Neue Generation von Zug- und Tragmitteln für den Stückguttransport

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1 Technische Universität Chemnitz Professur Fördertechnik, Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel CEMAT 2008 für den Stückguttransport Vortrag von: Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel Mitautoren: Dr.-Ing. Jens Sumpf, Chemnitz Dipl.-Ing. Frank Rasch, Chemnitz Dipl.-Ing. Markus Michael, Chemnitz

2 Technische Universität Chemnitz Professur Fördertechnik, Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel CEMAT 2008 Gliederung des Vortrages 1. Professur Fördertechnik innerhalb der TU Chemnitz 2. Faserverstärkte Kunststoffketten 3. Rollelemente zur Abstützung 4. Hochleistungsfaserseile

3 Fakultäten der TU Chemnitz Studenten / Mitarbeiter Fakultät für Informatik Fakultät für Mathematik Philosophische Fakultät Fakultät für Maschinenbau Fakultät für Naturwissenschaften Fakultät für Wirtschaftswissenschaften Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

4 Fakultät für Maschinenbau - Institute Studenten / 480 Mitarbeiter an 27 Professuren Institute Mechanik und Thermodynamik Konstruktions- und Antriebstechnik Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Fertigungstechnik / Schweißtechnik Betriebswissenschaften und Fabriksysteme Allgemeiner Maschinenbau und Kunststofftechnik Print- und Medientechnik Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Fahrzeugtechnik (ab 2009 neu)

5 Profil des IMK 5 Struktur Drei Professuren (KU, SLB/KV, FT) +Juniorprofessur (SG) Zwei An-Institute (STFI, CETEX), Kompetenzzentrum SLB, STZ Forschung 115 Mitarbeiter, davon mehr ca. 70 % über Drittmittel finanziert, 40 Promovenden Gut ausgestatte Technika und Prüflabors - Kunststoff- und Elastomerverarbeitung, Faserseilherstellung - Strukturleichtbau, Herstellung von Faserverbundbauteilen, - Fördertechnik, Verarbeitungs- und Mechanische Verfahrenstechnik, - Statische und dynamische Werkstoff- und Bauteil-Prüftechnik Jährlich 3,4 Mio. EUR Drittmitteleinnahmen, Steigerung seit 2000 ca. 200% Ausrichtung von zwei internationalen Fachtagungen: (TECHNOMER und TEXTILTECHNIK) Lehre Studienrichtung Konstruktion im Allgemeinen Maschinenbau und Verarbeitungstechnik Erg.-richtungen, Strukturleichtbau, Kunststofftechnik, Materialfluss- und Fördertechnik BA Sports Engineering In Vorbereitung neue Studienrichtung Logistiksysteme im BA/MA Studiengang Systems Engineering

6 Professur Fördertechnik 6 Leiter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel 25 wissenschaftliche Mitarbeiter 11 nichtwissenschaftliche Mitarbeiter T Euro Drittmittel pro Jahr Professur Fördertechnik Praxisorientierte Forschung und Entwicklung Konstruktion / Entwicklung von Stetigfördersystemen und deren Basiselemente Experimentelle Untersuchungen an Stück- sowie Schüttgutfördersystemen Bauteilanalyse mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (Ansys) Statische und dynamische Festigkeitsanalysen an Proben und komplexen Bauteilen Ermittlung von Haft- und Gleitreibwerten / Verschleißverhalten Erstellung von Berechnungsprogrammen für die Dimensionierung von Steigförderern Vereinzeln, Sortieren und Zuführen von Bauteilen mittels Schwingfördertechnik Internet: foerdertechnik@mb.tu-chemnitz.de

7 Forschungsschwerpunkte 7 Innovative Zugmittel in der Fördertechnik durch Technotextilien Tribologie der Gleitpaarungen Zugmittel Führungssystem Grundlagen zur Dimensionierung von Stetigförderern, Entwicklung neuer Kettenfördersysteme einschl. 3D-Konstruktion Neue Bandfördersysteme mit integriertem Verarbeitungsprozess Trag- und Stützelemente aus Verbundwerkstoffen Gestaltung energieeffizienter Logistiksysteme in der Produktion

8 Versuchsfeld Fördertechnik 8

9 Technische Universität Chemnitz Professur Fördertechnik, Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel CEMAT 2008 Gliederung des Vortrages 1. Vorstellung des Institutes 2. Faserverstärkte Kunststoffketten 3. Rollelemente zur Abstützung 4. Hochleistungsfaserseile

10 2 Ausgangslage und Motivation 10 3D-Gleitketten-Förderer Einsträngige Fördersysteme für kleinere Stückgüter, Einsatz in nahezu allen Industriebereichen Vorteile Variabler Streckenverlauf durch horizontale und vertik. Kurvengängigkeit Einsatz von Kunststoffketten geringe Masse und schmierungsfreier Betrieb Probleme geringe Festigkeit und Dauerfestigkeit geringe Steifigkeit, Kriechneigung Folgen kleine Achsabstände, d. h. viele Antriebe und Übergabestellen Stick-Slip-Effekte (unruhiger Lauf) starke Kettenlängung (Teilungsfehler) vorzeitiges Versagen der Anlage

11 2 Zielstellung des VerbundprojektesProjektes 11 Faserverstärkte Zugmittel für Stetigförderer in Leichtbauausführung Tragelement Bolzen Zielstellung Erhöhung der Leistungsfähigkeit von 3D-Gleitketten-Fördersystemen Pin Zugelement Zielstellung Höhere Steifigkeit und Festigkeit Verbesserte tribologische Eigenschaften Leichtes und schmierungsfreies Gesamtsystem Geringer Fertigungs- und Montageaufwand

12 2 Lösungsansätze 12 Modularer Aufbau des Kettengliedes Funktionsspezifische Materialauswahl und Herstellungstechnologie Spannungsoptimierte Kettengeometrie Integration von langfaserverstärkten, textilen Einlegeteilen Gezielte Verfestigung / Versteifung des Zugelementes Langfaserverstärkte Kunststoffe / Mono-Sandwich-Verfahren Festes und steifes Zugelement mit tribolog. optimierter Funktionsoberfläche Komplett neu konzipiertes 3D-Kettenfördersystem Antriebs- und Gestellsystem Tribologisch optimierte Gleitführungen

13 2 Musterwerkzeug 13 PIN Gelenk Tragplatte drehbarer Anguss Keil

14 2 Zugversuche (statisch) Statische Zugversuche von Kunststoff-Gleitketten Steigerung der Steifigkeit Steigerung der Festigkeit faserverstärkte Werkstoffe 6000 Zugkraft [N] POM (Standard) Iststand 3000 PA 6.6 LGF PA 6.6 CF PA LGF60 + PA (Mono-Sandwich) Dehnung [%]

15 2 Zugversuche (dynamisch) 15 Zug-Schwell-Festigkeit von Kunststoff-Gleitketten Steigerung der Zeitfestigkeit POM (Standard) PA 6.6 LGF 60 PA 6.6 CF 30 Oberlast [N] PA LGF60 + PA (Mono-Sandwich) Steigerung der Lebensdauer 0 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 1E+07 Lastwechsel

16 2 Zeitfestigkeit (praxisrelevant) 16 Zeitfestigkeit von Kunststoff-Gleitketten (F=1.400N) Antrieb Prüfketten Bremse ertragene Kettenumläufe POM (Standard) PA 6.6 (Standard) PA LGF 60 + PA (Mono- Sandwich) PA 6.6 LGF 60 PA 6.6 CF 30

17 2 Spannungsoptimierung 17 aktuelle Geometrie max. Vergl.-Spannung = 48,6 N/mm² neue Geometrie max. Vergl.-Spannung = 40,2 N/mm²

18 2 Neue Kettengeometrie einschl. Führungsprofil 18 Muster der neuen Kette Anpassung an Kette mit langem Pin (Bogenradantrieb)

19 2 Bogenradantrieb 19

20 2 Testanlage 20 erste Testanlage mit neuer Kette

21 2 Tribologische Kontakte 21 Zugelement Zugelement Zugelement Pin Bolzen Pin Zugelement Antrieb bzw. Umlenkung Tragplatte - Gleitschiene Zugelement Gleitschiene (in Gleitbögen) Tragplatte Bogenrad Zugelement Bogenrad Pin Bogenrad

22 2 Reibwerte Kette - Gleitschiene 22 Reibwerte zwischen Ketten- und Gleitschienenmaterial F N =50N v=0,25 m/s 0,5 0,45 Senkung der Reibwerte 0,4 POM - PE UHMW (unmodifiziert) 0,35 Reibwert 0,3 0,25 0,2 PA - PE UHMW (unmodifiziert) POM - PE (modifiziert) 0,15 0,1 PA - PE (modifiziert) 0, Zeit [h]

23 2 Neue Herstellungstechnologie 23 gleichzeitige gezielte Beeinflussung der mechanischen UND tribologischen Eigenschaften Zugelement fester und steifer Kern, tribologisch hochqualitative Haut mit einzelnem Werkstoff nicht erreichbarer Qualitätssprung Kernkomponente (hohe Festigkeit / Steifigkeit) Hautkomponente (geringer Reibwert, hohe Verschleißfestigkeit)

24 2 Vorteile in der Anwendung 24 Einsatz faser- / langfaserverstärkter Materialien Verdopplung der Kettenbruchkraft und steifigkeit, 2,5- bis 4-fache Zeitstandfestigkeit Reduzierung der Vergleichsspannung durch optimierte Kettengeometrie Wesentliche Verbesserung des horizontalen Bogenradantriebes Halbierung der Kettenzugkraft infolge neuer Gleitpaarungen Einsatz effektiver Herstellungsverfahren Automatisierte Kettenmontage durch montagegerechte Gestaltung möglich Realisierung deutlich längerer und komplexerer Förderstrecken Einsparung von Antrieben und Übergabestellen Ruhigere Bewegung und längere Lebensdauer der Ketten Signifikante Reduzierung der Antriebsenergie Verbessertes Kosten-Nutzen-Verhältnis

25 Technische Universität Chemnitz Professur Fördertechnik, Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel CEMAT 2008 Gliederung des Vortrages 1. Vorstellung des Institutes 2. Faserverstärkte Kunststoffketten 3. Rollelemente zur Abstützung 4. Hochleistungsfaserseile

26 3 Ausgangslage 26 heutige Probleme Auftreten sehr hoher Radialkräfte in Kurvenabschnitten seitliches Abstützen der Ketten durch Gleitleisten Kraftübertrag. nur außen hohe Belastung der Ketten sehr starke Erwärmung im Gleitbereich (innen)

27 3 Zielstellung 27 Ausgangspunkt Grundkonzept von Modulen mit umlaufenden Rollen oder Kugeln Zielstellung Praktische Umsetzung des Grundkonzeptes für Industrieanwendungen, insbesondere in der Fördertechnik ω v

28 3 Lösungsansatz 28 Kennzeichen Rollelemente zur seitlichen Abstützung von Zugmitteln in Kurven Einsatz an Stelle von Gleitleisten Vorteile Ablösung von Gleitleisten durch umlaufende Rollen, d. h. höhere Förderleistung und Schonung der Zugmittel Reduzierung von thermischen Verschleißerscheinungen Einsatzgebiete Seitenführungen für Mattenketten, z. B. in der Lebensmittelindustrie

29 3 Messergebnisse 29 Bestimmung der Reibungsverluste in der Kurve: deutliche Reduzierung des Verlustmomentes durch Einsatz des RFT-Elements 25 Test Gleitleiste PE-UHMW, 9 m/min Rechnung µ=0,15 Reibungsverluste in der 90 -Kurve 20 Test RFT-Kurve, 9 m/min Rechnung µ=0,15 / µ_kurve=0,05 Verlustmoment [Nm] Test RFT-Kurve V2, 9 m/min Originalzustand mit Gleitleiste RFT-Kurve Bremsmoment [Nm]

30 3 Ergebnisse N Vergleich der Kettenzugkräfte OHNE und MIT RFT-Elementen, Fördergeschwindigkeit 33 m/min 50% rel. Kettenzugkraftverringerung 350 N 300 N 25% 35% Kettenzugkraft [N] 250 N 200 N 150 N 100 N R F T 0% 50 N 0 N

31 3 Ausblick 31 weitere Messungen an vorhandenen Versuchseinrichtungen Validierung und Vergleich der entwickelten Kurvenabstützung mit anderen am Markt vorhandenen Systemen Unterstützung bei der Markteinführung durch die Walter Reist Holding AG Weiterentwicklung der vorhandenen Lösungskonzepts und Übertragung auf andere Aufgabenstellungen in der Fördertechnik

32 Technische Universität Chemnitz Professur Fördertechnik, Prof. Dr.-Ing. Klaus Nendel CEMAT 2008 Gliederung des Vortrages 1. Vorstellung des Institutes 2. Faserverstärkte Kunststoffketten 3. Rollelemente zur Abstützung 4. Hochleistungsfaserseile

33 4 Ausgangspunkt und Motivation 33 Hochfeste synthetische Fasern wie Aramide, Dyneema (HMPE), Zylon (PBO) und Vectran (LCP) sind zugfester als patentierter Stahldraht aber bis zu 8 mal leichter. Zugmittel aus diesen Fasern können eine leichtere, besser zu handhabende und korrosionsbeständige Alternative zum Drahtseil darstellen. Hochfeste synth. Fasern

34 4 Zielstellung und Lösungsansatz 34 Zielstellung Erschließung neuer Einsatzgebiete für hochfeste Faserseile im Bereich Maschinenbau / Fördertechnik zusätzlich zu bisherigen Anwendungen in Schiffahrt, Segelflug, Holzeinbringung oder Offroad-Winden Grundlegende Erforschung und gezielte Modifikation der mechanischen Eigenschaften hochfester Faserseile Lösungsansatz Untersuchung von Dauerbiegefestigkeit, Kriechverhalten, Mehrlagenwicklung und Abrasionsbeständigkeit Entwicklung von Kriterien zur Bestimmung des Schädigungszustandes bzw. der Ablegereife Integration von faseroptischen Sensoren in Seile zur Bestimmung von Dehnung / Spannung, ggf. Ablegereife

35 4 Seilprüftechnik 35 Entwicklung, Konstruktion und Realisierung von Seilprüfständen Dauerbiegeprüfstand für Seile von 12 bis 16 mm; Belastung bis 200 kn, Schwenkwinkel und frequenz (bis 0,3 Hz) frei einstellbar, Prüfscheiben von 150 bis 800 mm Dauerbiegeprüfstand für Litzen und Seile bis 6 mm, Belastung bis 20 kn Gegenbiegeprüfstand für Seilkräfte bis 50 kn 3 Kriechprüfstände mit Klimakammer, Belastung bis 60 kn, Temperaturen von 0 bis 65 Wickelprüfstand zur Untersuchung der Lebensdauer unter Mehrlagenwicklung Prüfseil Gelenk Schlitten Prüfscheibe Servoantrieb Spindelhubgetriebe Momentenstütze Antriebsrad mit Stehlagern in Kraftrichtung Gestell Wickelprüfstand Gegenbiegeprüfstand Dauerbiegeprüfstände 20 und 200 kn

36 4 Auswahl realisierter Prüftechnik 36 Kriechprüfstand mit Klimakammer Dauerbiegeprüfstand 200 kn

37 4 Dauerbiegefestigkeit hochfester Faserseile 37 Dauerbiegeprüfung Dyneema Rundgeflecht 20 kn D300 BL700 20/min Seilriss nach 9865 Zyklen Überlagertes viskoses Kriechen Verschleißaufnahme am Aramid-Seil Seildehnung[%] Spindelweg[mm] Seiltemperatur[ C] Biegewechsel REM-Aufnahme einzelner Fasern nach Biegeversuch Temperatur-, last- und zeitabhängiges Kriechen hat deutlichen Einfluss auf Dauerbiegefestigkeit

38 4 Zusammenfassung und Ausblick 38 Hochfeste Faserseile sind wesentlich stärker belastungs-, zeit- und temperaturabhängig als Drahtseile (Charakterisierung erschwert) Systematische Untersuchung der Dauerbiegefestigkeit wird durch die große Anzahl zu untersuchender Parameter sehr zeitaufwendig Viskoses Kriechen von hochmodularen PE-Fasern (Dyneema) disqualifiziert diesen Werkstoff weitgehend für viele fördertechnische Anwendungen Minimierung von Faser-Faser-Reibung und verschleiß zwischen benachbarten Seillitzen durch geeignete Beschichtungen zur Steigerung der Lebensdauer hochfester Faserseile Untersuchungen zur Steigerung der Lebensdauer durch neue Seilstrukturen, Faserblending sowie geeignete Schmierstoffe Gefördert durch das BMBF-Programm InnoProfile

39 Kontakt 39 Professur Fördertechnik Technische Universität Chemnitz Institut für Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik Professur Fördertechnik Reichenhainer Str Chemnitz Telefon: +49 (0) 371 / Internet: foerdertechnik@mb.tu-chemnitz.de