Krananlagen: Einschaltdauer (ED) & Nutzungsklassen

• Klassifizierungsprozess:

• Definition des Verwendungszwecks und der Lebensdauer.

• Erhebung/Abschätzung des Lastkollektivs (Spektrum, Häufigkeit, Lastanteile).

• Ermittlung der Nutzungsklasse (ISO 4301-1) und Mechanismusklasse (FEM 9.511).

• Ableitung ED und Betriebsart für Antriebe (IEC 60034-1; z. B. S3 40%).

• Abgleich mit Struktur- und Komponentenbemessung (EN 13001; Sicherheitsbeiwerte).

• Struktur: statische und ermüdungsfestigkeitstechnische Nachweise, ggf. mittels FEA (mit Validierung und Annahmenprüfung).

• Antriebe/Bremsen: Thermik (ED, Einschaltdauerzähldaten), Bremsmomente/Notstopp, Lebensdauerberechnung Getriebe/Lager.

• Hebemittel: Seil-/Kettennachweis (Sicherheitsfaktoren, Biegewechselzahl), Trommel/Rolle, Haken (EN 1677/EN 818 u. a.).

• Sicherheit: PL/SIL-Berechnung (SISTEMA/Toolreports), Diagnoseabdeckung, Testintervalle, Common Cause Failure.

• EMV/LVD: Prüfberichte akkreditierter Labore oder interne Prüfprotokolle nach harmonisierten Normen.

• Klassifizierungsdossier: Nutzungsklasse, ED, Lastkollektive, Grenzen der bestimmungsgemäßen Verwendung, Betriebsprofile.

• Bedienungs- und Wartungsanleitungen mit konkreten Inspektionsintervallen abgeleitet aus der Klassifizierung.

• Prüf- und Wartungsnachweise (Lebenslaufakte), Zählerstände (Betriebsstunden, Lastspiele), Condition-Monitoring-Reports.

• Implementierung von Nutzungszählern (Lastspiel-/ED-Zähler), Ereigniserfassung (Überlast, Temperatur, Starts/h).

• Anpassung der Prüffristen an realen Gebrauch (risikobasiert, TRBS 1201-konform).

• Grenzwert- und Alarmkonzepte; Dokumentation von Überschreitungen und Maßnahmen.

• IEC-Betriebsarten (IEC 60034-1): Die Norm unterscheidet S1–S9 als standardisierte Last-/Betriebsprofile für elektrische Maschinen.

• S1: Dauerbetrieb mit konstantem Lastmoment.

• S2: Kurzzeitbetrieb (definierte Laufzeit, danach Ruhe bis thermische Ausgangslage).

• S3: Aussetzbetrieb (periodischer Betrieb ohne nennenswerte thermische Wirkung des Anlaufens).

• S4: Aussetzbetrieb mit Anlauf (Anlaufverluste sind thermisch relevant).

• S5: Aussetzbetrieb mit elektrischer Bremsung.

• S6: Dauerbetrieb mit Aussetzbelastung (keine Stillstandsphasen, wechselnde Last).

• S7: Dauerbetrieb mit Anlauf (ohne Stillstand, mit häufigem Anlauf).

• S8: Dauerbetrieb mit periodischer Drehzahländerung.

• S9: Nichtperiodischer Betrieb mit Last- und Drehzahländerungen.

Relativer Einschaltdauerfaktor in Prozent, definiert als t_ein / (t_ein + t_aus) für einen typischen periodischen Zyklus (IEC üblich: 10-min-Referenzzyklus). Für S3 wird ED explizit angegeben (z. B. S3 40 %), für S4/S5/S7 ist zusätzlich die Anzahl Starts pro Stunde sowie das Trägheitsverhältnis anzugeben.

Die Kran- und Hebezeugklassifikation erfolgt über Nutzungsklassen bzw. Mechanismengruppen M1–M8 (ISO 4301/FEM 1.001/EN 13001).

• Lastkollektiv (Leicht/Medium/Schwer/Sehr schwer; charakterisiert über Lastspektrum und Häufigkeit hoher Lasten).

• Nutzungsdauer/Schalthäufigkeit (Betriebsstunden über Lebensdauer, Zyklen pro Stunde).

• Ergebnis: Mechanismengruppe M1 (sehr leicht) bis M8 (sehr schwer), getrennt pro Funktion (Heben, Fahren, Schwenken).

Motoren werden nach IEC-Betriebsart spezifiziert, während das System (z. B. Kran) nach FEM/ISO klassifiziert wird. Ein belastbares Mapping verknüpft beide Sichten und stellt sicher, dass thermische, mechanische und dynamische Anforderungen konsistent erfüllt sind.

• S3 (z. B. S3 40 %): Thermisch begünstigter Betrieb mit Ruhezeiten; Startverluste gering (kleiner Anteil der Zyklusenergie). Geeignet für Fahr-/Schwenkantriebe in M3–M5 und für leichte Hubwerke.

• S4 (z. B. S4 25 %, 180 Starts/h, J_ges/J_Motor = 2): Signifikante Anlaufbelastung; Auslegung muss Anlaufhäufigkeit und Trägheitsverhältnis berücksichtigen. Typisch für Hubantriebe M5–M7, Greifer-/Magnetbetrieb, Taktkrane.

Die Starts/h sind Richtwerte. Hersteller geben zulässige Werte in Abhängigkeit von Motorbaugröße, Kühlung (IC-Klassen), Versorgung (Direktanlauf, Sanftstarter, FU) und Trägheitsverhältnis an.

• Lastkollektiv: Konstant oder langsam variierend auf Nennniveau, geringe Spitze.

• Zyklus: Dauerbetrieb ohne Stillstand. Thermische Dimensionierung auf Dauerverluste.

• Nutzungsklassen: M1–M3 für Nebenantriebe; Seltener bei Hubwerken (Ausnahme: Prozessförderer).

• Lastkollektiv: Konstant nahe Nennlast für definierte Zeit (z. B. 30 min), dann Abkühlung bis θ_0.

• Zyklusbeispiel: 30 min ON, 90 min OFF.

• Anwendung: Stell- und Verfahrantriebe mit seltenem Betrieb; Katalogleistung meist als S2-x min ausgeführt.

• Lastkollektiv: Periodischer Betrieb mit Lastabschnitten; die I^2R-Verluste dominieren, Anlaufverluste klein.

• Zyklus: 10-min-Referenz, z. B. ED 25 % → 2,5 min ON, 7,5 min OFF; ED 40 % → 4 min ON, 6 min OFF; ED 60 % → 6 min ON, 4 min OFF.

• Starts/h: 30–120 (direkter Netzbetrieb) bzw. >120 bei FU und kleiner Trägheit.

• Nutzungsklassen: M3–M5. Fahr-/Schwenken (häufige kurze Fahrten), leichte Hubzyklen (niedrige Lastspitzen, lange Pausen).

• Lastkollektiv: Periodisch mit relevanter Anlaufenergie; das Trägheitsverhältnis J_ges/J_M ist als Parameter zu spezifizieren. Bei Hubwerken zusätzlich statisches Moment durch Last.

• Zyklus: 10-min-Referenz, z. B. S4 25 %, 180 Starts/h. „ON“ besteht aus: Anlauf (t_A), Betrieb (t_B), ggf. Bremsen (t_br), anschließend „OFF“ (t_off).

• Starts/h: 120–240 (Käfigläufer), bis 300 bei spezialisierten Kranmotoren; begrenzt durch thermische und mechanische Beanspruchung.

• Nutzungsklassen: M5–M7. Hubwerke mit mittlerem/schwerem Lastspektrum, Greifer/Magnet (häufige Takte), anspruchsvolle Fahrantriebe mit vielen Beschleunigungen.

• Lastkollektiv: Zusätzliche Bremsverluste (Generatorbetrieb/Bremschopper) wirken thermisch.

• Nutzungsklassen: M6–M8. Lastkollektive mit hoher Rekuperationsrate (z. B. Senken mit Energierückspeisung).

• S6: Keine Stillstandsphasen; thermisch näher am Dauerbetrieb, aber mit Mittelung über Lastwechsel (CDF).

• S7: Wie S6, jedoch mit signifikanten Anläufen; hohe Starts/h.

• S8: Zusätzlich variable Drehzahlen (z. B. FU mit Mehrpunktprofilen), unterschiedliche Duty-Punkte.

• Nutzungsklassen: M4–M8 in Zielanwendungen mit Taktförderung, Prozesskranen, Walzwerksantrieben.

• Lastkollektiv: Stochastische Profile mit hohen Spitzen; Auslegung über Worst-Case und thermisches Mittel (P_rms).

• Nutzungsklassen: M7–M8, wenn hohe Dynamik und Spitzen gefordert sind.

Die technische Auslegung von Krananlagenkomponenten wird wesentlich durch zwei orthogonale Einflussgrößen bestimmt: die Einschaltdauer ED im Sinne der Betriebsart nach IEC 60034-1 (z. B. S1, S3, S4, S5 …) und die Nutzungsklasse im Sinne von FEM/ISO-Klassifikationen (Lastkollektiv und geforderte Lebensdauer in Lastspielen).

• ED und Starts/h beeinflussen hauptsächlich:

• Erwärmung von Motoren, Umrichtern, Bremsen und Getrieben (Öltemperatur).

• Schaltspiele und Abkühlintervalle von Bremsen und Schützen.

• Dynamische Zusatzlasten durch häufige Beschleunigungs- und Bremsvorgänge.

• Auslegung gegen Ermüdung (Seil-/Kettenbiegewechsel, Zahnflanken-Pitting, Wellen-Lebensdauer, Lager-L10h).

• Dimensionierung von Trommeln, Rillen, Umlenkrollen hinsichtlich Kontaktpressung und Verschleiß.

• Auswahl von Sicherheitsfaktoren und Werkstoffen sowie Schmierstoffstrategien.

Die thermische Reserve muss für die ED und die Schalthäufigkeit ausreichend sein, während Materialermüdung und Verschleiß für die vorgegebene Nutzungsklasse mit angemessenen Sicherheitsreserven beherrscht werden.

• Bei S3/S4 kann für kurze Zeit eine über S1 hinausgehende Leistungsabgabe genutzt werden, sofern die mittlere Verlustleistung unterhalb der zulässigen Erwärmung bleibt. Hersteller geben hierfür S3/S4-Nennleistungen in Abhängigkeit von ED und Starts/h an.

• Die thermische Zeitkonstante des Motors setzt Grenzen für kurzzeitige Überlasten. Bei hoher ED oder geringer Abkühlzeit ist eine größere Baugröße mit höherer thermischer Reserve zu wählen.

• Umgebungseinflüsse (Temperatur, Höhe) erfordern Derating. Antriebe in geschlossenen Katzräumen benötigen besondere Beachtung der Warmluftabfuhr.

Konstruktiv empfehlenswert sind Motoren mit hoher Kupferfüllung und Reserven im Ständer-/Rotorpaket; die maximal zulässige Wicklungstemperatur (Isolationsklasse, z. B. F oder H) ist gegen die geforderte Lebensdauer der Isolierung und die vorgesehenen Temperaturerhöhungen abzugleichen.

• Eigenbelüftete Motoren (IC411) bei moderater ED/geringem Drehzahlhub.

• Fremdbelüftete Motoren (IC416) bei großem Drehzahlbereich und hoher ED, weil die Kühlleistung drehzahlunabhängig bereitgestellt wird.

• Flüssigkeitsgekühlte Lösungen (IC3W7/IC86W) bei sehr hohen Leistungsdichten oder enger Einbausituation.

Kühlkonzepte müssen mit der erwarteten ED und den Schalthäufigkeiten abgestimmt sein; Temperaturüberwachung (PTC/PT100) in Wicklung und Lager ist bei hohen Nutzungsklassen obligatorisch.

• Dimensionierung des Umrichters mit ausreichender Überlastfähigkeit (z. B. 150–200 % für definierte Sekunden) passend zu S4-Lastprofilen und Bremsbetrieb. Regenerationsfähigkeit oder Bremswiderstand sind in Abhängigkeit von Hub-/Senkprofilen vorzusehen.

• dV/dt-Beanspruchung und Lagerströme: Bei hohen PWM-Flanken sind isolierte Lager, Sinusfilter oder dV/dt-Filter vorzusehen; dies ist für hohe Starts/h und lange Motorzuleitungen besonders relevant.

• Drehzahlbereiche: Feldschwächebetrieb erhöht das Drehzahlband, reduziert aber das verfügbare Drehmoment oberhalb der Kippdrehzahl; die Übersetzung des Getriebes ist so zu wählen, dass das Krandrehmoment bei kritischen Betriebsfällen innerhalb des Konstantmomentbereichs liegt.

• Starts/h: Auch mit Umrichter führt jede Beschleunigung zu I²R-Verlusten und Rotorerwärmung. Bei hohen Starts/h sind Rampenzeiten und Jerk-Begrenzungen so zu wählen, dass thermische Spitzen minimiert werden. Herstellergrenzwerte zu Starts/h und Schalthäufigkeiten sind einzuhalten.

• Hohe Übersetzung reduziert Motor- und Bremsmomentanforderungen, steigert aber Getriebeinterna (Zahnkräfte) und Lagerlasten. Zu große Übersetzungen können den Wirkungsgrad verschlechtern und die Rücktreibfähigkeit erhöhen.

• In Umrichteranwendungen empfiehlt sich eine Übersetzung, die die Hauptbetriebsfälle (Nennlast heben/senken) im Bereich hoher Motoreffizienz und guter Kühlleistung hält. Ein hinreichender Stillstandsbetrieb ohne Rücktreiben ist über das Selbsthemmungsvermögen und die Bremsauslegung abzusichern.

• Zahnfuß- und Zahnflankenfestigkeit gegen Biegung und Pitting: Dimensionierung auf die geforderte Lebensdauer (Gesamtzahl Lastzyklen aus FEM/ISO-Nutzungsklasse). Oberflächenbehandlungen (Carburieren, Einsatzhärten, Schleifen) und Werkstoffwahl (hochreine Stähle) erhöhen die Ermüdungsfestigkeit.

• Mikropitting- und Graufleckengefahr steigt mit hoher Öltemperatur (hohe ED), niedriger Viskosität und hoher spezifischer Flächenpressung. Auswahl synthetischer Öle mit passenden Additiven (CLP HC/PAO) und geeigneten Viskositäten (ISO VG) reduziert Risiko; Ölzustandsüberwachung erhöht Betriebssicherheit.

• Schmierung: Spritz-/Tauchschmierung ist Standard; bei hoher ED und Drehzahl sind Umlauf- oder Düsenölschmierung mit Ölkühlung in Betracht zu ziehen. Öltemperaturgrenzen sind einzuhalten, da sie die Tragfähigkeit der Schmierfilme beeinflussen.

• Getriebegeometrie (Profilverschiebung, Eingriffsgrad) und Fertigungsqualität beeinflussen Laufverhalten und Schwingungen. Umrichterbedingte niederfrequente Torsionsanregungen und Zahnmeschfrequenzen können Resonanzen triggern.

• Konstruktive Maßnahmen: Optimierte Gehäusesteifigkeit, Auswuchtung, flankenkorrektive Zahnform, elastische Kupplungen und Torsionsdämpfer. Zustandsüberwachung (Vibration, Körperschall, Ölsensorik) erlaubt zustandsorientierte Wartung, insbesondere in hohen Nutzungsklassen.

• Bremsmoment M_B ≥ k · (M_Last + M_Reib + J_ges · α/z_ges), wobei Sicherheitsfaktoren die Unsicherheiten in Reibkoeffizient, Temperatur und Streulasten abdecken. Für Hubwerke sind federbetätigte, energielöselnde Bremsen Stand der Technik; bei hohen Nutzungsklassen werden oft zwei redundante Bremsen vorgesehen.

• Betrachtung von Betriebsfällen: Halten unter voller Nennlast, Not-Halt bei Senken, Ausfall von Antrieb/Umrichter, Windlasten in Fahrwerken.

• Die Bremsen dissipieren im Normalbetrieb wenig Energie (Halten). Kritisch sind Not- und Schnellstopps mit kinetischer Energie der rotierenden Massen und ggf. potentieller Energie bei Rücktreiben. Die spezifische Reibarbeit pro Stopp und die Stoppfrequenz bestimmen die Temperaturerhöhung.

• ED und Starts/h definieren die Schalthäufigkeit. Spulen und Reibbeläge sind für die auftretende Zykluszahl auszulegen; entstehende Bremsstaubmengen und Belagverschleiß sind in Wartungskonzepte aufzunehmen.

• Maßnahmen: Größere Reibradien, Beläge mit stabilen µ-T, Lüfterrippen/Luftführung, Temperaturfühler, Drehzahlrückführung zur geregelten Bremsung. Bei hoher thermischer Last ggf. Bremsmomentaufteilung auf zwei Aggregate.

• Drahtseile:

• D/d-Verhältnis (Scheiben-/Trommeldurchmesser zu Seildurchmesser) ist dominanter Einflussfaktor. Für hohe Nutzungsklassen sind große D/d-Verhältnisse vorzusehen; die Mindestwerte hängen von Seilkonstruktion und Normanforderungen ab.

• Seilkonstruktion (z. B. 6×36 WS mit Stahlseele, verdichtete Litzen, Kunststoffzwischenlage) beeinflusst Flexibilität und Biegewechselfestigkeit. Verdichtete Seile bieten bessere Lebensdauer bei Biegung und höhere Kontaktflächen.

• Biegewechselzahl steigt mit ED und Zyklusfrequenz; die Seilvorspannung, Trommelrillung und Flottenwinkel beeinflussen Zusatzbeanspruchungen.

• Hochfeste Rundstahlketten (z. B. Güteklasse 8/10) nach einschlägigen Normen in Verbindung mit gehärteten Taschenrädern. Kettenführung, Schmierung und Taschenraddurchmesser bestimmen die Gelenkpressungen.

• Kettenlebensdauer wird von Gelenkverschleiß und Oberflächenermüdung limitiert; ED und Staub-/Feuchtebedingungen erfordern angepasstes Schmierregime und Schutz.

• Sicherheitsfaktoren: Das Verhältnis Mindestbruchkraft zu maximaler Betriebslast ist abhängig von Norm und Krantyp. Höhere Nutzungsklassen und Personennähe begünstigen erhöhte Sicherheitsbeiwerte sowie redundante Stränge.

• Endverbindungen (Keilendklemmen, Pressklemmen) sind auf die gleichen Sicherheitsniveaus zu dimensionieren; Setz- und Kriecherscheinungen sind einzukalkulieren.

• Oberflächen- und Korrosionsschutz sowie regelmäßige Nachschmierung erhöhen die Lebensdauer insbesondere bei hoher ED in aggressiver Umgebung.