Die Vorgelegewellenkupplung des Kegelbrechers, ein wichtiges Kraftübertragungselement, das die Vorgelegewelle mit dem Hauptantriebssystem verbindet, spielt eine Schlüsselrolle bei der Drehmomentübertragung (Übertragung der Drehkraft zum Antrieb der Brechbewegung), dem Ausgleich von Fluchtungsfehlern (Ausgleich kleiner axialer, radialer oder winkliger Fehlausrichtungen), der Schwingungsdämpfung (Absorption von Stößen durch Lastwechsel) und dem optionalen Überlastschutz (über Scherstifte oder Reibscheiben). Sie erfordert hohe Torsionsfestigkeit, Dauerfestigkeit und Flexibilität für den Betrieb bei 500–1500 U/min.
Strukturell handelt es sich um eine Flansch- oder Hülsenbaugruppe, die aus Kupplungsnaben (hochfester Guss- oder Schmiedestahl mit Keilnuten/Keilwellen), einem flexiblen Element (Gummi-/Elastomerscheiben, Zahnräder oder Stift und Buchse), Flanschplatten, Befestigungselementen und optionalen Scherstiftlöchern besteht.
Die Kupplungsnaben werden im Gussverfahren hergestellt: Materialauswahl (ZG35CrMo), Modellherstellung (mit Schrumpfungstoleranzen), Formen (harzgebundene Sandform), Schmelzen und Gießen (kontrollierte Temperatur und Durchflussrate), Abkühlen und Ausschalen sowie Wärmebehandlung (Normalisierung und Anlassen). Der Bearbeitungs- und Herstellungsprozess umfasst die Nabenbearbeitung (Schruppen und Schlichten), die Herstellung flexibler Elemente (Formen für Gummielemente, Verzahnen für zahnradartige Elemente), die Bearbeitung der Flanschplatte, die Montage und die Oberflächenbehandlung.
Die Qualitätskontrolle umfasst Materialprüfungen (chemische Zusammensetzung und Zugfestigkeit), Maßgenauigkeitsprüfungen (KMG und Vorrichtungslehren), Prüfungen der mechanischen Eigenschaften (Härte- und Torsionsprüfung), zerstörungsfreie Prüfungen (MPT und UT) sowie Funktionsprüfungen (Versatz- und Überlastprüfung). Diese gewährleisten eine zuverlässige Kraftübertragung und einen stabilen Betrieb des Kegelbrechers im Bergbau und in der Zuschlagstoffverarbeitung.
Detaillierte Einführung in die Vorgelegewellenkupplungskomponente des Kegelbrechers
1. Funktion und Rolle der Vorgelegekupplung
Die Vorgelegewellenkupplung (auch Zwischenwellenkupplung oder Ritzelwellenkupplung genannt) ist ein wichtiges Kraftübertragungselement, das die Vorgelegewelle (Zwischenwelle) mit dem Hauptantriebssystem (z. B. Motor oder Getriebe) verbindet. Zu ihren Hauptfunktionen gehören:
Drehmomentübertragung: Übertragen der Drehkraft vom Antriebsmotor auf die Vorgelegewelle, die dann das Ritzel und die Exzenterbuchse antreibt und so letztendlich die Zerkleinerungsbewegung bewirkt.
Ausgleich von Fluchtungsfehlern: Ausgleich kleiner axialer, radialer oder winkliger Fehlausrichtungen (typischerweise ≤0,5 mm axial, ≤0,1 mm radial, ≤1° winklig) zwischen Vorgelegewelle und Antriebswelle, wodurch die Belastung von Lagern und Wellen reduziert wird.
Schwingungsdämpfung: Absorbiert Stöße und Vibrationen, die bei plötzlichen Laständerungen entstehen (z. B. beim Zerkleinern harter Materialien) und schützt so Motor, Getriebe und andere Präzisionskomponenten vor Beschädigungen.
Überlastschutz: Einige Konstruktionen umfassen Scherstifte oder Reibscheiben, die bei extremer Überlastung versagen und so katastrophale Schäden am Antriebssystem verhindern.
Aufgrund ihrer Rolle im Betrieb mit hohem Drehmoment und hoher Geschwindigkeit (typischerweise 500–1500 U/min) muss die Vorgelegewellenkupplung eine hohe Torsionsfestigkeit, Dauerfestigkeit und Flexibilität aufweisen.
2. Aufbau und Struktur der Vorgelegekupplung
Bei der Vorgelegewellenkupplung handelt es sich typischerweise um eine Flansch- oder Hülsenbaugruppe mit den folgenden Hauptkomponenten und Konstruktionsdetails:
Kupplungsnaben: Zwei zylindrische Naben (Eingang und Ausgang) mit Innenbohrungen zur Befestigung an der Vorgelegewelle und der Antriebswelle. Naben bestehen häufig aus hochfestem Stahlguss (z. B. ZG35CrMo) oder Schmiedestahl mit Passfedernuten oder Keilwellenverzahnung zur Drehmomentübertragung.
Flexibles Element: Eine Komponente, die die beiden Naben verbindet und dabei eine Fehlausrichtung zulässt, wie z. B.:
Gummi- oder Elastomerscheiben: Elastische Scheiben, die mit Metallplatten verbunden sind und für Flexibilität und Schwingungsdämpfung sorgen.
Zahnradzähne: Außen- oder Innenverzahnung auf einer Nabe, die mit einem entsprechenden Zahnrad auf der anderen Nabe kämmt (Zahnradkupplung), wodurch eine Winkelfehlstellung möglich ist.
Stift und Buchse: An einer Nabe befestigte Stahlstifte, die in Buchsen an der anderen Nabe passen, mit Buchsen aus Bronze oder Polymer für geringe Reibung.
Flanschplatten: An den Naben sind Metallplatten angeschraubt, die das flexible Element sichern. Für die Montage sind in den Flanschen gleichmäßig verteilte Schraubenlöcher angebracht, um eine gleichmäßige Lastverteilung zu gewährleisten.
Befestigungselemente: Hochfeste Schrauben (z. B. Güte 8.8 oder 10.9) und Muttern, die die Naben und das flexible Element zusammenklemmen, mit Sicherungsscheiben oder Schraubensicherungsmittel, um ein Lösen zu verhindern.
Scherstiftlöcher (optional): Radiale Löcher für Scherstifte, die bei übermäßigem Drehmoment brechen und als Sicherheitsmechanismus zum Schutz des Antriebssystems dienen.
3. Gießprozess für die Kupplungsnaben
Die Kupplungsnaben, die oft groß und komplex geformt sind, werden typischerweise im Gussverfahren hergestellt:
Materialauswahl:
Hochfester Stahlguss (ZG35CrMo) wird aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften bevorzugt: Zugfestigkeit ≥700 MPa, Streckgrenze ≥500 MPa und Schlagzähigkeit ≥35 J/cm². Er bietet gute Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit und eignet sich für die Drehmomentübertragung.
Musterherstellung:
Aus Holz, Schaumstoff oder 3D-gedrucktem Harz wird ein Präzisionsmuster erstellt, das den Außendurchmesser, die Innenbohrung, die Passfedernut, den Flansch und die Schraubenlöcher der Nabe nachbildet. Schrumpfungstoleranzen (1,5–2 %) werden hinzugefügt, wobei für dickwandige Abschnitte (z. B. Flanschwurzeln) größere Toleranzen vorgesehen sind.
Das Muster umfasst Kerne zur Bildung der Innenbohrung und der Keilnut, wodurch Maßgenauigkeit gewährleistet wird.
Formen:
Eine harzgebundene Sandform wird vorbereitet, wobei das Modell und die Kerne so positioniert werden, dass sie die Form der Nabe bilden. Der Formhohlraum wird mit einer feuerfesten Schlichte (auf Aluminiumoxidbasis) beschichtet, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern und Sandeinschlüsse zu verhindern.
Schmelzen und Gießen:
Der Gussstahl wird in einem Lichtbogenofen bei 1520–1560 °C geschmolzen, wobei die chemische Zusammensetzung auf 0,32–0,40 % C, 0,8–1,1 % Cr und 0,15–0,25 % Mo eingestellt wird, um Festigkeit und Zähigkeit auszugleichen.
Das Gießen erfolgt bei 1480–1520 °C mit einer Schöpfkelle und einer gleichmäßigen Fließgeschwindigkeit, um Turbulenzen zu vermeiden und eine vollständige Füllung der Form sicherzustellen, insbesondere bei komplizierten Merkmalen wie Keilnuten.
Abkühlen und Ausschütteln:
Das Gussteil wird 48–72 Stunden in der Form gekühlt, um die thermische Spannung zu minimieren, und anschließend durch Vibration entfernt. Sandrückstände werden durch Kugelstrahlen (G25-Stahlkorn) entfernt, wodurch eine Oberflächenrauheit von Ra25–50 μm erreicht wird.
Wärmebehandlung:
Durch Normalisierung (850–900 °C, luftgekühlt) wird die Kornstruktur verfeinert, gefolgt von Anlassen (600–650 °C), um die Härte auf 180–230 HBW zu reduzieren und so die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
4. Bearbeitungs- und Herstellungsprozess
Nabenbearbeitung:
Schruppbearbeitung: Die Gussnabe wird auf einer CNC-Drehmaschine montiert, um den Außendurchmesser, die Flanschfläche und die Innenbohrung zu bearbeiten. Dabei wird eine Nachbearbeitungstoleranz von 2–3 mm eingehalten. Die Keilnuten werden mit einer CNC-Fräsmaschine vorgefräst.
Fertigbearbeitung: Die Innenbohrung wird gehont, um eine Maßtoleranz von H7 (für Spielpassung mit der Welle) und eine Oberflächenrauheit von Ra0,8 μm zu erreichen. Passfedernuten oder Keilwellen werden nach DIN 6885 fertig bearbeitet, um eine präzise Passung mit den Wellenpassfedern zu gewährleisten.
Herstellung flexibler Elemente:
Für Gummi-/Elastomerelemente: Elastomerverbindungen (z. B. Nitrilkautschuk oder Polyurethan) werden zu Scheiben mit Metalleinsätzen geformt und 10–20 Minuten bei 150–180 °C ausgehärtet, um eine Shore-Härte von 60–80 A zu erreichen.
Für zahnradartige Elemente: Die Zahnradzähne werden mithilfe einer CNC-Wälzfräsmaschine in eine Nabe geschnitten, mit einem Modul von 3–8 und einem Eingriffswinkel von 20°, um die Kompatibilität mit der Gegennabe sicherzustellen.
Flanschplattenbearbeitung:
Flanschplatten werden mittels Laserschneiden aus Stahlplatten (z. B. Q355B) geschnitten und anschließend mit einer CNC-Bohrmaschine mit Bolzenlöchern (Positionstoleranz ±0,1 mm) gebohrt. Die Passflächen werden plangeschliffen (≤0,05 mm/m), um eine dichte Abdichtung mit den Naben zu gewährleisten.
Montage:
Das flexible Element ist zwischen den beiden Naben angeordnet, wobei die Flanschplatten mit hochfesten Schrauben (Klasse 8.8) zusammengeschraubt und mit dem angegebenen Drehmoment (normalerweise 200–500 N·m) angezogen werden.
Bei Scherstiftkonstruktionen werden Stifte (aus 45#-Stahl, wärmebehandelt auf HRC 30–35) in vorgebohrte Löcher eingesetzt, um sicherzustellen, dass sie das schwächste Glied im Drehmomentpfad darstellen.
Oberflächenbehandlung:
Naben und Flanschplatten sind zum Schutz vor Korrosion mit Epoxidfarbe oder Zink (5–8 μm dick) beschichtet. Die bearbeiteten Bohrungsoberflächen sind zur einfacheren Montage mit einem Festfressen verhindernden Mittel behandelt.
5. Qualitätskontrollprozesse
Materialprüfung:
Die Analyse der chemischen Zusammensetzung (Spektrometrie) bestätigt, dass die Nabenmaterialien den Standards entsprechen (z. B. ZG35CrMo: C 0,32–0,40 %).
Zugversuche an Nabenproben bestätigen eine Zugfestigkeit von ≥700 MPa und eine Dehnung von ≥12 %.
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) prüft die Nabenabmessungen: Bohrungsdurchmesser (H7-Toleranz), Keilnuttiefe/-breite (±0,05 mm) und Flanschebenheit.
Die Positionen der Bolzenlöcher werden mit einer Vorrichtungslehre überprüft, um die Ausrichtung zwischen Naben und Flanschen sicherzustellen.
Prüfung mechanischer Eigenschaften:
Durch Härteprüfungen (Brinell) wird sichergestellt, dass die Nabenhärte 180–230 HBW beträgt; die Zahnräder (sofern vorhanden) werden durch Induktionshärten auf HRC 50–55 gehärtet, was durch Rockwell-Tests bestätigt wird.
Bei Torsionstests wird die Kupplung 10 Minuten lang 120 % des Nenndrehmoments ausgesetzt, wobei keine bleibenden Verformungen oder Risse zulässig sind.
Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):
Durch die Magnetpulverprüfung (MPT) werden Oberflächenrisse in Nabenkeilnuten und Flanschwurzeln erkannt. Jeder Defekt mit einer Länge von weniger als 0,3 mm führt zur Ablehnung.
Mittels Ultraschallprüfung (UT) werden Nabenkörper in lasttragenden Bereichen auf innere Defekte (z. B. Schrumpfporen) untersucht.
Funktionstests:
Prüfung auf Fehlausrichtung: Die Kupplung wird mit Nenndrehzahl und maximal zulässiger Fehlausrichtung betrieben, wobei die Vibrationspegel (gemessen über Beschleunigungsmesser) auf ≤5 mm/s begrenzt sind.
Überlastungsprüfung: Bei Scherstiftkonstruktionen wird die Kupplung mit 150 % des Nenndrehmoments belastet, um sicherzustellen, dass die Scherstifte versagen, bevor es zu Schäden an Nabe oder Welle kommt.
Durch diese Prozesse gewährleistet die Vorgelegekupplung eine zuverlässige Kraftübertragung, einen Ausgleich von Fehlausrichtungen und einen Überlastschutz und trägt so zum stabilen und effizienten Betrieb des Kegelbrechers im Bergbau und bei der Verarbeitung von Zuschlagstoffen bei.
