Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens zur Lebensdauerprognose von Profilschienenführungen unter allgemeiner Momentenbelastung

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.