Entwicklung und Konstruktion eines … · Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands...

Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage

Technikerabschlussarbeit Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands

in der zentralen Hydraulikvormontage

Projekt im Rahmen der Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker an den

Schulen Dr. W. Blindow GmbH

in Zusammenarbeit mit der

Firma Lemken GmbH & Co.KG

Eingerichtet von: David Bross, Felix Kasten

Florian Spreen, Benedikt Vieth

Betreuer der Schule: Dipl.-Ing. Puyan Kachani

Betreuer der Firma: Dirk Köhnen (Gruppenleiter Elektro/Hydraulik)

Dipl.-Ing. Andreas Gestal (Produktionsleiter)

Bearbeitungszeit: vom 01.10.2012

bis 23.08.2013

Abgabedatum: 26.08.2013


2

Teamvorstellung

David Bross Felix Kasten

26.06.1978 30.11.1986

Florian Spreen Benedikt Vieth

22.05.1987 17.09.1987


3

Teamvorstellung ......................................................................................................................... 2

Einleitung ................................................................................................................................... 6

Aufgabenbeschreibung ............................................................................................................... 7

Firmenvorstellung ...................................................................................................................... 8

1 Analyse ............................................................................................................................... 9

1.1 IST-Zustand ................................................................................................................. 9

1.2 Soll-Zustand................................................................................................................. 9

1.3 Eingrenzung des Themas ........................................................................................... 10

4 Begriffsbestimmung Maschine ......................................................................................... 11

4.1 Auszug aus Artikel 2 ................................................................................................. 11

4.1 Auszug aus Artikel 2 ................................................................................................. 12

5 Zeitplanung ....................................................................................................................... 13

6 zu prüfende Bauteile ......................................................................................................... 14

7 Konstruktion des Prüfstandes / Arbeitsplatz ..................................................................... 15

7.1 Schwenkarm .............................................................................................................. 18

7.2 Rittal Kompakt Schaltschrank AE für Elektronik ..................................................... 21

7.3 Rittal Kompaktschaltschrank für Hydraulik .............................................................. 22

7.4 Auswahl der Baumaterialien für den Arbeitsplatz .................................................... 22

8 Konstruktion der Presse .................................................................................................... 26

8.1 Vorüberlegungen für die Hydraulikpresse ................................................................ 26

8.2 Neukonstruktion der Hydraulikpresse ....................................................................... 28


4

8.3 Auswahl des Pressenzylinders ................................................................................... 30

8.4 Verbindungsbolzen .................................................................................................... 31

8.4.1 Berechnung des Bolzen .......................................................................................... 31

8.4.2 Berechnung der Vorhanden Fläche ........................................................................ 32

8.4.3 Berechnung der Zulässigen Kraft .......................................................................... 32

8.4.4 Berechnung der Erforderlichen Fläche .................................................................. 32

8.4.5 Erforderlicher Bolzendurchmesser ........................................................................ 33

9 Lochleibungskräfte an Verbindungsgabel ........................................................................ 34

9.1 Berechnung der Lochleibungspressung ..................................................................... 35

10 Schweißnaht an der Führungsschiene ........................................................................... 36

10.1 Berechnung der Schweißnaht an Führungsschiene ................................................... 37

10.1.1 Dickenbeiwert ....................................................................................................... 38

10.1.2 Zul. Schubspannung .............................................................................................. 38

10.1.3 Schubspannung ..................................................................................................... 39

10.1.4 Biegespannung ...................................................................................................... 39

10.1.5 Vergleichsspannung .............................................................................................. 39

11 Bolzen am Führungsschlitten ........................................................................................ 40

11.1 Berechnung ................................................................................................................ 40

11.2 Abscherrbeanspruchung ............................................................................................ 41

12 Schwerpunktermittlung des T-Trägers .......................................................................... 42

13 Hydraulik ....................................................................................................................... 43

13.1 Erstellung Hydraulikschaltplan ................................................................................. 44


5

13.2 Hydraulikaggregat ..................................................................................................... 46

13.3 Vormontageplatz ....................................................................................................... 47

13.4 Wege- und Proportionalventile .................................................................................. 47

13.5 Druck- und Volumenstrommessumformer ................................................................ 49

14 Elektrik .......................................................................................................................... 50

14.1 Versorgung ................................................................................................................ 50

14.2 Lastkreis..................................................................................................................... 51

14.3 Signalkreis ................................................................................................................. 51

15 Automatisierung ............................................................................................................ 53

15.1 SPS und Baugruppen ................................................................................................. 53

15.2 Bedienoberfläche ....................................................................................................... 54

16 Aufgetretene Probleme und Problemlösung ................................................................. 55

17 Zusammenfassung ......................................................................................................... 56

18 Danksagung ................................................................................................................... 57

19 Eigenständigkeitserklärung ........................................................................................... 58

20 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. 59

21 Tabellenverzeichnis ....................................................................................................... 64

22 Formelverzeichnis ......................................................................................................... 65

23 Quellenverzeichnis ........................................................................................................ 66

24 Anhang .......................................................................................................................... 67


6

Einleitung

Am Ende der zweijährigen Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker ist eine

Technikerarbeit als Teil der Abschlussprüfung vorgesehen. Sie ist in einer Gruppenarbeit aus

mindestens zwei bis maximal vier Personen zu erarbeiten. Das Ziel sollte es sein,

Entwicklungen und Lösungsstrategien selbstständig zu erarbeiten, sowie auch die

Teamfähigkeit zu steigern.

Im Anschluss der Dokumentation ist eine Präsentation der erbrachten Leistung vorzutragen.

Nachdem sich das Team, bestehend aus David Bross, Felix Kasten, Florian Spreen und

Benedikt Vieth, gefunden hat, befasste sich das Team mit den Recherchen und der

Umsetzung des Projektes.

Für die Themenfindung, war es wichtig, eine Firma zu suchen, die uns eine Anspruchsvolle

und geeignete Arbeit anbietet. Bei der Firma Lemken GmbH &Co.KG in Alpen / NRW

fanden wir die richtige Aufgabe. Die Aufgabe umfasste alle Bereiche des Mechatronikers.

Das Projekt hatte für die Firma Lemken & Co.KG auch einen hohen Praktischen Stellenwert.

Nach Absprache mit unseren betreuenden Lehrkraft Dipl.-Ing Puyan Kachani, konnte das

Team der Firma Lemken & Co.KG eine Zusage machen.


7

Aufgabenbeschreibung

Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen

Hydraulikvormontage

Die Teamaufgabe bestand darin, einen komplett neuen Hydraulikprüfstand in der zentralen

Hydraulikvormontage zu entwickeln.

Die Aufnahme eines Anforderungsprofils für den Prüfstand, sowie die Erstellung aller

Schaltpläne und die Auflistung aller benötigten Teile für den Prüfstand mussten vom Team

erarbeitet werden.

Die Entscheidung in Hinsicht auf die Gestaltung des Prüfstandes wurde dem Team von der

Firma Lemken frei überlassen. Es wurden Vorgaben in Hinsicht von Zukaufteilen gemacht:

- Die SPS-Baugruppen sollten von der Firma Siemens sein.

- Die Hydraulikkomponenten von Firma Hydac oder von Firma Bucher

Die fertige Entwicklung und Konstruktion sollte dann im Hauptwerk der Firma

Lemken&Co.KG in Alpen präsentiert werden.

Eine Produktion des Prüfstandes seitens des Unternehmens ist geplant.


8

Firmenvorstellung

Abbildung 1 Hauptwerk der Firma Lemken in Alpen NRW

Der Spezialist für den professionellen Pflanzenbau.

Die Firma LEMKEN wurde im Jahr 1780 als Schmiede von Wilhelmus Lemken gegründet.

Das Unternehmen ist bis heute im Familienbesitz und pflegt die Tradition seiner Erzeugnisse,

die seit langem nach Edelsteinen benannt sind. Als Hersteller von landwirtschaftlichen

Geräten für die Bodenbearbeitung, Aussaat und den Pflanzenschutz beschäftigt LEMKEN

heute weltweit mehr als 1.000 Mitarbeiter. Das Unternehmen befindet sich bereits in der

sechsten und siebten Generation im Besitz der Familie Lemken. Am Stammsitz im

niederrheinischen Alpen, ca. 50 km nordwestlich von Düsseldorf, produziert die Firma

LEMKEN knapp 13.000 Geräte pro Jahr und erwirtschaftete 2011 einen Umsatz von 266

Mio. Euro. LEMKEN gehört zu den führenden Unternehmen der Branche in Europa. Mit

einem Marktanteil in Deutschland bei Drehpflügen und Grubbern von über 40 % ist

LEMKEN die Nr. 1 unter den Anbietern.

http://lemken.com/produkte/pfluegen/


9

1 Analyse

1.1 IST-Zustand

Der vorhandene Reparaturprüfstand besteht aus einer Werkbank mit zwei Arbeitsplätzen und

einer hydraulischen Presse.

An diesen Arbeitsplätzen werden Tätigkeiten durchgeführt, wie Garantie-, Rückmeldung-,

Reparaturbearbeitung aber auch Montagearbeiten. Jeder Arbeitsplatz hat zwei

Hydraulikkreise, die einzeln über mechanisch betätigte Wegeventile angesteuert werden

müssen. Die Hydraulikpresse erfüllt nicht mehr die heutigen Anforderungen.

Für die Inbetriebnahme der Hydraulikpresse, muss ebenfalls ein elektrisches und ein

mechanisches Wegeventil per Hand betätigt werden.

Der Betriebsdruck an den Arbeitsplätzen ist über je ein Druckminderventil einstellbar. Der

Volumenstrom ist nicht ordentlich einstellbar.

Die Elektromagnetventile werden über ein externes Netzgerät versorgt.

1.2 Soll-Zustand

Jeder Arbeitsplatz soll mit zwei elektrisch zu- und abschaltbaren Hydraulikkreisen

ausgestattet sein. Die Ansteuerung der elektrischen Wegeventile soll logisch und übersichtlich

und von jedem Arbeitsplatz möglich sein. Das derzeit vorhandene Aggregat versorgt

zusätzlich noch einen Vormontagearbeitsplatz.

Die Spannungsversorgung des Prüfstandes muss über ein integriertes Netzgerät erfolgen.

Hierbei ist zu beachten, dass der Schaltschrank über alle nötigen Anschlussmöglichkeiten

verfügt. Der Betriebsdruck und der Volumenstrom sollen proportional steuerbar sein. Der

aufgesteuerte Druck und der Volumenstrom sollen an den Reparaturarbeitsplätzen ablesbar

sein. Die hydraulische Presse muss den heutigen Sicherheitsvorschriften angepasst sein und

die hydraulischen Lastdrücke sollen am Prüfstand simuliert werden können.


10

1.3 Eingrenzung des Themas

Nach ersten Besprechungen mit der Firma Lemken, und mit Veranschaulichungen im Werk

wurde der Entwurf des Prüfstandes umgeändert und die Neuerungen hinzugefügt.

Es sollten nicht mehr zwei Arbeitsplätze zum Prüfen entstehen sondern nur noch einer. Dafür

wurde der Zweite in einen Montagestand geändert auf dem man Schlosserarbeiten verrichten

kann. Diese Änderung schlug sich auf die Konstruktion um, denn der Tisch musste neu

konstruiert werden.

Die Arbeitsfläche wurde durchgehend konzipiert und eine Nische in die Platte eingearbeitet

an der man die Hydraulikzylinder zerlegen und Instandsetzen kann.

Die Presse bekam eine neue Aufnahme um die Handhabung besser zu bewerkstelligen und

der Vortrieb des Pressenzylinders wurde abgewandelt.

Abbildung 2 jetziger Prüfstand der Firma Lemken


11

4 Begriffsbestimmung Maschine

Die Anlage wurde nach gültigen Maschinenrichtlinien geplant, Entwickelt und Konstruiert.

Auf die Passagen der Richtlinien wurde Rücksicht genommen und die Vorgaben wurden

beachtet.

Im Sinne der „Richtlinie 2006/42/EG Des Europäischen Parlaments und des Rates vom

17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung)“

4.1 Auszug aus Artikel 2

a) „Maschine“

- eine mit einem anderen Antriebssystem als der unmittelbar

eingesetzten menschlichen oder tierischen Kraft ausgestattete

oder dafür vorgesehene Gesamtheit miteinander

verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen

mindestens eines bzw. eine beweglich ist und die für

eine bestimmte Anwendung zusammengefügt sind;

- eine Gesamtheit im Sinne des ersten Gedankenstrichs,

der lediglich die Teile fehlen, die sie mit ihrem Einsatzort

oder mit ihren Energie- und Antriebsquellen verbinden;

- eine einbaufertige Gesamtheit im Sinne des ersten und

zweiten Gedankenstrichs, die erst nach Anbringung auf

einem Beförderungsmittel oder Installation in einem

Gebäude oder Bauwerk funktionsfähig ist;


12

4.1 Auszug aus Artikel 2

a) „Maschine

- eine Gesamtheit von Maschinen im Sinne des ersten,

zweiten und dritten Gedankenstrichs oder von unvollständigen

Maschinen im Sinne des Buchstabens g, die,

damit sie zusammenwirken, so angeordnet sind und

betätigt werden, dass sie als Gesamtheit funktionieren;

- eine Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder

Vorrichtungen, von denen mindestens eines bzw. eine

beweglich ist und die für Hebevorgänge zusammengefügt

sind und deren einzige Antriebsquelle die unmittelbar

eingesetzte menschliche Kraft ist;


13

5 Zeitplanung Tabelle 1 Zeitplanung der Projektarbeit


14

6 zu prüfende Bauteile

Bei der Erstellung des Prüfstandes für die Firma Lemken, sollte dieser eine Vielzahl von

Baugruppen testen können. Hierbei handelt es sich um die Bauteile, die die Firma Lemken

selbst in ihren Produkten verwendet. Diese sollten alle am Prüfstand begutachtet und

eventuell instandgesetzt werden.

Die vorgegebene Stückzahl der Bauteile beläuft sich momentan auf 206 zu prüfende Bauteile.

Tabelle 2 Auszug aus Prüfteilliste

In Tabelle 2 ist ein Auszug der Teile zu sehen, welche am Prüfstand, getestet werden sollen.

Die Bauteile werden je nach ihren Aufgaben, elektrisch, hydraulisch oder Elektrohydraulisch

geprüft.

Jedes Bauteil hat entsprechende Prüfkriterien, die im Programmablauf berücksichtigt werden

mussten. Hierbei handelt es sich um 206 Unterprogramme des Hauptprogramms. Mit einer

Änderung durch die Firma ist dieser Teil entfallen.


15

7 Konstruktion des Prüfstandes / Arbeitsplatz

Bei der Konstruktion des Prüfstandes / Arbeitsplatzes gab es seitens der Firma keine

Vorgaben. Das Team musste sich hierbei doch an die Richtlinie halten, die eine

Ergonomische und sichere Entwicklung fordert.

Eine Risikobeurteilung und ihre Umsetzung werden von der Firma Lemken durchgeführt.

Dennoch musste der sichere Umgang mit Fluiden nach Artikel 1.1.3. ( Maschinenrichtlinien)

„Materialien und Produkten“ sichergestellt sein.

Hier wurde dann eine Lösung gefunden indem man eine Ölauffangwanne unter den

Arbeitsplatz und unter die Presse konstruierte. Diese ist über ein Ölablassventil zu entleeren

und fachgerecht zu entsorgen.

Bei der Ergonomie von beiden Arbeitsbereichen, wurde eine Höhe von 1000 mm gewählt.

Dies gewährt ein sicheres und ermüdungsfreies Arbeiten an den Plätzen.

Bei der Ergonomie des Prüfstandes war auch der Aufstellungsort wichtig. Zur Aufstellung des

Prüfstandes wird der in der Firma Lemken bekannte Platz gewählt. Er erlaubt ausreichend

Bewegungsfreiraum für das Bedienpersonal.

Alle Sicherheitsrelevanten Schalter und Bedienelemente sind nach DIN VDE angebracht und

von jeder Position zu erreichen. Durch eine mechanische Verriegelung am Deckel des

Arbeitsplatzes, ist auch das Einschalten bei geöffnetem Deckel geregelt. Die Prüfung lässt

sich nur Starten wenn der Deckel und das Seitenteil geschlossen sind und in die

entsprechende Sicherheitsrastklinge einrasten. Bei öffnen des Deckels während der Prüfung,

wird diese sofort gestoppt.

Abbildung 3 Plexiglas XT 8mm Farblos


16

Der Deckel ist aus 8mm dicken Plexiglas, wie in Abbildung 3 zuerkennen gefertigt und bietet

dem Bediener ausreichend Sicherheit bei seiner Arbeit. Alle Kanten und Ecken sind

abgerundet und entgratet, somit werden Verletzungsgefahren des Bedieners vermieden.

Zur Realisierung der Montage und Demontage von Hydraulikzylindern ist das Team zu dem

Entschluss gekommen eine Verstellbare Aufnahme zu konstruieren.

Abbildung 4 Höhenverstellbare Zylindermontage Halterung

Die Aufnahme muss höhenverstellbar sein, wie in Abbildung 4 zu sehen ist, weil einige

Zylinder senkrecht stehend zerlegt werden müssen. Dies ist möglich über die eingebaute

Handkurbel an dem Arbeitsstand.

Die Fläche des Arbeitsplatzes ist voll nutzbar, somit können auch längere Zylinder auf ihm

abgelegt werden. Zudem ist die Arbeitsfläche mit Löchern versehen, durch sie läuft das Öl in

die Ölauffangwanne ab. Abbildung 5 zeigt eine Hydraulik

Schnellkupplung, mit der alle Zylinder über

Schlauchverbindungen angeschlossen werden.

Abbildung 5 Hydraulik Schnellkupplung


17

Bei der Konstruktion des Deckels, wurde darauf geachtet, dass die Prüfung nur starten kann,

wenn der Deckel vollständig geschlossen ist und in die vorgesehenen

Sicherheitspositionsschalter die getrennten Betätiger eingerastet sind. Der Betätiger ist am

Deckel verschraubt, damit ist eine Demontage und die Umgehung des Schutzeinrichtung

gewährleistet. Der Sicherheitsschalter ist an 2 Stellen des Arbeitsplatzes angebracht,

dadurch ist das unbeabsichtigtes in Gang setzen verhindert. Durch einen

Verriegelungsmechnismus wird der Deckel in Position gehalten und muss durch ein leichtes

nach oben drücken entriegelt werden und kann dann erst wieder verschlossen werden.

In Abbildung 6 ist der Deckel des Prüfplatzes zu sehen.

Der Hydraulikanschlussblock mit Schnellkupplung ermöglicht ein anschließen und prüfen der

Hydraulikzylinder am Arbeitsplatz.

Im hinteren Bereich ist der Arbeitsplatz mit einer Blechwand versehen, die das Eingreifen in

den Prüfablauf verhindert. Des Weiteren verhindert sie, sowie der Deckel auch im Falle einer

Leckage, dass Öl aus dem Arbeitsbereich austritt. Weiterhin trennt sie auch den Bereich der

Hydraulikmontage von dem der Presse.

Somit sind 2 voneinander getrennte Arbeitsbereiche vorhanden.

Abbildung 6 Arbeitsplatz Hydraulikmontage mit Deckel


18

7.1 Schwenkarm

Der gesamte Prüfablauf wird über ein Touch Panel der Firma Siemens gestartet. Das Touch

Panel ist in einem Rahmen eingebaut. Dieser ist mit einem Schwenkarm der Firma Rittal

verschraubt. Der Schwenkarm lässt sich in alle Richtungen um 270 ° schwenken und erlaubt

so von jedem Bediener gut erreicht zu werden. Er ist in Augenhöhe angebracht.

Bei der Auswahl des Passenden Schwenkarms ist berücksichtigt worden,

- Tragkraft

- Schwenkbereich

- Ergonomie

- leichtes bewegen

- gute Bedienbarkeit an jedem Arbeitsplatz

Hier ist das Team dann zu dem Entschluss gekommen einen serienmäßigen Schwenkarm der

Firma Rittal zu nehmen.

Bei einer benötigten Auslagenlänge von 1000 mm fiel die Wahl auf das Tragarmsystem CP.

Die benötigten Komponenten wurden aus dem Handbuch 33 Ausgabe 2012/2013 der Firma

Rittal entnommen und aufgelistet.

Der Schwenkarm besteht aus folgenden Komponenten

- Rittal Compact Panel mit Tragarmanschluss

- Gehäusekupplung, rund

- Gehäusebefetigung

- Winkelstück 90°

- Wand / Bodenbefestigung

- Tragprofil (Verschieden ablängbar)

- Mastbefestigung


19

Um eine gute Belastbarkeit des Schwenkarmes zu gewährleisten und anbei noch Geld zu

sparen wurde die Variante von Rittal gewählt. Sie ist ausreichend Belastbar auch wenn der

Bediener den Schwenkarm von Arbeitsplatz zu Arbeitsplatz schwenkt.

Abbildung 8 Rittal Campact Panelgehäuse Abbildung 7 Gehäusekupplung rund

Abbildung 10 Gehäusebefestigung Abbildung 9 Winkelstück 90 °

Abbildung 11 Tragarmprofil


20

Abbildung 12 zeigt das Belastungsdiagramm des Schwenkarms. Die Länge des Auslegers in

diesem Fall beträgt 1000 mm. Die zulässige statische Last beträgt 400 N.

Das Gehäuse hat ein Eigengewicht von 3,8 Kg, auch wenn ein Bediener den Schwenkarm

bewegt ist es stabil genug den Belastungen Stand zu halten.

Abbildung 12 Belastungsdiagramm Tragarm


21

7.2 Rittal Kompakt Schaltschrank AE für Elektronik

Um die gesamte Steuerung für den Prüfstand Normgerecht unterzubringen wurde ein

Schaltschrank der Firma Rittal verwendet. Dieser ist verschließbar durch eine Tür. Der

Aufbau ist aus Metall, damit ist er auch robust genug für die Umgebungsanforderung im

Werk der Firma Lemken.

Die Bestückung des Schaltschranks ist mit allen

nötigen Sicherungen und der gesamten SPS (S7

– 315F), wie in Abbildung 13 der Firma

Siemens ausgerüstet.

Der Einbau des Schaltschranks ist im rechten

unteren Bereich des Arbeitsplatzes angeordnet

und mit einer zu dem Schaltschrank passenden

Mastbefestigung für die Tischbeine versehen.

Hier ist auch genügend Bewegungsfreiheit für

Prüfungen und eventuelle Reparaturen, sowie

Erweiterung des Systems. Die komplette Kabelführung für die Steuerung verläuft unter den

Arbeitsplätzen und sie werden dann an den passenden Stellen verlegt und angeschlossen.

Abbildung 14 zeigt die Darstellung und Anordnung in der CAD Zeichnung.

Abbildung 13 Siemens S7 CPU 315

Abbildung 14 Schaltschrank für SPS Steuerung


22

7.3 Rittal Kompaktschaltschrank für Hydraulik

Der Schaltschrank für alle Hydraulikkomponenten wie in Abbildung 15 und 16 zusehen ist,

musste groß dimensioniert sein, damit die gesamte Hydraulik mit den Steuerblöcken und

Ventilen Platz findet und der Schrank sollte auch noch ausreichend Platz für

Wartungsarbeiten und Reparatur haben. Hier fiel die Wahl auf den Kompakt Schaltschrank

AE-AE 1100.500 aus Edelstahl. Diese Version ist 2 Türig und hat die Abmaße (BxHxT

1000mm 760mm 210mm).

An der linken Seite befinden sich die Anschlüsse für Hydraulik Zu -und Rücklauf. Diese

werden durch je einen Flansch durch den Schaltschrank in das Innere geleitet und dort auf die

Verschiedenen Zweige aufgeteilt. Alle im Schrank enthaltenen Komponenten sind auf der

Grundplatte befestigt. Die Rohrleitungen verlaufen wie die

Elektroleitungen unter dem Prüfstand und werden an

benötigter Stelle hochgeführt.

Abbildung 16 Originalbild Rittal

Kompakt Schaltschrank

Abbildung 15 Kompakt Schaltschrank Hydraulik


23

7.4 Auswahl der Baumaterialien für den Arbeitsplatz

Bei der Auswahl des Materials für den Prüfstand, musste das Team auch den Kostenfaktor im

Auge behalten. Deswegen ist die Entscheidung auf S235 JR Baustahl des allgemeinen

Maschinenbaus gefallen. Dieses Material ist in großen Mengen bei der Firma Lemken vor Ort

und wird zum Bau des Prüfstands genutzt.

Für die Tischbeine sind Vierkantrohre (50x50x5) verwendet worden. Sie sind ausreichend

dimensioniert, an ihm treten keine Belastungen auf, die ihn zerstören würden.

Die Arbeitsfläche ist aus 2 verschiedenen Platten gefertigt.

Platte 1 hat die Abmaße in mm (1475x950x10) und ist aufgrund der Arbeiten an den

Hydraulikzylinder dicker gewählt, weil auf ihr mechanische Arbeiten verrichtet werden. Es ist

hier auch noch eine Aussparung für die Höhenverstellung konstruiert worden welche die

Abmaße in mm (350x350) hat. Diese dient zur senkrechten Montage und Aufnahme der

Hydraulikzylinder.

Platte 2 hat die gleichen Abmaße wie Platte 1 jedoch ist sie nur 5mm stark. Dies ist

ausreichend, denn hier werden nur Prüfabläufe getätigt und keine mechanischen Arbeiten

verrichtet.


24

Beide Platten sind von unten verstrebt und halten den hier anliegenden Belastungen stand.

Die Belastungen wurden mit der FEM Analyse dargestellt. Bei einer angenommenen Last von

150 Kg mittig auf den Platten

Desweitern sind die Platten bündig im Tisch eingebaut und lassen sich zur Reinigung der

Ölwanne ohne großen Aufwand ausbauen. In Abbildung 17 sieht man die FEM Analyse,

welche die Belastungen zeigt die auftreten. Bei einer max. Belastung von 29,9 N/mm² ist die

Platte ausreichend dimensioniert.

Abbildung 17 FEM Analyse Tischplatte Arbeitsplatz


25

In Abbildung 18 ist die Konstruktionsansicht der Tischplatten zu sehen.

Abbildung 18 Tischplatten Arbeitsplatz

In der Abbildung 19 kann man den Rahmen des Tischgestells sehen. Hier ist auch klar zu

erkennen dass die Tischplatte zweigeteilt ist. Mittig im Gestell ist eine Schiene verbaut.

Abbildung 19 Gestell Arbeitsplatz


26

8 Konstruktion der Presse

Bei der Konstruktion der Presse hatte das Team nur die Vorgabe, dass ein Druck von 0-100

bar stufenlos Regelbar sein sollte. Der Druck sollte dann über einen gewissen Zeitraum zur

Prüfung gehalten werden.

Bei der momentan vorhandenen Presse handelt es sich um eine seit Jahren veraltete Presse die

nicht mehr dem Stand der Technik und den Sicherheitsvorschriften entspricht. Sie ist während

der Prüfung frei zugänglich. Sie besitzt keine Abdeckung und der Druck ist nicht regelbar.

8.1 Vorüberlegungen für die Hydraulikpresse

Bei der ersten Gedankenfindung hatte sich das Team sich für eine waagerechte Presse

entschieden, weil dies aus der Sicht des Teams komfortabler und ergonomischer ist.

Es wurde ein Hydraulikzylinder fest auf dem Gestell montiert, dieser übt den Prüfdruck auf

den zu prüfenden Zylinder aus. Die Aufnahme des zu prüfenden Zylinders ist mit Bolzen auf

der Arbeitsplatte versehen worden. Dies ist jedoch ungünstig gewesen, da die auftretenden

Kräfte zu hoch sind und die Bolzen abgeschärt wurden.

Abbildung 20 Entwurf Hydraulikpresse


27

Abbildung 21 zeigt die momentan vorhandene Presse im Werk der Firma Lemken.

Abbildung 21 Hydraulikpresse der Firma Lemken

Um die Kräfte aufnehmen zu können, wurde ein T-Träger unter die Arbeitsplatte geschweißt.

Dieser ist groß genug damit sich die Presse bei Belastung nicht verbiegt.

Die Auswahl des Trägers ist nach DIN 1025-2 IPB Reihe getroffen worden.

IPB 200 h=200 b=200

Abbildung 22 Querschnitt Presse mit Sicht auf T- Träger


28

8.2 Neukonstruktion der Hydraulikpresse

Der Entwurf berücksichtigt den neuesten Stand der Technik und hält sich an die

Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Des EUROPÄSCHEN PARLAMENTS UND DES RATES

vom 17. Mai 2006 und der BGR 500 Kapitel 2.3 Pressen der Metallbe-und –verarbeitung.

Das ungewollte Einschalten bei geöffneter Abdeckung ist nicht mehr möglich.

Es sind Sicherheitsschalter eingebaut worden, die wie auch an dem Arbeitsplatz das

Einschalten bei geöffnetem Deckel verhindern. Des Weiteren sind in den Reichweiten der

Bediener NOT HALT, sowie NOT-AUS eingebaut worden. Weiterhin ist die Presse nur als 2

Hand-Bedienung konstruiert worden.

Bei der Konstruktion der Presse in Abbildung 23 handelt es sich um eine

Entwurfskonstruktion, die vielleicht in dieser Variante gebaut wird. Die Vorschläge seitens

der Firma sind umgesetzt worden und mit in die Konstruktion eingeflossen.

Abbildung 23 letzter Entwurf der Hydraulikpresse


29

Abbildung 24 Deckelmechanismus der Presse

Die Presse ist wie auch der Arbeitsplatz aus S235JR Baustahl gefertigt, da bei der

Konstruktion auf möglichst günstige Materialien zurückgegriffen werden sollte.

Das Gestell der Presse ist verschweißt und mit Streben, zur besseren Stabilisierung konstruiert

worden. Der T-Träger befindet sich unter der Arbeitsfläche und nimmt die entstehenden

Kräfte auf, damit sich die Presse nicht verformt.

Um eventuelle Ölverluste auffangen zu können ist eine Ölauffangwanne unter die

Arbeitsplatte angebracht worden. Das hier aufgefangene Öl kann über ein Ventil abgelassen

und Fachgerecht entsorgt werden.

Bei der Abdeckung der Presse musste beachtet werden dass beim Öffnen der Presse die

Abdeckung nicht mit dem Arbeitsplatz kollidiert. Hier ist ein eigens entwickelter

Mechanismus konstruiert worden. Abbildung 24 zeigt die Konstruktionsansicht des

Mechanismus.

Wenn der Deckel geöffnet wird, schwenken die Seitenteile nach unten und das Oberteil mit

der Frontplatte gehen nach oben. So ist gewehrleistet, dass der Deckel der Presse nicht mit

dem Arbeitsplatz kollidiert.


30

8.3 Auswahl des Pressenzylinders

Bei der Auswahl des Pressenzylinders mussten einige Überlegungen gemacht werden.

- Was muss der Zylinder leisten

- Es muss ein 2-Wegezylinder sein

- Wie lang soll die Hublänge sein

- Aufnahmevarianten

Hierbei hatten wir die Vorgaben der Firma die Presse soll 15 Tonnen drücken können und

einen einstellbaren Druck haben.

Mit diesen Angaben wurde der für die Presse passende Zylinder gewählt.

Abbildung 25 Beispiel Zylinder für Presse

In Abbildung 25 ist der ausgewählte Zylinder nach Datenblatt Typ 46 · Differentialzylinder

ISO 6022 / DIN 24333 zu sehen. Die Abbildung 24 zeigt die gerenderte CAD Konstruktion.

Abbildung 26 Konstruktion Hydraulikzylinder


31

8.4 Verbindungsbolzen

Bei der Berechnung des Bolzens ist der Durchmesser schon durch die Bauart vorgegeben.

Bei einer Belastung von max. 15 Tonnen ( 150.000 N) ergibt sich rechnerisch ein

Durchmesser von 21 mm.

8.4.1 Berechnung des Bolzen

Bei der Berechnung des Verbindungsbolzens, mussten die auftretenden Kräfte, wie in

Abbildung 27 dargestellt, aufgenommen werden.

Der Bolzen verbindet den Pressenzylinder mit dem zu prüfenden Zylinder.

Abbildung 27 Auftretende Kräfte am Verbindungsbolzen


32

Material Bolzen: S235JR

Anwendungsfaktor gewählt nach:

Arbeitsweise: mittlere Stöße

Antriebsmaschine: leichte Stöße

Betriebsfaktor gewählt nach TB 3-5c

Festigkeitskennwerte gewählt nach TB 1-1

8.4.2 Berechnung der Vorhanden Fläche

[1]

8.4.3 Berechnung der Zulässigen Kraft

[2]

8.4.4 Berechnung der Erforderlichen Fläche

[3]


33

8.4.5 Erforderlicher Bolzendurchmesser

√

Es wurde ein Bolzen mit dem Durchmesser von 25mm gewählt. Abbildung 28 zeigt die FEM

Analyse. Die Streckgrenze liegt bei 275 N/mm².

Abbildung 28 Verbindungsbolzen Pressenzylinder


34

9 Lochleibungskräfte an Verbindungsgabel

Damit die Kräfte an der Verbindungsgabel aufgenommen werden können, muss zusätzlich

noch die Lochleibungspressung an der Verbindungsgabel wie in Abbildung 29 berechnet

werden. Diese ist jedoch so gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Es ist letztendlich

nur ein Beweis erbracht, dass das Bauteil hält.

Abbildung 29 Verbindungsgabel Pressenzylinder


35

9.1 Berechnung der Lochleibungspressung

Gewähltes Material: 34CrMo12

gewählt aus Tabelle 1-1

Flächenpressung in Gleitlagern und Bolzenverbindung

[4]

umgestellt nach

Zulässige Flächenpressung

[5]

Der Nachweis ist erfüllt, die zulässige Lochleibungspressung wird nicht überschritten.


36

10 Schweißnaht an der Führungsschiene

Bei der Aufnahme des Zylinders auf dem Pressentisch, musste eine Konstruktion entwickelt

werden die den auftretenden Kräften gewachsen ist. Hier war das Problem durch die großen

Kräfte auch die Konstruktion passend zu gestalten und das richtige Material auszusuchen.

Die Führungsschiene muss auf der Tischplatte verschweißt werden. Hier ist durch die

thermische Belastung darauf zu achten das die Schweißnaht nicht auf ganzer länger

geschweißt wird.

Das Team entschied sich für eine 6mm Kehlnaht in Abständen von 221 mm und jeweils 89

mm frei. Die gleiche Aufteilung der Schweißnaht ist auch am Doppel-T-Träger. Die

Abbildung 30 zeigt eine Schematische Darstellung der Schweißnaht. Bei einer gesamt Länge

von 2000 mm, ist die Schweißnaht ausreichend lang und stabil, um die Kräfte aufnehmen zu

können.

Die gesamte Länge der Führungsschiene beträgt 3000 mm.

Abbildung 30 Beispiel der Schweißnaht an Führungsschiene


37

10.1 Berechnung der Schweißnaht an Führungsschiene

Um die Nahte zu berechnen musste im Vorfeld überlegt werden, welche Kräfte wirken.

Abbildung 31 zeigt die schematische Darstellung der Kräfte.

aus T-B 3.5c gewählt für Schweiß- Niet-, und Bolzenverbindung. Die gewählte Betriebsart

ist, stoßhafte Bewegung und Art der Maschine ist Spindelpressen, hydraulische

Schmiedepressen, Abkantpressen, Profilscheren, Sägegatter. Dabei entschied sich das Team

für den Anwendungsfaktor von

[6]

[7]

Abbildung 31 Darstellung der Kräfte an der Presse


38

10.1.1 Dickenbeiwert

Dickenbeiwert (b) für geschweißte Bauteile im Maschinenbau nach DS 952

[8]

10.1.2 Zul. Schubspannung Nach Tabelle 6.13 S.82

Die Werte mit dem Dickenbeiwert 0,59 multipliziert ergibt,

Diese Werte dürfen nicht überschritten werden.


39

10.1.3 Schubspannung

[9]

10.1.4 Biegespannung

[10]

10.1.5 Vergleichsspannung

√ [11]

√

Die Schweißnaht ist ausreichend für die auftretenden Kräfte ausgelegt.


40

11 Bolzen am Führungsschlitten

An den Bolzen, die den Schlitten auf der Führungsschiene fixieren tritt eine statische

Belastung auf. Die Bolzen müssen auf Scherung berechnet werden weil die Biegung gering ist

und somit nicht berücksichtigt werden muss. (Bezug auf Abbildung 31)

Das gewählte Material der Bolzen ist C15E.

11.1 Berechnung

√

√

Berechnung der resultierenden Kraft am Führungsschlitten.


41

11.2 Abscherrbeanspruchung

Der Schlitten wird mit 2 Bolzen auf der Schiene verbolzt und dadurch teilen sich die Kräfte

gleichmäßig auf beide Bolzen auf.

[12]

[13]

[14]

Die Bolzen halten den Beanspruchungen stand.


42

12 Schwerpunktermittlung des T-Trägers

Durch die Verstärkung der Tischplatte mit einem Doppel-T-Träger, verändert sich auch der

Schwerpunkt. Dieser wird in der Folgenden Rechnung neu ermittelt.

Tabelle 3 Schwerpunktberechnung

n An Xn Yn An*Xn An*Yn

1 2000mm² 250mm 35mm 500000mm³ 70000mm³

2 10000mm² 250mm 80mm 2500000mm³ 800000mm³

3 7808,12mm² 250mm 180mm 1952030mm³ 1405461,6mm³

[14]

Bei der Berechnung des Schwerpunktes wie in Tabelle 3 gezeigt, befindet sich der

Schwerpunkt bei 114,88 mm.

Abbildung 32 Schwerpunkt Bestimmung


43

13 Hydraulik

Als Vorlage diente der alte Hydraulikschaltplan, da die grundsätzlichen Funktionen der

Anlage sich nicht geändert haben. Um eine Automatisierung der Anlage zu ermöglichen,

mussten alle manuell und mechanisch per Hand betätigten Ventile durch elektrisch

ansteuerbare Ventile ersetzt werden.

Um dieses zu realisieren wurde auf Hydraulikkomponenten der Firma HYDAC

INTERNATIONAL GmbH zurückgegriffen.

Im weiteren Verlauf des Projektes wurde ein Besuch der Firma auf der Hannover Messe

gemacht um direkt vor Ort Gespräche zu führen und im Laufe der Zeit wurden Angebote

eingeholt und Gespräche mit Ingenieuren der Firma HYDAC geführt, die das Team weiter an

das Ziel gebracht haben.


44

13.1 Erstellung Hydraulikschaltplan

Abbildung 33 Hydraulikschaltplan


45

Zur Erstellung des Schaltplans wurde das Programm Festo Fluidsim© 4 Version 4.2 genutzt.

Hiermit konnten alle erforderlichen Symbole im Schaltplan dargestellt werden.

Bei der Umsetzung des Schaltplans wurde darauf geachtet, die Anforderungen der Firma

Lemken genau umzusetzen.

Es wurde großer Wert darauf gelegt einen Plan zu entwickeln, der eine komplette

Automatisierung der Anlage erlaubt.

Wie in Abbildung 33 zu sehen wurde das Aggregat (rot umrandet), wie auf Wunsch der Firma

Lemken erhalten und unverändert in den Schaltplan eingebunden, sowie der bereits

vorhanden Vormontageplatz (blau umrandet).

Alle Wege- und Proportionalventile sind elektrisch ansteuerbar.

Die Drücke und Volumenströme sind durch Messumformer elektrisch erfassbar.

Zur Aufrechterhaltung konstanter Drücke an der Presse, wurden entsprechende Druckspeicher

verbaut.


46

13.2 Hydraulikaggregat

Durch die Vorgaben der Firma Lemken sollte das vorhandene Hydraulikaggregat bestehen

bleiben und den neuen Prüfstand versorgen.

Dieses wurde umgesetzt und die Schaltung und Anschlüsse wurden in den Schaltplan

eingebaut

Abbildung 34 Hydraulikaggregat der Firma Lemken

Technische Daten:

Leistung: 15Kw

Druck: 350 bar

U/min: 1500

Tankinhalt: 120 l

Durchflussleistung: 30 l/min


47

13.3 Vormontageplatz

Der Vormontageplatz blieb aus hydraulischer Sicht unberührt und wird bei Bedarf weiterhin

von dem Aggregat versorgt.

13.4 Wege- und Proportionalventile

Die ausgesuchten Ventile sind magnetbetätigt und elektrisch ansteuerbar. Es wurde darauf

geachtet, dass sie dem Betriebsdruck von 200 bar, sowie dem maximalen Volumenstrom von

30 l/min vor dem Stromregelventil, bzw. 25 l/min nach dem Stromregelventil standhalten.

z.B Abbildung 36

Betriebsdruck: pmax. = 320 bar

Volumenstrom: max. 80 l/min

Spannung: 24 V / DC

Abbildung 35 Vormontageplatz der Firma Lemken

Abbildung 36 4 / 3 Wege Schieberventil


48

Zur Realisierung der Druckregelung von 0-200 bar hat sich das Team für ein proportional

Druckregelventil entschieden, das elektronisch regelbar ist. Hier wurde seitens der Firma

HYDAC das VP-PDRP6 empfohlen, welches einen Druckbereich von 0-230 bar regeln kann.

Abbildung 37

Betriebsdruck: max. 230 bar

Volumenstrom: max. 60 l/min

Spannung: 24 V / DC

Um den Anforderungen zur stufenlosen Volumenstromregelung gerecht zu werden, wurde

sich auch hier für ein proportionales Stromregelventil entschieden.

Zur Prüfung des Durchflusswächters musste eine feinere Regelung des Volumenstroms

erfolgen, daher werden zwei Stromregelventile eingesetzt. Das erste Ventil 1V5 in Abbildung

33, ermöglicht eine Regelung von 0 – 25 l/min und

das zweite Ventil 1V4 in Abbildung 36 ermöglicht

eine feinere Regelung des Volumenstroms von 0 –

1,5 l/min, somit wird gewährleistet, dass das

Schaltvolumen des Durchflusswächters präzise

erreicht wird.

Abbildung 38

Justage: 1 l/min

Tolleranz: +/- 0,3 l/min

Abbildung 37 Proportional Druckregelventil

Abbildung 38 Durchflusswächter

Abbildung 39 proportional Stromregelventil


49

13.5 Druck- und Volumenstrommessumformer

Zur Erfassung der verschiedenen Drücke- und Volumenströme der Anlage wurden

elektronische Messumformer verwendet. Sie ermöglichen über ein analoges Ausgangssignal

das ermitteln des momentan anliegenden Druckes oder Volumenstroms. Auch hier wurde auf

Komponenten der Firma HYDAC zurückgegriffen.

Die Druckmessumformer haben einen Druckbereich von 0 – 250 bar und die

Volumenstrommessumformer haben einen Messbereich von 6 – 60 l/min.

Die Messumformer 1B3 und 1B5 siehe Abbildung 40

haben einen Messbereich von 0,5 – 1,5 l/min, auch sie

wurden speziell für die Prüfung des Durchflusswächters

in Abbildung 40 eingesetzt.

Abbildung 40 Durchfluss Messumformer


50

14 Elektrik

Die Umsetzung der Elektrik, orientierte sich an den Vorgaben der Firma Lemken zur

Verwendung der Bauteile auf das Produktportfolio der Firmen EATON, Murr und Siemens,

sowie an die Hydraulikkomponenten und an den Sicherheitsaspekten. Des Weiteren musste

darauf geachtet werden, dass zur Umsetzung einer Automatisierung alle relevanten

Elektronikbauteile an eine SPS angebunden sind. Alle Stromlaufpläne sind mit dem

Programm SEE Electrical Schulversion V5R1 erstellt worden.

14.1 Versorgung

Die Versorgung der Anlage erfolgt über 3x 400V/N 50Hz und wird über den Hauptschalter

Q1 zur Anlage freigeschaltet.

Zur Versorgung des Signalkreises wird die anliegende Spannung über Netzteile auf 24 V/DC

und 12 V/DC gewandelt, dies erfolgt durch die

SITOP Bauteile der Firma Siemens wie in Abbildung

41 dargestellt. Die Bauteile werden durch

Leistungsschalter und Leitungsschutzschalter

abgesichert.Da die vom Team entwickelte Anlage

mit Signalspannungen von 24V/DC arbeitet, jedoch

die durch die Anlage zu prüfenden Teile mit 12V/DC

betrieben werden, mussten zwei verschiedene

Netzteile verwendet werden.

Abbildung 41 SITOP PSU300S 24 V/40A


51

Abbildung 42 Stromlaufplan Lastschaltkreis

Abbildung 43 MICO

Lastkreisüberwachung

14.2 Lastkreis

Im Lastkreis befinden sich die Pumpe des Hydraulikaggregats, eine Stern-Dreieck-

Schützkombination für den Anlauf des Pumpenmotors und ein Leistungsschutzschalter zum

Schutz des Pumpenmotors vor zu hohem Betriebsstrom sowie vor Kurzschlüssen.

14.3 Signalkreis

Im Signalkreis sind alle Bauteile enthalten die mit einer Spannung von 24V/DC versorgt

werden und zur Anbindung der SPS sowie zur 12V/DC Ansteuerung der

externen Bauteile dienen. Der gesamte Signalkreis ist über MICO

Lastkreisüberwachungen wie in Abbildung 43 der Firma MURR

abgesichert. Zur Signalerfassung und Visualisierung der START- und

STOP Anforderungen des Vormontageplatzes, der zwei-Hand Bedienung

der Presse und der NOT-AUS sowie der NOT-HALT Einrichtungen der

Anlage wurden Taster, Schalter und Leuchtmittel der Firma EATON mit

Aufbaugehäusen verwendet.


52

Die 12 Volt Versorgung der zu prüfenden Teile erfolgt über

Optokoppler der Firma MURR, sie wurden verwendet, da sie einen

geringen Steuerstrom haben und so den Betriebsstrom des

Signalkreises gering halten und eine sichere Trennung des 24 V/DC

und 12V/DC Kreises realisieren.

Um eine sichere Abschaltung aller spannungsführenden Teile die

über 50V/DC durch den NOT-AUS und dessen

Drahtbruchsicherheit zu gewährleisten, wird der NOT-AUS-Kreis

direkt vor der Stern-Dreieck-Schützkombination eingebunden.

Die Umsetzung der NOT-HALT-Funktion, die zur Aufgabe hat alle

sich bewegenden Teile am Prüfstand sofort still zu setzen, werden

ein NOT-HALT-Taster und Sicherheitspositionsschalter wie in

Abbildung 45 der Firma EATON verwendet.

Zur Überwachung der Temperaturen im Schaltschrank „Elektro“

wurde ein Schaltschrankinnentemperaturregler der Firma Rittal

eingesetzt. Bei der Überwachung der Öltemperatur im Tank des

Aggregats wurde ein PT 100 und ein digitaler Thermostat der Firma

JUMO verwendet.

Abbildung 44 Optokoppler der

Firma MURR

Abbildung 45

Sicherheitspositionsschalter


53

15 Automatisierung

Für die Automatisierung des Prüfstandes wurde eine SIMATIC S7-315F von der Firma

Siemens gewählt, da diese eine Vorgabe der Firma Lemken war und die Firma diese schon für

ihre anderen Maschinen verwenden. Es mussten 8 Baugruppen als Rack

zusammengeschlossen werden um alle Signal zu erfassen und zu setzen. Zur

Benutzerfreundlichen Bedienung und Visualisierung am Prüfplatz, ist ein SIMATIC HMI

KTP 1000 Basic Touch Panel verwendet worden. Über dieses Touch Panel kann die SPS

gesteuert werden und die verschiedenen Programme können ausgewählt werden.

15.1 SPS und Baugruppen

Bei der Auswahl der S7- 315F wurde besonders darauf geachtet das sie Fehlersicher ist, das

heißt eine zweite CPU parallel zur ersten CPU arbeitet und im Ausfall deren Aufgabe

übernimmt, somit ist eine redundante Ausführung sichergestellt.

Zur Erfassung der Digitalen Eingänge wurde eine SM 321 mit 16 Eingängen verwendet.

Um die analogen Signale der Messumformer zu erfassen, wurden zwei SM 331 mit je 8

Eingängen gewählt.

Die Ansteuerung der Ventile erfolgt über zwei SM 322 mit 8 Ausgängen und einem

Ausgangsstrom von 2 A pro Ausgang, sie wurde gewählt um die Ventile die eine

Stromaufnahme von 1,13 und 1,33 haben direkt anzusteuern.

Zwei weitere SM 322 mit je 16 Ausgängen

kommen zum Einsatz um die Optokoppler

sowie Leuchtmittel zu schalten.

Die proportional Regelventile werden über

eine SM 332 mit 4 Analogen Ausgängen

geregelt.

Da die Regelventile mit 0 – ca. 1A bestromt

werden müssen, die Analogenausgänge

jedoch nur einen Ausgangsstrom von 0 –

20mA realisieren können, sind an dieser

Stelle Leistungsverstärker der Firma

HYDAC Abbildung 46 zum Einsatz

gekommen, um dieses Problem zu beheben.

Abbildung 46 Leistungsverstärker


54

15.2 Bedienoberfläche

Durch bereits vorhandene Software zur Programmierung des Touch Panel, wurde das KTP

1000 Basic gewählt. Es ermöglicht die individuelle Bedienung der Anlage und über die

Software WIN CC Flexibel ADVANCED kann es frei programmiert werden.

Die Kommunikation mit der SPS erfolgt mittels PROFIBUS, was auch eine weitere

Anbindung von Geräten erlaubt.

Abbildung 47 KTP 1000 Basic


55

16 Aufgetretene Probleme und Problemlösung

Wenn man eine Technikerabschlussarbeit erstellt, ist es fast unmöglich nicht auf Probleme zu

stoßen und konfrontiert zu werden.

Bei diesem Projekt bestand das größte Problem in der Umsetzung und in die Einarbeitung der

Programme sowie die wenig vorhandenen Hydraulikkenntnisse mehr auszuprägen.

Ein weiteres Problem war die große Entfernung zum Projektbetrieb. Es fanden alle

Kommunikationen über Email und Telefon statt. Durch verschiedene Änderungen und

zusätzlichen Anforderungen an den Prüfstand seitens der Firma ging viel Zeit verloren.

Des Weiteren war die Zusammenarbeit mit Fremdfirmen nicht immer ganz einfach und stellte

uns vor gewisse organisatorische Probleme.


56

17 Zusammenfassung

Am Ende unserer Technikerabschlussarbeit, können wir auf ein interessantes und

anspruchsvolles Projekt zurückblicken. Die Projektarbeit stellte uns über den gesamten

Zeitraum immer wieder vor eine große Herausforderung. Unser Team hatte bisher nicht mit

solch großen und umfangreichen Projekten zu tun. Wir wurden während der ganzen

Projektarbeit, immer wieder vor neue Aufgaben gestellt. Aufgrund des Umfangs der

Projektarbeit, bekamen wir immer Einblicke in verschiedene technische Bereiche und

konnten unser erlerntes Wissen in unterschiedlichen Bereichen unter Beweis stellen.

Im Lauf der Projektarbeit bekamen wir mehrere Probleme, die aber durch viel Recherche zu

unserer Zufriedenheit lösen konnten. Manche Teammitglieder hatten schon Vorkenntnisse in

Hydraulik und so konnte der Part der Hydraulik auch zur Zufriedenheit fertiggestellt werden.

Am Ende der Arbeit, lässt sich sagen, dass durch die Zusammenarbeit und unserer sozialen

Kompetenzen und der hohen Teamfähigkeit sehr gut zusammengepasst haben und das Projekt

zu einem für uns sehr guten Abschluss gebracht haben.

Mit den gesammelten Erfahrungen, lassen sich für uns in Zukunft andere Projekte besser

planen und noch besser angehen.


57

18 Danksagung

Die von uns angefertigte Technikerarbeit entstand im Zeitraum von Oktober 2012 bis August

2013 an der Technikerschule Stadthagen in Zusammenarbeit mit Firma Lemken & Co. KG

The AGROVision Company.

Im Zusammenhang mit unserer Technikerarbeit möchten wir folgenden Personen für Ihre

tatkräftige Unterstützung danken, die uns bei der Umsetzung der von uns gesetzten Ziele

beistanden.

Herr Dipl.-Ing Puyan Kachani und Herrn Dr. Ing. Kachani. Sie standen uns betreuend zur

Seite und halfen uns mit ihren Ratschlägen den Erfolg der Technikerarbeit voran zu treiben.

Für die Zusammenarbeit und dem Entgegenkommen mit der Firma Lemken & Co.KG

möchten wir uns bei Herrn Dirk Köhnen und Frau Anja Scholz besonders bedanken.

Weiter möchten wir uns bei Dipl.–Ing.(FH) Hermann Kolbe der Firma HYDAC

INTERNATIONAL GmbH bedanken die uns mit ihren Ingenieuren tatkräftig bei der

Erstellung der Hydraulikkomponenten unterstützt haben.


58

19 Eigenständigkeitserklärung

Wir versichern, dass die vorliegende Technikerarbeit von uns selbstständig angefertigt

worden ist und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt worden sind.

Alle Stellen die den Wortlaut oder den Sinn nach anderen Werken entnommen wurden, haben

wir durch Angaben der Literatur kenntlich gemacht.

Stadthagen

26.08.2013 ________________

Ort, Datum Florian Spreen

Stadthagen

26.08.2013 ________________

Ort, Datum Felix Kasten

Stadthagen

26.08.2013 ________________

Ort, Datum David Bross

Stadthagen

26.08.2013 ________________

Ort, Datum Benedikt Vieth


59

20 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Hauptwerk der Firma Lemken in Alpen NRW .................................................... 8

Bereitgestellt von Firma Lemken GmbH & Co.KG

Abbildung 2 jetziger Prüfstand der Firma Lemken................................................................. 10


Abbildung 3 Plexiglas XT 8mm Farblos ................................................................................ 15

http://www.alles-aus-plexiglas.de/typo3temp/pics/6644c402bc.jpg Abgerufen am 20.05.2013

um 18:30 Uhr

Abbildung 4 Höhenverstellbare Zylindermontage Halterung ................................................. 16

Erstellt mit Solid Works 2010

Abbildung 5 Hydraulik Schnellkupplung ............................................................................... 16

http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 17:40 Uhr

Abbildung 6 Arbeitsplatz Hydraulikmontage mit Deckel ...................................................... 17


Abbildung 7 Gehäusekupplung rund ...................................................................................... 19

http://www.rittal.com/de-

de/product/list.action;jsessionid=E5C6F33CC73834E75BDA52F6CFA9CEC8?categoryPath

=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG7661SCHRANK1/PG0058SCHRANK1/PG0060SCHRA

NK1 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:15 Uhr

Abbildung 8 Rittal Campact Panelgehäuse ............................................................................. 19





Abbildung 9 Winkelstück 90 ° ................................................................................................ 19





Abbildung 10 Gehäusebefestigung ......................................................................................... 19





http://www.alles-aus-plexiglas.de/typo3temp/pics/6644c402bc.jpg


60

Abbildung 11 Tragarmprofil ................................................................................................... 19





Abbildung 12 Belastungsdiagramm Tragarm ......................................................................... 20





Abbildung 13 Siemens S7 CPU 315 ....................................................................................... 21

https://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=de&siteid=c

seus&aktprim=0&extranet=standard&viewreg=WW&objid=4000024&treeLang=de

Abgerufen am 22.06.2013 um 20:30 Uhr

Abbildung 14 Schaltschrank für SPS Steuerung ..................................................................... 21


de/product/list/variations.action?categoryPath=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG0021SCHR

ANK1/PRO0023SCHRANK1&productID=PRO0023 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:20

Uhr

Abbildung 15 Kompakt Schaltschrank Hydraulik .................................................................. 22




Uhr

Abbildung 16 Originalbild Rittal Kompakt Schaltschrank ..................................................... 22




Uhr

Abbildung 17 FEM Analyse Tischplatte Arbeitsplatz ............................................................ 24


Abbildung 18 Tischplatten Arbeitsplatz ................................................................................. 25


Abbildung 19 Gestell Arbeitsplatz .......................................................................................... 25



61

Abbildung 20 Entwurf Hydraulikpresse ................................................................................. 26


Abbildung 21 Hydraulikpresse der Firma Lemken ................................................................. 27


Abbildung 22 Querschnitt Presse mit Sicht auf T- Träger ..................................................... 27


Abbildung 23 letzter Entwurf der Hydraulikpresse ................................................................ 28


Abbildung 24 Deckelmechanismus der Presse ....................................................................... 29


Abbildung 25 Beispiel Zylinder für Presse ............................................................................. 30


Abbildung 26 Konstruktion Hydraulikzylinder ...................................................................... 30


Abbildung 27 Auftretende Kräfte am Verbindungsbolzen ..................................................... 31

Erstellt mit Microsoft Power Point 2010

Abbildung 28 Verbindungsbolzen Pressenzylinder ................................................................ 33

FEM Analyse Erstellt mit Solid Works 2010

Abbildung 29 Verbindungsgabel Pressenzylinder .................................................................. 34


Abbildung 30 Beispiel der Schweißnaht an Führungsschiene ................................................ 36


Abbildung 31 Darstellung der Kräfte an der Presse ................................................................ 37


Abbildung 32 Schwerpunkt Bestimmung ............................................................................... 42


Abbildung 33 Hydraulikschaltplan ......................................................................................... 44

Erstellt mit Festo Fluidsim ©4


62

Abbildung 34 Hydraulikaggregat der Firma Lemken ............................................................. 46


Abbildung 35 Vormontageplatz der Firma Lemken ............................................................... 47


Abbildung 36 4 / 3 Wege Schieberventil ................................................................................ 47


Abbildung 37 Proportional Druckregelventil.......................................................................... 48


Abbildung 38 Durchflusswächter ........................................................................................... 48


Abbildung 39 proportional Stromregelventil .......................................................................... 48


Abbildung 40 Durchfluss Messumformer ............................................................................... 49


Abbildung 41 SITOP PSU300S 24 V/40A ............................................................................. 50




Abbildung 42 Stromlaufplan Lastschaltkreis .......................................................................... 51

Erstellt mit SEE Electrical Schulversion

Abbildung 43 MICO Lastkreisüberwachung .......................................................................... 51

http://onlineshop.murrelektronik.com/mediandoweb/ Abgerufen am 26.07.2013 21:10 Uhr

Abbildung 44 Optokoppler der Firma MURR ........................................................................ 52

http://onlineshop.murrelektronik.com/mediandoweb/ Abgerufen am 26.07.2013 21:10 Uhr

Abbildung 45 Sicherheitspositionsschalter ............................................................................. 52

http://ecat.moeller.net/catalog Abgerufen am 26.07.2013 um 17:30 Uhr

Abbildung 46 Leistungsverstärker .......................................................................................... 53



63

Abbildung 47 KTP 1000 Basic ............................................................................................... 54





64

21 Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Zeitplanung der Projektarbeit .................................................................................. 13

Tabelle 2 Auszug aus Prüfteilliste ........................................................................................... 14

Tabelle 3 Schwerpunktberechnung ......................................................................................... 42


65

22 Formelverzeichnis

Seite

[1] Bestimmung der Fläche am Bolzen 33

[2] Bestimmung der zulässigen Kraft am Bolzen 33

[3] Berechnung der erforderlichen Fläche 33

[4] Berechnung des erforderlichen Bolzendurchmessers 34

[5] Berechnung zulässige Flächenpressung an Verbindungsgabel 36

[6] Zulässige Flächenpressung an Verbindungsgabel 36

[7] max. Auftretende Kraft an der Schweissnaht der Presse 38

[8] Momentengleichung um Punkt A 38

[9] Ermittlung des Dickenbeiwerts 39

[10] Berechnung der auftretenden Schubspannung 40

[11] Berechnung der auftretenden Biegespannung 40

[12] Berechnung der Vergleichsspannung 40

[13] Momentengleichung um Punkt A Bolzen Führungsschiene 45

[14] Ermittlung der Resultierenden Kraft 41

[15] Vorhandene Abscherrbeanspruchung 42

[16] Zugfestigkeit 42

[17] Zulässige Abscherrspannung im Bolzen an Führungsschiene 42

[18] Berechnung des Schwerpunkts an der Presse 43


66

23 Quellenverzeichnis

Quelle: [1] – [18]

Herbert Wittel, Dieter Muhs, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek, Roloff/Matek

Maschinenelemente Normung, Berechnung, Gestaltung 20. Auflage Wiesbaden 2011, Vieweg

+ Teubner Verlag | GWV Fachverlag GmbH

Alfred Böge Formeln und Tabellen zur Technischen Mechanik 20. Auflage unter mitarbeit

von Walter Schlemmer, Gert Böge und Wolfgang Böge Vieweg + Teubner Verlag | Springer

Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

Herbert Wittel, Dieter Muhs, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek, Roloff/Matek

Maschinenelemente Tabellenbuch 20. Auflage Wiesbaden 2011, Vieweg + Teubner Verlag |

GWV Fachverlag GmbH

Quelle: 4.1 Auszug aus Artikel 2 a “Maschine“

Amtsblatt der Europäischen Union, RICHTLINIE 2006/42/EG DES EUROPÄISCHEN

PARLAMENTS UND DES RATES vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung

der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung)


67

24 Anhang

Im Anhang sind zu finden:

- Hydraulikschaltplan

- Elektroschaltplan

Folgende Daten befinden sich auf dem beiliegendem Datenträger:

- Technische Zeichnungen

- Technische Datenblätter aller verwendeten Baugruppen

- Angebote Firma HYDAC

- BGR 500

- Richtline 2006/42/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES

- Ergonomische Maschinengestaltung

Sonstiges:

Alle CAD 3-D Dateien


68


69


70


71


72


73


74


75


76


77


78


79


80


81


82


83


84

Entwicklung und Konstruktion eines … · Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands...

Documents

Transcript of Entwicklung und Konstruktion eines … · Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands...