Fakultät Maschinenbau
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Nach heutigem Stand der Technik kommen für die Dekontamination von Störstellen wie z.B. Ecken und Innenkanten, weitestgehend Technik aus dem konventionellen Sanierungsbereich zum Einsatz. Maschinen wie Nadelpistolen und Stockgeräte belasten das Arbeitspersonal mit starken Vibrationen und hohen Rückstellkräften. Daher sind entsprechend lange Pausenzeiten erforderlich, wodurch die ohnehin schon geringe Abtragleistung weiter gesenkt wird. Neben dem zusätzlichen Mehraufwand kann die Technik, aufgrund fehlender Absaugungseinrichtungen, unter Umständen zu einer Kontaminationsverschleppung führen. Hierbei werden in bereits dekontaminierten Bereichen kontaminierte Partikel verteilt, wodurch die erzielten Bearbeitungsfortschritte teilweise rückgängig gemacht werden.
Aufgrund der Vielzahl von Nachteilen, die bei den bisher eingesetzten Geräten auftreten, wurde das Forschungsprojekt EKONT-1 zur „Entwicklung eines innovativen, teilautomatisierten Gerätes für eine trocken-mechanische Ecken-, Kanten- und Störstellendekontamination in kerntechnischen Anlagen“ angestoßen und durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes konnten viele neue Erkenntnisse gewonnen und mehrere funktionsfähige Prototypen entwickelt, gebaut und sowohl im Labor als auch im praktischen Einsatz getestet werden. Da im Laufe der Versuche noch einige Verbesserungspotenziale aufgetreten sind, wurde zum 01.07.23 das Folge Projekt EKONT-2 gestartet, was sich mit der Weiterentwicklung der existierenden Prototypen beschäftigt.
Unter bestimmten Kontaktbedingungen zwischen Rad und Schiene können selbsterregte Schwingungen angeregt werden, die zu gegenphasigen Drehbewegungen der Radscheiben und hohen Torsionsmomenten in der Radsatzwelle führen. Zur Bestimmung des maximalen Torsionsmoments sind bislang aufwendige Testfahrten erforderlich, da keine Verfahren bekannt waren, die eine konservative Berechnung des Torsionsmoments ermöglichen [1]. In den vergangenen Jahren wurden die drei folgenden Berechnungsmethoden vertieft untersucht, um das maximale, dynamische Torsionsmoment zu berechnen:
- Simulationen von komplexen Mehrkörpersystemen (MKS)
- Differentialgleichungssysteme mit numerischer Berechnung
- Analytische Berechnung durch Reduktion auf ein Minimalmodell
In dieser Publikation sollen diese Berechnungsmethoden näher vorgestellt werden und durch eine Gegenüberstellung der jeweils berechneten und gemessenen Ergebnisse deren Möglichkeiten aber auch Limitationen aufgezeigt werden.
Ziel des Forschungsprojekts "Ekont" ist es, ein handgeführtes Gerät zum Betonabtrag an Innenkanten und Störstellen in Kernkraftwerken (KKW) zu entwickeln. Um die Reaktionskräfte zu reduzieren wird hierbei der neuartige Ansatz eines gegenläufigen Fräsprozesses untersucht. Ergebnis ist eine Getriebelösung, bei der eine mittlere Frässcheibe mit annähernd derselben Umfangsgeschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung von weiteren Frässcheiben rotiert.
Die vorgestellte analytische Berechnungsmethode führt, unter Berücksichtigung desKraftschlusses, der Radsatzdimensionierungund der Dämpfungseigenschaft des Antriebssystems, zu einem konservativ berechnetendynamischen Torsionsmoment.Die ermittelten Abweichungen zeigenleicht gröβere Werte gegenüber der Messungund über einen breiten Parameterbereichtendenziell gröβere Werte gegenüber der Simulation. Demnach stellt die Methodeeinen pragmatischen Ansatz dar, dasmaximale, dynamische Torsionsmomentfür die Auslegung von Radsatzwelle ausreichendkonservativ zu berechnen.
Auslegung von Radsatzwellen unter Berücksichtigung des maximalen, dynamischen Torsionsmoments
(2021)
Der vorgestellte Bericht verdeutlicht denEinfluss des dynamischen Torsionsmomentsinfolge von selbsterregten Radsatz-Torsionsschwingungen auf den Festigkeitsnachweisvon Radsatzwellen. Durch dieanalytische Berechnung des maximalen,dynamischen Torsionsmoments werdenkausale Zusammenhänge erkennbar, diebei der Dimensionierung von Radsätzenhilfreich sind. So führt eine Vergröβerungdes Radsatzwellendurchmessers aufgrundder zunehmenden Torsionssteifigkeitzwar zu höheren Momenten, bewirktaber gleichzeitig eine deutlich niedrigereVergleichsspannung. Durch gröβereDurchmesser der Radsatzwelle ist, infolgegeringerer Fugendrücke, allerdings auchmit einer Schwächung der Pressverbändezu rechnen. In jedem Fall sind im Hinblickauf den Festigkeitsnachweis kleine Radradienvorteilhaft. Sollten Radradius undRadsatzwellendurchmesser nicht optimiertwerden können, kann zur weiteren Absicherungdes Festigkeitsnachweises derWerkstoff EA4T verwendet werden.
Die Projektaufgabe bestand darin, den aktuellen Laborversuch zu modernisieren, indem die Kommunikation zwischen dem Versuchsaufbau und Laborrechner nicht wie bisher über Wandlerkarten stattfindet, sondern über EtherCAT und TwinCAT 3.
Die Installation von TwinCAT 3 mit den zugehörigen Erweiterungen und erforderlichen Programmen stellt sich als sehr umfangreich und schwierig dar, was die Installationsanleitungen zeigen. Außerdem gab es sehr viele Fehlerquellen, die nicht auf Anhieb ersichtlich waren, wie das Aktualisieren der aktuellen MATLAB Version. Ist die Installation abgeschlossen kann die Kommunikation zwischen MATLAB und TwinCAT relativ einfach umgesetzt werden.
In der Projektarbeit wurde anfangs dann die Kommunikation mit mehreren Tests überprüft und Optimierungen vorgenommen. So wurde zum Beispiel die Wegbegrenzung angepasst. Schwierigkeiten zeigten sich bei der Bedienung über MATLAB oder beim Abstürzen von MATLAB, da beim Stoppen oder Abstürzen von MATLAB, der zuletzt gesendete Wert immer noch an TwinCAT 3 anliegt und somit der Aktor weiter verfahren würde. Diese sehr gefährliche Situation wäre ein gravierender Nachteil, gegenüber der alten Kommunikation mit einer Wandlerkarte. Um einen sicheren Stopp zu garantieren, wird über ein neues TcCOM Objekt der Matlab-Status mit einem Togglebit überprüft, ändert sich der Wert des Bits nicht mehr, stoppt die Anlage sicher.
Um einen Vergleich mit dem bisherigen Masterversuch erhalten zu können, wurde die Strecke mit der neuen Kommunikation untersucht und ein passender Regler dafür auszulegt.
Die Auswertung der Impulsantwort sowie der „Spectrum-Analyse“ zeigten beim Vergleich mit den Schnittstellen gleiche Ergebnisse, somit sind die Versuche bei dem Laborversuch ohne Einschränkungen durchführbar. Die Auslegung des Reglers zeigte entgegen den Prognosen der Beckhoff-Experten sehr gute Ergebnisse und die Kommunikation über die Schnittstelle zeigte keine Probleme.
Einschränkungen zeigten sich jedoch bei der einzustellenden Abtastzeit, da eine Abtastzeit unter 2ms nicht möglich ist. Zwar kann man eine geringere Abtastzeit einstellen, jedoch zeigt sich bei der Auswertung, dass die Schnittstelle mit Abtastzeiten unter 2ms Probleme aufweist. Die Rechendauer wird deutlich größer und die größere Anzahl an Messpunkte kann nicht richtig verarbeitet werden. Ein Regler kann damit nicht implementiert werden.
Die Projektarbeit konnte somit erfolgreich angeschlossen werden und bis auf die aufwendige Installation sind die Erweiterungen von Beckhoff sehr zuverlässig und gut zu bedienen. Die ersten Voruntersuchen waren positiv, somit kann auch an weiteren Laborrechnern eine Umstellung der Schnittstelle in Betracht gezogen werden.
Lean Digitalization
(2020)
Ceramics are often used in high-temperature applications. Therefore, thermomechanical and heat resistance of ceramic and refractory materials are important. The material behaviour is described by thermal stress resistance. Established material tests to determine thermal shock behaviour are complex. The potential of application-related material testing in combination with simulations is described below.
A new thermal shock application-oriented testing method for ceramic components and refractories
(2019)
Ceramics and refractories are often used in high-temperature applications like industrial furnaces. Therefore, thermomechanical and heat resistance of ceramic and refractory materials are important. The material behaviour is described by thermal stress resistance. Established material tests to determine thermal shock behaviour are complex and do not yield key figures. The potential of application-related material testing in combination with simulations with transfer from ceramics to refractories is described below. The combination of model-based simulation with applied material testing offers numerous advantages. On the one hand, the design of the test setup is supported by the simulation, which results in a goal and application-oriented test setup. On the other hand, the iterative approach allows the model verification with the help of the applied material testing. The simulation shows that the transfer from ceramics to refractory material is possible and results according to literature. The design reliability of the components is thereby improved, since initially different loads can be simulated in the model in combination with a variety of materials and geometries, and thereby substitute complex and expensive preliminary tests. As a result, verified models offer a great savings potential in terms of time to market, development expenses and use of raw materials. Very important is, that the method is suitable for technical ceramics and refractory materials.
Der Einsatz von Keramiken erfolgt oft bei hohen Temperaturen oder großen Temperaturgradienten. Deshalb ist die thermo-mechanische Beständigkeit von keramischen und feuerfesten Werkstoffen wichtig für die Materialauswahl und das Bauteildesign. Das Werkstoffverhalten wird durch die Thermoschock- bzw. Temperaturwechselbeständigkeit beschrieben. Etablierte Werkstoffprüfungen zu ihrer Ermittlung sind komplex und aufwendig. Das Potenzial von anwendungsnaher Werkstoffprüfung in Kombination mit modellbildender Simulation wird beschrieben.
Leichtbauwerkstoffe bewegen sich im Spannungsfeld neuer Werkstoffkombinationen, Herstellungs- und Fügetechnologien sowie von Lebensdauer und Nachhaltigkeit. Besondere Aufmerksamkeit sollte daher hybriden CFK-Metallverbunden gelten. Gefördert von der Internationalen Bodensee Hochschule IBH untersucht etwa das Werkstoffprüflabor der Hochschule Konstanz (HTWG) in einem internationalen Forschungsprojekt die Festigkeit von Sandwich-Verbunden aus Aluminium und CFK.
Die Entstehung von Radsatz-Torsionsschwingungen kann aufgrund der zunehmenden Ausnut- zung des Kraftschlusses im Rad-Schiene-Kontakt nicht vollends verhindert werden. Während analytische Untersuchungen zeigen, dass bei der Überschreitung eines bestimmten Dämp- fungswerts die Entstehung von Radsatz-Torsionsschwingungen vollständig vermieden wird, zeigen Simulationen, dass die Schwingungsamplitude des dynamischen Torsionsmoments in- folge des betragsmäβig sinkenden Kraftschlussgradienten und einer gewissen Antriebsstrang- dämpfung bei höheren Gleitgeschwindigkeiten begrenzt ist. Im Gegensatz zur analytischen Formel (17) ist damit ein maximales, dynamisches Torsionsmoment berechenbar.
Durch eine ganzheitliche Betrachtung des Gesamtsystems, bestehend aus dem Kraftschluss zwischen Rad und Schiene, dem Radsatz inkl. Lagerung, sowie Antriebsstrang können ver- schiedene Einflussfaktoren untersucht werden, die eine Radsatz-Torsionsschwingung beein- flussen. Die damit verbundenen Berechnungsmodelle sind aufgrund der Anzahl von Massen und Freiheitsgraden nicht mehr analytisch lösbar. Durch den Einsatz von Mehrkörperdynamik-Software können die Einflussfaktoren identifiziert und deren Einfluss auf die Torsionsneigung des Systems und das dynamische Torsionsmoment quantifiziert werden.