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Kranbau Extrembelastung der Zylinderrohre macht Sonderstähle erforderlich

| Autor/ Redakteur: Sven Herzig / Josef-Martin Kraus

In extrem kalten Regionen werden die Zylinderrohre von Mobilkranen nicht nur einer Mehrachsbelastung aufgrund tonnenschwerer Lasten ausgesetzt, sondern auch arktischen Temperaturen, die bei hohen Hydraulikdrücken die Rohre zum Bersten bringen können. Daher sind Stahllegierungen nötig, die auch bei großer Kälte die gegensätzlichen mechanisch-technologischen Forderungen nach hoher Festigkeit und Zähigkeit vereinen – wie der Stahl P460 modifiziert.

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Bild 1: Bei Mobilkranen müssen Hydraulikzylinder bis zu 400 bar standhalten.
Bild 1: Bei Mobilkranen müssen Hydraulikzylinder bis zu 400 bar standhalten.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Mobilkrane des Herstellers Liebherr kommen weltweit zum Einsatz – auch dort, wo es besonders kalt ist: zum Beispiel in Sibirien, Alaska und Kanada. Dort stellen Temperaturen tief im Minusbereich höchste Anforderungen an das Material. Ein besonderes Augenmerk wird in dieser Hinsicht beim Kranbau auf die stählernen Hydraulikzylinder gelegt, die für den Betrieb dieser Fahrzeuge erforderlich sind. Diese Zylinderrohre werden einem Hydraulikdruck bis zu 400 bar ausgesetzt (Bild 1). Bei einem explosionsartigen Bersten des Zylinders – was bei großer Kälte und hohem Druck passieren könnte – wären Menschenleben in Gefahr.

Kontrolliertes Reißen statt Bersten im Notfall

Um ein explosionsartiges Bersten zu verhindern, hat Liebherr mit dem Hauptlieferanten MHP Mannesmann Präzisrohr und Montanhydraulik ein Projekt ins Leben gerufen: die Entwicklung eines tieftemperaturzähen Stahls und Festlegung einer Methode, mit der sich die Qualität des Werkstoffs zuverlässig messen lässt.

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Beide Ziele wurden mit Unterstützung der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH (SZMF) erreicht. Die Zylinder, die aus diesem Stahl hergestellt werden, dürfen nicht plötzlich bersten, sondern im Katastrophenfall höchstens unter vorgegebenen Bedingungen reißen (Bild 2).

Im Liebherr-Werk Ehingen bei Ulm werden rund 1300 Mobilkrane im Jahr – so genannte All-Terrain-Krane – gebaut. Liebherr fertigt sie in verschiedenen Größen: vom Zwei-Achser für 300000 Euro bis zum achtachsigen Mobilkran für 3 Mio. Euro und einer Tragkraft von 500 t. Bei der Auslegerlänge hält man mit 84 m den Weltrekord.

Kennzeichnend für die Mobilkrane ist, dass sie aus zwei Hauptbaugruppen bestehen. Beide Baugruppen werden zunächst getrennt voneinander montiert. Die Montage ist die Haupttätigkeit im Werk. Die Fertigungstiefe liegt bei 20%. Außer den Zylindern kommt der Rest der benötigten Teile von weiteren Zulieferern just in time. Gleichzeitig werden Unter- und Oberwagen montiert. Hauptbestandteile des Unterwagens sind Fahrwerk, Motoren und Abstützzylinder.

Der Überwagen setzt sich im Wesentlichen aus Drehbühne und Teleskopausleger zusammen. Bei der „Hochzeit“ werden Unter- und Oberwagen miteinander verbunden. Danach folgen die letzten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung. Die Bauzeit – einschließlich intensiver Testphase – kann bis zu sieben Monate betragen.

Bei MHP Mannesmann Präzisrohr werden für Mobilkrane aus drei verschiedenen Stahlgüten Zylinderrohre hergestellt.

– So sind Wippzylinder erforderlich, die den Teleskopausleger aufrichten oder abwippen und für Stabilität sorgen. Je nach Krangröße werden ein oder zwei dieser Zylinder benötigt.

– Der mehrstufige Teleskopzylinder verändert die Auslegerlänge.

– Abstützzylinder sorgen während der Arbeitsphase für die Standfestigkeit des Fahrzeugs. Jeder Mobilkran besitzt vier dieser Zylinder.

Mehrfachbelastung in Extremfällen gegeben

Alle drei Hydraulikzylinder haben jedoch nicht nur eine einzige Bauteilfunktion, sie werden im Extremfall mehrfach belastet. Zusätzlich kommt von außen die thermische Beanspruchung durch tiefste Temperaturen. Im Inneren werden sie dem hydraulischen Druck ausgesetzt.

Der Stahl, aus dem diese Zylinder hergestellt werden, muss so beschaffen sein, dass er nicht schlagartig birst, sondern im Katastrophenfall höchstens kontrolliert reißt. Im Schadensfall muss also verhindert werden, dass es zu einem unkontrollierten, spröden Versagen oder sogar zu einer mehrteiligen Zerlegung kommt.

Das war eine der Vorgaben des Projekts, in dessen Rahmen sich Liebherr mit MHP und der SZMF und Monatgehydraulik an einen Tisch setzte. Um Wettbewerbsverzerrungen zu verhindern, wurden in diese Runde auch andere große Kranhersteller eingeladen. Das erste Problem – ein Prüfverfahren zu finden, mit dem die Zähigkeit des Stahls verbindlich festgestellt werden kann und eine Beschreibung bezüglich spröden oder duktilen Werkstoffverhaltens möglich ist – wurde schnell gelöst: Die Projektteilnehmer haben sich auf den so genannten Kerbschlagbiegeversuch verständigt, der sich im Stahlbereich bereits bei anderen Produkten bewährte.

Damit wurde die so genannte charakteristische Übergangstemperaturkurve eines Stahls ermittelt. Diese Temperaturkurve beschreibt den Übergang vom spröden zum duktilen Bruchverhalten. Nun musste noch ein Stahl entwickelt werden, der das vereinbarte Abnahmekriterium erfüllt: eine Mindestkerbschlagarbeit von 27 J bei −20 °C in Querrichtung.

Das Ergebnis entsprang der Zusammenarbeit von MHP Mannesmann mit der Salzgitter-Mannesmann-Forschung und Mannesmann DMV Stainless, Remscheid. Aufgrund der gegensätzlichen werkstofflichen Forderungen – einerseits hohe Festigkeit, andererseits hohe Zähigkeit – war die Entwicklung schwierig. MHP Mannesmann schaffte es und überbot die Mindestanforderung bei weitem.

Immer kältere Einsatzgebiete fordern stetige Verbesserung

So garantiert MHP heute eine Mindestkerbschlagarbeit von 80 J bei -20 °C in Querrichtung. Mit dieser Leistung ist MHP Mannesmann weltweit führend. An der Verbesserung wird stetig gearbeitet. Denn: Die Tendenz zu immer kälteren Einsatzgebieten hält an (Bild 3).

Rund 80% des Vormaterials in Form von nahtlosen Vorrohren bezieht MHP Mannesmann von Vallourec & Mannesmann Tubes in Düsseldorf-Rath. Eine Besonderheit: Kaltgezogen und wärmebehandelt werden diese Vorrohre auf einer der stärksten Ziehbänke der Welt mit einer Zugkraft von 300 t. Danach geht der Stahl nach Holzwickede bei Dortmund, wo der Zulieferer Montanhydraulik schließlich die Zylinder für Liebherr herstellt.

Übrigens: Nicht nur die Zylinderrohre bestehen bei Mobilkranen aus Stahl – über 90% der Bauteile sind aus diesem vielseitigen, hochmodernen Werkstoff gefertigt.

Stahlentwicklung: Vom E355 zum P460

Stahl ist ein traditionsreicher, aber hochmoderner Werkstoff und prädestiniert für extreme Herausforderungen. So kann durch Zusatz von 2% Legierungsstoffen und geschickte Prozessführung die Festigkeit von Stahl verfünffacht werden. Bis man dieses erreicht hatte, dauerte es eine Weile.

Die Experten von MHP Mannesmann, der Salzgitter-Mannesmann-Foschung und von Mannesmann DMV Stainless haben monatelang getüftelt, dann stand die Mischung fest.

Zur Herstellung der tieftemperaturzähen Zylinder für Liebherr-Mobilkrane werden folgende Stahlsorten verwendet: Neben dem E355 modifiziert wird der P460 modifiziert verbaut. Im Vergleich zum E355 modifiziert hat dieser Stahl eine um etwa 25% erhöhte Streckgrenze. Er ist mit Vanadium, Molybdän und teilweise Wolfram legiert. Dadurch steigt einerseits die Streckgrenze.

Andererseits werden trotz gesteigerter Streckgrenze gleichermaßen die hohen Anforderungen an eine Mindestkerbschlagarbeit von 80 J bei −20 °C in Querrichtung erfüllt. Aufgrund der gesteigerten Festigkeit im Vergleich zum E355 modifiziert ist eine Gewichtsreduzierung der Zylinder um 20 bis 25% möglich.

Die Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit galt es zu verbessern. Die Entwicklung geht konsequent in Richtung Leichtbau, erhöht somit die Leistungsfähigkeit und trägt letztlich auch zur Energieeinsparung bei.

Sven Herzig ist Leiter Technische Beratung und Produktentwicklung im Geschäftsbereich Handel & Industrie bei der MHP Mannesmann Präzisrohr in 45473 Mülheim/Ruhr, Tel. (0208) 458-1255, sven.herzig@mhptubes.de

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