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Direktantrieb mit Dieselmotoren bei der Kiesgewinnung mit Schwimmgreifern

Der Einsatz elektrisch betriebener Baggeranlagen in der Form des Tiefgreifers ist weit verbreitet. Die Energieversorgung wird in der Regel vom Standort der Aufbereitungsanlagen über die Schwimmbänder auf das Baggergerät geführt; seltener wird an Bord ein Dieselmotor mit angekoppeltem Generator zur Stromerzeugung eingesetzt. Von dem bekannten Schwimmbagger-Konstrukteur Gebr. Grieshaber, Ludwigshafen, wird jetzt eine neuartige Alternative zu den elektrisch betriebenen Schwimmgreifer-Anlagen vorgestellt. Dabei sprechen besonders die Höhe des Wirkungsgrades und der Energieeinsparung für die Antriebsart durch Direktantrieb mit Dieselmotoren.

 



Wahl der Energiequelle

Schwimmbagger werden in der Regel mit elektrischer Energie angetrieben. Dabei ist die Verbrauchszählung für die Kundenabrechnung meist vor den großen Leitungsverlusten durch lange Zuleitungen angeordnet. Diese Verluste finden im Verbrauch und damit in der periodischen Abrechnung ihre Auswirkung.

Die dieselmotorische Stromerzeugung vor Ort ist dagegen ohne große Leitungsverluste, die Umwandlungsverluste aber bleiben. Sie wird oft als dezentrale Anlage empfohlen, hält sie doch den Energieversorgern unstetige Netzbelaster fern. Aufgrund des für die Gewinnung mit Greifbaggern typischen Lastwechselbetriebes werden die eingesetzten Stromaggregate häufig überdimensioniert, mancherorts müssen zur Stabilisierung sogar größere Dauerverbraucher mit eingeschaltet werden, die aber trotzdem die Frequenzschwankungen nur ungenügend ausgleichen. Die Umwandlungsverluste durch den Wirkungsgrad von 0,8 liegen in diesem Falle ganz in der Regie des Betreibers. Sie sind ein zweites Mal in gleicher Größenordnung unumgänglich bei der Umwandlung zurück in mechanische Energie. Von der Leistung des Generatormotors oder auch der Turbine im Kraftwerk gelangen im besten Falle 64 % an die Welle des Getriebes im Windwerk. Dem geht der neu konzipierte Windwerkaufbau aus dem Wege.

 



Windwerk mit Dieselmotoren-Direkt-Antrieb

Der Dieselmotoren-Direkt-Antrieb auf die Windwerkgetriebe ist für die Energieversorgung durchaus vorteilhaft. Auf der Abbildung 1 ist zu erkennen, dass zwei gleiche Dieselmotoren gegeneinander angeordnet sind, M 1 u. M 2, und somit gegenläufige Schwungraddrehrichtungen haben. Dabei handelt es sich um modernste Serienmotoren, wie sie beispielsweise in Lkw und Reisebussen Anwendung finden. Durch die besondere Anordnung und Zuordnung der beiden Antriebsmotoren wurde es möglich, ohne Wendegetriebe alleine mit offenen pneumatisch geschalteten Trockenkupplungen die nötige Umkehr der Drehrichtung für das Heben und Senken bzw. Öffnen und Schließen des Seilgreifers zu erreichen. Jeweils über eine Kupplung werden die Motoren wechselweise auf ein Getriebe zugeschaltet. Zum Beispiel ist der links angeordnete Motor (M 1) bei der Hebefahrt (rot) der Haltetrommel zugeordnet (untere), in der Senkfahrt (blau) jedoch der Schließtrommel (obere). Analoges gilt für den rechtsseitig angeordneten Motor (M 2).



Abbildung 1: Windwerk Grundaufbau
Abbildung 1: Windwerk Grundaufbau


Bei der Abwärtsfahrt des leeren, offenen Greifers ist die Schließseiltrommel, abgesehen von dem Seilgewicht, nicht belastet. Am Halteseil hingegen hängt eine Last von 12 t, das Eigengewicht des Greifers. Würden nun beide Motoren für den Senkbetrieb zugeschaltet, so müsste der Motor (M 1) eine Kraft aufwenden, um die Schließseiltrommel abwärts zu spulen. An der Halteseiltrommel zöge der 12 t schwere Greifer und verhülfe dem Motor (M 2) zu einer übergroßen Beschleunigung, die ihn in Drehzahlbereiche führte, für die er nicht mehr vorgesehen ist, wo hingegen der Motor (M 1) für die Schließseiltrommel mit seiner Höchstdrehzahl ggf. hinterhereilen müsste, aber dennoch langsamer wäre als der "bergab" geschleppte Haltetrommelmotor. Durch die auftretende Differenz während des Senkweges würde sich der Greifer schließen und teilweise sogar ganz geschlossen am Boden ankommen. Das ist natürlich nicht erwünscht.

 



Synchronisation der unabhängigen Seiltrommeln

Durch Installation eines fremderregten Generators in den Antriebsstrang der Haltetrommel und Einbau eines relativ kleinen, gewöhnlichen Kurzschlussläufer-Elektromotors in den Antriebsstrang der Schließtrommel werden über eine "elektrische Welle" die beiden Seiltrommeln synchronisiert. Bereits mit der geringsten Ablaufbewegung der Halteseiltrommel wird über den Generator durch dessen erste Umdrehung auch die erste Umdrehung am Elektromotor und damit ein Gleichlauf mit der Schließseiltrommel hervorgerufen. Ein Beschleunigungsausgleich wird kraftschlüssig herbeigeführt, so dass die beiden Dieselmotoren sich über die "elektrische Welle" synchronisieren und die Senkfahrt des leeren offenen Greifers soweit gemeinsam stützen, dass keine Überdrehzahlbereiche gefahren werden. Der Greifer gelangt offen auf Grund. In dieser Betriebsform ist die Senkgeschwindigkeit geringfügig höher als die Hebegeschwindigkeit.

 



Senkfahrt mit Energierückgewinnung

Von der Dimensionierung des Generators im Triebstrang der Haltetrommel hängt es ab, inwieweit man, auch ohne die Dieselmotoren für die Abwärtsfahrt zu benutzen, eine sinnvoll kontrolliert gebremste Abwärtsfahrt herbeiführen kann. In einer weiteren Betriebsart, die bevorzugt genutzt wird, besteht die Möglichkeit, den Greifer in einem kontrollierten "Fall" gezielt offen unter Ausnutzung verschiedener einstellbarer Senkgeschwindigkeiten am Boden ankommen zu lassen. Je tiefer der Baggergrund, je schneller wird gefahren als ein Mehrfaches der Hebegeschwindigkeit.

In diesem Falle werden nur die Bremsen geöffnet. Der fremderregte Generator synchronisiert über den Drehstrommotor die Geschwindigkeit der beiden Trommeln. Eine speicherprogrammierbare Schaltung hat registriert, in welcher Tiefe der Greifer bei der letzten Grabbewegung Material gefunden hat. Somit ist die Abschalttiefe bekannt.



Abbildung 2: Windwerk mit Bremspumpe
Abbildung 2: Windwerk mit Bremspumpe


Der Generator treibt während der Abwärtsfahrt des Greifers durch die Luft und später durch das Wasser gleichzeitig mit dem Synchronisationsmotor eine große elektromotorisch angetriebene Kreiselpumpe (vgl. Abbildung 2) an, welche Wasser fördert für die Kiesaufbereitung. Der Abgangsquerschnitt der Pumpe ist zu Beginn des "kontrollierten" Falles zur Geschwindigkeitsstabilisierung noch weitgehend verschlossen. In angemessenem Abstand, bevor der Greifer den Boden berührt, wird in der einfachsten Form z. B. eine bisher querschnittsverengende Drosselklappe geöffnet. Der Pumpenmotor nimmt dann seine größtmögliche Leistung auf und zwingt über den Generator den Greifer in eine sich stetig verringernde Fallgeschwindigkeit und bremst die beiden Seiltrommeln soweit ab, dass die normalen Bremsen die Festsetzvorgänge übernehmen können. Die Dieselmotoren bleiben bei dieser Betriebsart in der Senkfahrt ausgekuppelt, sie laufen nur in Leerlaufdrehzahl.

Mit den bisherigen Ausführungen kann das Zweimotoren-Zweitrommel-Windwerk die notwendigen Greiferbewegungen ausführen, wobei die Dieselmotoren bis jetzt effektiv nur für den Schließ- und den Hubvorgang des Greifers tatsächlich belastet werden und notwendig sind.

 



Antrieb für die Horizontalfahrt durch die Dieselmotoren der Greiferwinde

Das Windwerk wurde an einer für den Trimm der Gesamtanlage möglichst günstigen Stelle fest angeordnet. Alleine ein leichter "Seilumlenk-Wagen" ist zusammen mit der Hublast noch für die Veränderungen der Trimmlage ausschlaggebend.

Durch die Umlenkung des Halteseiles an der Vorderkante der Fahrbahn des Wagens wird erreicht, dass das Greifergewicht den Seilumlenk-Wagen nach vorne zieht. Diese Bewegung wird durch zwei umlaufende Fahrseile, die jeweils an der Vor- und Rückseite des Wagens befestigt sind, bewusst zugelassen oder verhindert. Dies bedeutet, dass die Auswärtsfahrt des offenen Greifers ausschließlich durch das Greifergewicht hervorgerufen wird und nur zu kontrollieren ist.

Für die Einwärtsfahrt ist der aufwärtskommende Greifer gefüllt und die Gesamtlast verteilt sich je zur Hälfte auf die Halteseile und die Schließseile. Da die Schließseile aber von dem Seilumlenk-Wagen aus direkt nach der Einwärtsfahrtrichtung ziehen, ist er bezüglich seiner Positionierung auf der Fahrbahn kraftneutral, wird er nicht von den Fahrseilen bewusst in eine andere Situation gezwungen.

Wird der beladene Greifer über der Grabachse in die Ausschüttachse verfahren, so muss das Schließseil angezogen und das Halteseil abgelassen werden. Dies findet beides gleichzeitig an ein und demselben Motor (M 2) statt, wobei sich die Lasten ausgleichen. Der Motor läuft dabei in Leerlaufdrehzahl (vgl. Abbildung 3).



Abbildung 3: Seilführung und Seilumlenkung für Querfahrt des Greifers
Abbildung 3: Seilführung und Seilumlenkung für Querfahrt des Greifers


Nachdem der Greifer durch alleiniges Ablassen des Schließseiles sich öffnet und seine Last abgibt, wandert die Zugkraft des Schließseiles in das Fahrseil, welches den Wagen in der Ausschüttachse festhält. Bei der anschließenden Fahrt nach außen übernimmt der Motor (M 1) die unterschiedlichen Funktionen an den Trommeln: Er zieht das Halteseil an, lässt gleichzeitig das Schließseil im gleichen Verhältnis los. Der Greifer bleibt während des Fahrvorganges offen und auf gleicher Höhe.



Abbildung 4: Windwerk komplett mit Fahrantrieb
Abbildung 4: Windwerk komplett mit Fahrantrieb


Auf dem nunmehr vollständigen Schema des Windwerkes (vgl. Abbildung 4) wird in Erweiterung der Fahrantrieb des Seilwagens erkennbar, der gleichzeitig bei den Bewegungen der Windentrommeln durch den jeweiligen Antriebsmotor über die Kupplung K 5 zugeschaltet wird. Er hat gleiche Untersetzungsverhältnisse wie die Hauptgetriebe und somit gleiche Seilwege. Es ergeben sich deshalb keine Veränderungen im Öffnungszustand oder der Höhenlage des Greifers. Die zwangsgeführte Fahrt des Seilwagens geschieht bei Leerlaufdrehzahlen des jeweiligen Dieselmotors.

 



Energiebilanz

Die Bereitstellung der Antriebsenergie für das Wind- und Fahrwerk erfolgt bei Dieselmotorendirektantrieb nur zu Nutz-/Lastzeiten der Greiferwinde. Ungenutzte Leistungen werden nicht vorgehalten wie bei einer Landstrom- oder Eigenversorgung. Die Umwandlungsverluste entfallen ganz. Bei direkt zugeschaltetem Diesel bleiben von 105 KW am Schwungrad des Diesels ca. 100 KW für den Getriebeabgang. Gleiches würde gelten für elektromotorischen Antrieb. Jedoch braucht der Elektromotor für seine 100 Wirk-KW bereits 125 KW an seiner Zuleitung, die nur im günstigsten Falle der Schaltung durch einen mindestens 155 KW am Schwungrad leistenden Dieselmotor über einen Generator erzeugt werden können. Eine Gegenüberstellung des Verbrauches bei unbelasteten Motoren spricht eindeutig für den Direkt-Antrieb.

Zusätzlich kommt es zu Einsparungen durch zurückgewonnene Energie bei der Stabilisierungs- und Bremsfahrt des leeren Greifers zum Baggergrund. Die Leistung, die hierbei gewonnen wird, ist proportional zur Geschwindigkeit des "fallenden" Greifers. Die Wahl der maximalen Fallgeschwindigkeit richtet sich nach der Baggertiefe.

Für Baggertiefen von z. B. 5 m bzw. 20 m stehen mittlere Leistungsgewinne von 120 KW bzw. 140 KW für die Dauer von sechs Sekunden bzw. zwölf Sekunden an. Das entspricht pro Baggerstunde der Fahrstrecke von 100 Kilometern für ein Mittelklassefahrzeug.

Wo sind Leistungen über und wo werden welche gebraucht?

Die grüne Kurve und Skala zeigt über und unter der roten Linie Gewinn und Verbrauch an Leistung. Links das "Geschenk" der Senkfahrt. Der maximale Leistungsbedarf in der Mitte des Bildes wird beim Austritt des Greifers aus dem Wasser benötigt. Für diese zehn Sekunden wird bei herkömmlichen Anlagen über die gesamte Einsatzzeit des Gerätes die Möglichkeit der hohen Leistungszuschaltung vorgehalten.

Dies ist bei Direktantrieb mit den Dieselmotoren nicht der Fall.

 



Zusammenfassung

An einem von elektrischen Antrieben unabhängig arbeitenden Tiefgreifer-Windwerk wird dessen Zwei-Trommel-Windwerk direkt durch Dieselmotoren angetrieben. Diese von Gebr. Grieshaber, Ludwigshafen, entwickelte Antriebsart arbeitet energiesparend, da Leistungen nur in der Höhe und Dauer erbracht werden, in der sie tatsächlich notwendig sind. Darüber hinaus ist die Anlage äußerst mobil, da keine Aufstellungs- und Versorgungsmontagen erforderlich sind. Die Energieeinsparung kommt besonders bei der Abwärtsfahrt des Greifers zum Vorschein. Dieser Vorgang erfolgt durch einen gebremsten Fall unter Rückgewinnung der Energie mittels eines Generators. Die rückgewonnene Energie wird zur Förderung von Wasser für die Kiesaufbereitung verwendet, welches zusätzlich durch die Abwärme der Motoren vorgewärmt wird. Das Bundesministerium für Umwelt würdigte die Energieeinsparung, die Nutzung der Bremsenergie und die Kraft-Wärmekopplung.

Das Fehlen ölführender Teile über freien Wasserflächen und hydraulischer Systeme an Bord erlaubt den Tiefgreifereinsatz in natursensiblen Gebieten. Das patentrechtlich geschützte Windwerk arbeitet seit Mai 1995 in betrieblichem Einsatz.





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