Messung Transport-/ Fahrwiderstand per Auslaufversuch für DSD-Antriebsauslegung
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- Rolf Bretz
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1 Messung Transport-/ Fahrwiderstand per Auslaufversuch für DSD-Antriebsauslegung 1) Einleitung Dieser Report beschreibt eine empirische Methode per Auslaufversuch den Transportwiderstand eines Rollenförderers im Zusammenspiel mit DSD zu bestimmen. Der Transportwiderstand ist der mechanische Widerstand, der zum Transportieren eines Fördergutes auf einer horizontalen Förderstrecke bei gleichförmiger Geschwindigkeit vom Antrieb überwunden werden muss. Der Transportwiderstand entsteht im Wesentlichen durch den Rollwiderstand der Palette / Behälter auf den Transportrollen und durch die Reibung in den Rollenlagern, sowie durch die Antriebskette zwischen dem Getriebemotor und den Rollen. Diese empirische Methode kann in Analogie auch zur Bestimmung des Fahrwiderstandes eines Fahrantriebs verwendet werden. Bild 1: Typischer Schwerlast-Rollenförderer für Europaletten 2) Systemaspekte Der benötige Leistungsbedarf von horizontalen Rollenförderern setzt sich aus stationären P sds und dynamischen Anteilen P dyn zusammen. Der stationäre Anteil wird durch den spezifischen Transportwiderstand k F_Tr der mechanischen Reibung der Transportrollen und der Transportgeschwindigkeit v max bestimmt, der dynamische Anteil durch die Prozessparameter bewegte Masse m max, Beschleunigung a max und Geschwindigkeit v max. Gl. 2.1 beschreibt den Bedarf in der Bremsphase, Gl 2.2 den Bedarf in der Hochlauf- und stationären Phase (Lagereibung Transportrollen wurde vernachlässigt). ( ) Gl 2.1 Bestimmung_Transportwiderstand_Auslaufversuch_ Autor: KH Weber 1
2 Gl 2.2 Für eine bedarfsgerechte Antriebsauslegung und zur Dimensionierung des Bremswiderstandes müssen der Transportwiderstand F Tr (N) und der mechanische Wirkungsgrad η mech bekannt sein. Der Transportwiderstand kann über den Hebelarm der Rollreibung (f) per DSD-Tabellenwerte bestimmt werden. Der mechanische Wirkungsgrad eines Rollenförderers mit einer vorgespannten, umlaufenden Tangentialkette ist oftmals nicht oder nur unzureichend bekannt. Transportwiderstand und mechanischer Wirkungsgrad lassen sich als Basis für eine Antriebsauslegung sehr einfach durch einem Auslaufversuch bestimmen. 3) Messung der natürlichen Auslaufzeit horizontaler Rollenförderer Um mehr über das mechanische Wirkprinzip eines Schwerlast-Rollenförderers für Europaletten zu erfahren, wurden Messungen an einer realen Kundenanlage vorgenommen. Zur Aufzeichnung der Drehzahlverläufe wurde an einer Transportrolle ein Messencoder angebracht. Durch einen Auslaufversuch aus max. Geschwindigkeit mit voller Last wird die natürliche Bremszeit gemessen (Bild 3). Der Antrieb wir dabei auf max. Geschwindigkeit gefahren und stromlos geschaltet, so dass er frei auslaufen kann. Im Auslauf bremst nur die Reibung des mechanischen Systems. Am linearen Drehzahlverlauf ist zu erkennen, dass die mechanische Systemreibung weitgehend konstant und unabhängig von der Drehzahl ist. Drehzahlverlauf mit Vermessung der Auslaufzeit t br = 3,8 s Bild 3: Messung Auslaufzeit Rollenförderer zur Bestimmung der mechanischen Reibung Nutzlast = kg; Δv = 0,45 m/s; a br = Δv / t br = 0,118 m/s 2 4) Auslegungsbeispiel Rollenförderer - Nutzlast 4000 kg - max. Anlagengeschwindigkeit 0,45 m/s - Beschleunigung / Verzögerung 0,45 / -1,0 m/s 2 (Auslegungsdaten) - Hochlauf / Ablaufzeit 1 / 0,45 s; lineares Profil - Wirkungsgrad Tangentialkette 0,92 - Durchmesser Transportrolle 89 mm Bestimmung_Transportwiderstand_Auslaufversuch_ Autor: KH Weber 2
3 4.1) Empirische Bestimmung der mechanischen Reibung In diesem Projekt wurde bei einem typischen Rollenförderer der mechanische Kettenwirkungsgrad η chn und der Hebelarm der Rollreibung (f) empirisch bestimmt. Dazu wurden die in der Applikation verwendeten Antriebskomponenten, die Prozess- und Betriebsszenarien in ein DSD-Projekt übertragen (Bild / 4.1.2). Durch einen Auslaufversuch (Bild 3) wird die natürliche Bremszeit t br bestimmt. Für die nachfolgenden iterativen Schritte ist der DSD-Application Tuner (Bild 4.1.3) zu verwenden. Im DSD-Slave-Projekt (Motion Designer) wird die gemessene Bremszeit t br eingegeben (Bild 4.1.4). Danach werden der mechanische Anlagenwirkungsgrad η chn und der Hebelarm der Rollreibung (f) iterativ solange im DSD-Projekt verändert, bis das Drehmoment des Rollenförderers in der Bremsphase gegen den Null strebt (Bild ). Beim Erreichen von Drehmoment Null ist das DSD-Projekt auf die Parameter der realen Anlage abgestimmt. Da zwei Parameter das Drehmoment in der Bremsphase beeinflussen, wird empfohlen beim Kettenwirkungsgrad zunächst mit einem realistischen Wert z. B. 92 % mit der Iteration zu starten und mit diesem Wert den Hebelarm der Rollreibung (f) zu variieren bis das Drehmoment gegen Null strebt. Liegt der Wert oberhalb des Zielwertes, so ist das Drehmoment positiv; liegt der Wert unterhalb des Zielwertes, so ist das Drehmoment negativ (Bild 4.1.7). Konvergiert das Drehmoment nicht gegen Null, so ist mit einem anderen Wert für den Kettenwirkungsgrad zu starten und dann den Hebelarm der Rollreibung iterativ zu verändern. Führt dies zu keinem Ergebnis, so ist zu prüfen ob alle Antriebskomponenten mit der zu messenden Anlage auch exakt übereinstimmen. Anmerkungen: - Der Kettenwirkungsgrad η chn hängt von der Anzahl der tangential angetriebenen Transportrollen und von der Kettenspannung ab. - Da es in dieser Iteration zwei Variable gibt, sollte für den Kettenwirkungsgrad ein an der praktischen Erfahrung orientierter Wert z. B. η chn = 0,92 verwendet werden. - Mit Unterstützung des DSD-Application Tuners lässt sich die iterative Bestimmung der mechanischen Reibung erheblich vereinfachen. Bild 4.1.1: Iterative Bestimmung mechanischer Anlagenwirkungsgrad und Hebelarm der Rollreibung Bestimmung_Transportwiderstand_Auslaufversuch_ Autor: KH Weber 3
4 Bild 4.1.2: Antriebsstrang des Rollenförderers muss mit realem Projekt übereinstimmen Slave-Projekt Application Tuner siehe Bild / Slave-Projekt Motion Designer Bild 4.1.3: Verwendung des Application Tuners zur iterativen Ermittlung des Transportwiderstandes Bestimmung_Transportwiderstand_Auslaufversuch_ Autor: KH Weber 4
5 Hier die gemessene Bremsrampe einstellen Bild 4.1.4: Eingabe der gemessenen Auslaufzeit t br =3,8 s in Motion Designer Wert muss gegen Null streben Bild 4.1.5: Drehzahl- und Drehmomentverlauf der Applikation mit f = 0,5 / η chn = 0,92 (Startwerte Iteration) Bestimmung_Transportwiderstand_Auslaufversuch_ Autor: KH Weber 5
6 Wert muss gegen Null streben Bild 4.1.6: Drehzahl- und Drehmomentverlauf der Applikation mit f = 0,45 / η chn = 0,92 (Zielwerte Iteration) Bild 4.1.7: Die Auswirkung auf das Drehmoment der Anwendung während der Bremsphase kann im Application Tuner direkt beobachtet werden. Bestimmung_Transportwiderstand_Auslaufversuch_ Autor: KH Weber 6
7 Wert muss gegen Null streben Bild 4.1.8: Iterationswerte und Ergebnisse Bestimmung_Transportwiderstand_Auslaufversuch_ Autor: KH Weber 7
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