Bobine (Bergbau)
Als Bobine bezeichnet man im Bergbau und in der Fördertechnik einen Seilträger mit einem Flachseil als Förderseil, welches übereinander aufgewickelt wird.<ref name="Quelle 1" /> Bobinen sind eine Sonderbauart mehrlagig gewickelter Trommeln.<ref name="Quelle 12" /> Fördermaschinen können mit einer oder zwei Bobinen ausgestattet werden;<ref name="Quelle 8" /> letztere werden als Doppelbobinen-Fördermaschine bezeichnet.<ref name="Quelle 1" />
Bobinen werden heute nur noch selten im regulären Bergbau verwendet, sie werden vor allem beim Schachtteufen eingesetzt.<ref name="Quelle 12" /> Für ihren Betrieb müssen im Schacht keine baulichen Vorrichtungen vorhanden sein.<ref name="Quelle 9" />
Aufbau
Die Bobine ist ein Seilträger, der aus einer großen schlanken Trommel besteht, welche die Form eines Spulenkörpers hat, auf die ein Flachseil aufgewickelt wird.<ref name="Quelle 6" /> Der Spulenkörper besteht aus einem Kern, in dessen Mitte sich eine Nabe befindet.<ref name="Quelle 4" /> Der Kern hat die Breite des darauf aufwickelbaren Bandseils.<ref name="Quelle 6" /> Bei kleineren Bobinen besteht der Kern aus einem Stück, bei größeren Bobinen ist er in bis zu vier Teile teilbar.<ref name="Quelle 5" />
Damit das Seil beim Auf- und Abwickeln nicht hin- und herrutscht, wird es zwischen einer seitlichen Führung zwangsgeführt.<ref name="Quelle 11" /> Diese seitliche Seilbegrenzung besteht aus zwei mit Speichen versehenen Scheiben.<ref name="Quelle 7" /> Als Material für die Speichen wird entweder Holz oder Gusseisen verwendet.<ref name="Quelle 3" /> Die Speichen müssen zur Seilschonung mit speziellen Werkstoffen gefüttert werden.<ref name="Quelle 7" /> Die oberen Speichenenden sind so ausgeführt, dass das Seil einwandfrei laufen kann.<ref name="Quelle 3" /> Die äußeren Enden der Speichen werden durch Ringe aus Stahl abgestützt.<ref name="Quelle 15" /> Damit das Seil nicht zu stark nach rechts oder links rutschen kann, ist das Innenmaß zwischen den gefütterten Speichen des Seilträgers nur um das einfache Maß der Seilnenndicke breiter als das Flachseil.<ref name="Quelle 7" /> Zur sicheren Seilführung auf die Bobine werden die Einführungen möglichst schlank hergestellt.<ref name="Quelle 3" /> Zudem muss die Bobine so positioniert sein, dass es zwischen ihr und der Seilscheibe zu keiner Seilablenkung<ref group="ANM" name="Anm. LiBin 2." /> kommt.<ref name="Quelle 12" />
Der kleinste Durchmesser der ersten (innersten) Seillage sollte so bemessen sein, dass er nicht kleiner ist als die 80-fache Seildicke.<ref name="Quelle 15" /> Allerdings sollte dieser Durchmesser auch nicht wesentlich größer sein, da der Durchmesser der Seilwindungen das Drehmoment der Fördermaschine ungünstig<ref group="ANM" name="Anm. Haba." /> beeinflusst.<ref name="Quelle 13" /> Damit die erste Seillage einen sicheren Halt auf der Nabe hat, wird das Seil mittels Klemmen an der Bobine befestigt.<ref name="Quelle 4" />
Der große Vorteil einer Bobine ist die völlige Drallfreiheit der Seile.<ref name="Quelle 3" /> Bobinen haben jedoch auch konstruktionsbedingte Nachteile gegenüber einer Schachtförderanlage mit Unterseil und Gegengewicht und damit konstantem Drehmoment über die gesamte Teufe.<ref name="Quelle 9" /> Ein wesentlicher Nachteil ist auch der große Verschleiß der Maschine und des Förderseiles.<ref name="Quelle 2" /> Die Nachteile der Bobine führen dazu, dass sie meist nur in Spezialfällen angewendet wird.<ref name="Quelle 9" />
Funktion
Bei Doppelbobinen erfolgt die umgekehrte Bewegungsrichtung der beiden Förderseile dadurch, dass das eine Seil oberschlägig und das andere Seil unterschlägig<ref group="ANM" name="Anm. AuMech." /> auf- oder abgewickelt wird.<ref name="Quelle 16" /> Beim Aufwickeln des Seiles auf die Bobine wächst der effektive Trommeldurchmesser, beim Abwickeln nimmt er entsprechend ab;<ref name="Quelle 6" /> entsprechend ändert sich das Drehmoment.<ref name="Quelle 13" /> Der Drehmomentausgleich soll bei einer Bobine durch das Aufwickeln der Flachseile erzielt werden.<ref name="Quelle 3" /> Dadurch wird der Antriebsmotor über den gesamten Förderweg nahezu konstant belastet.<ref name="Quelle 2" /> Wird das Seil abgewickelt, so wird der Wicklungshalbmesser und somit der Hebelarm des Seilzuges stetig kleiner;<ref name="Quelle 9" /> das abgewickelte Seil wirkt somit beim Anheben der Last am kleinsten Hebelarm.<ref name="Quelle 6" /> Wird das Seil wieder auf die Bobine aufgewickelt, so wirkt das Gewicht der Last nun auf einen immer größer werdenden Hebelarm.<ref name="Quelle 3" /> Dabei wächst der Hebelarm mit jedem Umschlag entsprechend der Seildicke.<ref name="Quelle 6" /> Ein vollständiger oder konstanter Drehmomentausgleich ist bei einer Bobine, anders als bei einer Seilförderanlage mit Unterseil und Gegengewicht, konstruktionsbedingt allerdings nicht möglich.<ref name="Quelle 14" /> Dies macht sich jedoch erst bei größeren Teufen nachteilig bemerkbar.<ref name="Quelle 5" />
Zudem ändert sich auch, bedingt durch den sich ständig ändernden Wickeldurchmesser auf der Bobine, die Fördergeschwindigkeit trotz konstanter Drehzahl der Bobinenwelle.<ref group="ANM" name="Anm. LiBin." /><ref name="Quelle 12" /> Dies macht sich insbesondere durch unterschiedliche Fördergeschwindigkeiten der Fördergutträger bei doppeltrümmiger Förderung bemerkbar.<ref name="Quelle 2" /> Die mittlere Geschwindigkeit von Bobinen ist gering, da <math>v_\text{max}</math> nur erreicht werden kann, wenn die Trommel ganz aufgewickelt ist.<ref name="Quelle 3" />
Berechnung des Drehmoments für den Antrieb bzw. die Bremse
Wie die Grafik zeigt gibt es bei einer Bobine, auch bei einer gegenläufigen Doppelbobine, kein konstantes Drehmoment. Nur bei einer gegenläufigen Doppelbobine werden die Schwankungen minimiert. Das sich ändernde Drehmoment, das bei der kritischen Teufe sein Maximum erreicht, muss durch den regelbaren Motor oder die Bremse, ausgeglichen werden. Da das Flachseil in der Bobine übereinanderliegend aufgewickelt wird, ist das Drehmoment aus der Seillast nicht konstant. Es lässt sich folgendermaßen berechnen:
Das Flachseil wird äquidistant aufgewickelt: Wenn <math>d</math> die Dicke des Flachseils repräsentiert, dann nimmt mit jeder Umdrehung der des Bobinenkorbes der Radius <math>r</math> um die Dicke <math>d</math> zu.
Wenn <math>U</math> das Formelzeichen für den Umfang der Aufwicklung ist, <math>r</math> der aktuelle Radius der Aufwicklung und <math>l</math> die Länge des aufgewickelten Flachseils und <math>\mathrm dU</math>, <math>\mathrm dr</math> und <math>\mathrm dr</math> die Differentiale derselben Parameter, dann wird eine äquidistanten Spirale mit den folgenden Gleichungen beschrieben:
- <math>\mathrm dU^2 + \mathrm dr^2 = \mathrm dl^2</math>
und
- <math>\frac{\mathrm dU}{\mathrm dr} = \frac{2 \pi r}{d}</math>
Also bilden die Änderung des Umfangs <math>\mathrm dU</math> und die Änderung des Radius <math>\mathrm dr</math> ein rechtwinkliges Dreieck mit der Änderung der der Seillänge <math>\mathrm dl</math> auf dem Wickel als Hypotenuse.
Und der Gradient <math>\mathrm dU/\mathrm dr</math> der Zunahme des Umfangs <math>\mathrm dU</math> nach <math>\mathrm dr</math> sind eine Funktion des Quotienten <math>(2 \pi r)/d</math>.
Dieses Gleichungssystem lässt sich unter der Elimination von <math>\mathrm dU</math> auflösen zur gewöhnlichen Differentialgleichung
- <math>\frac{\mathrm dl}{\mathrm dr} = \frac{\sqrt{d^2+(2 \pi r)^2}}{d}</math>
Diese lässt sich durch Integration lösen:
- <math>\int_{0}^{l} \mathrm dl = \int_{r_\text{innen}}^{r_\text{aussen}} \frac{\sqrt{d^2+(2 \pi r)^2}}{d} \mathrm dr</math>
- <math>l=\frac{d^2 \left(\log \left(\sqrt{4 \pi ^2 r_{\text{aussen}}^2+d^2}+2 \pi r_{\text{aussen}}\right)-\log \left(\sqrt{d^2+4 \pi ^2 r_{\text{innen}}^2}+2 \pi r_{\text{innen}}\right)\right)+2 \pi r_{\text{aussen}} \sqrt{4 \pi ^2 r_{\text{aussen}}^2+d^2}-2 \pi r_{\text{innen}} \sqrt{d^2+4 \pi ^2 r_{\text{innen}}^2}}{4 \pi d}</math>
Diese Gleichung lässt sich analytisch nicht nach dem Radius <math>r_\text{innen}</math> und <math>r_\text{aussen}</math> auflösen, so dass diese numerisch erfolgen muss, um u. a. den Hebelarm für das Drehmoment zu errechnen.
Es muss schlussendlich die im Schacht hängende Flachseillast (Produkt aus der hängenden Seillänge mit der Masse pro Meter und der Erdbeschleunigung und dem aktuellen Wickelradius) mit dem dazu gehörenden Wickelradius multipliziert werden. Ebenso muss der Wickelradius mit der Kraft aus der Nutzlast dazuaddiert werden. Dann ist das Gesamtmoment bekannt und die Bremse bzw. der Antriebsstrang kann unter Beachtung der notwendigen Sicherheitsbeiwerte dimensioniert werden.
In der obigen Grafik ist deutlich die kritische Teufe zu erkennen, bei der das größte Drehmoment anliegt.
Diese muss regelungstechnisch beherrscht werden.
Verwendung
Bobinen eignen sich auch für sonstige Anlagen mit frei schwebender Last.<ref name="Quelle 4" /> Allerdings werden sie heute nur noch in bestimmten Ausnahmen eingesetzt.<ref name="Quelle 10" /> Sie werden speziell in Deutschland beim Abteufen von Schächten verwendet, weil der Abteufkübel nicht geführt werden muss.<ref name="Quelle 11" />
Bei eintrümiger Förderung werden Einzelbobinen-Fördermaschinen und bei doppeltrümiger Förderung Doppelbobinen verwendet.<ref name="Quelle 1" />
Ist für den abzuteufenden Schacht für die spätere Schachtförderung eine Trommelfördermaschine geplant, so wird diese oftmals bereits auch als Abteufmaschine eingesetzt.<ref name="Quelle 2" /> Diese Vorgehensweise wird überwiegend im ausländischen Erzbergbau genutzt.<ref name="Quelle 8" /> Vorteile hierbei sind, dass keine zusätzlichen Fundamente für die Abteufmaschinen, keine weiteren Maschinenausrüstungen und kein weiteres Zubehör erforderlich sind.<ref name="Quelle 2" />
Bei Nebenschächten oder Notfahreinrichtungen werden auch Bobinen als Fördermaschine eingesetzt.<ref name="Quelle 7" />
Im belgischen und französischen Bergbau wurden Bobinenfördermaschinen auch für die Schachtförderung eingesetzt. Allerdings wurden hierbei nicht Flachseile aus Stahl, sondern aus Aloefasern verwendet.<ref name="Quelle 11" />
Um mit Bobinen aus unterschiedlichen Teufen fördern zu können, müssen die Maschinen mit einer Versteckvorrichtung ausgestattet sein.<ref name="Quelle 2" />
Sicherheitsaspekte
Damit die Förderseile sich nicht von der Befestigung am Seilträger lösen, müssen sie mit mindestens zwei Seilklemmen am Seilträger befestigt werden.<ref name="Quelle 12" />
Das Förderseil muss mindestens so lang bemessen sein, dass selbst bei tiefster Stellung des Fördermittels noch zwei Seilwindungen auf dem Seilträger verbleiben.<ref name="Quelle 7" /> Aus Sicherheitsgründen werden in der Regel für das „Abhauen“ zusätzliche Seillängen bei der Seillängendimensionierung berücksichtigt.<ref name="Quelle 5" />
Bei Doppelbobinen ist es möglich, diese mit einer Versteckeinrichtung auszurüsten.<ref name="Quelle 3" /> Bei diesen Maschinen ist es zwingend erforderlich, dass zum Verstecken eine separate Bremse für die Lostrommel vorhanden ist.<ref name="Quelle 7" />
Sind Fördermaschinen, die eine höhere Fahrgeschwindigkeit als 4 m/s fahren können, mit einer Bobine als Seilträger ausgerüstet, so müssen diese Fördermaschinen mit einem Gerät zum Messen der Bremskraft ausgestattet sein.<ref name="Quelle 12" />
Werden Fördermaschinen mit Bobinen zum Schachtabteufen verwendet, so ist die kritische Teufe (bei welcher das größte Lastmoment am Seilträger auftritt) zu beachten.<ref name="Quelle 7" />
Einzelnachweise
<references> <ref name="Quelle 1"> Walter Bischoff, Heinz Bramann, Westfälische Berggewerkschaftskasse Bochum: Das kleine Bergbaulexikon. 7. Auflage, Verlag Glückauf GmbH, Essen 1988, ISBN 3-7739-0501-7 </ref> <ref name="Quelle 2"> Horst Roschlau, Wolfram Heintze: Bergmaschinentechnik. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1977, S. 261, 262. </ref> <ref name="Quelle 3"> Karl Teiwes, Ernst Förster, Hans Bansen: Die Bergwerksmaschinen Dritter Band, Die Schachtfördermaschinen, Verlag von Julius Springer, Berlin 1913, S. 44–46, 49–52, 107. </ref> <ref name="Quelle 4"> Julius Ritter von Hauer: Die Fördermaschinen der Bergwerke. 3. vermehrte Auflage, Verlag von Arthur Felix, Leipzig 1885, S. 386–390. </ref> <ref name="Quelle 5"> Julius Ritter von Hauer: Die Fördermaschinen der Bergwerke. Zweite vermehrte und zum Theil umgearbeitete Auflage. Mit einem Atlas von 40 lithographirten Tafeln, Verlag von Arthur Felix, Leipzig 1874, S. 216, 217. </ref> <ref name="Quelle 6"> Gustav Köhler: Lehrbuch der Bergbaukunde. 6. verbesserte Auflage, Verlag von Wilhelm Engelmann, Leipzig 1903 </ref> <ref name="Quelle 7"> Technische Anforderungen an Schacht- und Schrägförderanlagen (TAS). Verlag Hermann Bellmann, Dortmund 2005 </ref> <ref name="Quelle 8"> Ernst-Ulrich Reuther: Lehrbuch der Bergbaukunde. Erster Band, 12. Auflage, VGE Verlag GmbH, Essen 2010, ISBN 978-3-86797-076-1 </ref> <ref name="Quelle 9"> Hans Bansen, Fritz Schmidt, Ernst Förster: Die Bergwerksmaschinen. Dritter Band. Die Schachtfördermaschinen, Zweite vermehrte und verbesserte Auflage, Verlag von Julius Springer, Berlin 1923, S. 15, 67–75, 152–155. </ref> <ref name="Quelle 10"> Walter Buschmann: Zechen und Kokereien im rheinischen Steinkohlenbergbau, Aachener Revier und westliches Ruhrgebiet. Gebr. Mann Verlag, Berlin 1998, ISBN 3-7861-1963-5, S. 80–82 </ref> <ref name="Quelle 11"> H. Hoffmann, C. Hoffmann: Lehrbuch der Bergwerksmaschinen (Kraft und Arbeitsmaschinen). Dritte Auflage. Mit 587 Textabbildungen, Springer Verlag OHG, Berlin 1941, S. 218–221 </ref> <ref name="Quelle 12"> Liu Bin: Schachtförderanlagen deren Auslegung Konstruktion und Sicherheitsnormen. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Fördertechnik und Konstruktionslehre der Montanuniversität Leoben, Leoben 2015, S. 24. </ref> <ref name="Quelle 13"> Hans Bansen (Hrsg.): Die Bergwerksmaschinen. Vierter Band, Die Schachtförderung. Mit 402 Textfiguren, Verlag von Julius Springer, Berlin 1913, S. 18. </ref> <ref name="Quelle 14"> Johann Grimm: Berg- und Hüttenmännisches Jahrbuch der k. k. Bergakademien Pribram und Leoben und der ungarischen königlich ungarischen Bergakademie zu Schemnitz für das Studienjahr 1869/70. XX. Band. Als Fortsetzung des Jahrbuches der k. k. Montan-Lehranstalt zu Leoben, mit 5 in den Text gedruckten Figuren, 7 lithographirten Tafeln und 3 größeren Tabellen, in Commission der J. G. Calve’schen k. k. Universitätsbuchhandlung Ottomar Beyer, Prag 1872, S. 372–378. </ref> <ref name="Quelle 15"> Carl Hellmut Fritzsche: Lehrbuch der Bergbaukunde mit besonderer Berücksichtigung des Steinkohlenbergbaus. Zweiter Band, siebente Auflage, mit 742 Abbildungen im Text, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1950, S. 181, 553, 591, 592. </ref> <ref name="Quelle 16"> Heinrich Aumund, Fritz Mechtold: Hebe- und Förderanlagen. Ein Lehrbuch für Studierende und Ingenieure, 5. völlig neubearbeitete und stark erweiterte Auflage, mit 568 Abbildungen, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1969, S. 488. </ref> </references>
Anmerkungen
<references group="ANM"> <ref group="ANM" name="Anm. AuMech."> Als oberschlägig bezeichnet man eine Wickelung, wenn das Förderseil von der höchsten Stelle auf den Seilträger aufläuft. Läuft das Seil von der tiefsten Stelle auf den Seilträger auf, dann bezeichnet man die Wicklung als unterschlägig. (Quelle: Heinrich Aumund, Fritz Mechtold: Hebe- und Förderanlagen.) </ref> <ref group="ANM" name="Anm. LiBin."> Diese Änderung der Fördergeschwindigkeit erfolgt auch nach der Beschleunigungsphase der Maschine. (Quelle: Liu Bin: Schachtförderanlagen deren Auslegung Konstruktion und Sicherheitsnormen.) </ref> <ref group="ANM" name="Anm. Haba."> Dies liegt daran, dass der Kraftarm (Kurbelradius) stets derselbe bleibt, während sich der Lastarm mit jeder weiteren Seilllage verändert. (Quelle: Hans Bansen (Hrsg.): Die Bergwerksmaschinen. Vierter Band, Die Schachtförderung.) </ref> <ref group="ANM" name="Anm. LiBin 2."> Bei Fördermaschinen mit Doppelbobine müssen beide Seilträger entsprechend positioniert werden, dass es zu keiner Seilablenkung des Flachseils kommt. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen den beiden Bobinen dem Trumabstand entsprechen muss. </ref> </references>