Ultraleichtbau am Betonverteilermast · PDF fileAlews, D.; Benckert, H.; Gelies, S.: Ultraleichtbau am Betonverteilermast WISSENSPORTAL 1(2003) Ultraleichtbau am Betonverteilermast

Alews, D.; Benckert, H.; Gelies, S.: Ultraleichtbau am Betonverteilermast WISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2003)

Ultraleichtbau am Betonverteilermast Ergebnisse gemeinsamer Entwicklung von Forschung und Industrie

Dip.-Ing. Dieter Alwes, Dr.-Ing. Hartmut Benckert, Dr.-Ing. Stephan Gelies Putzmeister AG, Aichtal

www.putzmeister.de pmw pmw

Die wesentliche Produktlinie der Firma Putzmeister ist die Herstellung von Ausrüstungen für den Transport und Einbau von Beton und Mörtel. Für die Putzmeister-Betonverteilermasten wurde heute ein Leichtbaustandard erreicht, der die Besetzung des Begriffes Ultraleichtbau rechtfertigt. Vergleicht man die Gesamtmasse des letzten Armes einer Autobetonpumpe mit Förderleitung, Endschlauch und dem Beton in Förderleitung und Endschlauch mit der Eigen-masse des Stahlbauteiles Arm allein, dann erreicht das Stahlbauteil einen Anteil von unter 20% an der Gesamtmasse (Bild 1). Der Grundstein dafür wurden in gemeinsamen Forschungsarbei-ten mit dem Lehrstuhl von Herrn Prof. Poppy, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg - IFSL, gelegt.

Bild 1: Ultraleichtbau am Betonverteilermast, Masseverteilung am Arm 4 des M36

1 Anforderungen an Betonverteilermaste

Autobetonpumpen (Bild 2) mit einer maximalen Reichhöhe bis 62m und 5 Armen sowie teleskopierba-re Gurtbandförderer mit 5 Armen und der Produktbezeichnung TELEBELT sind für die Firma Putz-meister wichtige Produkte. Diese speziellen Typen von Baumaschinen müssen eine Reihe sich wider-sprechender Anforderungen erfüllen:

�� Maximale Reichhöhe und Reichweite �� Minimales Eigengewicht �� Niedriges Lastmoment �� Hohe Flexibilität beim Fahren des Verteilermastes �� Kurze Aus- und Einfaltzeiten �� Einhaltung der Bedingungen der Sraßenverkehrsordnung

Fahrzeughöhe Fahrzeugbreite Achslast Gesamtgewicht


�� Geringe Herstellungskosten

Bild 2: M52 im Baustelleneinsatz

Die Erfüllung dieser Forderungen setzt eine Leichtbaukonstruktion zwingend voraus. Für Putzmeister führen 3 Wege zum Ziel des ultraleichten Verteilermastes:

�� Leichtbaukonstruktion �� Einsatz von Leichtbauwerkstoffen �� Leichtbaufertigung.

Diese Wege sollen im folgenden vorgestellt werden.

2 Leichtbaukonstruktion

2.1 Kinematische Analyse

Der Betonpumpenfahrer muß in der Lage sein, jeden Punkt des kinematisch möglichen Arbeitsberei-ches mit dem Endschlauch zu erreichen. Das heißt, dass die Zylinderkräfte ausreichen müssen, um das Armpaket unter Last zu fahren. Andererseits ist es erforderlich, das Armpaket unter einer begren-zen Raumhöhe aus- und einzufalten. Diese Entwicklungsziele müssen am Anfang des konstruktiven Entwicklungsprozesses definiert, konstruktiv untersucht und optimiert werden. Eine große Hilfe ist hier die von Putzmeister verwendete Simulationssoftware VMSIM, deren Entwicklung mit dem AiF/FVB-Projekten "Lastkollektive an Baumaschinen "und "Strukturdynamik" von Baumaschinen be-gann.

Diese Arbeiten wurden 1989 am Lehrstuhl von Prof. Poppy in Berlin begonnen, von den im for-schungsbegleitenden Arbeitskreis vertretenen Firmen der Forschungsgemeinschaft "Bau- und Bau-stoffmaschinen" fachlich begleitet und finanziell gefördert und 1996 von Magdeburg aus zu einem erfolgreichen Abschluß geführt (Bilder 3, 4). Die Software wurde auch in den folgenden Jahren vom damaligen Bearbeiter, Herrn Dr. Günter, ständig vervollkommnet und weiterentwickelt. Sie erlaubt heute die Abbildung von Verteilermasten mit verschiedensten kinematischen Ketten, wie Wattscher und Stephensonscher Kette, aber auch von Teleskopsystemen wie dem TELEBELT (Bild 5) und Hyd-raulikbaggerauslegern.


Bild 3: AiF/FVB-Verbundforschung Auslegung hochfester Stahlbauteile

Bild 4: AiF/FVB-Verbundforschung Ergebnispräsentation

Bild 5: Leichtbaukonstruktion, Kombination von Roll- und Z-Faltung


Schritte der kinematischen Analyse sind:

�� Modellierung der Faltungsart �� Festlegung der Armzahl und Armlängen �� Auswahl und Optimierung der Gelenkgetriebe

(Festlegung der Lage der Gelenkpunkte zur Erreichung eines linearen Kraftverlaufes über dem gesamten Schwenkbereich) (Bilder 6, 7)

�� Untersuchung der Ablageposition des gefalteten Armpaketes auf dem Fahrzeug �� Kollisionsanalyse der Arme beim Aus- und Einfalten des Armpaketes.

Bild 6: Leichtbaukonstruktion, Schritte der kinematischen Analyse

Bild 7: Leichtbaukonstruktion, Kinematikanalyse-Zylinderkraftoptimierung

2.2 CAD-Konstruktion und Vorauslegung der Armquerschnitte

Um Armpakete und Unterbauten in immer kürzeren Enwicklungszeiten konstruieren und optimieren zu können, ist eine parallele Konstruktion und Berechnung aller Komponenten der Armpakete und Unter-bauten erforderlich.

Auf der Grundlage der Ausarbeitung des konstruktiven Entwurfes als 3D-CAD-Modell sind Masse und Schwerpunktslage jedes Bauteiles von Anfang an bekannt. Putzmeister verwendet ebenso wie die Firma Liebherr das CAD-Programm SolidDesigner, welches von der Firma GoCreate angeboten wird


(Bild 8). Durch die Verknüpfung der Gewichtsdaten des Bauteilentwurfs des Verteilermastes mit Da-tenbankwerten, wie Gewichten der Förderleitungskomponenten, Windlasten usw. im Programm VMSIM kann umgehend die Auslastung der Bauteilquerschnitte aus der Simulation der Mastbewe-gungen eines typischen Baustelleneinsatzes ermittelt werden (Bild 9).

Bild 8: Leichtbaukonstruktion, 3D-CAD-Konstruktion

Bild 9: Leichtbaukonstruktion, Vorauslegung mit VMSIM

Die Kombination von 3D-Konstruktion und -Optimierung bringt folgende Vorteile für die Leichtbaukon-struktion:

�� Jede mögliche Schwachstelle kann sofort erkannt und beseitigt werden. �� Jede mögliche Überdimensionierung wird sichtbar. �� Die übergeordnete Zielstellung der Einhaltung eines vorgegebenen Gesamtgewichtes und des

Lastmomentes kann jederzeit im konstruktiven Entwicklungsablauf kontrolliert werden.


�� Bei sofortiger Einarbeitung aller Änderungen in das 3D-Modell wird der spätere Änderungs-aufwand wesentlich reduziert.

�� Bestimmung der Lasten für die FE-Analyse.

Iterativ erfolgt die Anpassung der Konstruktion an die Berechnungsergebnisse. Dabei sich ergebende Gewichtsänderungen werden im nächsten Berechnungslauf sofort berücksichtigt. Diese parallele fes-tigkeitsmäßige Optimierung der Arme schließt auch die Berechnung der Gelenkbolzen, Hydraulikzyl-inder und der Getriebeelemente der Gelenkgetriebe mit ein. Die Einstellwerte der Druckbegrenzungs-ventile werden mit dem gleichen Simulationsmodell bestimmt.

2.3 Strukturspannungs- und Verformungsanalyse

Mit dem Nennspannungskonzept können Kastenträger, aus denen die Arme von Betonverteilermasten bestehen, in weiten Bereichen beanspruchungsgerecht und gewichtsoptimiert ausgelegt werden. Die Grenzen des Konzeptes werden erreicht, wenn der Kastenträger durch Armkröpfungen, Lasteinlei-tungspunkte im Gelenkbereich oder Blechdickensprünge gestört ist. Deshalb muß die FE-Bauteilanalyse direkt in den Konstruktionsprozeß eingebunden sein, um von der Mastspitze begin-nend Arm für Arm beanspruchungsgerecht zu optimieren. FE-Berechnungsleistungen werden von Putzmeister komplett als Berechnungsdienstleistungen zugekauft. Die Geometriedaten von CAD-Modellen werden dazu über Datenfernübertragung inzwischen weltweit ausgetauscht. Um die Zeiten für die Ertstellung des FE-Modelles entscheidend zu reduzieren, wurde von Putzmeister die Entwick-lung eines Expertensystems zur Schaffung einer Softwareschnittstelle zwischen dem CAD-Programm SolidDesigner und dem FE-Programm COSAR, welches von der Magdeburger Firma FEMCOS stän-dig weiterentwickelt und vervollkommnet wird, wesentlich gefördert. Damit ist es nach unserer Kennt-nis weltweit erstmals möglich, für Dünnblechkonstruktionen, die vorteilhaft mit Schalenelementen mo-delliert und berechnet werden, eine direkte Datenübertragung CAD-FEM zu realisieren (Bilder 10, 11, 12).

Bild 10: Leichtbaukonstruktion, 3D-CAD SolidDesigner Modell


Bild 11: Leichtbaukonstruktion, Mittelflächenmodell

Bild 12: Leichtbaukonstruktion, Finite-Elemente-Netz

Die Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit der FE-Analyse gestattet es nunmehr, diese direkt in den konstruktiven Entwicklungs- und Optimierungsprozeß einzubinden. Somit ist es möglich, die Bau-teilauslastung auch in den Gelenkbereichen zu optimieren und Verformungen, wie sie zum Beispiel beim Drehen des Armpaketes auf dem Unterbau auftreten und zum Abheben von Stützbeinen führen, auf ihre Zulässigkeit zu prüfen. Im Bedarfsfall kann die Schleife FE-Rechnung, Änderung der Kon-struktion, FE-Rechnung mehrfach durchlaufen werden, bis die Bauteilfestigkeit gewähreistet ist.

3 Leichtbauwerkstoffe

3.1 Hochfester Feinkornbaustahl

Hochfester Feinkornbaustahl ist für Putzmeister der wichtigste Leichtbauwerkstoff. Putzmeister ver-wendet diesen Stahl für Armpakete und Unterbauten mit Streckgrenzen bis 960 N/mm2. Dieser High-Tech-Werkstoff hat besondere Vorteile unter den Gesichtspunkten Leichtbau, Lebensdauer und Kos-teneffizienz.


Das Problem hierbei ist, dass Autobetonpumpen Maschinen mit hohen, wechselnden Beanspruchun-gen sind. Datür reicht eine statische Auslegung allein nicht aus. Geschweißte Feinkornbaustähle sind durch Ermüdungsschäden gefährdet. Aus Gründen der Produkthaftung müssen diese jedoch un-bedingt vermieden werden. Deshalb müssen Autobetonpumpen mit Bauteilen aus Feinkornbaustahl für eine definierte Betriebsdauer unter der Wirkung einer bekannten Betriebsbelastung, beschrieben durch ein Lastkollektiv, ausgelegt werden.

Da es nicht möglich ist, für jedes Bauteildetail experimentell eine Wöhlerlinie oder BetriebsdauerIinie zu ermitteln, erden diese Details Gruppen von Kerben zugeordnet. Dabei werden 4 Kerbfallgruppen unterschieden. In der Kerbfallgruppe K1 sind zum Beispiel beschliffene Stumpfnähte enthalten, in der Kerbfallgruppe K4 Kehlnähte. Die zulässige Spannung des Bauteildetails ist abhängig vom Lastkollek-tiv und vom Wechselverhältnis der Belastungsamplituden, ausgedrückt durch den Faktor K. Am Vertei-lermast M52 traten zum Beispiel wechselnde Zylinderlasten von +/- 1000 kN mit Auswirkung auf die Armpaketkomponenten auf. Für das spezielle Beispiel eines Lastkollektives ist die zulässige Bean-spruchung im Bild dargestellt (Bild 13). Sie zeigt, dass die zulässige Beanspruchung in Abhängigkeit vom Kerbfall um den Faktor 2 differieren kann.

Bild 13: Leichtbauwerkstoff – Feinkornbaustahl S690, zulässige Spannungen für Kerbfälle

Hochfester Feinkornbaustahl kann daher seine Leichtbaupotentiale nur dann zur Geltung bringen, wenn kerbfallgünstig konstruiert wird. Ziel der Konstruktion muß es daher sein, Betonverteilermaste in Richtung des Kerbfalles K1 zu konstruieren. Ein Schritt auf diesem Weg ist die Erreichung eines kon-stanten Kraftflusses, der sich durch die Vermeidung von Steifigkeitssprüngen realisieren läßt. Auch hierzu ist die direkte Integration der FE-Rechnung in den Konstruktionsprozeß unverzichtbare Hilfe.

3.2 Aluminium

Aluminiumteile sind für Putzmeister wichtige Leichtbaukomponenten. Sie haben jedoch Probleme Bauteile aus hochfesten Feinkornbaustählen in Betonpumpen zu verdrängen. Gründe dafür sind zum Beispiel die geringeren zulässigen Beanspruchungen in Schweißverbindungen, Probleme mit der Schweißbarkeit überhaupt und die höheren Kosten.


Anwendungsfelder für Alumium sind die teleskopierbaren Gurtbandförderer vom Typ TELEBELT (Bild 14). Hier sind die ersten 3 Sektionen komplett aus Aluminiumstrangpressprofilen hergestellt, die durch verschraubte Aluminiumplatten verbunden werden.

Bild 14: Leichtbauwerkstoff – Aluminium, Aluminiummast des TELEBELT TB105

Weitere Anwendungsfelder für Aluminium sind Aufbauten auf den Unterbauten aus kontinuierlich gepreßten Strangprofilen, Kinematikbauteile in den Gelenkgetrieben, Zylinder- oder Förderleitungs-elemente wie Aluminiumkupplungen (Bild 15). Zur Einhaltung zulässiger Achslasten kommen auch Aluminiumfelgen zum Einsatz.

Bild 15: Leichtbauwerkstoff – Aluminium, Aluminiumförderleitungskupplung

3.3 Kunststoffe

Neben der Verwendung metallischer Bauteile mit niedrigerem spezifischem Gewicht ist der Austausch von Metallen durch Kunststoffe der neueste Weg zur Verwendung von Leichtbauwerkstoffen in Putz-meister Autobetonpumpen. Ein Beispiel für diese Bauteile sind CFK-Ultraleichtbauzylinder, die für Innendrücke von über 450 bar ausgelegt sind (Bild 16). Der metallische Liner zur Führung des Kol-bens hat nur eine Wanddicke von 1mm. Der Radialdruck wird von einem Kohlenfaserliner aufgenom-men, der über den metallischen Liner gezogen wird. Die Axialbeanspruchung wird durch Zuganker aufgenommen. In der Regel sind Ultraleichtbauzylinder einschließlich des unveränderbaren Ölge-


wichtes um 20 bis 30% leichter als Stahlzylinder. Wegen des großen Einflusses auf das Lastmoment werden CFK-Zylinder vor allem für die Zylinder an der Mastspitze verwendet. Mehr als 3 Jahre harter Baustelleneinsatz bestätigen inzwischen die Ergebnisse der Prüfstandsversuche.

Bild 16: Leichtbauwerkstoff – Kunststoff Ultraleichtbauzylinder mit CFK-Zylinderrohr

Andere Teile aus Kunststoffen sind zum Beispiel der Wassertank und die Abstützplatten (Bild 17). Der Kunststoffwassertank mit einem Volumen von mehr als 500l verbindet Leichtbau mit absoluter Korrisi-onsbeständigkeit. Die Kunststoffabstützplatten halten problemlos einer Stützkraft von 500kN stand. Die Gewichtsreduzierung Stahl zu Kunststoff steht hier in einem Verhältnis 1:8.

Bild 17: Leichtbauwerkstoff – Kunststoff Stützfußplatte

4 Leichtbaufertigung

Leichtbaufertigung ist nur durch hohe Produktqualität erreichbar. Dies betrifft insbesondere die Bau-teile aus hochfesten Feinkornbaustählen. Obwohl Putzmeister im großen Umfang Bauteile und Baugruppen zukauft, werden die strategischen Komponenten Armpaket und Unterbau in eigener Fer-tigung hergestellt.


Das Schneiden der metallischen Brennschnittteile erfolgt auf Laser- und Plasmaschneidmaschinen. Dabei werden die Schweißnahtvorbereitungen möglichst während des Schneidprozesses angear-beitet. Konsequente Wareneingangsprüfungen durch auditierte Labors klären ab, ob die verlangten Materialeigenschaften, wie Zugfestigkeit, Streckgrenze oder Bruchdehnung eingehalten werden. Vor der Schweißung werden die Bleche vorgewärmt. Durch spezielle Schweißvorrichtungen erfolgt die Drehung der großen Teile bis 15m Länge in die optimale Schweißposition. Zur Fehlervermeidung werden die Arme dann mit Schweißrobotern gefertigt (Bild 18). Jede Stumpfnaht wird beschliffen und zu 100% geprüft. Zerstörungsfreie Werkstoffprüfverfahren, wie die Ultraschallprüfung werden zum Auffinden von Fehlstellen eingesetzt. Mechanische Bearbeitungszentnen gestatten auch die Bearbei-tung der längsten Arme ohne Umspannung (Bild 19). Der gesamte Fertigungsablauf wird dokumen-tiert, so dass z.B. auch nach Jahren noch die Fertigungshistorie eines bestimmten Bauteils nachvoll-zogen werden kann.

Bild 18: Leichtbaufertigung, Schweißroboter

Bild 19: Leichtbaufertigung, Mechanisches Bearbei-tungszentrum


5 Ausblick

Um weitere Fortschritte auf dem Gebiet des Leichtbaus zu erzielen, müssen völlig neue Wege beschritten werden. Dazu reichen die Potentiale einzelner Firmen für Forschung und Entwicklung, auch die der Firma Putzmeister, allein nicht aus. Daher hat sich eine große Anzahl deutscher Bau-maschinenhersteller in der Forschungsgemeinschaft Bau- und Baustoffmaschinen zusammen geschlossen, um im Rahmen der Gemeinschaftsforschung mit Universitäten und Hochschulen wichtige Forschungsthemen zu bearbeiten und diese auch materiell zu fördern. Hier ordnet sich die Bearbeitung des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Themas "Ultraleicht-bau an mobilen Arbeitsmaschinen" ein, an dem der Lehrstuhl für Baumaschinentechnik von Herrn Prof. Poppy, Technische Universität „Otto von Guericke" Magdeburg, und die Firma Putzmeister mit anderen Partnern seit April 2002 gemeinsam arbeiten (Bild 20).

Bild 20: BMBF-Verbundprojekt „Ultraleichtbau an mobilen Arbeitsmaschinen

Dieses Projekt wird von einem forschungsbegleitenden Arbeitskreis begleitet, der wesentlich von Un-ternehmen der Forschungsgemeinschaft "Bau- und Baustoffmaschinen" mitgetragen wird. Die Mitglie-der der Forschungsgemeinschaft gehen davon aus, dass durch den Beitrag von Herrn Prof. Poppy und seinen Mitarbeitern auch dieses Projekt zu einem Erfolg wird und damit die erfolgreiche Zusam-menarbeit in der Vergangenheit zwischen Forschung und Industrie auch in Zukunft fortgesetzt wird.

Quellen

Vortrag aus Anlass des Ehrenkolloquiums für Prof. Poppy an der Otto-von-Guericke-Universität Mag-deburg, IFSL am 11.10.2002

Bilder: Putzmeister AG


Autor

Dipl.-Ing. Dieter Alwes Technischer Leiter Betonverteilermaste Dr.-Ing.Hartmut Benckert Vorstand Technik Dr.-Ing. Stephan Gelies Statik Autobetonpumpen und Robotik

Putzmeister AG (Post) Postfach 2152, 72629 Aichtal (Besucher) Max-Eyth-Str. 10, D - 72631 Aichtal

Tel.: +49 (0) 7127/599-0 Fax: +49 (0) 7127/599-520

e-mail: pmw pmw Internet: www.putzmeister.de

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