Berg- und Tagebaue versorgen die Wirtschaft mit Ressourcen, insbesondere mit Eisen- und Kupfererzen sowie Seltenen Erden wie Kobalt und Lithium. Minenbetreibende sind vermehrt gezwungen, ihre bestehenden Anlagen durch den Einsatz neuer Technologien wie autonomer Fahrzeuge nicht nur ökologischer, sondern auch kosteneffizienter zu gestalten, um weiterhin global wettbewerbsfähig zu bleiben. Neben diesen Herausforderungen müssen sie jedoch auch den steigenden Anforderungen an Fördermengen und Förderdistanzen gerecht werden.
Gurtförderanlagen, wie sie in Bild 1 zu sehen sind, verbinden die Vorteile einer kontinuierlichen Förderung mit vergleichsweise geringen Betriebskosten und werden daher vermehrt eingesetzt. Durch Massenströme von bis zu 40.000 Tonnen pro Stunde oder 20 Kilometer langen Förderstrecken stoßen konventionelle Anlagen jedoch an technisch-wirtschaftliche Grenzen. So kommen in der weltweit größten Kupfererzmine „Chuquicamata“ im Norden Chiles Gurtförderanlagen mit 20.000 kW installierter Antriebsleistung sowie dem weltweit stärksten Fördergurt mit einer Nennfestigkeit von 10.000 N/mm zum Einsatz. Eine weitere Steigerung des Massenstromes ist durch die Zugfestigkeit des Gurtes limitiert und bedarf somit eines alternativen Antriebskonzeptes.
Antreibende Tragrollen als möglicher Zwischenantrieb
Um die Gurtzugkraft in der Anlage zu reduzieren, können lokal verteilte Zwischenantriebe eingesetzt werden, wie Mehrtrommelantriebe oder Treibgurte (siehe Bild 2). Auf Grund hoher Investitionskosten sowie technischer Voraussetzungen, werden diese Lösungskonzepte jedoch überwiegend bei der Neukonzeptionierung in Betracht gezogen. Um bereits existierende Anlagen nachträglich mit einem Zwischenantrieb auszurüsten, bedarf es einer platzsparenden Lösung, die vor Ort leicht in bestehende Anlagen eingebaut werden kann.
Im Rahmen zweier Forschungsprojekte entwickelten Forscher am ITA der Leibniz Universität Hannover Tragrollen mit innenliegendem Motor sowie eine dezentrale Steuerung zum verschleißoptimierten Betrieb. Zudem erforschten sie das generelle Betriebsverhalten in dem eigens hierfür errichteten Prüfstand (siehe Bild 3). Die standardmäßig verbauten Tragrollen einer Gurtförderanlage können leicht durch die in Bild 4 gezeigten antreibenden Tragrollen ausgetauscht werden, wodurch der Umbau- und Montageaufwand des Retrofit minimiert wird.
Herausforderungen für die Akzeptanz antreibender Tragrollen
Eine Einsatzfähigkeit antreibender Tragrollen unter realen Bedingungen lässt sich mit dem Prüfstand hingegen nicht untersuchen. Demnach fehlt derzeit ein Nachweis der dynamischen Systemstabilität, welche das unternehmerische Risiko reduziert und in Folge dessen die Akzeptanz dieser Technologie sowie das damit verbundene Marktpotenzial für kleine und mittlere Unternehmen darlegt.
Im Rahmen des Forschungsprojektes „Future Conveyor Drive“ gehen darum Forscher des ITA der wissenschaftlichen Fragestellung nach, ob die vorhandenen physikalischen Modelle zur Beschreibung einer antreibenden Tragrolle in eine Simulationsumgebung überführt werden können, um das dynamische Verhalten einer Gruppe von ATs auf das globale Systemverhalten von Gurtförderanlagen aufzuzeigen. Gelingt dies, werden die gewonnen Erkenntnisse in Auslegungsempfehlungen zusammengefasst, um System- und Komponentenlieferanten eine Orientierung zur Neuplanung sowie Nachrüstung bestehender Anlagen zu liefern.
Mittels Co-Simulation zum Ziel
Der Lösungsansatz sieht die Entwicklung einer Co-Simulation vor, mit welcher eine „Zwischenantriebseinheit“ simuliert werden kann, die aus mehreren antreibenden Tragrollen besteht. Wie Bild 5 entnommen werden kann, besteht diese aus den beiden Simulationsumgebungen SimulationX und Matlab/Simulink. Hierbei werden die dynamischen Vorgänge einer Gurtförderanlage hinsichtlich des Fördergurtes sowie der konventionellen Antriebstechnik durch die Simulationsumgebung SimulationX abgebildet und um das mechanisch-elektrische Verhalten mehrerer ATs erweitert. Die in vorangegangenen Forschungsprojekten entwickelte dezentrale Steuerung zum verschleißoptimierten Betrieb mehrerer ATs wird schließlich in der Simulationsumgebung Matlab/Simulink implementiert.
Die Co-Simulation wird anschließend in der kontrollierten Versuchsumgebung untersucht. Nach erfolgreicher Validierung soll es möglich sein, den Simulationsbaustein beliebig zu skalieren und zur Simulation in realen Gurtförderanlagen einzusetzen. Somit soll die förderspezifische, optimierte Positionierung und Dimensionierung des Zwischenantriebskonzepts der antreibenden Tragrollen ermöglicht werden.
Erste Ergebnisse bestätigen Vorarbeiten und verdeutlichen Potentiale
Mit den bisherigen Erkenntnissen der Co-Simulation konnte bereits der Prüfstand als Modell nachgebildet und verschiedene stationäre Betriebspunkte – unter variierender Gurtgeschwindigkeit, Auflast sowie Anzahl aktiver ATs – simuliert werden, um den Einfluss auf das resultierende Drehmoment am Anlagenkopf analysieren zu können. Zum Vergleich der Ergebnisse wurden unter gleichen Parametern Validierungen am Prüfstand durchgeführt. Es zeigt sich, dass das experimentell ermittelte Anlagenverhalten gut mit der Simulation dargestellt werden kann und bestätigt somit die Vorarbeiten zur Kraftübertragung antreibender Tragrollen. Für eine höhere Genauigkeit wird das Modell zukünftig durch weitere Module erweitert, um den Einfluss spezifischer Bewegungswiderstände, wie den Eindrückrollwiderstand, besser darzustellen.
Erste Simulationsergebnisse des Einsatzes von fünf antreibenden Tragrollen in einer Beispielanlage zeigten bereits jetzt Senkungen der lokalen Gurtzugkräfte von rund 28 Prozent. Bei gleichbleibendem Massenstrom ist hierdurch der Einsatz von Fördergurten geringerer Festigkeitsklassen möglich, womit sich erhebliche Vorteile ergeben. Einerseits gehen hierdurch Kosteneinsparungen einher, andererseits lassen sich die Förderlängen deutlich vergrößern. Alternativ ist eine Erhöhung des Massenstromes denkbar, ohne konstruktive Änderungen an der Anlage vorzunehmen. In beiden Fällen verdeutlicht die Simulation das monetäre und ökologische Potential antreibender Tragrollen als Zwischenantrieb zum Einsatz in Gurtförderanlagen.
