Kupplungen in Antriebssystemen von Zementmühlen: Konstruktionsgrundlagen, Anwendungen in Großbritannien und Auswahlleitfaden

Die Nabenkörper und Hülsen von Industriekupplungen werden aus mittelgekohlten Chrom-Molybdän-Legierungsstählen wie 42CrMo4 geschmiedet und auf Zugfestigkeiten von 900–1100 MPa wärmebehandelt. Dies gewährleistet die erforderliche Zähigkeit, um den Anfahrschocks von Zementmühlen ohne Sprödbruch standzuhalten, selbst bei den niedrigen Umgebungstemperaturen, die in den Wintermonaten in den Außengehäusen von Getriebehallen in Nordengland üblich sind. Die Kombination aus Anlassen und induktiver Härtung der Zahnflanken ermöglicht eine Lebensdauer von Jahrzehnten statt Jahren.

Für Zahnräder in Zahnkupplungen bietet einsatzgehärteter 20CrMnTi-Stahl mit einer Einsatzhärtungstiefe von 0,8–1,6 mm und einer Oberflächenhärte von HRC 58–64 die optimale Kombination aus Verschleißfestigkeit und Kernfestigkeit. Die harte Randschicht widersteht der abrasiven Wirkung von Staubverunreinigungen im Zahneingriff, während der zähe Kern die durch Winkelabweichungen entstehenden Biegeermüdungsspannungen aufnimmt. Diese Werkstoffwahl ist weltweit Standard für die anspruchsvollsten Kupplungsanwendungen in der Zementindustrie und gewährleistet die langen Wartungsintervalle, die moderne Zementwerksbetreiber in Großbritannien fordern.

Schlangenfederkupplungen verdanken ihre einzigartige Torsionssteifigkeit serpentinenförmigen Federelementen aus hochsiliziumhaltigem Mangan-Federstahl, typischerweise 60Si2Mn oder gleichwertigen EN-Sorten. Nach einer Wärmebehandlung auf eine Härte von HRC 42–48 wird die Federoberfläche kugelgestrahlt, um Druckeigenspannungen zu erzeugen. Diese verlängern die Dauerfestigkeit unter den pulsierenden Belastungen des Kugelmühlenbetriebs erheblich. Die Federn werden auf CNC-Schleifzentren präzisionsprofiliert, um über eine gesamte Produktionscharge hinweg einheitliche Last-Verformungs-Kennlinien zu erzielen und so eine gleichbleibende Leistung innerhalb jeder Kupplungsbaugruppe zu gewährleisten.

Kupplungsflansche, Schutzringe und Zwischendistanzstücke in mittelbeanspruchten Positionen werden häufig aus Sphäroguss (Gusseisen mit Kugelgraphit) EN-GJS-500-7 gefertigt. Dieser Werkstoff bietet eine hervorragende Kombination aus Gießbarkeit für komplexe Geometrien, guter Bearbeitbarkeit und ausreichender Zugfestigkeit von mindestens 500 MPa. Wo Gewichtsreduzierung wichtig ist – beispielsweise bei den schwimmend gelagerten Distanzstücken von Weitspannkupplungen, die breite Getriebe überbrücken – stellen dünnwandige Gusseisenteile mit Kugelgraphit eine wirtschaftliche Alternative zu Schmiedestahl dar, ohne die für den kontinuierlichen Betrieb von Zementmühlen erforderliche Dauerfestigkeit zu beeinträchtigen.

In der Zementherstellung stellen Rohmehl- und Fertigmühlen die wichtigsten Mahlanlagen dar. Diese Maschinen kommen in britischen Zementwerken in drei Hauptkonfigurationen vor: der klassischen Kugelmühle, der Vertikalwalzenmühle (VRM) und der Walzenpresse (RP). Jede dieser Konfigurationen stellt spezifische Anforderungen an die Antriebskupplung. Die Kugelmühle, die in Zementwerken von Derbyshire bis County Durham nach wie vor die dominierende Mahltechnologie ist, bezieht ihre Hauptmotorleistung über eine Kupplung-Getriebe-Kette. Die Nennleistung der Hauptmotoren in modernen britischen Werken reicht von 1,5 MW bei kleineren Anlagen bis zu 7,5 MW bei den größten Fertigmühlen. Die Kupplung muss nicht nur dieses kontinuierliche Nenndrehmoment, sondern auch das deutlich höhere Spitzendrehmoment, das bei jedem Anlauf der Mühle auftritt, bewältigen.

Die mechanische Charakteristik des Drehmomentbedarfs einer Kugelmühle unterscheidet sich grundlegend von der einer Pumpe oder eines Ventilators. Beim Befüllen der Mühle mit Klinker, Gips oder Rohkalkstein erzeugt die Ladung in der Trommel ein hohes statisches Widerstandsdrehmoment, das beim Anfahren überwunden werden muss. Die Ladung verlagert sich zudem mit der Beschleunigung der Mühle, wodurch eine zeitlich veränderliche Last entsteht, die Torsionsresonanzen im Antriebsstrang anregt. Ingenieure in britischen Zementwerken haben aus Erfahrung gelernt, dass Kupplungen, die ohne ausreichende Torsionsanalyse installiert wurden, häufig selbst bei scheinbar konservativen Drehmomentwerten Ermüdungsbrüche erleiden, da die dynamische Verstärkung der Resonanzanregung die tatsächliche maximale Kupplungsspannung deutlich über den auf dem Typenschild angegebenen Betriebsfaktor ansteigen lässt.

Die Kupplung zwischen Hauptmotor und Primärgetriebe einer Zementkugelmühle stellt wohl die technisch anspruchsvollste Kupplungsaufgabe in der gesamten Prozessindustrie dar. Sie muss bei jedem Anlauf der Mühle Spitzendrehmomente vom Vier- bis Achtfachen des Nenndrehmoments aufnehmen, thermische Ausdehnungsunterschiede zwischen Motor- und Getriebefundamenten ausgleichen und die durch die Schüttgutbewegung hervorgerufenen Torsionsschwingungen tolerieren. Daher ist für diese Kupplung eine besonders sorgfältige Auslegung unerlässlich. Zahnkupplungen mit balligen Zahnprofilen sind die am weitesten verbreitete Lösung in britischen Zementwerken. Führende Hersteller spezifizieren ballige Außenverzahnungen mit einem Eingriffswinkel von 14° bis 20° und einem Balligkeitsradius von 3.000 bis 10.000 mm, um Winkelabweichungen von bis zu 1,5° pro Zahneingriff auszugleichen. Für Werke im Industriegebiet von Staffordshire, wo sich die Fundamente älterer Mühlen über Jahrzehnte ungleichmäßig gesetzt haben können, ist diese Winkelkompensationsfähigkeit nicht nur eine theoretische Reserve – sie entscheidet darüber, ob eine Kupplung zehn Jahre hält oder nach zwei Jahren ausfällt. Schlangenfederkupplungen gewinnen in dieser Position in kleineren britischen Werken an Bedeutung, da ihre inhärente Torsionsweichheit die dynamischen Belastungen der Getriebelager reduziert und die Getriebeüberholungsintervalle verlängert.

Vertikalwalzenmühlen, die aufgrund ihres Energievorteils von 30–401 TP4T gegenüber Kugelmühlen in Großbritannien zunehmend für die Rohmehlvermahlung von Zement eingesetzt werden, stellen eine völlig andere Herausforderung an die Kupplungstechnik. Der Antriebsstrang einer Vertikalwalzenmühle (VRM) ist typischerweise so angeordnet, dass der Motor vertikal oder horizontal ein Planeten- oder Kegelstirnradgetriebe antreibt, welches das Drehmoment über eine vertikale Abtriebswelle direkt auf den Mahltisch überträgt. In dieser Konfiguration muss die Kupplung zwischen Motor und Getriebe die thermische Ausdehnung des Motorgehäuses in der Vertikalebene kompensieren und gleichzeitig eine gewisse Torsionsdämpfung gegen die von den Mahlwalzen erzeugten pulsierenden Belastungen gewährleisten. In dieser Anwendung werden häufig Universalkupplungen der SWC-Serie bei horizontalen Antriebswellenkonfigurationen eingesetzt, da die Winkelabweichung zwischen treibenden und getriebenen Komponenten aufgrund der geometrischen Gegebenheiten der VRM-Installation 5–10° betragen kann. In einem modernen Zementwerk in den East Midlands, wo beengte Platzverhältnisse kompakte Antriebsstränge erfordern, reduziert die Winkelkompensationsfähigkeit einer Universalkupplung am Getriebeeingang den Aufwand für die Ausrichtung bei der Installation erheblich und bietet einen größeren Toleranzspielraum bei zukünftigen Anlagenmodifikationen. Die Fähigkeit des Instandhaltungstechnikers, eine Kupplung unter den gegebenen Bedingungen vor Ort zu demontieren und wieder zusammenzubauen – ohne präzise Ausrichtungsgeräte oder fachkundige Aufsicht – ist ein Faktor, den britische Werksleiter zunehmend als Beschaffungskriterium festlegen.

Walzenpressen, die in einigen der größten Zementwerke Großbritanniens zum Vor- oder Halbfertigmahlen eingesetzt werden, erzeugen intensive Stoßbelastungen, wenn große Klinkerknollen zwischen den gegenläufigen Walzen hindurchlaufen. Ein einzelnes Klinkerstück von 150 mm kann einen Drehmomentstoß vom 5- bis 8-Fachen des Nennwerts verursachen, der nur 50 bis 200 Millisekunden andauert. Dieses kurze Ereignis reicht jedoch aus, um plastische Verformung in einer unterdimensionierten Kupplung oder einen Ermüdungsriss in einem nicht ausreichend gehärteten Zahnradzahn zu verursachen. Die Kupplungslösung für Walzenpressenantriebe in britischen Zementwerken hat sich hin zu drehmomentbegrenzenden Konstruktionen entwickelt – typischerweise mit Scherbolzenelementen, die bei Überlastung ein austauschbares Bauteil opfern, oder Reibscheibenanordnungen, die bei einem voreingestellten Drehmomentpegel durchrutschen und sich automatisch wieder einkuppeln, sobald das Hindernis beseitigt ist. Diese Überlastschutzkupplungen erfordern, dass der interne Drehmomentbegrenzungsmechanismus auf das 1,5- bis 2,5-Fache des Nennbetriebsdrehmoments kalibriert wird. Dieser Wert liegt unterhalb der Drehmomentschwelle, die Schäden an den Walzenlagergehäusen oder den internen Getriebekomponenten verursachen würde, und oberhalb des maximalen Betriebsdrehmoments, um Fehlauslösungen bei zulässigen Laständerungen zu vermeiden. Ingenieure in britischen Zementwerken, die den Anforderungen der britischen Verordnung über die Bereitstellung und Verwendung von Arbeitsmitteln (PUWER) unterliegen, schätzen Drehmomentbegrenzungskupplungen ebenfalls als Sicherheitsvorrichtung, die verhindert, dass gefährliche Überlastungen das in der Nähe der Maschine arbeitende Personal erreichen.

Zahnkupplungen mit balliger Verzahnung erreichen Drehmomente bis zu 3.600 kNm bei kompakter Bauweise und sind damit die einzig praktikable Lösung für die Hochleistungsmotoren großer Zementkugelmühlen. Die Last verteilt sich über die gesamte Zahnbreite, wodurch die Beanspruchung selbst bei maximalen Anlaufdrehmomenten weit unterhalb der Materialermüdungsgrenze liegt.

Durch den Ausgleich von Winkelversatz von 0,5°–1,5° pro Zahnradeingriff (Doppelkupplungen) und den Parallelversatz von bis zu 3 mm bei Nenndrehzahl werden die durch thermische Ausdehnung und strukturelle Setzungen verursachten Wellenverschiebungen ausgeglichen, ohne dass Korrekturkräfte auf die angeschlossenen Maschinen wirken, die die Lagerlebensdauer verkürzen.

Die progressive Federkennlinie von Schlangenfederkupplungen verschiebt die Torsionsresonanzfrequenzen aus den Betriebsdrehzahlbereichen heraus und reduziert so die dynamische Verstärkung periodischer Lastharmonischer erheblich. Die Überholungsintervalle für Getriebelager konnten an britischen Standorten nach der Umstellung von starren auf Schlangenfederkupplungen bei Anwendungen mit hoher Massenträgheit um 401.000 Zyklen oder mehr verlängert werden.

Doppellippendichtungen aus Nitril- oder Fluorkohlenstoff-Elastomeren, kombiniert mit Labyrinth-Fettrückhaltekammern, verhindern das Eindringen von Zementstaub und halten gleichzeitig hochviskoses Getriebefett während des gesamten Wartungszyklus zurück. Die Dichtungsleistung entspricht IP55 und gewährleistet die Integrität des Schmierfilms selbst bei den hohen Staubkonzentrationen, die an den Auslaufenden von Zementwerken in Großbritannien auftreten.

Die jährliche Nachschmierung während planmäßiger Anlagenstillstände – der Standardwartungszyklus in britischen Zementwerken – ist die einzige routinemäßige Maßnahme, die bei korrekt ausgewählten und installierten Zahnkupplungen erforderlich ist. Schlangenfederelemente benötigen lediglich eine regelmäßige Überprüfung des Federverschleißes; der Federaustausch kann innerhalb einer Schicht erfolgen, wodurch die geplante Stillstandsdauer minimiert und die Wartungskosten kontrolliert werden.

Präzisionsgewuchtete Kupplungsbaugruppen erreichen Nenndrehzahlen von 1.000–3.000 U/min an der Motorseite von Zementmühlenantrieben, ohne Schwingungsamplituden zu erzeugen, die die Schwingungsgrenzwerte der ISO 10816 überschreiten würden. Diese Auswuchtqualität wird standardmäßig nach Güteklasse G6.3 oder besser spezifiziert; für Drehzahlen über 1.500 U/min bei 2-poligen Motorantrieben ist auch die Güteklasse G2.5 verfügbar.

Die Schlangenfederkupplung der JSA-Serie verwendet ein präzisionsgeformtes 60Si2Mn-Serpentinenfederelement, das eine progressive Torsionssteifigkeitscharakteristik aufweist und so die dynamischen Belastungen angeschlossener Getriebe und Motoren in Zementmühlen reduziert. Mit einem Nennmomentbereich von 0,1 bis 355 kNm eignet sich die JSA-Serie ideal für Hilfsantriebe in Kugelmühlen, Ofenantriebe und Förderband-Kopfrollen in britischen Zementwerken. Das Federelement kann vor Ort ausgetauscht werden, ohne die Wellenausrichtung zu beeinträchtigen, wodurch geplante Wartungsstillstandszeiten auf ein absolutes Minimum reduziert werden.

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Die Universalkupplung der SWC-Serie ermöglicht die Übertragung hoher Drehmomente über Winkelverschiebungen von bis zu 45° und ist damit die optimale Lösung für VRM-Antriebswellenverbindungen, Ofenreifenantriebswellen und geneigte Förderbänder von Walzenpressen, bei denen geometrische Einschränkungen eine Wellenausrichtung verhindern. Die nadelgelagerte Kreuzgelenkkonstruktion minimiert Reibung und Leistungsverlust und bietet gleichzeitig eine mit Zahnkupplungen vergleichbare Lebensdauer bei mittleren Drehzahlen. SWC-Kupplungen mit einem Nenndrehmoment von 2.000 kNm sind mit kundenspezifischen Bohrungsdurchmessern und Keilwellenprofilen erhältlich und passen sich so jeder Getriebespezifikation von Zementwerken in Großbritannien an.

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Ever Power betreibt eine hochmoderne Fertigungsanlage für Kupplungen, ausgestattet mit CNC-Bearbeitungszentren der neuesten Generation, Präzisionszahnradschleifmaschinen und automatisierten Wärmebehandlungsanlagen. Jede Kupplung, die das Werk von Ever Power verlässt, wird gemäß den Qualitätsmanagementverfahren nach ISO 9001:2015 gefertigt. Die vollständige Rückverfolgbarkeit der Materialien vom Rohstahlblock bis zur fertigen, geprüften Baugruppe ist gewährleistet. Für britische Zementwerksbetreiber, die Ersatz- oder Modernisierungskupplungen beschaffen, bietet diese Rückverfolgbarkeit die erforderliche Dokumentation gemäß den Qualitätsmanagementsystemen der BS EN ISO 9001 und unterstützt die Anforderungen der britischen Arbeitsschutzbehörde (Health and Safety Executive) an die dokumentierte mechanische Integrität in Anlagen der Schwerindustrie.

Die Kernkompetenz des Ingenieurteams von Ever Power liegt in der kundenspezifischen Anfertigung. Wenn ein Zementwerk in Birmingham oder ein Steinbruchbetreiber im Peak District eine Kupplungsanwendung benötigt, die nicht den Standardkatalogparametern entspricht – beispielsweise ein nicht standardmäßiger Bohrungsdurchmesser, ein ungewöhnliches Keilwellenprofil für ein älteres Getriebe, ein spezielles Baumaß für eine vorhandene Kupplungsschutzvorrichtung oder die Anforderung eines bestimmten Flanschschraubenmusters –, arbeiten die Anwendungsingenieure von Ever Power eng mit dem Mechanikerteam des Kunden zusammen, um eine passgenaue Lösung zu entwickeln, die keine Modifikationen an den angeschlossenen Maschinen erfordert. Die Lieferzeiten für kundenspezifisch gefertigte Kupplungen betragen in der Regel 4–8 Wochen ab Zeichnungsfreigabe bis zur Auslieferung. Für dringende Ersatzlieferungen, bei denen die Kosten eines Anlagenstillstands eine beschleunigte Produktion rechtfertigen, ist eine Expressfertigung möglich.

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„Das Vorgehen des Ever Power-Teams unterschied sich grundlegend von allem, was wir bisher mit anderen Kupplungslieferanten erlebt hatten. Sie schickten uns nicht einfach einen Katalog, sondern kamen vor Ort, maßen alles aus und erstellten einen technischen Bericht, bevor sie uns ein Angebot unterbreiteten. Die Kupplungen laufen nun seit 26 Monaten ohne jegliche Probleme. Die Gesamtbetriebskosten sind deutlich niedriger als die Kosten für die häufigen Austausche, die wir vorher hatten.“

„Wir haben einen speziellen Bohrungsdurchmesser und eine ungewöhnliche Keilwellengeometrie vorgegeben, um sie an unsere bestehende Getriebeausgangswelle anzupassen. Das Ingenieurteam von Ever Power erstellte die genehmigten Zeichnungen in weniger als einer Woche und lieferte die fertigen Kupplungen innerhalb der angegebenen Lieferzeit von sechs Wochen. Die Maßgenauigkeit war außergewöhnlich – die Bohrung lag innerhalb von 0,01 mm des Sollwerts, und die Kupplung ließ sich auf Anhieb perfekt montieren.“

„Die an unserem Ofen-Hilfsantrieb installierte Schlangenfederkupplung hat das Vibrationsproblem, mit dem wir drei Jahre lang zu kämpfen hatten, vollständig gelöst. Die Torsionssteifigkeit der JSA-Serie absorbiert die pulsierende Last des Ofenmantel-Taumels, ohne sie auf das Getriebe zu übertragen. Die Temperatur unseres Getriebeöls sank um 8 °C und der Hintergrundvibrationspegel an den Motorlagergehäusen ging um über 501 TP4T zurück.“