ZIM-Kooperationsprojekt: Forscher der Fachhochschule Südwestfalen und DI MATTEO Group entwickeln eine innovative mechanische Überlastsicherung für Kettenförderer
Soest. Die Ketten sind in einer Förderanlage von zentraler Bedeutung. Besonders bei größeren Anlagen muss dieses technische Bauteil teils unregelmäßig starken Belastungen standhalten. Bricht die Kette, sind meistens ein kostspieliger Betriebsausfall und aufwändige Reparaturen die Folge. Im Rahmen eines ZIM- Kooperationsprojekts mit der DI MATTEO Förderanlagen GmbH & Co. KG, entwickelten Forscher der Fachhochschule Südwestfalen eine innovative mechanische Überlastsicherung für Kettenförderer.
Besonders beim Einsatz in der Abfallwirtschaft sind Förderketten seltenen, aber großen Missbrauchslasten ausgesetzt. Der Abfall wird nicht kontinuierlich, sondern in Intervallen und mit unterschiedlichem Gewicht befördert. Nicht selten befinden sich große und harte Teile aus Metall oder Stein im Förderkanal, die zum Kettenbruch führen können. Auf Anregung von Dr.-Ing. Luigi Di Matteo, Geschäftsführer der DI MATTEO Gruppe aus Beckum, machte sich ein Team der Fachhochschule Südwestfalen, Fachbereich Maschinenbau- Automatisierungstechnik in Soest, unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Alfons Noe, daran, eine mechanische Überlastsicherung zu entwickeln. Dem vorausgegangenen war eine Analyse tatsächlicher Kettenbrüche. Daraus ist der Entwurf für eine Neukonstruktion des Kettenglied-Mitnehmer-Systems für einen rein mechanischen, passiven Kettenschutz entstanden, der mit der Finiten- Elemente-Methode (FEM) im Labor für Technische Mechanik und Simulation hinsichtlich Funktion und Festigkeit analysiert und optimiert wurde. Durch Versuche mit den neu konstruierten Modulen im Labor für Werkstofftechnik des Fachbereichs unter Leitung von Prof. Dr. Anne Suse Schulz-Beenken wurden die berechneten Eigenschaften geprüft und Optimierungsmöglichkeiten gefunden. An den Forschungsarbeiten beteiligt waren wissenschaftliche Mitarbeiter und Maschinenbau-Studierende. In der letzten Projektphase wurde die Neukonstruktion mit realitätsgerechten Systemversuchen in einer bestehenden Förderanlage des Kooperationspartners DI MATTEO gemeinsam mit Dr. Dominik Aufderheide, Leiter Automatisierung und Forschung bei DI MATTEO, umgesetzt und dort auf ihre Praxistauglichkeit überprüft. Die Abbildung zeigt einen Vergleich von FEM-Simulation und Laborversuch für den Rutsch- und Abwälzvorgang beim aktivierten passiven Kettenschutz.
Die enge Verzahnung von Wissenschaft und Praxis wird an der Fachhochschule groß geschrieben. Doch bevor der Industriepartner die in den Labors entstandene Innovation wirtschaftlich verwerten kann, war ein großes Maß an Forschungsleistung gefragt. Da sich die genaue Modellbildung der reibungsbehafteten Kontaktzonen beim Rutsch- und Wälzvorgang zwischen Kettenglied und Mitnehmer als wesentliche Voraussetzung für wirklichkeitsgerechte FEM-Simulationen erweist, wurde in einem mehrstufigen Verfahren zunächst ein sehr detailliertes Sub-Modul aufgebaut, um dessen Ergebnisse in FEM-Systemsimulationen mit geringerem Detailgrad zu verwenden. Die FEM-Simulation erwies sich deshalb als Herausforderung, weil bei einer großen Missbrauchsbelastung die Kinematik des Wälzens und Rutschens, die Reibung und die Kräfte hochgradig nichtlinear zusammenwirken.
Im Einzelnen wurden durch FEM-Simulationen mit einem Kontaktersatzmodell die entscheidenden Kontaktparameter bestimmt. Mit den so gefundenen Einstellungen wurden danach mehrteilige Kinematikmodelle zur geometrischen Optimierung der verbauten Komponenten erstellt. Nachdem hierdurch eine geeignete Geometrie gefunden wurde, wurden die Spannungsermittlungen mit umfangreichen elastisch-plastischen Festigkeitsanalysen sowie komplexen Mehrkörper-FEM-Modellen mit Kontaktbindungen im expliziten Modus für den Differenzialgleichungslöser durchgeführt. Hierdurch wurden genaue Aussagen über die Belastbarkeit des neuen Systems und das Funktionieren der Idee eines mechanischen, passiven Kettenschutzsystems im Überlastfall gewonnen.
Um das Kernmodul der Neuentwicklung bei großen asymmetrischen Belastungen im Laborversuch zu validieren, ohne neue teure Prüfmaschinen beschaffen zu müssen, wurden eigens spezielle Halterungen und Messaufbauten entworfen, realisiert, kalibriert und angewendet. Für die Überprüfung der Innovation mussten Missbrauchslasten kontinuierlich bis zum Bruch gesteigert werden. Sowohl die gute Übereinstimmung der Bewegungsabläufe und Verformungen in Messung und Berechnung als auch die Kraftunterschiede bis nur etwa 15 Prozent waren der Auslöser für den letzten, entscheidenden Entwicklungsschritt, die Validierungstests des neuartigen Kettenglied-Mitnehmer-Systems mit methodisch variierten Systemversuchen in einer Förderanlage im Technikum des Kooperationspartners DI MATTEO. Nach einer ersten Versuchsreihe wurden realitätsgerechte Versuche mit Hausmüll und eingesetzten sperrigen Hindernissen durchgeführt. Kettenbrüche sind bei keinem der Versuche eingetreten. Dank der Neuentwicklung fällt der Anstieg der Missbrauchskraft wesentlich langsamer aus. Diese weist jetzt ein gut erkennbares Muster auf, das Messsignale für die wichtige Notaus-Abschaltung der Förderanlage senden könnte.
Quelle: FH Soest
