Druckluftmotoren für sicheres Wickeln

Zu wickelnde Materialien stellen unterschiedliche Anforderungen an die Antriebe: Mal geht es um hohe Geschwindigkeiten, mal um Präzision und dann wieder um die Bewältigung großer Massen. Das Spektrum reicht dabei von maximal zehn Meter breitem Rohpapier über dünne Folien bis hin zu Kohlefaserfäden mit geringer Elastizität und extremer Reißfestigkeit. Papierbahnen beispielsweise werden bei einem Rollendurchmesser von etwa zwei Metern mit einer hohen Geschwindigkeit bis 2.000 Meter pro Minute aufgespult. Folien sind empfindliche Materialien, die präzise auf- oder abgewickelt werden müssen und das Wickeln von Metallen führt wiederum zu hohen Massen, die den Wickelprozess beeinflussen. Als Antrieb eignen sich für solche Anwendungen Druckluftmotoren, beispielsweise von Deprag Schulz.

Der Lamellenmotor des Unternehmens arbeitet nach einem einfachen Prinzip: Der in einem exzentrischen Zylinder umlaufende Rotor wird in Bewegung gesetzt. Die Lamellen werden durch die 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 Prozent 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 bis zum Stillstand belastet beziehungsweise überlastet werden. Reduziert man die 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. Außerdem ist Druckluft ein eher unproblematischer Energieträger: Es entsteht keinerlei Gefahr durch Elektrizität, ein Kurzschluss ist ausgeschlossen.

Für die Motorauslegung sind vor allem die gewünschte Wickelgeschwindigkeit und das Maximaldrehmoment entscheidend. Zur Berechnung des Maximaldrehmoments wird der größtmögliche Rollendurchmesser, das heißt die Rolle im komplett aufgewickelten Zustand, zur Berechnung 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 beidem stufenlos angepasst werden.  

Durch das Regeln der Luftmenge lässt sich die Drehzahl einfach und flexibel reduzieren. Zu- oder Abluftdrosselung stehen je nach Anwendungssituation zur Auswahl. Durch Abluftdrosselung verringert sich die Drehzahl des Motors ohne die Leistung beziehungsweise das Drehmoment des Druckluftmotors nennenswert herabzusetzen. Ein Drosselventil hält die Abluft zurück und erzeugt so einen Stau- oder Gegendruck und die Drehzahl verringert sich.

Möchte man zusätzlich auch die Leistung beziehungsweise das Drehmoment des Motors verringern, so 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.

Die technischen Daten der Druckluftantriebe basieren auf einem Betriebsdruck von 6,0 bar. Jeder dieser Motoren kann beliebig zwischen 4,0 und 6,3 bar betrieben werden, um die Leistungsstärke 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 es sich, den Betriebsdruck zu reduzieren. Mit der Zuluftdrosselung kann die Motorleistung so verringert werden, dass ein Abreißen verhindert wird. Bereits das Absenken des Betriebsdrucks um 1,0 bar bewirkt eine Reduzierung des Drehmoments um 17 Prozent. Betreibt man den Motor bei 4,0 bar, verringert sich das Drehmoment um 33 Prozent.

In einer Wickelanwendung kann der Druckluftmotor, der mit 4,0 bar betrieben wird, für eine leerer werdende Rolle immer noch zu stark sein. Um den Drehmomentbereich des Druckluftmotors noch weiter auszunutzen, bietet der Motorenhersteller an, den Motor mit federbelasteten Lamellen, den sogenannten Zwangsanlauflamellen auszustatten. Mit Hilfe dieser Lamellen mit Schenkelfeder ist es möglich, den Pneumatikmotor sogar mit einem Betriebsdruck von weniger als 1,0 bar zu betreiben.

Die Druckluftmotoren der Basic Line, Advanced Line und Power-Line-Serie sind Atex-konform und für den explosionsgeschützten Bereich zugelassen. Durch das Entspannen der Luft kühlt entstehende Reibungswärme ab und auch unter Last ist eine Überhitzung des Lamellenmotors und somit das Zünden von Gasen ausgeschlossen. Durch den inneren Überdruck wird außerdem das Eindringen von Staub und Schmutz verhindert.

Für den Einsatz im Lebensmittelbereich, beispielsweise in Verpackungsmaschinen, müssen Druckluftmotoren Reinigungsmitteln und Wasserdampf standhalten. Advanced-Line-Motoren mit Außenteilen aus Edelstahl sind abgedichtet und müssen nicht speziell eingehaust werden. Die Druckluftmotoren können ölfrei, das heißt mit ungeölter Luft, betrieben werden. Für die Schmierung der Planetengetriebe verwendet der Hersteller ein lebensmittelkonformes USDA-H1-Fett.