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Die Erfindung ist zur Ermittlung optimaler Einsatzparameter von Gewinnungsmaschinen mit rotierenden Werkzeugen, wie Schaufelradbaggern, Schneidwalzen und Auslegerfräsen nutzbar, die zur Erz- und Kohlegewinnung zum Einsatz kommen und in unerwünschtem Maße während des Einsatzes zum Schwingen angefacht werden.
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Die Schwingungsanfachung bei diesen Maschinen, deren Einsatz z. B. in dem Buch [1] Stell, R. D.; Niemann-Delias, C, Drebenstadt, C.; Müllensiefen, K.: Der Braunkohlentagebau, Bedeutung, Planung, Betrieb, Technik, Umwelt. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg beschrieben wird, wird durch Einsatz einer Drehzahlstelleinrichtung realisiert, die für eine fortlaufende Änderung der Umfangsgeschwindigkeit an den einzelnen Werkzeugschneiden sorgt. Damit wird zu einem permanenten Unterdrücken der Schwingungen, die verschiedene Nachteile haben, beigetragen. Entgegengesetzt zu ihrer Drehrichtung gesehen haben die beiden Seitenwände der muldenförmigen Aufnahmewerkzeuge mit den betreffenden dazwischen angeordneten Werkzeugschneiden jeweils die Form eines U's.
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Die Analyse zum Stand der Technik zeigt im
VDI-Bericht 2155, S. 25–37 und im
VDI-Bericht 2191, S. 1–12, dass die Bewertung des Widerstandes, der beim Einsatz an diesen Werkzeugen wirkt, unzureichend untersucht ist. In der Landtechnik und Verarbeitungstechnik kommen mit dem DDR-Patent
DD 133997 und der
DE-Offenlegungsschrift 4223161.2 Versuchseinrichtungen zum Einsatz, die auf einen einfachen Schwinger rückführbar sind. An den Schwingern, die als Dreh- oder Translationsschwinger ausgebildet sind, werden einfache keilförmige Werkzeuge befestigt und die Schwingbewegung beim Einsatz untersucht. Durch zusätzliche Positionierung einstellbarer Feder- und Dämpfer-Elemente ist die Feder-Dämpfer-Kennlinie des Verarbeitungsgutes, das mit den Werkzeugen in Wechselwirkung steht, bestimmbar. In dem Buch [2]
Seidel, B.: Das Phänomen der selbsterregten Schwingungen in der Technik. Kovac-Verlag, Hamburg, 1996 werden die schwingungstheoretischen Grundlagen geschaffen. In diesem Buch sind auch Grundlagen zur Konstruktion solcher einfacher Schwinger enthalten. Weiterhin wird ein Bespiel der Versuchsdurchführung mit einem Versuchsstand zum Untersuchen starrer und durch Kurbelantrieb erzwungen schwingender Bodenlockerungswerkzeuge verdeutlicht. Das, mit einem Stiel verbundene, Schar hat eine Scharplatte, die über eine diese Platte umfassende Keilzwinge und Keilen mit einer horizontal positionierten Schwinge starr verkoppelt ist. Durch Lockern der Keilverbindung wird der Schwingwinkel am vorderen Scharpunkt eingestellt. Mit diesem Versuchsstand konnte ein breites Einsatzspektrum von Bodenlockerungswerkzeugen unter Laborbedingungen untersucht werden. Diese Erkenntnisse bildeten die Basis zum überschlagmäßigen Bewerten der Anfälligkeit anderer keilförmiger Werkzeuge zu selbsterregten Schwingungen. Hierbei wurde auch die Rolle von Staukörpern, die sich an der Werkzeugschneide ausbilden und durch den Boden gezogen werden, erkannt. Das Werkzeug kann dabei Systemeigenschaften eines spitzen oder eines stumpfen Keiles annehmen.
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Auf dem Gebiet der Gewinnungsmaschinen mit rotierenden Werkzeugen fehlen solche entsprechenden umfassenden Aussagen.
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Ziel der Erfindung ist es für die eingangs genannten Gewinnungsmaschinen konstruktive Grundlagen zur Optimierung ihrer Antriebs-, Übertragungs- und Stützelemente für die Arbeitsorgane zu schaffen, von denen das Hauptmaß der Schwingungserregung ausgeht. Das soll durch Bestimmung der schwingungsanfälligen und im minimalen Maße zur Schwingungsanfachung beitragenden Keil- und Schwingungsparameter der Werkzeuge als Funktion der Betriebsparameter, der Betriebsweise und den Stoffparametern geschehen. Damit ist zur Senkung der Investitionen, zur Erhöhung der Standzeit und zur Reduzierung der Gewinnungskosten beizutragen.
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Bei den oben genannten rotierenden Werkzeugen der Gewinnungsmaschinen sind mehrere Einzelwerkzeuge mit einer Antriebswelle verbunden und gleichmäßig am Umfang, der durch ihre Schneiden gebildet wird, verteilt. Die Untersuchungen in dem oben genannten Buch [2] zeigen, dass das Schwingungsverhalten all dieser Werkzeuge gemeinsam durch ein einzelnes Werkzeug näherungsweise simulativ im Experiment erfasst werden kann, das translatorisch bewegt wird, wobei die Spanbildung näherungsweise mit dem praktischen Einsatzfall übereinstimmt. Die Gesamtbelastung wird durch Überlagern der Erregung der einzelnen Werkzeuge bestimmt. Auch wird die Mitnahme der Schwingbewegung durch die Mitnahme der rotierenden Werkzeuge durch den vereinfacht dreieckförmig anzusetzenden Grabwiderstand, d. h. als Funktion der Drehzahl der rotierenden Werkzeugwelle, simuliert, so, wie es bereits mit der Regeleinrichtung geschieht. Das Wesentliche ist, dass mit der Versuchsdurchführung im Extremfall die Keilparameter ermittelt werden, bei denen die Eigenbewegung durch die Entdämpfung des Schwingsystems minimal ist.
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Entsprechend des 1. Patentanspruchs besteht das Verfahren darin, das ein einfacher Schwinger realisiert wird, an dem Werkzeuge mit den in Frage kommenden Keilparametern, die mit den rotierenden Arbeitsorganen übereinstimmen, befestigt werden. Der Schwinger stützt sich über eine Gerätefeder, die zur Änderung der Eigenfrequenz austauschbar ist, an einem ungewöhnlich steifen Messwagenrahmen ab. Zusätzlich wird zwischen dem Schwingerrahmen und dem steifen Messwagenrahmen ein einstellbarer Dämpfer zum Ermitteln der Dämpferkennlinie des mit dem Werkzeug in Wechselwirkung stehenden Verarbeitungsgutes positioniert. Auch wird am Schwingerrahmen ein Schwingungserreger befestigt, der eine Federkraft-, Stützen- oder Unwuchterregung mit den einstellbaren Parametern Erregeramplitude und Erregerfrequenz verursacht (siehe [3] Seidel, Bernd: Beitrag zur Entwicklung eines schwingenden Bodenlockerungswerkzeuges. TU Dresden, Dissertation A, 1980). Der Messwagen wird translatorisch bewegt. Über geeignete Schwingungsaufnehmer wird die Werkzeugbewegung erfasst und daraus im vereinfachten Fall eine mittlere Frequenz und Amplitude des Schwingwegs ermittelt. Auch sind das Signalspektrum und die Signalleistung bewertbar. Zum Realisieren sehr tiefer Frequenzen der entdämpften Eigenschwingungen sind am Schwingerrahmen zusätzliche Massen positionierbar. Alle im Zusammenhang mit dem Schwingerrahmen stehenden Bauteile gewährleisten eine einfrequente Schwingbewegung an den zu untersuchenden Werkzeugen. Diesen Untersuchungen geht eine messtechnische Ermittlung der Schwingrichtung der einzelnen, untersuchten Werkzeuge voraus.
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Die Eigenfrequenz des Werkzeuges stimmt etwa mit der Frequenz des rotierenden und unerwünscht schwingenden Werkzeugs überein (Anspruch 2). Diese Eigenfrequenz kann auch der Eingrifffrequenz der einzelnen, am rotierenden Werkzeugträger befestigten Arbeitsorgane entsprechen, sich dieser Frequenz annähern oder diesen Wert überschreiten. Bei der Drehzahl n des Werkzeugträgers und n* daran befestigten muldenförmigen Werkzeugen errechnet sich die Eingriffsfrequenz zu f* = n mal n*
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Aus der ermittelten Kennlinie des Einzelwerkzeuges wird durch Simulation auf die gesamte Dämpferkennlinie der rotierenden Werkzeuges geschlossen. Im Prinzip besteht hiermit auch die Möglichkeit, aus der Abweichung zwischen der Eigenfrequenz ohne Eingriff in das Verarbeitungsgut und mit Eingriff im statisch und harmonisch linearisierten Sinn die Federkennlinie des Verarbeitungsgutes zu bewerten (Anspruch 3).
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Realisierbar ist hierbei ein ebener Schwingungszustand, bei dem die Schwingungsebene des untersuchten Einzelwerkzeugs senkrecht auf der Arbeitsgutoberfläche in Richtung des Vektors der Translationsgeschwindigkeit des Messwagens orientiert ist, oder ein räumlicher Schwingungszustand (Anspruch 4).
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Das Verarbeitungsgut wird ebenfalls entsprechend so präpariert, dass ein ähnlicher Span wie der Originalspan an der originalen Gewinnungsmaschine abgetragen wird (Anspruch 5). Es ist jedoch auch ein Abtragen des Verarbeitungsgutes im ebenen Feld oder an einer Schräge, die das Befüllen der Werkzeugmulde unterstützt, möglich.
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Im Prinzip kann der Schwinger auch an einer Originalantriebswelle der betreffenden Gewinnungsmaschine mit rotierenden Werkzeugen befestigt werden, die den sehr steif ausgebildeten Messwagen realisiert (Anspruch 6).
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Es sind auch Ähnlichkeitsbetrachtungen realisierbar, aus denen die Konstruktionsparameter ableitbar sind. Die Versuche werden dann mit einem modellmäßig ähnlichen, jedoch masseärmeren Werkzeug im Vergleich zu den am rotierenden Werkzeugrahmen befestigten muldenförmigen Werkzeugen bei den gewünschten Parametern durchgeführt (Anspruch 7).
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Es werden die Keilparameter bestimmt, bei denen die Entdämpfung des Schwingsystems minimal ist (Anspruch 8). Es sind natürlich auch die den Verschleißzustand während des Einsatzes beschreibenden Parameter realisierbar. Dabei ist anfänglich ein Werkzeug mit Systemeigenschaften des spitzen Keiles realisierbar. Ein sehr intensiver Verschleißzustand der Werkzeugschneide wird mit großer Sicherheit durch Systemeigenschaften eines stumpfen Keiles beschrieben.
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Es werden die Bereiche der Schwingrichtung ermittelt, bei denen die Entdämpfung des Schwingsystemes minimal ist. Diese Richtung wird dann am Ort der Wechselwirkung zwischen den rotierenden Werkzeugen und dem Verarbeitungsgut realisiert (Anspruch 9). Bewertet wird die Schwingrichtung am Ort des Energieschwerpunktes des Spanes, bezogen auf die Werkzeugschneide.
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Die Vorrichtung ist durch den Einsatz einer separaten Werkzeugschneide gekennzeichnet. Diese Schneide stützt sich an ihren beiden Stirnseiten an dem Schneiden- oder Schwingerrahmen ab. Durch Gummizwischenlagen zwischen den beiden Werkzeugteilen, d. h. zwischen Werkzeugschneide und Schneidenrahmen einerseits und der U-förmigen Stirnseite des restlichen muldenförmigen Aufnahmewerkzeugs, wird der ungehinderte Weitertransport des Verbeitungsguts in dem restlichen, festpunktbildend wirkenden, muldenförmigen Werkzeug hinein realisiert (Anspruch 10).
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Die Erfindung soll näher erläutert werden.
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Die –15 im Buch [1] verdeutlicht die Parameter des vertikalen Spanes bei Schaufelradbaggern. Am Eingriff des in Betracht kommenden Werkzeuges ist die Spandicke t Null. Durch den U-förmigen Schneidenbereich der an einem rotierenden Werkzeugträger befestigten muldenförmigen Werkzeuge wird ein Span mit der Breite b aus dem Abbauraum bzw. Verarbeitungsgut herausgeschnitten. Die Schwingungsebene x-y des erfindungsgemäß einzusetzenden und zu untersuchenden Werkzeuges wird durch die Umfangsebene der rotierenden Werkzeuge gebildet, dessen, mit der Führungsgeschwindigkeit vf des zu definierenden Energieschwerpunktes I im Sinne des Buches [2] identische, Umfangsgeschwindigkeit vu ist. Dieser Geschwindigkeit im Punkt I wird der Vektor x eines Koordinatensystems x-y-z zur Bewertung der Schwingrichtung der Werkzeugschneide zugeordnet. Die Schwingrichtung ist durch den Winkel zwischen maximaler Schwinggeschwindigkeit der auf eine translatorische Bewegung reduzierten Schwingung und x-Achse festgelegt. Im Fall eines ebenen Schwingzustandes mit der Schwingebene x-y wird die Schwingrichtung im Punkt I durch den Winkel φ [2] gekennzeichnet. Als Bezugspunkt für die Kennzeichnung der Schwingrichtung des rotierenden Werkzeugträgers, bewertet an der Schneide eines speziellen Werkzeugs kann der Werkzeugeingriff-, -ausgriff- oder ein beliebig anderer Punkt im Bereich der Wechselwirkung festgelegt werden. Der Winkel φ kann bei den in Frage kommenden Eigenschwingformen im Bereich von 0 bis 180° liegen. Die Schneide des zu untersuchenden Werkzeuges soll durch den Schnittwinkel δ, den Spanwinkel γ und den Freiwinkel ω gebildet werden. Bei dem Schnittwinkel δ < 90° liegt ein Werkzeug mit Systemeigenschaften eines spitzen Keiles und bei δ > 90° ein solches Arbeitsorgan mit Systemeigenschaften eines stumpfen Keiles vor. Die Festlegung des Energieschwerpunktes bildet eine Grundlage für die Festlegung der Parameter. Durch die Realisierung des Versatzes der Spanbreite und die zu realisierende Spanbreite handelt es sich bei dem zu untersuchenden Werkzeug um einen räumlichen Keil, der zu räumlichen Schwingungen anfachbar ist. Vereinfachend wird jedoch ein Werkzeug mit der Schwingebene x-y unterstellt.
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Das Bild 15 in [2] verdeutlicht den sehr steif ausgebildeten Messwagen, an dem das Gelenk zur Aufnahme des Schwingerrahmens mit der Schwingebene x-y befestigt ist. Über einen Schwingungsaufnehmer wird die Eigenbewegung des Schwingerrahmens erfasst. An diesem sich über die Gerätefeder abstützenden Schwingerahmen stützt sich über eine Keilverbindung und einem Adapter, wie in [2], Bild 8, für ein durch einen Kurbelantrieb aktiv schwingendes Werkzeug gezeigt, das muldenförmige Werkzeug mit den betreffenden Winkeln, die in [2] im Bild 2b verdeutlicht sind, ab. Die Translationsgeschwindigkeit vt, die der Führungsgeschwindigkeit vf entspricht, soll über ein Raupenfahrzeug realisiert werden. Durch Lösen der Keilverbindung und Verschieben an dem horizontalen Teil des Schwingerrahmens soll die Schwingrichtung wahlweise verändert werden können. Bei Umkehr der Fahrtrichtung und Drehung des Werkzeuges um 180° ist ein betreffender Schwingwinkel φ > 90° einstellbar. In entsprechender Weise kann an dem Schwingerrahmen ein Schwingantrieb, so wie in [3] Seidel, Bernd: Beitrag zur Entwicklung eines schwingenden Bodenlockerungswerkzeuges. TU Dresden, Dissertation, 1980, Bild 2 schematisch verdeutlicht, positioniert werden. Der in [1], –15, ausgezogen gezeichnete Span kann, wie in [2], Bild 28c schematisch verdeutlicht, als Modellgut auf eine ebene Arbeitsgutoberfläche projiziert abgelegt und verdichtet bzw. freigelegt sowie anschließend mit dem Werkzeug abgetragen werden. Die Versuche können jedoch näherungsweise auch bei konstanter Spantiefe realisiert werden. Auch sind entsprechende Versuche an einer Schräge unter einem bestimmten Böschungswinkel realisierbar, weil hierbei eine bessere selbständige Befüllung des muldenförmigen Werkzeuges erfolgt.
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Ein konkreter Einsatzfall wird durch den Schaufelradbagger mit rotierendem, originalen Werkzeugrahmen und mehreren daran befestigten Werkzeugen entsprechend [1], –17, und [2], Bild 2b, repräsentiert. Ein Werkzeug wird in einem Schwingerrahmen und die Aufnahmemulde getrennt. Der Schwingerrahmen nimmt die Schneide zum Abtrennen des Spanes mit den Parametern b und t auf. Der Schwingwinkel an dem Werkzeugpunkt I ist φ. Zwischen dem Schwingerrahmen und der Aufnahmemulde werden Gummizwischenlagen montiert, die den ungehinderten Weitertransport der Kohle ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 133997 [0003]
- DD 4223161 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Stell, R. D.; Niemann-Delias, C, Drebenstadt, C.; Müllensiefen, K.: Der Braunkohlentagebau, Bedeutung, Planung, Betrieb, Technik, Umwelt. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg [0002]
- VDI-Bericht 2155, S. 25–37 [0003]
- VDI-Bericht 2191, S. 1–12 [0003]
- Seidel, B.: Das Phänomen der selbsterregten Schwingungen in der Technik. Kovac-Verlag, Hamburg, 1996 [0003]
- Seidel, Bernd: Beitrag zur Entwicklung eines schwingenden Bodenlockerungswerkzeuges. TU Dresden, Dissertation A, 1980 [0007]
- Seidel, Bernd: Beitrag zur Entwicklung eines schwingenden Bodenlockerungswerkzeuges. TU Dresden, Dissertation, 1980 [0019]