Kupplungen in Antriebssystemen von Zementmühlen: Anwendungen, Konstruktion und Leistungsstandards für die britische Industrie

Eine Kupplung im Antriebsstrang einer Zementmühle erfüllt gleichzeitig drei zentrale mechanische Funktionen: Drehmomentübertragung, Ausgleich von Fluchtungsfehlern und Dämpfung von Stoßbelastungen. Bei der Drehmomentübertragung muss die Kupplung die Nennleistung von einer Welle auf die andere übertragen, ohne elastische Verluste, Wärmeentwicklung oder Materialermüdung über die gesamte Lebensdauer hinweg, die in Zementwerken eher in Jahren als in Monaten gemessen wird. Der Wirkungsgrad einer gut konstruierten Zahnkupplung unter Dauerlast übersteigt 99%, was entscheidend ist, wenn die Gesamtverluste im Antriebsstrang eines Multi-Megawatt-Systems wirtschaftlich relevant sind.

Die Kompensation von Fluchtungsfehlern ist unerlässlich, da keine Anlage – selbst bei sorgfältigster Ausrichtung durch einen zertifizierten Maschinenbauingenieur eines Anlagenbauunternehmens aus Birmingham – über die gesamte Betriebsdauer einer Mühle eine perfekte Wellenmittellinienkoaxialität gewährleisten kann. Die thermische Ausdehnung des Motorgehäuses, Setzungen des Fundaments unter den schweren rotierenden Massen und der Lagerverschleiß führen zu Winkel- und Parallelabweichungen zwischen den verbundenen Wellen. Eine Kupplung muss diese Abweichungen ausgleichen und gleichzeitig das Drehmoment übertragen, ohne schädliche Radial- oder Axialkräfte auf das Motorlager oder die Eingangswelle des Getriebes auszuüben. Zahnkupplungen erreichen dies durch die ballige Zahngeometrie der Zahnhülse, die sowohl Winkelabweichungen als auch ein gewisses axiales Spiel ermöglicht und die Kontaktspannung über eine breite Zahnfläche verteilt.

Die Stoßdämpfung ist wohl die wichtigste Funktion speziell für Zementmühlen. Kugelmühlen besitzen ein enormes Massenträgheitsmoment – ​​eine voll beladene Mahltrommel kann mehrere hundert Tonnen wiegen – und beim Anfahren muss der Motor diese Masse aus dem Stillstand gegen den Widerstand des Mahlguts beschleunigen. Der resultierende Drehmomentstoß kann bei Direktstart das Drei- bis Fünffache des Nenndrehmoments erreichen. Würde dieser Stoß starr übertragen, würde er Getriebe und Lager der Mühle extrem belasten. Flexible Zahnkupplungen absorbieren und dämpfen diese Spitzen durch die Elastizität ihres Zahneingriffs und, in manchen Ausführungen, durch ein integriertes Elastomerelement und schützen so die nachgeschalteten Antriebskomponenten.

Anwendungsszenario 1: Primärantrieb einer Kugelmühle – Drehmomentstarke Zahnradkupplung an der Motor-Getriebe-Schnittstelle

Die Primärantriebskupplung der Kugelmühle befindet sich zwischen der Abtriebswelle des Hauptmotors und der Hochgeschwindigkeits-Eingangswelle des Untersetzungsgetriebes. Dies ist die Stelle mit der höchsten Drehzahl und den stärksten Stößen im gesamten Antriebsstrang der Zementmühle, und die Kupplungsspezifikation zählt zu den technisch anspruchsvollsten der Anlage. Der Motor kann mit 1.000–1.500 U/min laufen, und bei jedem Direktstart muss die Kupplung den Beschleunigungsmomentstoß absorbieren und übertragen, ohne die Wellenpassungen zu beschädigen, die Zahnflanken zu verschleifen oder schädliche Radialkräfte auf das antriebsseitige Lager des Motors auszuüben. Britische Zementanlagen dieser Art, insbesondere jene im Hope Valley und in Anlagen, die den Baukorridor Manchester bedienen, sind an dieser Stelle zunehmend von schwimmend gelagerten Scheibenkupplungen auf ballige Zahnkupplungen umgestiegen, da die Zahnkupplung einen besseren Staubschutz bietet und weniger empfindlich auf Winkelabweichungen durch die thermische Ausdehnung des Motorgehäuses reagiert.

Zahnkupplungen mit balliger Verzahnung werden in dieser Anwendung typischerweise mit einer geteilten Kupplungshülse geliefert, um die Demontage ohne Eingriff in Motor oder Getriebe zu ermöglichen – eine praktische Anforderung angesichts der beengten Zugangswege vieler älterer britischer Zementwerke aus den 1970er- und 1980er-Jahren. Die geteilten Kupplungshülsen sind präzisionsgefertigt und dynamisch nach Güteklasse G6.3 ausgewuchtet, um die Übertragung von Vibrationen auf das Getriebeeingangslager während des Dauerbetriebs bei Nenndrehzahl zu verhindern.

Anwendungsszenario 2: Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes mit niedriger Drehzahl – Schwere Zahnradkupplung zum Fräsritzel

Die langsam laufende Kupplung zwischen der Getriebeausgangswelle und der Ritzelwelle des Stirnrads ist die drehmomentstärkste Kupplungsstelle im gesamten Zementmühlensystem. Bei Motorleistungen von 3–5 MW und Untersetzungsverhältnissen, die das Drehmoment auf das Ritzel konzentrieren, überträgt die Kupplung an dieser Stelle Lasten im Bereich von Hunderttausenden Newtonmetern. Zahnkupplungen in dieser Anwendung sind mit deutlich größeren Zahnbreiten und einem höheren Modul als ihre schnell laufenden Pendants ausgelegt. Die Presspassungen zwischen Bohrung und Nabe sind nach DIN 7190 berechnet, um Schlupffreiheit auch bei maximaler Überlastung zu gewährleisten.

Die Kupplungsposition stellt für britische Anlagen, die unter den für Nordengland typischen feuchten und wechselhaften Temperaturbedingungen arbeiten, eine besondere Herausforderung dar, da die Kupplung zwischen Produktionsläufen und geplanten Stillständen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. In einem Zementwerk in Sheffield, das im Dreischichtbetrieb läuft, können die Umgebungstemperaturen während eines Winterstillstands bei 5 °C und die Zahneingriffstemperaturen während der Volllastproduktion bei 70–80 °C liegen. Die Kupplung muss diese Temperaturschwankungen ohne Beschädigung der Dichtungen oder Austreten von Schmierfett aushalten, da beides dazu führen könnte, dass Zementstaub zwischen den Wartungsintervallen an die Zahnflanken gelangt.

Anwendungsszenario 3: Vertikalwalzenmühle – Universalkupplung an der Hilfsantriebswelle

Vertikalwalzenmühlen, die in modernen britischen Zementwerken aufgrund ihrer überlegenen Energieeffizienz Kugelmühlen bei der Rohmehlvermahlung weitgehend ersetzt haben, stellen eine andere Herausforderung an die Kupplungstechnik. Der Hauptantrieb des Mahltisches, typischerweise ein direkt unter dem Mahltisch verschraubtes Planetengetriebe, übernimmt die primäre Drehmomentübertragung als integrierte Einheit mit minimalen Wellenkupplungsschnittstellen. Das Hilfsantriebssystem hingegen – das zum Positionieren des Mahltisches während der Wartung und Neuausrichtung der Mahlwalzen dient – ​​verwendet einen separaten Motor und Antriebsstrang, der über eine Kardangelenkkupplung verbunden ist. Diese muss erhebliche Winkelabweichungen ausgleichen, die beim Betrieb des Tischindexiermechanismus auftreten.

Die Universalkupplung der SWC-Serie eignet sich besonders gut für diesen Hilfsantrieb. Dank ihres großen Verstellbereichs – mit Auslenkwinkeln von bis zu 10–15° je nach Serie – kann der Hilfsmotor weit entfernt vom Hauptantriebsstrang positioniert werden, ohne dass bei der Installation eine präzise Ausrichtung erforderlich ist. In britischen Werken, in denen Wartungszufahrten durch bestehende Bauwerke eingeschränkt sind, reduziert diese Flexibilität bei der Motorpositionierung die Kosten für die Montage und die Ausfallzeiten bei geplanten Wartungsstillständen erheblich. Die Kupplung überträgt das Drehmoment zudem gleichmäßig bei Indexiergeschwindigkeiten von nur 0,5 U/min, ohne die Drehzahlschwankungen, die beim Umpositionieren ein Ruckeln der Schleifwalzen verursachen würden.

Anwendungsszenario 4: Walzenpressen-Vorschleifer – Schlangenfederkupplung zur Stoßbelastungsisolation

Walzenpressen-Vormühlen, die in britischen Zementwerken zunehmend vor Kugelmühlen eingesetzt werden, um den spezifischen Energieverbrauch im kombinierten Mahlkreislauf zu senken, stellen völlig andere Anforderungen an ihre Antriebskupplungen. Im Gegensatz zum gleichmäßigen, kontinuierlichen Drehmoment einer rotierenden Mühle ist das Antriebssystem einer Walzenpresse wiederholten Drehmomentimpulsen hoher Amplitude ausgesetzt, die jedes Mal auftreten, wenn ein Klinkerklumpen oder ein harter Mineraleinschluss zwischen den Mahlwalzen hindurchläuft. Diese Impulse – die das Drei- bis Fünffache des mittleren Betriebsdrehmoments bei Frequenzen von mehreren Sekunden erreichen können – würden eine starre Zahnkupplung, die direkt zwischen Motor und Walzenpressengetriebe montiert ist, schnell ermüden.

Die Schlangenfederkupplung der JSA-Serie ist die speziell entwickelte Antwort auf diese Herausforderung. Ihr Drehmomentelement mit Schraubenfeder, das zwischen den Kupplungshälften so angeordnet ist, dass es eine kontrollierte Torsionssteifigkeit gewährleistet, glättet den Drehmomentimpuls, der auf Getriebe und Motor wirkt, indem es die Spitzenenergie jedes Impulses in elastische Verformung des Federelements umwandelt. Die freigesetzte Energie wird dann über einen längeren Zeitraum mit geringerer Spitzenamplitude an den Antriebsstrang übertragen. In einem Baustoffwerk in Birmingham, das kürzlich seinen Walzenpressenantrieb modernisiert hat, reduzierte der Wechsel von einer starren Scheibenkupplung zu einer JSA-Schlangenfederkupplung das Biegemoment der Getriebeeingangswelle unter ungünstigsten Klinkerimpulsbedingungen um ca. 401 TP4T und verlängerte so die Lebensdauer des Getriebeeingangslagers entsprechend.

Die Sheffield Building Materials Group betreibt in South Yorkshire eine Zementmahlanlage mit hohem Durchsatz, in der importierter Klinker zu Fertigzementprodukten für den regionalen Bau- und Tiefbausektor verarbeitet wird. Die Anlage verfügt über eine 3.000-kW-Kugelmühle, die im Dreischichtbetrieb kontinuierlich läuft. Jährlich finden planmäßige Wartungsstillstände statt. Im Jahr 2023 stellte das Anlagenwartungsteam fest, dass die bestehende Hochgeschwindigkeits-Zahnkupplung zwischen dem Hauptmotor und dem ersten Untersetzungsgetriebe aufgrund von Zementstaubeintritt durch eine alternde Labyrinthdichtung einen beschleunigten Zahnverschleiß aufwies. Bereits bei der Inspektion nach 6.000 Betriebsstunden waren Riefen an der Zahnoberfläche sichtbar, die zuvor erst nach 10.000 Betriebsstunden aufgetreten waren.

Das Beschaffungsteam kontaktierte Ever Power über den britischen technischen Support und übermittelte Maßzeichnungen der Kupplung, Daten zu Betriebsdrehzahl und Drehmoment sowie eine Beschreibung der staubigen Betriebsumgebung. Das Anwendungstechnik-Team von Ever Power prüfte die bestehende Dichtung und schlug eine Ersatzkupplung mit einer verbesserten zweistufigen Labyrinthdichtung und einer Polytetrafluorethylen-Abstreifdichtung vor. Zusätzlich wurde ein EP-haltiges Fett mit verbesserter Staubbeständigkeit empfohlen. Die kundenspezifische Kupplung wurde gefertigt, dynamisch ausgewuchtet und innerhalb von zwölf Wochen nach Auftragserteilung nach Sheffield geliefert, sodass sie rechtzeitig zum planmäßigen Jahresstillstand des Werks eintraf.

Nach der Installation durch das Instandhaltungsteam des Werks – mit Unterstützung des Anwendungstechnikers von Ever Power per Videoanruf – wurde die neue Kupplung im Januar 2024 in Betrieb genommen. Bei der ersten Inspektion nach 6.000 Betriebsstunden Mitte 2024 wurden keine Riefen an den Zahnrädern festgestellt, und die Dichtung wies keine Anzeichen von Staubeintritt auf. Der Werksleiter bestätigte, dass die Kupplung die Leistungsspezifikation in jeder Hinsicht erfüllt oder übertroffen hatte. Das Wartungsintervall wurde auf 10.000 Stunden verlängert, wodurch wartungsbedingte Ausfallzeiten und die damit verbundenen Arbeitskosten deutlich reduziert wurden. Die Sheffield Building Materials Group bestellte daraufhin eine Ersatzkupplung an der entsprechenden Position für niedrige Drehzahlen und begründete dies mit ihrem Vertrauen in die Produktqualität und den technischen Support von Ever Power.