rigid steel disc coupling TSCHAN POSIMIN NFFU, new barrel coupling
TSCHAN TK Crane Boost, integrated in the cable drum.
Neben dem Stranggusskran war auch ein Brammentransportkran in der Neukonzipierung
mit vorgesehen.
Brammentransportkran der Dillinger Hütte beim Aufnehmen von Brammen
Crane for slab transport during operation at the Dillinger Hütte

Der Einsatzort dieser neuen Krananlage ist die zum Stahlwerk gehörenden Brammenadjustage
der Dillinger Hütte. Seitens des Produktionsbetriebes werden an den
Kran folgende Anforderungen gestellt:
-Aufnahme einzelner Brammenriegel vom Rollgang der Stranggussanlage, Anheben
über Hüttenflur, horizontales Drehen der Brammen und Stapelung der Riegel im
Brammenlager zur weiteren Verarbeitung.
-Materialhandling der Brammenriegel über Hüttenflur wie das Auflegen auf eine
Brammenfähre oder Brennschneidmaschine bzw. Einsatz der Brammen in einer Abkühlanlage.
-Sortieren und Umsetzen nach Lagerlogistik
Beispiel eines Antriebstranges mit elastischer Klauenkupplung Typ TSCHAN-SDDL, mit Bremse, zur Verbindung von Motor und
Getriebe.
Example of drive train with flexible elastomeric claw coupling type TSCHAN SDDL, with brake system, connecting electric motor
and heavy duty gear box
Im Haupthubwerk des Brammentransportkranes sind zwischen Motor und Getriebe
elastische Kupplungen der Typenreihe TSCHAN S mit Bremsscheibe auf der Getriebeseite
eingebaut. Bei Stromausfall schließen die Sicherheitsscheibenbremsen automatisch
und verhindern ein unkontrolliertes Absinken der Last.
Die Verbindung zwischen Getriebe und Seiltrommel kann heute über die neue Tonnenkupplung
der Baureihe TSCHAN TK Crane Boost in der Ausführung für Schwerlastbetrieb
erfolgen.
Ende letzten Jahres präsentierte die TSCHAN GmbH die weiterentwickelte drehstarre
Tonnenkupplungsreihe TSCHAN TK Crane Boost in 42CrMo4V für den Einsatz
in Hüttenwerksbetrieben und den Kranbau. Sie wird zur Übertragung von mittleren
und höchsten Drehmomenten als Seiltrommel-Gelenkverbindung in Hubwerken und
in der Fördertechnik eingesetzt.

Drehmomente bis zu 685 kNm und radiale Lasten bis zu 380 kN können bei einem
maximalen Kupplungsdurchmesser von 850 mm übertragen werden. Die seit Jahrzehnten
vorliegende Betriebserfahrung mit Tonnenkupplungen im Einsatz in schwerem,
rauen Hüttenwerksbetrieb, bei Absetzern, Schiffsentladern und Containerkranen
führte zu dieser Weiterentwicklung.
Damit steht den Stahlerzeugern und Kranbauern eine kostengünstige Alternative
zum marktüblichen TTX Standard zur Verfügung. Die TSCHAN TK Crane Boost
zeichnet sich im direkten Vergleich durch 5-10% höhere Drehmomentübertragung bei
gleichem Kupplungsdurchmesser aus. Zusätzliche axiale Sicherungseinrichtungen,
um die Wälzkörper in ihrer Position zu halten, sind Standard. Die Kupplungen erfüllen
damit die Norm SEB 666212 und können auch entsprechend SIDMAR BR3-550
ausgeführt werden.
Die bestehende Tonnenkupplungsreihe TSCHAN TK Classic ist für normale anspruchsvolle
Anwendungen im Kranbereich auch weiterhin als kostengünstige Lösung
lieferbar. Die Fertigung beider Kupplungsreihen erfolgt am deutschen Standort,
Neunkirchen/Saar.
Weitere Forderungen seitens des Hüttenwerkbetreibers:
- Die Kran- und Katzfahrwerke werden wie beim Gießkran angetrieben. Der Antrieb
des Kranfahrwerks erfolgt in der Regel über 4 Einzelantriebe. Zwischen
Motor und Vorgelege wird üblicherweise eine elastische Kupplung mit Bremstrommel
für Doppelbackenbremsen eingebaut.
- Das Getriebe ist über eine drehstarre Lamellenkupplung mit dem Laufrad verbunden,
eine Gelenkwelle verbindet das Getriebe mit dem Vorgelege.
- Der Antrieb des Katzfahrwerks „Haupthub“ erfolgt über 2 Einzelantriebe. Die
Verbindung zwischen Motor und Vorgelege ist identisch mit dem Kranfahrwerk.
Typischer Antriebstrang des Kranfahrwerkes mit elastischer Kupplung TSCHAN SDD und integrierter Backenbremstrommel.
Typical drive implementation of the crane travel unit with elastomeric coupling type TSCHAN SDD and integrated brake drum

- Alle Komponenten, die Verschleiß unterliegen und Wartung erfordern, müssen
leicht zugänglich und kurzfristig austauschbar eingebaut sein.
- Bei Ausfall eines Antriebes muss mit reduzierter Geschwindigkeit weiter gearbeitet
werden können.
- Die Kupplungen müssen durchschlagsicher sein, damit bei Ausfall des Elastikums
die Last nicht abstürzt.
- Das Überprüfen und Auswechseln des Elastikums muss durch radiales Ausheben,
ohne Verschieben von Motor und Getriebe, möglich sein. Durch Ausbau
der Klauenringe mit dem Elastikum wird Freiraum zur Demontage und
Montage angrenzender Komponenten geschaffen.
- Kupplungsnaben und Klauen sind in Stahl auszuführen
- Das Elastikum soll eine hohe Abriebsfestigkeit haben und muss für Temperaturen
von – 20° C bis + 60° C auch im Freien einsetzbar sein.
- Um mit geringer Motorleistung dynamisch beschleunigen zu können, soll das
Massenträgheitsmoment der Kupplungen mit integrierter Bremsscheibe möglichst
gering sein.
Weitere Vorteile der eingesetzten elastischen Kupplungen sind:
- Durch die symmetrischen Klauenpartien der Kupplungen wird sichergestellt,
dass auch vormontierte Austauschelemente passen.
- Die Kupplungen sind allseitig, auch in den Klauenpartien bearbeitet. Daraus
resultiert eine hohe Rundlaufgüte und ein nur geringer Abrieb am Elastikum.
- Durch die Pufferform ist ein leichtes Einstecken der Kupplungsklauen gegeben.
- Alle Puffer sind gleichmäßig an der Drehmomentübertragung beteiligt.
Trotz erheblich unterschiedlicher Lasten und Einsatzkriterien des Gießkranes zum
Brammentransportkran hat man eine Auslegung gewählt, die gleiche Antriebsleistungen
und damit auch identische Antriebskomponenten ergibt. Dadurch reduziert sich
die Verschleißteilbevorratung für beide Kräne. Der Brammentransportkran wurde für
90 t Nutzlast und 145 t einschließlich Totlasten ausgelegt. Der Gießkran wurde für
350 t bzw. einer Sonderlast von 410 t konzipiert. Da der Gießkran wesentlich langsamer
arbeitet, konnten gleiche Antriebsleistungen installiert werden.
Fazit:
Die zum Handling von schweren Lasten notwendigen krantechnischen Einrichtungen
sind bei Neukonzipierung für einen Produktionsausbau unter den strengen Kriterien
kürzeste Aufbauzeit, der anschließend so gering wie möglich zu haltenden Betreiberkosten
und maximaler Zuverlässigkeit auszulegen. Die zuverlässigen antriebstechnischen
Komponenten für kleine, mittlere und höchste Drehmomentübertragungen liegen
dabei im Antriebstrang unter schweren Arbeits- und Umgebungsbedingungen
bei teilweise ungünstigen Zugangsmöglichkeiten zu den Einzelkomponenten.

Die TSCHAN GmbH arbeitet mit ihren Kunden in der Stahlindustrie permanent an der
Erstellung von innovativen Lösungen bis hin zur Modernisierung bestehender Altanlagen.
Dadurch lassen sich deutliche Einsparpotenziale erschließen, insbesondere:
• geringere Wartungskosten
• geringerer Verschleißteilbedarf
• geringere Reparaturkosten
• höhere Restlebensdauer der Anlagen und zunehmende Wartungsfreundlichkeit.
Das bei der Dillinger Hütte realisierte Antriebskonzept entspricht dem derzeitigen
Stand der Technik und bietet auch Anlagenbetreibern mit Modernisierungsbedarf die
Möglichkeit zur Umrüstung der Antriebe auf leistungsfähigen Umrichterbetrieb mit der
dazu passenden Kupplungstechnik.
Autor:
Dipl.-Ing. Volker Carl, Technischer Leiter TSCHAN GmbH