EP1483191B1 - Treibscheibe für hochleistungsreibpaarungen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft den neuartigen Aufbau von Treibscheiben für Draht-Seilantriebe und dgl. insbesondere im Aufzugsbereich, wodurch eine verbesserte Kraftübertragung ermöglicht werden soll.
• Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind
• Aufzugstreibscheiben für Mehrseilbetrieb,
• Treibscheiben für wahlweisen Einseilbetrieb unter Aufzugsbeanspruchungen, wie beispielsweise
  • mit Drahtseilen betriebene Hubplattformen (z.B. Fassadenpflegeanlagen, Montagegerüste),
  • mit Drahtseil betriebene Befahreinrichtungen für stehende Seilkonstruktionen (Hängebrücken, seilverspannte Hallendächer, Kabelkrane, Seilbahnen),
  • ausgewählte Seilbahnantriebe,
  • ausgewählte Sesselliftantriebe,
  • Durchlaufhubwinden für beliebige Einsatzfälle.
• Ein weiteres Anwendungsfeld der Erfindung sind mechanische Stetigförderer, die nach dem Antriebsprinzip "Kraftschluss" arbeiten und die Voraussetzungen magnetischer Werkstoffe erfüllen.
• Der Stand der Technik für Aufzugstreibscheiben ist durch Lösungen charakterisiert, die das Coulomb'sche Reibungsgesetz unter Nutzung einer homogen Rille der technischen Auslegung zugrunde legen.
• Im Beanspruchungsbereich der Schachtförderung des Bergbaus sind Lösungen bekannt, die die Treibfähigkeit des Systems Seil -Treibscheibe durch Rilleneinlagen unterschiedlicher - aber weicher Werkstoffe - erhöhen, die aber für den Aufzugsbetrieb ungeeignet sind. Vor etwa 8 Jahrzehnten wurden im Bergbau Überlegungen angestellt, die Kraftübertragung unter Einsatz von Elektromagneten zu verbessern.
  In der zugehörigen Patentschrift DE 34 67 27 C wird dazu ausgeführt, dass die das Lastorgan aufnehmende Rille der Treibscheibe aus Segmentstücken besteht, die als Polschuhe einer Reihe von Elektromagneten mit wechselnder Polarität ausgebildet sind, deren Kraftlinienfluss von einem zum benachbarten Pol durch das Lastorgan geführt wird.
• Für Kabelverholanlagen auf Kabelverlegeschiffen ist aus US 3 512 757 eine Lösung bekannt, die Magnete in den Ableitscheiben von Winden zum Einsatz bringen will. In diesen Fällen kommen traditionelle Magnete zum Einsatz, die erheblichen Platzbedarf und technischen Zusatzaufwand erfordern und demzufolge nur bei Einseilbetrieb mit großen Abmessungen eingesetzt werden können.
• Aus DE 33 12 522 A1 ist eine Treibscheibe, insbesondere für Einsatz im Bergbau, bekannt, bei der in den Rillen der Scheibenfelge ein frei am Felgenumfang bewegliches Futter in Gestalt eines biegsamen elastischen Ringes mit daran befestigten Futterelementen eingebracht ist.
  Auch in DE 36 26 045 A1 wird eine Treibscheibe für den Bergbau beschrieben, bei der längs der Kreislinie der Rille des Kranzes ein frei beweglicher Belag angeordnet ist. Dieser Belag besteht aus zwei Schichten, nämlich der oberen Schicht aus einem elastischem Materialstreifen und der unmittelbar auf dem Kranz aufliegenden, in Sektionen unterteilten Schicht, die starr miteinander verbunden sind.
  Die genannten Sektionen bestehen hier aus einem (Gleit-)Lagerwerkstoff.
• Gegenstand von DE 39 23 192 A1 ist eine Treibscheibe insbesondere für Einseilförderung im Bergbau mit einem Treibscheibenkranz, in dessen Rille mit einem Spalt zueinander Belageinlagen frei angeordnet sind. Diese V-förmigen Belageinlagen sind an ihren beiden Schenkelenden mit in Bewegungsrichtung der Treibscheibe durchgehenden Bohrungen versehen, durch welche ein diese Rille umschlingendes Zugmittel hindurchgeleitet ist.
• In der Patentschrift DE 1.202.587 B wird eine Bewehrung zur Anwendung für Seil- und Treibscheiben im Bergbau beschrieben, bei der Futterstoffe aus Leichtmetall, harten Kunststoff und dgl. am Grundkörper der Treibscheibe befestigt und zugleich der Reibwert und die Verschleißfestigkeit des Futters erhöht werden.
• In der Patentschrift DE 1.120.702 B wird ein spezieller Futterwerkstoff für Treibscheiben der Schachtförderung des Bergbaus beschrieben, der aus einer speziellen Gusslegierung G Al Si besteht. Diese Futterklötze werden abwechselnd mit Futterklötzen aus thermoplastischen oder thermoplastähnlichen Kunststoffen auf dem Treibscheibenumfang installiert.
• Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Einlagen in die Rillen des Treibscheibenkranzes konnten Verbesserungen im Verschleiß- und Reibverhalten für Treibscheiben des Bergbaus erreicht werden. Die dafür erforderlichen konstruktiven Lösungen sind aufwendig. Für große Verhältnisse von Treibscheibendurchmesser zu Seildurchmesser - etwa größer 40 - sind entsprechende Anwendungen auch im Aufzugsbau denkbar. Der Trend zum Leichtbau wird diese Durchmesser-Verhältnisse für Aufzüge in den Bereich von 20 bis 30 führen. Hier versagen infolge der erhöhten Druckbeanspruchungen und Scherspannungen - ausgelöst durch die ungleichen Seilkräfte - die bisher bekannten Einlagenmaterialien.
  Die Nutzung von Kraftlinienfeldern zur Erhöhung der Treibfähigkeit ist aus dem Bergbau und für Verholwinden für Einseilbetrieb bekannt. Die Lösungen sind aber konstruktiv aufwendig, erfordern einen hohen Platzbedarf und verteuern die Anlagentechnik
• Aufgabe der Erfindung ist deshalb die wesentliche Erhöhung der Übertragungskräfte von Aufzugstreibscheiben auf das anzutreibende Seil insbesondere unter extremen Beanspruchungsverhältnissen, wie sie bei hohen Seilkraftverhältnissen und/oder kleinen Durchmesserverhältnissen Treibscheibe zu Seil vorliegen. Die Aufgabe der Erfindung schließt ein analoge Verbesserungen zur Erhöhung der Übertragungskräfte bei den Paarungen Antriebstrommel/Stahlförderband und Antriebstrommel/Kette, jeweils bei vereinfachter Ausführung der weiteren Systemkomponenten.
• Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüche gekennzeichnet.
• Nach der Konzeption der Erfindung werden entlang der Umfangslinie der in den Treibscheibenkranz vorhandenen Rille(n) beabstandet Inlay's in der Gestalt von Hochenergie-Magnete aus der Gruppe der Seltenen Erden mit Energieprodukten von z.B. 385 kJ/m³ eingebracht, die in angepasste Aussparungen der Rillenspur oberflächenkonform versenkt sind. Diese Anordnung kann für mehrere nebeneinanderliegende Rillen vorgenommen werden. Ergänzend können jeweils zwischen den Inlay's Kranz-Segmente angeordnet werden.
• Als Material für den o.g. Treibscheibenkranz oder die Kranz-Segmente können klassische Treibscheiben-Materialien wie Grauguss (GG) und dgl. oder aber neue reibwerterhöhende Konstruktionswerkstoffe wie Stahlschaumwerkstoffe, Faserverbundkeramik und Spezialkunststoffe eingesetzt werden, die den Ansprüchen an Druckfestigkeit und Verschleißfestigkeit für den Einsatz in Aufzugstreibscheiben oder ähnlichen Anwendungen genügen.
  Für Kranz-Segmente sollen vorzugsweise Stahlschaumwerkstoffe und/oder Faserverbundkeramik eingesetzt werden.
• Durch diese spezielle Vorgehensweise gelingt es, die Coulomb'sche Reibkraft zu erhöhen, da die Reibwerte der Ruhe bei Einsatz von z.B. Faserverbundkeramik Werte von 0,4 erreichen und zusätzlich durch die in regelmäßigen Abständen als Inlays eingebrachten Hochenergie-Magnete die Normalkraft aus den Seilkräften von einer durch die Magnetkräfte erzeugten Normalkraft überlagert wird. Für diese Aussage gilt: $${\mathrm{F}}_{\mathrm{u}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{n}}={\mathrm{\mu }}_{\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{n}}\cdot {\mathrm{F}}_{\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{n}}$$

  
• In dieser Gleichung bedeuten

F_uMgn:

am Umfang der Treibscheibe wirkende tangentiale Widerstandskraft im Magnetbereich gegen die durch die größere Seilkraft hervorgerufene Seildehnung oder Rutsch;

F_Mgn:

magnetische Haftkraft;

µ_Mgn:

Reibwert im Magnetbereich.

• Zur Anwendung kommen die o.g. Hochenergie-Magnete, die als Permanentmagnete bezogen auf Haftkräfte, Härte, Form, Verschleißfestigkeit dem Einsatzfall angepasst zu fertigen sind. Ihre Anordnung in der jeweiligen Rillenspur erfolgt in der Weise, dass die Achse des Magneten und damit die Magnetkraft radial ausgerichtet ist.
• Über die 360°-Umfangslinie des Treibscheiben-Kranzes verteilt angeordnet sind die Inlaysegmente und gegebenenfalls zusätzliche Kranz-Segmente, wobei diese Segmente in alternierender Anordnung gleichmäßig durch den Umfangswinkel α beabstandet sind.
  Die Größe des Winkels α hängt von der gewünschten Treibfähigkeit der Paarung Treibscheibe-Seil bzw. Treibscheibe-Band ab.
• Dieser technische Ansatz ermöglicht es, Rundrillen mindestens mit Reibwerten auszustatten, die denen von Keilrillen bei definiertem Keilwinkel und erreichbarem Verschleißzustand entsprechen, aber im Gegensatz zur Keilrille oder der unterschnittenen Rundrille einen stark reduzierten Rillenverschleiß (geringe Pressung) und hohe Seillebensdauer bezogen auf die jeweilige Auslegung gewährleisten.
  Für die Lösung von extremen Anforderungen - z.B. der Kraftübertragung - sind auch andere Rillenformen - insbesondere Rundrillen mit Unterschnitt - mit diesem technischen Ansatz ausrüstbar.
• Die Optimierung der Treibscheibenauslegung bezogen auf
• Magnethaftkraft, geometrische Form der Hochenergie-Permanentmagnete, Festlegung weiterer physikalischer Kennwerte, Anordnung der Magnete einerseits und/oder
• Gestaltung des Treibscheibenkranzes aus GG, Kunststoffen und dgl., Schaumstahl oder Verbundkeramik andererseits erfolgt wahlweise entsprechend der jeweils vorliegenden technischen Zielstellung.
• Die Lösung erfordert einen modifizierten Ansatz der Eytelwein'schen Gleichung $$\mathrm{F}1/\mathrm{F}2\ast \mathrm{\varphi }\left(\mathrm{p}\right)\le {\mathrm{e}}^{\mathrm{\mu }\mathrm{\beta }}$$

  

  
  mit

F1, F2 :

Seilkräfte;

ϕ (p) :

Verzögerungsfaktor;

e :

Basis der natürlichen Logarithmen;

µ :

scheinbarer Reibwert;

β :

geometrischer Umschlingungsbogen.

• Durch Verbreiterung der in ihrem Aufbau erläuterten Treibscheibe in axialer Richtung entsteht eine Antriebstrommel für mechanische Stetigförderer, die in ihrem Grundaufbau wie eine Treibscheibe aufgebaut ist, wobei eine Ausweitung der Anordnung von Kranz-Segmenten (5) und Inlay's (6) in axialer Richtung - also über die Breite der Antriebstrommel - erfolgt ist.
• Die mit dem Patent verbundenen Vorteile sind vielfältig, nämlich u.a.:
• Erhöhung der Coulomb'schen Reibkraft durch Erhöhung von µ _System infolge Einsatz von Faserverbundkeramik oder Stahlschaumwerkstoffen u.ä.
• Überlagerung der Coulomb'schen Reibkraft mit einer magnetischen Reibkraft - erzeugt durch Hochenergie-Magnete aus der Gruppe der Seltenen Erden.
• Wahlweise Auslegung der Treibscheibe für verschleißarme Übertragung großer Umfangskräfte oder Übertragung sehr großer Umfangskräfte für Spezialeinsätze.
Erreicht wurde eine wesentliche Erhöhung der Treibfähigkeit insbesondere von Rundrillen.
• Die Kraftübertragung wird durch die genannten Maßnahmen wesentlich verbessert, die damit verbundenen Sekundärfolgen sind:
• Masseeinsparungen im Seiltrieb durch vergrößertes und technisch übertragbares F1/F2-Verhältnis, Ermöglichung des extremen Leichtbaus in der Aufzugstechnik;
• Mögliche Reduzierung des erforderlichen Treibscheibendurchmessers;
• Reduzierung der Seildurchmesser infolge verringerter Beanspruchungen, da Verschleiß durch Dehnung und Rutsch im Bereich der Treibscheibe weitgehend reduziert wird.
• bedingt durch einen kleineren Treibscheibendurchmesser kleinere Antriebe durch erhöhte Drehzahl der Treibscheibe;
• Reduzierung des Energieaufwandes; jeweils verbunden mit den zugehörigen wirtschaftlichen Vorteilen.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1

die Ausführung des Treibscheiben-Kranzes mit Kranz-Segmenten aus Faserverbundkeramik, angeordnet zwischen den Inlays aus Hochenergie-Magneten,

Fig. 2

die Darstellung eines Rillensegments, das aus einem von der sonstigen Ausführung des Rillenkranzes abweichendem Werkstoff besteht. Aus diesem Werkstoff könnte bei anderer konstruktiver Lösung auch der gesamte Kranz bestehen, in den dann die Bohrungen für die Aufnahme der Hochenergie-Magnete eingebracht werden.

Fig. 3

Die Ausführung einer Treibscheibe für Hochleistungsreibpaarungen, bei der in den Rillenspuren des Treibscheibenkranzes als Inlay-Segmente Hochenergie-Magneten eingebracht sind.

• Eine beispielhafte Anordnung von Kranz-Segmenten 5 und ggf. Inlay's 6 über die 360°-Umfangslinie des Treibscheiben-Kranzes 2 ist in Fig. 1 dargestellt.
  Die Kranz-Segmente 5 sind in jeder Rillenspur 3, s. Schnitt A-A, voneinander beabstandet über den Umfangwinkel α angeordnet. Sie können alternativ in axialer Richtung aus einem Stück bestehen, in das alle Rillenspuren 3 eingebracht sind.
• Zusätzlich oder ausschließlich können zur Erreichung einer bestimmten Treibfähigkeit der Treibscheibe andere Anordnungen, Konstruktionen und Verteilungsdichten von Inlay-Segmenten 6 (Hochenergie-Magnete) über den Umfang des Treibscheiben-Kranzes 2 gewählt werden.
• Die beispielhafte Geometrie eines Kranz-Segments 5 zeigt als Einzelheit B Fig. 2.
  Die Form der Rille 3 wird von ihrem Krümmungsradius bestimmt, wobei d dem Durchmesser des Seiles 4 entspricht. Die Abmessungen für Breite b und Höhe h eines Kranz-Segments 5 entsprechen etwa dem doppelten Rillendurchmesser d, also   b = h - 2d.
  Die Länge I eines Kranz-Segments 5 beträgt mindestens das 3-fache des Seildurchmessers d, also   l - 3d.
• Fig. 3 veranschaulicht die Ausführung einer Treibscheibe für Hochleistungsreibpaarungen mit analog zum Aufbau nach Fig. 1 eingebrachten Hochenergie-Magneten 6 als Inlay-Segmente. Die Hochenergie-Magneten 6 haben eine zylindrische Form, s. Einzelheit C, mit folgenden Abmessungen für Höhe h und Durchmesser der Magneten d_M: h - 25 - 35 mm
           d_M ~ 20 - 32 mm.
• Hier ist auch die Polarität eingezeichnet.
  Derartige Magnete erreichen z.Z. Haftkräfte von 42- 700 N
• Als Material für den Treibscheiben-Grundkörper 1 und Treibscheibenkranz 2 wird in beiden Ausführungsbeispielen ein traditioneller Grauguss (GG)-Werkstoff eingesetzt.
  Der Kranz kann, wenn dafür hochwertige Materialien wie Schaumstahl, Faserverbundkeramik o. ä. zum Einsatz kommen, gesondert gefertigt und mit dem Grundkörper in geeigneter Form verbunden werden.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1

Treibscheiben-Radkörper

2

Treibscheiben-Kranz

3

Rillen, Rillenspur

4

Drahtseil

5

Kranz-Segmente

6

Inlay's (Hochenergie-Magnete)

Claims (8)

1. Treibscheibe für Hochleistungsreibpaarungen vorwiegend zur Nutzung in Aufzügen also für Draht-Seilantriebe und dgl., bestehend aus Treibscheiben-Radkörper (1), Treibscheiben-Kranz (2) und auf der Außenseite in den Kranz (2) eingebrachten Rillen (3) zur Seilführung,
   dadurch gekennzeichnet, dass zur verbesserten Kraftübertragung zwischen den Rillen (3) im Treibscheiben-Kranz (2) und dem Seil (4) entlang der Umfangslinie in den Treibscheiben-Kranz (2) oder einer speziellen Kranz-Konstruktion beabstandet Kranz-Segmente (5) als Segmente der Rillenspur aus unterschiedlichen Materialien und alternierend zu den Kranz-Segmenten (5) Hochenergie-Magnete als Inlays (6) eingebracht sind, wobei als Materialien für die Kranz-Segmente (5), z.B. Stahtschaumwerkstoffe und/oder Faserverbundkeramik und dgl., jeweils mit erhöhten Reibwerten, vorgesehen sind.
2. Treibscheibe nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (3) im Treibscheiben-Kranz oder in den Kranz-Segmenten (2) als Rundrillen oder unterschnittene Rundrillen ausgeführt sind.
3. Treibscheibe nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet, dass die in die Rillenspur (3) eingesetzten Kranz-Segmente (5) vorzugsweise eine Kreissegmentform aufweisen und oberflächenkonform mit der Rillenspur (3) in passfähige formschlüssige Ausnehmungen des Treibscheiben-Kranzes (2) eingebracht sind.
4. Treibscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Hochenergie-Magnete als Inlays (6) in der Rillenspur (3) so erfolgt, dass die Achse des Magnetfeldes und damit die Magnetkraft radial gerichtet ist.
5. Treibscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Kranz-Segmente (5) und die Inlays (6) entlang der 360° - Umfangslinie der Rillenspur(en) (3) alternierend und jeweils um den Umfangswinkel α versetzt angeordnet sind.
6. Treibscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rillenspuren (3) mit Kranz-Segmenten (5) und/oder Inlay's (6) in axialer Richtung der entsprechend breiten Treibscheibe (1) angeordnet sind.
7. Treibscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper der Treibscheibe (1) aus Grauguss oder Stahlguss oder Stahl oder geeigneten Verbundwerkstoffen oder Kunststoff gefertigt ist, und auf dem Treibscheiben-Radkörper ein Treibscheibenkranz (2) - entsprechender Stärke aus geeignetem Grauguss oder legiertem Grauguss oder Stahlguss oder legiertem Stahlguss oder Schaumstahl oder einer Spezialkeramik oder Spezialkunststoffen - versehen mit voneinander beabstandeten Aussparungen zur Aufnahme der Hochenergie-Magnete (6) dehnungssicher aufgebracht ist.
8. Treibscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
   dadurch gekennzeichnet, dass durch Verbreiterung der Treibscheibe (1) in axialer Richtung eine Antriebstrommel für mechanische Stetigförderer entsteht, die einen Grundaufbau wie eine Treibscheibe aufweist und die Kranz-Segmenten (5) und Inlay's (6) in axialer Richtung über die Breite der Antriebstrommel angeordnet sein können.

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