Hochgeschwindigkeitszylinder in Webmaschinen -
Von 0 auf 30 m/s mit 850 g

Der Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Zylindern in Webmaschinen

Eine neue Leistungsdimension in Webmaschinen konnte durch Hydraulik bei der Firma Jäger in Münster erreicht werden. Diese Maschinen, auf die sich das westfälische Unternehmen spezialisiert hat, produzieren Bespannungsgewebe aus hochfestem Kunststoff für Papiermaschinen. Über Distanzen bis zu 30 Metern wird dabei ein Weberschiffchen geschossen - mit Hilfe eines eigens entwickelten Hydraulik-Zylinders von Hänchen.

Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Systems sind extrem: Die Herstellung eines solchen Kunststoffgewebes dauert fünf bis sechs Tage im Dreischicht-Betrieb. Während dieser Woche darf die Maschine nie länger als 10 bis 15 Minuten gestoppt werden, denn die Zugkräfte beim Weben sind so hoch, dass bei einem längeren Halt das Gewebe verformt wird. Der Schaden bei einem solchen Störfall liegt ausnahmslos im fünfstelligen Bereich.

Trotz dieser hohen Qualitätsanforderung sollte die Leistung durch eine Erhöhung der Schussfrequenz des Weberschiffchens deutlich gesteigert werden - und bei der Schussweite von 12 bis 30 Metern spielt dafür die Geschwindigkeit eine entscheidende Rolle. Die klassische Hebelmechanik, an deren Grundprinzip sich seit der Firmengründung von Jäger im letzten Jahrhundert nichts geändert hatte, war mit 15 bis 18 m/s an ihre physikalischen Grenzen gelangt. Bei Testmaschinen mit höheren Arbeitsgeschwindigkeiten kam es nach kurzer Zeit zu Ausfällen durch Materialermüdung an den Schlaghebeln. Darüber hinaus entstand ein Geräuschpegel, der die Mitarbeiter stark belastete.

Der Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Zylindern in Webmaschinen

Damit stand die Neukonstruktion bei Jäger unter Leitung von Dipl.-Ing. Dieter Hambrock vor drei Möglichkeiten: Erstens der Weiterentwicklung der Hebelmechanik, die nahezu ausgereizt war. Einzige Perspektive wäre gewesen, mit großem Aufwand eventuell noch ein paar Prozent Leistungssteigerung zu erreichen. Außerdem hätte sich die Problematik des Geräuschpegels weiter verschärft. Die zweite Alternative waren elektromechanische Techniken - mit dem Nachteil der geringen Leistungsdichte am Einsatzort und insbesondere bei dem zu beschleunigenden Schiffchen. Als dritte Möglichkeit stand die Hydraulik im Raum, der während der Entscheidungsphase Ende der siebziger, Anfang der achtziger Jahre nur wenige einen solchen Leistungssprung zutrauten. Doch die physikalischen Möglichkeiten dieser Technik schienen für die Maschinenbauer aus Münster bei entsprechendem Entwicklungsaufwand eine deutliche Leistungssteigerung der Webmaschine zuzulassen. Und die faktische Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-Zylinder bestätigte diese Einschätzung. Innerhalb von etwa zehn Jahren konnte in einer Sparte des klassischen Maschinenbaus durch Hydraulik die Systemleistung verdoppelt werden.

Mit dieser Entwicklung konnte das Unternehmen die Führungsrolle verteidigen, die es durch Qualität und Tradition erreicht hat. Entscheidend für Jäger ist dabei der weltweite Export mit 80% des Umsatzes, der die Firma mit ihren rund 200 Mitarbeitern trägt. Für den hydraulischen Schritt in die Zukunft legten Hambrock und der technische Gesamtleiter und Prokurist des Unternehmens, Dipl.-Ing. Axel Hundertmark, besonderen Wert auf die Suche nach einem kompetenten Partner aus der Hydraulik. Die Hänchen Hydraulik GmbH hatte bereits für die Hochspannungstechnik Hochgeschwindigkeits-Zylinder entwickelt, um stromführende Kontakte trotz großer Spannung und hoher Stromstärke ohne Funkenbildung zu trennen. Darüber hinaus hatte der schwäbische Zylinderspezialist umfangreiche Erfahrungen im Serien- wie im Sonder-Zylinderbau. Der Schwerpunkt von Hänchen liegt dabei auf einem äußerst umfangreichen Katalogprogramm, das durch den elektronischen Katalog auf CD-ROM erweitert und neu definiert wurde. Die meisten klassischen Einsatzbereiche von Sonder-Zylindern werden heute von den schwäbischen Hydraulikspezialisten mit Katalog-Zylindern und modifizierten Katalog-Zylindern abgedeckt. Hänchen Verkaufsleiter Hans-Dieter Fabrowsky verweist darauf, dass für Serien-Zylinder dieselben Qualitätsmaßstäbe gelten wie für Sonderprodukte. Letztere sind aber mit deutlich höheren Kosten verbunden und jeder Sonder-Zylinder ist faktisch ein Prototyp mit den damit verbundenen Risiken. Serien- und Sonder-Zylinderbau lassen sich aber nicht trennen, da sie sich technisch gegenseitig befruchten. Denn der Sonder-Zylinderbau ist für Hänchen das Umfeld, in dem im Zusammenwirken mit Kunden im Rahmen technisch anspruchsvoller Lösungen die Grenzen der Hydraulik immer wieder neu definiert werden. So hat der als Sonder-Zylinder entwickelte Hochgeschwindigkeits-Zylinder von Jäger zu Hänchen Zylindern mit einer Geschwindigkeit bis zu 40 m/s geführt. 30 m/s sind bei Jäger bereits bewährter Standard für die Hochleistungswebstühle. Und auch in Münster forscht man in Zusammenarbeit mit Hänchen an den Möglichkeiten für noch schnellere Systeme, von einer Leistungssteigerung im Bereich von 20% ist dabei für die nächste Zukunft die Rede.

Mit welcher Sicherheit Hänchen die heutigen Standardleistungen der Jäger-Maschinen beherrscht, zeigen jährlich 5 Millionen Lastwechsel pro Zylinder bei einer Garantie von einem Jahr und einem durchschnittlichen Intervall für einen großen Service von 5 Jahren. 25 Millionen Mal wird ein solcher Zylinder also das Weberschiffchen auf 108 km/h beschleunigen und Kolben und Kolbenstange anschließend wieder abgebremst. Die Beschleunigungsstrecke beträgt nur etwa 380 mm. Das System muss dabei Drücke bis 1000 bar und Beschleunigungskräfte bis 850 g, also bis zur 850fachen Erdanziehungskraft bewältigen. Zu der hohen Beschleunigung kommt die Positionierung mit einer Genauigkeit von 0,1 mm: Die Kolbenstange wird nach Abschluss der Bremsphase so positioniert, dass das von der Gegenseite wieder zurückgeschossene Schiffchen aufgefangen werden kann. Es wird dann abgebremst, Schiffchen und Kolben werden erneut in die Startposition geführt, indem die Kolbenstange auf Kontakt mit dem Schiffchen geht. Der Zyklus beginnt von neuem.

Vielfältige Detailprobleme mussten gelöst werden, damit diese Leistung möglich wurde: Insbesondere Tribologie und Hydrodynamik sind gefragt, wenn 30 Liter Fluid pro Sekunde, 1,8 m³ pro Minute bei solchen Drücken gefördert werden müssen und dabei eine Präzision verlangt wird, bei der kein einziger Tropfen Fluid auf das Gewebe gelangt. Selbst feiner Ölnebel oder Staub aus Dichtungsabrieb sind für das High-Tech-Gewebe schädlich. Spezielle Dichtungen und mit Cartridge-Ventilen bestückte Steuerblöcke ergänzen den Zylinder zu einer Funktionseinheit. Sie zeichnet sich durch eine mit anderen Technologien nicht erreichbare Leistungsdichte aus, die konstruktiv sehr wichtig ist: Denn das Hochgeschwindigkeits-System liegt auf der Weblade auf, die wiederum in ihrem Bewegungsablauf durch eine leichte Konstruktion schneller wird. Dieses gesamte System zeichnet sich durch optimierte Querschnitte in der Fluidführung aus, die trotz der hohen Systemleistung nur eine 7,5 KW Pumpe in Verbindung mit eigens angefertigten Hochleistungsspeichern benötigt.

Die damit verbundene Verlustwärme ist dementsprechend im Verhältnis zur Systemleistung sehr niedrig, die Leistungsverluste - bei einem Hochgeschwindigkeits-Zylinder ein Hauptproblem - ebenfalls. Angesteuert wird das ganze System mit einer SPS-Einheit, die eine Schaltzeit von 10 bis 15 ms erlaubt. Diese hochpräzise Steuereinheit, in die Steuerblock und Ventile integriert sind, sorgt dafür, dass jede Aktion zum exakten Zeitpunkt erfolgt. Entscheidend ist, dass alle Elemente einerseits der Präzision der gesamten Einheit entsprechen, andererseits den Transport extrem großer Ölmengen in kürzester Zeit mit minimalem Druckverlust in den Zylinder ermöglichen.

Die tribologischen und hydrodynamischen Probleme stellten sich insbesondere für die Hochgeschwindigkeitseinheit, die aus zwei hintereinander liegenden Hydraulik-Zylindern besteht: Ein Zylinder, der Positionier-Zylinder, bringt die Kolbenstange des eigentlichen Hochgeschwindigkeits-Zylinders, den Schlag-Zylinder, jeweils in Auffang- und Schussposition. Der Schlag-Zylinder schießt beziehungsweise fängt das von der Gegenseite ankommende Schiffchen auf. Dieser komplexe Zylinderaufbau musste dann strömungstechnisch optimiert werden, ohne dabei die Festigkeit der einzelnen Komponenten des Zylinders zu beeinträchtigen. Dabei war insbesondere die Suche nach neuen Dichtungskombinationen entscheidend. Außerdem wurde ein neues Dämpfungskonzept entwickelt, damit die zum Abschuss des Weberschiffchens hochbeschleunigte Kolbenstange wieder abgebremst wird, ohne dass sie sich selbst und den Zylinder in relativ kurzer Zeit zerstört. Schließlich mussten die Verbindungen zu den Leitungen, dem Steuerblock und den Ventilen angepasst werden, damit nicht an den Schnittstellen unzulässige Strömungsverluste entstehen.

Entscheidend für Jäger war die enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit Hänchen, bei der Schritt für Schritt das Gesamtsystem entwickelt und die verschiedenen Komponenten integriert wurden. Dieses enge Zusammenspiel gerade auch in der Entwicklung hat den Erfolg aus Sicht der Münsteraner überhaupt erst möglich gemacht. Jeder musste seine Erfahrungen einbringen und offen miteinander Probleme diskutieren, damit die geforderten Lösungen gefunden werden können. Vor diesem Hintergrund wurden dann viele Verbesserungen durch Versuche erreicht. Denn Lehrbuchwissen und Konstruktionsformeln decken viele Effekte in diesen Extrembereichen nicht mehr ab. So mussten Fachwissen und technische Kompetenz mit einer engagierten Konstruktion und vielfältigen Versuchen gekoppelt werden, um zum Ziel zu gelangen. Ein technisch kreatives Team aus Kunden und Zulieferer war der Weg zu diesem Erfolg.

Jörg Beyer