Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens zur Lebensdauerprognose von Profilschienenführungen unter allgemeiner Momentenbelastung

Abstract

Profilschienenführungen (PSF) sind elementare Maschinenelemente in Werkzeugmaschinen, die, aufgrund ihres wälzlagerbasierten Funktionsprinzips, einem Verschleiß unterliegen. Daher ist eine präzise Lebensdauerberechnung für einen sicheren Maschinenbetrieb unerlässlich. In der 1. Förderphase des Projektes konnte ein zuvor entwickeltes und komplex zu berechnendes Lebensdauermodell, die „Wälzkontaktbezogene Lebensdauerberechnung (WKBL-Berechnung)“, welches für bestimmte Lastfälle eine genauere Lebensdauer von PSF als die bekannten „Katalogmethoden“ berechnet, erstmalig experimentell validiert werden. Dazu wurden ein vorhandener Lebensdauerversuchsstand für PSF konstruktiv erweitert und umfangreiche Lebensdauertests nach DIN 631 durchgeführt und statistisch ausgewertet. Um die komplexe WKBL-Berechnung für den Anwender zugänglicher zu machen, wurde diese in eine analytische und damit einfachere WKBL-Berechnung überführt. Das konnte zum einen durch die analytische Berechnung der benötigten Einzelwälzkontaktkräfte, unter Berücksichtigung relevanter Systemelastizitäten, und zum anderen durch eine mehrparametrische polynomiale Regression der WKBL für eine Vielzahl überlagerter Lastfälle erreicht werden. In der 2. Förderphase des Projekts sollte die WKBL-Berechnung dahingehend erweitert werden, dass die Restlebensdauer von PSF auch unter realen und sich u. U. ändernden Betriebsbedingungen während des Maschinenbetriebs präzise prognostiziert werden kann. Zusätzlich bestand das Projektziel darin, eine zustandsbasierte Restlebensdauerprognose zu entwickeln, mit der die Lebensdauer exemplarischer PSF sehr genau vorhergesagt werden kann, da die realen Lebensdauern von PSF erheblich um die berechneten Lebensdauern der statistischen Lebensdauermodelle schwanken. Zunächst wurde ein weiterer Lebensdauerversuchsstand für PSF konstruiert und aufgebaut, mit dem eine kraftgeregelte und überlagerte Lasteinleitung auf einzelne PSF ermöglicht werden konnte. Anschließend wurden die neuartigen Prognoseverfahren entwickelt. Die Berück-sichtigung der realen Lastverhältnisse auf die PSF bei der WKBL-Berechnung im Maschinenbetrieb konnte durch die kontinuierliche Messung der Relativverlagerung zwischen Wagen- und Schienenkörper mittels kapazitiver Abstandssensoren in Vorsatzelementen, der darauf aufbauenden Ermittlung der Einzelwälzkontaktkräfte mit einem analytischen Lastverteilungsmodell der PSF und der Anwendung der linearen Schadensakkumulation auf Wälzkontaktebene erreicht werden. Die schadensbasierte Restlebensdauerprognose hingegen basiert auf einem simulativen Abgleich des Schwingungsverhaltens der PSF. Dazu wurde ein recheneffizientes Dynamikmodell der PSF entwickelt, mit dem das Schwingungsverhalten der PSF in Abhängigkeit des Betriebspunktes (Last und Verfahrgeschwindigkeit) und des schädigungszustandes (Verschleiß) simuliert werden kann. Durch den Vergleich mit dem gemessenen, realen Schwingungsverhalten kann auf den Verschleißzustand der PSF geschlossen und mittels Extrapolation eine Restlebensdauer prognostiziert werden. Die entwickelten Methoden konnten auf dem entwickelten Lebensdauerversuchsstand validiert werden. Linear guideways (LG) are fundamental machine elements in machine tools that, due to their rolling bearing-based functional principle, are subject to wear. Therefore, precise service life calculation is essential for safe machine operation. In the first funding phase of the project, a previously developed and complex-to-calculate service life model, the "Rolling Contact Based Service Life Calculation (RCBL-Calculation)," which calculates a more accurate service life of LG for specific load cases than the known catalogue methods, was experimentally validated for the first time. To achieve this, an existing service life test rig for LG was structurally extended, and extensive service life tests according to DIN 631 were conducted and statistically evaluated. To make the complex RCBL-calculation more accessible to the user, it was converted into an analytical and thus simpler RCBL-calculation. This was achieved on the one hand by analytically calculating the required individual rolling contact forces, taking into account relevant system elasticities, and on the other hand by performing a multi-parametric polynomial regression of the RCBL for a variety of superimposed load cases. In the second funding phase of the project, the RCBL-calculation was to be extended to enable precise prognosis of the remaining service life of LG under real and potentially changing operating conditions during machine operation. Additionally, the project aimed to develop a condition-based remaining service life prognosis that allows the service life of exemplary LG to be predicted very accurately, as the actual service lives of LG can vary significantly from the calculated service lives of the statistical service life models. Initially, another service life test rig for LG was designed and built, enabling force-controlled and superimposed load application on individual LG. Subsequently, the novel prognosis methods were developed. The consideration of real load conditions on LG in the RCBL-calculation during machine operation was achieved by continuously measuring the relative displacement between the carriage and rail bodies using capacitive distance sensors in preload elements, determining the individual rolling contact forces using an analytical load distribution model of the LG, and applying linear damage accumulation at the rolling contact level. On the other hand, the damage-based remaining service life prognosis is based on a comparative simulation of the vibration behaviour of the LG. For this purpose, a computationally efficient dynamic model of the LG was developed, allowing the vibration behaviour of the LG to be simulated as a function of the operating point (load and velocity) and the damage state (wear). By comparing this with the measured real vibration behaviour, the wear state of the LG can be determined, and the remaining service life can be predicted by extrapolation. The developed methods were validated on the developed service life test rig.