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Berechnung der Interaktion Maschine/Prozess

Motivation

Projektziele

Lösungsansatz

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

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Motivation

Der Energiebedarf von Arbeitsmaschinen hängt, anders als beim Pkw, von der Wechselwirkung zwischen Maschine und Arbeitsmaterial, z.B. Erdstoffen, ab. Das erschwert die Entwicklung energieeffizienter Produkte erheblich, da Konstruktion und Berechnung der Maschinen nicht losgelöst vom zukünftigen Arbeitsprozess erfolgen können. Bisher beruhen die Prognose und die Beeinflussung des Primärenergiebedarfs mobiler Maschinen vorwiegend auf Erfahrungen oder dem Trial-and-Error-Prinzip.

Natürlich weiß der Praktiker schon lange, dass für einen bestimmten Prozess und einen »vorbestimmten« Stoff mit der »richtigen« Ladeschaufel, dem »richtigen« Reifendruck, der »richtigen« Leistungsverteilung, der »richtigen« Arbeitskinematik und der »richtigen« Prozesssteuerung die technologische Ladeleistung und die dafür nötige Energie deutlich beeinflusst werden können. Es sollte jedoch schon dem Entwicklungsingenieur möglich sein, den Einfluss der Vielzahl von Parametern auf den Energiebedarf der Maschine bewerten zu können. Im Allgemeinen steht ihm mit der Computersimulation ein wirtschaftliches und ressourcenschonendes Werkzeug für prognostische Aufgaben zur Verfügung. Herkömmliche Simulationsprogramme sind in der Lage, das Maschinenverhalten abzubilden. Sie können jedoch nicht den maschinellen Arbeitsprozess mit seinen mechanischen Rückwirkungen vollständig beschreiben. Somit war auch eine realitätsnahe Prognose des Energieverbrauchs der Maschine bisher nicht möglich.


Projektziele

Gesamtziel des Themenschwerpunktes »Prozessenergie« war es, den Arbeitsprozess in einer Simulationsanwendung abzubilden und darauf aufbauend den Energiebedarf mobiler Maschinen zu bestimmen. Der energetische Aufwand für den Arbeitsprozess leitet sich von den Lasten am Anbauwerkzeug einer Maschine und von dessen Dynamik ab. Diese ergeben sich aus der installierten Maschinenleistung und der vom Erdstoff entgegengebrachten Arbeitswiderstände. Die zu entwickelnde Simulationsanwendung sollte daher folgende Berechnungen ermöglichen:

  • lastabhängiges dynamisches Maschinenverhalten
  • charakteristisches Verhalten vom Erdstoff bei äußerer Bearbeitung
  • Wechselwirkungen zwischen Maschine und Erdstoff

Lösungsansatz

Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Lösungsansatz für die Umsetzung der Simulationsanwendung. Die Basis für die Berechnung des maschinellen Arbeitsprozesses bilden problemspezifische Simulationsmodelle von mobilen Arbeitsmaschinen und Erdstoffen.

Für eine Ermittlung der Energiebilanz müssen die verwendeten Maschinenmodelle alle Subsysteme berücksichtigen, die das Maschinenverhalten beeinflussen. Ein dreidimensionales Mehrkörpermodell bildet die Dynamik der Maschine ab. Im Gesamtmodell wird das Zusammenwirken mit der Arbeitshydraulik, dem Antriebsstrang und der Steuerungstechnik beschrieben.

Das Verhalten von Erdstoffen wird mithilfe der Diskrete-Elemente-Methode (DEM), eines numerischen Berechnungsverfahrens für granulare Materialien, berechnet. Die DEM dient dazu, Bewegungen und Interaktionen von individuellen Partikeln in dynamischen Umgebungen zu simulieren. So können neben dem zeitlichen Gutflussverhalten auch die Interaktionskräfte ermittelt werden. Dies ermöglicht die Berechnung der Widerstände, die der Erdstoff einer Arbeitsmaschine bei der Durchführung einer Arbeitsaufgabe entgegenbringt.

Durch die Kopplung beider Simulationsmethoden können die Wechselwirkungen im Arbeitsprozess abgebildet werden. Die mit der DEM ermittelten Erdstoffwiderstände werden als externe Lastelemente in der Maschinensimulation eingebunden. Unter Berücksichtigung der vom Hydraulik- und Antriebssystem installierten Leistung erfolgt die Berechnung der Maschinendynamik. Die resultierende Bewegungsänderung des Anbauwerkzeuges wird als dynamische, das Haufwerk bearbeitende Umgebung in der DEM-Simulation abgebildet. Das Wechselspiel des Datenaustauschs erlaubt die Simulation des gesamten Arbeitsprozesses.


Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Kopplung von Maschinen- und Erdstoffsimulation

Basis für die in Abb. 2 dargestellte Kopplung der Maschinen- und Erdstoffsimulation ist der Schnittstellenstandard »Functional Mock-up Interface« (FMI). Es handelt sich um ein werkzeugunabhängiges Austauschformat, das viele Softwareanbieter unterstützen. Der FMI-Standard erlaubt es, diverse Submodelle bzw. das Gesamtmodell einer Arbeitsmaschine als »Functional Mock-up Unit« (FMU) zu exportieren. Die FMU beinhaltet eine mathematische Beschreibung der physikalischen Beziehungen im Maschinenmodell als kompilierten Code, der die direkte Einsicht in den Modellaufbau verhindert.

Die IBAF GmbH hat eine Open-Source-DEM Software um eine FMI-Schnittstelle erweitert. Darüber kann die FMU des Maschinenmodells, das von der Liebherr-Hydraulikbagger GmbH bereitgestellt wurde, während der laufenden Erdstoffsimulation importiert und ausgeführt werden. Die FMI-Schnittstelle erlaubt es, Daten zwischen beiden Modellen auszutauschen. Vom Maschinenmodell werden die Position, Orientierung und Geschwindigkeit des Anbauwerkzeuges an die DEM-Simulation übertragen. Die DEM wiederum ermittelt daraus den Kontakt zwischen der Werkzeuggeometrie und dem modellierten Erdstoff. Die berechneten Lasten werden an das Maschinenmodell zurückgegeben. Durch den kontinuierlichen Austausch der Daten wird die Wechselwirkung zwischen dem Anbauwerkzeug der Maschine und dem Erdstoff berechnet und der maschinelle Arbeitsprozess ganzheitlich simuliert. Die für die Arbeitsaufgabe aufgewendete Leistung kann mithilfe der Prozesslasten ermittelt werden. Die Auswertung der Leistungsbilanz im Gesamtmaschinenmodell bildet die Grundlage für die Bewertung der Energieeffizienz sowie für den Vergleich mit anderen Maschinenkonzepten.

Realistische Wiedergabe des Grabprozesses eines Hydraulikbaggers

Die Güte der Simulationsanwendung wurde anhand eines Referenzszenarios durch Unterstützung der Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. KG überprüft. Bei dem Referenzszenario handelt es sich um den Grabprozess eines Hydraulikbaggers vom Typ Case WX185 mit Tieflöffel in Kies mit einer 16/32-Körnung (Abb. 3).

In einem ersten Schritt wurden problemspezifische Modelle von Bagger und Kies erstellt. Ein Abgleich der Parameter des Maschinenmodells mit Messungen an der Referenzmaschine sollte gewährleisten, dass das Ergebnis der Maschinensimulation dem gemessenen Arbeitsverhalten entspricht (Abb. 4).

Für die Beschreibung des Erdstoffverhaltens wurde ein entsprechendes Kontaktmodell für die DEM-Simulation implementiert. Ein Kalibrierexperiment diente zur Bestimmung der Modellparameter. Dafür hatte die LRT GmbH einen speziellen Prüfstand entwickelt. Mittels eines mathematischen Optimierungsalgorithmus nahm die Professur für Baumaschinen- und Fördertechnik der TU Dresden die inverse Parameterbestimmung für das DEM-Modell automatisiert vor. Mit der Simulationsanwendung wurde daraufhin das komplette Referenzszenario berechnet und mit den Messergebnissen verglichen. Als Eingaben für das Maschinenmodell wurden die zeitlichen Verläufe der Joysticksignale aus der Messung eines Referenzgrabprozesses vorgegeben.

Die Mess- und Simulationsergebnisse der am Anbauwerkzeug wirkenden Lasten stimmen gut überein (Abb. 5). Das gilt auch für die Verläufe der in die Arbeitshydraulik eingespeisten Energie (Abb. 6). Der Verlauf der Energie für den Arbeitsprozess beschreibt die akkumulierten Werte für das Lösen des Erdstoffes und das Heben des gefüllten Löffels um einen halben Meter. Die Auswertung der Energiebilanz am Maschinenmodell (Abb. 7) verdeutlicht, welcher Anteil der hydraulisch eingespeisten Energie dabei für die Zylinderbewegung und das Schaufelfüllen im Grabprozess benötigt bzw. als Ventilverluste oder für das reine Bewegen der Arbeitsausrüstung aufgewendet wurde.

Design und Betriebsoptimierung mit DEM Simulation möglich

Mithilfe der DEM ist es möglich, den spezifischen Energieaufwand (Energie pro geladener Tonne) auszuwerten. Damit werden Unternehmen in die Lage versetzt, z.B. die energieeffizienteste Trajektorie für eine bestimmte Arbeitsaufgabe zu ermitteln. Darüber hinaus wäre es auch möglich, die Geometrie von Anbauwerkzeugen nicht nur hinsichtlich der aufgebrachten Schnittkräfte, sondern auch bezüglich des Füllverhaltens zu optimieren.

Die Simulationsanwendung bildet die Grundlage, um unterschiedliche Designkonzepte, wie z.B. Leichtbaustrategien, verschiedene Systeme der Arbeitshydraulik oder neue Arbeitskinematiken, miteinander zu vergleichen. Eine Vorausberechnung, wie viel Energie mit »richtigem« Arbeiten eingespart werden kann, ist ebenfalls denkbar. Es konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Bedienereingaben für die Ausführungen der gleichen Arbeitsaufgabe zu unterschiedlichen Energiebilanzen führen (Abb. 7). Unternehmen könnten Ergebnisse solcher Untersuchungen in die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen einfließen lassen bzw. verschiedene Assistenzstrategien miteinander vergleichen.

Wie die Ergebnisse zeigen, können Unternehmen ressourcenschonend prozessoptimierte und energieeffiziente mobile Arbeitsmaschinen entwickeln, indem sie gekoppelte Simulationsmethoden anwenden.


Zusammenfassung

Die entwickelte Simulationsanwendung versetzt Unternehmen in die Lage, mobile Arbeitsmaschinen energieeffizient auszulegen und optimale Betriebsweisen zu ermitteln. Sie ermöglicht die Berechnung dynamischer Arbeitsprozesse unter Berücksichtigung der Maschinen- und Erdstoffcharakteristiken. Die Güte der Simulationen konnte anhand eines realen Referenzszenarios nachgewiesen werden.


Verbundpartner

  • IBAF GmbH
  • Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. KG
  • Liebherr-Hydraulikbagger GmbH
  • LRT GmbH
  • TAKRAF GmbH
  • TU Dresden, Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen (IVMA)

Kontakt

Tu Dresden, IVMA Professur für Baumaschinen- und Fördertechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Kunze
Tel.: +49 (0)351 463-37698
Email: guenter.kunze@tu-dresden.de
Internet: www.tu-dresden.de/bft
Internet: www.baumaschine.de