Innovationen in der Technischen Logistik

Die Dimensionierung und Auslegung des für den Fahrantrieb nötigen Kraftbedarfs der Fahrkette baut meist auf Erfahrung mit vergleichbaren Anwendungen und Feldmessungen auf. Der Eingriff der Kette in das Antriebsrad (Turas) ist ein dynamischer Vorgang unter stets wechselnden Randbedingungen. Um schon in der Produktentwicklung möglichst viele Betriebszustände zu analysieren, ist die mechanische Simulation von Dynamik und Festigkeit der Fahrwerkskomponenten (CAE mit Mehrkörpersimulation – MKS und Finite-Elemente-Methode – FEM) ein probates Instrument. Die dadurch erhaltenen virtuellen Einblicke in das Zusammenspiel von Turas und Kette ermöglichen eine betriebssicherere Auslegung jeder beteiligten Geometrie und eine optimierte Kraftwirkungssituation mit höherer Lebensdauer.

Abb. 3 zeigt die Vorgehensweise eines virtuellen Optimierungsprozesses des Kettenfahrwerkes. Die Optimierung des Laufverhaltens, und damit des Zusammenwirkens Kette/Turas, geht einher mit der Bewertung der Optimierungsmaßnahmen, die mittels Betriebsfestigkeitsanalyse durchgeführt wird. Zahlreiche Simulations- und Berechnungsverfahren sind in der Lage, die modellierte Maschine schon in einer frühen Entwicklungsphase ausreichend genau und detailliert zu beschreiben [3].

Mittels starrer Mehrkörpersimulation (MKS) werden in einem ersten Schritt die dynamischen Größen am Fahrwerk und am Turas in verschiedenen Betriebszuständen ermittelt. Eine Optimierung der geometrisch/konstruktiven Gestaltung des Fahrwerkes schließt sich an. Zur Bewertung werden an den funktionskritischen Bauteilen zu jedem Zeitpunkt die Bauteilspannungen in den verschiedenen Betriebszuständen mittels flexibler MKS und, wenn nötig, FEM berechnet. Daran schließen die Auswahl der optimalen Variante und die Ableitung von Konstruktionsregeln an. Die automatische Konstruktion (KBE) im CAD [4] ermöglicht dann zukünftig die effiziente konstruktive Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse.

In Abb. 4 des Mehrkörpersimulationsmodells kann man teilweise die Abstraktion des Dynamikproblems erkennen. Drehgelenke, Solid-Solid-Kontakte, nichtlineare Federn, das dynamische Modell des Antriebsmotors und ein spezielles Bodenkraftmodell stellen die Kernkomponenten des Modells dar [3]. Eine Koppelung der MKS mit der FEM in sogenannten flexMKS-Ansätzen ermöglicht heutzutage die Berechnung der hochkomplexen Mechanikgrößen zusehends in einer Softwareumgebung (MSC.ADAMS) [5].

Die Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse mit den langjährigen Erfahrungen und Messungen seitens SANDVIK liefert den entscheidenden Funktions-, Sicherheits- und Wettbewerbsvorteil. Daraus wird zu jedem Berechnungszeitpunkt die Kraftsituation an jedem Fahrwerksbauteil berechnet, die für die weiteren Betriebsfestigkeitsanalysen (Abb. 5) zur Verfügung steht. Die flexMKS-Spannungsberechnung bietet gegenüber der FEM-Standalone-Lösung den Vorteil, dass die Auswirkung konstruktiver und antriebstechnischer Änderungen am Modell ohne großen Export-/Importaufwand beurteilt werden können. Während jedes Zeitschritts wird hier ein FEM-Gleichungssystem aufgrund der dynamischen Situation der Maschine gelöst. Das Fehlen einer fortgeschrittenen Berechnungssteuerung (Vernetzung, Elemente, Solver) ermöglicht hier allerdings eher eine qualitative Trendabschätzung. Bei der FEM-Standalone-Lösung muss für den Export der Dynamikgrößen ein effizienter Workflow geschaffen werden bzw. wird durch manche Software bereits unterstützt. Elastische Größenänderungen an Bauteilen der Maschine wirken allerdings dann nicht auf die Dynamik an dadurch veränderter Geometrie zurück.

Im Zuge mehrerer Projekte wurde ein umfassendes Modell- und Simulationsportfolio für die Kettenlaufwerke entwickelt. Die gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den im Feld gemessenen und beobachteten Größen ermöglicht zukünftig eine virtuelle Produktentwicklung und resultiert in konstruktiven Optimierungen hin zu einer sichereren, haltbareren und effizienteren Maschine.

Es konnte v.a. das Eingriffsverhalten Kette/Kettenrad unter den gegebenen engen geometrischen Randbedingungen verbessert werden. Mit den konstruktiven Änderungen am Turas führt dies zu einem dynamisch gleichmäßigeren Lauf der Maschine, was sich begünstigend auf die wirkenden Kettenkräfte auswirkt. Diese neue Eingriffsgeometrie ist nun verschleißgünstiger und auch in der Lage, alle am Kettenrad durch Verschmutzung u. ä. anfallenden Betriebszustände zu beherrschen. Eine Erhöhung der Funktionssicherheit der Maschine konnte somit durch die virtuellen Untersuchungen an der Maschine erreicht werden.

Nachfolgend werden der Aufbau eines Tangentialriemenförderers (TRF) (Abb. 6), die benötigten Messpunkte zur Bestimmung der Teilverluste und die wesentlichen Anforderungen an die Messgrößen veranschaulicht. Dargestellt sind die drei Hauptbaugruppen: Drehstrom-Getriebemotor mit Frequenzumrichter, gemeinsamer Antriebsstrang für die Staurollensegmente mit zentral angetriebenem Flachriemen und zuschaltbare Staurollensegmente.

Abb. 7 erläutert die benötigten Messpunkte und die Methodik zur Bestimmung der Einzelverluste. Es wird das sogenannte Strip-Down-Verfahren angewendet.

Das Messsystem ist durch elektrische und mechanische Messgrößen gekennzeichnet. Zur Bestimmung der elektrischen Leistung am Fördersystem ist die messtechnische Ermittlung der Spannungs- und Stromgrößen im dreiphasigen Versorgungssystem erforderlich. Die Messgrößen Spannung und Strom werden für den Messpunkt 1 (MP1) am Eingang des Frequenzumrichters abgegriffen, der Messpunkt 2 befindet sich zwischen Frequenzumrichter und dem gespeisten Antriebsmotor (Drehstrommotor).

Wesentlich ist, alle benötigten Messgrößen auf gleicher Zeitbasis zu erfassen. Ebenso ist die Abtastung der Messsignale mit ausreichender Rate sicher zu stellen. Die am Institut vorhandene leistungsfähige Messtechnik ermöglicht Abtastraten bis 500kHz. Die Anforderungen an Messtechnik und Messsoftware zur Berechnung der elektrischen Leistung sind bei Umrichterbetrieb sehr hoch (vgl. [7]). An den Messpunkten 1 und 2 treten Spannungs- und Stromverläufe auf, welche durch einen nicht-sinusförmigen Verlauf gekennzeichnet sind. Diese hochfrequenten Signalanteile können einen wesentlichen Anteil an der Gesamtleistung verursachen und sind daher geeignet zu berücksichtigen. Mittels Fourier Transformation sind erst für die drei Phasen (Spannungen, Strom) die Harmonischen zu berechnen, weiters die Effektivwerte und resultierenden Einzelleistungsanteile sowie abschließend die Gesamtleistung (1) [8].wobei Um den Leistungsbedarf des mechanischen Anlagenteils ohne Antriebseinheit zu bestimmen, ist es notwendig, die mechanische Leistung an der Abtriebswelle der Antriebseinheit zu erfassen (Getriebe oder Direktantrieb). Zur Leistungsberechnung (2) sind die Messgrößen Drehmoment und Drehzahl entsprechend zu bestimmen.wobei Konstruktiv befinden sich die Getriebemotoren entweder starr befestigt an einer Konsole oder direkt an der Antriebswelle (Getriebe mit Hohlwelle). Bei der Hohlwellenausführung wird die Aufnahme des Reaktionsdrehmomentes mittels Drehmomentstütze realisiert (Abb. 8). Alternativ kommt ein Drehmomentenmessflansch zum Einsatz (ohne Darstellung). Die Drehzahlerfassung erfolgt direkt an der Getriebeausgangswelle des Antriebsmotors. Zum Einsatz kommen Tachogeneratoren oder alternativ inkrementelle Drehgeber.

Um die Teilleistungen der mechanischen Komponenten (z.B. Tragrollensysteme) zu ermitteln werden Relativmessungen vorgenommen (Abb. 7). Die Einzelkomponenten werden dazu schrittweise abgebaut (Strip-Down).

In technischen Anwendungen werden Kennzahlen üblicherweise spezifisch angegeben. Im Fall der Technischen Logistik ist es naheliegend, den „Logistischen Ertrag“ (Nutzen, Output) eines Prozesses als Bezug zu definieren. Es wird ein „Spezifischer Energiebedarf“ eingeführt. Dieser spezifische Energiebedarf bezieht die zugeführte Energie auf den Logistischen Ertrag. Formal bildet sich der spezifische Energiebedarf aus dem Reziprokwert der Energieeffizienz (3), wie folgtwobei Für eine gültige Bestimmung des spezifischen Energiebedarfs ist es wesentlich, geeignete repräsentative Arbeitsspiele zu definieren. Es müssen die für den Einsatz entsprechenden realen Lastverhältnisse (Volllast, Teillast, Leerlauf) berücksichtigt werden. Eine reine Nennpunktbetrachtung ist in den meisten Fällen nicht ausreichend [8]. Eine nähere Betrachtung des Logistischen Ertrags, im Bereich der Fördertechnik, legt einerseits die Normierung auf einen Meter Förderstrecke und andererseits die Fallunterscheidung Stückgut (Ladungseinheit) bzw. Schüttgut (Masse) nahe. Damit ergeben sich die beiden nachfolgenden Energieeffizienz-Kennzahlen (4), (5). wobei Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse der Effizienzkennzahlen war es unerlässlich, einerseits den Ablauf und die Einzelschritte, andererseits die spezifischen Messbedingungen eindeutig festzulegen [9], [10].