Bühne frei – sichere Windenantriebe

Bühne frei – sichere Windenantriebe

Autor Volker KirschErstellt am Keine KommentareKategorien pQ – Hydraulics Blog, Themen

Sicherheitsrisiko Hochleistungswinden: Unterdimensionierte mechanische Auslegung jetzt messbar. Reale Messungen an ausgeführten Anlagen bestätigen deutlich höhere Lasten als bislang angenommen.

Stage Guard: Portables und smartes Messgerät

Stage Guard: Portables und smartes Messgerät

Wie auf Testanlagen bereits nachgewiesen, können bei einem Not-Stopp aus höheren Geschwindigkeiten und mit höheren Lasten Kräfte auftreten, die deutlich jenseits der doppelten Nennbelastung liegen. Das belegen aktuelle Messungen an realen Obermaschinerie-Antrieben, die auch in deutschen Theatern installiert sind. Daraus ergeben sich dann erhebliche Sicherheitsrisiken, wenn die mechanischen Komponenten nicht auf diese Spitzenlasten ausgelegt sind.

Beim Thema Sicherheit ging es in den vergangenen Jahren nahezu nur um die neue Maschinenrichtlinie. Im Mittelpunkt standen fast immer die neue probabilistische Herangehensweise und funktionale Sicherheit durch Software. Aber bereits die vor fünf Jahren überarbeitete DIN 56950-1:2012-05 hatte auf den Trend zu leistungsstärkeren Windenantriebe reagiert, die immer größere Lasten mit ständig höheren Geschwindigkeiten verfahren. In der Neufassung gibt die Norm vor, dass sämtliche im Kraftfluss befindlichen Konstruktionselemente innerhalb der Systemgrenze der Maschinen mindestens auf die zweifache Nennbelastung oder aber auf die einfache Störfallbelastung auszulegen sind. Dabei wird die Gefahr deutlich höherer Störfallbelastungen erstmals explizit betont.

Zweifache Nennbelastung um bis zu 75 Prozent überschritten

In umfangreichen Versuchen auf Testständen und in zwei Theaterhäusern haben Antriebs- und Steuerungs spezialisten eines Anbieters in den vergangenen Jahren systematisch die realen Kräfte gemessen, die bei einem harten Not-Stopp von hochdynamischen Antrieben auf die Konstruktion einwirken. Das Ergebnis: Die Werte überschritten bei einem Not-Stopp der Kategorie Null die zweifache Nennbelastung um bis zu 75 Prozent. Kategorie Null tritt dann ein, wenn die Verbindung zwischen Motor und Frequenzumrichter schlagartig abreißt und der Elektromotor nicht mehr bremsen kann. Dass diese Szenarien bei nicht redundanter Hardware, beispielsweise bei Frequenzumrichtern, technisch nicht sicher vermeidbar sind, ergibt sich zweifelsfrei auch anhand der mitgeltenden Vorschrift DIN EN ISO 13849-2:2013-02.

Die Maschinenrichtlinie fordert explizit, stets den aktuellen Stand der Technik bei der Auslegung von Sicherheitseinrichtungen sowie von sicherheitsrelevanten Systemen umzusetzen. Die neuen Messergebnisse haben, was die mechanische Belastung bei einem Not-Stopp betriff t, den Erkenntnisstand für die Auslegung von Bühnenwinden – und damit den aktuellen Stand der Technik – weiter geschärft.

Aus Versuchen an Testständen war bereits seit längerem bekannt, dass die Nennbelastung bei harten Not-Stopps deutlich höher ist als 200 Prozent der Nennbelastung. Lange Zeit konnte darauf ver wiesen werden, dass es keine realen Daten aus installierten Anlagen gibt. Diese aus Sicht der Maschinenrichtlinie ohnehin schwache Argumen tation greift jetzt überhaupt nicht mehr. Messungen an zwei Theater-Obermaschinerien bei Not-Stopps zeigen höchst bedenkliche Ergebnisse. Schon ab der halben Nenngeschwindigkeit wurde die übliche Bemessungsgrenze der doppelten Nennbelastung überschritten und das so deutlich, dass die Ingenieure aus Sicherheitsgründen davon abgesehen haben, Tests bei voller Geschwindigkeit durchzuführen.

Der Grund, warum diese Erkenntnisse erst jetzt gewonnen wurden, liegt daran, dass zunächst ein portables und smartes Messgerät – der Stage Guard – entwickelt werden musste. Der Stage Guard wird an der Last einer Winde befestigt. Herzstück ist ein hochsensibler Beschleunigungssensor der die Testwerte drahtlos übermittelt. Eine validierte Software berechnet daraus die einwirkende Faktoren Kraft, Geschwindigkeit, Weg und Stoß.

Load Limiter: Autonome hydraulische Einheit reduziert schlagartige Belastungen unter die Normvorgabe.

Load Limiter: Autonome hydraulische Einheit
reduziert schlagartige Belastungen unter die Normvorgabe.

 

Absturz durch Sprödbruch möglich

Der Stage Guard wurde bereits in einem deutschen Theater an einem Maschinenzug mit 600 kg Nutzlast und 1,2 m/s Nenngeschwindigkeit eingesetzt. Bei
den ersten Versuchen wurde eine Nutzlast von 600 kg eingehängt und bei der Fahrrichtung „Senken“ Not-Stopps der Kategorie 0 ausgelöst. Bereits bei halber Nenngeschwindigkeit überschritt die Belastung die dokumentierte Bemessungsgrenze. Bei Bremsentests oder Fahrten Richtung „Heben“ können noch höhere Belastungen auftreten, was aus Sicherheitsgründen aber nicht getestet wurde. Erst nachdem die Last um 25 Prozent auf 450 kg verringert wurde, konnte die Winde aus der Nenngeschwindigkeit heraus innerhalb der Bemessungsgrenze mit einem Not-Stopp angehalten werden. Damit gehen von den Winden Gefahren für Menschen aus, die unter deren schwebenden Lasten auf der Bühne arbeiten.

Selbst wenn die Konstruktion einen solchen Not-Stopp äußerlich betrachtet auch mehr als einmal „unbeschadet“ aushält, so kann es dennoch zu strukturellen Gefügeveränderungen der eingesetzten Materialien wie Versprödung durch Kaltverfestigung und letztlich zum Lastabsturz infolge eines abrupten Sprödbruchs kommen.

Winden mit Load Limiter nachrüstbar

Diese deutlich höhere Belastung betrifft vor allem Winden höherer Dynamik und Geschwindigkeit, die in den vergangenen Jahren zunehmend installiert wurden. Aber auch alle anderen Winden stehen womöglich unter dem Vorbehalt zu schwacher mechanischer Konstruktionen, insbesondere dann, wenn die Berechnungsnachweise dynamische Faktoren zu niedrig ansetzen oder diese gar nicht erst berücksichtigen. Verantwortliche sollten grundsätzlich Zweifel an den Belastungsannahmen haben. Für sie gibt es zunächst nur eine Maßnahme, um Risiken zu minimieren: Sie sollten Nennbelastung und Nenngeschwindigkeit der Züge nicht mehr komplett ausreizen sowie sich mit Messungen einen Überblick über die tatsächlich einwirkenden Kräfte verschaffen. Daraus können sie dann zulässige Lasten und Geschwindigkeiten ableiten, die noch sicher verfahren werden können.

Maschinenraum mit Prospektzugwinden: Ein Mitarbeiter führt Inspektion an der Seiltrommel durch.

Maschinenraum mit Prospektzugwinden: Ein Mitarbeiter führt Inspektion an der Seiltrommel durch.

Um die Maschinen im Rahmen der ursprünglich geplanten Fahrparameter weiterhin sicher nutzen zu können, müssten Komponenten neu ausgelegt und in einigen Fällen verstärkt oder gar ersetzt werden. Eine alternative Möglichkeit ist es, den Load Limiter, eine autonome hydraulische Dämpfungseinheit, nachzurüsten. Sie gewährleistet, dass beim Not-Stopp sowohl die zweifache Nennbelastung als auch die maximale Beschleunigung von 2g zu keiner Zeit überschritten werden. Während elektromotorisch angetriebene Systeme Stand heute sonst keine Ansatzpunkte bieten, können hydraulische Lösungen mit geringem Aufwand so nachgerüstet werden, dass sie auch bei Not-Stopp weiche Bremsrampen erzeugen und damit die mechanische Belastung von vornherein deutlich verringern.

Eine weitere Möglichkeit ist, die üblicherweise eingesetzten passiven Logikschaltungen durch neue Ventile mit aktiver Logik zu ersetzen, die auf Grund einstellbarer Bremsrampen von vornherein deutlich weicher verzögern. Durch eine zusätzliche digitale Überwachung eignen sie sich auch für baumustergeprüfte Sicherheitsschaltungen. Sie übernehmen einzeln oder redundant die geschlossene und off ene Stellungsüberwachung. Sie verhindern schlagartige Belastungen bei Not-Stopp und schonen somit die Mechanik.

Zusammenfassung

Das reine Bestehen eines Lasttests bei abgesperrter Bühnenfl äche kann kein hinreichendes Bewertungskriterium mehr dafür sein, ob Leistungsfähigkeit und Anforderung an eine Maschine sicher aufeinander abgestimmt sind. Vielmehr brauchen die verantwortlichen Ingenieure und Sachverständige die physikalisch realen Belastungsdaten bei Not-Stopp der Kategorie 0. Dazu sollten entsprechende Messreihen mit dem jetzt zur Verfügung stehenden Stage Guard durchgeführt werden. Auf dieser Basis können sie die noch sicher zu bremsenden Lasten und Geschwindigkeiten ermitteln, bis sie die Konstruktion angepasst oder die Winden nachgerüstet haben.

Über den Autor:

Leiter Bühnentechnik Bosch Rexroth AG

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