Durch die Kooperation der TML Technik GmbH, Monheim, mit dem Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen wird eine Synergie zwischen den Kompetenzfeldern „innovative Konstruktion und Fertigung von Teleskopauslegern“ sowie „Entwicklung intelligenter, bergbautauglicher Condition Monitoring Systeme“ in Form eines noch nicht am Markt erhältlichen intelligenten Teleskopauslegers geschaffen. Ein bergbautaugliches und dementsprechend robustes System aus intelligentem Online-Belastungsmonitoring sowie einer Zustandsüberwachung von einzelnen Maschinenkomponenten ist bisher in keinem vergleichbaren Teleskopausleger eingesetzt worden. Zur optimierten Gestaltung des neuen Teleskopauslegers werden innovative technische Ansätze angewendet und evaluiert. Die Untersuchung und Definition von Parametern des Lösevorgangs – bezogen auf den Beraubevorgang im Bergbau – ermöglicht zukünftig einen optimalen und effizienten Betrieb. Durch die Realisierung von offenen Kommunikationsschnittstellen und die Definition von Standards hinsichtlich der Datenkommunikation im Bereich „Teleskopausleger“ ergibt sich eine Plattform für zukünftig aufkommende Industrie 4.0-Dienste unter den besonderen Anforderungen im Bergbau. Somit wird ein Teilziel zum international immer häufiger beschriebenen „autonomen Bergwerk der Zukunft (Mine-of-the-Future)“ vorbereitet. Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden das zugehörige ZIM-Projekt sowie die innerhalb der ersten Projektphase durchgeführten Belastungsversuche in einem Bergwerk in Russland vorgestellt. Basierend auf den Darstellungen erfolgt ein Ausblick auf die Auswertung sowie zukünftig mögliche Analysen.
1 Projektvorstellung
Das Forschungsprojekt „Der intelligente Teleskopausleger für extreme Einsatzbedingungen“ wird im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines robusten, sich selbst überwachenden Teleskopauslegers, der für widrige Umgebungsbedingungen in der Rohstoffindustrie und in verwandten Industrien geeignet ist. Zentrale Projektinhalte sind die Konzeptionierung des Teleskopauslegers durch das Unternehmen TML Technik GmbH, Monheim, sowie dessen Ausstattung mit einem Multi-Monitoring-System durch das Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen. Durch die sensorgestützte Überwachung des Beraubebetriebs werden eine Effizienzsteigerung und die Erhöhung der Lebensdauer der Maschine angestrebt. Das Multi-Monitoring-System soll zuverlässig vor stark belastenden Einsatzsituationen warnen und gegebenenfalls die Maschinenleistung reduzieren. Durch dieses Konzept wird gleichzeitig die Grundlage für einen Tele- oder Office-Remote-gesteuerten Einsatz (Bergbau 4.0) geschaffen. Der Teleskopausleger wird als Neuentwicklung für Anwendungen in extremen Umgebungsbedingungen (Staub, Schmutz, Steinschlag, Vibration, Stöße, Feuchtigkeit), insbesondere im Gips- und Anhydritbergbau, konzipiert.
Die Neuentwicklung des Teleskopauslegers erfolgt aufgrund von geänderten rechtlichen Rahmenbedingungen und zur Steigerung der Effizienz, Lebensdauer sowie Arbeitssicherheit. Eine neue Sicherheitsvorschrift im russischen Bergbau verbietet das manuelle Arbeiten ab einer Höhe von 3,5 m. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, zukünftig vermehrt auf den Einsatz von Maschinen zurückzugreifen. Durch den Teleskopausleger können Beraubearbeiten in einer Höhe von bis zu 13 m verrichtet werden, ohne auf ein Verfahren des Trägerfahrzeugs angewiesen zu sein. Der Vortrieb des Werkzeugs erfolgt ausschließlich aus dem Teleskopvorgang des Auslegers.
Des Weiteren kann ohne Versetzen der Maschine der Stoß bzw. die Ortsbrust beraubt werden, da der Teleskopausleger um 360° endlos drehbar ist. Vollständig innen liegende Versorgungsleitungen tragen zur Robustheit des Systems bei. Die Länge des Teleskoparms ist so bemessen, dass ein gefahrenfreies Arbeiten im Umfeld des Beraubers sichergestellt ist. Gleichzeitig wird über die Länge des Auslegers eine Reduzierung von Rangierarbeiten erreicht. Das wird zu einer Effizienzsteigerung im Betrieb und somit zu einer Senkung der Betriebskosten führen.
Fig. 1. Overview of the research project. // Bild 1. Arbeitspakete des Forschungsprojekts.
Bild 1 verdeutlicht die einzelnen Phasen innerhalb des Projekts. Zunächst werden die Konzepte für den neuen Teleskopausleger sowie das Konzept für das Condition Monitoring System entwickelt (Phase 1). Anschließend finden Referenzmessungen statt (Phase 2). Die in den Referenzmessungen ermittelten Messgrößen dienen den weiteren Arbeitspaketen als Grundlage. Neben der Optimierung der Konstruktion des Auslegers steht die Entwicklung eines optimierten Messsystems zukünftig im Vordergrund der Entwicklungsarbeiten (Phase 3). Abschließend werden die Kombination aus neuem Ausleger und Sensorsystem innerhalb weiterer Demonstratorversuche evaluiert und bewertet (Phase 4). Diese Veröffentlichung präsentiert hauptsächlich die Ergebnisse der Phasen 1 und 2.
Um die auf den Teleskopausleger wirkende Belastung exakt ermitteln zu können, mussten diverse mechanische Größen und Parameter innerhalb einer Referenzmessung bestimmt werden. Mithilfe von handelsüblichen Dehnungsmessstreifen wurde die Beanspruchung in der Struktur des Teleskopauslegers ermittelt. Zusätzlich angebrachte Sensoren, wie beispielsweise Körperschallsensoren, vermitteln einen noch tieferen Einblick in die Beanspruchungssituation. Die Messung und die zugehörigen vorläufigen Ergebnisse werden im Folgenden näher beschrieben.
2 Referenzmessung
Während einer zweiwöchigen Betriebsmessung in einem Gips/Anhydrit-Bergwerk in Novomoskovsk/Russland wurden die realen Betriebszustände an einem nicht für den Bergwerksbetrieb optimierten Teleskopausleger in Vorbereitung auf die Entwicklung des Multi-Monitoring-Systems sensorisch erfasst.
2.1 Messkonzept
Im Vorfeld der Messkampagne wurde ein Versuchsausleger mit konventioneller Messtechnik ausgerüstet, um die Belastungen während unterschiedlicher Referenzszenarien zu erfassen. Dazu wurde ein lediglich für die Dauer des Einsatzes während der Referenzmessung konzipiertes Messsystem aufgebaut. Um ein möglichst vollständiges Abbild des Beraubevorgangs zu erhalten, wurden Messumformer zur Erfassung unterschiedlicher mechanischer Größen installiert. Der schematische Aufbau inklusive aller Sensorpositionen dieses Messsystems ist in Bild 2 dargestellt.
Fig. 2. Schematic illustration of the telescopic boom including the sensor positions of the measuring system. // Bild 2. Schematische Abbildung des Teleskopauslegers inklusive der Sensorpositionen des Messsystems.
Der vordergründige Fokus der Messkampagne lag auf der Ermittlung der wahren mechanischen Spannungen am Ausleger während des Beraubens. Zu deren Erfassung wurden insgesamt 17 Dehnungsmessstellen realisiert. Zur Bestimmung der kinematischen Parameter während des Beraubevorgangs wurden über Wegsensoren der Verfahrweg des Teleskopauslegers sowie die Winkelstellung des Werkzeugs erfasst. Die Neigung des Arms wurde über Neigungssensoren aufgenommen. Mehrere Drucksensoren erfassten die Hydraulikdrücke der Arbeitszylinder. Über einen triaxialen Körperschallsensor wurden Vibrationen in drei Raumrichtungen unmittelbar am Beraubearm erfasst. Alle Sensoren wurden per Datenkabel mit konventioneller Messtechnik verbunden. Die Hardware zum Aufzeichnen der Sensorsignale wurde in drei Schaltschränken installiert. Über eine kabelgebundene Datenverbindung zwischen den Schränken wurden die Sensordaten an einen Messrechner weitergegeben, welcher ebenfalls in einem der Schaltschränke installiert war.
2.2 Vorbereitung der Messung
Das Messsystem wurde zunächst am AMT vormontiert und getestet. Anschließend wurde das vollständig verkabelte Messsystem nach Russland versandt. In der Werkstatt des Bergwerks wurden die Schaltschränke an den vorgesehenen Stellen platziert sowie Sensoren am Teleskopausleger installiert. Durch dieses Vorgehen konnten unerwartete Probleme bei der Inbetriebnahme des Messsystems am Einsatzort minimiert werden. Einen Eindruck der Umsetzung des Messsystems vermittelt Bild 3, in welchem die Installation von einem der Schaltschränke am Teleskoparm zu sehen ist.
Fig. 3. Installation of the measuring system on the telescopic boom. // Bild 3. Installation des Messsystems am Teleskoparm.
Zur Sicherstellung einer möglichst verlustfreien Datenaufnahme wurden bewusst redundante Dehnungsmessstellen vorgesehen. Zur Minimierung des Ausfallrisikos wurden die Messstellen mittels Schutzvorrichtungen gegen mechanische Belastungen durch das gelöste Gestein geschützt. Das Messsystem wurde für eine Versuchsphase von circa zwei Wochen konzipiert. Einen Eindruck der DMS-Messstellen vermittelt Bild 4.
Fig. 4. Unprotected strain gauge measuring point (left); protected DMS measuring point (right). // Bild 4. Ungeschützte DMS-Messstelle (links); geschützte DMS-Messstelle (rechts).
2.3 Durchführung der Messung
Das Ziel der Messkampagne war die Vermessung von realen Belastungen im Teleskoparm im laufenden Betrieb. Um möglichst viele Betriebssituationen erfassen zu können, wurde das Messsystem kontinuierlich während jedes Betriebszustands betrieben. Die Datenaufzeichnung wurde vor Beginn der jeweiligen Schicht gestartet. Gegen Ende der Schicht wurde die Datenaufzeichnung beendet und die Messdaten wurden auf einer externen Festplatte gesichert. So wurden neben den eigentlichen Arbeitszyklen der Maschine auch andere Lastfälle, wie z. B. die Belastung während der Fahrt zum Einsatzort, erfasst. Um die aufgezeichneten Messdaten bei der späteren Datenauswertung den jeweiligen Arbeitszyklen zuordnen zu können, wurde während der gesamten Messkampagne ein Protokoll über den Verlauf der Beraubearbeiten geführt. Es wurde für jeden Zeitpunkt festgehalten, mit welchem Werkzeug gearbeitet wurde, ob der Stoß oder die Firste bearbeitet wurde, ob das Fahrzeug zu einem neuen Ort bewegt wurde oder ob das Fahrzeug für Wartungsarbeiten abgeschaltet war. Zusätzlich wurden alle Arbeiten kontinuierlich per Videoaufnahme dokumentiert. Insgesamt wurden an fünf Tagen Messungen des regulären Betriebs durchgeführt. Ein typischer Beraubevorgang ist in Bild 5 dargestellt. Durch einen Hydraulikhammer wird hier der seitliche Stoß beraubt.
Fig. 5. Working at the sidewall. // Bild 5. Beraubevorgang am seitlichen Stoß.
2.4 Vorläufige Ergebnisse der Messkampagne
Durch die Messkampagne können erstmalig die realen Belastungen an einem Beraubegerät ermittelt und mit den jeweiligen Arbeitszyklen korreliert werden. So können stark belastende Arbeitsweisen identifiziert und näher analysiert werden. Exem-plarisch wird im Folgenden der Verlauf eines einzelnen mechanischen Spannungssignals diskutiert.
Fig. 6. Recorded mechanical stresses in different working modes. // Bild 6. Gemessene Bauteilspannung in unterschiedlichen Arbeitsmodi.
Bild 6 zeigt den real gemessenen Verlauf des mechanischen Spannungssignals über einen Zeitraum von circa einer Stunde sowie die Stelle am Teleskoparm, an dem das Signal aufgezeichnet wurde.
Zu Beginn der Messreihe (ca. 18 Uhr) stand der Teleskopausleger am Stoß, ohne Arbeit zu verrichten. Es wird eine konstante mechanische Spannung gemessen, welche der Belastung durch das Eigengewicht des Werkzeugs entspricht. Um ca. 18:10 Uhr haben die Beraubearbeiten begonnen. Zunächst wurde die Firste bearbeitet, um ca. 18:50 Uhr wurde dann mit Arbeiten am Stoß begonnen. Es ist zu erkennen, dass das Spannungssignal wesentlich größere Amplituden während der Bearbeitung des Stoßes aufweist. Diese Beobachtung lässt sich durch eine vergleichende Betrachtung der Arbeitsweisen am Stoß und an der Firste plausibel erklären. Im Fall der Bearbeitung der Firste wird der Teleskopausleger hauptsächlich durch Zug- und Druckkräfte belastet, während bei der Bearbeitung des Stoßes zusätzlich ein Biegemoment auf die Struktur wirkt. Dieses Biegemoment wird durch die abgewinkelte Stellung des Werkzeugs in Relation zum Hauptarm hervorgerufen. Bild 7 verdeutlicht die beiden unterschiedlichen Arbeitsmodi.
Fig. 7. Direction of force during scaling: drift face (left), roof (right). // Bild 7. Kraftangriffsrichtungen beim Berauben: Stoß (links); Firste (rechts).
Im weiteren Projektverlauf soll eine Abschätzung der Prozesskräfte anhand der aufgezeichneten Messdaten erfolgen. Anhand dieser Kräfte können dann realitätsnahe FEM-Simulationen sowie Mehrkörpersimulationen durchgeführt werden. Diese Simulationen können als Grundlage für konstruktive Verbesserungen dienen. Ein Ansatz zur Ermittlung der Prozesskräfte ist in Bild 8 dargestellt.
Fig. 8. Theoretical approach to determine the process forces (top left: sketch of the telescopic boom including the tool, top right: cross-sectional profile of the telescopic boom; bottom: equations for balance of forces). // Bild 8. Theoretischer Ansatz zur Bestimmung der Prozesskräfte (oben links: Skizze des Teleskopauslegers inklusive des Werkzeugs; oben rechts: Querschnittsprofil des Teleskopauslegers; unten: Gleichungen zum Kräftegleichgewicht).
Über ein Kräftegleichgewicht zwischen den am Werkzeug angreifenden Prozesskräften Fx und Fy sowie den Reaktionskräften und -momenten (Rx, Ry, Ma) in einer Schnittebene des Teleskop-auslegers können drei Bestimmungsgleichungen zur Berechnung der Prozesskräfte hergeleitet werden. In die Berechnung geht der messtechnisch erfasste Winkel α ein. Er beschreibt die Stellung des Werkzeugs in Relation zur Achse des Teleskoparms. Die Schnittebene, in der die Reaktionskräfte angreifen, wird so gewählt, dass sie mit der Ebene übereinstimmt, in der mechanische Spannungen am Teleskopausleger gemessen wurden. Unter Verwendung der mechanischen Spannungen an zwei Stellen in der Schnittebene können zwei weitere Gleichungen zur Bestimmung der Kräfte hergeleitet werden (Bild 9). Den angeführten Gleichungen zur Spannungsberechnung liegt eine Superposition aus Biegespannungen, Längsspannungen und Schubspannungen zugrunde.
Fig. 9. Integration of strain measurement signals (above: superposition of the stresses from bending stress, longitudinal stress and shear stress; below: equations for the description of the component stresses). // Bild 9. Einbindung der Dehnungsmesssignale (oben: Superposition der Belastungen aus Biegespannung, Längsspannung und Schubspannung; unten: Gleichungen zur Beschreibung der Bauteilspannungen).
Die Gleichungen 1 bis 5 bilden ein lineares Gleichungssystem, dessen Lösung die gesuchten Prozesskräfte liefert. Bei dieser Betrachtung wurde lediglich der statische Anteil der Prozesskraft berücksichtigt. Dynamische Effekte sind nicht mit abgebildet. Aus diesem Grund müssen die gemessenen Spannungssignale durch einen Tiefpassfilter auf ihren (quasi-)statischen Anteil reduziert werden. Das Ergebnis der Berechnung liefert eine Abschätzung der Anpresskräfte des Werkzeugs an den Stoß sowie die Firste. Die abschließende Auswertung der Ergebnisse steht noch aus. Bei zukünftigen Modellen sollen ebenfalls die dynamischen Effekte während der Arbeitszyklen mitberücksichtigt werden.
Für die Auslegung des zu entwickelnden Monitoringsystems liefern die in der Messung erzeugten Messdaten wertvolle Erkenntnisse. Beispielsweise kann das System auf die real zu erwartenden mechanischen Spannungen ausgelegt werden. Weiterhin können hoch belastete Messstellen identifiziert werden, an denen das Monitoringsystem zukünftig installiert wird.
3 Fazit und Ausblick
Im Rahmen des vorgestellten Forschungsprojekts wird ein intelligenter Teleskopausleger zum untertägigen Berauben entwickelt. Um eine Grundlage für die konstruktiven Verbesserungen sowie für die Entwicklung des Monitoringsystems zu schaffen, wurde ein Teleskopausleger mit konventioneller Messtechnik ausgestattet und der reguläre Beraubebetrieb messtechnisch erfasst. Anhand der Messdaten können die einzelnen Bearbeitungszyklen des Beraubens im Detail analysiert werden. Erste Auswertungen haben ergeben, dass signifikante Unterschiede hinsichtlich der auftretenden Belastungen während des Beraubens von Firste und Stoß existieren.
Zukünftig werden durch detaillierte Datenauswertungen Verbesserungspotentiale aufgedeckt, die in konstruktive Maßnahmen einfließen werden. Weiterhin wird basierend auf den Erkenntnissen aus der Messkampagne ein Monitoringsystem entwickelt. Den Abschluss des Forschungsprojekts bildet eine Demonstratorphase, in der das Monitoringsystem sowie die optimierte Konstruktion getestet werden.
Anerkennung
Wir bedanken uns herzlich bei den Herren Dr.-Ing. Ralph Baltes und Felix Leaman, M.Sc., für ihre Mitarbeit an dieser Veröffentlichung sowie der TML Technik GmbH für die gute Zusammenarbeit.
Dieses Forschungsvorhaben wird über die AiF im Rahmen des zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom BMWi unter dem Förderkennzeichen ZF4010402LL6 aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.
