Vorspannen von Drehkranzlagerbolzen vs. Drehmomentschlüssel: Welche Methode gewährleistet eine gleichmäßige Vorspannung für Drehkranzlager von Bergbauschaufeln?

Vorspannen von Drehkranzlagerbolzen vs. Drehmomentschlüssel: Welche Methode sorgt für gleichmäßige Vorspannung bei Drehkranzlagern von Bergbauschaufeln? | Yining Hydraulic

TL;DR – Wichtigste Erkenntnisse

Drehmomentschlüsselmethoden erreichen eine Vorspannungsgenauigkeit von +/-25-35%, da 85-90% des aufgebrachten Drehmoments zur Überwindung der Gewinde- und Unterkopfreibung und nicht zur Dehnung der Schraube benötigt werden – die Schraubenspannung erreicht eine Genauigkeit von +/-5-10% durch direktes hydraulisches Dehnen der Schraube.
Bei den Drehkranzbolzen von Schaufelrad-Drehtischen (M36–M56, Klasse 10.9 oder 12.9) ist die hydraulische Bolzenvorspannung die einzige Methode, die eine gleichmäßige Vorspannung aller Bolzen im Drehkranz gewährleistet.— Drehmomentmethoden führen typischerweise zu einer Vorspannungsabweichung von 40-60% zwischen den fest angezogenen und den lockersten Schrauben, was eine ungleichmäßige Belastung der Lagerschalen und vorzeitigen Lagerausfall zur Folge hat.
Das Vorspannverfahren für die Schrauben erfordert 3-4 Vorspannvorgänge (nicht nur einen), da jede im Kreis vorgespannte Schraube die benachbarten Schrauben aufgrund der Gelenkkompression um 10-15 % entspannt.— Durch das Auslassen der Nachspannvorgänge beträgt die Vorspannung der äußeren Schrauben nur noch 60-70 % der vorgegebenen Vorspannung.

Warum die gleichmäßige Schraubenvorspannung bei Drehkranzlagern so wichtig ist: Das Problem der ungleichmäßigen Belastung, das erst beim Lagerausfall auffällt.

Ich entwerfe seit fünfzehn Jahren Drehantriebssysteme bei Yining Hydraulic, und die größten Diskrepanzen zwischen Spezifikationsvorgaben und praktischer Umsetzung sehe ich bei den Schraubverbindungen der Drehlager.Ein Drehlager an einem 200 Tonnen schweren Schaufelradbagger wird durch 40 bis 60 hochfeste Bolzen (typischerweise M42-M56, Klasse 10.9 oder 12.9) gesichert, die in einem kreisförmigen Bolzenmuster mit einem Durchmesser von 2 bis 3 Metern angeordnet sind.Jede Schraube muss eine bestimmte Vorspannung aufweisen – typischerweise 60–70 % der Prüflast der Schraube, entsprechend 400–600 kN für eine Schraube der Festigkeitsklasse M48 10.9 –, um zu verhindern, dass sich der Lagerring unter dem Kippmoment, das beim voll beladenen und ausgefahrenen Schaufelblatt entsteht, von der Montagefläche abhebt. Ist die Vorspannung ungleichmäßig, erfährt der Lagerring ungleichmäßigen Anpressdruck und verformt sich unter Last lokal. Dies führt zu einem Zustand, der als „Brinellierung“ bezeichnet wird. Dabei drücken die Wälzkörper die Laufbahnoberfläche ein, was zu Abplatzungen führt, die innerhalb von 2.000–5.000 Betriebsstunden zum vollständigen Lagerausfall führen können.

Das Problem der Vorspannungskonsistenz: Drehmomentschlüsselmethoden wenden ein Drehmoment auf den Schraubenkopf oder die Mutter an, und das Verhältnis zwischen dem angewendeten Drehmoment und der resultierenden Schraubenspannung hängt vom Reibungskoeffizienten an zwei Schnittstellen ab – dem Gewindekontakt und dem Kontakt unter dem Schraubenkopf (bzw. unter der Mutter).Die Drehmoment-Vorspannungs-Beziehung lautet: T = K × F × d, wobei T das angelegte Drehmoment, K der Mutterfaktor (typischerweise 0,15–0,22 für geschmierte Stahlgewinde), F die resultierende Schraubenvorspannung und d der Nenndurchmesser der Schraube ist. Das Problem besteht darin, dass K keine Konstante ist – er variiert je nach Gewindeoberflächenbeschaffenheit, Schmierzustand, ob die Schraube bereits angezogen wurde (wiederverwendete Gewinde weisen einen höheren K-Wert auf, da die Oberflächenrauheiten geglättet wurden) und ob sich Fremdkörper im Gewinde befinden.Eine realistische Schätzung für die K-Variation unter Feldbedingungen liegt bei +/-15-25%, was sich direkt in eine Variation der Schraubenvorspannung von +/-15-25% bei gleichem Drehmoment umrechnen lässt.Für eine Schraube, die eine Vorspannung von 500 kN erfordert und bei einem K-Wert von 0,18 und einem Durchmesser d von 48 mm liegt, gilt: T = 0,18 × 500.000 × 0,048 = 4.320 Nm. Wenn der K-Wert tatsächlich über den Schraubenkreis zwischen 0,15 und 0,22 variiert, erzeugt dasselbe Drehmoment von 4.320 Nm Vorspannungen zwischen 410 kN und 600 kN – eine Spanne von 46 % zwischen der lockersten und der feststen Schraube.VDI 2230Bei der Berechnung von Schraubverbindungen durch systematische Normen wird durch drehmomentgesteuertes Anziehen eine Vorspannungsstreuung von +/-25-35% selbst unter kontrollierten Laborbedingungen erreicht, und unter Feldbedingungen erhöht sich diese typischerweise auf +/-35-50%.

Hydraulische Schraubenspannung: Wie direkte Dehnung die Reibungsvariable eliminiert

Die hydraulische Schraubenvorspannung umgeht die Drehmoment-zu-Vorspannungs-Umrechnung vollständig, indem ein bekannter Hydraulikdruck auf einen Spanner ausgeübt wird, der direkt am Schraubenbolzen zieht und ihn elastisch dehnt.Der Spanner besteht aus einem Hydraulikzylinder mit einem Gewindezug, der auf die Bolzenverlängerung geschraubt wird (das Gewinde des Bolzens muss oberhalb der Mutter mindestens einen Bolzendurchmesser aufweisen, damit der Spanner greifen kann), einer Auflagefläche an der Verbindungsfläche und einer Aufnahme, mit der die Mutter nach dem Dehnen des Bolzens von Hand festgezogen werden kann. Der Arbeitsablauf: Der Spanner wird am Bolzen montiert, der Hydraulikdruck auf den vorgegebenen Wert (berechnet aus der effektiven Kolbenfläche des Spanners) angelegt, der Bolzen dehnt sich elastisch (0,1–0,3 mm Dehnung bei typischen Drehkranzbolzen), die Mutter wird mithilfe der Aufnahme durch den Spannerkörper handfest angezogen, der Hydraulikdruck wird abgelassen, und der Bolzen versucht, in seine ursprüngliche Länge zurückzukehren – die Mutter verhindert dies jedoch und erzeugt so die vorgegebene Vorspannung im Bolzen.

Die Vorspannungsgenauigkeit bei hydraulischer Vorspannung beträgt +/-5-10%, im Vergleich zu +/-25-35% bei Drehmomentschlüsselverfahren.Die hohe Genauigkeit ergibt sich daraus, dass die Schraubenspannung hydraulisch gesteuert wird. Der Druck wird mit einer Genauigkeit von ±1–2 % über das Manometer oder den Druckaufnehmer der Spannpumpe gemessen und geregelt. Der Elastizitätsmodul der Schraube (Young-Modul, 207 GPa für legierten Stahl) ist bei Schrauben aus derselben Wärmebehandlungscharge innerhalb von ±2 % konstant. Die einzige Variable ist die effektive Klemmlänge (die Schraubenlänge zwischen Mutter und erstem Eingriffspunkt), die je nach Gewindeeingriffstiefe und Schraubenklemmlänge um ±3–5 % variiert.Der Restfehler in der Vorspannung hat zwei Ursachen:(1) Schraubenrelaxation nach Spannungsabbau (die Verbindung komprimiert sich beim Entfernen des Spanners, wodurch die Schraubenspannung um 5-10 % sinkt – dies wird durch eine Überspannung von 5-10 % während des Spannvorgangs kompensiert) und (2) Wechselwirkung benachbarter Schrauben (das Spannen von Schraube 2 reduziert die Spannung in Schraube 1 um 10-15 %, da die Spannung von Schraube 2 die Verbindung weiter komprimiert und Schraube 1 dadurch entspannt – dies wird durch 3-4 Spannvorgänge ausgeglichen).ASME PCC-1Richtlinien für die Montage von Schraubverbindungen: Bei Schraubverbindungen mit großem Durchmesser, die eine Vorspannungsgenauigkeit von +/-10% oder besser erfordern, ist die hydraulische Vorspannung die bevorzugte Methode.

Spannungspässe: Das 3-4-Pass-Protokoll, das niemand anwenden will, aber jeder braucht

Ein einziger Spannvorgang – bei dem jede Schraube einmal im Kreis gespannt wird – führt zu Vorspannungsschwankungen von 30-50%, da jede nachfolgende gespannte Schraube die Verbindung komprimiert und zuvor gespannte Schrauben entspannt.Der Mechanismus: Wird Schraube Nr. 1 mit 500 kN vorgespannt, komprimiert sie die Verbindung lokal um Schraube Nr. 1 herum. Wird Schraube Nr. 2 (neben Schraube Nr. 1) vorgespannt, führt die zusätzliche Kompression der Verbindung im Bereich zwischen Schraube Nr. 1 und 2 zu einer leichten Verringerung der Verbindungsdicke in der Klemmzone von Schraube Nr. 1 – wodurch die Vorspannung von Schraube Nr. 1 um etwa 10–15 % sinkt. Mit fortschreitender Vorspannung im Kreis verliert jede Schraube nach und nach an Spannung, wobei die zuerst vorgespannte Schraube den größten Verlust erleidet – typischerweise beträgt ihre Vorspannung nach dem Vorspannen aller Schrauben im Kreis nur noch 50–60 % ihrer ursprünglichen Spannung.

Das korrekte Anziehverfahren: 3-4 Durchgänge um den Bolzenkreis, wobei der erste Durchgang mit 50-60% der Endspannung erfolgt, um die Verbindung zu setzen, und die nachfolgenden Durchgänge mit 100% der Endspannung.Durchgang 1: Alle Schrauben auf 60 % der endgültigen Vorspannung vorspannen (z. B. 300 kN bei einer Spezifikation von 500 kN) – dadurch wird die Verbindung teilweise gesetzt und der Relaxationseffekt in den folgenden Durchgängen reduziert. Durchgang 2: Alle Schrauben auf 100 % der endgültigen Vorspannung (500 kN) vorspannen. Durchgang 3: Alle Schrauben erneut auf 100 % der endgültigen Vorspannung vorspannen – in diesem Durchgang werden typischerweise 10–15 % der Spannung in den Schrauben der ersten Hälfte, die sich in Durchgang 2 gelöst haben, wiederhergestellt, und der Relaxationseffekt in Durchgang 3 wird auf 3–5 % reduziert, da die Verbindung nun vollständig gesetzt ist. Durchgang 4 (optional, aber für kritische Verbindungen empfohlen): Alle Schrauben erneut auf 100 % vorspannen und überprüfen, ob keine Schraube zwischen dem Vorspannen und der Überprüfungsmessung mehr als 5 % Spannung verliert (ggf. mit einem Ultraschall-Schraubendehnungsmessgerät).Ying HydraulikUnsere Installationsverfahren für Drehantriebe beinhalten ein obligatorisches 4-stufiges Spannverfahren für alle Bolzenverbindungen der Drehlager an Bergbaumaschinen. Wir liefern außerdem die Spannpumpe, den Spanner und die Verfahrensdokumentation mit jedem Drehantrieb.

Schraubenvorbereitung: Die drei Faktoren, die eine perfekte Anziehprozedur in eine fehlgeschlagene Verbindung verwandeln

Selbst bei hydraulischer Vorspannung können drei Faktoren bei der Schraubenvorbereitung die tatsächliche Vorspannung auf 50-70% des Sollwerts reduzieren, und alle drei werden bei der Montage vor Ort häufig übersehen.Faktor 1: Gewindeschmierung – Das Schraubengewinde und die Auflagefläche der Mutter müssen mit dem vorgeschriebenen Schmiermittel (typischerweise Molybdändisulfidpaste, Anti-Seize-Paste oder dem vom Schraubenhersteller empfohlenen Schmiermittel) geschmiert werden, um eine gleichmäßige Gewindereibung beim Anziehen zu gewährleisten. Trockene oder mit einem anderen als dem vorgeschriebenen Schmiermittel geschmierte Gewinde verändern den Reibungskoeffizienten und den Widerstand beim Lösen der Mutter, wodurch sich diese beim Lösen teilweise abdrehen kann. Faktor 2: Klemmlänge der Schraube – Der gewindelose Schaft der Schraube zwischen Kopf und erstem Eingriffsgewinde muss mindestens das 3- bis 4-fache des Schraubendurchmessers betragen, damit sich die Schraube mit der korrekten Federrate elastisch dehnen kann. Eine Schraube mit einer Klemmlänge von weniger als dem 2-fachen Durchmesser weist eine sehr hohe Federrate auf, d. h. sie benötigt für die gleiche Dehnung mehr Spannkraft und reagiert empfindlicher auf Entspannung. Faktor 3: Ebenheit der Auflagefläche – Die Auflageflächen unter Schraubenkopf und Mutter müssen innerhalb von 0,1 mm über den Auflagedurchmesser eben sein. Eine unebene Oberfläche verursacht neben Zugspannungen auch Biegespannungen im Bolzen, wodurch die effektive Vorspannung und die Dauerfestigkeit des Bolzens um 30-50 % reduziert werden.

Überprüfung nach dem Spannen: Die Schraubenvorspannung kann durch Messung der Schraubendehnung mit einem Ultraschall-Schraubenmessgerät überprüft werden (Impuls-Echo-Verfahren, Messung der Laufzeit eines Ultraschallimpulses durch die Schraubenlänge).Die Dehnungsmessung vor und nach dem Spannen ergibt die tatsächliche Schraubendehnung, die, multipliziert mit der Schraubenquerschnittsfläche und dem Elastizitätsmodul, die tatsächliche Vorspannung ergibt. Dies ist die einzige direkte Messmethode für die Schraubenvorspannung im eingebauten Zustand – die Drehmomentmessung (Überprüfung des Losbrechmoments) korreliert nicht mit der Vorspannung, sobald die Schraube gespannt ist, da die statische Reibung (Lobrechmoment) beim Anziehen höher ist als die dynamische Reibung.Ying HydraulikWir empfehlen die Ultraschallprüfung der Bolzendehnung für Drehkranzlagerbolzen an Baggerladern mit Drehkranzdurchmessern über 2,5 Metern. Bei diesen Baggerladern führt eine ungleichmäßige Vorspannung zu einer ungleichmäßigen Belastung der Lagerringe, die erst bei beginnendem Lagerausfall erkannt wird. Siehe auch unseren Leitfaden zuIntegration und Montage des Drehgetriebesfür zusätzliche Hinweise zu Schraubverbindungen.

Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum ist die Gleichmäßigkeit der Schraubenvorspannung bei Drehkranzlagern von Baggern im Bergbau so wichtig?: Ungleichmäßige Vorspannung verursacht ungleichmäßigen Anpressdruck der Lagerlaufbahn, was zu lokaler Verformung der Laufbahn, dem sogenannten Brinelling, führt. Dabei drücken sich die Wälzkörper in die Laufbahnoberfläche ein. Dies initiiert Abplatzungen, die innerhalb von 2.000 bis 5.000 Betriebsstunden zum vollständigen Lagerausfall führen. Die Drehlagerbolzen (M36–M56, Festigkeitsklasse 10.9/12.9) müssen eine Vorspannung von 60–70 % der Prüflast aufweisen, um ein Abheben der Laufbahn bei Kippmomenten zu verhindern.
Frage 2: Was ist der entscheidende Vorteil der hydraulischen Schraubenvorspannung gegenüber Drehmomentschlüsseln für Drehlagerschrauben?: Die hydraulische Vorspannung dehnt die Schraube direkt mit kontrolliertem Hydraulikdruck und erreicht so eine Vorspannungsgenauigkeit von ±5–10 %. Drehmomentschlüssel basieren auf der Drehmoment-Vorspannungs-Beziehung (T = K × F × d), wobei der Mutterfaktor K aufgrund von Unterschieden in der Gewindereibung um ±15–25 % variiert – was zu einer Vorspannungsstreuung von ±25–35 % unter Laborbedingungen und bis zu ±50 % unter Feldbedingungen führt.
Frage 3: Wie viele Spannvorgänge sind für die Bolzenkreise von Drehkranzlagern erforderlich und warum?: Es sind 3–4 Durchgänge erforderlich. Im ersten Durchgang mit 60 % der endgültigen Vorspannung wird die Verbindung fixiert. Im zweiten Durchgang mit 100 % der endgültigen Vorspannung werden alle Schrauben vorgespannt. Im dritten Durchgang mit 100 % Vorspannung wird die durch die Kompression der Verbindung im zweiten Durchgang verursachte Entspannung von 10–15 % in den vorherigen Schrauben ausgeglichen. Im vierten Durchgang (optional) wird die Restspannung überprüft. Ein einzelner Durchgang führt zu Vorspannungsschwankungen von 30–50 %, da jede nachfolgende vorgespannte Schraube die zuvor vorgespannten benachbarten Schrauben entspannt.
Frage 4: Welche Faktoren bei der Schraubenvorbereitung beeinflussen die Genauigkeit der hydraulischen Vorspannung bei Feldinstallationen?: Drei Faktoren: (1) Die Gewindeschmierung muss mit dem vorgeschriebenen Schmiermittel erfolgen – trockene oder unterschiedlich geschmierte Gewinde verändern den Widerstand beim Lösen der Mutter; (2) die Bolzenklemmlänge muss mindestens das 3- bis 4-fache des Bolzendurchmessers betragen, um eine ausreichende elastische Dehnung zu gewährleisten; (3) die Ebenheit der Verbindungsfläche muss innerhalb von 0,1 mm über dem Lagerdurchmesser liegen – unebene Oberflächen verursachen Biegespannungen, die die effektive Vorspannung um 30–50 % reduzieren.
Frage 5: Wie kann die tatsächliche Schraubenvorspannung nach dem hydraulischen Spannen überprüft werden?: Die einzige direkte Methode ist die Ultraschall-Dehnungsmessung der Schraube (Impuls-Echo-Verfahren, Messung der Laufzeit des Ultraschallimpulses durch die Schraube vor und nach dem Spannen). Die Dehnung, multipliziert mit der Schraubenquerschnittsfläche und dem Elastizitätsmodul, ergibt die tatsächliche Vorspannung. Die Drehmomentprüfung (Loslösemoment) ist nach dem Spannen unzuverlässig, da die statische Loslösereibung nicht mit der Vorspannung korreliert.

Externe Referenzen: Berechnung von Schraubverbindungen nach VDI 2230 · ASME PCC-1 Schraubverbindungen · DNV-Klassifizierung · Hydrauliksysteme nach ISO 4413 · SAE International · AGMA-Standards · ABS-Regeln

Felddaten von Yining Hydraulic — Eisenerzmine Pilbara 2019, Analyse des Ausfalls von 8 Schaufelbaggern mit Drehkranzlagerbolzen:Eine Flotte von acht Elektroseilenbaggern (220-Tonnen-Klasse) verzeichnete innerhalb von drei Jahren fünf Lagerwechsel an den Drehkranzlagern – Kosten von 180.000 US-Dollar pro Lager zuzüglich zehn Tagen Baggerstillstand. Die Ursachenanalyse ergab, dass die Schrauben mit Drehmomentschlüsseln (nicht mit Spannvorrichtungen) angezogen wurden und die gemessene Vorspannungsabweichung über den Schraubenkreis 42–58 % betrug. Die Lagerlaufbahnen wiesen ungleichmäßige Brinellierungsmuster auf, die exakt den Bereichen entsprachen, in denen die Schraubenvorspannung unter 60 % der Spezifikation lag. Nach der Umstellung auf hydraulisches Spannen mit einem 4-stufigen Verfahren traten in den folgenden vier Jahren keine Lagerausfälle mehr auf. Die Kosten für die Spannvorrichtung beliefen sich auf 12.000 US-Dollar pro Bagger – verglichen mit 180.000 US-Dollar pro Lagerwechsel amortisierte sich die Investition bereits nach dem ersten vermiedenen Ausfall.

Ein letzter Warnhinweis aus fünfzehn Jahren Erfahrung mit der Inbetriebnahme von Drehantrieben: Drehlagerbolzen dürfen nach dem Ausbau niemals wiederverwendet werden. Bolzen, die unter voller Vorspannung stehen, verformen sich in den ersten Gewindegängen plastisch. Das erneute Anziehen eines gebrauchten Bolzens führt zu einer unvorhersehbaren Vorspannung – typischerweise 15–25 % geringer als bei einem neuen Bolzen bei gleichem Anpressdruck –, da die Zone der plastischen Verformung die effektive Klemmlänge vergrößert hat.

Für Spezifikationen zu Drehlagerbolzen, Empfehlungen zu Spannvorrichtungen oder zur Überprüfung der Konstruktion kundenspezifischer Bolzenverbindungen wenden Sie sich bitte an unser Ingenieurteam bei Yining Hydraulic – wir haben die Spannvorrichtungen und die Verfahrensdokumentation für Ihr spezifisches Drehantriebsmodell bereit.