Erfahren Sie, wie Sie mechanische Bremsen für explosionsgefährdete Bereiche nach ISO 80079-37 sicher auslegen, thermisch berechnen und engmaschig überwachen.
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Zündquellen und Zoneneinteilung an mechanischen Bremsen
In explosionsgefährdeten Industrieumgebungen fokussierte sich der Explosionsschutz historisch primär auf elektrische Betriebsmittel. Bei mechanischen Bremsen gehen die maßgeblichen Risiken jedoch von nicht-elektrischen Zündquellen aus, die in den anerkannten Zündquellenlisten ausdrücklich aufgeführt sind, darunter heiße Oberflächen sowie Zündquellen durch mechanische Reib-, Schlag- und Abtrennvorgänge[1]. Die primäre Gefahr entsteht durch unzulässige Erwärmung an den Reibflächen während des Bremsvorgangs sowie durch mechanisch erzeugte Reib- und Schlagfunken. Letztere treten insbesondere dann auf, wenn durch fortgeschrittenen Belagverschleiß metallische Komponenten wie Bremshebel oder Belagträger direkt auf die rotierende Bremsscheibe treffen.
Gefahrenpotenzial in Gas- und Staubatmosphären
Das Gefährdungspotenzial variiert stark mit der jeweiligen Zoneneinteilung gemäß der europäischen Richtlinie 2014/34/EU. Während in Gasatmosphären bereits mikroskopische Schlagfunken oder lokaler Heißlauf ein brennbares Gas-Luft-Gemisch entzünden können, lagert sich in Staubbereichen zündfähiger Staub direkt auf dem Bremsgehäuse ab. Eine isolierende Staubschicht erschwert die Wärmeabfuhr zusätzlich, was die Oberflächentemperatur steigen lässt.
- Zone 1 und Zone 21: Bereiche, in denen im Normalbetrieb gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre aus Gasen, Dämpfen oder brennbarem Staub entsteht. Hier gelten strenge Auflagen zur Vermeidung sämtlicher Zündquellen.
- Zone 2 und Zone 22: Bereiche, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre nur selten und kurzzeitig auftritt. Die Anforderung an den Zündschutz ist auf den fehlerfreien Normalbetrieb ausgelegt.
- Mechanische Zündquellen: Neben Reibungswärme zählen hierzu Lagerüberhitzung sowie Funkenflug durch Fremdkörper oder unzulässigen Metall-Metall-Kontakt. Heiße Oberflächen und Zündquellen durch mechanische Reib-, Schlag- und Abtrennvorgänge gehören zu den 13 anerkannten Zündquellenarten[1].
Bei der Auslegung kompletter Antriebsstränge müssen Entwickler berücksichtigen, dass ATEX Bremsen nicht isoliert bewertet werden dürfen. Als Sicherheitskomponente innerhalb der Gesamtanlage bestimmt die Einstufung der jeweiligen Zone direkt die erforderliche Gerätekategorie (Kategorie 2 für Zonen 1/21 beziehungsweise Kategorie 3 für Zonen 2/22)[2].
Konstruktiver Zündschutz nach ISO 80079-37
Die internationale Normenreihe ISO 80079-36 und ISO 80079-37 ersetzt die Teile 1, 5, 6 und 8 der früheren europäischen Normenreihe DIN EN 13463 für nicht-elektrische Geräte[3]. Die ISO 80079-37 fasst die Schutzkonzepte konstruktive Sicherheit „c“, Zündquellenüberwachung „b“ und Flüssigkeitskapselung „k“ zusammen; auf dem Typenschild steht dafür einheitlich der Kennbuchstabe „h“ für alle nicht-elektrischen Geräte, ohne separate Kennzeichnung der einzelnen Zündschutzarten.
Die drei wesentlichen mechanischen Zündschutzarten
Für mechanische Bremsentechnik stehen Konstrukteuren nach ISO 80079-37 drei primäre Zündschutzarten zur Verfügung: konstruktive Sicherheit „c“, Zündquellenüberwachung „b“ und Flüssigkeitskapselung „k“[3]. Die Zündschutzarten für nicht-elektrische Betriebsmittel sind insgesamt in den Normenreihen DIN EN 13463 und DIN EN ISO 80079 festgelegt[4]. Die Auswahl hängt von den Betriebsbedingungen und der Zündgefahrenbewertung ab.
| Zündschutzart | Bezeichnung nach ISO 80079-37 | Wirkungsprinzip | Typischer Anwendungsbereich |
|---|---|---|---|
| Konstruktive Sicherheit „c“ | ISO 80079-37 Abs. 5 | Mechanische Detaillösungen wie Mindestabstände, funkenarme Werkstoffe und Dimensionierung | Standardmäßige Verhinderung von Reibfunken und Heißlauf im Normalbetrieb |
| Zündquellenüberwachung „b“ | ISO 80079-37 Abs. 6 (b1 / b2) | Kontinuierliche Sensorüberwachung von Temperatur oder Verschleiß mit automatischer Abschaltung | Kategorie-2-Geräte in Zone 1/21 bei hoher thermischer Dynamik |
| Flüssigkeitskapselung „k“ | ISO 80079-37 Abs. 7 | Eintauchen oder Benetzen potenzieller Zündquellen in kühlende/isolierende Flüssigkeit | Spezielle nasslaufende Bremskonstruktionen und Getriebegehäuse |
Ein zentraler Baustein der konstruktiven Sicherheit „c“ ist die Auswahl funkenarmer Werkstoffpaarungen. Um beim Bremsvorgang die Entstehung zündfähiger Reibfunken zu unterbinden, kommen abgestimmte Materialkombinationen zum Einsatz. ATEK Drive Solutions bestätigt die ATEX-Konformität nach der Klassifizierung EX II 2 D/G c T1…T6 für Zone 1 und Zone 21 speziell bei der Paarung von Reibbelägen des Typs 544 mit Bremsscheiben aus Sphäroguss EN-GJS-400-15. Diese Werkstoffkombination verhindert effektiv heiße Abplatzungen und verringert das Fressrisiko unter Last.
Thermische Auslegung und Temperaturklassen (T1 bis T6)
Die Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur ist im Explosionsschutz das entscheidende Kriterium. In ATEX-konformen Antrieben muss sichergestellt sein, dass die Bremse selbst bei maximaler Beanspruchung die zulässige Grenztemperatur der vorgegebenen Temperaturklasse (T1 bis T6) niemals überschreitet. Bei der Projektierung setzen wir voraus, dass Getriebe- und Antriebsauslegungsdaten zur thermischen Absicherung mit entsprechenden Sicherheitsfaktoren von SF > 1,2 beaufschlagt werden.
Berechnung von Bremsenergie und Erwärmung
Zur mathematischen Abschätzung der thermischen Belastung ermitteln Konstrukteure zunächst die kinetische Energie der abzubremsenden Massen. Für rotatorische Massen gilt die Formel Q = ½ · J · ω², wobei J das Massenträgheitsmoment und ω die Winkelgeschwindigkeit bezeichnet. Für translatorische Massen wird die Energie über Q = ½ · m · v² mit der Masse m und der Geschwindigkeit v berechnet. Die während der Bremszeit t_B eingebrachte mittlere thermische Leistung ergibt sich aus P = Q / t_B. Die theoretische Erwärmung ΔT der Bremsscheibe pro Einzelbremsung lässt sich vereinfacht über die spezifische Wärmekapazität c_p und die wirksame Masse m der Bremsscheibe ermitteln: ΔT = Q / (m · c_p).
- Temperaturklasse T1 (450 °C) bis T6 (85 °C): Maximale zulässige Oberflächentemperatur des Betriebsmittels unter Berücksichtigung der Sicherheitsabstände zur Zündtemperatur des Gases oder Staubes.
- Einschaltdauer und Schaltfrequenz: Bei hoher Taktzahl kumuliert sich die Wärme, da die Abkühlphase zwischen den Bremsungen nicht ausreicht.
- Konstruktive Kühlkonzepte: Einsatz belüfteter Bremsscheiben, vergrößerter Kühlrippen oder externer Konvektionshilfen zur Vermeidung von Hitzestau.
Ob eine Betriebsbremse dauerhaft konform betrieben werden kann, hängt maßgeblich vom Zusammenspiel aus Wärmekapazität, Abkühlrate und thermischer Entkopplung vom restlichen Antriebsstrang ab. Erreichte Oberflächentemperaturen müssen auch im ungünstigsten Störfall unter der Zündtemperatur der Umgebungsatmosphäre bleiben.
Fail-Safe-Prinzip und Zündquellenüberwachung
In sicherheitskritischen Industrieanwendungen bilden ausfallsichere Federspeicherbremsen das Rückgrat der Anlagensicherheit. Diese Passivbremsen arbeiten nach dem Fail-Safe-Prinzip: Sie werden im betriebsmäßigen Zustand hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch gelüftet und schließen bei Druck- beziehungsweise Spannungsausfall automatisch durch mechanische Druckfedern. Fällt die Versorgungsenergie aus, setzt die Bremswirkung unverzüglich ein und bringt den Antriebsstrang in einen sicheren Zustand. Welche Bauart sich für eine konkrete Zone eignet, zeigt unser Leitfaden zu ATEX Bremsen.
Sicherheitsnachweis und Zündquellenüberwachung im Ex-Betrieb
Obwohl das Fail-Safe-Prinzip das Herabfallen von Lasten und unkontrollierte Bewegungen verhindert, ersetzt es keineswegs eine eigenständige ATEX-Zündgefahrenbewertung. Auch beim gezielten Schließen oder Lüften der Bremse entstehen mechanische Reibungskräfte und Wärme, die als potenzielle Zündquellen wirken können. Daher ist das rein mechanische Schließen allein kein Garant für Explosionsschutz.
Explosionsgeschützte nicht-elektrische Geräte erreichen die gewünschte Gerätekategorie oft erst durch Überwachungseinrichtungen, die das Wirksamwerden einer potenziellen Zündquelle verhindern; bewertet werden muss dabei die gesamte Messkette vom Sensor über die Auswerteeinheit bis zur Schalthandlung in den sicheren Zustand[5]. Für Bremsen in Zone 1 und Zone 21 heißt das konkret: Induktive Sensoren erfassen kontinuierlich den Lüftzustand sowie den kritischen Belagverschleiß, um ein schleifendes Anliegen der Reibbeläge oder einen Metall-Metall-Kontakt frühzeitig zu erkennen. Temperatursensoren direkt an den Bremsschuhen schalten die Anlage ab, bevor unzulässige Temperaturen erreicht werden.
Als spezialisierter Engineering-Partner entwickelt ATEK Drive Solutions projektfertige Systemlösungen für den kompletten Antriebsstrang, die Industrie-Scheibenbremsen, hochpräzise Servogetriebe und abgestimmte Motoren und Controller nahtlos vereinen. Durch die Kombination maßgeschneiderter Bremsmechanik mit nachgewiesener Ex-Schutz-Sensorik reduzieren wir Schnittstellenrisiken im Anlagenbau spürbar und garantieren höchste Verfügbarkeit unter extremen Ex-Bedingungen.
Häufig gestellte Fragen
Warum müssen mechanische Bremsen ATEX-zertifiziert sein?
Mechanische Bremsen erzeugen durch Reibung Wärme und bei Verschleiß potenziell gefährliche Schlagfunken. Diese nicht-elektrischen Zündquellen können in explosionsgefährdeten Bereichen Gase oder Stäube entzünden, weshalb eine sichere Konstruktion und Auslegung nach ISO 80079-37 zwingend erforderlich ist.
Welche Zündschutzarten gelten für nicht-elektrische Bremsen?
Für nicht-elektrische Geräte definiert die ISO 80079-37 spezifische Schutzkonzepte wie die konstruktive Sicherheit (c), die Zündquellenüberwachung (b) durch intelligente Sensoren sowie die Flüssigkeitskapselung (k). Eine Kennzeichnung mit Ex h fasst diese mechanischen Schutzmaßnahmen zusammen.
Sind Federspeicherbremsen automatisch für Ex-Zonen zugelassen?
Nein. Obwohl Federspeicherbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip arbeiten und im stromlosen Zustand sicher mechanisch schließen, erzeugen sie beim Bremsvorgang Hitze und potenziell Reibfunken. Daher benötigen auch ausfallsichere Systeme eine eigene ATEX-Bewertung und Zertifizierung für die jeweilige Zone.
Wie wird die zulässige Oberflächentemperatur einer Bremse ermittelt?
Die zu erwartende Oberflächentemperatur wird über die mittlere thermische Leistung des Bremsvorgangs präzise errechnet. Die in Reibungswärme umgewandelte kinetische Energie führt zu einer Temperaturerhöhung, die dauerhaft unterhalb der absoluten Grenzwerte der geforderten Temperaturklasse (T1 bis T6) bleiben muss.
Ab wann ist eine Temperaturüberwachung bei Bremsen Pflicht?
Bei hochriskanten Anwendungen der Gerätekategorie 2, was den ATEX-Zonen 1 für Gase und 21 für Stäube entspricht, ist eine kontinuierliche Verschleiß- und Temperaturüberwachung mit definierten Abschaltschwellen in der Regel strikt obligatorisch, um Funkenflug präventiv zu unterbinden.
