Druckluftmotoren für Wickelprozesse

Wickelantriebe finden sich in vielen Produktionsprozessen: sie spulen Endlosmaterial vor oder nach der Bearbeitung auf Spiralen, Rollen, Haspeln oder Ballen. Das Spektrum der zu aufzurollenden Materialien reicht dabei von Rohpapier mit bis zu zehn Metern Breite über dünne Folien mit einer Dicke von sechs Mikrometern bis hin zu Kohlefaserfäden mit geringer Elastizität und extremer Reißfestigkeit.

Ein Druckluftmotor treibt den Multivac Randstreifenzerhacker RSZ an. Bild: Deprag

Jedes aufzuwickelnde Material stellt aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften wie Oberfläche, Härte, Zugfestigkeit, Querschnittsprofil oder Dichte unterschiedliche Anforderungen an den Wickelantrieb. Papierbahnen beispielsweise werden bei einem Rollendurchmesser von etwa zwei Metern bei einer hohen Geschwindigkeit von bis zu 2000 Meter pro Minute aufgespult. Folien sind empfindliche Materialien, die sehr präzise auf- oder abgewickelt werden müssen. Das Aufrollen von Metallen führt dagegen zu hohen Massen, die wiederum den Wickelprozess beeinflussen.

Druckluftmotoren sind sichere und robuste Antriebssysteme, die sich für den Wickelprozess als Antriebslösung anbieten. Ein Druckluftlamellenmotoren besteht aus einem Rotor, der in einer exzentrisch versetzten Bohrung im Rotorzylinder umläuft. Die Lamellen im Rotor 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.

Die Vorteile von Druckluftmotoren

Druckluftmotoren charakterisieren sich dadurch, dass sich die Drehzahl bei Lastveränderung automatisch anpasst. Bei völliger Entlastung arbeitet der Druckluftmotor im Leerlauf. Wenn eine geringe Last entgegensteht, also ein geringes Drehmoment an der Motorspindel ansteht, liegt seine Arbeitsdrehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl. Die Arbeitsdrehzahl verringert sich, sobald das Drehmoment ansteigt. Bei 50 Prozent der Leerlaufdrehzahl erreicht der Druckluftmotor seine maximale Leistung. Dies ist auch der optimale Arbeitsbereich des Druckluftmotors, so das Unternehmen Deprag. Im Bereich von 40 bis 50 Prozent der Leerlaufdrehzahl arbeite der Druckluftmotor besonders energieeffizient. Ein Kriterium, auf das man im Unternehmen bei der Motorenauslegung besonderes achte.

Darüber hinaus kann der Druckluftmotor im Vergleich zum Elektromotor problemlos bis zum Stillstand belastet werden. Nach Reduzierung der Last läuft er sofort wieder an. In der Kennlinie wird ein weiterer Vorteil von Druckluftmotoren gegenüber Elektromotoren deutlich: Während Elektromotoren beim Maximalmoment (Abwürgemoment) ihren höchsten Stromverbrauch haben, sinkt der Energiebedarf (Luftverbrauch) von Druckluftmotoren bei ansteigendem Drehmoment. Zudem sei Druckluft grundsätzlich ein unproblematischer Energieträger. Es entstehen keinerlei Gefahren durch elektrische Leitungen oder sonstige Elektrizität, Kurzschluss ist ausgeschlossen.

Das Unternehmen Deprag Schulz aus Amberg bietet Pneuma-tikantriebe wie Druckluftlamellenmotoren, Turbinen und Zahnradmotoren für jede erdenkliche Anwendung an. Die robusten Druckluftmotoren stimmt das Unternehmen hinsichtlich gewünschtem Drehmoment und der Arbeitsdrehzahl auf jede Anwendung und speziell auch für Wickelantriebe ab.

Auf das Maximaldrehmoment ausgelegt

Kennlinie für Druckluftmotoren: Geringer Luftverbrauch bei hohem Drehmoment.

Die technischen Daten der Druckluftantriebe basieren auf einem Betriebsdruck von sechs bar.

Zwei Faktoren sind für die Motorauslegung entscheidend: Die gewünschte Wickelgeschwindigkeit und das Maximaldrehmoment. Zur Berechnung des Maximaldrehmoments wird der größtmögliche Rollendurchmesser, d.h. die Rolle im komplett aufgewickelten Zustand, zur Berechnung herangezogen. Die Wickelgeschwindigkeit soll auch im voll aufgespulten 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 geringeren Drehmoment) an. Dreht der Motor zu schnell, kann diese Drehzahl durch Veränderung der Luftmenge, des Betriebsdrucks oder einer Kombination aus beiden stufenlos angepasst werden.

Regelung der Drehzahl durch die Luftmenge

Durch die Regelung der Luftmenge lässt sich die Drehzahl einfach und flexibel reduzieren. Hierfür gibt es, je nach Anwendungssituation, wiederum zwei Möglichkeiten: Zuluftdrosselung oder Abluftdrosselung. 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 – die Drehzahl verringert sich.

Möchte man dagegen zusätzlich zur Drehzahl des Luftmotors auch die Leistung beziehungsweise das Drehmoment des Motors verringern, dann empfiehlt es sich, die Zuluft zu drosseln. Eine weitere Anforderung in einer Wickelanwendung könnte sein, das Endlosmaterial beim Aufrollen straff zu halten. Dabei muss die Druckluft zum Straffhalten am Motor dauerhaft anstehen. Um den Luftverbrauch zu senken, wird der Motor zuluftgedrosselt mit einem herabgesetzten Betriebsdruck betrieben und entsprechend der Anforderung energieeffizient ausgelegt.

Drehzahlregelung durch den Betriebsdruck

Neben der Regulierung der Luftmenge lässt sich die Drehzahl auch über den Betriebsdruck herabsetzen. Die technischen Daten der Druckluftantriebe des Unternehmens basieren auf einem Betriebsdruck von sechs bar. Jeder der Druckluftmotoren kann beliebig zwischen vier und 6,3 bar betrieben werden, um die Drehzahl und das Drehmoment zu regeln. Eine Reduzierung des Betriebsdrucks kann immer dann sinnvoll sein, wenn der Druckluftmotor für das Wickelgut (zum Beispiel Papier) zu leistungsstark ist.

Beispielsweise könnte es sein, dass der Motor so stark ausgelegt ist, dass das Papier beim Aufspulen reißen würde. Mit Hilfe der Zuluftdrosselung kann dann auch die Motorleistung so verringert werden, dass ein Abreißen verhindert wird. Die Herabsenkung des Betriebsdrucks um 1 bar bewirkt eine Reduzierung des Drehmoments um 17 Prozent. Betreibt man einen Druckluftmotor bei 4 bar, verringert sich das Drehmoment um 33 Prozent.

In einer Wickelanwendung kann der Druckluftmotor, der mit 4 bar betrieben wird, zum Beispiel für die leerer werdende Rolle immer noch zu stark sein. Um den Drehmomentbereich des Druckluftmotors noch weiter auszunutzen, bietet Deprag die Möglichkeit, 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 bar zu betreiben.

Wenn man einen Druckluftmotor startet, müssen die Lamellen mittels Fliehkraft zunächst nach außen kommen, um die Arbeitskammern zu bilden. Dies dauert einen Bruchteil von Sekunden. Mit Zwangsanlauflamellen, das heißt Lamellen, die mit Schenkelfedern gegen die Rotorzylinderwand gedrückt werden, sind die Arbeitskammern bereits gebildet. Der Leistungsstellbereich des Motors – von null Watt bis zur Maximalleistung – kann nahezu vollständig ausnutzt werden; ideale Voraussetzungen für einen Wickelantrieb.

Für die Anwendung als Wickelantrieb bietet der Pneumatikmotor weitere Vorteile. So ist die Leistungsdichte des Druckluftmotors sehr hoch. Darüber hinaus benötigt ein Pneumatikmotor nur zwei Drittel der Baugröße und ein Drittel der Masse eines vergleichbaren Elektromotors.

Lebensmittelkonform und Ex-geschützt

Durch Abluftdrosselung verringert sich die Drehzahl des Motors ohne die Leistung beziehungsweise das Drehmoment des Druckluftmotors nennenswert herabzusetzen. Möchte man dagegen zusätzlich zur Drehzahl des Luftmotors auch die Leistung bzw. das Drehmoment des Motors verringern, dann empfiehlt es sich die Zuluft zu drosseln.

Für den Einsatz im Lebensmittelbereich, zum Beispiel in Verpackungsmaschinen müssen Druckluftmotoren Reinigungsmitteln und Wasserdampf standhalten. Druckluftmotoren der Deprag Advanced Line mit Außenteilen aus Edelstahl sind abgedichtet und müssen nicht speziell eingehaust werden. Die Abdichtung eines Druckluftmotors ist sogar so gut, dass der Motor unter Wasser eingesetzt werden kann. Die Druckluftmotoren können ölfrei, das heißt mit ungeölter Zuluft, betrieben werden. Für die Schmierung der Planetengetriebe verwendet das Unternehmen ein lebensmittelkonformes USDA-H1-Fett.

Die Druckluftmotoren der Basic Line und der Advanced Line sind zudem Atex-konform, also für den explosionsgeschützten Bereich zugelassen. Schon durch seine Wirkungsweise ist der Druckluftmotor für Anwendungen in kritischer Umgebung prädestiniert, denn durch die Entspannung der Luft kühlt entstehende Reibungswärme ab. So wird der Luftmotor unter Last kühl, eine Überhitzung und somit das Zünden von Gasen ist ausgeschlossen. Der innere Überdruck verhindert zusätzlich das Eindringen von Staub und Schmutz.

Darüber hinaus können Druckluftmotoren, wenn sie mit entsprechenden Lamellen ausgestattet werden, sogar dampfsterilisiert werden – ein Vorteil für die Anwendung in der Medizintechnik. Diese robusten Antriebe eignen desweiteren für kritische Umgebungsbedingungen wie Hitze, Vibration und Staub. jl

Autorin: Dagmar Dübbelde, Deprag

Das Unternehmen

Deprag Schulz

Deprag Schulz mit Firmensitz in Amberg ist mit rund 600 Mitarbeitern in über 50 Ländern weltweit vertreten. Das Unternehmen zählt zu den marktführenden Herstellern von Druckluftmotoren mit dem größten Spektrum an Edelstahlantrieben und Turbinen. Das inhabergeführte Familienunternehmen bietet mit seinem Standardprogramm an Druckluftmotoren eine Vielzahl von Varianten, aus denen nach dem Baukastenprinzip individuelle Antriebslösungen für die nachgefragte Anwendung zu einem attraktiven Preis-Leistungs-Verhältnis entwickelt und gefertigt werden können.