Wie hoch ist die Einschaltdauer von Linearaktuatoren?

Einführung

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Ihr Linearantrieb nach nur sechs Monaten Betrieb ausgefallen ist, obwohl er für eine jahrelange Nutzung ausgelegt war? Der Schuldige könnte ein falsches Verständnis der Einschaltdauer sein - einer der am meisten übersehenen, aber entscheidenden Faktoren bei der Auswahl eines Aktuators. Unsachgemäße Berechnungen der Einschaltdauer führen zu vorzeitigen Ausfällen, Überhitzung und kostspieligen Ausfallzeiten, die bei richtiger Planung leicht zu vermeiden gewesen wären.

Die Einschaltdauer eines Linearaktuators ist der prozentuale Anteil der Zeit, die ein Aktuator innerhalb eines bestimmten Zeitraums in Betrieb ist. Sie wird in der Regel als Verhältnis der Betriebszeit zur Gesamtzykluszeit ausgedrückt und wirkt sich direkt auf die Wärmeentwicklung, den Komponentenverschleiß und die Gesamtlebensdauer aus. Das Verständnis und die richtige Anwendung der Einschaltdauer gewährleisten eine optimale Leistung und verhindern teure Ausfälle in Ihren Automatisierungssystemen.

Nach einem Jahrzehnt der Unterstützung von Ingenieuren bei Bepto Connector bei der Auswahl der richtigen Kabelverschraubungen und Steckverbinder für Aktuatoranwendungen habe ich gesehen, wie falsche Vorstellungen über den Arbeitszyklus selbst die robustesten Systeme zerstören können. Die elektrischen Verbindungen, die diese Aktuatoren versorgen, sind genauso kritisch wie die mechanischen Komponenten - und beide müssen für die tatsächlichen Betriebsbedingungen dimensioniert werden, nicht nur für die Nennwerte auf dem Typenschild 😉 .

Inhaltsübersicht

• Was genau ist die Einschaltdauer von Linearantrieben?
• Wie berechnen Sie die Einschaltdauer für Ihre Anwendung?
• Was sind die verschiedenen Einstufungen für den Betriebszyklus?
• Wie wirkt sich die Einschaltdauer auf die Leistung und Lebensdauer des Aktuators aus?
• Was sind häufige Fehler im Arbeitszyklus, die es zu vermeiden gilt?
• FAQs über die Einschaltdauer von Linearaktuatoren

Was genau ist die Einschaltdauer von Linearantrieben?

Das Verständnis der Grundlagen der Einschaltdauer ist für die richtige Auswahl des Aktuators und den Erfolg der Anwendung unerlässlich. Die Einschaltdauer eines Linearaktuators ist das Verhältnis von Betriebszeit zu Gesamtzykluszeit, in der Regel ausgedrückt als Prozentsatz, der angibt, wie lange ein Aktuator ununterbrochen betrieben werden kann, bevor eine Ruhephase erforderlich ist, um Überhitzung und Bauteilschäden zu vermeiden.

Aufschlüsselung der Duty Cycle Formel

Die grundlegende Berechnung der Einschaltdauer folgt dieser einfachen Formel:
Einschaltdauer (%) = (Betriebszeit ÷ Gesamtzykluszeit) × 100

Wenn zum Beispiel ein Aktuator in jedem 10-Minuten-Zyklus 2 Minuten lang arbeitet, beträgt die Einschaltdauer (2 ÷ 10) × 100 = 20%.

Schlüsselkomponenten der Dienstzeitanalyse:

Betriebsdauer: Die tatsächliche Zeit, in der der Stellmotor unter Strom steht und sich bewegt. Dies umfasst sowohl Ausfahr- als auch Einfahrbewegungen, da beide Wärme erzeugen und die Komponenten verschleißen.

Ruhezeit: Der Zeitraum, in dem der Aktuator stillsteht, um die Wärmeabfuhr und die Kühlung der Komponenten zu ermöglichen. Diese Ruhezeit ist entscheidend, um eine thermische Überlastung zu verhindern und die Lebensdauer zu verlängern.

Zykluszeitraum: Der Gesamtzeitrahmen für einen vollständigen Arbeitsablauf, einschließlich der Betriebs- und Ruhezeiten.

Ich erinnere mich an die Zusammenarbeit mit Marcus, einem Betriebsingenieur einer Verpackungsfabrik in Deutschland, der häufige Ausfälle von Stellantrieben in seinem Förderband-Positionierungssystem zu verzeichnen hatte. Seine Stellantriebe waren für eine Einschaltdauer von 25% ausgelegt, wurden aber aufgrund der gestiegenen Produktionsanforderungen mit 60% betrieben. Auch die elektrischen Verbindungen fielen aus, weil die Kabelverschraubungen nicht für die ständigen Temperaturwechsel ausgelegt waren. Nachdem wir die tatsächliche Einschaltdauer richtig berechnet und sowohl die Stellantriebe als auch unsere IP68-zertifizierte Kabelverschraubungen¹ist seine Durchfallquote auf nahezu Null gesunken.

Thermische Überlegungen verstehen

Die Wärmeentwicklung ist der wichtigste begrenzende Faktor bei Anwendungen mit hoher Einschaltdauer. Elektrische Linearantriebe erzeugen Wärme durch:

• Widerstand der Motorwicklung (I²R-Verluste²)
• Mechanische Reibung in Zahnrädern und Gewindespindeln
• Schaltverluste der elektronischen Steuerung

Diese Wärme muss während der Ruhezeiten abgeführt werden, um eine Beschädigung der Bauteile, einen Ausfall der Isolierung und einen vorzeitigen Ausfall zu verhindern.

Wie berechnen Sie die Einschaltdauer für Ihre Anwendung?

Eine genaue Berechnung der Einschaltdauer erfordert die Analyse Ihrer spezifischen Betriebsmuster und Umgebungsbedingungen. Berechnen Sie die Einschaltdauer, indem Sie die tatsächliche Betriebszeit innerhalb festgelegter Zeiträume messen und dabei sowohl Ausfahr- als auch Einfahrbewegungen, Lastschwankungen und Umgebungsfaktoren, die die Wärmeabgabe beeinflussen, berücksichtigen.

Schritt-für-Schritt-Berechnungsmethode

Schritt 1: Definieren Sie Ihren Zykluszeitraum
Bestimmen Sie den geeigneten Zeitrahmen für die Analyse. Übliche Zeiträume sind:

• 10 Minuten (Standard für die meisten Anwendungen)
• 60 Minuten (für Anwendungen mit längeren Zyklen)
• 8 Stunden (bei schichtweisem Betrieb)

Schritt 2: Messen Sie die tatsächliche Betriebszeit
Verfolgen Sie, wann der Stellmotor während des von Ihnen festgelegten Zeitraums eingeschaltet ist. Einschließen:

• Verlängerungszeit unter Last
• Einfahrzeit (oft anders als bei der Verlängerung)
• Wartezeiten, in denen der Motor unter Spannung bleibt

Schritt 3: Berücksichtigung von Lastschwankungen
Höhere Lasten erhöhen die Stromaufnahme und die Wärmeentwicklung. Wenn Ihre Anwendung variable Lasten beinhaltet, berechnen Sie die Einschaltdauer auf der Grundlage der höchsten zu erwartenden Lastbedingungen.

Schritt 4: Umweltfaktoren berücksichtigen
Die Umgebungstemperatur, der Luftstrom und die Einbaulage wirken sich alle auf die Wärmeabgabe aus. Umgebungen mit hohen Temperaturen oder geschlossene Installationen können reduzierte Arbeitszyklen erfordern.

Berechnungsbeispiel aus der Praxis

Lassen Sie mich einen Fall aus unserer Arbeit mit Sarah erzählen, einer Wartungsmanagerin in einem Automobilmontagewerk in Detroit. Ihr Team benötigte Stellantriebe für das Anheben der Motorhaube mit diesen Parametern:

• Zyklusdauer: 10 Minuten
• Ausfahrzeit: 15 Sekunden (unter 500 lb Last)
• Haltezeit: 30 Sekunden (Motor wird zum Halten der Position eingeschaltet)
• Einfahrzeit: 10 Sekunden (unter 200 lb Last)
• Ruhezeit: 8 Minuten 5 Sekunden

Kalkulation:
Gesamtbetriebszeit = 15 + 30 + 10 = 55 Sekunden
Einschaltdauer = (55 ÷ 600) × 100 = 9,2%

Die Berechnung ergab, dass die Standardantriebe 25% mit hoher Einschaltdauer eingesetzt werden können, die eine ausgezeichnete Sicherheitsmarge und eine lange Lebensdauer bieten.

Was sind die verschiedenen Einstufungen für den Betriebszyklus?

Linearantriebe sind in verschiedenen Einschaltdauern erhältlich, um den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Zu den Standard-Einschaltdauer-Klassifizierungen gehören 25% (intermittierender Betrieb), 50% (mäßiger Dauerbetrieb), 75% (schwerer Dauerbetrieb) und 100% (Dauerbetrieb), die jeweils für bestimmte Betriebsmuster und Wärmemanagementfähigkeiten ausgelegt sind.

Standard-Tastverhältnis-Kategorien

25% Einschaltdauer (S3-25)³ - Intermittierender Dienst:

• Ausgelegt für 2,5 Minuten Betrieb pro 10-Minuten-Zyklus
• Häufigste und kostengünstigste Option
• Geeignet für Positionierung, gelegentliches Heben und periodische Automatisierung
• Beispiele: Schieberöffner, gelegentliche Betätigung von Ventilen, Positioniertische

50% Arbeitszyklus (S3-50) - Mäßiger Dauerbetrieb:

• Ermöglicht 5 Minuten Betrieb pro 10-Minuten-Zyklus
• Verbesserte Kühlung und Wärmemanagement
• Ideal für häufiges Positionieren und moderate Produktionsraten
• Beispiele: Positionierung von Förderbändern, regelmäßige Materialhandhabung, Montageautomatisierung

75% Arbeitszyklus (S3-75) - Schwerer Dauerbetrieb:

• Ermöglicht 7,5 Minuten Betrieb pro 10-Minuten-Zyklus
• Hochbelastbare Konstruktion mit hervorragender Wärmeableitung
• Konzipiert für Hochproduktionsumgebungen
• Beispiele: Hochgeschwindigkeitsverpackungen, kontinuierliche Verarbeitung, schnell wechselnde Anwendungen

100% Einschaltdauer (S1) - Kontinuierliche Einschaltdauer:

• Unbegrenzter Dauerbetrieb möglich
• Hochwertige Konstruktion mit fortschrittlichen Kühlsystemen
• Höchste Kosten, aber maximale Zuverlässigkeit
• Beispiele: Konstante Positionierung, kontinuierlicher Pumpbetrieb, 24/7-Betrieb

Auswahl der richtigen Klassifizierung

Der Schlüssel liegt darin, die berechnete Einschaltdauer mit der entsprechenden Aktuatorleistung und einer angemessenen Sicherheitsmarge abzustimmen. In der Regel empfehle ich, einen Aktuator zu wählen, dessen Nennleistung mindestens 25% höher ist als Ihr berechneter Bedarf:

• Lastschwankungen
• Veränderungen der Umwelt
• Alterung von Bauteilen
• Künftige Produktionssteigerungen

Bei Bepto Connector haben wir gesehen, wie die richtige Anpassung an den Arbeitszyklus die Lebensdauer der Geräte verlängert. Unsere maritimen Kabelverschraubungen, die in diesen Anwendungen eingesetzt werden, müssen auch den Anforderungen der thermischen Wechselbeanspruchung entsprechen - Standardverschraubungen versagen schnell bei Anwendungen mit hoher Einschaltdauer aufgrund der Belastung durch thermische Ausdehnung und Kontraktion.

Wie wirkt sich die Einschaltdauer auf die Leistung und Lebensdauer des Aktuators aus?

Die Einschaltdauer wirkt sich direkt auf jeden Aspekt der Leistung und Langlebigkeit des Aktuators aus. Eine Überschreitung des Nennbetriebszyklus führt zu Überhitzung, vermindert die Kraftausbringung, beschleunigt den Verschleiß der Komponenten und kann die Lebensdauer um 50-80% verkürzen, während ein Betrieb innerhalb der richtigen Grenzen eine optimale Leistung und eine maximale Investitionsrendite gewährleistet.

Analyse der Auswirkungen auf die Leistung

Thermische Auswirkungen auf die Leistung:
Wenn sich Aktoren über die Auslegungsgrenzen hinaus erwärmen, kommt es zu verschiedenen Leistungseinbußen:

• Reduzierung des Motordrehmoments (bis zu 20% bei erhöhten Temperaturen)
• Erhöhter elektrischer Widerstand führt zu höherer Stromaufnahme
• Ausfall des Getriebeschmierstoffs verringert den Wirkungsgrad
• Elektronischer Regler zur Aktivierung des Wärmeschutzes

Bauteilverschleiß Beschleunigung:
Übermäßige Arbeitszyklen beschleunigen den Verschleiß:

• Verschlechterung der Dichtung durch thermische Wechselbeanspruchung
• Lagerverschleiß durch unzureichende Schmierung und Kühlung
• Zahnradverschleiß durch thermische Ausdehnungsspannungen
• Ausfall der Kabelisolierung durch Hitzeeinwirkung

Lebensdauer-Korrelation

Unsere Felddaten zeigen eine klare Korrelation zwischen der Einhaltung des Arbeitszyklus und der Lebensdauer:

Einschaltdauer Nutzung	Erwartete Nutzungsdauer	Misserfolgsquote
Innerhalb der Bewertung	5-10 Jahre	<5% jährlich
1.5x Bewertung	2-3 Jahre	15-25% jährlich
2x Bewertung	6-18 Monate	40-60% jährlich
>2x Bewertung	3-12 Monate	>75% jährlich

Ich erinnere mich an die Zusammenarbeit mit Ahmed, der eine Wasseraufbereitungsanlage in Saudi-Arabien leitet. Bei der ursprünglichen Auswahl seiner Stellantriebe wurden die Anforderungen an den Arbeitszyklus nicht berücksichtigt, was in der rauen Wüstenumgebung alle 8-10 Monate zu Ausfällen führte. Nach der Umstellung auf richtig bemessene Stellantriebe und unsere ATEX-zertifiziert⁴ explosionsgeschützten Kabelverschraubungen, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind, stieg die durchschnittliche Zeit zwischen den Ausfällen auf über 4 Jahre.

Wirtschaftliche Auswirkungen einer korrekten Größenbestimmung

Aktuatoren mit höherer Einschaltdauer kosten zwar anfangs mehr, aber die Gesamtbetriebskosten sprechen für die richtige Dimensionierung:

• Geringere Wartungskosten
• Beseitigung der Ausgaben für den Ersatz von Notfällen
• Verbesserte Betriebszeit in der Produktion
• Geringerer Energieverbrauch durch bessere Effizienz

Was sind häufige Fehler im Arbeitszyklus, die es zu vermeiden gilt?

Wer aus häufigen Fehlern lernt, kann erhebliche Kosten und betriebliche Probleme vermeiden. Zu den häufigsten Fehlern in Bezug auf die Einschaltdauer gehören die Verwendung von Leistungsangaben auf dem Typenschild anstelle von tatsächlichen Messungen, die Nichtberücksichtigung von Umweltfaktoren, das Übersehen von Lastschwankungen und die Nichtberücksichtigung künftiger Betriebsänderungen.

Die fünf größten Fallstricke bei der Einschaltdauer

1. Annahme von Nennwertbedingungen
Viele Ingenieure verwenden Herstellerangaben, ohne die tatsächlichen Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Die Angaben auf dem Typenschild gehen von idealen Bedingungen aus - Raumtemperatur, ordnungsgemäße Belüftung und gleichmäßige Belastung. Bei realen Anwendungen ist oft ein Derating erforderlich.

2. Ignorieren von Umweltfaktoren
Hohe Umgebungstemperaturen, schlechte Belüftung und direkte Sonneneinstrahlung verringern die effektive Einschaltdauer. Ein Aktuator mit einer Nennleistung von 25% kann in einer Umgebung von 120°F nur eine Einschaltdauer von 15% erreichen.

3. Holding-Geschäfte übersehen
Bei vielen Anwendungen müssen Aktuatoren ihre Position unter Last beibehalten und den Motor unter Spannung halten. Diese "Haltezeit" zählt zur Einschaltdauer, wird aber bei Berechnungen oft vergessen.

4. Unterschätzung von Lastschwankungen
Die Spitzenlast beim Anfahren oder unter ungünstigen Bedingungen kann das 2-3fache der normalen Betriebslast betragen. Bei der Berechnung der Einschaltdauer müssen Worst-Case-Szenarien und nicht durchschnittliche Bedingungen zugrunde gelegt werden.

5. Versäumnis, Wachstum zu planen
Produktionssteigerungen, Prozessänderungen und Ausrüstungsänderungen erhöhen oft die Anforderungen an die Einschaltdauer. Kluge Ingenieure wählen Aktuatoren mit eingebauter Wachstumskapazität.

Strategien der Prävention

Messen, nicht vermuten: Verwenden Sie statt theoretischer Berechnungen tatsächliche Zeitmessungen und Lastüberwachung.

Umwelt-Derating: Wenden Sie geeignete Reduktionsfaktoren für Temperatur, Höhe und Lüftungsbedingungen an.

Sicherheitsmargen: Wählen Sie Stellantriebe mit einer Nennleistung von 25-50%, die über den berechneten Anforderungen liegt, um Schwankungen und Wachstum zu bewältigen.

Regelmäßige Überwachung: Verfolgen Sie die tatsächlichen Betriebsmuster und Temperaturen, um zu überprüfen, ob die Annahmen weiterhin gültig sind.

Schlussfolgerung

Das Verständnis und die korrekte Anwendung der Prinzipien für die Einschaltdauer von Linearantrieben sind entscheidend für die zuverlässige Leistung von Automatisierungssystemen. Durch die genaue Berechnung Ihrer Anwendungsanforderungen, die Auswahl von Geräten mit dem richtigen Nennwert und das Vermeiden von häufigen Fallstricken erreichen Sie eine optimale Leistung und maximale Lebensdauer Ihrer Investition.

Denken Sie daran, dass sich die Einschaltdauer auf jede Komponente Ihres Systems auswirkt - vom Aktuator selbst bis hin zu den elektrischen Verbindungen, die ihn versorgen. Bei Bepto Connector stellen wir sicher, dass unsere Kabelverschraubungen und Zubehörteile den thermischen Anforderungen Ihrer Anwendung entsprechen und somit eine vollständige Systemzuverlässigkeit gewährleisten.

Die zusätzliche Investition in die richtige Dimensionierung des Arbeitszyklus zahlt sich durch geringeren Wartungsaufwand, verbesserte Betriebszeit und vorhersehbare Leistung aus. Nehmen Sie sich die Zeit, es richtig zu machen - Ihr Produktionsplan wird es Ihnen danken 😉 .

FAQs über die Einschaltdauer von Linearaktuatoren

1. Informieren Sie sich über die spezifischen Kriterien für die Schutzart IP68, die den Schutz gegen Staub und langfristiges Eintauchen in Wasser definiert. ↩

2. Erforschen Sie das Prinzip der Joule'schen Erwärmung (I²R-Verluste), das beschreibt, wie Wärme durch elektrischen Strom, der durch einen Leiter fließt, erzeugt wird. ↩

3. Rufen Sie die internationale Norm auf, die die verschiedenen Einschaltdauer-Klassifizierungen (z. B. S1, S3) für rotierende elektrische Maschinen definiert. ↩

4. Informieren Sie sich über die ATEX-Richtlinien, die Vorschriften der Europäischen Union für Geräte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen bestimmt sind. ↩