Wie das Schmiersystem von der Hydraulik lernen kann

Elektromechanische Systeme ersetzen heute in so manchen Bereichen die hydraulische Kraftübertragung. Das Öl ist in diesen Antrieben allerdings weiterhin unverzichtbar: als Schmiermittel. Stärker noch als in der Hydraulik avanciert es mehr und mehr zu einem Konstruktionselement von großer Bedeutung. So vielfältig wie Getriebekonzepte, Zahnformen oder Lagerkonstruktionen sind, so vielfältig sind die Anforderungen an das Schmiermittel Öl. Durch gezielte Additivierung wird es so komponiert, dass es für die jeweilige Anwendung das optimale Konstruktionselement ergibt.

Vor diesem Hintergrund wird schnell klar, dass auch die Schmiersysteme im Wandel sind. Umlaufschmierungen mit gezielter Versorgung der verschiedenen Reibpartner dominieren. Dabei ist zunächst unerheblich, ob der Ölvorrat im Getriebekasten selbst oder in einer externen Ölversorgungsanlage gespeichert wird. Moderne Schmiersysteme stehen in ihrer Komplexität den Hydraulikanlagen nicht nach. Zunehmend findet sich auch eine qualifizierte Arbeitsfiltration und der Begriff Reinheitsklassen ist auch in der Schmiertechnik kein Fremdwort mehr.

Wie in der Hydraulik ist die Temperaturstabilisierung im Schmieröl eine wichtige Aufgabe. Aufgrund der teilweise viel höheren thermischen Beanspruchung des Öls in Lagern und Zahnflanken ist sie häufig noch wichtiger als in der Hydraulik. Nicht zu vergessen, hat die Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die Nutzungsdauer des Schmierstoffs und damit auf die Betriebskosten einer Anlage.

Nach Ansicht des Autors ist es deshalb naheliegend, alle aus dem Hydraulikbereich bekannten Größen, welche die Nutzungsdauer des Öls beeinflussen, auch in Schmiersystemen lückenlos zu überwachen und sich dabei selbstverständlich auch der zeitgemäßen Überwachungs- und Informationstechnologien zu bedienen. Am nachfolgend beschriebenen System soll dies erläutert werden.

Innerhalb eines sehr großen Steinbruchgeländes wird ein großer Steinbrecher betrieben. Der Antrieb des Brechers erfolgt elektrisch über ein großes, mehrstufiges Getriebe mit circa 200 Liter Ölsumpfinhalt. Der Steinbruch befindet sich in einer Gegend mit heißen Sommern und teilweise sehr kalten Wintern mit sporadisch größeren Regenmengen. Da auf dem Gelände noch eine Vielzahl anderer Maschinen sowohl elektromechanisch als auch hydraulisch betrieben werden, beabsichtigt die Betriebsleitung die Schaffung einer Steuer- und Leitzentrale.

Im Rahmen dieser Planung wurden für das Brechergetriebe folgen Parameter gefordert: Betriebsbereich von -20 bis 40 Grad Celsius Umgebungstemperatur, Zweischichtbetrieb, kontinuierliche Überwachung aller relevanten Betriebsdaten mit zentraler Eingriffsmöglichkeit.

Bühler Technologies unterbreitete folgenden Vorschlag für die Ölversorgung beziehungsweise -überwachung:

• Ausrüstung des Getriebes mit einem qualifizierten Belüftungsfilter ausreichender Größe, damit nur gereinigte Luft in das Getriebe gelangen kann.
• Einbau einer elektrischen Heizung in den Ölsumpf zur Reduzierung der Kaltstartphase und um die Nutzungsdauer des Öls zu erhöhen.
• Zusätzlich der Anbau einer kontinuierlichen Füllstandsüberwachung an das Getriebegehäuse, dazu noch ein Temperatur- und ein Feuchtesensor.
• Ebenfalls zur Erhöhung der Betriebsbereitschaft und der Ölnutzungsdauer: Bereitstellung eines externen Ölumlaufsystems mit folgender Ausrüstung: Einer Zirkulationspumpe, einem Öl/Luftkühler mit geregeltem Ventilatorantrieb, ein Ölfilter mit Bypass-Ventil sowie Wegeventilen und diversen Überwachungssensoren. Alle Überwachungssensoren sind IO–Link-fähig.

Die zentrale Information liefert die Füllstandsüberwachung. Nur, wenn Öl in ausreichender Menge am statischen Messpunkt ansteht, kann das Getriebe eingeschaltet werden. Je nach aktueller Öltemperatur wird die Heizung eingeschaltet. Bei circa 5 Grad Celsius wird auch die Zirkulationspumpe zugeschaltet. Diese baut den nötigen Schmierdruck auf und zirkuliert das Öl über den Ölfilter durch das noch stillstehende Getriebe. Durch das gleichzeitige Heizen und Zirkulieren erwärmt sich das Öl auf Betriebstemperatur und auch die Bauteile des Getriebes werden mit erwärmt. Je nach Aufheizungsverlauf wird nun die Heizung abgeschaltet und der Brecher kann in Betrieb gehen.

Diese Vorlaufperiode ist zeitlich abhängig von der aktuellen Außentemperatur. Um sie innerhalb eines berechenbaren Zeitfensters zu halten, kann sie bei niedrigen Außentemperaturen schon weit vor dem eigentlichen Schichtbeginn gestartet werden, eventuell auch die ganze Nacht durchlaufen. Das Bypassventil im Ölfilter sorgt für die Umgehung des Filterelementes solange das Öl noch zu kalt ist und der Druckverlust über das Element zu groß wäre.

Die Schmiereigenschaften des Öls werden negativ beeinflusst von eindringender Feuchte, zum Beispiel Regen oder Kondenswasserbildung. Der Feuchtesensor im Sumpf meldet den Feuchtegehalt kontinuierlich und schafft so die Möglichkeit, unmittelbar auf Abweichungen zu reagieren, zum Beispiel mit periodischen Aufheizphasen zur „Trocknung“ des Öls während der Stillstandszeiten.

Nach dem Einschalten der Zirkulationspumpe meldet die Füllstandsüberwachung das dynamische Ölniveau, welches das eigentliche Betriebsniveau darstellt. Dies und die Überwachung des Öldrucks vor Eintritt in das Getriebe sind bei Erreichen des Betriebstemperaturfensters des Öls gleichzeitig auch eine Rückmeldung zur Betriebssicherheit.

Die Öltemperatur würde nun bis zum Konvektionsgleichgewicht ansteigen. Bleibt sie bei entsprechenden Außentemperaturen innerhalb des Betriebslimits, läuft nur die reine Zirkulation beziehungsweise Filtration. Wird dieses Limit bei 55 Grad Celsius überschritten, schaltet ein Wegeventil den Ölkühler zu. In ihm wird das Öl auf eine vorberechnetet Temperatur von 45 Grad Celsius heruntergekühlt und direkt in den Schmierkreislauf eingespeist. Die Kühlleistung zur Einhaltung der Ausgangstemperatur wird durch den geregelten Ventilator der jeweiligen Umgebungstemperatur angepasst.

Da alle Sensoren über IO-Link kommunizieren, sind Eingriffe der Zentrale in das aktuelle Betriebsgeschehen jederzeit möglich. Je nach Produktionssituation ließen sich so Grenzwerte verschieben, um zum Beispiel einen Wartungsstillstand auf das Schichtende zu legen. Man könnte aber auch auf veränderte Umweltbedingungen reagieren und Trocknungssequenzen erhöhen. Ebenso ist das Parametrieren ausgewechselter Sensoren minutenschnell zentral erledigt.