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Ermittlung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen

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Projektziele

Lösungsansatz

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

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Motivation

Mobile Arbeitsmaschinen verfügen im Gegensatz zu Pkw und Lkw meist über mehrere parallel betriebene Verbraucher. Daher ist es bisher aufgrund der Vielfalt der Verfahren und der im Arbeitseinsatz durchgeführten Prozesse und Arbeitsaufgaben nur schwer möglich, die Energieeffizienz einer mobilen Arbeitsmaschine objektiv und umfassend zu bewerten. Eine neue Bewertungsmethodik soll zukünftig eine zuverlässige Beurteilung der Energieeffizienz ermöglichen.


Projektziele

Im Themenschwerpunkt »Energieeffizienz« geht es vor allem um die Optimierung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen sowie um deren qualitative und quantitative Bewertung anhand von wissenschaftlich fundierten Kriterien. Die Entwicklung eines methodischen Vorgehens sowie die zur Umsetzung notwendigen Feldversuche und Analysewerkzeuge stehen dabei im Vordergrund. Die erarbeitete Bewertungsmethodik soll potenziellen Nutzern wie z.B. Endkunden, Maschinenherstellern und dem Gesetzgeber als Leitfaden dienen.


Lösungsansatz

Eine erste Grundlage für eine allgemeingültige Bewertungsmethodik ist ein einheitliches Sprachverständnis für elementare Begriffe wie Zyklus, Prozess, Arbeitsaufgabe oder Einsatzprofil einer Maschine. Die Abläufe von typischen Verfahrenszyklen mobiler Arbeitsmaschinen wurden von den beteiligten Maschinenherstellern Liebherr-Hydraulikbagger GmbH, AGCO GmbH und BAUER Maschinen GmbH aufgezeichnet und genauer analysiert.

Bei der Installation von Messtechnik und Sensorik sowie bei der Interpretation von Messdaten leisteten die Bosch Rexroth AG und die DEUTZ AG als Komponentenzulieferer wertvolle Unterstützung. Dies beinhaltete die Analyse und Auswertung der Bewegungsabläufe und Bahnkurven der einzelnen Versuchsmaschinen. Abb. 1 zeigt einen typischen Verfahrenszyklus für einen Radlader.

Diese Arbeiten dienten dazu, durchschnittliche Belastungsprofile für die Versuchsmaschinen zu erstellen. Zur Auswertung der Messdaten entwickelte das Karlsruher Institut für Technologie ein softwareunterstütztes Auswerteverfahren (Abb. 2). In Feldversuchen, beispielsweise bei der Firma AGCO, sollten Erkenntnisse über den Leistungsfluss in der Maschine sowie an den Schnittstellen zum Arbeitsgerät gewonnen werden. Ein mit umfangreicher zusätzlicher Sensorik ausgestatteter Traktor diente als Referenzmaschine. Sämtliche Leistungsflüsse bis auf Komponentenebene wurden im Verlauf von Referenzzyklen vermessen. Parametervariationen und Sensitivitätsanalysen rundeten das Versuchsprogramm ab. Um nachzuweisen, wie repräsentativ diese Zyklen sind, wurden Flottenmessungen durchgeführt. Hierzu kamen fünf Traktoren unterschiedlicher Leistungsklassen europaweit an unterschiedlichen Standorten in landwirtschaftlichen Betrieben zum Einsatz (Abb. 3). Diese Traktoren wurden eingesetzt, ohne vorher konkrete Arbeitsanweisungen und Konfigurationen vorzugeben. Die zu untersuchenden Anwendungen wurden nach deren Häufigkeit ausgewählt. Abb. 4 zeigt das Vorgehen bei der Auswahl der im Projekt betrachteten Einsätze.


Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Eine »ergebnisbezogene Effizienzdefinition« war Basis für die Bewertungen. Im Falle eines Radladers ist eine bestimmte Menge Schüttgut transportiert über eine fest definierte Distanz ein reales Ergebnis. Dies lässt zudem die Möglichkeit offen, unterschiedliche Leistungsklassen oder unterschiedliche Maschinentypen zu bewerten, wenn die Ergebnisse in Art und Umfang weiterhin vergleichbar sind.

Im nächsten Schritt war es notwendig, einheitliche Prüfverfahren bzw. genormte Prüfzyklen für die zu bewertenden mobilen Arbeitsmaschinen zu entwickeln. Diese sollten folgende, im Projektverlauf definierte Anforderungen erfüllen:

  1. Wiedergabe realistischer Einsatzfälle
  2. Abbilden von Einsatzfällen mit einer großen Häufigkeit bzw. einer hohen Energieintensität
  3. hohe Reproduzierbarkeit des Prüfverfahrens
  4. hohe Wirtschaftlichkeit
  5. hohe Realitätsnähe des Prüfverfahrens

Je nach Priorisierung dieser Kriterien lassen sich anwendungsspezifische Prüfzyklen ableiten, auf deren Basis die Effizienzbewertung erfolgt.

Allgemeingültige Bewertungsmethodik

Grundlage der Betrachtung sind Verfahrenszyklen als eine zeitliche Abfolge von verschiedenen Prozessen und Arbeitsaufgaben einer Maschine bei der Durchführung eines Verfahrens. Sie enthalten alle notwendigen sowie unter Umständen zusätzliche optionale Prozesse und Arbeitsaufgaben, die bei der Durchführung von Verfahren notwendig sind, um ein gewünschtes Arbeitsergebnis zu erzielen. Die Abfolge dieser Prozesse und Arbeitsaufgaben erfolgt in sinnvoller, durch die Verfahren definierter zeitlicher Reihenfolge. Die Bewertungsmethodik basiert auf:

  • einer chronologischen Abfolge der Prozessschritte
  • einer spezifischen Terminologie und Methoden
  • Software-Tools zur Ausführung des Arbeitsablaufes

Der Methodikablauf lässt sich in eine Analyse-, eine Entscheidungs- und eine Synthesephase unterteilen (Abb. 5). In der Analysephase werden Betriebsmessdaten analysiert und Vorschläge für Testzyklen (mit Last- und Bewegungskollektiven für spätere Prüfzyklen) ermittelt. In der Entscheidungsphase diskutiert eine Expertengruppe darüber, welche Art von Prüfverfahren anhand der Kriterien 1 bis 5 für die gegebenen Umstände am besten geeignet ist. Im letzten Schritt, der Synthesephase, werden die gewählten Prüfverfahren konkretisiert und in Form von standardisierten Prüfzyklen umgesetzt. Nach der Durchführung der Prüfzyklen mit unterschiedlichen Testmaschinen folgt als letzter Schritt schließlich die Bewertung der Energieeffizienz.

Effizienzbewertung am Beispiel eines Großdrehbohrgeräts

Folgende Parameter beeinflussen maßgeblich die Effizienz des Großdrehbohrgeräts vom Typ Bauer BG 30:

  • Bohrdurchmesser
  • Bohrverfahren
  • Bodenart
  • stochastische Größen (Fahrerverhalten, Außentemperatur etc.)

Mit dem in Abb. 6 dargestellten Versuchsprogramm gelang es, diese Einflüsse durch den Vergleich einzelner Bohrungen gezielt aufzuzeigen. Bei der BAUER Maschinen GmbH wurde jedoch nicht nur die bestehende Versuchsmaschine analysiert. Die gewonnenen Ergebnisse der Analysephase dienten auch dazu, in einer weiteren Versuchsmaschine ein Maßnahmenpaket zur Effizienzsteigerung umzusetzen. Die Summe der durchgeführten Maßnahmen wird als Energie-Effizienz-Paket (EEP) bezeichnet.

Um die Effizienzsteigerung zu quantifizieren, wurden in der Synthesephase Demonstratorversuche durchgeführt. Damit ist es möglich, im realen Bohrbetrieb die Effizienzsteigerung des Demonstrators gegenüber dem Serienstand anzugeben (Abb. 7). Hier wird der kumulierte Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Bohrtiefe beider Geräte gegenübergestellt. Die Effizienzeinsparung liegt im Mittel bei circa 15 %.

Weitere Ergebnisse zur Energieeffizienz der Bohrmaschinen lieferten neu konzipierte Windenprüfstandversuche (Abb. 8). Um eine einfache Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Geräten zu gewährleisten, wird im Ergebnis der spezifische Kraftstoffverbrauch dargestellt. Nachgewiesen werden konnte, dass die Maschineneffizienz des Demonstrators beim Betrieb der Hauptwinde mit dem Energie-Effizienz-Paket um ungefähr 30 % steigt.


Zusammenfassung

  • Methodik zur Bewertung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen steht zur Verfügung
  • Praxistest bestanden: Nachweis der Effizienzsteigerung von 15 % in Demonstratorversuchen an einem Großdrehbohrgerät
  • Herzstück sind Prüfzyklen, die sich an häufig aufgetretenen Einsatzfällen orientieren
  • TEAM-Bewertungsmethodik kommt schon heute bei aktuellen Serienmaschinen zum Einsatz

Verbundpartner

  • AGCO GmbH (Fendt)
  • BAUER Maschinen GmbH
  • Bosch Rexroth AG
  • CLAAS Industrietechnik GmbH
  • DEUTZ AG
  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST)
  • Liebherr-Hydraulikbagger GmbH

Kontakt

Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST),
Lehrstuhl für Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima)
Dipl.-Ing. Philipp Scherer
Rintheimer Querallee 2, Geb. 70.04, EG.76131 Karlsruhe
Tel.: + 49 (0) 721 / 608-48613
Email: philipp.scherer@kit.edu
Internet: http://www.fast.kit.edu/mobima/