Schaufelfüllung bei Baumaschinen optimieren

Die Arbeit mit dem Titel „Method of Selecting an Optimal Bucket Filling Process for Automation of the Loading Process in Wheel Loaders” wurde von Prof. Dr. Piotr Dudzinski von der Wrocław University of Science and Technology und von Prof. Dr. Alfred Ulrich vom Institut für Bau- und Landmaschinentechnik betreut.

Herr Lommatsch, wie erklären Sie Ihr Thema Ihren Nachbar*innen?

Heutige Bauverfahren stehen unter einem enormen Kostendruck, bei gleichzeitig hohen Qualitätsanforderungen. Neben den Anschaffungskosten für die benötigten Maschinen machen die Treibstoffkosten sowie die Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung einen wesentlichen Teil aus. Da die Bediener*innen der Maschinen einen großen Einfluss auf den Arbeitsprozess, die Effizienz und somit auch auf die Belastung der Geräte haben, werden zur Unterstützung zunehmend Assistenzsysteme in mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt. In meiner Dissertation habe ich untersucht, wie die Schaufelfüllung bei einem Radlader hinsichtlich Energieeffizienz und Verschleiß an Ladeschaufel und Reifen optimiert werden kann und wie diese Erkenntnisse in einem Assistenzsystem umgesetzt werden können. Der Schaufelfüllvorgang nimmt zwar nur bis zu 25 Prozent der Zeit eines Arbeitszyklus in Anspruch, ist aber für bis zu 40 Prozent des Treibstoffverbrauchs verantwortlich.

Was haben Sie herausgefunden?

Mit dem entwickelten hybriden Schaufelfüllprozess, bei welchem Vibrationsmotoren während des dynamischen Teilprozesses die Ladeschaufel in Schwingung versetzen, kann der Energieverbrauch um bis zu 25 Prozent gesenkt werden. Der genaue Wert hängt vom zu ladenden Material ab. Durch die Vibrationen der Schaufel fließt das körnige Material in die Schaufel und unterstützt somit den Füllprozess. Eine dynamische Anregung der Ladeschaufel ist nur bis zu einem gewissen Grad energieeffizient, da für den Betrieb der Vibrationsmotoren zusätzliche Energie zugeführt werden muss.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Treibstoffverbrauch eines Radladers bis zu 40 Prozent der Betriebskosten ausmacht. Dieser Wert kann bei einzelnen Bediener*innen um bis zu 200 Prozent variieren. Da auch in dieser Branche ein Fachkräftemangel herrscht, werden immer häufiger weniger erfahrene Bedienende eingesetzt. Aus diesem Grund habe ich mit den Erkenntnissen aus den Versuchen mit dem entwickelten hybriden Schaufelfüllprozess ein modulares Assistenzsystem konzipiert. Dessen Grundfunktionen konnten während der experimentellen Untersuchungen ausgiebig getestet werden und ermöglichen eine energieeffiziente und ressourcenschonende Schaufelfüllung. Das Assistenzsystem kann die Variation beim Treibstoffverbrauch einzelner Nutzer*innen deutlich reduzieren. Durch den modularen Aufbau kann das System auch in bestehende Maschinen nachgerüstet werden.

Was begeistert Sie an Ihrem Thema?

Während meines Diplomstudiums hat mich Prof. Dr. Werner Höfflinger mit seiner Sichtweise auf die Aufgaben eines Ingenieurs sehr geprägt. Er hat uns immer wieder vor Augen geführt, dass Nutzen- und Kostenaspekte zu den wichtigsten Faktoren gehören, die es im Rahmen einer Entwicklung zu berücksichtigen gilt. Denn am Ende braucht man immer auch Kund*innen, die einen Vorteil für sich sehen und bereit sind, Geld für eine Entwicklung auszugeben. Dies hat mich auch bei meiner Dissertation begleitet und zu dem entwickelten hybriden Schaufelfüllprozess sowie dem Assistenzsystem geführt. Die Untersuchungen fanden im Rahmen des Forschungsprojektes „LadeRad – Ladeassistenzsystem für Radlader“ statt. Beide Entwicklungen sind für den Forschungspartner umsetzbar und haben in der betrieblichen Praxis eine kurze Amortisationszeit, sie refinanzieren sich also schnell.

Wie kann es mit Ihren Ergebnissen weitergehen?

Mit den Ergebnissen kann die Schaufelfüllung eines Radladers mit dem Fokus auf Energieeffizienz und Ressourcenschonung automatisiert werden. Dies wiederum unterstützt die Bestrebungen der Industrie, zukünftig autonome Maschinen auf Baustellen einsetzen zu können. Die hybride Schaufelfüllung sollte mit weiteren Schüttgütern validiert werden, um eine vielseitige Anwendbarkeit zu gewährleisten.