Aufrufe
vor 2 Jahren

antriebstechnik 11/2016

antriebstechnik 11/2016

11

11 Vergleich KR-Design, starre und elastische Umlenkturaslagerung Sobald die Zugkraft innerhalb der Kette ansteigt, erfahren die elastischen Elemente eine höhere Last und werden demzufolge gestaucht, sodass der Anstieg der Kettenzugkraft reguliert wird. Demgegenüber wird die Kette beim Absinken der Kettenzugkraft gestrafft. Folglich kann ein Schwingungsregulierungspotential bei Einsatz eines elastisch gelagerten Umlenkturasses vermutet werden. In Bild 11 ist das Resultat bei Einsatz einer elastischen Umlenkturaslagerung für das Fahrwerksmodell mit KR-Design dargestellt, wobei die Steifigkeit der Lagerung im Bereich c L = (6e7; 2e8; 2e9) N/m variiert wurde, was bei dem betrachteten Fahrwerk zu einer maximalen Einfederung von etwa 3 cm führen kann. Dahingehend zeigt sich, dass mit steigender Nachgiebigkeit die Signalenergien der einzelnen Zustandsgrößen gegenüber einer starren Lagerung des Umlenkturasses erheblich reduziert werden können. Demzufolge kann bei Einsatz einer elastischen Lagerung ein erhebliches Schwingungsregulierungspotential erwartet werden. Diese Aussage lässt sich jedoch nicht allgemeingültig formulieren. Wird die Regulierungsmaßnahme auf das Fahrwerksmodell mit dem ursprünglichen Schakendesign nach Bild 07a) angewendet, zeigt sich, dass entgegen der Vermutung die Fahrunruhe und die Schwankung der Zustandsgrößen gefördert und nicht gemindert werden (Bild 12). Ursächlich hierfür ist, dass sich die Längseigendynamik des Fahrschiffes bei Vorhandensein der Schakentäler gegenüber dem KR-Design unterscheidet. Durch Einsatz einer elastischen Umlenkturaslagerung kann die Längseigendynamik gegenüber dem Ausgangszustand ungünstig verstimmt und dadurch stärker von den jeweiligen Fahrwerksharmonischen angesprochen werden. Ferner kann vermutet werden, dass sich bei Fahrwerken, deren Aufbau und folglich Längseigendynamik sich von dem betrachteten Fahrschiff nach Abbildung 01 unterscheiden, der Einsatz einer elastischen Umlenkturaslagerung auch unter Anwendung des KR-Designs in einer Verschlechterung des Systemverhaltens niederschlägt. Folglich ist vor der praktischen Umsetzung einer elastischen Lagerung des Umlenkturasses das Schwingungsregulierungspotential für jeden Anwendungsfall simulativ zu überprüfen. Neupositionierung der Kettentragrollen 12 Vergleich ursprüngliches Design, elastische Umlenkturaslagerung 13 Neupositionierung der Kettentragrollen Die Raupenkette wird im Obertrum an den Kettentragrollen umgelenkt. Dabei wird – ähnlich zum Turas-Polygoneffekt – die Kette periodisch angehoben und abgesenkt (Bild 12), was zu einer Schwingungsinduzierung im freihängenden Bereich des Obertrums führt. Dabei hängt die Anregung der Obertrumschwingung mit der Phasenlage der Anheben-Absenken-Abfolge der Kette an den Kettentragrollen zusammen. Ferner ändern sich die Orientierungen der Kontaktkraftvektoren zwischen den Tragrollen und den Kettengliedern, sodass zusätzlich die Kettenzugkraft beeinflusst wird. Die Phasenlage der Orientierungsänderung zwischen den Kontaktkraftvektoren an den beiden Tragrollen entspricht dabei der Phasenlage der Anheben-Absenken-Abfolge. Da die Phasenlage bei gegebener Kettenteilung von dem horizontalen Abstand der Kettentragrollen zueinander abhängt, kann die Variation des Tragrollenabstands die Schwingungscharakteristik im Obertrum und gleichzeitig die Kettenzugkraftschwankung beeinflussen. Am Beispiel des KR-Designs lässt sich anhand der Fahrt mit gezogenem Obertrum (gOT) nachvollziehen, dass, entsprechend der Vorüberlegungen, die Schwankung der einzelnen Zustandsgrößen von der horizontalen Positionierung der Kettentragrollen zueinander abhängt (Bild 13). Im konkreten Anwendungsfall lassen sich damit insbesondere die antriebssysteminternen Zustandsgrößen hinsichtlich geringerer Schwankungen beeinflussen. Jedoch wird die Verringerung der Zustandsgrößenschwankung bei gezogenem Obertrum mit einer Verschlechterung der Signalgüte bei der Fahrt mit gezogenem Untertrum erkauft. Dies kann damit begründet werden, dass die Phasenlage einzelner fahrdynamischer Effekte fahrtrichtungsabhängig variiert, was beispielsweise in weiterführenden Studien für die Phasenlage des Gleitkreisgleitens zum Schakenklappen nachgewiesen werden konnte. Infolge der geänderten Phasenlage der einzelnen fahrdynamischen Phänomene zueinander kann die Phasenvariation der Kontaktkraftvektoren an den Kettentragrollen negative Auswirkungen haben. Überlagerung der Optimierungsmaßnahmen Die zuvor aufgezeigten Optimierungsmaßnahmen (KR-Design, elastische Umlenkturaslagerung und Kettentragrollenabstand) werden im Folgenden in einem Idealmodell vereinigt, um die Gesamtwirkung abzuschätzen und gegebenenfalls negative Querwirkungen zwischen den einzelnen Maßnahmen ausschließen zu können. Hierzu dienen die Gegenüberstellung der Signalenergien des Ausgangsmodells mit dem Idealmodell sowie der Signalenergievergleich des reinen KR-Designs mit dem Idealmodell in den Fahrsituationen mit gezogenem Ober- und Untertrum. Zur Einordnung der Ergebnisse werden in die Gegenüberstellung zusätzlich 144 antriebstechnik 11/2016

GETRIEBETECHNIK a b 14 Vergleich Ausgangsmodell, KR-Design (starr), KR-Design (elast.) und Idealmodell die Signalenergien des Modells mit KR-Design und elastischer Umlenkturaslagerung einbezogen. Der Vergleich des Ausgangsmodells des Fahrschiffes mit dem Idealmodell zeigt, dass der Einsatz der Optimierungsmaßnahmen fahrtrichtungsunabhängig zu einer deutlichen Reduzierung der Zustandsschwankungen führt (Bilder 14a) und b)). Sowohl die Fahrunruhe, welche sich in den Geräteoberbau fortpflanzt und diesen gegebenenfalls zu Schwingungen anregt, als auch die antriebssysteminternen Lasten sind reduziert. Von der Lastreduzierung profitiert zum einen das Getriebe, da mit einer verringerten Lastschwankung die zeitvarianten Beanspruchungen der Maschinenelemente abnehmen und im Sinne der Betriebsfestigkeit die Lebensdauer derer gesteigert wird. Zum anderen erfährt der Motor aufgrund der gesunkenen Stellmomentschwankungen eine deutlich geringere Auslastung. Dies eröffnet insbesondere die Option, die gewonnenen Stellmomentreserven für eine beanspruchungsminimierungsorientierte Zustandsregelung zu nutzen. Diese wäre in der Lage, auf Kosten der Stellmomentschwankung die Getriebebeanspruchung weiter zu reduzieren und gleichzeitig die Fahrunruhe zu regulieren. Der Vergleich des reinen KR-Designs mit dem Idealmodell zeigt, dass sich der überlagerte Einsatz der weiteren Optimierungsmaßnahmen des elastisch gelagerten Umlenkturasses und der neupositionierten Kettentragrollen nicht negativ auf die Zustandsgrößenschwankung auswirkt, sondern weiterhin der Trend zur Verringerung der Zustandsschwankung besteht. Jedoch ist im betrachteten Anwendungsfall der Übergang von dem KR-Design zum Idealmodell ähnlich dem Übergang vom KR-Design zum KR-Design mit elastischer Umlenkturaslagerung. Folglich ist im Idealmodell der Einfluss der neupositionierten Kettentragrollen auf die Zustandsgrößen von sekundärem Charakter. Zusammenfassung und Ausblick Raupenfahrwerken wohnt, der diskreten Unterteilung des Raupenbandes in Laufflächenglieder endlicher Länge geschuldet, eine erhebliche Fahrunruhe inne, sodass selbst bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten erhebliche Zustandsschwankungen im System Raupenfahrwerk vorliegen. Um die Schwankung der Systemzustände zu verringern, wurden im vorliegenden Beitrag mehrere Optimierungsmaßnahmen aufgezeigt, simulativ getestet und anhand der gewonnenen Signale das Optimierungspotential der einzelnen Maßnahmen bewertet. Dahingehend ließ sich zeigen, dass mithilfe des vorgestellten KR-Designs eine erhebliche Reduzierung der Lastschwankung im Getriebe, eine höhere Fahrruhe und eine geringere Auslastung der Antriebsmaschine ermöglicht werden. Aufbauend auf dem KR-Design erfolgte die Ausarbeitung weiterer Optimierungsmaßnahmen, welche abschließend in einem Idealmodell zusammengefasst wurden. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die elastische Lagerung des Umlenkturasses die Schwankung der Zustandsgrößen erheblich reduzieren kann. Jedoch sollte vor der praktischen Umsetzung dieser Maßnahme am konkreten Beispiel das Optimierungspotential simulativ getestet werden. Da die Optimierungsmaßnahmen unter anderem zu einer Verringerung der Motorauslastung beitragen, können die gewonnenen Stellmomentreserven für eine weitere Regulierung der Beanspruchung des Getriebes sowie der Fahrunruhe genutzt werden. Hierfür bietet sich eine Zustandsregelung an, welche auf Kosten der Stellmomentschwankung die zeitvarianten Getriebebeanspruchungen und die Fahrgeschwindigkeitsschwankungen in ihren Amplituden weiter reduziert. Literaturverzeichnis: [DH09] Dresig, H; Holzweißig, F.: Maschinendynamik. 9. Aufl. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2009 [Dre06] Dresig, H: Schwingungen und mechanische Antriebssysteme. 2. Aufl. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006 [Fis13] Fischer, D.: Mehrkörpersystemmodell eines Raupenfahrwerks. Diplomarbeit. Technische Universität Dresden, Lehrstuhl Maschinenelemente, 2013 [FJ67] Fink, M.; Janßen, M.: Laufverbesserung großgliedriger Kettentriebe durch Verminderung der Polygon- und Umlenkeffekte. Köln, Opladen: Westdeutscher Verlag, 1967 [Han90] Hanif, S. M.: Ein Beitrag zur Modellfindung von Raupenfahrwerken. Dissertation. Technische Universität Dresden, Fakultät für Maschinenwesen, 1990 [Hen88] Hensel, E.: Fahrwiderstand und Kettenzugkraftverlauf an Raupen für Tagebaumaschinen. Dissertation. Technische Universität Dresden, Fakultät für Maschinenwesen, 1988 [KKZ01] Kramer, B.; Kubacki, A.; Ziegler, M.: Neuartige Raupenschake für Großgeräte. In: Surface Mining - Braunkohle & Other Mining 53 (2001), Nr. 4, S. 393-403 [Kra90] Kramer, B.: Untersuchungen zum Einfluss der Fahrwerke auf das dynamische Verhalten von Großgeräten. In: Braunkohle 42 (1990), Nr. 3, S. 11-19 [Sch10] Schlecht, B.: Maschinenelemente 2. Getriebe, Verzahnungen, Lagerungen. München: Pearson Studium, 2010 [SG16] Schlecht, B.; Graneß, H.: Einfluss von Bauteilverschleiß auf die Antriebsdynamik von Raupenfahrwerken. Aalener Kolloquium antriebstechnischer Anwendungen 2016, 17. März 2016, Aalen [Sol88] Sollmann, H.: Zur Kinematik des Turas-Antriebs. In: Maschinenbautechnik 37 (1988), Nr. 3, S. 114-117 antriebstechnik 11/2016 145

Aktuelle Ausgabe

Aktuelle Ausgabe