Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung des dynamischen Verhaltens von Schwenkwerken für Schaufelradbagger

Schaufelradbagger sind mobile Tagebaugroßgeräte zur Förderung von Braunkohle. Aufgrund der Sektorenkopplung und des Atomausstiegs werden die Einsatzbedingungen für die Bagger zunehmend schwieriger, da zur Erschließung der notwendigen Braunkohlevorräte in härteren Erdschichten gearbeitet werden muss. Dadurch erfährt insbesondere das Drehwerk, welches während des Grabens den Bagger-Oberbau schwenkt, erhebliche dynamische Zusatzlasten, die die Lebensdauer der Maschinenelemente stark limitieren. Um die Gerätschaften dennoch über weitere Jahre betreiben zu können, sieht das Forschungsvorhaben eine Überarbeitung der Regelungseinrichtung des Drehwerks vor. Diese soll geeigneter auf Lastenschwankungen reagieren und somit die dynamischen Beanspruchungen gezielt minimieren.

Zur Erlangung der Zielstellung sind das Gesamtsystem Schaufelradbagger und der Grab-Schwenkvorgang ganzheitlich innerhalb eines Berechnungsmodells abzubilden und mithilfe von Messwerten zu validieren. Über Zeit- und Frequenzbereichssimulationen sind anschließend Haupteinflussgrößen, die Dynamik betreffend, zu identifizieren. Basierend auf diesen Erkenntnissen lässt sich die Regelung der Drehwerksantriebe optimieren und bereits im Berechnungsmodell auf das Schwingungsregulierungspotential.

Neben der optimierten Betriebsweise erhalten die teilhabenden KMU einen vertieften Einblick in die Dynamik der Drehwerke und können hiermit zukünftig ihre Teillieferung besser auf den Anwendungsfall abstimmen.

Ergebniszusammenfassung:

• Aufbau und erfolgreiche messtechnische Validierung eines ganzheitlichen Simulationsmodells für das Schwenkwerk eines Schaufelradbaggers

• Schaffung eines Systemverständnis zum Zusammenwirken der Komponenten von Schwenkwerken (mechanischer Antriebsstrang, elastische Strukturen am Getriebeausgang, elektrische Antriebsmaschine, Antriebsregelung, Sensorik zur Erfassung der Regelgrößen, wirkende Lasten)

• Identifikation von systemdynamischen Haupteinflussfaktoren und kritischen Maschinenelementen

• Optimierung der Betriebsweise (Erhöhung der Anlagenförderleistung bei gleichzeitig geringerer Antriebsbelastung) durch die Implementierung einer Mehrgrößenregelstrategie für elastische Antriebe mit erheblichem Getriebespiel

• Bereitstellung von Modellierungsrichtlinien zur zielgerichteten Erstellung komplexer Schwenkantriebs-Simulationsmodelle. Damit entfällt für Anwender der enorm zeitaufwendige Prozess der Findung einer geeigneten Modelltiefe zur Abbildung der wesentlichen maschinendynamischen Phänomene.

• Bereitstellung allgemeingültiger, recheneffizienter Minimalmodelle zur einfachen Abschätzung von Auslegungslasten (z.B. in Ergänzung zu den oftmals ungenauen Dimensionierungslasten aus DIN 22261) und zum virtuellen Prototypentest von Regelstrategien in frühen Phasen der Produktentwicklung.

• Erarbeitung eines recheneffizienten Modellansatzes zur Beschreibung komplexer Seilsysteme hinsichtlich ihrer elastischen Eigenschaften. Die Anwendung ist nicht auf das Hubseilsystem des Schaufelradbaggers beschränkt, sondern zielt unmittelbar auf beliebige Seilkinematiken.

• Entwicklung eines innovativen regelungstechnischen Verfahrens, das bei beliebigen Antriebssträngen mit großem Verzahnungsspiel eine zeitoptimierte und belastungsminimierte Durchquerung des Getriebespiels bei einer beabsichtigten Drehrichtungsumkehr gewährleistet. Anwendbar im Bereich der Windenergieanlagen, bei Turmdrehkranen, Parabolantennen oder weiteren hochübersetzenden Reversierantrieben.