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Schwerkraftbelastete Achsen richtig absichern

Rechtzeitig anhalten – Linearbewegungen schnell und zuverlässig abbremsen
Schwerkraftbelastete Achsen richtig absichern

In Anlagen stellen schwebende Lasten ein erhebliches Gefährdungspotenzial für Mensch und Maschine dar. Daher müssen bereits in der Konstruktionsphase ein unbeabsichtigtes Absinken der Last sowie unzulässig lange Anhaltewege dauerhaft ausgeschlossen werden. Entscheidend dabei sind die richtige Auswahl der Sicherheitskomponenten sowie deren korrekte Integration in das Gesamtsystem.

Bei schwerkraftbelasteten Achsen besteht immer das potenzielle Risiko einer abstürzenden Last. Um dies zu verhindern, kommen Sicherheitsbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip zum Einsatz. Solche Bremsen sind im energielosen Zustand geschlossen. Sie erzeugen die Bremskraft durch Druckfedern. Zur Absicherung von Vertikalachsen eignen sich Linearbremsen besonders gut. Sie wirken unabhängig vom Antriebsstrang auf separate Bremsstangen. Dadurch befinden sich keine Zahnriemen, Kupplungen oder Spindelmuttern im Sicherheitsstrang der Linearbremse. Sichere motorische Antriebe sind heute in der Lage, vertikal bewegte Lasten auch bei Ausfall der Energiezuführung bis zum Stillstand zu verzögern (SS1 Betrieb). Jedoch ist ohne Energie ein anschließendes Hochhalten der Last ausgeschlossen. Zur Bewertung von Linearbremsen an schwerkraftbelasteten Achsen wird häufig unterstellt, dass die Sicherheitsanforderung ausschließlich im statischen Betrieb auftritt. Die meisten am Markt verfügbaren Linearbremsen sind folglich als statische Hochhalteeinrichtungen konzipiert.

TÜV-geprüfte dynamische Bremseinrichtung
Personen können sich jedoch auch während der Inbetriebnahme, der Wartung oder sogar während des Produktionsprozesses unter schwebenden Lasten befinden, ohne dass zuvor die Lastübergabe auf die mechanische Linearbremse erfolgt ist. Kommt es in diesen Betriebszuständen zu einem Komplettausfall des Antriebs und somit zu einem Versagen der SS1 Funktionalität, ist die mechanische Linearbremse allein für das sichere Verzögern der Last verantwortlich. Die Lastmasse befindet sich buchstäblich im freien Fall. Das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitsschutz (BIA) hat einen Prüfgrundsatz für Notfallbremsungen mit Haltefunktion für lineare Bewegungen (GS-MF-28) definiert. Dieser sollte zur Qualifizierung von Linearbremsen herangezogen werden. Der Prüfgrundsatz definiert sowohl ohne als auch mit Lastübernahme 1 Million Schaltungen sowie zusätzlich 1000 dynamische Bremsungen. ROBA-linearstop Bremsen von Mayr Antriebstechnik erfüllen diesen Test problemlos und sind als vollwertige dynamische Bremseinrichtung durch den TÜV geprüft und bestätigt.
Praxistests auf dem Fallprüfstand
Für einen sicheren Betrieb sind ebenso eine optimale Bremsenauslegung und Systemintegration erforderlich. Durch einen speziell für Linearbremsen konzipierten Fallprüfstand, der es erlaubt, unterschiedliche Gewichte, die sogenannten Lastmassen, auf unterschiedliche Fallgeschwindigkeiten zu beschleunigen und die Lastmasse anschließend zu verzögern, lassen sich die Einflussfaktoren praxisnah bestimmen.
Bestimmung der Einflussfaktoren
Neben der Ansteuerung und der Reaktionszeit des Pneumatikventils haben auch der Druck und die Schlauchlänge große Auswirkungen auf die Zeiten und damit auf den Anhalteweg und die Fallgeschwindigkeit. Auf dem Prüfstand hat die Firma Mayr Antriebstechnik dazu zwei Bremsvorgänge mit der Linearbremse ROBA-linearstop simuliert. Als Ausgangsbedingungen für die beiden Bremsvorgänge wurden dabei die Nennhaltekraft der Bremse von 13,5 kN, die Fallmasse von 870 kg und der dynamische Fall bei der Geschwindigkeit v0 von 0,12 m/s vorausgesetzt.
Der große Einfluss der unterschiedlichen Zeiten auf die max. Fallgeschwindigkeit zeigt sich in der Abbildung 3. Das Diagramm resultiert aus zwei Fallprüfstandsversuchen mit verändertem Druck (4 und 6 bar) und unterschiedlicher Schlauchlänge (1 und 5 m). Bezogen auf den Anhalteweg ergibt sich eine Verlängerung von 72 auf 315 mm – eine Veränderung um mehr als Faktor 4. Die Versuche zeigen, dass für den Bremsweg die Schaltzeit der Bremse entscheidend ist, nicht die Bremskraft. Für kurze Schaltzeiten gilt es daher die Faktoren Schlauchlänge, Schlauchdurchmesser sowie Position, Größe und Geschwindigkeit der Ventile zu beachten. Auch die Differenz des Betriebsdrucks zum tatsächlichen Druck spielt eine wichtige Rolle.
Sichere Bremsenansteuerung
Um die projektierten Schaltzeiten über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, ist eine kontinuierliche Schaltzustandsüberwachung erforderlich. Diese erfolgt mit der sicheren Bremsenansteuerung ROBA-SBCplus. Das zusammen mit Pilz entwickelte Modul zur Fehlererkennung und Verarbeitung leistet eine sichere Schaltzeitenüberwachung. Hinzu kommt eine sichere integrierte Plausibilitätskontrolle durch die Auswertung der Lüftüberwachungssignale. Die Auswertung der Schaltzustände und des Rückgabesignals ermöglichen somit eine zuverlässige Fehlerdiagnose. Auch schleichende Fehler mit Einfluss auf die Schaltzeiten wie zunehmender Verschleiß oder Änderungen im Schlauchdurchmesser, verursacht beispielsweise durch versehentlich auf dem Schlauch abgestellte Gegenstände, können so rechtzeitig detektiert werden. Die sichere Bremsenansteuerung ROBA-SBCplus ist vom TÜV Süd baumustergeprüft und bis zum höchsten Performance Level PLe und Safety Integrity Level (SIL) 3 einsetzbar. Zusammen mit allen Komponenten ist eine korrekte Systemintegration erforderlich, denn nur abgestimmte Gesamtsysteme sind in der Lage, ein Höchstmaß an Betriebs- und Funktionssicherheit zu gewährleisten.
Chr. Mayr GmbH + Co. KG www.mayr.com

Der Autor
Helmut Kleinheinz, Produktmanager Linearbremsen, Chr. Mayr GmbH + Co. KG
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