antriebstechnikk 3/2016

06 Normierter Drehmoment- und Drehzahlverlauf eines
exemplarischen Kautschukmischprozesses
sam gelöst werden. Es ist sicherzustellen, dass durch eine geeignete
Konstruktion die MMDS-Freiheitsgrade gewinnbringend genutzt
werden können und die Handhabung der Freiheitsgrade während
der Betriebsphase durch geeignete Werkzeuge unterstützt wird. Aufgabe
des Kunden ist es, die Arbeitsprozesse so detailliert wie möglich
zu kennen und hieraus Optimalitätskriterien abzuleiten, sodass mit
Hilfe der Werkzeuge Betriebsstrategien für das MMDS ermittelt
werden können. In den beiden nachfolgenden Beiträgen dieser
Reihe werden Ansätze aufgezeigt, mit denen eine geeignete Konstruktion
eines MMDS und die Betriebsstrategien zur gezielten Nutzung
der Freiheitsgrade realisiert werden können. Unabhängig von
diesen Methoden lassen sich allerdings allgemeine Anforderungen
an die Betriebsphase eines MMDS formulieren, die für alle MMDS
Gültigkeit besitzen und erfüllt sein müssen, wenn diese Antriebssysteme
eine Marktakzeptanz erreichen sollen.
n Anwendungskomfort
Antriebssysteme werden von ihren Anwendern als Werkzeuge zur
Leistungserstellung betrachtet und sollen möglichst einfach
anzuwenden sein. Konventionelle SMDS erfüllen durch eine
langjährige Entwicklung diesen Anspruch. Nach der Inbetriebnahme
– welche heute bereits teilautomatisiert ist – reicht die Sollwertvorgabe
oder das Einschalten des Antriebssystems aus, um dieses zu
nutzen. MMDS müssen mit diesem Stand der Technik konkurrieren
und mindestens denselben Anwendungskomfort bieten. Aufgrund
der gesteigerten Komplexität durch die zusätzlichen Freiheitsgrade
würden sie ohne Hilfsmittel während der Betriebsphase jedoch
einen Mehraufwand erzeugen, da der Anwender die Freiheitsgrade
permanent koordinieren müsste. Um diesen Mehraufwand zu
vermeiden, muss die Freiheitsgradnutzung während der Betriebsphase
soweit wie möglich automatisiert werden. Eine Erweiterung
dieser Anforderung kann sogar die autonome Nutzung der Freiheitsgrade
durch das Antriebssystem selbst sein.
n Einhaltung bekannter und üblicher Schnittstellen
MMDS müssen konventionelle SMDS in bestehenden Anwendungen
substituieren können oder zumindest bei der Konzeption neuer
Antriebssysteme als Alternative zu SMDS in Betracht gezogen
werden. Folglich müssen von SMDS bekannte und übliche Werte in
den geometrischen Schnittstellen, den Abmessungen und dem
Gewicht eingehalten werden.
Anwendungsbeispiel: Der Kautschukmischprozess
Die detaillierte Betrachtung der einzelnen Freiheitsgrade sowie die
Formulierung der Ansätze zur gezielten Nutzung dieser in den beiden
nachfolgenden Beiträgen wird anhand des durchgängigen Anwendungsbeispiels
des Kautschukmischprozesses in einem Kautschukinnenmischer
betrachtet.
Kautschukinnenmischer werden für die Produktion von Reifen
oder technischen Gummiwaren eingesetzt und besitzen je nach
Ausführung Antriebsleistungen im Bereich von einigen 100 kW bis
zu 7 MW. Das Antriebssystem treibt die in der Mischkammer befindlichen
und gegenläufig rotierenden Knetwellen an. Mit diesen
wird Rohkautschuk mit Synthesekautschuk und Additiven vermischt,
um eine Kautschukmischung mit homogenen Produkteigenschaften
und somit ein Halbzeug für die nachfolgenden Produktionsschritte
herzustellen [Hof01; Sch98]. Der Mischprozess
findet in unterschiedlichen Phasen statt, die beispielsweise durch
das Aufbrechen des Rohmaterials oder durch eine gezielte Temperaturführung
gekennzeichnet sind. Aufgrund der Prozessführung
und der chemischen Reaktionen innerhalb des Mischgutes zeigt
der Prozess sowohl eine variierende Drehzahl als auch ein stark
variierendes Drehmoment. Bild 06 zeigt anhand einer exemplarischen
Messreihe den normierten Drehmoment- und Drehzahlverlauf
eines typischen Mischprozesses.
Da der Mischprozess als Batchprozess (diskontinuierliche, sukzessive
Verarbeitung einzelner Materialchargen begrenzten Gewichts)
durchgeführt wird, werden innerhalb einer Massenproduktion mehrere
Mischungen gleicher Rezeptur hintereinander durchgeführt.
Hierdurch ist in nachgeschalteten Produktionsschritten ein kontinuierlicher
Materialfluss gewährleistet.
Dieses Anwendungsbeispiel ist aus mehreren Gründen geeignet,
um die gezielte Nutzung der MMDS-Freiheitsgrade während der
Betriebsphase zu erläutern. Auf der einen Seite handelt es sich um
einen leistungsvariablen Arbeitsprozess, bei dem sowohl Drehzahl
als auch Drehmoment während der Prozesszeit stark variieren
(Bild 06). Somit muss das MMDS während der Prozesszeit mehrfach
alle Freiheitsgrade nutzen, um die zur Verfügung gestellte Antriebsleistung
dem Arbeitsprozess nachzuführen. Auf der anderen
Seite führt das diskontinuierliche Batchverarbeitungsverfahren in
Kombination mit den chemischen Reaktionen während des Mischvorgangs
zu ähnlich reproduzierbaren, nicht aber zu identisch
reproduzierbaren Drehmoment- und Drehzahlverläufen. Ähnlich
reproduzierbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der prinzipielle
Verlauf von Drehzahl- und Drehmoment zwischen unterschiedlichen
Mischungen gleicher Rezeptur erhalten bleibt. Jedoch
variieren die Zeitpunkte, zu denen Drehmomentmaxima und
Drehmomentminima auftreten oder der Übergang von einer in die
nächste Prozessphase stattfindet. Aus diesem Grund liegt ein nicht
deterministischer Arbeitsprozess vor, für den die Freiheitsgradnutzung
nicht an einem deterministischen Zeitraster festgelegt
werden kann. Dieses Anwendungsbeispiel repräsentiert folglich
einen sehr allgemeinen und komplexen Anwendungsfall. Verfahren
und Ansätze, die für dieses Anwendungsbeispiel die Einhaltung
der zuvor definierten allgemeinen Anforderungen an ein MMDS
ermöglichen, lassen sich daher auf eine Vielzahl anderer Arbeitsprozesse
übertragen.
Ausblick auf nachfolgende Beiträge
Damit die Freiheitsgrade während der Betriebsphase gewinnbringend
genutzt und die allgemeinen Anforderungen an MMDS eingehalten
werden können, müssen einerseits durch eine geeignet
ausgelegte Konstruktion des mechanischen Aufbaus ein hoher
Getriebewirkungsgrad und die Möglichkeit der mechanischen
Rekonfigurierbarkeit sichergestellt werden. Andererseits muss mittels
einer intelligenten Betriebsstrategie gewährleistet werden, dass
die Freiheitsgrade derart koordiniert und genutzt werden, dass ein
unsicherer oder unerwünschter Betriebszustand vermieden und
ein Optimum bezüglich der Anwenderdefinition erreicht wird.
In dem zweiten Beitrag dieser Reihe wird die Optimierung der
Baustruktur von MMDS-Sammelgetrieben vorgestellt. Anhand
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