Pneumatische Schwenkantriebe werden im Wesentlichen in drei Bauformen angeboten: als Schwingen-Antrieb (Vane), als Schwinge-Hebel-Antrieb (Scotch & Yoke) und als Zahnstange-Ritzel-Antrieb (Rack & Pinion). Unter diesen drei Bauformen hat der Zahnstange-Ritzelantrieb entscheidende Vorteile mit linearem Drehmoment und hoher Variabilität. Der Standard-Drehwinkel derartiger Antriebe beträgt 90°, abgestimmt auf die am meisten verkauften Armaturen, allen voran Kugelhahn und Absperrklappe. In diesem Beitrag werden ausschließlich Zahnstange-Ritzelantriebe betrachtet. Bei vielen Antrieben lassen sich eine oder beide Endlagen des Drehwinkels mit Einstellschrauben in einem geringen Umfang einstellen, meist im Bereich von maximal 3° bis 5°. Für viele Anwendungen insbesondere in Kraftwerken oder im Klima-/Lüftungsbereich ist dieser Einstellbereich nicht ausreichend. In diesen Einsatzbereichen muss des Öfteren eine Klappe mit einer Mindestöffnung angestellt werden, beispielsweise im Bereich von 10° bis 15°. Viele Antriebe bieten eine weitere Einschränkung in der Endlageneinstellung: Über Schrauben in den Deckeln lassen sich nur die äußeren Endlagen einstellen. Speziell für Absperrklappen, die im geschlossenen Zustand in der Endlage eingestellt werden müssen, ist eine derartige einseitige Einstellung völlig nutzlos. Kompromisslösungen, bei denen eine Schraube durch den Kolben geführt wird, wirken einerseits immer nur auf einen Kolben und bergen andererseits die Gefahr, im Bereich der Kolbendurchführung zu lecken. In den letzten Jahren hat sich die Einstellung der Endlagen über seitliche Schrauben durchgesetzt, die auf eine Anschlagscheibe und damit direkt auf die Welle wirken. Hier ist die Konstruktion der Anschlagscheibe und die formschlüssige Verbindung zwischen Scheibe und Welle entscheidend. Hinsichtlich der Beurteilung des Einstellwinkels sind Anwender auf grobes Augenmaß angewiesen. Im Allgemeinen bieten Antriebe keine Anzeige mit Gradeinteilung, die eine Einstellung der Endlagen vereinfachen würde. Für den optimalen Betrieb eines Zahnstange-Ritzel-Antriebs ist die Bearbeitung der Verzahnung von Kolben und Welle entscheidend. Die bei vielen Herstellern immer noch übliche Geradverzahnung hat für Regelanwendungen zu hohes Spiel und erzeugt vermeidbare Reibung. Der letzte Winter hat gezeigt: auch in Deutschland kann es Temperaturen unter -20°C geben; im EU-Bereich sind derart tiefe Temperaturen in vielen Ländern die Regel. Antriebe, die üblicherweise einen Bereich von -20°C bis +80°C abdecken, sind im Außenbereich somit nur eingeschränkt einsetzbar. Meist setzt man dann teurere Tieftemperatur-Varianten ein. Ein Antriebshersteller hat diese regelmäßig genannten Defizite zum Anlass genommen, gemeinsam mit Kunden einen optimierten pneumatischen Schwenkantrieb auf Zahnstange-Ritzel-Basis umzusetzen. Im Folgenden werden die wesentlichen technischen Eigenschaften vorgestellt. Die Endlagen des Antriebs werden über zwei seitliche Schrauben eingestellt, die gegenüber des Namur-Anschlusses für die Druckluftzufuhr platziert sind. Dies ermöglicht den Einsatz aller üblichen Magnetventile auch mit großen Magnetspulen, da Einstellschrauben und Magnetventil sich nicht behindern können. Der Einstellwinkel beträgt 20° für jede Endlage, wobei jeweils 15° nach innen (Verkleinerung des Drehwinkels) und 5° nach außen eingestellt werden können. Je nach Aufbau des Antriebs lassen sich damit für Standardarmaturen Drehwinkel von 75° bis 95° erreichen beziehungsweise für Weichen und Verteilerarmaturen Drehwinkel von 60° bis 100°. Der Anwender kann damit nahezu alle 90°-Standardarmaturen mit einem Antrieb ohne Sondervarianten abdecken. Die beiden Einstellschrauben wirken auf eine neu berechnete Anschlagscheibe, die so konstruiert ist, dass die Einstellschrauben senkrecht auf die Anschlagfläche wirken und somit kein seitliches Moment auf die Schrauben entsteht. Die Anschlagscheibe ist formschlüssig und spielfrei über eine spezielle Geometrie mit der Welle verbunden. Beide Einstellschrauben sind durch Kontermuttern gegen Verstellung geschützt. Eine weitere Besonderheit ist die visuelle Einstellhilfe für den Drehwinkel. Am oberen Wellenüberstand befindet sich eine gut ablesbare, auf der Oberseite des Antriebs fixierte und nicht mit drehende Scheibe. In Verbindung mit dem ebenfalls serienmäßigen Puck ermöglicht die Gradeinteilung es dem Anwender, ausreichend genau und reproduzierbar die Endanschläge einzustellen. Bei der Instandhaltung mit Wechsel der Dichtungssätze kann die Welle an Hand der Gradeinteilung für die Montage der Kolben exakt so eingestellt werden, dass es die Montage deutlich vereinfacht. Der Puck ist gleichzeitig eine weithin sichtbare Stellungsanzeige. Darüber hinaus ist eine Variante mit Metalleinsatz verfügbar, der die sichere Verwendung aller gängigen Endschalterkästen und Stellungsregler erlaubt. Der armaturenseitige Anschluss der Welle bildet einen Doppel-Vierkant, so dass die beiden gängigen Orientierungen des Armaturenschafts parallel zur Rohrleitung beziehungsweise 45° gedreht zur Rohrleitungs-Längsachse ohne Umbau der Antriebswelle abgedeckt werden. Bei den meisten Antriebsgrößen sind in den Boden des Antriebs zwei Anschlussbilder eingearbeitet, so dass unterschiedliche Armaturenflansche angebunden werden können. Diese variablen Schnittstellen vereinfachen die Lagerhaltung des Anwenders.
Mit erweitertem Temperaturbereich für Outdoor-Anwendungen
Ein wesentlicher Kundenvorteil des neu konzipierten Antriebs ist der erweiterte Temperaturbereich. Durch Verwendung eines geeigneten Materials für die O-Ringe konnte der Hersteller den Standard-Temperaturbereich auf -40°C bis +80°C erweitern. Damit können neben den Indoor-Anwendungen in vielen Regionen auch alle Outdoor-Anwendungen mit einem Antrieb bedient werden, ohne die Notwendigkeit, auf Tieftemperatur-Varianten ausweichen zu müssen. Selbstverständlich besteht die Garantie für die gewohnt hohe Lebensdauer der Antriebe auch für diesen Temperaturbereich. Wenn tiefere Temperaturen als -40°C gefordert sind, hat der Anwender die Möglichkeit, eine Tieftemperaturvariante bis -55°C einzusetzen. Neben allen Besonderheiten sind für den Anwender natürlich die elementaren Eigenschaften eines Antriebs wichtig: Armaturen optimal zu öffnen, zu schließen und zu regeln. Dies schafft man, wenn der Antrieb möglichst spielarm und ruckfrei läuft. Mit der üblichen Geradverzahnung ist das nur schwer zu erreichen. Mit einer beidseitigen Evolventenverzahnung, vereinfacht beschrieben „runden“ Zähnen auf Kolben und Welle, wird ein spielarmer Betrieb erreicht. Zudem bieten die optimal und mit der größtmöglichen Fläche eingreifenden Zahnpaare einer solchen Konstruktion eine sanfte Bewegung ohne Ruckeln und eine erhöhte Sicherheit gegen Beschädigung der Zähne auf Kolben oder Welle. Bei einer Geradverzahnung ist die Kontaktfläche zwischen Kolben und Welle sehr viel geringer als bei einer Evolventenverzahnung und damit die Krafteinwirkung auf die Zahnflanken und Zahnspitzen deutlich höher. Darüber hinaus bietet eine Evolventenverzahnung optimale Regelbarkeit des Antriebs – durch das geringe Spiel und den ruckfreien Lauf findet der Stellungsregler die ausgeregelte Lage problemlos und ohne Nachregeln. Neben den technischen Vorteilen der Standardversionen des Antriebs werden Spezialanforderungen der Anwender durch zahlreiche Sondervarianten erfüllt, die hier nicht technisch beschrieben werden können. Große Drehwinkel bis 180° lassen sich genauso realisieren wie eine hundertprozentige Einstellung des Drehwinkels über den gesamten Drehbereich. Mehrstellungsantriebe und Dosierantriebe erfüllen Anforderungen für Spezialarmaturen. Hydraulische Dämpfung ermöglicht den Einsatz auch bei hochgradig durch Flüssigkeitsschlag gefährdeten Armaturen oder wenn sehr langsame Bewegungen gefordert sind. Verschiedene Beschichtungen erlauben den Einsatz in allen denkbaren Applikationen von Chemie bis Off-Shore, eine polierte Edelstahlvariante sogar die Anwendung in der Pharmazie. Der Anwender kann von den hier vorgestellten erweiterten Eigenschaften eines pneumatischen Schwenkantriebs nur profitieren. Optimierte und flexible Schnittstellen und der erhöhte Temperaturbereich helfen bei der Reduzierung der Lagerplätze für verschiedene Antriebsausführungen. Visuelle Hilfen erleichtern sowohl die Anpassung auf Armaturen als auch die Instandhaltung. Die Minimierung des Spiels verschiedener Komponenten des Antriebs erhöht die Sicherheit beim Einsatz als Regelantrieb und bietet optimierte Armaturenbewegung im Standardeinsatz. Und das alles im gesamten Drehmomentbereich von zehn bis 10.000 Nm.☐
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