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Druckluftmotoren: Effiziente Antriebsauslegung für Wickelprozesse

Druckluftmotoren
Effiziente Antriebsauslegung für Wickelprozesse

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Aufzuwickelnde Materialien stellen aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften unterschiedliche Anforderungen an den Wickelantrieb. Luftmotoren bieten die geforderte Vielseitigkeit.

Dagmar Dübbelde
Produktmanagerin, Deprag Schulz

Wickelantriebe wickeln Endlosmaterial vor oder nach der Bearbeitung auf Spiralen, Rollen, Haspeln oder Ballen. Das Spektrum reicht dabei von Rohpapier mit bis zu zehn Metern Breite über dünne Folien bis hin zu Kohlefaserfäden mit geringer Elastizität und extremer Reißfestigkeit. Jedes Material stellt aufgrund seiner Eigenschaften wie Oberfläche, Härte, Zugfestigkeit, Querschnittsprofil oder Dichte eigene Anforderungen an den Antrieb. Papierbahnen beispielsweise werden bei einem Rollendurchmesser von etwa zwei Metern mit einer hohen Geschwindigkeit von bis zu 2000 m/min aufgespult. Folien sind empfindliche Materialien, die sehr präzise auf- oder abgewickelt werden müssen. Das Wickeln von Metallen führt hingegen zu hohen Massen, die wiederum den Wickelprozess beeinflussen.

Druckluftlamellenmotoren bieten hier die geforderte Vielseitigkeit und arbeiten nach einem einfachen Prinzip: Der in einem exzentrischen Zylinder umlaufende Rotor wird in Bewegung gesetzt. Die Lamellen werden mittels Fliehkraft an die Rotorwand gedrückt und bilden so die Arbeitskammern. In diesen Arbeitskammern expandiert die verdichtete Druckluft, Druckenergie wird in kinetische Energie umgewandelt – der Rotor dreht sich. Typisch für Pneumatikmotoren ist die automatische Anpassung der Drehzahl bei Lastveränderung. Im Leerlauf arbeitet der Druckluftmotor bei völliger Entlastung. Steht eine geringe Last entgegen, also ein geringes Drehmoment an der Motorspindel, liegt die Arbeitsdrehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl. Die Arbeitsdrehzahl verringert sich, sobald das Drehmoment ansteigt. Bei 50 % der Leerlaufdrehzahl erreicht der Druckluftmotor seine maximale Leistung. In diesem Bereich ist er besonders energieeffizient.

Im Vergleich zum Elektromotor liefert der Druckluftmotor ein hohes Startmoment und kann problemlos bis zum Stillstand belastet oder überlastet werden. Nach Reduzierung der Last läuft er sofort wieder an. Ein weiterer Vorteil ist der sinkende Energiebedarf von Druckluftmotoren bei ansteigendem Drehmoment, während der Elektromotor beim Maximalmoment den höchsten Stromverbrauch hat. Überdies ist Druckluft grundsätzlich ein unproblematischer Energieträger: Es entsteht keine Gefahr durch Elektrizität, ein Kurzschluss ist ausgeschlossen.

Auslegung auf Maximaldrehmoment

Für die Motorauslegung sind die gewünschte Wickelgeschwindigkeit und das Maximaldrehmoment entscheidend. Zur Berechnung wird der größtmögliche Rollendurchmesser, das heißt die Rolle im komplett aufgewickelten Zustand, herangezogen. Die Wickelgeschwindigkeit soll auch im voll aufgewickelten Zustand sichergestellt sein. Wenn jedoch die Rolle weniger Material trägt, der Rollendurchmesser kleiner wird, wickelt der Motor das Wickelgut automatisch schneller – die Arbeitsdrehzahl passt sich entsprechend der Last (dem geringen Drehmoment) an. Dreht der Motor zu schnell, kann diese Drehzahl durch Veränderung der Luftmenge, des Betriebsdrucks oder einer Kombination aus beiden stufenlos angepasst werden. Durch die Regelung der Luftmenge lässt sich die Drehzahl reduzieren. Zu- oder Abluftdrosselung stehen je nach Anwendungssituation zur Auswahl. Durch Abluftdrosselung verringert sich die Drehzahl des Motors ohne die Leistung des Druckluftmotors herabzusetzen. Ein Drosselventil hält die Abluft zurück und erzeugt so einen Stau- oder Gegendruck – die Drehzahl verringert sich. Möchte man zusätzlich auch die Leistung des Motors verringern, dann empfiehlt es sich, die Zuluft zu drosseln. Geht es beispielsweise bei einer Wickelanwendung darum, das Endlosmaterial beim Wickeln straff zu halten, muss die Druckluft dauerhaft am Motor anstehen.

Drehzahlregelung durch Betriebsdruck

Die technischen Daten der Deprag-Druckluftantriebe basieren auf einem Betriebsdruck von 6 bar. Jeder dieser Motoren kann beliebig zwischen 4 und 6,3 bar betrieben werden, um die Leistungsstärke entsprechend an die jeweilige Anwendung anzupassen. Ist beispielsweise ein Druckluftmotor für das Wickelgut Papier zu „stark“ ausgelegt, könnte das Papier bei der Wickelung reißen. Hier empfiehlt sich eine Reduzierung des Betriebsdrucks mithilfe der Zuluftdrosselung. Die Absenkung des Betriebsdrucks um 1 bar bewirkt eine Reduzierung des Drehmoments um 17 %. Betreibt man den Motor bei 4 bar, verringert sich das Drehmoment um 33 %. Um den Drehmomentbereich noch weiter auszunutzen, bietet Deprag die Möglichkeit, den Motor mit federbelastenden Lamellen, den sogenannten Zwangsanlauflamellen auszustatten. Mit ihnen ist es möglich, den Pneumatikmotor sogar mit einem Betriebsdruck von weniger als 1 bar zu betreiben.



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