Optimierungen im Antriebsstrang von Stetigförderern

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1 Optimierungen im Antriebsstrang von Stetigförderern Forschungsprojekt Energieeffiziente Materialflusstechnik (effmfs) Institut für Technische Logistik (ITL) TU Graz Stuttgart, 14. März 2012

2 Forschungsthemen am ITL Extended-KBE in der Technischen Logistik Komponente, Gerät und Anlage Zuführtechniken für fossile Brennstoffe (Hackschnitzel ) Simulation des Stückgutverhaltens Bei hoher Bewegungsdynamik (längs- und quer) Beim Vereinzeln und Verdichten (Schütten, Kippen) Hochleistungssortierung von Stückgütern Dynamische Laständerungen an Seilaufhängungen Schwingungs- und Laufverhalten der Zugmittel Rundstahlkettentriebe Horizontal orientierte Drahtseile Energieeffizienz in der Materialflusstechnik Mechanische Verluste im Antriebsstrang Messverfahren, Effizienzkennzahlen Methoden- und Instrumente der Layout- und Materialflussplanung Förderleistung autonomer Fahrzeugschwärme Folie 2

3 Energieeffizienz Energieeffizienz ein fachübergreifendes Thema Folie 3

4 Energieeffizienz Energieeffizienz viele Fragen Was ist überhaupt Energieeffizienz? kw / was?,, Es fehlen Kennzahlen zur Energieeffizienz! Wie können wir den Energiebedarf messen? Welche Messtechnik? Bei welcher Belastung? Leer - voll, teillast volllast, Belastungskollektiv Es gibt keinen definierten Messablauf! Wo sollen wir anfangen? Müssen wir Technik optimieren, Technik adaptieren oder Betriebsstrategien ändern. Wir kennen die Potentiale nicht! Wir können nicht vergleichen! Folie 4

5 Forschungsprojekt Energieeffizienz Ziele und Aufgaben Kennzahlen zur Energieeffizienz Normierte energetische Kenngrößen für Gerät, Anlage und System Basis für Aussagen zur Effizienzsteigerung und zum Vergleich Grundlage für Energieausweis Standardisierte Messverfahren für den Energieverbrauch Versuchsaufbauten (Messmittel, Messaufbauten, Messgrößen ) Messzyklen (Last-, Teillast-, Leerbetrieb ) Belastungskollektive Potentiale im Antriebsstrang der Stetigförderer Ermittlung, Messung und Auswertung relevanter Verluste Unterschiedliche Betriebsparameter (v, m, λ) Bewerten der Komponenten (Rollen, Lager, Riemen ) Schwachstellenanalyse (Wirkprinzipien, Werkstoffe, Werkstoffpaarungen, Dimensionierung ) Effizienzpotentiale auf Anlagenebene Untersuchung von betriebs- und steuerungsstrategischen Maßnahmen (Teillastbetrieb, Redundanzen...) Folie 5

6 Laboruntersuchungen am Antriebsstrang Prüfstandsaufbauten im ITL-Labor 1. Bandförderer 2. Rollenförderer mit Motorrollenantrieb 3. Rollenförderer mit Tangentialriemenantrieb Staurollenbahn (staudrucklose Beförderung möglich) Getriebemotor (0,37 kw) Antrieb der Rollensegmente erfolgt über Flachriemen Förderrollen durch Poly-V Keilrippenriemen verbunden Fördergeschwindigkeit 0,6 m/s Gutbreite 300 mm, Rollenbreite 325 mm Ziele der Laboruntersuchungen Bestimmung der Effizienzverbesserungspotentiale von Antriebsstrangkomponenten (Leistungsmessungen) Vergleich der Energieeffizienz der Förderer Ableitung konkreter Verbesserungsmaßnahmen Absicherung durchgeführter Verbesserungsmaßnahmen Folie 6

7 Versuchsvorbereitungen Mechanische Analyse Aufteilung und Zuordnen der Verluststellen Welche Komponenten sind zu berücksichtigen? Zunehmende Detailtiefe Definition von Messpunkten (Messstellenplan) Welche Leistungswerte sind von Interesse? An welchen Stellen ist eine Messung überhaupt möglich? Versuchsplanung Vorgabe Mess- Versuchsreihen, Lastvorgaben, Bewegungsgrößen etc. Konfiguration des notwendigen Messaufbaus Gerätekonfiguration, Messleitungen etc. Adaption der Förderer zur Versuchsdurchführung Folie 7

8 Messverfahren Erfassung der relevanten physikalischen Größen Integrierte Messtechnik PC-basiertes, mobiles Universalmessgerät, speziell ausgerüstet zur Leistungsmessung Erfassung von Messsignalen mit Abtastraten von bis zu 500 ks/s (modular bis 16 Kanäle, geeignet für Einsatz an FU s) Erlaubt Echtzeit-Berechnung aller gängigen Prozessgrößen (elektrisch, mechanisch ) Permanentes Speichern sämtlicher Leistungswerte Elektrische Leistung am Klemmenkasten (MP1) Strom und Spannung am Dreiphasensystem Mechanische Leistung am Getriebemotor (MP2) Drehzahl (bzw. Winkelgeschw.) mittels Tachogenerator Drehmoment mittels Drehmomentstütze (Ermittlung über Hebelarm und Kraftsensor) Drehmoment über Drehmomentmessflansch Folie 8

9 Versuchsdurchführung Strip-Down Messreihen Interesse: Teilverluste des Tangentialriementriebs, der Stausegmente und Förderrollen (inkl. Keilrippenriemen) Messung am Gesamtsystem Sukzessives Demontage einzelner Komponenten und Bauteile Messung am Restsystem Verlustleistung des ausgebauten Elementes über Differenzbildung Gleiches Vorgehen bei Bestimmung der Verlustleistung an einzelnen Rollen Wegschalten einzelner Rollen (inkl. Keilrippenriemen) Folie 9

10 Ergebnisse (exemplarisch) Rollenförderer mit Tangentialriemenantrieb Sankey-Diagramm des Antriebsstranges mit Aufteilung der Verlustleistungen Messtechnische Ermittlung für unterschiedliche Betriebszustände (z.b. Leerlauf, volle Beladung 50kg) Folie 10

11 Erste Erkenntnisse aus Laborversuchen Rollenförderer mit Tangentialriemenantrieb Teilverluste von Segmenten, als auch einzelnen Förderrollen, sind messtechnisch erfassbar (kleine Größenordnungen bei Förderrollen und Riemen - einstelliger Wattbereich, linearer Zusammenhang im Segment!) Antriebsmotor (0,37 kw, ASM) arbeitet in ungünstigem Betriebspunkt (Leerlaufbelastung) Optimaler Bereich Niedriger Wirkungsgrad des Getriebemotors von ca. 25% Mittlere Wirkleistung 110% 108% 106% 104% 102% 100% 98% 96% 94% ~9% 0 kg 25 kg 50 kg Beladung der Stückgüter Der Leistungsanstieg unter Belastung ist bezogen auf die Gesamtleistungsaufnahme sehr gering (ca. 9%) Folie 11

12 Ausblick Arbeiten 2012 Bestimmen der größten Optimierungspotentiale Exemplarischer Austausch verlustträchtiger Komponenten und Vergleichsmessungen Versuchsreihen unter reduzierten Geschwindigkeiten (Teillastbetrieb) Diskussion und Verbreitung erarbeiteter Effizienzkennzahlen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie bis : Logistikwerkstatt Graz Ressourceneffizienz in der Intralogistik Institut für Technische Logistik TU Graz Inffeldgasse 25e A 8010 Graz Folie 12