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BTU
Das Laufverhalten von Tragrollen wird maßgeblich von der Geometrie des Tragrollenmantels bestimmt. Die akustische Wirkung wird durch die Schallleistung ermittelt, wobei sich eine Korrelation zwischen der Kreisformabweichung des Tragrollenmantels zur Schallleistung ergibt.Weitere Auswirkungen ergeben sich durch eine stoßhafte Anregung auf die Lebensdauer der Tragrollenlagerung.
Die Minderung der Geräuschemission von Hochleistungsgurtförderanlagen in Tagebauen stellt in Verbindung mit höheren Anforderungen des Umweltschutzes und der Akzeptanz in der Bevölkerung ein Problem dar. Zum
einen gilt es Mensch und Umwelt vor Lärm zu schützen und zum anderen ist es für den Betreiber schwierig, die gesetzlichen Auflagen für den Betrieb solcher Anlagen zu erfüllen. Untersuchungen haben gezeigt, dass Tragrollen die
Hauptschallquellen dieser Gurtförderanlagen sind. Im Rahmen einer Baugruppenprüfung werden in Kooperation mit der Lausitz Energie Bergbau AG (LEAG) akustische und mechanische Kenngrößen von Tragrollen auf einem
Prüfstand (TPS) an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg untersucht.
Umfassende Untersuchungen von Lagerausfällen bei Tragrollen mit einer Lagergröße ab über 6306 ergaben zu geringe Werte für das Axialspiel, welche sich als Schadensursache herausstellten. Da in der DIN 22112 Teil 2 lediglich Grenzwerte für die axiale Verschiebbarkeit für Tragrollen bis zu einer Lagergröße 6306 aufgeführt werden, war eine Bewertung von Tragrollen mit größeren Lagern im Sinne der Qualitätskontrolle bisher nicht möglich. Ausgehend von den Schadensbildern werden die theoretischen Zusammenhänge in Bezug auf den Lagerverschleiß erörtert. In Zusammenhang mit den wirkenden Belastungen auf die Tragrollen werden geeignete Grenzwerte für die axiale Verschiebbarkeit ausgearbeitet, welche die LEAG (Lausitz Energie Bergbau AG) in die aktuellen Lieferanforderungen für Tragrollen aufnahm. Weiterhin wird ein Axialspielprüfgerät vorgestellt, welches im Vergleich zu der vorgestellten Messeinrichtung aus der DIN 22112 Teil 3 präzisere Messergebnisse unabhängig von dem Achsgewicht der jeweiligen Tragrollen liefert.
Im Labor für Fördertechnik an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg besteht ein langjähriges Engagement in der Untersuchung von Geräuschemissionen an Tragrollen für Hochleistungsgurtförderanlagen.
Durch ständige Optimierungen und technische Verbesserungen an den
Tragrollen konnte die Lärmentwicklung beim Betrieb der Anlagen um ein
Vielfaches reduziert werden. Im Gegensatz dazu sind jedoch die
Produktionskosten für die Herstellung von lärmgeminderten Tragrollen im Vergleich zur herkömmlichen Bauart gestiegen. Eine Maßnahme zur
Geräuschreduzierung besteht dabei in der Oberflächenbearbeitung des
Tragrollenmantels mit vorgegebenen Toleranzen für die Exzentrizität der Drehachse und der Kreisformabweichung von der idealen Zylinderform.
Ausfallstatistiken der LEAG1 lassen jedoch den Schluss zu, dass es durch die Bearbeitung der Mantelfläche (i.d.R. Überdrehen) ebenfalls zu einer Steigerung der Lebensdauer der Tragrollen kommt.
Um das Schädigungsverhalten bei unterschiedlichen Kraftanregungen zu
untersuchen, wurde ein Verschleißprüfstand entwickelt, konstruiert und gebaut.
Mit dessen Hilfe ist es möglich, die dynamischen Kräfte, welche durch die Tragrollenmantelgeometrie über die Exzentrizität und die Kreisformabweichung impliziert werden, zu untersuchen. Ziel der derzeitigen Arbeit ist es, die für die Versuche notwendigen Randbedingungen und Parameter festzulegen. Auf den Ergebnissen aufbauend soll anschließend mit einer Reihe von empirischen
Versuchen der Schädigungseinfluss auf die Wälzlager geprüft werden. Es ist beabsichtigt, die Toleranzen für die Geometrie, die Oberflächengüte und die Auswuchtgüte auf das erforderliche Maß anzupassen, um damit den Herstellungsaufwand und die Produktionskosten zu senken. Dadurch soll ein optimaler Kompromiss aus niedrigen Produktionskosten, geringen Werten für die Geräuschemission und langer Lebensdauer gefunden werden.
Die besonderen geologischen Verhältnisse in den Lausitzer
Braunkohletagebauen ermöglichen die Gewinnung der Braunkohle unter einem hohen Einsatz an Stetigförderern im offenen Abbau – dem sogenannten Tagebau. Stetigförderer gehören zu den effizientesten Fördermitteln, sie benötigen nur wenig Energie und fast kein Personal. Neben dem Fördergurt sind die Tragrollen ein Hauptmerkmal der Stetigförderer. Mit der Bewegung des Tagebaues entlang bewohnter Siedlungen ist es notwendig, die Geräuschemission vor allem der überirdisch angeordneten Förderer so gering wie möglich zu halten. Seit 2007 werden Tragrollen an der BTU Cottbus – Senftenberg auf ihre akustischen Eigenschaften geprüft. Durch die Zusammenarbeit mit den Herstellern konnte dadurch die Geräuschemission der Tragrollen in den letzten 10 Jahren um durchschnittlichen 10 dB reduziert
werden.
Die Akustische Kamera zur gezielten Lärmminderung und zustandsbezogenen Instandhaltung von Tagebau-Großgeräten
Kurzbeschreibung
Die Akustische Kamera ist ein bildgebendes Schallmessgerät welches in der Lage ist, Geräuschquellen zu lokalisieren und zu charakterisieren. Im Zusammenspiel mit Schalldruckpegel- und -intensitätsmessungen werden so präzise akustische Modelle von Großgeräten und Industrieanlagen erstellt. Die Anwendung dieses innovativen Messkonzepts ermöglicht es, gezielte Lärmminderungsmaßnahmen umzusetzen und so die hohen Anforderungen an den Umwelt- und Arbeitsschutz einzuhalten.
Im Vortrag erfolgt die Systemvorstellung der Akustischen Kamera, ausgehend von dem technischen Aufbau und dem Messprinzip. Anschließend gibt es Einblicke in das Messkonzept zur gezielten Lärmminderung am Beispiel von Entstaubungsanlagen an einem Industriestandort. Die Grundlage liefert dabei die Lokalisierung der Hauptschallemittenten, auf dessen Basis die akustischen Modelle erstellt werden. Darauf aufbauend werden geeignete Lärmminderungsmaßnahmen entwickelt und umgesetzt. Die im Anschluss durchgeführten Abnahmemessungen bestätigen die Wirksamkeit der Maßnahmen.
Weiterhin erfolgt die Präsentation eines zustandsbezogenen Instandhaltungskonzeptes für Gurtförderanlagen. Die Datenbasis für die Beurteilung des Anlagenzustands liefern dabei regelmäßige Schallintensitäts- und Schalldruckpegelmessungen. Der so betreute Förderer weist nach über fünf Jahren Einsatzzeit Geräuschemissionen auf, welche im Bereich der Neuanlage liegen.
Die Präsentation liefert eine Zusammenfassung umfangreicher praktischer Erfahrung aus den Bereichen der Lärmmessung und Umsetzung von Schallminderungsmaßnahmen.
Während im Tagebau früher das Augenmerk primär auf einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Abbau und Transport von Rohstoffen gerichtet war, spielen heutzutage noch einige andere Aspekte eine entscheidende Rolle. Da die Abbaugebiete immer weiter in besiedelte Gegenden vordringen und die Vorgaben im Umweltschutz sich verschärfen, ist der Betreiber in zunehmendem Maße bestrebt, unter anderem die Geräuschemissionen der Tagebaugroßgeräte zu senken. Da sich speziell Gurtförderanlagen im Bereich des Vorschnitts über große Entfernungen erstrecken und an den Rändern der Tagebaue verlaufen, tragen diese zu einem großen Teil zur Geräuschemission bei. Tragrollen sind oft zu Tausenden in den Förderanlagen verbaut und bei der akustischen Wirkung von entscheidender Bedeutung. Um eine Gesundheitsgefährdung für die beschäftigten Mitarbeiter durch Lärm zu vermeiden und die Auswirkungen auf angrenzende Siedlungen auf ein Mindestmaß zu begrenzen, existieren gesetzliche Vorschriften und Richtlinien. Die Gesetze und Verordnungen zum Umweltschutz und Arbeitsschutz sollen eine Reduzierung der Lärmimmissionen erreichen.
Laut den Immissionsrichtwerten1 der Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) darf nachts in Kerngebieten, Dorf- und Mischgebieten der Beurteilungspegel von 45 dB(A) nicht überschritten werden, in reinen Wohngebieten liegt die Grenze sogar bei 35 dB(A). Zum Vergleich: Eine leise Unterhaltung oder leise Musik wird mit einem Schalldruckpegel von 40 dB(A) angegeben.
Der durch den Betrieb der Gurtförderanlagen entstehende meterbezogene Schallleistungspegel LW beträgt im Durchschnitt etwa 80 bis 100 dB(A). Durch Reduktion der Schallemission könnten die Planungen der Streckenverläufe optimiert werden, was zu wirtschaftlichen Einsparungen führt. Weiterhin ist, wenn die für Tagebauanlagen zu beachtenden Richtwerte eingehalten werden, auch die Genehmigung für die Einrichtung und den Betrieb solcher Anlagen einfacher abzusichern.
Um genaue Kenntnisse über die Schallemission von Tragrollen zu erlangen, wurde in Zusammenarbeit der ehemaligen VEM AG (jetzt LEAG) und der ehemaligen Hochschule Lausitz (jetzt BTU Cottbus-Senftenberg) ein Tragrollenprüfstand entwickelt.
Im Rahmen einer Baugruppenprüfung auf diesem Prüfstand werden akustische und mechanische Kenngrößen von Tragrollen untersucht.
Bestandteile dieser Untersuchungen sind:
- Hochfahrprüfläufe – Dabei wird eine Tragrolle unter Prüflast auf eine Umfangsgeschwindigkeit von 10 m/s beschleunigt und der Schalldruckpegel aufgezeichnet. Dies ermöglicht die Berechnung der Schallemission in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit.
- Ermittlung des Abklingverhaltens – Durch Anschlagversuche wird das Eigenschwing- und Dämpfungsverhalten einer Tragrolle erfasst.
- Erfassung der Tragrollengeometrie – Die präzise Beschreibung der Geometrie des Tragrollenmantels ermöglicht Rückschlüsse auf mögliche Anregungsursachen.
Die vorgestellten Untersuchungen betrachten die akustische Wirkung von Anbackungen an Tragrollen und der daraus resultierenden Unwucht sowie einer mit verschiedenen Unwuchten behafteten Prüfrolle am Tragrollenprüfstand mit geringer Außermittigkeit der Drehachse und definiert angebrachten Klebestreifen auf der Manteloberfläche. Dazu treibt eine Walze die über Gummidämpfer eingespannte Prüfrolle an. An der Kontaktzone werden Belastungen von etwa 3,5 kN eingestellt. Die geprüften Unwuchtpaare liegen in den beiden Radialebenen (Seitendeckel) gegenüber sowie um 180 Grad versetzt. Stufenweise wird mit Massestücken die Unwucht erhöht sowie weiterführend erst phasengleich, dann ergänzend um 180 Grad versetzt Klebestreifen auf dem Tragrollenmantel angebracht. Die Klebestreifen simulieren reproduzierbar Anbackungen, welche sich gegenüberliegend hinsichtlich ihrer Unwuchtmasse ausgleichen. Jeweils wird der sich einstellende Istzustand von Restunwuchtmasse und Schallleistungspegel ermittelt. Nach den Literaturangaben ist eine Erhöhung der Schallleistung mit steigender Unwucht und bei Anbackungen zu erwarten.
Im Ergebnis zeigen Anbackungen eine hohe Wirkung auf die Geräuschemission von Tragrollen, was den Schluss nahelegt, dass kein Zusammenhang zwischen Unwucht und Geräuschemission besteht.
Mit der weiterführenden Untersuchung zur Prüfung der akustischen Wirkung durch zusätzliche Unwuchtmassen an einer Tragrolle war keine Erhöhung der Schallemission am Tragrollenprüfstand nachzuweisen. Dafür wurde gegenüber der ersten Untersuchung (2018) bei der Umfangsgeschwindigkeit 7,5 m/s die dabei überschrittene Gütestufe 100 auf die Gütestufe 250 gesteigert.
Die Untersuchungen erfolgten mit unterschiedlichen lärmgeminderten Tragrollen gleichen Typs, jedoch unterschiedlicher Ausführungsform. Dabei war eine Tragrolle (0611) mit einer Innendämpfung versehen und die andere Rolle (0609) ohne Dämpfungsmaterial. Im Zusammenhang mit den durchgeführten Versuchen folgt daraus, dass die Eigendämpfung einer Tragrolle die Ergebnisse nicht beeinflusst.
Die Ergänzung des Unwuchtversuches mit den Klebestreifen zeigte einen direkten Zusammenhang zwischen geometriebedingter Anregung (Kreisformabweichung) und Schallemission. Die Eigenmasse der Klebestreifen ist klein gegenüber den an den Seitendeckel angebrachten Unwuchtmassen. Diese Eigenmassen der Klebestreifen heben sich bei den Versuchen mit zwei Klebestreifen, die 180° auf dem Tragrollenmantel gegenüberliegend angebracht wurden, gegenseitig auf. Die Anregung zur Schallabstrahlung erfolgte über die Kreisformabweichung, was mit Hilfe der Verdopplung der Anregung und der daraus resultierenden Pegelerhöhung von 3 dB nachzuweisen war. Daraus folgt, dass die Fördergutanbackungen an Tragrollen im Tagebau nicht durch die entstandene Unwucht, sondern nahezu ausschließlich durch die Geometrieveränderung auf dem Tragrollenmantel die Geräuschemission erhöhen.
Aus den Untersuchungen heraus bleibt die These zulässig, dass bisher kein kausaler Zusammenhang zwischen Unwucht und Geräuschemission bei Tragrollen für Gurtförderanlagen nachzuweisen ist.
Die ersten Ergebnisse der Feldversuche weisen auf eine Bestätigung der Ergebnisse am Tragrollenprüfstand hin. Das bedeutet, dass durch die Einhaltung von Geometrievorgaben eine weit höhere Auswuchtgüte für Tragrollen bei den untersuchten Gurtgeschwindigkeiten bis 7,5 m/s toleriert werden kann. Hier sind Kostenreduzierungen oder zumindest Vereinfachungen im Fertigungsprozess bei der Herstellung von lärmgeminderten Tragrollen für ebenerdige Gurtförderanlagen möglich.
Die vorgestellte Untersuchung betrachtet die akustische Wirkung einer mit verschiedenen Unwuchten behafteten Tragrolle am Prüfstand mit geringer Außermittigkeit der Drehachse. Dazu wird die über Gummidämpfer eingespannte Prüfrolle von einer Walze angetrieben. An der Kontaktzone werden Belastungen von etwa 3,5 kN eingestellt. Die geprüften Un-wuchtpaare liegen in den beiden Radialebenen (Seitendeckel) gegenüber sowie um 180 Grad versetzt. Stufenweise wird mit Massestücken die Unwucht erhöht und jeweils der sich einstellende Istzustand von Restunwuchtmasse und Schallleistungspegel ermittelt. Nach den Literaturangaben ist eine Erhöhung der Schallleistung mit steigender Unwucht zu erwarten.
Die Versuchsreihen zur Prüfung der akustischen Wirkung durch zusätzliche Unwuchtmas-sen einer Tragrolle konnten keine Erhöhung der Schallemissionen nachweisen. Das lässt die These zu, dass kein kausaler Zusammenhang zwischen Unwucht und Geräuschemis-sion bei Tragrollen für Gurtförderanlagen besteht. Es sind weitere Untersuchungen erfor-derlich, um diese These im realen Förderbetrieb zu bestätigen.
Die Analysen müssen z. B. folgende Fragen klären: War die Unwucht nicht ausreichend für eine Schallemissionserhöhung? War die Schallemission der Tragrolle vorab zu hoch? Zu welchen Ergebnissen gelangen die Prüfungen bei einer statistisch relevanten Anzahl an nicht gewuchteten Tragrollen? Wie verhalten sich diese Rollen als Girlande? Gibt es ande-re relevante Einflüsse für die Geräuschemission an Gurtförderanlagen und wie
wirken diese?
Die nächsten Schritte sind die Untersuchungen am Tragrollenprüfstand zur akustischen Wirkung von überdrehten und nicht gewuchteten Tragrollen verschiedener Hersteller aus dem Produktionsprozess heraus. Abschließend erfolgt die Betrachtung von Feldversuchen dieser Tragrollen in Gurtförderanlagen.
Sollten Feldtests die eindeutigen Ergebnisse am Prüfstand bestätigen, sind bei Einhaltung von Geometrievorgaben durch eine Verminderung der Auswuchtgüte Kostenreduzierun-gen oder zumindest Vereinfachungen im Fertigungsprozess von Tragrollen zu erwarten.