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Bremssystem Wie bremst es sich am besten?

Autor / Redakteur: Dr. Norbert Partmann / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Hydraulische und elektromechanische Bremssysteme sind in vielen industriellen Anwendungen im Einsatz. Entscheidend für die richtige Wahl ist die jeweilige Applikation. Drei Anwendungsbeispiele zeigen nachfolgend die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten.

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In den Schächten der stillgelegten Zeche Walsum in Duisburg werden jährlich 20 Millionen Kubikmeter Wasser abgepumpt. Die dazu notwendige Hubeinheit ist mit Schwimmsattelbremsen von KTR ausgestattet.
In den Schächten der stillgelegten Zeche Walsum in Duisburg werden jährlich 20 Millionen Kubikmeter Wasser abgepumpt. Die dazu notwendige Hubeinheit ist mit Schwimmsattelbremsen von KTR ausgestattet.
(Bilder: KTR)

Ob Verkehrs- oder Fördertechnik, Berg- oder Kranbau, On- oder Offshore: Beim Einsatz eines Bremssystems in einer industriellen Anwendung geht es nicht nur darum große Kräfte zu bändigen. Auch widrigen Umwelteinflüssen wie Schlamm, Nässe, Sturm, Salz, klirrende Kälte oder glühende Hitze gilt es dauerhaft standzuhalten. Bei der Wahl des richtigen Bremssystems gilt es neben den Rahmenbedingungen der Applikation auch die Kundenpräferenz zu berücksichtigen. Die Frage lautet: elektromechanisches oder hydraulisches System?

Hydraulische Bremssysteme

Die hydraulischen Bremssysteme basieren auf der klassischen Scheibenbremse und sind sowohl in aktiver als auch federbetätigter Ausführung erhältlich. Schwimmsattelbremsen bieten den Vorteil weitgehend axialkraftfrei zu arbeiten, wodurch eine Schädigung des Triebstranges ausgeschlossen ist – auch bei Installationsfehlern oder Fehleinstellungen. Die Bremsen erzeugen Klemmkräfte bis zu 542 kN in der aktiven und 1400 kN in der passiven Ausführung. Ihr verhältnismäßig geringes Gewicht und die kompakten Abmessungen ermöglichen ein umfassendes Einsatzspektrum und halten gleichzeitig die Transport-, Lagerungs- und Montagekosten gering. Der hohe Schutz vor Witterungseinflüssen – durch komplette Kapselung und integrierte Schmutzabstreifer – und die maximale Materialnutzung der Bremsbeläge reduzieren überdies den Wartungsaufwand.

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Elektromechanische Bremssysteme

Auch die elektromechanischen Bremsen gibt es bei KTR wahlweise als aktive oder passive Schwimmsattelbremse. Anders als bei ihrem hydraulischen Pendant erzeugen sie ihre Bremskraft auf rein elektromechanischem Weg und bringen damit Klemmkräfte bis zu 65 kN in der passiven und 1600 kN in der aktiven Ausführung auf. Bei der aktiven Ausführung treibt ein Elektromotor einen Hebelarm bzw. ein Getriebe an, in der passiven Version hingegen wirkt er entgegengesetzt und löst die Bremse. In der aktiven Ausführung sind die Bremsen selbsthemmend. Das bedeutet, dass die Stromzufuhr abgeschaltet werden kann, wenn die Bremse zugefahren ist. Sollte die Stromzufuhr unerwartet abfallen oder unterbrochen werden, bleibt die Bremskraft erhalten. Erforderliche Wartungsarbeiten wie Ölwechsel und Ölentsorgungen erübrigen sich aufgrund der wegfallenden Hydraulik.

Ob hydraulisch oder elektromechanisch – die Bremssysteme sind so ausgelegt um möglichst flexibel eingesetzt werden zu können, wie sie zum Beispiel auf der Zeche in Walsum in Duisburg, im Erztagebau von Tonkolili in Sierra Leone oder in dem neuen Gezeitenkraftwerk vor der schottischen Nordküste vorzufinden sind.

Einsatz auf der Zeche in Walsum

Auf der Zeche Walsum in Duisburg kommen beispielsweise hydraulische Bremssysteme zum Einsatz. 2008 wurde dort die Steinkohleförderung eingestellt. Doch Schächte mit über 1000 m Tiefe kann man nicht einfach schließen. Sie müssen langfristig verwahrt werden, um landschaftsverändernde Folgeschäden wie Auswaschungen in der Tiefe oder Tagesbrüche an der Oberfläche zu verhindern. Dazu müssen jährlich gut 20 Mio. m³ Wasser abgepumpt werden. Zum Einsatz kommen leistungsstarke Tauchpumpen und viele Hundert Meter Rohr. Die altgedienten Schächte „Franz Lenze“ und „Wilhelm Roelen“ sind bereits verfüllt und mit je drei Rohrleitungen ausgestattet.

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Kompetenzzentrum für Bremsen

Ausgelegt und angepasst werden die Bremsen im „KTR Competence Center for Brake Systems“ im ostwestfälischen Schloß Holte-Stukenbrock. An diesem Standort bündelt KTR seine gesamten Bremsenaktivitäten unter dem Dach der KTR Brake Systems GmbH. Neben der Entwicklung und Produktion der Bremssysteme finden hier auch umfangreiche Tests und Funktionsprüfungen von Prototypen und Serienprodukten statt. So zum Beispiel auf einem Universalbremsprüfstand für Rotor- und Azimutbremsen, einem Zugprüfstand, einem Rütteltisch oder auch einer Tieftemperatur-Kühlkammer die Tests bei Umgebungstemperaturen bis zu –40 °C ermöglicht.

Für die Brunnenwasserhaltung am Schacht Wilhelm Roelen werden derzeit zwei Tauchpumpen und ab 2017 voraussichtlich eine dritte eingesetzt. Um das schwere Equipment sicher in die Tiefe zu senken, kommt ein Spezialkran von Terex MHPS zum Zuge. In Zusammenarbeit mit Thyssenkrupp Mill Services & Systems wurde dafür eigens ein Zwei-Träger-Doppelwindenwerk der Marke Demag mit 250 t Traglast entwickelt und auf die Gegebenheiten von Schacht Wilhelm ausgerichtet. Die Hubeinheit stellt die Infrastruktur für das Einbringen von Pumpen und Rohrleitungen bereit. Etwa alle 10 m wird das nächste Rohrstück aufgesetzt, das heißt: Zwischen den Intervallen muss permanent sicher gebremst werden – auch wenn es regnet, schneit oder friert. An den beiden Winden der Krananlage sind je zwei passive Schwimmsattelbremsen mit einer Klemmkraft von je 160 kN angebracht. Die hydraulischen Scheibenbremsen fungieren im Regelfall als Halte- und im Fehlerfall als Notbremse. Sie werden durch Federkraft geschlossen und durch Hydraulik geöffnet. An jeder Winde ist daher ein Hydraulikaggregat integriert.

Einsatz im Erztagebau von Tonkolili

In Sierra Leone ruht die größte Eisenerz-Lagerstätte Afrikas mit einem geschätzten Gesamtvolumen von bis zu 12,8 Mrd. t. Ein zentrales Abbaugebiet liegt im Distrikt „Tonkolili“, im Herzen des Landes. Das hier eingesetzte Fördersystem besteht aus einer Überland-Bandanlage von 2,6 km Länge, die über vier leistungsstarke Antriebe in Gang gehalten wird. Die Förderbänder transportieren ca. 3500 t erzhaltigen Abraum pro Stunde. Bei drohender Gefahr greifen zwölf hydraulische Scheibenbremsen mit einer Schließkraft von jeweils 150 kN die schwere Last. Die Kraft der passiven Schwimmsattelbremsen muss dosiert eingesetzt werden, sonst könnten die Bänder überlastet werden und folgeschwere Schäden entstehen. Zuständig dafür ist das elektronische Regelungssystem Intelliramp, das programmgesteuerte und präzise Bremsvorgänge ermöglicht. Es gleicht die Soll- und Istwerte der Anlage permanent ab: Liegt die Bandgeschwindigkeit unter dem Sollwert wird die Bremskraft reduziert, liegt sie darüber wird die Bremskraft erhöht. Das System ermöglicht die Verwendung von drei Bremsrampen, die individuell einstellbar sind und unabhängig voneinander gestartet werden können: konstante Verzögerung, Konstantzeitfunktion und Konstantgeschwindigkeitsregelung.

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Bremskraft ist nichts ohne Kontrolle

Das elektronische Regelungssystem Intelliramp ermöglicht kontrollierte und koordinierte Bremsvorgänge, die genau auf die jeweiligen Parameter abstimmbar sind. Herzstück bildet der Steuerungsrechner, der alle Berechnungs- und Überwachungsfunktionen übernimmt, die zur Regelung der Bremssysteme notwendig sind. Die Bedienung wird über einen Touchscreen mit Menüführung ausgeführt. Bei den hydraulischen Bremsen steuert und überwacht die Intelliramp zudem die Funktion des Aggregates. Hierzu erfasst das System Kennwerte wie Ölniveau, Öltemperatur und Hydraulikdruck. Es werden keine weiteren Relais benötigt, was die Verfügbarkeit sowie die Zuverlässigkeit der Intelliramp erheblich erhöht. Für die Kommunikation stehen Standard-Bussysteme wie Profibus oder EtherCAT optional zur Verfügung. Die rampengestützten Bremsprozesse werden über ein kabelbruchsicheres Signal ausgelöst und über einen geschlossenen Regelkreis mit Drehzahl gegen Zeit durchgeführt. Die Rampe wird über eine Nenndrehzahl sowie eine Bremszeit bei Vorliegen der Drehzahl definiert. Intelliramp ermöglicht die Verwendung von drei Bremsrampen, die individuell einstellbar sind und unabhängig voneinander gestartet werden können:

  • Konstante Verzögerung: Im Regelfall wird durch einen Frequenzumrichter gebremst: von der Intelliramp-Regelung überwacht, kann das Band innerhalb von 20 s sanft, aber sicher zum Stehen kommen.
  • Konstantzeitfunktion: Ist der Frequenzumrichter überlastet oder durch einen potenziellen Stromausfall ausgefallen, greift die Notstopp-Funktion, die das System binnen 10 s zum Stehen bringt.
  • Konstantgeschwindigkeitsregelung: Im absoluten Notfall wird mit unverzüglichem und ungeregeltem Nothalt gebremst.

Das Gesamtsystem verfügt über eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung, um auch bei einem Netzausfall noch einen vollen Bremszyklus ausführen zu können.

Einsatz im Gezeitenkraftwerk an der schottischen Nordküste

Im Pentland Firth, der Meerenge zwischen der schottischen Nordküste und den Orkney-Inseln, sollen Meeresströmungen mit Geschwindigkeiten von geschätzten 5 m/s vorkommen. An dieser energiereichen Stelle soll das größte Gezeitenkraftwerk der Welt entstehen. Das Vorhaben erstreckt sich in ca. 30 m Tiefe auf einer Grundfläche von über 10 km² und wird von der schottischen Projektierungsfirma Meygen Limited realisiert. Der Bau des Turbinenfeldes erfolgt in mehreren Phasen. In der ersten Ausbaustufe werden zunächst vier Unterwasserturbinen der Hersteller Atlantis Resources Limited und Andritz Hydro Hammerfest auf dem Meeresgrund installiert. Ihr Betriebsbeginn ist für Ende 2016 geplant. Weitere 80 Turbinen sollen bis 2022 folgen und eine Gesamtleistung von 86 MW erzielen. Das Fernziel des Gezeitenprojektes liegt bei insgesamt 398 MW. Meygen würde dann das derzeit weltweit größte Gezeitenkraftwerk von Sihwa-ho in Südkorea mit 254 MW überflügeln.

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Die AR1500 der Firma Atlantis Resources Limited ist eine von zwei Hochleistungsturbinen, die derzeit auf dem Boden der Meerenge verankert werden. Mit einer Nennleistung von 1,5 MW ist sie eine der ertragreichsten Unterwasserturbinen der Welt. Bei einem durchschnittlichen Nutzungsgrad von 40 % und einer 95-prozentigen Verfügbarkeit, kann die Turbine jährlich rund 5 Mio. kWh elektrischer Energie produzieren. Die Turbine misst eine Gesamthöhe von 22,5 m. Ihre Gondel ist knapp 11 m lang und wiegt 150 t. An ihrer Spitze befinden sich drei verstellbare Rotorblätter mit einem Gesamtdurchmesser von 18 m. Die Turbinengondel ist auf dem Turm um 360° drehbar gelagert. Um die Energie von Ebbe und Flut gleichermaßen zu nutzen, richtet ein Azimutlager mit einem Antriebs- und Arretierungssystem die Gondeln bei jedem Gezeitenwechsel neu aus. Dafür wird der Antriebsstrang der Turbine von drei elektromechanischen Bremsen fixiert. Die aktiven Schwimmsattelbremsen, sogenannte Floater, erzeugen Klemmkräfte bis jeweils 125 kN. Sie sind direkt hinter dem Generator angeordnet und in der Regel geöffnet. Die Rotorbremsen schließen, sobald die Turbine beim Gezeitenwechsel in die neue Strömungsrichtung gedreht wird. Anschließend werden die Systeme wieder geöffnet und die Meeresströmung kann die Rotorblätter erneut antreiben. Die Bremsen sind als Haltebremsen ausgelegt, können in Ausnahmesituationen aber auch zur Notbremsung eingesetzt werden. Die elektromechanischen Systeme sind selbsthemmend, was bedeutet, dass die Stromzufuhr abgeschaltet werden kann, sobald die Bremsen zugefahren sind. Sollte die Stromzufuhr einmal unerwartet abfallen oder gar unterbrochen werden, bleibt die Anpresskraft aufgrund der Selbsthemmung erhalten. Im Umkehrschluss heißt das, dass die Bremsen keine elektrische Energie verbrauchen, wenn sie im geöffneten, betriebsbereiten „stand-by“-Modus sind. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung der AR1500 ermöglicht eine Aktivierung der Bremssysteme zu jeder Zeit.

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Kompetenzzentrum für Bremsen

Ausgelegt und angepasst werden die Bremsen im „KTR Competence Center for Brake Systems“ im ostwestfälischen Schloß Holte-Stukenbrock. An diesem Standort bündelt KTR seine gesamten Bremsenaktivitäten unter dem Dach der KTR Brake Systems GmbH. Neben der Entwicklung und Produktion der Bremssysteme finden hier auch umfangreiche Tests und Funktionsprüfungen von Prototypen und Serienprodukten statt. So zum Beispiel auf einem Universalbremsprüfstand für Rotor- und Azimutbremsen, einem Zugprüfstand, einem Rütteltisch oder auch einer Tieftemperatur-Kühlkammer die Tests bei Umgebungstemperaturen bis zu –40 °C ermöglicht.

Bremsen an individuelle Gegebenheiten anpassen

Bei der Wahl des richtigen Bremssystems gilt es die unterschiedlichsten Aspekte zu berücksichtigen. Die Bandbreite der Auswahlkriterien erstreckt sich dabei von der Kundenpräferenz bis zu den Rahmenbedingungen der Applikation. Ob elektromechanisches oder hydraulisches System, die Vorgehensweise bei der Projektierung bleibt dabei immer dieselbe: Die Bremsen werden auf die individuellen Gegebenheiten jeder Anwendung angepasst und aufeinander abgestimmt. Dazu kommen Temperaturberechnungen, Spannungsberechnungen in der Bremsscheibe, FEM Analyse und Bremszeitberechnungen. Ferner die Inbetriebnahme der Anlage und Wartungsdienstleistungen im Lebenszyklus sowie Schulungen für die Wartungsteams. (sh)

* Dr. Norbert Partmann ist Geschäftsführer der KTR Brake Systems GmbH mit Sitz in Schloß Holte-Stukenbrock

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