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Tribologie

Bedeutung der Tribologie in der Fördertechnik

Tribologie ist die Wissenschaft von Reibung, Verschleiß und Schmierung. An den meisten tribologischen Systemen der Fördertechnik sich Kunststoffe beteiligt. Neben den Vorteilen wie geringe Dichte, sehr gute Verarbeitbarkeit, Geräuschdämpfungsvermögen usw. besitzen viele Kunststoffe hervorragende Gleiteigenschaften, sodass die Systeme normalerweise nicht geschmiert werden müssen. Dies ermöglicht viele Anwendungsgebiete auch in solch sensiblen Bereichen wie z. B. Lebensmittel-, Pharma- oder Elektronikindustrie, in denen eine Schmierung unerwünscht ist.

Wichtige Gleitpaarungen in Stetigförderern sind z. B.

  • Zugmittel (Stahl- / Kunststoffketten, Zahnriemen, Bänder, …) – Gleitschiene (meist aus Kunststoff)
  • Zugmittel – Fördergut (Metall, Kunststoff, Glas, Pappe, …)

In einigen fördertechnischen Anwendungen, z. B. wenn Güter auf ansteigenden Strecken transportiert werden sollen, werden hohe Reibwerte gefordert. Wie auch in anderen technischen Systemen ist jedoch die Reibung in Stetigförderern meist unerwünscht, da sie in direkter Folge zu Erwärmung und Verschleiß an Zugmitteln und/oder Führungselementen, starker Zugmittelbelastung sowie hoher Antriebsleistung führt. Reibung verursacht demnach teilweise erhebliche Kosten durch Antriebsenergie, turnusmäßige Wechselintervalle von Zugmitteln und Komponenten oder gar unplanmäßige Stillstandzeiten beim Versagen des Fördersystems.

Einer Studie der Gesellschaft für Tribologie [www.gft-ev.de] zur Folge entstehen durch Reibung und Verschleiß allein in Deutschland jährliche Verluste in Höhe von ca. 35 Milliarden Euro. „Durch Umsetzen des bereits vorhandenen tribologischen Wissens könnten davon 5 Milliarden EUR/Jahr eingespart werden. Durch weitere tribologische Forschung kann dieses Sparpotential noch gesteigert werden.

Die Arbeitsgruppe KZT der Professur Fördertechnik der Technischen Universität Chemnitz stellt sich der Herausforderung, diesem Ziel ein Stück näher zu kommen.

Ursachen von Reibung und Verschleiß

Die Reibung basiert nach heutigem Kenntnisstand auf zwei wesentlichen Ursachen

  • der Deformation (Verformung von Rauheitsspitzen, Furchung, …) und
  • der Adhäsion (atomare und molekulare Wechselwirkungen im Bereich der realen Kontaktfläche)

Beide Phänomene treten immer gleichzeitig, jedoch in Abhängigkeit von den Material- und Oberflächeneigenschaften in unterschiedlichen Verhältnissen auf. Insbesondere bei trocken laufenden Reibpaarungen mit Kunststoffbeteiligung sind die Reibwerte deshalb sehr stark von den Belastungs- und Umgebungsbedingungen, z. B. Flächenpressung (Gutmasse), Geschwindigkeit, Umgebungs- und Kontaktflächentemperatur usw. abhängig und ändern sich häufig auch während der Betriebsdauer. In der Praxis führt dies nach einiger Zeit trotz vermeintlich gleicher Randbedingungen oft zu steigenden Systemreibwerten, die sich durch plötzlich auftretenden Leistungsmangel der Antriebe, starke Erwärmung oder überhöhten Verschleiß und schlimmstenfalls durch den Ausfall des Fördersystems äußern.

Forschungsansätze zur Reibungs- und Verschleißsenkung

Bei Kenntnis der Reibungsursachen und der Wirkungen der äußeren Einflüsse auf das tribologische System können Reibung und Verschleiß gezielt beeinflusst werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Reibwert ein Systemparameter und keine Materialeigenschaft ist. So kann ein vermeintlich gleitfreudiges Material in Kombination mit einem anderen Werkstoff durchaus ungünstige Werte aufweisen. Außerdem bedeutet ein niedriger Reibwert nicht gleichzeitig einen geringen Verschleiß.

Die Untersuchung des tribologischen Verhaltens konzentriert sich schwerpunktmäßig auf schmierungsfreie Paarungen mit Kunststoffbeteiligung und Bezug zur Fördertechnik. Reibung und Verschleiß werden in Abhängigkeit der Belastungs- und Umgebungsbedingungen (u. a. in einer Klimakammer) untersucht und die Ergebnisse in einer Tribo-Datenbank erfasst. Zur Reibungs- und Verschleißsenkung werden folgende Hauptansätze verfolgt:

  • Untersuchung und Modifikation von Polymerwerkstoffen
  • Untersuchung und gezielte Beeinflussung von Oberflächenstrukturen
  • Beschichtung von Kunststoffoberflächen
  • Untersuchung und Modifikation von textilen Gleitflächen
  • Konstruktive Maßnahmen zur Reibwertsenkung – z. B. Ablösung von Gleitreibung durch Rollreibung

Für die Untersuchungen stehen spezielle Prüfstände aus eigener Entwicklung zur Verfügung, die eine möglichst realitätsnahe Belastung der Proben sowie die Erfassung und Analyse der Messwerte auch über sehr lange Zeiträume gestatten.