Segmentierte Lager: Wenn ein Bauteil zu groß für den Transport und Montage ist

Kurzzusammenfassung

Segmentierte Lager werden eingesetzt, wenn Transport oder Montage von ungeteilten Lagern aufgrund ihrer Abmessungen nicht möglich ist. Statt eines geschlossenen Lagers werden die Hauptkomponenten, insbesondere die Ringe, in einzelnen Segmenten gefertigt, transportiert und erst am Einsatzort montiert. Typische Anwendungen sind Tunnelbohrmaschinen, Bergbauanlagen, Krane und Offshore‑Anlagen. Segmentierte Lager ermöglichen den Einsatz sehr großer Lagerdurchmesser, erfordern jedoch höheren Konstruktions‑ und Montageaufwand.


Nahaufnahme eines präzisionsgefertigten segmentierten Rollenlagers mit modularen Laufbahnsegmenten und zylindrischen Wälzkörpern

Die meisten unserer Lager stellen wir aus nahtlos gewalzten Ringen her. Diese bestehen aus einem Stück Stahl, das unsere Mitarbeiter erhitzen, pressen, lochen und in Form walzen. Aus diesen Ringen und weiteren Bauteilen wird dann eines unserer Lager. Diese nahtlose Fertigungsweise sorgt dafür, dass wir diese Komponenten in ihrer ganzen Größe ausliefern und montieren müssen. Und eben das ist in manchen Anwendungsgebieten nur schwer oder sogar gar nicht möglich.

Was passiert, wenn infrastrukturelle Einschränkungen wie schmale Straßen und Tunnel den Transport großer Bauteile verhindern?

Fall 1: Wenn Straßen für den Transport großer Lager zu eng sind, müssen Bauteile entweder mit erheblichem logistischem Aufwand transportiert oder in segmentierter Form geliefert werden.

In den meisten Ländern unterliegt der Transport großer und schwerer Bauteile auf öffentlichen Straßen strengen gesetzlichen Vorschriften und Genehmigungsverfahren. Ein häufig genanntes Beispiel ist Japan, wo bereits für Transporte mit einer Breite von nur 2,5 Metern Sondergenehmigungen erforderlich sind. Auch wenn wir unsere Lager in geneigter Position transportieren, um größere Durchmesser innerhalb des zulässigen Transportrahmens unterzubringen, steigt der logistische Aufwand insgesamt mit zunehmender Lagergröße erheblich an. Die Planung wird komplexer, Transportwege müssen sorgfältig ausgewählt werden, und oft ist eine zusätzliche Abstimmung mit den Behörden erforderlich.

Bei XXL-Anwendungen, wie beispielsweise Tunnelbohrmaschinen, sind die Einschränkungen oft nicht mehr nur regulatorischer, sondern physikalischer Natur. Straßen, Brücken und Unterführungen stoßen häufig an ihre absoluten Maßgrenzen, unabhängig von Genehmigungen oder Transportzulassungen. Für diese Anwendungen liefern wir einige der größten Lager unseres Portfolios mit Außendurchmessern von fast zehn Metern.

Diese Situation wirft letztlich eine grundlegende und unvermeidbare Frage auf: Wie können Maschinenkomponenten dieser Größe auf öffentlichen Straßen transportiert werden, die niemals für solch außergewöhnliche Abmessungen ausgelegt wurden?

Fall 2: Im Bergbau verhindert die Geometrie enger und tiefer Schächte den Transport großer, einteiliger Maschinenkomponenten, daher kommen hier segmentierte Komponenten zum Einsatz.

Rohstoffe wie Kohle liegen häufig sehr tief in der Erde. 1.000 Meter und mehr sind nicht unüblich. Damit die Fördermaschinen zu den Flözen kommen, werden in der Regel mindestens zwei Schächte gebohrt. Zuerst bohren spezielle Bohrmaschinen einen vertikalen Zugangsschacht. Eine seiner ersten Aufgaben ist es, eine Tunnelbohrmaschine nach unten zu befördern, die einen horizontalen Schacht bohrt. In diesem horizontalen Schacht kommen dann die Fördermaschinen zum Flöz und können mit dem Abbau beginnen.

Der vertikale Schacht ist aufgrund der Tiefe oft sehr lang, daher wird versucht, ihn so eng wie möglich zu bohren. Hier kommen relativ kleine Maschinen zum Einsatz. Das spart Abraum, Zeit, macht die Abstützung leichter und ist insgesamt kosteneffizienter. Der horizontale Schacht wiederum ist in der Regel kürzer als der vertikale, aber er ist vor allem: wesentlich breiter, damit die Fördermaschinen arbeiten können. Die Tunnelbohrmaschine, die ihn bohrt, ist also im Vergleich auch größer als die, welche den vertikalen Schacht bohrt.

Die Frage dazu beschreibt eine klaustrophobische Situation: wie schafft man eine Tunnelbohrmaschine durch einen kilometerlangen Schacht, der von einer wesentlich kleineren Maschine gebohrt wurde?

Die Lösung

Die Lösung für beide Fälle: die Maschinen und Großkomponenten werden in Einzelteilen geliefert und erst am Einsatzort zusammengebaut. Für uns heißt das: wir liefern ein so genanntes segmentiertes Lager. Segmentierte Lager sind Lager, deren Hauptkomponenten in mehrere Segmente unterteilt sind, um Transport, Handhabung und Montage zu erleichtern.

Welche Teile des Lagers werden in Einzelteilen oder Segmenten hergestellt?

Die wichtigsten Bauteile eines segmentierten Lagers werden in Einzelteilen geliefert: Ringe, Käfige, Dichtungen (teilweise). Andere, wie die Wälzelemente, kommen immer stückweise ins Lager.

Wie werden Ringe segmentiert gefertigt?

Bei den Ringen gibt es grundsätzlich zwei Herstellungsverfahren.

Das häufigste bei Lagern für Tunnelbohrmaschinen: der Ring wird, wie sonst auch, zunächst in einem Stück gefertigt. Erst danach wird er mithilfe von Drahterosion präzise in Segmente getrennt. Drahterosion ist ein spanloses Trennverfahren, bei dem elektrisch leitfähiges Material durch Funkenentladung präzise abgetragen wird. Grob gesagt teilt ein heißer Draht den Ring in Einzelteile. Danach durchlaufen die Segmente noch weitere Herstellungsschritte. 

Das zweite Herstellungsverfahren: der Ring wird von Anfang an in Segmenten hergestellt. Je größer das Lager sein soll, desto eher kommt dieses Verfahren zum Einsatz, weil wir hier irgendwann an die Grenzen der Ringwalzmaschinen kommen.

Die Vorarbeit erledigen unsere Lieferanten. Ähnlich wie beim Rohstahl auch erhalten wir ein rohes, unbearbeitetes Stück Stahl. Dieses rohe Segment hat aber bereits den richtigen Rechteckquerschnitt, Krümmung und Größe und erlaubt uns die exakten Konturen auszufräsen. Danach führen unsere Produktionsmitarbeiter noch weitere Schritte wie Härten, Bohren und Verzahnen durch.

Wie werden Käfige bei segmentierten Lagern hergestellt?

Käfige werden bei segmentierten Lagern grundsätzlich aus mehreren Einzelteilen gefertigt. Häufig wird der Grundkörper von segmentierten Käfigen für eine, aus Stahlplatten herausgetrennt. Die Gleitflächen werden im Anschluss auf dem Käfiggrundkörper hinzugefügt.  

Wie stellt man die Dichtungen für segmentierte Lager her?

Dichtungen bestehen in der Regel aus einem endlosen Strang, der auf eine exakte Länge abgeschnitten und wieder von unseren Mitarbeitern verbunden wird. Je nach Material und seiner Biegsamkeit kann diese Dichtung schon in unserem Werk verbunden werden oder erst am Einsatzort.

Und die Maschinen, in die das Lager kommt? Sind die auch segmentiert?

Oft ja: wenn wir für Tunnelbohrmaschinen segmentierte Lager bauen, wird auch häufig die Anschlusskonstruktion, der Bohrkopf, vom Maschinenhersteller segmentiert ausgeführt. Das geschieht. weil sie dieselben Herausforderungen bei Transport und Montage haben wie unsere Lager.

Was sind die besonderen Herausforderungen beim Design und der Fertigung von segmentierten Lagern?

Das Design und die Auslegung segmentierter Lager bieten besondere Herausforderungen. Eine Besonderheit dieser Bauform: unsere Ingenieure verwenden eine Art Ziegelbauweise. Zwei Elemente, zum Beispiel Ringsegmente, müssen sich überlappen. So werden sie dann verschraubt und verstiftet. Das Prinzip ist dasselbe wie bei einer Ziegelmauer. Bei der Fertigung ist entscheidend, dass trotz segmentierter Herstellung alle Toleranzen eingehalten werde und das ist herausfordernder als bei der einteiligen Fertigung.

Das segmentierte Lager wird dafür bei uns im Werk zusammengesetzt, bevor es wieder für die Lieferung auseinandergebaut wird. Die Form- und Lagetoleranzen werden nach dem Zusammensetzen ebenso gemessen wie bei einem ungeteilten Lager. Diese Toleranzen für geteilte Lager einzuhalten, ist anspruchsvoller und erfordert von den Fertigungsmitarbeitern sehr viel Erfahrung.

Wie werden die Segmente vor Ort zusammengesetzt?

Hier arbeitet in der Regel ein Team unseres Kunden mit einem unserer Service-Mitarbeiter zusammen. Unser Service-Engineer berät das Montageteam und stellt durch Messungen sicher, dass das Lager mit der Anschlusskonstruktion eine funktionsfähige Einheit ergibt.

Ein typischer Ablauf könnte so aussehen: Die Monteure packen alle Segmente und Teile des Lagers aus und reinigen sie. Parallel dazu misst unser Service-Mitarbeiter die Ebenheit der Montagefläche. Ist diese innerhalb unserer Toleranzen, folgen die nächsten Schritte, ansonsten müssen die Unebenheiten ausgeglichen werden.

Danach bauen die Monteure Montageböcke auf die Montagefläche. Auch hier wird nochmal gemessen, ob diese Böcke alle die gleiche Höhe haben, denn auf ihnen wird das Lager letztlich Stück für Stück zusammengefügt. Das Team verteilt dann in manchen Fällen spezielle Ausgleichsmasse auf den Kontaktpunkten zwischen den ersten Ringsegmenten. Danach legen die Mitarbeiter die einzelne Ringteile auf die Montageböcke. Unser Service-Engineer misst dann die Form- und Lagetoleranzen des entstandenen Rings.

Wenn hier alles in Ordnung ist, kommen die Käfigteile, die Wälzelemente, Dichtungen und die weiteren Ringteile darauf. Dazwischen werden die Teile wieder versiegelt, teilweise gefettet und immer wieder verschiedene Messungen durchgeführt. Am Ende steht dann ein segmentiertes Lager am Einsatzort, das in die Anschlusskonstruktion eingebaut werden kann.

Was sind die Nachteile von segmentierten Lagern?

Mit Öl geschmierte segmentierte Lager erfordern zusätzliche Kapselungen, außerdem einen höheren Montageaufwand und sind aufgrund der komplexeren Konstruktion in der Regel teurer als ungeteilte Lager.

Zu den Kapselungen: segmentierte Lager sollten extra gekapselt werden, da segmentierte Lager nicht zu 100% dicht sind und ohne Kapsel Schmierstoffe auslaufen würden. Alternativ kann der Schmierstoff aufgefangen werden und über eine Ölumlaufschmierung wieder dem Laufbahnsystem zugeführt werden.

Und das erzeugt bei unseren Kunden oder den Maschinenherstellern zusätzlichen baulichen Aufwand. Der Hersteller muss diese Kapselung konstruieren und in seine Maschine integrieren.

Hier gibt es keine Standardlösung. Gemeinsam ist den Lösungen aber, dass sie den Schmierstoff in der Laufbahn halten.

Ein weiterer Nachteil der segmentierten Lager: Die Anforderungen sind durch die Bauform höher, daher sind segmentierte Lager in der Regel auch teurer.

Welche Arten von Lagern können segmentiert gefertigt werden?

Bei Rothe Erde bauen wir für Tunnelbohrmaschinen in der Regel dreireihige Rollendrehverbindungen segmentiert. Ebenso bei Kranen, hier aber auch Kugeldrehverbindungen. Bei den Floating Production Storage and Offloading Units (FPSO) sind segmentierte vierreihige Rollendrehverbindungen bei uns Standard. Je nach Anforderungen der Anwendung prüfen wir aber auch jederzeit weitere Bautypen.

Fazit:

Segmentierte Lager sind eine konstruktive Lösung für Anwendungen, bei denen einteilige große Lager aufgrund von Transport‑ oder Montagebeschränkungen nicht einsetzbar sind. Sie ermöglichen sehr große Lagerdurchmesser, erfordern jedoch höhere konstruktive und logistische Aufwände. Ihre Vorteile kommen vor allem in extremen Anwendungen wie Tunnelbau, Bergbau und Offshore‑Technik zum Tragen.