NDI-Polyurethan-Radersatz für Schwerlast-Hafenausrüstung: Ein Fallbeispiel aus der Praxis

Schwerlast-Hafenausrüstung stellt besonders hohe Anforderungen an die Lasträder. Kai-, schienengebundene Portalkrane und Container-AGVs arbeiten unter wiederholten hohen Lasten, häufigen Starts und Stopps, kontinuierlichem Rollkontakt und anspruchsvollen Küstenbedingungen. In diesem Projekt verwendete der Kunde ursprünglich importierte, auf Vulkollan® basierende Polyurethanräder von NDI. Lange internationale Lieferzeiten und die eingeschränkte Verfügbarkeit von Ersatzteilen führten jedoch zu einem steigenden Wartungsrisiko.

Der Kunde hatte bereits herkömmliche MDI-Polyurethan-Ersatzräder getestet, doch die Testräder entwickelten Hitze, erweichten sich im Betrieb, wiesen schnellen Verschleiß auf und zeigten lokale Risse sowie Ablösungen zwischen Polyurethan und Metall. PEPSEN wurde daher mit der Entwicklung eines NDI-Polyurethanrad-Alternative Dies könnte anhand der Originalräder unter tatsächlichen Betriebsbedingungen überprüft werden, anstatt sich nur auf Materialdaten zu stützen.

Projekt im Überblick

Warum der vorherige Austausch der Polyurethanräder fehlgeschlagen ist

Der Kunde suchte nicht einfach nur eine Felge mit denselben Abmessungen und derselben Härte. Die vorherigen Erfahrungen mit dem Austausch hatten gezeigt, dass die Übereinstimmung der statischen Spezifikationen allein für diese Anwendung nicht ausreichte.

Hafenmaschinen durchlaufen wiederholte Lastzyklen. Jede Umdrehung verformt die Polyurethan-Lauffläche und setzt einen Teil dieser Verformungsenergie als Wärme frei. Weist das Elastomer eine übermäßige Hysterese auf, kann die Innentemperatur bei längerem Betrieb weiter ansteigen. Die daraus resultierende Erweichung kann den Verschleiß beschleunigen, die Verformung verstärken und Kantenschäden begünstigen.

Haftungsprobleme stellten einen weiteren kritischen Fehlerfaktor dar. Unter hohen Radlasten und wiederholtem Drehmoment erfahren die Polyurethanschicht und der Metallkern kontinuierliche Scherspannungen. Unzureichende Oberflächenvorbereitung, falsche Primerwahl oder mangelhafte Prozesskontrolle können dazu führen, dass sich an der Grenzfläche eine lokale Ablösung entwickelt, die schließlich zu sichtbarer Delamination führt.

Die auf der Baustelle eingesammelten defekten Räder zeigten genau, warum dieses Projekt als technischer Ersatz und nicht als einfacher Materialaustausch betrachtet werden musste.

Ausgehend von den realen Betriebsbedingungen

Da der Kunde bereits mehrere erfolglose Austauschversuche hinter sich hatte, empfahlen wir ihm zunächst keine Standard-Polyurethan-Sorte. Das PEPSEN-Team analysierte die tatsächlichen Betriebsbedingungen und den Zustand der gebrauchten Räder.

• Kontinuierliche und intermittierende Lastbedingungen während des Hafenbetriebs
• Wiederholtes Beschleunigen, Bremsen und Richtungswechsel
• Betriebstemperatur und Wärmeentwicklung bei längeren Laufzeiten
• Kantenbelastung und lokale Spannungskonzentration
• Verschleißbild an den Original- und den zuvor ausgetauschten Rädern
• Zustand der Polyurethan-Metall-Verbindung nach dem Einsatz
• Einwirkung von Feuchtigkeit und küstennahen Umweltbedingungen

Aus dieser Überprüfung leiteten wir vier praktische Anforderungen für den Austausch ab: Kontrolle der dynamischen Wärmeentwicklung, Aufrechterhaltung der Reiß- und Ermüdungsfestigkeit unter wiederholter Belastung, Verbesserung der Beständigkeit gegenüber betriebsbedingter Feuchtigkeit und Verschleiß sowie Schaffung einer stabilen Verbindung zwischen dem gegossenen Polyurethan und dem Stahlradkern.

Dieser anwendungsorientierte Ansatz wird auch für andere Zwecke verwendet. Spezialräder aus Polyurethan wobei Last, Geschwindigkeit, Temperatur, Profilgeometrie und Metallkernkonstruktion gemeinsam berücksichtigt werden müssen.

Entwicklung des NDI-Polyurethanrads

Für das Ersatzrad verwendete PEPSEN ein NDI-basiertes Polyurethan-Gusssystem und passte die Rezeptur und das Verarbeitungsverfahren an den Einsatzzyklus des Kunden an. Ziel war es, den dynamischen Energieverlust zu reduzieren und gleichzeitig die für den hohen Wälzkontakt erforderliche Zähigkeit und Verschleißfestigkeit zu erhalten.

Die Materialauswahl war nur ein Teil der Lösung. Wir optimierten auch die Präparation des Metallkerns und den Verbindungsprozess. Die Stahloberfläche wurde so vorbereitet, dass ein gleichmäßiges Bindemittel entstand. Anschließend wurden kontrollierte Grundierungs- und Gießverfahren angewendet, um das Risiko von Grenzflächenversagen unter wiederholter Belastung zu minimieren.

Die Radgeometrie und die Gussqualität wurden gleichzeitig überprüft. In der frühen Testphase traten an einer lokal beanspruchten Kante leichte Risse auf. Anstatt den ersten Prototyp als endgültige Lösung zu betrachten, passte das Team den Gussprozess und die Produktstruktur an, bevor die Feldvalidierung fortgesetzt wurde.

Laborvalidierung vor dem Austausch im Feld

Der Validierungsplan wurde bewusst stufenweise durchgeführt. Bevor eine größere Anzahl installiert wurde, wurden die Testräder hinsichtlich der für diese Anwendung wichtigsten Ausfallarten bewertet.

1. Bewertung der Haftfestigkeit

Mithilfe von Haftfestigkeitsprüfungen wurde überprüft, ob die Polyurethan-Metall-Verbindung den im Betrieb zu erwartenden mechanischen Belastungen standhält. Dies war besonders wichtig, da Delamination in der Vergangenheit zu den Ausfallursachen des Kunden gehört hatte.

2. Überwachung der Wärmeentwicklung

Während des dynamischen Betriebs wurde eine thermische Überwachung durchgeführt, um die Entwicklung der Radtemperatur unter wiederholter Verformung zu beobachten. Ziel war es nicht nur, eine anfängliche Oberflächentemperatur zu erfassen, sondern festzustellen, ob sich im Verlauf des Tests weiterhin Wärme staute.

3. Dynamisches Lebensdauertesting

Die Räder wurden zudem in einem dynamischen Prüfstand getestet, um ihr Rollverhalten, den Oberflächenzustand und den fortschreitenden Verschleiß unter wiederholten Zyklen zu beobachten. Labortests konnten zwar nicht alle Bedingungen im Hafen vollständig nachbilden, trugen aber zur Überprüfung des Designs vor der Feldinstallation bei.

Feldtests unter realen Hafenbetriebsbedingungen

Nach der Laborphase wurde eine Pilotcharge für Feldtests installiert. Der Kunde und PEPSEN überwachten den Zustand der Räder während des Betriebs, anstatt sich auf eine einmalige Abnahmeprüfung zu verlassen.

Zu den wichtigsten Beobachtungen zählten das Temperaturverhalten, der Profilabrieb, der Zustand der Laufflächenkanten, Rissbildung und die Integrität der Polyurethan-Metall-Verbindung. Soweit möglich, wurden die Testräder mit den originalen, importierten Rädern verglichen, die in denselben oder vergleichbaren Positionen an der Maschine eingesetzt wurden.

Nach der vorangegangenen Designanpassung absolvierten die optimierten NDI-Polyurethanräder den überwachten Betriebszeitraum ohne ungewöhnliche Überhitzung, sichtbare Risse oder Delamination. Ihr Verschleißverhalten entsprach nahezu dem der ursprünglich importierten Räder, die während des Projekts als Referenzwerte erfasst wurden.

Dieses Ergebnis gab dem Kunden genügend Vertrauen, um von einer begrenzten Testphase zu einem umfassenderen Austausch überzugehen, anstatt alle kritischen Räder auf einmal zu wechseln.

Von der technischen Validierung zu einer zuverlässigeren Ersatzteilversorgung

Das technische Ergebnis entsprach nur einem Teil der Kundenziele. Die ursprünglich importierten Räder funktionierten zwar gut, doch ihre lange Beschaffungszeit erschwerte die Ersatzteilplanung. Fiel ein wichtiges Rad unerwartet aus, konnte die monatelange Wartezeit auf Ersatzteile ein inakzeptables Wartungsrisiko darstellen.

Nach dem Feldversuch nahm PEPSEN das validierte Design in die Serienproduktion auf. Die lokale Fertigung verkürzte den Nachschubzyklus und reduzierte die Abhängigkeit von der Ersatzteilversorgung aus Übersee. Zudem bot sie dem Kunden einen direkten technischen Ansprechpartner für zukünftige Anpassungen der Raddimensionen, des Kerndesigns, der Härte oder der Betriebsbedingungen.

Für ähnliche Projekte kann PEPSEN herstellen kundenspezifische Polyurethan-Komponenten Aus Kundenzeichnungen, abgenutzten Mustern oder Anwendungsanforderungen wird die Materialauswahl auf der Grundlage der tatsächlichen Belastung, Geschwindigkeit, Umgebungsbedingungen und des Ausfallmodus getroffen.

Was dieser Fall zeigt

Ein erfolgreicher Austausch von Schwerlasträdern wird selten allein durch die Übernahme von Härte und Abmessungen erreicht. In diesem Projekt lag die entscheidende Aufgabe darin, das Materialverhalten mit dem tatsächlichen Versagensmechanismus zu verknüpfen: dynamische Wärmeentwicklung, Reiß- und Ermüdungsbelastung, Laufflächengeometrie, Metallkernhaftung und Langzeitverschleiß im praktischen Einsatz.

Der Kunde lehnte das neue Rad aufgrund eines Labordatenblatts ab. Die Zulassung erfolgte nach einem mehrstufigen Prozess, der Fehleranalyse, Material- und Prozessentwicklung, Labortests, Pilotinstallation, Feldüberwachung und Designoptimierung umfasste. Dieser Validierungsprozess machte aus einem NDI-Polyurethanrad, das ursprünglich als Ersatzteil vorgeschlagen worden war, eine praktikable Lösung für Schwerlast-Hafenausrüstung.

FAQ

Warum werden NDI-Polyurethanräder in Schwerlast-Hafenausrüstung eingesetzt?

Polyurethan auf NDI-Basis eignet sich für Anwendungen, die eine Kombination aus hoher Belastbarkeit, geringer dynamischer Wärmeentwicklung, Verschleißfestigkeit, Reißfestigkeit und Dauerfestigkeit erfordern. Die endgültige Leistungsfähigkeit hängt jedoch weiterhin von der Rezeptur, der Härte, der Radgeometrie, der Metallkernkonstruktion und der Fertigungskontrolle ab.

Warum kann ein handelsübliches MDI-Polyurethanrad in der gleichen Anwendung versagen?

Ein Standard-MDI-Polyurethan ist nicht automatisch ungeeignet, jedoch kann eine für allgemeine industrielle Anwendungen entwickelte Formulierung zu viel Wärme erzeugen oder die für ein dauerhaft belastetes Portrad erforderliche Ermüdungs-, Reiß- oder Haftfestigkeit nicht erreichen. Das Materialsystem muss auf den tatsächlichen Betriebszyklus abgestimmt sein.

Kann ein Rad aus NDI-Polyurethan ein Rad aus Vulkollan® ersetzen?

Es kann als Alternative entwickelt werden, der Ersatz sollte jedoch für die jeweilige Anwendung validiert werden. Wichtige Faktoren sind Radlast, Geschwindigkeit, Betriebstemperatur, Betriebszyklus, Abmessungen, Härte, Metallkernkonstruktion und zulässiger Verschleiß. PEPSEN empfiehlt Prototypentests und Feldvergleiche vor einem breiten Austausch an kritischen Anlagen.

Welche Tests sollten vor der Zulassung eines hochbelastbaren Polyurethanrades durchgeführt werden?

Die Prüfungen sollten sich auf die tatsächlichen Ausfallrisiken konzentrieren. Je nach Anwendung können dies die Haftfestigkeit von Polyurethan auf Metall, die dynamische Wärmeentwicklung, die Dimensionsstabilität, das Verschleiß-, Abrieb- oder Ermüdungsverhalten sowie ein kontrollierter Feldversuch unter repräsentativen Betriebsbedingungen umfassen.

Welche Informationen benötigt PEPSEN, um einen individuellen Radwechsel zu beurteilen?

Nützliche Informationen sind beispielsweise eine Zeichnung oder ein Muster, Raddurchmesser und -breite, Abmessungen des Metallkerns, aktuelle Härte und Material, Radlast, Fahrgeschwindigkeit, Einschaltdauer, Betriebstemperatur, Umwelteinflüsse sowie eine Beschreibung oder Fotos des aktuellen Ausfallmodus.

Markenrechtlicher Hinweis: Vulkollan® ist eine eingetragene Marke von Covestro. Die hier verwendeten Referenzen beziehen sich auf das ursprüngliche Felgenmaterial des Kunden und den für das Austauschprojekt herangezogenen Leistungsmaßstab. Die von PEPSEN unabhängig hergestellten NDI-Polyurethanfelgen sind, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, nicht als Originalprodukte von Vulkollan® zu verstehen.