Fachtagung Baumaschinentechnik 2006

Transkript

1 Fachtagung Baumaschinentechnik 2006 Ideen, Konzepte, Lösungen für Hydraulikbagger und ihre Validierung im Ermüdungsversuch Dr.-Ing. Ralf Späth, Dr.-Ing. Wolfgang Burget Liebherr-France SAS Oktober 2006 Dresden

2 1 Zusammenfassung Der Einsatz von Hydraulikbaggern erfolgt heute in vielen Anwendungen, wie z. B. Erdbewegung, Materialgewinnung und -umschlag sowie Abbruch- oder Tunneleinsätze. Die Stahlbaustrukturen dieser Geräte müssen hierbei unterschiedliche einsatzspezifische Belastungsspektren ertragen aber auch wirtschaftlichen Aspekten genügen. Die Auslegung erfolgt daher mit den Methoden der Betriebsfestigkeit unter Anwendung moderner Werkzeuge der Berechnung. Auf der Basis der Finite-Elemente-Methode erfolgt eine Ermüdungsberechnung für jedes Element der vernetzten Struktur. Damit können verschiedenen Werkstoffen bzw. Werkstoffzuständen (z.b. Bleche, Gussteile, Schweißverbindungen) unterschiedliche Berechnungsparameter (Wöhlerlinien,...) zugewiesen werden. Erfolgen die Berechnungen auf der Basis des Nennspannungskonzeptes, ist eine Modellierung der Schweißnähte mit ihrer Geometrie nicht notwendig. Für die Schweißnähte werden Wöhlerlinien des International Institute of Welding (Fatigue design of welded joints and components) verwendet, die einem Katalog von Schweißnahtgeometrien und Belastungsfällen zugeordnet sind. Erfahrungen aus der Anwendung der Richtlinie werden wiedergegeben. Den Berechnungen werden sowohl gemessene als auch synthetische Lastkollektive zugrunde gelegt. Die Bildung von synthetischen Lastkollektiven wird heute durch Simulationswerkzeuge wie z. B. Mehrkörpersimulationsprogramme unterstützt. Die Schädigungsrechnung erfolgt nach der linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner unter Berücksichtigung des so genannten Haibach- Astes. Das Ergebnis der Ermüdungsrechnung wird als Schädigungsverteilung über der Struktur dargestellt. Die Ergebnisse der Berechnungen werden anhand realer Ermüdungstests validiert. Damit ist eine Einordnung der Berechnung bezüglich des realen Bauteilverhaltens möglich, dies gilt im Besonderen für die Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen (vor allem bei Schweißverbindungen). Das Gesamtvorgehen wird an zwei Praxis-Beispielen verdeutlicht. 2 Einleitung Hydraulikbagger werden heute in sehr verschiedenen Industriebereichen eingesetzt. Neben den klassischen Einsätzen der Erdbewegung und der Material-Gewinnung, sind Einsätze im Bereich Abbruchtechnik und Materialumschlag sowie im Tunnelbau gängige Praxis, Bild 1. Aus der Breite der Anwendungen resultieren sehr unterschiedliche einsatzspezifische Anforderungen, denen die Maschinen technisch und zu wirtschaftlichen Bedingungen genügen müssen. Die geschweißten Stahlbaustrukturen werden beim Betrieb der Maschinen den einsatzspezifischen Belastungsspektren unterworfen und müssen für die jeweiligen Einsätze Mindestlebensdaueranforderungen genügen. Konzeption, Konstruktion, Berechnung und Validierung der Stahlbaustrukturen erfolgen heute mit modernen Methoden und Werkzeugen der Produktentwicklung. 194

3 Ralf Späth Bild 1: Liebherr Raupenbagger beim Erdbaueinsatz 3 Methodik Am Beispiel von Stahlbaustrukturen für Hydraulikbagger wird die Vorgehensweise für den Nachweis der Bauteilfestigkeit aufgezeigt. Bei der Bemessung von Stahlbaustrukturen werden bei der Liebherr-France zwei wesentliche Nachweise geführt (Vorgehen wie z. B. in [1]): Statischer Festigkeitsnachweis Ermüdungsfestigkeitsnachweis Beim statischen Festigkeitsnachweis sind insbesondere ungünstigste Betriebszustände sowie Sonderlasten zu berücksichtigen. Beim Ermüdungsfestigkeitsnachweis sind dagegen die Lasten mit einer Verteilung wie im Betrieb (=> Lastkollektiv) anzusetzen. Üblicherweise werden nur Belastungen mit einer Lastspielzahl von mehr als Zyklen bei einer Ermüdungsrechnung erfasst (gilt nicht für Berechnungen im Bereich der Kurzzeitfestigkeit). Die Spannungsberechnungen erfolgen auf der Basis der Finite-Elemente-Methode (Software: ANSYS 8.1). Hierbei werden Bleche durch Schalenelemente und Gussteile durch Volumenelemente modelliert. Am Übergang Schalen- zu Volumenelement werden Zwischenelemente verwendet, die numerische Unstetigkeiten vermeiden. 195

4 4 Statischer Festigkeitsnachweis Die bei einem Hydraulikbagger auftretenden maximalen Belastungen werden durch folgende Parameter limitiert: Maximale Zylinderkräfte (Druckbegrenzung) Maximales Moment des Drehwerks Standmoment des Baggers Reibschluss zwischen Bagger und Untergrund Damit lassen sich im Umkehrschluss Extremlastfälle generieren, bei denen jeweils einer oder mehrere der oben genannten Parameter ihren Maximalwert erreichen. Für diese Betriebszustände darf kein Fließen im Werkstoff auftreten (ausgenommen lokale Spannungsumlagerungen). Mit diesen Voraussetzungen kann eine FE- Rechnung von Stahlbaustrukturen vorgenommen werden. Die Schweißnähte werden hierbei nicht modelliert, deren Tragfähigkeit muss durch Faktoren bezüglich der maximal ertragbaren Spannung berücksichtigt werden. 5 Ermüdungsfestigkeitsnachweis Der Ermüdungsfestigkeitsnachweis gestaltet sich aufwändiger als der statische Festigkeitsnachweis, da hier sowohl von der Seite des Werkstoffwiderstands als auch von der Seite der Belastung mehr Informationen gefordert werden müssen. Für die Widerstandsseite (Werkstoff) sind dies hauptsächlich geeignete Wöhlerlinien, für die Belastungsseite sind dies repräsentative Lastkollektive. Werkstoffwiderstand Bei den bei Liebherr-France eingesetzten geschweißten Stahlbaustrukturen sind bezüglich der Ermüdungsberechnung grundsätzlich drei Fälle zu unterscheiden: Grundwerkstoff Blech Grundwerkstoff Gussteil Schweißverbindung Schweißverbindungen bestehen zwischen Grundwerkstoffen Blech/Blech, Guss/Blech aber auch Guss/Guss. Dabei handelt es vorwiegend um Werkstoffe (Bleche, Gussteile) der Streckgrenzenklassen 355 bis 550 MPa. Wöhlerlinien für Grundwerkstoffe können relativ einfach und ausreichend genau bestimmt werden. Im Normalfall ist das Ermüdungsverhalten der Grundwerkstoffe eher unkritisch, maßgeblich ist das Verhalten der Schweißverbindungen. Die Schweißnähte werden in ihrer realen Geometrie nicht modelliert ( Vollanschluss, ohne Modellierung der Schweißraupe), die Berechnungen erfolgen auf der Basis von Nennspannungen. 196

5 Die Vernetzung der Bauteile hat so zu erfolgen, dass die Länge eines Elementes etwa das Zweifache der Blechdicke beträgt. Für die Ermüdungsberechnung der Schweißverbindungen werden die Spannungen in der zweiten Reihe neben der Schweißnaht herangezogen (Knotenspannung), Bild 2. Bild 2: Ermittlung der Schweißnahtnennspannung für die Ermüdungsberechnung: Berücksichtigung der Spannungen in der zweiten Reihe der Elemente. Es werden Wöhlerlinien nach Vorgabe des International Institute of Welding verwendet [2]. Diese Wöhlerlinien sind einem Katalog von Schweißverbindungen zugeordnet, die für viele Schweißnahtgeometrien und Belastungsfälle geeignet sind, Beispiele siehe Bild 3. FAT 125 FAT 100 FAT 80 FAT 80 FAT 71 FAT 71 FAT 45 Bild 3: Auszug aus dem Schweißnahtkatalog des International Institute of Welding (IIW), [2]. Erklärung der FAT -Klasse siehe Text. 197

6 Die FAT-Klasse (z. B. FAT 80) bedeutet, dass es sich um eine Wöhlerlinie handelt, die bei einer Lastspielzahl von 2 Mio. eine Schwingweite (Doppelamplitude!) der Nennspannung von 80 MPa aufweist. Der Steigungsexponent der Wöhlerlinien ist nach [2] für alle Schweißnähte (unter Normalspannung) mit 3 festgelegt. Die zulässigen Spannungswerte gelten dabei für eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 95 %. Die Wöhlerlinien wurden bei einem Spannungsverhältnis R von 0,5 ermittelt. Bei geringen Eigenspannungen (z. B. nach einer Spannungsarmglühung) gibt es Bonusfaktoren für kleinere Spannungsverhältnisse. Äußere Belastung Die Erdbaumaschine Bagger wird heute äußerst universell und mit den verschiedensten Werkzeugen eingesetzt. Um die Belastungen der Maschine annähernd zu beschreiben, sind Lastkollektive sowohl für unterschiedliche Stahlbauteile als auch für deren unterschiedliche Einsätze nötig. Die Messungen für die Ermittlung der Kollektive müssen sorgfältig erfolgen, um alle Einflussparameter und Betriebszustände möglichst realitätsnah zu erfassen. Lange Messkampagnen ohne genaue Dokumentation der Rahmenbedingungen sind aber meist nicht zielführend. Hier muss meist ein Kompromiss aus Aufwand und Aussagekraft gefunden werden. Um nicht Lastkollektive für alle Kombinationen im Betriebseinsatz messen zu müssen, sind diese vorzugsweise in normierter Form, d. h. auf eine Nenngröße bezogen darzustellen. Damit ist es leicht möglich, ein Lastkollektiv z. B. für verschiedene Baugrößen eines sonst ähnlichen Maschinentyps anzuwenden. Typische Normierungsgrößen sind z. B. maximale Grab- oder Zylinderkräfte, Antriebsmomente sowie Momente aus Löffelbreite und Grabkraft. Schädigungsrechnung Diese erfolgt nach der linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren- Miner unter Berücksichtigung des so genannten Haibach-Astes (für Lastspiele unterhalb der Dauerfestigkeit). Es wird das Programm Durability der Software Virtual.Lab (Fa. LMS, Leuven, B) eingesetzt. Das Ergebnis ist ähnlich dem eines FE- Plots, nur werden nicht Spannungen oder Verformungen sondern Schädigungen (für eine bestimmte Lebensdauer) auf der Struktur dargestellt. Damit ist es leicht möglich, hoch beanspruchte, d.h. stark geschädigte Zonen zu erkennen und im Rahmen der Geometrie und Umgebung zu bewerten. 6 Beispiele Am Beispiel eines Raupenunterwagens ist in Bild 4 der Schädigungsplot für die Schweißverbindungen dargestellt. Trotz des Aufwandes im Vorfeld sind die so gewonnenen Ergebnisse unter Berücksichtigung von Fertigung, Einsatzbedingungen und lokaler Rahmenbedingungen einzuordnen. Hierfür ist nach wie vor ein ingenieurtechnisches Verständnis der Zusammenhänge unabdingbar. 198

7 Bild 4: Schädigungsplot für einen Unterwagen eines Raupenbaggers In Bild 5 ist der Vorteil einer Ermüdungsberechnung gegenüber einer statischen Spannungsberechnung dargestellt: In der statischen Spannungsberechnung sind nicht sehr hohe Spannungen im Bereich der Stielzylinderlagerung erkennbar. Aufgrund der hohen Lastspielzahlen in Verbindung mit einem generell hohen Lastniveau (auch bei leichteren Arbeiten) und einer einseitigen Kehlnaht werden für diese Stelle in der Ermüdungsrechnung hohe Schädigungen berechnet. Im Prüfstandsversuch kam es in diesem Bereich auch zu Anzeigen. Konstruktive Änderungen sowie eine geänderte schweißtechnische Fertigung waren notwendig, um die Betriebsfestigkeit dieses gefährdeten Bereiches sicherzustellen. Bild 5: Vergleich von Spannungs- und Schädigungsplot für Stielzylinderlagerung am Monoblockausleger 199

8 7 Verifikation der Berechnung durch Prüfstandsversuche Zur Absicherung der Berechnung werden auch physische Tests von Prototypstrukturen durchgeführt. Diese erfolgen mit demselben Lastkollektiv wie in der Rechnung. Die Randbedingungen sind möglichst wirklichkeitsnah (Krafteinleitung und Einspannung) zu gestalten. Die Belastung der Struktur erfolgt mit realistischem Kraft- und Häufigkeitsniveau (keine Überhöhung), um die Aussagefähigkeit möglichst hoch zu halten. Für den Ermüdungstest werden servohydraulische Prüfstände eingesetzt, wie z. B. in Bild 6. Aufgrund der hohen Steifigkeit der Stahlbaustrukturen können recht hohe Belastungsfrequenzen gefahren werden. Es sind zeitliche Raffungen um den Faktor 30 möglich. Bild 6: Servohydraulischer Prüfstand für Unterwagen Hauptaussagen der Ermüdungstests betreffen zum einen die Absicherung und Einordnung der Berechnung, z.b. Bild 7 und zum anderen Erkenntnisse über Einflüsse aus der Fertigung, die in der Berechnung nicht vollständig abgebildet werden können. 200

9 Bild 7: Bereich mit Rissen beim Prüfstandstest (Bereich wie Bild 5) 8 Ergebnisse: Einordnung und Erfahrungen Betrachtet man die Erfahrungen aus dem Feld, so ist festzustellen, dass die Wöhlerlinien nach IIW recht konservative Abschätzungen der Lebensdauern bewirken. Voraussetzung für aussagefähige Ergebnisse der Lebensdauerberechungen ist die sichere Einhaltung der geforderten und in Normen (z. B. ISO 5817) geregelten Fertigungsqualität ( good workmanship ). Unabhängig von einer absoluten quantitativen Einstufung der Ergebnisse lassen sich mit der beschriebenen Methode (Schädigungsrechnung mit Berücksichtigung der Schweißnähte) sehr gut Unterschiede für verschiedene Kollektive, Schweißverbindungen oder Konstruktionen herausarbeiten. Bei der Liebherr-France wurden dadurch Erkenntnisse gewonnen, die auf der Basis rein statischer Auslegung nicht zu optimalen konstruktiven Lösungen geführt hätten. Dies bestätigt die Notwendigkeit beider Nachweise für dynamisch beanspruchte Stahlbaustrukturen bei Hydraulikbaggern. 201

10 9 Literatur [1] N. N.: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile FKM- Richtlinie. 4., erweiterte Ausgabe. Frankfurt a. M.: VDMA-Verlag [2] N. N.: Fatigue design of welded joints and components. The International Institute of Welding. Cambridge: Abington Publishing