Aktive Dämpfung von Torsionsschwingungen in langen, schwer zugänglichen Antriebswellen mittels adaptiver Nachführung dynamischer Lasteingangsfunktionen am Beispiel der Stribeck-Kurve

• Antragsteller: Dr.-Ing. Dirk Turschner; Professor Dr.-Ing. Volker Wesling, seit 3/2023
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512815763

Antriebswellen sind während des Betriebs mechanischen Belastungen in Form von Schwingungen aufgrund dynamisch wirkender Kräfte ausgesetzt. Erfahrungen aus den Bereichen der Tiefbohrtechnik zur Erschließung von Geothermiefeldern mit langen Bohrgestängen zeigen, dass vor allem torsionale Schwingungen, verursacht durch den Bohrkopf-induzierten Stick-Slip-Effekt maßgeblich zum Verschleiß der Wellenkomponenten beitragen. Da die tribologischen Zusammenhänge zudem nichtlinear sind, gestaltet sich eine Regelung oftmals als entsprechend kompliziert. Im Zuge des Forschungsvorhabens werden diese nichtlinearen Reibungseffekte anhand von zwei, bereits existierenden Reibungsmodellen nachgebildet. Diese weisen nach der einschlägigen Literatur den wesentlichen Nachteil auf, dass die zugrunde liegenden Reibungsparameter lediglich zu Beginn der Berechnungen ermittelt werden. Diese Annahme bildet jedoch die Realität nur noch unzureichend genau ab, sobald sich die Umgebungsparameter, bspw. im Bereich der Tiefbohrtechnik aufgrund wechselnder Gesteinsschichten, ändern. Des Weiteren ist die exakte Kenntnis dieser Parameter, welche im Rahmen dieses Projektes anhand der Stribeck-Kurve über den Zusammenhang zwischen dem Reibmoment und der Reibgeschwindigkeit ermittelt werden, oftmals unbekannt. In der jüngeren Vergangenheit sind Verfahren erarbeitet worden, welche ohne den Einsatz von Reibungsmodellen auskommen, indem Aktoren direkt auf der Antriebswelle zur aktiven Schwingungsdämpfung befestigt werden. Eine derartige Vorgehensweise ist nur dann umsetzbar, wenn die vorliegende, mechanische Welle räumlich und messtechnisch zugänglich ist. Vor allem in Bereichen wie der Tiefbohrtechnik sind diese Umstände jedoch nicht gegeben. In diesem Forschungsvorhaben liegt der Fokus daher auf den folgenden Zielen zur Entwicklung einer aktiven Dämpfung von Torsionsschwingungen bei langen sowie schwer zugänglichen Antriebswellen: (1.) Entwicklung eines verallgemeinerbaren, prozessbegleitenden, mathematischen Modells zur Berechnung des dynamischen Reibungsmoments (Lasteingangsfunktion) mit adaptiver Nachführung am Bsp. der Stribeck-Kurve basierend auf einer zu erstellenden Parameter-Datenbank; (2.) Entwurf einer selbsteinstellenden Zustandsregler-Architektur für die Drehmomentregelung von schwer zugänglichen Antriebswellen mit Mehrmassenschwinger-Verhalten zur aktiven Schwingungsdämpfung; (3.) Erprobung der adaptiven Reglersysteme am Prüfstand zur Validierung der theoretischen Untersuchungen. Die erfolgreiche Bearbeitung dieses Projekts ermöglicht umfassende Kenntnisse im Bereich der verschleißmindernden und kosteneffizienten Betriebsweise von Antriebswellen und erlaubt, anhand der wissenschaftlichen Anschlussfähigkeit, die erzielten Ergebnisse anwendungsorientiert zu erproben. Hinsichtlich potentieller Anwendungsgebiete wie der Erschließung von Geothermiefeldern oder der unterirdischen Speicherung großer (Ab)Wärmemengen ließen sich wichtige Beiträge zur aktuellen Klimapolitik leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Peter Beck, bis 3/2023