Belastungsminimierende Regelung für Fördersysteme im Bergbau (Bergkette)

Problemstellung
Der Abbau von Steinkohle, Erz und Salz erfolgt heute ausschließlich mit vollautomatisierten Förderanlagen. Im Steinkohlebergbau besteht das Gesamtsystem aus verschiedenen Abbau- und Transporteinheiten, wie Walzenlader, Kettenkratzerförderer, Brecher und Förderbändern. Diese werden über geregelte elektrische Antriebe mit Frequenzumrichtern, in Kombination mit Getrieben, bewegt. Während des Abbauprozesses fallen in unterschiedlicher Menge kleine und große Gutbrocken auf die Transportanlagen. Die lange Förderkette wird unter dieser wechselnden Belastung massiv gestaucht oder gedehnt. Das bedeutet zum einen eine starke mechanische Beanspruchung der Kette, zum anderen führt dies zu hohen Stromspitzen im Frequenzumrichter. Diese entstehen sowohl beim Beschleunigen der Last, als auch bei stoßartigen Bremsvorgängen oder bei kompletter Blockade der Transportanlage.

Projektziele
Ziel des KMU-innovativ-Projektes Bergkette ist die Entwicklung einer belastungsreduzierenden Regelung für die Förderkette. Bisher eingesetzte Lastausgleichsregelungen zum Betrieb des Kettenkratzförderers basieren auf vereinfachten Modellen. In diesem Projekt soll mit numerischen Modellen die Mechanik in der Mehrkörpersimulation untersucht werden. In einer zweiten Simulation des Frequenzumrichters und des Antriebs werden die Regler entworfen.

Vorgehensweise
Die Mehrkörpersimulation erfolgt in Kombination mit der sogenannten Diskrete Elemente Methode (DEM). Die Kette als Zugmittel in der DEM abzubilden und somit detailliert in der Simulation des Fördervorgangs zu berücksichtigen, stellt eine Neuheit dar. Hierbei wird der Ansatz verfolgt, ein Partikelsystem, wie Schüttgut, als Vielzahl von Einzelkörpern mit vereinfachten Geometrien abzubilden und für jedes Partikel die Newton’schen Bewegungsgleichungen zu lösen. Die Simulation des Frequenzumrichters und des Antriebs wird mit einer, auf leistungselektronische Komponenten spezialisierten Software untersucht. Mit Hilfe dieser umfassenden Vorgehensweise werden alle für die Regelung relevanten dynamischen Belastungen analysiert, in einem Reglerentwurf simuliert und die entworfenen Algorithmen zur Belastungsreduzierung der Förderkette in einen bergbauspezifischen Umrichter übertragen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Durch den Aufbau eines lastnachbildenden Prüfstandes werden die ermittelten Ergebnisse in die Praxis überführt und evaluiert. Die Reduzierung der Belastung im Antriebsstrang ermöglicht einen materialschonenderen Betrieb und damit eine höhere Lebensdauer der Anlage. Im Ergebnis treten weniger Ausfälle aufgrund von Reparatur- und Wartungsarbeiten auf. Sowohl Standzeit als auch Produktivität des gesamten Abbauprozesses im Bergbau werden gesteigert.