ATEX-Getriebemotoren in Förderanlagen: Auslegung nach DIN 22101, Schlupf- und Temperaturüberwachung, Not-Halt und Zonierung für Ex-Bereiche erklärt.
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Mechanische Zündquellen an Förderanlagen: Bandschlupf und Trommelbrand
An Förderanlagen in explosionsgefährdeten Bereichen entstehen Zündquellen überwiegend mechanisch. Die TRGS 723 unterscheidet 13 Zündquellenarten, von denen in der betrieblichen Praxis die ersten sechs die größte Rolle spielen[1]. Für die Auslegung von ATEX-Getriebemotoren bedeutet das: Die elektrische Zündschutzart allein reicht nicht aus, sondern die gesamte Antriebs- und Überwachungskette muss die mechanischen Zündpfade beherrschen.
- Heiße Oberflächen
- Flammen und heiße Gase
- Zündquellen durch mechanische Reib-, Schlag- und Abtrennvorgänge
- Elektrische Anlagen
- Elektrische Ausgleichsströme, kathodischer Korrosionsschutz
- Statische Elektrizität
Die für Gurtförderer kritische Art ist die mechanische Reibung: Bandschlupf an der Antriebstrommel erzeugt Reibungswärme, die bei einer Fehlfunktion außer Kontrolle geraten kann. Blockiert der Förderer durch Fremdkörpereinklemmung oder steht der Gurt, während der Antrieb weiterläuft, gleitet der Gurt auf der Trommel und kann den sogenannten Trommelbrand auslösen, eine der häufigsten Zündursachen an Gurtförderern in Ex-Bereichen. Weil ein Trommelbrand unter dem Gurt verborgen glimmt und abgelagerten Staub zündet, muss die Antriebsauslegung Schlupf von vornherein ausschließen, statt ihn lediglich zu überwachen.
Der normative Rahmen ordnet die Betriebsmittel nach ihrer Natur ein: Elektrische, explosionsgeschützte Betriebsmittel werden nach der Normenreihe DIN EN 60079 in verschiedenen Zündschutzarten ausgeführt, während Zündschutzarten für nichtelektrische Geräte in den Normenreihen DIN EN 13463 und DIN EN ISO 80079 festgelegt sind[2]. Ein Getriebemotor im Ex-Bereich ist damit immer beides: elektrisches Betriebsmittel (Motor, Anschlusskasten) und nichtelektrisches Betriebsmittel (Getriebegehäuse, Wellen, Kupplung).
| Betriebsmittel | Normenreihe | Kennzeichnung |
|---|---|---|
| Elektrische Betriebsmittel | DIN EN 60079 | Zündschutzart mit vorangestelltem Ex |
| Nichtelektrische Betriebsmittel | DIN EN 13463, DIN EN ISO 80079 | keine Ex-Kennzeichnung analog zu elektrischen Geräten vorgesehen |
Antriebsleistung und Umfangskraft nach DIN 22101 auslegen
Die DIN 22101 „Stetigförderer – Gurtförderer für Schüttgüter – Grundlagen für die Berechnung und Auslegung“ ist die anerkannte Basis für die Bestimmung von Antriebs-, Brems- und Gurtspanneinrichtungen[3]. Ausgangsgröße ist die Umfangskraft F_U an der Antriebstrommel; die erforderliche Antriebsleistung ergibt sich aus dem Produkt P = F_U · v von Umfangskraft und Bandgeschwindigkeit. Anlauf- und Bremsfaktoren schlagen die erhöhten Umfangskräfte beim Anfahren und Abbremsen des vollbeladenen Gurts auf den stationären Bedarf auf.
Eine korrekte Dimensionierung ist die erste und wirksamste Explosionsschutzmaßnahme, denn ein richtig ausgelegter Antrieb verhindert Überlast und damit die Schlupf- und Übertemperatursituationen, aus denen Trommelbrände entstehen. Wie wir Antriebsmoment und Bandvorspannung nach Euler-Eytelwein und DIN 22101 bestimmen und den Betriebsfaktor wählen, haben wir im Fachartikel zum drehmomentstarken Getriebemotor für Förderbänder ausführlich beschrieben.
Unsere Auslegungspraxis bei explosionsgeschützten Antrieben
- Sicherheitsfaktoren: Getriebeauslegungsdaten wie Leistung und Drehmoment sind bei explosionsgeschützten Antrieben bereits in der Projektierung mit Sicherheitsfaktoren über 1,2 zu beaufschlagen
- Lebensdauer: Die errechnete Getriebelebensdauer legen wir so aus, dass sie die projektierte Betriebsdauer der Anlage über die gesamte Einsatzzeit sicher überschreitet
- Temperaturklasse: Die zulässige Grenztemperatur für die Getriebeöl-Erwärmung bewerten wir anhand von Getriebegröße, Umgebungstemperatur, Einschaltdauer, Drehzahl und Auslastungsgrad; daraus legen wir die zulässige Temperaturklasse T3 oder T4 fest
Schlupf- und Stillstandsüberwachung als Explosionsschutzmaßnahme
Zündquellenvermeidung an Förderanlagen lebt von der Überwachung. Zwei Überwachungsfunktionen ergänzen die korrekte Antriebsauslegung und schalten die Anlage ab, bevor aus einer Störung eine Zündquelle wird:
- Schlupfwächter erfassen die prozentuale Drehzahldifferenz zwischen Antriebswelle und Trommel, entweder über einen Drehzahlvergleich oder einen separaten Geschwindigkeitssensor am Gurt. Bei Grenzwertüberschreitung schalten sie die Anlage automatisch ab, bevor Reibungshitze an der Trommel entsteht.
- Stillstandswächter verhindern, dass der Motor weiterläuft, während das Band blockiert. Ohne diese Funktion würde der stillstehende Gurt auf der angetriebenen Trommel verschleißen und die Reibungswärme würde ungebremst ansteigen.
Temperaturüberwachung von Lagern und Getriebeöl im Ex-Antrieb
Die Temperaturüberwachung verdient besondere Aufmerksamkeit: Wälzlagerschäden erzeugen lokale Übertemperaturen weit über der zulässigen Temperaturklasse des Betriebsmittels. Heiße Oberflächen stehen zudem an erster Stelle der 13 Zündquellenarten nach TRGS 723[1]. Eine Grenzwertabschaltung ist deshalb keine Zusatzoption, sondern fester Bestandteil des Explosionsschutzkonzepts, ebenso wie die Prüfung der Schutzart- und Wärmeklassebedingungen am Aufstellungsort.
Damit die Überwachung im Störfall wirkt, binden wir die Sensorsignale zwangsgeführt in die Anlagensteuerung ein: Jede Abschaltung muss unabhängig von der übergeordneten Betriebssoftware wirksam bleiben. Moderne Getriebemotoren mit vernetzbaren Controllern unterstützen zusätzlich die kontinuierliche Zustandsüberwachung und verkürzen die Zeit bis zur Meldung abweichender Temperatur- oder Drehzahlwerte.
Ergänzend ermöglichen kompakte Brems-Getriebemotoren mit federgespannten, fail-safe wirkenden Bremsen definierte Stillstände, sodass der Antrieb im Stillstand nicht thermisch belastet wird. Beides gehört zur integrierten Antriebsstranglösung, nicht zum einzelnen Bauteil.
Sanftanlauf und Drehmomentbegrenzung zur Vermeidung von Übertemperatur
Die Drehmomentbegrenzung wirkt mechanisch: Rutschkupplungen trennen den Kraftfluss, sobald das eingestellte Grenzmoment überschritten wird, und schützen so Motor und Gurt vor Überlast, etwa bei Fremdkörpereinklemmung. Fliehkraftkupplungen bauen das übertragene Moment erst mit steigender Drehzahl auf und ermöglichen damit einen gleitenden Anlauf, bei dem der Antrieb gegen das Lastmoment anläuft, statt es schlagartig zu überwinden. Beide Prinzipien begrenzen das übertragene Moment und verhindern so die Schlupf- und Übertemperatursituationen, aus denen Trommelbrände entstehen.
Sanftanlauf und Drehmomentbegrenzung senken die thermische Belastung beim Start unter Volllast und gehören damit unmittelbar zur Zündquellenvermeidung. Ein Direktanlauf des vollbeladenen Gurts erzeugt kurzzeitig Vielfache des Nennmoments; die dabei fließenden hohen Ströme erwärmen Motor und Getriebe, während die Anlaufphase zugleich die mechanische Belastung von Kupplung und Lager erhöht. Sanftanlaufgeräte heben das Moment kontrolliert an, sodass der Gurt ohne Ruck beschleunigt und die Anlaufströme klein bleiben.
Not-Aus-Einrichtungen und Reißleinenschalter nach Maschinenrichtlinie
Neben der Zündquellenvermeidung fordert die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG in Anhang I grundlegende Gesundheits- und Sicherheitsschutzanforderungen, die Hersteller durch eine Risikobeurteilung abdecken müssen[4]. Dazu gehören Not-Halt-Einrichtungen, die an allen Steuerständen und an zugänglichen Teilen der Anlage anzuordnen sind. Zu beachten ist, dass die Richtlinie zum 20. Januar 2027 durch die Verordnung (EU) 2023/1230 ersetzt wird[5].
Für langgestreckte Förderstrecken ist die Reißleine die praktische Umsetzung dieser Forderung: Ein rotes Zugseil entlang der gesamten zugänglichen Förderlänge ermöglicht die Auslösung der Not-Halt-Funktion von jedem Punkt der Strecke aus[6]. Bei der Auslegung der Seilzugstrecke gelten folgende Kriterien:
- Auslösekraft von maximal 200 N senkrecht zum Seil und ein maximal zulässiger Betätigungsweg von 400 mm[7]
- Selbsttätige Verrastung nach Auslösung oder Seilriss, Rückstellung nur manuell am Gerät, damit kein selbsttätiger Wiederanlauf möglich ist[8]
- Zwangsöffnende Kontakte, die den Sicherheitskreis auch bei festgeschweißten Kontaktflächen unterbrechen[9]
- Bewertung des Not-Halt-Kreises nach EN ISO 13849-1, mindestens Performance Level c[10]
Abschnittsweise Zonen- und Kategoriezuordnung entlang der Förderstrecke
Parallel zur funktionalen Sicherheit ist die Ex-Zonierung abschnittsweise entlang der Förderstrecke vorzunehmen, nicht pauschal für die gesamte Anlage. Übergabe- und Abfüllstellen mit erhöhter Staubkonzentration sind typischerweise als Zone 21 mit Gerätekategorie 2D einzustufen, während übrige Bereiche mit nur abgelagerten Staubschichten Zone 22 mit Gerätekategorie 3D entsprechen. Der Gefährdungsgrad bestimmt dabei die Gerätekategorie:
| Gefährdungsgrad | Zone (Staub) | Gerätekategorie |
|---|---|---|
| Hoch | 20 | 1D |
| Mittel | 21 | 2D |
| Niedrig | 22 | 3D |
Für die Antriebe heißt das: Ein Getriebemotor, der an der Übergabestelle die Kategorie 2D erfüllt, kann am selben Förderer weiter hinten mit Kategorie 3D ausgeführt werden, wenn die Zonierung das belegt. Wir von ATEK Drive Solutions konfigurieren Getriebemotoren und ATEX-Bremsen für genau diese abschnittsweisen Anforderungen, von der Auslegung nach DIN 22101 über die Festlegung der Temperaturklasse bis zur projektfertigen Lieferung aus einer Hand. So entsteht aus Komponenten eine nachweisbar sichere Antriebsstranglösung für die gesamte Förderstrecke.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Trommelbrand und wie entsteht er an einem Gurtförderer?
Ein Trommelbrand entsteht, wenn das Förderband auf der Antriebstrommel durchrutscht, etwa bei blockiertem Förderer oder eingeklemmten Fremdkörpern. Die Reibungswärme zwischen Band und Trommelbelag kann dabei Temperaturen erreichen, die brennbaren Staub entzünden. Mechanische Zündquellen dieser Art zählen nach TRGS 723 zu den 13 Zündquellenarten und gehören in der betrieblichen Praxis zu den sechs praktisch relevantesten.
Wie wird die Antriebsleistung eines Gurtförderers nach DIN 22101 berechnet?
Die DIN 22101 legt die Berechnungsgrundlagen für Gurtförderer fest. Die Antriebsleistung ergibt sich aus der Umfangskraft F_U und der Bandgeschwindigkeit v nach der Beziehung P = F_U · v. Eine korrekt dimensionierte Antriebs-, Brems- und Gurtspanneinrichtung verhindert Überlast und damit verbundene Schlupf- und Übertemperatursituationen, die im Ex-Bereich als Zündquelle wirksam werden können.
Welche Zündschutzarten gelten für Getriebemotoren in explosionsgefährdeten Bereichen?
Elektrische Betriebsmittel werden nach der Normenreihe DIN EN 60079 in verschiedenen Zündschutzarten ausgeführt. Für nichtelektrische Geräte wie Getriebe sind die Normenreihen DIN EN 13463 und DIN EN ISO 80079 maßgebend. Eine Kennzeichnung der Zündschutzart nichtelektrischer Betriebsmittel mit einem vorangestellten Ex analog zu elektrischen Geräten ist dabei nicht vorgesehen.
Welche Ex-Zonen gelten für brennbare Stäube an Förderbändern?
Für Stäube existieren die Zonen 20, 21 und 22. Bereiche außerhalb staubeinschließender Behältnisse in der Nähe von Förderbändern, Füll- und Entnahmestellen sowie Übergabestellen gelten ohne Schutzmaßnahmen wie Absaugung typischerweise als Zone 21. Bereiche mit begrenzten Staubschichten, aus denen explosionsfähige Staub-Luft-Gemische aufgewirbelt werden können, sind Zone 22.
Wie funktioniert eine Schlupfüberwachung an einer Förderanlage?
Als Schlupf bezeichnet man den Drehzahlunterschied zwischen der angetriebenen und der nicht angetriebenen Seite des Antriebsstrangs, also zwischen Antriebswelle und Trommel. Der Schlupfwächter ermittelt die prozentuale Drehzahldifferenz und schaltet bei Erreichen des Grenzwerts; das Signal dient zum Abschalten der Anlage, um Verschleiß und Beschädigungen durch Reibungshitze zu vermeiden.
Welche Anforderungen stellt die Maschinenrichtlinie an Not-Halt und Reißleinenschalter an Förderanlagen?
Nach Anhang I, Abschnitt 1.2.4.3 der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG muss jede Maschine mit Not-Halt-Befehlsgeräten ausgerüstet sein. Reißleinenschalter müssen über die gesamte Bandlänge verlegt und von jeder Stelle aus erreichbar sein; sie lösen beim Ziehen und bei Bruch der Reißleine aus, bei senkrechter Zugkraft unter 200 N und Auslenkung unter 400 mm. Nach dem Entriegeln darf der Förderer nicht selbsttätig wieder anlaufen, und die Not-Halt-Funktion muss mindestens Performance Level c erreichen.
Warum ist eine abschnittsweise Zonierung der Förderstrecke erforderlich?
Zone und Gerätekategorie ändern sich entlang der Förderstrecke: An Übergabe- und Abfüllstellen ist die Staubkonzentration höher als im übrigen Bandbereich, sodass dort typischerweise Zone 21 mit Gerätekategorie 2D gilt, während übrige Abschnitte mit geringerer Gefährdung als Zone 22 mit Kategorie 3D eingestuft werden. Eine pauschale Einstufung der gesamten Anlage nach der höchsten Zone wäre technisch und wirtschaftlich unsinnig, eine zonenweise Betrachtung entspricht der Beispielsammlung der Explosionsschutz-Regeln.
