- Titel
- Ein Beitrag zur Präzisierung der Lebensdauerprognose von Profilschienenwälzführungen
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-971033
- Schriftenreihe
- Lehre, Forschung, Praxis
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 14.11.2024
- Datum der Verteidigung
- 15.04.2025
- ISBN
- 978-3-86780-798-2
- Abstract (DE)
- Der Berechnung der Lebensdauer von Profilschienenführungen (PSF) kommt eine große Bedeutung zu, wenn der wirtschaftliche Betrieb von Maschinen mit PSF und die damit verbundene Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen betrachtet wird. Anlagenstillstände durch ungeplant ausgefallene PSF schaden einer wirtschaftlichen Produktion maßgeblich und müssen daher auf ein Minimum reduziert werden. Dieses Ziel kann erreicht werden, wenn die Restlebensdauer der Maschinenkomponenten, inklusive der eingesetzten verschleißbehafteten PSF, möglichst hoch und vor allem bekannt ist. Bei bekannter voraussichtlicher Restlebensdauer können Instandhaltungsmaßnahmen so geplant werden, dass die Produktion nicht maßgeblich gestört und der wirtschaftliche Schaden somit minimiert wird. Zur Lebensdauerabschätzung von wälzgelagerten PSF wurden daher bereits viele Berechnungsmethoden entwickelt und experimentell in aufwändigen Lebensdauertests validiert. Die bekannteste und am häufigsten genutzte Methode zur Lebensdauerberechnung von PSF wurde von Lundberg und Palmgren entwickelt, mit der die Lebensdauer in Abhängigkeit der einwirkenden Belastung und einer modellspezifischen Tragzahl geschätzt wird. Die einwirkenden Belastungen müssen im Konstruktionsprozess der Maschine mit geeigneten Berechnungsmethoden ermittelt werden, um die PSF so auszulegen, dass im Betrieb eine ausreichend große Lebensdauer sichergestellt ist. Auf der Basis der Methode von Lundberg und Palmgren wurde ein erweiterter wälzkontaktbasierter Ansatz entwickelt, mit dem bei spezifischen Lastsituationen eine höhere und realistischere Lebensdauer der PSF berechnet werden kann. Ein Defizit des Verfahrens von Lundberg und Palmgren und des erweiterten wälzkontaktbasierten Ansatzes besteht darin, dass die zu erwartenden Lasten auf die PSF im Maschinenbetrieb nicht immer im Voraus bekannt sind oder sich durch ungünstige Betriebsbedingungen stark verändern, so dass die real erreichten Lebensdauerwerte signifikant von denen der Lebensdauerberechnung abweichen. Dieses Defizit kann mit einer geeigneten Messtechnik und dem Ansatz der Schadensakkumulation behoben werden. In der Arbeit wird eine recheneffiziente Mess- und Berechnungsmethode vorgestellt, mit der eine Schadensakkumulation in Verbindung mit der wälzkontaktbasierten Lebensdauerberechnung während des Maschinenbetriebes durchgeführt werden kann. Damit wird eine realistischere Restlebensdauer unter Berücksichtigung sich ändernder Betriebsbedingungen der PSF ermittelt. Die so berechneten Lebensdauerwerte haben einen statistischen Charakter, wodurch die real erreichten Lebensdauerwerte exemplarischer PSF immer noch zum Teil erheblich davon abweichen. Um diese Unsicherheiten zu beseitigen, werden die eingesetzten PSF üblicherweise einer Zustandsüberwachung unterzogen, womit auf den tatsächlichen Verschleißzustand geschlossen werden kann. Zahlreiche Forschungsarbeiten widmen sich daher der Zustandsbeurteilung von PSF, wobei die bekannten Methoden keine Betriebspunktabhängigkeiten berücksichtigen. Bekannte Zustandsüberwachungsmethoden liefern zudem keine Aussage darüber, wie lange die PSF trotz eines sich entwickelnden Schadens noch sicher betrieben werden kann. Daher wird in der Arbeit eine Methode entwickelt, mit der diese Defizite bekannter Zustandsüberwachungsmethoden behoben werden können und mit der eine vollständige, genauere Lebensdauervorhersage für exemplarische PSF ermöglicht wird. Die Methode basiert auf der Berechnung und dem Vergleich des dynamischen Verhaltens der PSF unter Berücksichtigung des aktuellen Betriebspunktes und Verschleißzustandes. Damit kann das Lebensdauerpotenzial der eingesetzten PSF vollständig und sicher ausgeschöpft werden, wodurch Instandhaltungsmaßnahmen zeitlich präzisiert planbar sind. Die beiden in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Berechnungsansätze werden auf einem dafür entwickelten Lebensdauerversuchsstand mit der Möglichkeit einer automatisierten Krafteinleitung experimentell validiert, um die Anwendbarkeit der Vorhersagemethoden zu demonstrieren und etwaige Restunsicherheiten aufzuzeigen.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Profilschienenführung, Lebensdauerberechnung, Zustandsüberwachung
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- ZL 3300
- GutachterIn
- Prof. Dr. Steffen Ihlenfeldt
- Prof. Dr. Jürgen Weber
- Prof. Dr. Welf-Guntram Drossel
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Steffen Ihlenfeldt
- Herausgeber (Institution)
- Prof. Dr. Steffen Ihlenfeldt
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-971033
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 23.05.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
- Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Stand der Technik 2.1. Einteilung und Anwendungsgebiete von Profilschienenführungen 2.2. Aufbau und Funktionsweise von Profilschienenführungen 2.2.1. Funktionsweise und grundlegender Aufbau 2.2.2. Wälzkontaktunabhängige Gestaltungsmöglichkeiten 2.2.3. Wälzkontaktbezogene Gestaltungsmöglichkeiten 2.2.4. Integration von Zusatzsystemen 2.3. Eigenschaften von Profilschienenführungen 2.3.1. Steifigkeit und Vorspannung von Profilschienenführungen 2.3.2. Ablaufgenauigkeit von Profilschienenführungen 2.3.3. Dynamisches Verhalten und Dämpfungseigenschaften 2.3.4. Reibung in Profilschienenführungen 2.4. Modelle zur Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens von Profilschienenführungen 2.4.1. Mathematische Beschreibung des ungeschmierten Wälzkontakts 2.4.2. Mathematische Beschreibung des elastohydrodynamischen Schmierspaltes 2.4.3. Starre Lastverteilungsmodelle 2.4.4. Elastische Lastverteilungsmodelle 2.4.5. FE-Modelle 2.4.6. Dynamikmodelle 2.4.7. Dämpfungsmodelle 2.4.8. Reibmodelle 2.5. Lebensdauer von Profilschienenführungen 2.5.1. Ausfallursachen 2.5.2. Lebensdauerberechnung 2.5.3. Experimentelle Validierung der Lebensdauerberechnung 2.5.4. Schadensakkumulationshypothesen 2.6. Zustandsüberwachung von Profilschienenführungen 3. Aufgaben und Aufbau der vorliegenden Arbeit 4. Berechnung der Lastverteilungsmodelle 4.1. Starre Lastverteilungsmodelle 4.1.1. Analytischer Ansatz mit Lastvorgabe 4.1.2. Analytischer Ansatz mit Verlagerungsvorgabe 4.1.3. Numerischer Ansatz mit Lastvorgabe 4.2. Elastisches Lastverteilungsmodell 4.3. FE-Modell einer Profilschienenführung 4.4. Vergleich der Lastverteilungsmodelle 5. Vereinfachung und Präzisierung der wälzkontaktbezogenen Lebensdauerberechnung 5.1. Analytische Vereinfachung der wälzkontaktbezogenen Lebensdauerberechnung 5.2. Präzisierung der wälzkontaktbezogenen Lebensdauerberechnung 6. Entwicklung einer schadensbasierten Restlebensdauerberechnung 6.1. Grundlegender Berechnungsablauf 6.2. Entwicklung des Dynamikmodells einer Profilschienenführung 6.2.1. Implementierung des dynamischen Wälzkörperumlaufes in das Dynamikmodell 6.2.2. Implementierung eines Schadensmodell in das Dynamikmodell 6.3. Berechnung der schadensbasierten Restlebensdauer 7. Experimentelle Validierung der entwickelten Methoden 7.1. Entwicklung einer Sensoreinheit 7.2. Entwicklung eines Lebensdauerversuchsstandes zur überlagerten Lasteinleitung 7.3. Experimentelle Validierung des statischen und dynamischen Modells 7.3.1. Experimentelle Validierung der statischen Steifigkeit bei stehendem Wagen 7.3.2. Experimentelle Validierung des Dynamikmodells bei stehendem Wagen 7.3.3. Experimentelle Validierung des Wälzkörperumlauf- und Schadenmodells bei bewegtem Wagen 7.4. Experimentelle Validierung der Lebensdauerprognosemethoden 7.4.1. Experimentelle Validierung der wälzkontaktbezogenen Lebensdauerberechnung 7.4.2. Experimentelle Validierung der präzisierten wälzkontaktbezogenen Lebensdauerberechnung 7.4.3. Experimentelle Validierung der schadensbasierten Restlebensdauerberechnung 8. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang