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Hydraulikzylinder und Sicherheitsklemmung in der Produktion - Beton als Präzisionswerkstoff

Anwenderbericht - Klemmeinheit Ratio-Clamp®

Hydraulik-Zylinder und Sicherheitsklemmungen von Hänchen in der Produktion von “Fester Fahrbahn“ für den ICE

Beton als Präzisionswerkstoff Hydraulik-Zylinder und Sicherheitsklemmungen von Hänchen in der Produktion von “Fester Fahrbahn“ für den ICE „Beton ist ein Präzisionswerkstoff“, so Dipl.-Ing. Stefan Bögl, Leiter des Bereichs Forschung und Entwicklung bei der Max Bögl GmbH & Co. KG. „Bei den von uns entwickelten Fahrbahn-Elementen in Fertigteilbauweise für den ICE arbeiten wir mit einer Präzision von 0,1 bis 0,2 mm.“ Mit diesen Elementen hat Bögl Neuland betreten, indem das Unternehmen jahrzehntelange Erfahrungen im Fertigteil-bau und im Hoch- und Tiefbau miteinander verband. Diese großen und massereichen Elemente werden unter kontrollierten Bedingungen in einem geschlossenen Fabrika-tionsgebäude produziert und erreichen so bei gleichem Preis eine wesentlich höhere Qualität, als die im Freien direkt im Gleisbett gegossenen Fahrwege. Voraussetzung zum präzisen Schleifen der Fertigteile ist die Fixierung während der Bearbeitung. Mit Hänchen Hydraulik-Zylindern und -Klemmungen wird eine trotz Masse und Größe der Rohlinge auf 0,01 mm exakte Fixierung während der Bearbeitung erreicht.

Für die auf 300 km/h ausgelegten ICE-Trassen hat das klassische Gleisbett aus Schotter längst ausgedient. Der hohe Schotterverschleiß mit seinen Folgen für Gleisgeometrie und Fahrkomfort verursacht einen zu hohen Aufwand für die Instandhaltung und provoziert Betriebsstörungen. Deshalb verlegt die Bahn auf stark beanspruchten Strecken heute feste Fahrbahnen aus Beton. Der Beton wurde allerdings bei dem seit 1972 eingesetzten System „Feste Fahrbahn Rheda“ bisher vor Ort ausgebracht und war vor dem Aushärten Witterungsund anderen Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Ein Gleisrost liegt dabei auf einer Tragschicht und wird dort einbetoniert. Die seit 2001 vom Eisenbahn-Bundesamt zuge-lassene „Feste Fahrbahn Bögl“ wird dagegen witterungsunabhängig als Reihe von festen Elementen in einem hochmodernen Fertigungswerk produziert.

Der Fertigungsprozess

In einem ersten Schritt wird der Rohling aus einem Spezialbeton auf dem Kopf gegossen. Zwei Bewehrungsmatten geben die nötige Festigkeit, eine ist als Flachmatte ausgeführt, die andere hat ein dreidimensionales Profil. Sechs Stahlstränge ragen an jeder Seite aus der Beton-Platte heraus und können mit dem nächsten Fahr-bahn-Element verschraubt werden, bevor die Lücke vor Ort aus-betoniert wird. Nach dem Gießen der Form im Werk verdichten Rüttler den Baustoff, um ein einschlussfreies Material zu garantieren. Der abgezogene und auch auf der Unterseite plane Gleiskör-per härtet aus, wobei die materialtypische Schrumpfung im Gegensatz zur Außenmontage unter exakt kontrollierbaren Bedingungen verläuft.

Das Gleisprofil

Die für die Montage der Gleisträger notwendige Exaktheit lässt sich nicht alleine durch einen Präzisionsguss erreichen. Außerdem müssen die einzelnen Elemente individuelle Formen haben, denn jedes ist maßgeschneidert für die entsprechende Gleis- und Gelände-Kontur. Dies betrifft die Kurvenradien, die Übergangsbögen, Wannen, Kuppen, sowie andere Geländekonturen. Somit kann es je nach Streckenverlauf für jede der 6,5 Meter langen und 2,55 Meter breiten Platten ein eigenes dreidimensionales Profil geben.

Präzisionsfräsen im Beton

Eine Schleifscheibe mit einer Breite von 200 mm wird von einer 100-kW-Spindel angetrieben Anwenderbericht 27.07.2006 16:51 Uhr Seite 1 mm im Nassverfahren abgetragen. Das verhindert Überhitzung und extreme Staubentwicklung. Die Spindel bringt eine Schnittkraft von bis zu einer Tonne auf. In Verbindung mit den Maßen und einem Gewicht der Fahrbahnelemente von 9 Tonnen besteht deshalb die Gefahr, dass sich die zu bearbeitenden Gussteile trotz der Armierung im 0,1-mm-Bereich durchbiegen. Obwohl das Positionieren und in Position Halten eines Werkstücks eigentlich ein einfacher Vorgang ist, herrschen deshalb Rahmenbedingungen, die äußerst hohe Anforderungen an die Linearantriebe stellen.

Hydraulische Fixierung

Nach dem Einfahren des Betonkörpers durch eine Rollbahn bringen diesen sechs Hydraulik-
Zylinder in Position, wobei alle Zylinder mit Kraftmessdosen ausgestattet sind. Auf jeder Seite
sind drei Zylinder angeordnet. Drei dieser Zylinder - zwei links an den Enden, einer rechts in
der Mitte - sind mit Proportional-Ventilen ausgestattet und als Linear-Antriebe Teil eines
Regelkreises, der über eine SPS Siemens 840 D NC-gesteuert wird. Die drei anderen Zylinder fahren in die Endlage, während die drei Regel-Zylinder das Fahrbahn-Element mit einer Genauigkeit von 0,01 mm positionieren. Alle sechs Zylinder haben einen Kolbendurchmesser von 60 mm, einen Stangendurchmesser von 40 mm, einen Hub von 60 mm und sind mit Näherungsschaltern ausgestattet. Sobald die Endlage erreicht ist, werden vier weitere Zylinder zur Unterstützung in Position gebracht. Anschließend fixieren sechs Zylinder von den Seiten das groß dimensionierte Werkstück. Diese sind auch dafür ausgelegt, eventuell auftretende Querkräfte auf der Kolbenstange aufzunehmen. Alle Zylinder sind aus der Baureihe 120, für Drücke bis 150 bar geeignet und auf den 1,5-fachen Druck geprüft. Die sechs Hub-Haltezylinder und drei der seitlich angeordneten Spannzylinder sind in Servoslide®-Qualität ausgeführt. Diese Hänchen Qualität ist mit einer speziellen Kunststoff-Kolbenstangen-Führung für optimierte Reibeigenschaften ausgestattet. Die Gleitflächen dieser Führung wirken vibrationsdämpfend, vermeiden Kantenpressung und gewährleisten weitgehend stick-slip-freie Bewegungen. Die hohe Fertigungsgenauigkeit und kleine Führungsspiele garantieren einen langlebigen Einsatz bei Kolbengeschwindigkeit bis zu 0,5 m/s. Zusätzlich klemmen vier Zylinder die Schleifköpfe.

Hänchen Katalog-Zylinder

Zum Einsatz kommen bei Bögl Katalog-Zylinder von Hänchen. Mit Millionen-Investitionen hat
der Hydraulik-Spezialist die gesamte Konstruktion und Entwicklung in den letzten Jahren auf
ein vielschichtiges dreidimensionales CAD-System umgestellt, das speziell für eine modulare Konstruktion ausgelegt ist. Die Modularisierung ist so grundlegend, dass bereits jede Bohrungskontur ein Modul darstellt, welches nur einmal zentral hinterlegt ist. Über einen
elektronischen Katalog kann der Kunde am PC ebenfalls in räumlicher Darstellung auf diesen Baukasten zurückgreifen. Damit bietet das Unternehmen aus Ostfildern bei Stuttgart vielfältige maßgeschneiderte Produktvarianten ohne die Kosten und Unsicherheiten einer
Sonderkonstruktion.

Ratio-Clamp®

Alle von unten sowie drei der von den Seiten wirkenden Zylinder sind mit der patentierten Klemmeinheit Ratio-Clamp von Hänchen ausgestattet. Eine der seitlichen Klemmungen vom
Typ RCS 40 mit einem Durchmesser von 40 mm ist eine Sonderausführung und wurde modifiziert, um Seitenkräften unbeschadet aufnehmen zu können. Alle Klemmeinheiten bringen eine Haltekraft von 50 kN auf, sobald kein Druck am Hydraulik-System mehr anliegt. Sie erlauben so die Bearbeitung bei drucklosem Fluid-Kreislauf. Die auch vom TÜV geprüfte Klemmeinheit Ratio-Clamp übernimmt beispielsweise in der Fertigung selbst sicherheitsrelevante Aufgaben, da die Klemmung nur bei anliegendem Druck freigegeben ist. In diesem Schaltzustand lässt sich die Stange in beide Richtungen frei bewegen. Ein Druckabfall gibt die in Schraubentellerfedern gespeicherte Energie frei, die über ein konisches Klemmelement die Haltekraft auf die Stange aufbringt. Dieser Vorgang kann durch einen gezielten Druckabfall von der Steuerung, aber auch bei einem Energieausfall oder Systemschäden automatisch ausgelöst werden. Die Klemmkraft bleibt ohne Energiezufuhr für beliebige Zeit erhalten, bis der Entriegelungsdruck wieder anliegt und die Kolbenstange damit frei beweglich wird. Selbst bei einem gelegentlichen Durchschieben der Stange über kurze Wege beim Überschreiten der ausgewiesenen Haltekraft treten keine Beschädigungen des Systems auf. Damit ist es möglich, während der halbstündigen Bearbeitungszeit den Be-tonkörper ohne Hydraulikdruck oder Steuerung exakt in Position zu halten. Die Ratio-Clamp ist serienmäßig als Komplett-Einheit oder in Verbindung mit einem Hydraulik-Zylinder erhältlich. Der Kunde kann diese Lösung im elektronischen Katalog über ein maßstabsgerechtes CAD-Objekt mit allen Einbaumaßen erstellen, konvertieren und als 2D- oder 3D-Datensatz beispielsweise im Autocad-Format exportieren.

Eine erfolgreiche Zusammenarbeit

Nach dem Fräsen erhalten die Betonköper eine Identifikationsnummer, um den richtigen Träger am richtigen Ort zu verlegen. Auf insgesamt 70 km wird so erstmalig die "Feste Fahrbahn Bögl" verlegt, ein innovatives Projekt, das Teil eines vielfältigen Portfolios ist: Vom Fertighaus bis zum schlüsselfertigen Fußballstadion für die WM reicht das Angebot des Fränkischen Familienunternehmens der dritten Generation, das mit 4000 Mitarbeitern einen Umsatz von 750 Mio. Euro erwirtschaftet.

Neue Wege mit Beton

Mit der Produktion der "Festen Fahrbahn" belegen Bögl und Hänchen, dass in der Bearbeitung von Beton völlig neue Wege möglich sind: der Einsatz auch großer Bauteile als Präzisionsprodukt. Beide Unternehmen konnten in diesem Projekt ihre Kompetenzen bündeln: Der Hydraulik-Spezialist zeigt die hohe Leistungsfähigkeit und Präzision seiner Hydraulik- Zylinder auch unter rauen Umweltbedingungen sowie die Möglichkeiten der modularen Konstruktions- und Produkt-Systematik, die auch anspruchsvolle Aufgaben ohne Sonderkonstruktionen löst und den Lösungsansatz einer kompletten hydraulischen Unternehmen mit diesem Innovations- und Komplettlösungskonzept bislang sowohl seine Arbeitsplätze als auch seine Schwarzen Zahlen sichern.

Jörg Beyer

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