Entwicklung und Gestaltung eines rechnergesteuerten Dauerteststands von Hydraulikaggregaten für die Bahnübergangssicherung

Inhaltsangabe

Zusammenfassung

Abstract

Samenvatting

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Aufgabenstellung
1.2.1 Inhalt der Diplomarbeit
1.2.2 Bedingter Inhalt der Diplomarbeit

2 Voraussetzungen
2.1 Das Bahnübergangssystem
2.2 Prinzipien der mechanischen Belastung
2.2.1 Zwei Aggregate prüfen sich gegenseitig
2.2.2 Ein Aggregat wird von einem modifizierten Gut-Aggregat geprüft
2.2.3 Ein Aggregat wird von einem externen Hydraulikzylinder geprüft
2.2.4 Mechanische und elektrische Alternativen oder Ergänzungen
2.3 Favorisiertes Prinzip
2.3.1 Mögliche Ausschlusskriterien
2.3.2 Strategie zur Klärung

3. Entwicklungsumgebung und Versuchsaufbau
3.1 Überblick
3.2 Der Schrankenantrieb HSM 10 E
3.2.1 Der Zylinder
3.2.2 Die Hydraulikpumpe mit Asynchronmotor
3.2.3 Das Steuerventil mit Schrittmotor
3.2.4 Die HSE BG
3.3 Die Wippe
3.4 Steuerung
3.4.1 CAN-Bus
3.4.2 Rechner
3.4.3 Programmiersystem LabVIEW

4 Softwareentwicklung
4.1 Programm zur Aufnahme der Kennlinien
4.1.1 Anforderungen
4.1.2 Programmstruktur
4.1.3 Spezielle VIs
4.2 Programm zur Simulation der Schrankenlast
4.2.1 Anforderungen
4.2.2 Programmstruktur
4.3 Bedien- und Steuerprogramm
4.3.1 Anforderungen
4.3.2 Programmstruktur
4.3.3 Spezielle VIs
4.4 Gemeinsame Sub-VIs
4.4.1 VIs für Bewegungsabläufe
4.4.2 VIs zur CAN-Steuerung
4.4.3 VIs für die Texterzeugung
4.4.4 Sonstige VIs

5 Experimentelle Untersuchung
5.1 Aufnahme der Kennlinien
5.1.1 Kennlinien zweier Aggregate an der Wippe
5.1.2 Kennlinien des Aggregates an einer Schranke
5.1.3 Analyse und Vergleich beider Kennlinien
5.2 Rekonstruktion der Kennlinien
5.2.1 Simulation des Öffnungsvorgangs
5.2.2 Simulation des Schließungsvorgangs
5.2.3 Simulation des Ersatzschließungsvorgangs
5.3 Verträglichkeitsprüfung der Prozessparameter des Lastaggregats
5.3.1 Das „gläserne“ Aggregat
5.3.2 Suche nach verträglichen Prozessparametern

6 Schlusswort

Quellenverzeichnis

Verzeichnis der Abbildungen

Erklärung zu Zeichen und Abkürzungen

Anhang
A Liste aller verwendeten CAN-Telegramme
B Liste der Anschlüsse der Zentralen Variable

ZUSAMMENFASSUNG

Diese Diplomarbeit befasst sich mit dem Ziel, einen Dauertest für Schrankenantriebe zu entwickeln, in dem die Aggregate mit einer am Schrankenbaum vorkommenden Belastung geprüft werden. Der Dauertest soll entwickelt werden, um aus Gründen der Sicherheit Frühausfälle noch vor der Auslieferung zu detektieren. Der Schrankenantrieb HSM 10 E ist Teil der BUES 2000, einer voll rechnergesteuerten Anlagentechnik für Bahnübergänge.

Der Prüfstand soll aus einem Steuer-PC bestehen, der via CAN-Bus die zu

testenden Aggregate sowie die mechanische Last ansteuert. Für die Aggregate soll eine mechanische Aufhängung konzipiert werden. Zu Diagnosezwecken ist eine Protokollierung der Telegramme auf dem CAN-Bus gefordert. Der Prüfstand soll später in einem Klimaschrank installiert werden, daher ist auf Masse und Bauraum zu achten. Es ist gefordert, die Prüflinge verschiedenen Teiltests zu unterziehen, wie Stresstest, Ruhephase und Lasttest.

Als Prinzip für die mechanische Belastung der Prüflinge ist eine Wippe gewählt, auf deren beider Seiten ein Schrankenantrieb eingespannt ist. Mittels Sonderfunktionen ist es möglich einen Schrankenantrieb als Lastaggregat zu betreiben. Hierbei ist darauf zu achten, dass es durch Fremdverwendung zu keinerlei Schäden am Lastaggregat kommen kann.

Durch Einsetzen des „gläsernen“ Aggregats auf einer Seite der Wippe und mit dem Durchlaufen aller vorgesehenen Belastungsvorgänge lassen sich letzte Zweifel ausräumen, dass durch Ölvergasung oder Kavitation die Prüflinge beschädigt werden könnten. Das Programm {Dauerteststand.vi} steuert daher die Aggregate von bis zu vier Wippen so über den CAN-BUS an, dass jedes Aggregat mal als Last und mal als Prüfling betrieben wird. Zu Diagnosezwecken protokolliert ein weiterer PC sämtlichen Datenverkehr auf dem CAN-Bus, der auch Sondermeldungen des Steuerprogramms enthält, so dass das Diagnoseprotokoll leichter zu lesen ist.

ABSTRACT

During the work described in this diploma thesis an endurance test for railroad gate drives has been developed. In this test the aggregates at the gate are checked with loads occuring in normal operation. The endurance test will be applied for security reasons to detect failures before the delivery of the drive. The barrier drive HSM 10 E is part of the BUES 2000, a fully computer controlled equipment technology for railroad crossovers.

The test bench consists of a control PC, that controls the units under test as well as the mechanical load via CAN bus. A mechanical suspension for the aggregates has to be planned. For diagnostic purposes a logging of the telegrams on the CAN bus is demanded. The test bench is later to be installed in a climatic cabinet, therefore attention must be paid to its mass and dimensions. It is required to subject the units under test under different section tests like the stress test, the phase of rest and the load test.

A rocker is selected as principle for the mechanical load of the units under test, on whose both sides a gate drive is clamped. By means of special functions it is possible to let a railroad gate drive operate as load aggregate. Measures were to take to avoid damage to the load aggregate during the non standard use.

By going through all intended load procedures using the “glassy” railroad gate drive on one side of the rocker it can be verified that the units under test are not damaged by oil gasification or cavitation. The program {Dauerteststand.vi} controls the aggregates from up to four rockers via the CAN bus in such a way that each aggregate is operated alternative as load drive and as unit under test. A further PC logs all data traffic on the CAN bus for diagnostic purposes. The log contains the control messages and also special CAN messages of the control program, so that the diagnostic protocol can be read more easily.

SAMENVATTING

Dit afstudeerwerk had als doel, een duurtest voor spoorboomaandrijvingen te ontwikkelen, zodat de aggregaten met een aan een spoorboomsaandrijving overeenkomende belasting getoetst kunnen worden. Deze duurtest is ontwikkeld om een vroegtijdige uitval nog voor aflevering te detecteren en daarmee extra zekerheid in te bouwen. De spoorboomaandrijving HSM 10 is deel van de BUES 2000, een geheel computerbestuurde installatietechniek voor spoorwegovergangen.

De proefstand bestaat uit een besturings-PC, die via CAN-bus de te testende aggregaten alsook de mechanische last aanstuurt. Voor de aggregaten moest een mechanische ophanging ontwikkeld worden. Ten behoeve van de diagnose was ook een protokollering van de telegrammen op de CAN-bus vereist. De teststand zal later in een klimaatkast geïnstalleerd worden, vandaar dat ook voor een geringe massa en een kleine bouwruimte gezorgd moest worden. De proefaggregaten moesten aan verschillende deeltests te onderworpen worden, zoals een stresstest, een rustfase en een last-test.

Als principe voor de mechanische belasting van de proefaggregaten is een wip gekozen, waarop aan beide kanten een spoorboomaandrijvingen ingespannen is.

Middels extrafuncties is het mogelijk, een spoorboomaandrijving als lastaggregaat te bedrijven. Daarbij moet erop te gelet worden, dat door niet standaard gebruik geen beschadigingen aan de lastaggregaat kan optreden.

Door inzetten van een “glazen” aggregaat op één kant van de wip en met het doorlopen van alle geplande belastingsprocessen kunnen de laatste onzekerheden worden weggenomen, dat door olievergasing of cavitation de proefaggregaten kunnen beschadigd worden. Het programma {Dauerteststand.vi} bestuurt vandaar de aggregaten met tot vier wippen via de CAN-bus aan, waarbij iedere aggregaat een keer als lastaggregaat en een keer als proefaggregaat wordt bedreven. Ten behoeve van diagnose protocolleert een verdere PC het hele dataverkeer op de CAN-bus, die ook extramededelingen van het besturingsprogramma bevat, zodat het diagnoseprotocol gemakkelijker te lezen is.

1 EINLEITUNG

Seit 125 Jahren beschäftigt sich die Firma Scheidt & Bachmann GmbH mit

Eisenbahnsignalanlagen. Die ursprünglich rein mechanisch arbeitenden Anlagen wurden nach der Jahrhundertwende Schritt für Schritt mit elektromechanischen Komponenten versehen. 1990 folgte die Entwicklung einer voll rechnergesteuerten Anlagentechnik, der BUES 200. Inhalt dieser Diplomarbeit ist es, einen Dauertest für den HSM 10 E (Hydraulischer Schrankenantrieb mit modularer Bauweise für Baumlängen bis 10 Meter; elektronisch gesteuert) zu konzipieren.

1.1 MOTIVATION

Bei Bahnübergängen steht die Sicherheit an vorderster Stelle, daher werden alle Schrankenantriebe einer sorgfältigen Sicherheitsüberprüfung auf einem sogenannten „Leistungsprüfstand“ unterzogen. Danach sollen alle Aggregate dem Dauertest unterzogen werden, um Frühausfälle zu erkennen, noch bevor die Antriebe verkauft und ausgeliefert werden. Der Dauertest soll den Betrieb der Schrankenaggregate simulieren, wie er in der Praxis an einem Bahnübergang vorkommt, wie beispielsweise beiTemperaturschwankungen und Windeinflüssen. Durch den Dauerbetrieb der Hydraulikaggregate soll zusätzlich ein Einarbeiten des hydraulischmechanischen Systems stattfinden, bei dem sich z.B. die Dichtungen setzen sollen.

1.2 AUFGABENSTELLUNG

Die im Dauerteststand zu prüfenden Hydraulikaggregate sind zuvor mit einem

Leistungstest auf Defekte überprüft worden. Im Dauertest sollen Frühausfälle erkannt werden, die durch die Steuerung der Aggregate (die HSE BG) detektiert und per CAN-Telegramm gemeldet werden.

Der Dauerteststand für der HSM 10 E soll im Prinzip aus folgenden Bestandteilen bestehen: Einer mechanischen Aufhängung mit elektrischen Anschlüssen für die zu prüfenden Aggregate und die mechanische Last sowie deren Ansteuerung, dazu die Ansteuerung des Prüflings über einen CAN-Bus und für Diagnosezwecke eine Protokollierung der CAN-Telegramme, die von der Steuerung sowie von den PrüfAggregaten gesendet werden. Später soll der Prüfstand in einer Klimakammer installiert werden, um die Einflüsse durch Temperaturänderung zu simulieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.1: Inhalt der Diplomarbeit

1.2.1 INHALT DER DIPLOMARBEIT

In diesem Kapitel werden die Bestandteile der Aufgabenstellung beschrieben, die zum Inhalt dieser Diplomarbeit gehören.

ANSTEUERUNG DER PRÜFLINGE

Grundsätzlich soll die Dauerprüfung der Hydraulikaggregate 72 Stunden dauern. Möglich ist eine Einteilung in Zyklen z.B. à acht Stunden (eine Arbeitsschicht) oder dessen Vielfachem. In diesen Zyklen soll die Temperatur einmal komplett hoch, dann herunter und wieder zurück zur Umgebungstemperatur fahren. So entsteht am Anfang, etwa in der Mitte und am Ende eines jeden Zyklus ein Bereich mit Raumtemperatur, in dem, mit geringem Einfluss auf den Klimaprozess, eingegriffen werden kann, um z.B. Aggregate auszutauschen.

Die Ansteuerung der Prüflinge soll mit einem Steuer PC und dem Programmiertool LabVIEW über den CAN-Bus realisiert werden. Sie soll manuell mit allen Einzelschritten zu bedienen sein und den kompletten Ablauf des Testzyklus automatisch abarbeiten können. Die Ansteuerung soll nach folgenden Prinzipien und Phasen arbeiten:

Aufspannen

- Korrekte Einspannung feststellen und überwachen
- Schwinge muss von Hand bewegt werden können, wenn Partnerzylinder bereits eingebaut ist. Evtl. langsame Fahrt des Partnerzylinders (kleine Schritte fahren)
- Bolzen zum Befestigen der Aggregate müssen gesichert sein
- Verbinden der elektrischen Anschlüsse
- Initialisierung der HSE BG (manuell: Reset, Laufprogramm [7s oder 10s] einstellen)
- Referenzierungslauf durchführen

Stresstest

- Minimal zwei Stunden pro Zyklus ständig hinauf und herunter fahren (Prüfling öffnet und schließt, Last bedämpft passiv oder aktiv)
- Daten protokollieren durch Diagnose PC (evtl. Fehler extrahieren)
Ruhephase
- Etwa zwei Stunden bei steigender oder fallender Temperatur Zylinder verriegeln
- Erfassung der Temperaturkurve über die Zeit
- Protokollierung des Nachregelvorganges bei Temperaturerhöhung der HSE BG

Lasttest

- Ersatzschließen unter Last
- Die mechanische Last soll die Schrankenlast simulieren
- Öffnen des Schrankenbaumes unter erhöhter Last (z.B. Baum wird festgehalten)
- Öffnungsvorgang wie beim Stresstest nur mit größerer Last
- Schließen des Schrankenbaumes unter Last (z.B. gegen den Wind)
- Schließvorgang wie beim Stresstest mit größerer Last
- Nachregeln unter Last (gegen den Wind)
- Prüfaggregat in der unteren Endlage verriegeln
- Lastaggregat zieht mit Maximallast für ca. 3-4 min

MECHANISCHE AUFHÄNGUNG

Die mechanische Aufhängung soll so dimensioniert werden, dass bis zu acht

Hydraulikaggregate des Typ HSM 10 E eingespannt und zur gleichen Zeit geprüft werden können. Evtl. ist zu überprüfen, ob die einzelnen Aggregate korrekt eingespannt sind und dies über einen digitalen I/O-Eingang an den Steuer PC zu melden ist.

MECHANISCHE LAST

Die mechanische Last soll näherungsweise die Belastung eines Schrankenbaums der oben beschriebenen Testvorgänge simulieren. Das Bauvolumen ist möglichst klein zu halten, um im Klimaschrank wenig Bauraum einzunehmen und dadurch die Wärmekapazität gering zu halten. Deshalb ist eine Belastung durch einen realen Schrankenbaum nicht zu realisieren.

ANSTEUERUNG DER MECHANISCHEN LAST

Die mechanische Last soll über denselben PC mit demselben Programm angesteuert werden, mit dem auch die Prüflinge angesteuert werden. Alle Programmabschnitte sollen sowohl als Einzelschritte, sowie auch durch automatischen Ablauf ausführbar sein.

1.2.2 BEDINGTER INHALT DER DIPLOMARBEIT

Im Rahmen der Aufgabenstellung sind Teilaufgaben gefordert, die nicht Bestandteil dieser Diplomarbeit sind, deren Schnittstellen allerdings berücksichtigt werden müssen.

ELEKTRISCHE ANSCHLÜSSE

Für die elektrische Versorgung der Aggregate ist eine Spannungsquelle mit 40V

Gleichspannung, bei einem minimalen Strom von 10-15A pro gleichzeitig laufendem Aggregat erforderlich. Für die PCs ist ein 230V Netzanschluss erforderlich.

DIAGNOSE, PROTOKOLL

Der Diagnose PC ist eine im Haus entwickelte Software, die auf einem zweiten PC laufen soll. Sie soll alle CAN Telegramme mit zugehöriger Erläuterung protokollieren und Fehler-Telegramme zusätzlich in separate Dateien schreiben.

KLIMAKAMMER

In die Klimakammer soll später die mechanische Aufhängung installiert werden.

Dazu sollte die Masse und der Bauraum der Aufhängung möglichst klein sein, damit die Wärmekapazität in der Klimakammer möglichst gering gehalten wird. Die elektrischen Komponenten sollten außerhalb der Klimakammer angeordnet sein, um sie nicht den ständigen Temperaturzyklen von vorgesehenen -25°C bis +75°C auszusetzen. Die Temperatur soll durch das Steuerprogramm vorgegeben und die aktuelle Temperatur in das Diagnoseprotokoll aufgenommen werden.

2 VORAUSSETZUNGEN

Der HSM 10 E (Hydraulischer Schrankenantrieb mit modularer Bauweise für Baumlängen bis 10 Meter; elektronisch gesteuert) , für den der Dauerteststand realisiert wird, ist ein Modul der Bahnübergangstechnik BUES 2000.

2.1 DAS BAHNÜBERGANGSSYSTEM

Durch die Steuerung der BUES 2000 mit ihrem umfangreichen BUS-Konzept ist die Auslagerung von Steuerungsaufgaben an das Feldmanagement möglich geworden. Unter Ausnutzung der Möglichkeit arbeitet der HSM 10 E eigenintelligent und kommuniziert über den CAN-Bus mit der BUES 2000 per Datentelegramm. Durch das Kommunikationsmodell lässt sich das Bahnübergangssystem, bestehend aus verschiedenen Modulen, in drei Hauptkomponenten einteilen (Abb. 3.1):

- Diagnose und Wartung
- Steuerung
- Intelligente Feldebene

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1: Bahnübergangstechnik BUES 2000 (Quelle: S&B1)

Wartungs- und Diagnoseaufgaben sind unter Nutzung öffentlicher, privater oder

kabelgebundener Kommunikationswege zentralisiert und PC-gestützt möglich. Durch den konsequenten Einsatz von rechnergesteuerten Baugruppen innerhalb des Steuerungskerns wird auch die Informationsabgabe zu Diagnose- und Steuerungszwecken über moderne und intelligente Kommunikationswege (CAN) möglich. Dadurch ist die Auslagerung von speziellen Steuerungsaufgaben direkt an das stellende Feldelement möglich, womit eine intelligente Feldebene einsetzbar ist, die wesentlich mehr Informationen verarbeiten und weiterleiten kann als es bisher möglich war.

Die BUES 2000 (Abb. 2.2) ist eine Steuerung, die durch ein Multirechnersystem eine durchgängige 2v2-Sicherheitsstruktur mit Informationsverdoppelung aufweist und ein intelligentes Bussystem (CAN) besitzt. Dadurch wird eine Sicherheitsstruktur aufgebaut, die die Steuerung aller Prozesse wie sicheres Erfassen, Verarbeiten, Auswerten und Ausgeben von Informationen beinhaltet. Durch den modularen Aufbau ist eine schnelle Anpassung an die jeweilige Überwachungs- und Anwendungsvariante des Bahnübergangs möglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2: Logische Struktur BUES 2000 (Quelle: S&B1)

Die Verwaltungsebene realisiert nicht signaltechnisch sicherheitsrelevante Aufgaben. Ein Diagnosemodul entnimmt rückwirkungsfrei dem System Informationen, decodiert die Daten und nimmt eine erste Bewertung vor.

Die Leitebene realisiert im jeweiligen Modul signaltechnisch sicherheitsrelevante

Leit- und Überwachungsfunktionen mittels Modulprozessoren (von links nach rechts: Gleis-, Licht-Schranken- und Zentralprozessor). Dabei werden die verdoppelten Baugruppen der Feldebene überprüft und Diagnosedaten für die Verwaltungsebene bereitgestellt. Der zentrale Programm- und Anlagenspeicher ZPAS enthält neben den allgemein gültigen Programmen die für den Bahnübergang speziellen Daten. Die Servicetastatur ermöglicht die Abfrage von Informationen der BUES 2000 und das Anreizen verschiedener Anlagenreaktionen.

In der Feldebene wird die signaltechnisch sicherheitsrelevante Schnittstelle zu den Wirkelementen realisiert. Für jede Feldelementgruppe wird ein Modul eingesetzt, z.B. die „CAN 10/200 Baugruppe“. Sie ermöglicht die telegrammorientierte Kommunikation der BUES 2000 mit intelligenten Feldelementen, wie dem Schrankenantrieb HSM 10 E. Um größere Entfernungen gewährleisten zu können, wird eine Verminderung der Übertragungsrate von 200 auf 10 kBaud vorgenommen.

Für den HSM 10 E, wie in Abb. 2.3, werden im Folgenden Möglichkeiten beschrieben, wie eine am Schrankenbaum vorkommende Last simuliert werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.3: Foto HSM 10 E

2.2 PRINZIPIEN DER MECHANISCHEN BELASTUNG

Im Allgemeinen ist als Verbindung der zu prüfenden Hydraulikaggregate mit der mechanischen Last eine Art Wippe (Abb. 2.4) gedacht, so dass auf einer Seite der Wippe das Prüf-Aggregat eingespannt ist und auf der anderen Seite die Last angekoppelt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.4: Allgemeines Prinzip der Wippe

2.2.1 ZWEI AGGREGATE PRÜFEN SICH GEGENSEITIG

Von größtem Vorteil ist es, sich zwei Hydraulikaggregate gegenseitig belasten und testen zu lassen, da sich dadurch Kosten sowie Bauraum und Masse einsparen lassen. Bei diesem Prinzip werden die Kosten für eine mechanische Last nahezu wegfallen, da das Aggregat, das als Last betrieben wird, im gleichen Test auch als Prüfling getestet wird. Weitere Kosten lassen sich dadurch einsparen, dass auf jeder Seite der Wippe ein Prüfling eingespannt wird. So lassen sich die gleiche Anzahl Aggregate mit der halben Anzahl Wippen prüfen. Durch die Einsparung der extra notwendigen mechanischen Last und der Hälfte der Wippen, lässt sich auch das Bauvolumen sowie die Masse des Dauerteststandes auf ein Minimum reduzieren. Dadurch erreicht man eine niedrige Wärmekapazität, was wiederum eine geringere Belastung für den Heiz- und Kühlvorgang im Klimaschrank bedeutet.

Die Nachteile dieses Prinzips liegen darin, dass dabei ein Prüfling durch eine unbekannte Größe geprüft wird, da der Partner auf der anderen Seite der Wippe auch ein Prüfling ist. Dieser Nachteil wirkt sich allerdings nicht so gravierend aus, da alle Hydraulikaggregate zuvor in einem Leistungstest auf Defekte überprüft werden. Die Aufgabe des Dauertests ist es, Frühausfälle zu erkennen, die durch die Steuereinheit der Aggregate (die HSE BG) detektiert und per CAN-Telegramm gemeldet werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei dieser Methode der Test für beide Aggregate unterbrochen wird, wenn eines der beiden an einer Wippe hängenden Aggregate ausfällt.

Als zusätzlicher Aufwand muss das Programm der HSE BG angepasst werden, so dass man per CAN-Telegramm Zugriff auf die einzelnen Komponenten (Schrittmotor und Asynchronmotor) bekommt. Daraus ergibt sich, dass die Steuereinheit immer beim Versuchsaufbau verbleibt und die HSE BG, die mit einem Aggregat verkauft wird, nicht dem Dauertest unterzogen ist. Dadurch wird gewährleistet, dass im Einsatz am Bahnüberweg kein ungewolltes Verhalten durch die zusätzliche Funktionalität auftreten kann.

Diese Form des Dauertests steht und fällt mit der Möglichkeit, das StandardHydraulikaggregat als Last-Aggregat zu betreiben. Dadurch, dass man den Drehschieber mit Hilfe des Schrittmotors in jede beliebige Position fahren, oder die Hydraulikpumpe durch den Asynchronmotor in der Geschwindigkeit beeinflussen kann, erhält man viele Möglichkeiten das Partneraggregat zu belasten. Dabei entstehen aber auch Einstellungen, bei denen die Aggregate auf Dauer beschädigt werden können. Deshalb muss genau geprüft werden, ob Stellmöglichkeiten bestehen, die die geeignete Belastung erreichen und dabei keine störenden Effekte wie Kavitation oder Ölvergasung verursachen.

2.2.2 EIN AGGREGAT WIRD VON EINEM MODIFIZIERTEN GUT-AGGREGAT GEPRÜFT

Falls die Konstruktion der Hydraulikaggregate es nicht zulässt, für das oben

beschriebene Prinzip geeignete Stellmöglichkeiten zu finden, lässt sich folgende

Alternative vorstellen: Für jede Wippe und damit jedes zu prüfende Aggregat wird ein geprüftes und modifiziertes Standardaggregat (Gut-Aggregat) als Last-Aggregat eingesetzt. Damit verliert man die positiven Effekte der Platzersparnis, aber man benötigt keine extra zu beschaffende mechanische Last. Somit lässt sich immer noch ein großer Investitionsaufwand und Zeitverlust durch eine Bestellung einsparen.

Ein Vorteil dieser Variante gegenüber der vorher genannten ist, dass bei Ausfall eines Aggregats nicht gleich ein zweiter Prüfling mit ausfällt. Ein Vorteil gegenüber anderen Lösungen (mit Nicht-Standard-Aggregaten) ist, dass eine Modifikation der bestehenden Aggregate wahrscheinlich mit einem kleineren Aufwand verbunden wäre als eine Neuentwicklung oder Anschaffung einer anderen mechanischen Last.

2.2.3 EIN AGGREGAT WIRD VON EINEM EXTERNEN HYDRAULIKZYLINDER GEPRÜFT

In dieser Variante wird der Prüfling auf der einen Seite der Wippe durch einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder auf der anderen Seite der Wippe belastet. Dieser Hydraulikzylinder muss neu dimensioniert, konstruiert oder beschaffen werden. Außerdem ist eine komplette Ansteuerung erforderlich, die entworfen und hergestellt werden muss. Dies bedeutet gegenüber den ersten beiden Methoden einen zeitlichen und finanziellen Mehraufwand, der nach Möglichkeit vermieden werden sollte.

Vorteile dieser Methode sind, dass das Hydraulikaggregat samt Hydraulikzylinder genau den Bedürfnissen angepasst werden kann und somit keine Frage nach der Realisierbarkeit besteht. Außerdem kann bei dieser Lösung auf die Wippe verzichtet werden, wenn man wie in Abb. 2.5 den Lastzylinder über dem Prüfaggregat anordnet und dafür sorgt, dass dieser zu keiner Seite wegknicken kann. Dadurch kann man wieder Masse und Raumbedarf einsparen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.5: Prüfling und Lastzylinder übereinander (Links)

Abb. 2.6: Gewichte mit Umlenkrollen (Mitte)

Abb. 2.7: Gleichstrommaschine mit Übersetzung (Rechts)

Die Nachteile ergeben sich durch die Anschaffungskosten, den zeitlichen Mehraufwand zur Konstruktion und bei Wippenanordnung der größere Platzbedarf und die hohe Wärmekapazität in der Klimakammer.

2.2.4 MECHANISCHE UND ELEKTRISCHE ALTERNATIVEN ODER ERGÄNZUNGEN

Als Alternativen zur hydraulischen Last habe ich mir verschiedene mechanische und elektrische Lasten ausgedacht, um das Prüf-Aggregat zu belasten.

Bei dem Prinzip aus Abb. 2.6 wird ein Gewicht bzw. zwei Gewichte, die der mechanischen Last entsprechen, durch Elektromagneten gehalten und bei Bedarf auf einen der Mitnehmer abgelegt. So lassen sich Zug und Druckkräfte erzeugen, die aber in ihrem Betrag nicht beeinflussbar sind. Ergänzend kann man sich einen Zylinder parallel dazu oder an einer Wippe denken, dessen Kammern durch einen Dämpfer verbunden sind. So entsteht eine Gegenkraft, die von der Geschwindigkeit abhängt. Auch diese Art der Belastung lässt sich nur schwerlich steuern. Dazu kommt noch, dass die Gewichte so schwer und damit so groß sein müssen, dass sie durch die Elektromagneten nicht mehr ohne weiteres gehalten werden können. Außerdem entsteht durch die großen Gewichte ein enormes Risiko für den Bediener der Anlage. Aus diesen Gründen habe ich den Gedanken nicht mehr weiter verfolgt.

Eine elektrische Alternative zeigt sich in Abb. 2.7. Der Zylinder des Prüflings wird exzentrisch an einer Riemenscheibe befestigt, über die mit einer großen Übersetzung eine Gleichstrommaschine angetrieben wird. Diese kann als Generator (dämpfende Last) sowie als Motor (aktive Last) betrieben werden. Anstelle der Riemenscheibe und des Keilriemens lassen sich auch andere Übertragungsarten denken, die eine rotatorische in eine translatorische Bewegung umwandeln. Mit dieser Methode lässt sich mit der nötigen Leistungselektronik die Kraft gut regeln und der Bauraum hält sich in Grenzen. Als Nachteil sehe ich den konstruktiven Aufwand und den Zeitverlust für die Bestellung der Komponenten.

2.3 FAVORISIERTES PRINZIP

Im favorisierten Prinzip prüfen sich zwei Schrankenaggregate gegenseitig, wie in

Kapitel 2.2.1 beschrieben. Die Gründe hierfür ergeben sich aus erheblicher Kostenund Platzersparnis, sowie aus der Verfügbarkeit der Komponenten.

2.3.1 MÖGLICHE AUSSCHLUSSKRITERIEN

Leider müssen für diese Art der Belastung viele Tests gemacht werden, um beurteilen zu können, ob dieses Prinzip keine Unverträglichkeiten für das als Last betriebene Hydraulikaggregat hervorruft. Dabei kommt es besonders auf zwei Effekte an, die vermieden werden müssen: die Kavitation und die Ölvergasung. Schäden durch Überdruck spielen in dem verwendeten Druckspektrum so gut wie keine Rolle.

„Unter Kavitation sind die durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten verursachten Unterdruckzonen zu verstehen, in denen der örtliche Druck den Dampfdruck erreicht. Dies führt zu Blasenbildung an bestimmten Stellen in der Anlage. Diese Blasen implodieren in der Zone höheren Drucks und können Materialschäden, sogenannte Kavitationsschäden, hervorrufen.“ [Internet 2.WWA]

Wenn in einer der beiden Kammern des Zylinders ein Unterdruck entsteht, indem der Kolben die Kammer vergrößert und das Öl nicht schnell genug nachfließen kann, kann es zum Herabsinken des Öldrucks auf den Dampfdruck kommen. Das bedeutet, dass der Arbeitsdruckbereich auf den Siedepunkt des Öls sinken kann, wodurch es zur Vergasung des Öls kommen kann.

2.3.2 STRATEGIE ZUR KLÄRUNG

Um herauszufinden, ob der Betrieb des Standard-Schrankenantriebes als LastAggregat Kavitationsschäden oder andere Unverträglichkeiten mit sich führt, muss ein Versuchsaufbau erstellt werden, an dem sich zwei Aggregate gegenseitig belasten können. Die Ansteuerung der Aggregate empfiehlt sich so oder ähnlich zu gestalten, wie sie im späteren Dauerteststand benötigt wird. Nachdem die Programme zur Ansteuerung der Aggregate zur Verfügung stehen, werden Kennlinien für die Belastung des Prüflings durch den Last-Zylinder in Abhängigkeit von der Schieberstellung und der Asynchronmotorfrequenz aufgenommen. Daraus müssen dann Stellbereiche, in denen es zu keiner schädlichen Auswirkung kommt, für das Last-Aggregat ermittelt werden. Wenn dies der Fall ist, kann das Prinzip weiter verfolgt werden. Andernfalls muss geprüft werden, ob sich schädliche Auswirkungen vermeiden lassen, indem ein Standardaggregat modifiziert und daraus ein reines Last-Aggregat erstellt wird (also das zweite beschriebene Prinzip).

Zu diesem Zweck wird die nachfolgend beschriebene Entwicklungsumgebung samt Versuchsaufbau benötigt.

3. ENTWICKLUNGSUMGEBUNG UND VERSUCHSAUFBAU

In diesem Kapitel wird die Entwicklungsumgebung beschrieben, mit der sowohl die ersten Tests mit den Schrankenantrieben durchgeführt und die Aufnahme der Kennlinien zweier Aggregate auf der Wippe aufgenommen wurden. Anschließend ist damit das Bedien- und Steuerprogramm getestet.

3.1 ÜBERBLICK

Der Versuchsaufbau (Abb. 3.1 + 3.2) besteht im Wesentlichen aus der Wippe mit je einem Aggregat auf jeder Seite, einem Steuer-PC, einem Diagnose-PC und einem PC mit der Software CAN-Help. Alle PCs sowie die beiden Schrankenaggregate sind über den CAN-Bus miteinander verbunden. Ein Drucksensor befindet sich am oberen Zylinderraum eines Aggregates, dessen Ausgangsspannung via ADC-Karte im Steuer-PC eingelesen wird. Eine Spannungsquelle versorgt die Hydraulikaggregate und eine weitere den CAN-Bus. Als Strom- und Spannungsversorgung steht eine Konstantspannungsquelle mit einem maximalen Strom von 30 Ampere bei 40 Volt zur Verfügung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.1: Foto vom Arbeitsplatz (Links)

Abb. 3.2: Schema vom Arbeitsplatz (Rechts)

Die folgenden Abschnitte gehen genauer auf die Einzelheiten ein.

3.2 DER SCHRANKENANTRIEB HSM 10 E

Der Schrankenantrieb mit der Bezeichnung HSM 10 E (Hydraulischer Schrankenantrieb mit modularer Baumlänge bis 10 Meter elektronisch gesteuert) ist als ein Hydraulikaggregat ausgeführt und besteht im Wesentlichen aus den Einzelbaugruppen Zylinder, Antriebseinheit (Ölpumpe mit Asynchronmotor), Steuerventil (Drehschieber mit Schrittmotor) und der Ansteuereinheit HSE BG. Diese vollkommen wartungsfreie und komplett austauschbare Baugruppe überträgt die Kräfte durch eine Zweipunktaufhängung mit zwei Gelenkköpfen und leicht lösbaren Bolzen.

Der Schrankenantrieb ist so ausgelegt, dass die Last, die bewegt werden soll, sehr stark variieren kann. Einerseits müssen kurze, leichte Schrankenbäume bewegt werden, andererseits aber auch schwere, 10 m lange Schranken. Bei letzteren sind Gegengewichte von bis zu 800 kg auf der anderen Seite der Baumwelle angebracht, um das Gewicht des Baumes auszugleichen. Durch diese Gegengewichte bleibt das Moment, mit dem die Schrankenbäume nach unten gezogen werden, in der Größenordnung des Momentes von kurzen leichten Bäumen. Die zu bewegende Masse variiert jedoch beachtlich .

3.2.1 DER ZYLINDER

An beiden Enden des Differenzialzylinders des HSM 10 E (Abb. 3.3) befinden sich Gelenkköpfe, durch die Fertigungstoleranzen ausgeglichen und Querkräfte verhindert werden. Um sie auf der Kolbenstange und dem Zylinderboden zu befestigen, besitzen sie ein klemmbares Gewinde. Der Zylinderkopf und -fuß mit dem Zylinderrohr dazwischen wird durch vier Zuganker verdrehsicher zusammengehalten. Der Zylinderkolben nimmt die Kolbenstange mit einer Gewindeverbindung auf, die durch Verkleben das Lösen verhindert. Unterhalb des Kolbens befindet sich eine raumsparende Kegelfeder im Öl, die sich beim Einfahren der Kolbenstange, also beim Öffnen des Schrankenbaumes, spannt. So wird im Störungsfall mit Hilfe der Schrankenkopflast dafür gesorgt, dass der Schrankenbaum sich aus dem Stillstand in der oberen Endlage in die untere Endlage bewegt. (Quelle: S&B2)

Anschlüsse an die hydraulischen Hutmanchette Entlüftungsschraube Stützring Kugelsitzventil Zylinderkopf Entlüftungsbaugruppe Absperrhahn Spule (Kunstoffrohr) Stab Kolbenstange Führungsband Tesko 200 Zylinderkolben Kegelfeder Ventil Kapilarröhrchen Zylinderrohr Zylinderfuß Zuganker Schwenk-Verschraubung Gelenkkopf Kupferrohrleitungen wurden mit Winkel-SchwenkVerschraubungen aus Messing im Schneidringverfahren realisiert. Messingstützhülsen in den Kupferrohren verhindern bei der Montage ein Zusammenquetschen und geben der Verbindung so eine definierte und drucksichere Festigkeit. Ein Absperrhahn bietet die Möglichkeit das System von Hand zu verriegeln, um die Schranke im Bedarfsfall in der oberen Endlage festzuhalten. Ein Verriegeln in der unteren Endlage ist nur mechanisch möglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.3: Aufbau des Zylinders (Quelle: S&B2)

Im Inneren des Zylinders befindet sich ein Wegmesssystem, dass induktiv die

Position der Kolbenstange misst und an die HSE BG überträgt. Die dafür benötigte Spule ist auf ein ölbeständiges Kunststoffrohr gewickelt, welches am Zylinderfuß eingeschraubt ist. Ein Kupferstab taucht beim Einfahren der Kolbenstange in die Spule ein und verändert somit ihre Induktivität. Eine Oszillatorbaustufe innerhalb der HSE BG kann nun zu jedem Zeitpunkt die genaue Position der Kolbenstange bestimmen und daraus die Winkelstellung des Schrankenbaumes berechnen.

Eine in den Zylinderkopf eingebrachte Entlüftungsbohrung sorgt beim Befüllen dafür, dass keine Luft im Zylinder verbleibt. Mit Hilfe der Entlüftungsbaugruppe wird dafür gesorgt, dass sich im Betrieb keine Luft unterhalb des Zylinderkolbens sammeln kann. Fährt die Kolbenstange aus, so entsteht im Inneren des Kunststoffrohres ein Unterdruck und das sich darin befindende Ventil bleibt geschlossen. Das in der Entlüftungsbaugruppe befindliche Kugelsitzventil öffnet sich und saugt so die Luft an, die sich am höchsten Punkt im System sammelt. Fährt die Kolbenstange nun ein, so bleibt das Kugelsitzventil der Entlüftungsbaugruppe geschlossen. Durch Eintauchen des Kupferröhrchens in das Kunststoffrohr der Wegaufnahmespule baut sich dort ein Überdruck auf. Der führt dazu, dass sich das im Inneren der Wegaufnahmespule befindliche Ventil öffnet und die verdichtete Luft durch ein Kapillarröhrchen direkt in den Drehschieber einspritzt.

3.2.2 DIE HYDRAULIKPUMPE MIT ASYNCHRONMOTOR

Die Antriebseinheit, wie in Abb. 3.4 zu sehen, besteht aus einem drehzahlgeregelten Asynchronmotor für 3 Phasen Kleinspannungen, der bei 27 Volt und 23,2 Ampere pro Phase bei 100 Hertz seine Nenndrehzahl von 2820 Umdrehungen pro Minute erreicht. Weiterhin ist eine Rotorpumpe mit sichelförmigen Rotorelementen eingesetzt, die außer ihrer kleinen Bauform noch eine hohe Laufruhe besitzt. Bei einer Drehzahl von 3300 U/min und einem Antriebsmoment von 3 Nm liegt die Ölförderleistung bei ca. 20 l/min. Im Laufe der Entwicklung hat sich gezeigt, dass das in alten Aggregaten zum Schutz der Ölpumpe eingebaute Überdruckventil nie ausgelöst wurde, da der Druck in der Pumpe (in der Praxis vorkommender Betriebsdruck von ca. 3 bis 10 bar) nie die gefährlichen 12 bar erreicht hat. Ein Grund dafür liegt darin, dass der Spalt zwischen Drehschieber und Drehschiebergehäuse als eine Art Überströmventil fungiert. Die Anbindung der hydraulischen Leitungen wurde mit Winkel-SchwenkVerschraubungen im Schneidringverfahren realisiert. Große Durchmesser der Kupferrohre halten die Rohrreibungsund Energieverluste im System klein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.4: Antriebseinheit (Quelle: S&B2)

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