Projekt Energietechnik

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1 Thema: Konzeption einer langlebigen Stülpmembran bezüglich Festigkeitsanforderungen, Belastungen, Aufbau und Herstellungsprozessen Kurztitel: Stümemtion Hochschule: Technische Hochschule Nürnberg Fakultät: Maschinenbau und Versorgunstechnik Bachelorstudiengang: Maschinenbau Fachrichtung: Energietechnik Wissenschaftlicher Betreuer: Dr. Prof. Matthias Popp

2 Gliederung Stand der Technik Wahl der verwendeten Materialien Stahlseilfördergurte 2-Komponenten-Kontaktklebstoff (2k-Klebstoff) Berechnungen Belastungen Festigkeitsnachweis Förderband Festigkeitsnachweis Klebstoff Anzahl der benötigten Förderbänder Auswahl der Hersteller Fazit Stahlseilförderband Klebstoff Seite 2

3 Stand der Technik Materialauswahl Hohe Belastungen durch die Größe des Speichers Material mit hohen Festigkeitsanforderungen, bei gleichzeitig hoher Reißfestigkeit und hoher Dehnfähigkeit Infrage kommenden Materialien: Stahl-/metall-/glas und/oder kohlefaserverstärktem, biegeelastischem Gummi, bzw. Kunststoff Neuerfindung oder auf bereits bestehende Materialkombinationen zurückgreifen? Förderbänder Förderbänder bis max. 3,2 m Breite Fügetechnik Kleben verspricht hier das größte Potenzial Zweilagiges, versetztes Verkleben der Förderbänder Seite 3

4 Stand der Technik Herstellungsprozess Vor Ort Parallele Ausrichtung der Membranbänder an Kolbenhülle Vorbehandlung der Bänder für den Klebstoff (beidseitig) Unter Druck werden die Bänder zusammengepresst mit Hilfe eines beweglichen Anpresssystems Umstülpung der Bänder, die sich oberhalb der Kolbenkante befinden Mithilfe von Stahlbändern und einer Gewichtsspannvorrichtung Abschließend: Wasserdichte und dauerbetriebssichere Befestigung an Kolbenverkleidung Seite 4

5 Wahl der verwendeten Materialien Stahlseilfördergurte Allgemeines: Festigkeiten zwischen N/mm² Ca. 2% Bruchdehnung im Betrieb (niedrige Spannwege) Lebensdauer bis zu 20 Jahren Wiederverwendung der alten Stahlförderbänder als Boden für Pferdeställe Polymerbasis: (NBR) Acrylnitril-Butadien- Kautschuk Gute Hitzebeständigkeit Stahlseile: Einzeldrähte Wechselbiegebeanspruchung Abbildung 1: Vereinfachter Aufbau eines Stahlseilförderband mit a: obere Deckplatte, b: Kautschukkante, c: Haftmischung, d: verzinkten Stahldrähte, e: untere Deckplatte, d: Stahlseildurchmesser, t: Seilteilung (entnommen aus: Fritz Röthemeyer, Franz Sommer, Kautschuk Technologie, 2013, S. 1155) Seite 5

6 Wahl der verwendeten Materialien Stahlseilfördergurte Gurtkonstruktion: Gängigste Konstruktionen: 6x9, 7x19 Abbildung 4: 7x19 Stahlseilkonstruktion Seite 6

7 Wahl der verwendeten Materialien 2-Komponenten-Kontaktklebstoff (2k- Klebstoff) Physikalisch-chemisch reagierenden Klebstoffe versprechen höchste Anforderungen an Festigkeit 2K-Kontaktklebstoffe anstatt Vulkanisationsklebstoffen Bewertungsmatrix Klebeverfahren Bewertungskriterien 2k-Kleben Vulkanisieren Festigkeiten Betriebsfestigkeit Widerstand gegen Umgebungsbedingungen Fertigungszeit Große Flächen Wertigkeit bei Störung Wertigkeit bei Reparatur Umweltverträglichkeit Energieverbrauch Tabelle 1: Relevanten Auswahlkriterien zur Beurteilung der optimalen Klebvariante Legende: = Note 1, = Note 2, ++++ = Note 3, +++ = Note 4, ++ = Note 5, + = Note 6 Seite 7

8 Berechnungen Belastungen 1. Allgemeine Abmessungen: D Z = 130 m, D K = 126 m, Z h = 430 m, b S = 2 m. Auslegung des Speichers auf einen Stadtteil Forchheims mit ca Einwohner und einer Versorgung mit Strom für ca. 10 Tage 2. Berechnung der vorliegenden Spannung in der Membran, sowie Dimensionierung PP dddd = FF aaaa AA kkkkkk = NN mmm = ,97 NN mmm = 3,55 MMMM mmm = 3,55 NN mmmmm = 35,50 bbbbbb FF llll = PP dddd bb ss 2 = 3,55 MMMM mm 2 2 mm 2 MMMM = 3,55 mm Seite 8

9 Berechnungen Belastungen 3. Berechnung der vorliegenden Spannung in der Membran, sowie Dimensionierung Festlegung der zulässigen Spannung in der Membran σσ zzzzzzzz = 10 NN mmmmm h eeeeee = FF llll h MM = h eeeeee + AAAAAA = 32 mmmm + 3,0mmmm = 358 mmmm = 3, σσ zzzzzzzz 10 NN mmmmm NN mmmm = 355 mmmm Seite 9

10 Berechnungen Festigkeitsnachweis Förderband 4. Berechnung der Mindestbruchkraft (F bmin ) und Festigkeitsnachweis FF bbbbbbbb = ff RR mm kk dd 2 ππ 4 = NN 0, mmmm 2 0,84 (10mmmm)2 ππ 4 = 62147NN ff 0,5322 Annahme kk 0,84 Annahme FF bbbbbbbb = FF bbbbbbbb nn ss = 62147NN 150 = 9,32MMMM Seite 10

11 Berechnungen Festigkeitsnachweis Förderband 4. Berechnung der Mindestbruchkraft (F bmin ) und Festigkeitsnachweis σσ FFFF = FF bbbbbbbb AA wwww = 9,32MMMM 5mmm FF LLLLLL = 2 σσ FFFF bb ss 2 = 1,86 MMMM mmm = 2 1,86 MMMM mm 2 2mm 2 = 1,86 NN mmmmm MMMM = 3,72 mm Stahlseilförderbänder mit den gegeben Abmessungen halten der Belastung stand Um einen höheren Sicherheitsfaktor zu erlangen kann die Anzahl der Stahlseile, sowie der Durchmesser der Stahlseile variiert werden. Ebenso gibt es auf dem Markt Modelle mit Stahlseilen, welche eine Festigkeit von bis zu NN 3000 aufweisen. mmmmm Abbildung 3: Veranschaulichung der Druckkraft auf die Membran Seite 11

12 Berechnungen Festigkeitsnachweis Klebstoff 5. Berechnung der Klebstofffestigkeit Hauptbeanspruchung: Zugscherbeanspruchung τ KKKK SS ττ KK = FF zz AA KK = 8,88 MMMM 5mmm mit FF zz = FF llll bb FF = 3,55 MMMM mm = 1,78 MMMM NN mm2 = 1,78 mmmmm 2,5mm = 8,88 MMMM AA KK = bb FF bb SS = 2,5mm 2mm = 5 mm² τ kkkk 2 1,78 NN NN mmmm2 = 3,56 mmmmm Somit muss der Kleber aufgrund der gewählten Sicherheit von 2 eine größere Zugspannung als 3,56 NN aushalten. mmmmm Seite 12

13 Berechnungen Anzahl der benötigten Förderbänder 6. Berechnung der Förderbandanzahl Diese erfolgt über eine Gegenüberstellung der entfalteten Förderbänder und eines einzelnen Bandes. AA eeeeeeeeeeee = bb eeeeeeeeeeee ll MM = 2,5 mm 118,6 mm = 296,5mmm AA MM = 34520,7 mmm nn FFFF = 2 AA MM AA eeeeeeeeeeee = 34520,7 mm2 296,5 mm 2 2 = 232, Seite 13

14 Auswahl der Hersteller Stahlseilförderband Infrage kommen alle Hersteller, da diese einer weit aus höheren Belastung stand halten können Aufgrund der zweilagigen Anordnung können günstigere Varianten in Betracht gezogen werden Datenblätter sind teilweise unvollständig, daher Anfrage direkt bei Unternehmen germanbelt Stahlseilfördergurthersteller: germanbelt Continental Stahlcord Ambelt Typ ST 6300 ST 7100 V St 5400 Mindestbruchkraft [N/mm] Preis [ /Stk] Seildurchmesser [mm] 12,8 13,1 11,3 Seilteilung [mm] Deckplattendicke [mm] 8, Bandbreite [mm] Stahlseilanzhal Seilkonstruktion 7x7, 7x19 Tabelle 2: Vergleich verschiedener Förderbandunternehmen hinsichtlich der wichtigsten Merkmale Seite 14

15 Auswahl der Hersteller Klebstoff Sämtliche Anbieter halten den anfallenden Belastungen stand BESTklebstoffe BEST-MA 1044 Klebstoffhersteller: REMA TIP TOP REMA TIP TOP BESTklebstoffe BESTklebstoffe Typ CEMENT MC 2000 CEMENT SC 4000 BEST-MA 1044 Quickmix 1104 Festigkeiten [N/mm²] Topfzeit [h] 2 2 0,03 0,3 Belastbar ab [h] 12 ca spez. Gewicht [g/cm³] 1,6 0,96 Mischung: 0,99 Mischung: 1,15 Polymerbasis CR CR Methacrylatesters Epoxidharz Viskosität [mpas] Härte 78 Shore D Preis [ /kg] 68,55 75,00 Eigenschaften Hohe dyn. Belastbarkeit Hohe dyn. Belastbarkeit Hochfeste Verbindung Hohe dyn. Belastbarkeit Hochfeste Verbindung Hochfeste Verbindung hoher Viskosität Hochleistungsklebstoff gute Beständigkeit gegen Wasser gute Beständigkeit gegen Wasser gute Beständigkeit gegen Wasser gute Beständigkeit gegen Wasser exzellente Haftfestigkeiten exzellente Haftfestigkeiten schlagzäh Tabelle 3: Vergleich verschiedener Klebstoffhersteller hinsichtlich der wichtigsten Merkmale Seite 15

16 Fazit Aufgrund der Wirtschaftlichkeit ist es besser auf bereits bestehende Materialien zurückzugreifen Stahlseilfördergurte mit hoher Lebensdauer von bis zu 20 Jahren Gurtkonstruktion: 7 x 19 Hersteller: germanbelt ST6300, Anzahl: 122 Rest können nur Kautschukförderbänder sein Die Sparte des Klebens verspricht die besten Voraussetzungen in der Fügetechnik 2K-Kontaktklebstoff der Firma BESTklebstoffe BEST-MA-1044 Seite 16