Tribomechanik

Betriebsfestigkeit

Die modellhafte Erfassung des Verhaltens tribomechanischer Bauteile - sei es zum verbesserten Verständnis von Bauteilversuchen, zur Identifikation von Beanspruchungsgrenzen, zur Optimierung oder zur Schaffung von tribomechanischen Bauteilsimulationen - ist das Ziel dieses Schwerpunktes. Vor diesem Hintergrund hat die AG BMT eine insbesondere für trocken- bzw. im Mischreibungsgebiet laufende Gleitlager bzw. Gelenke anwendbare übergeordnete Struktur des inneren Wirkzusammenhangs zur Systembeschreibung entwickelt. Mechanisches Verhalten: Flächenpressung, Geschwindigkeit FE-Kontaktanalysen, reduzierte Steifigkeitsmatrizen aus FE, parameteroffene Ersatzmodelle, ... Termisches Verhalten: Gleitschichttemperatur Thermische FE-Analysen, identifizierte/ reduzierte Mehrkörpermodelle, parameteroffene Ersatzmodelle, ... Tribologisches Verhalten: Reibwert, Verschleiß Lokaler Ansatz, experimentell gestützt/ parametriert, ... Die Modellierung bedarf einer experimentellen Verifizierung – aus diesem Grund führt die AG BMT ein weites Spektrum an Versuchen im eigenen Prüffeld sowohl an Bauteilen als auch an einfachen Proben durch. Die Kompetenz spiegelt sich auch in den derzeitigen Bearbeitungschwerpunkten aus dem Bereich Tribomechanik wider: Verschleißsimulation an Fahrwerksgelenken in Mehrlenkervorderachsen Lebensdauerdimensionierung von wartungsfreien sphärischen Gelenklagern

Der Nachweis der Betriebsfestigkeit und die einsatzgerechte Auslegung von Bauteilen stellt eine der Kernkompetenzen des Lehrstuhls für Maschinenelemente und Fördertechnik und der Arbeitsgruppe Baumaschinentechnik dar. Unabhängig von der konkreten Aufgabe liegt der statischen und dynamischen Festigkeitsbewertung stets ein ganzheitliches Konzept beginnend bei der Identifikation und Quantifizierung relevanter Lasten bzw. Lastkombinationen über die Bestimmung der resultierenden Beanspruchungen bis hin zur Festlegung und Berechnung der zulässigen Beanspruchungen bzw. Grenzzustände zugrunde. Eingesetzte Werkzeuge und Bewertungsmethoden: Einsatz von Stabstatik- und MKS-Programmen zur Lastermittlung von Komponenten komplexer Maschinensysteme und Anlagenstrukturen Abbildung von stab-, flächen-, und volumenförmigen Bauteilen, hybride Modelle Beanspruchungsermittlung auf Basis von Nennspannungs- und örtlichen Konzepten; Einsatz von FEM-Modellen zur Bestimmung lokaler Spannungen aufgrund mechanischer sowie thermischer Lasten Beanspruchbarkeitsermittlung und Nachweisführung auf Basis aktueller Normen und Richtlinien (z.B. FKM-Richtlinie, DIN 743, EN 13001) Berücksichtigung von Verschleiß und Korrosion im Rahmen der Lebensdauerbewertung hochbeanspruchter Maschinen- und Anlagenkomponenten Beispielsweise im Rahmen einer mehrjährigen Zusammenarbeit mit Verbundpartnern der Industrie, des MPT e.V. und mehrerer Universitäten werden die Werkzeuge und Methoden erfolgreich angewendet und weiter entwickelt. Diese Verbundforschungsprojekte werden von BMBF und BMWi gefördert. Gegenstand unserer Verbundforschungsarbeiten sind die Festigkeits- und Zuverlässigkeitsberechnungen von Anlagenkomponenten für die Öl- und Gasförderung: Festigkeitsbewertung für Anlagenkomponenten bei mehrphasiger Förderung Ableitung parametrischer Komponentenmodelle zur Betriebsfestigkeitsbewertung unterschiedlicher Baugrößen Berücksichtigung von Grenzzuständen der Festigkeit und der Gebrauchstauglichkeit Erfassung des Einflusses von Verschleiß und Korrosion auf Komponentenlasten, Beanspruchungen und Beanspruchbarkeit Gegenstand unserer Forschungsarbeiten sind die Festigkeits- und Zuverlässigkeitsberechnungen von Spurkränzen an Kranlaufrädern: Ermittlung möglicher Fahrzustände bezüglich der Spurkranzbelastung Ableitung parametrischer Komponentenmodelle zur Bewertung der wirkenden Belastungen Analyse der Korrelation zum Verschleiß- und Versagensverhalten Erfassung des Einflusses von Verschleiß auf Beanspruchungen Bewertung der Beanspruchbarkeit von Spurkränzen

Akustik und Schwingungen

CargoCap

Gezielte Optimierungs- und Entwicklungsansätze im Bereich der Akustik erfordern ein ganzheitliches Systemverständnis der jeweiligen Maschinen, das die gesamte Geräuschentstehungskette von der Anregung über die Körperschallübertragung bis zur Luftschallemission umfasst. Die hierzu entwickelte akustische Analyse- und Bewertungsmethodik zielt vor dem Hintergrund der Komplexität moderner Baumaschinen zunächst auf die Erarbeitung eines globalen und dennoch differenzierten akustischen Bildes der Maschine ab. Dies bildet die Basis für die Identifikation aller relevanten Geräuschquellen und Emissionsorte und erlaubt zudem die Charakterisierung der Emissionen im Frequenzbereich. Die Ableitung gezielter Optimierungs- und Entwicklungsansätze stützt sich auf ein aus dem Systemverständnis abzuleitendes Geräuschquellenranking und eine Potentialbewertung der möglichen Optimierungsrichtungen. Bei der Entwicklung konkreter Lösungen werden schließlich, neben den akustischen, auch die baumaschinenspezifischen Anforderungen berücksichtigt. Vorteile und Bedeutung für die Praxis: systematische Identifikation und Bewertung des akustischen Optimierungspotentials zeiteffiziente Entwicklung von, für den Baumaschineneinsatz geeigneten, Lösungen gezielte Hinweise für Neuentwicklungen reduzierte Prototypen- und Entwicklungskosten Die Forschungsschwerpunkte der AG Baumaschinentechnik auf diesem Gebiet: Vibroakustische Analyse von Kettentrieben: Quantifizierung der stoßartigen Anregung Erfassung des strukturdynamischen Übertragungsverhalten sowie der Luftschallemission Entwicklung von Ansätzen zur akustischen Optimierung der Kettentriebe Entwicklung eines integrierten Analyseverfahrens zur akustischen Optimierung von Fahrerkabinen: Messtechnisch gestützte Analyse des akustischen Istzustandes Simulationsbasierte Ermittlung der Luftschallemissionen im Kabineninnenraum mit dem Ziel der entwicklungsbegleitenden Optimierung der verwendeten Komponenten und ausgeführten Anbindungen

Die Idee: Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt CargoCap (www.cargocap.de) wurde im Jahr 1998 von Prof. Dr.-Ing. Dietrich Stein an der Ruhr-Universität Bochum initiiert. Zum Projektteam unter seiner Leitung gehören neben den technischen Disziplinen auch juristische und wirtschaftswissenschaftliche Forschungspartner. Die Zielsetzung des Projekts ist die Entwicklung eines Systems, um Güter schnell, zuverlässig und termingerecht in dicht besiedelten Ballungsräumen durch unterirdische Fahrrohrleitungen zu transportieren. Das Konzept: In unterirdischen Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 1,60 Meter fahren Transportkapseln vollautomatisch, beladen mit jeweils zwei Euro-Paletten. Die einzelnen Transportkapseln werden elektrisch angetrieben und fahren auf Schienen. An den Haltepunkten werden die Euro-Paletten automatisch be- und entladen und an den Empfänger weitergefördert. Nur an diesen Haltepunkten gibt es eine Verbindung zur Oberfläche. Sie können sowohl mitten in Innenstädten liegen als auch punktgenau am Fließband einer Fabrik. Dies liefert einen Beitrag zur Entlastung der Straßen vom immer stärker wachsen­den Güterverkehr und zur Verbesserung der Transportqualität vor allem in Ballungsräumen. Die CargoCap-Modellstrecke Ein großer Schritt in Richtung der Realisierung des Transportsystems ist die vom Lehrstuhl für Maschinenelemente und Fördertechnik der Ruhr-Universität errichtete Modellstrecke im Maßstab 1:2. Sie ermöglicht die Untersuchung der elektro- und maschinenbautechnischen Aspekte, die nur in einem dem Realbetrieb vergleichbaren Versuchsbetrieb möglich sind und erlaubt darüber hinaus einen Aus­blick auf die Eignung des CargoCap-Systems in seinem logistischen Umfeld. Bisher ist ein 125 Meter langes Schienensystem (später 160 Meter und zwei Weichen) mit den zugehörigen Energieversorgungs- und Steuerungseinrichtungen installiert, auf dem bis zu drei Fahrzeuge – voll­automatisch gesteuert – fahren können. Von einem Leit­stand aus lässt sich der Fahrbetrieb kontinuierlich überwachen. Die Energieübertragung erfolgt berührungslos nach dem Transformatorprinzip (SEW MOVITRANS). Schleifkontakte sind nicht mehr erforderlich. Die drei Testfahrzeuge der Modellstrecke erhalten die benötigte Energie über je zwei Übertragerköpfe, die zusammen eine Spitzenleistung von 6 kW liefern können. Den Antrieb übernehmen pro Fahrzeug zwei SEW-Servomotoren. Die Steuerung der Antriebe erfolgt dezentral (SEW MOVIPRO), die benötigten Informationen werden ebenfalls kontaktlos per WLAN über einen Leckwellenleiter übertragen. Um in der Phase der Inbetriebnahme den direkten Zugriff auf die Fahrzeugprototypen zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten, wurde die Modellstrecke oberirdisch und zunächst ohne Rohrleitungen aufgebaut. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme der Fahrzeuge vervollständigt eine Umhausung des Fahrwegs für die Untersuchung der speziellen aero- und fahrdynamischen Eigenschaften den Versuchsaufbau. Die Forschung: An der Modellstrecke arbeiten die Forscher zurzeit daran, einen energieeffizienten Betrieb von CargoCap sicherzustellen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Betrieb der Fahrzeuge im Fahrrohrleitungssystem, aus dem ein erhöhter Luftwiderstand resultiert. Es soll untersucht werden, wie die intelligente Fahrverbandsbildung, die Anwendung hierfür entwickelter Steuerungsstrategien und beispielsweise die Anpassung der Fahrzeugform den Energiebedarf beeinflussen. Dieses Teilprojekt wird für zwei Jahre von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert.