Lastmessbolzen: Individuelle Lösungen für Messungen im laufenden Betrieb

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Bei der Modernisierung der Großen Schleuse in Kiel-Holtenau am Nord-Ostsee-Kanal (NOK) mussten reale Messdaten von den Antrieben der Schleusentore erhoben werden, um die künftigen Antriebe neu zu planen. Priorität hatte hierbei, die Ausfallzeiten der Schleuse möglichst gering zu halten. Messspezialist Althen entwickelte individuelle Messlösungen für das Projekt.

Lastmessbolzen im Einsatz: Die Schleusenanlage Kiel-Holtenau, an der Kieler Förde gelegen, ist eine der beiden Zufahrten zum Nord-Ostsee-Kanal (am anderen Ende liegt die Schleuse Brunsbüttel), der Nord- und Ostsee miteinander verbindet. Der NOK ist die meistbefahrene künstliche Seeschifffahrtsstraße der Welt. Bastian Maaß, zuständig für technische Querschnittsaufgaben im Wasserstraßen-Neubauamt Nord-Ostsee-Kanal, erläutert: „Sogenannte Feeder-Schiffe nutzen den Nord-Ostsee-Kanal, um als Zubringer die Seeschiffe an den großen Seehäfen mit Containern zu versorgen. Die Passage benötigt zwar ebenfalls einige Stunden – je nach Schiffsaufkommen und damit Wartezeit in den Weichen und vor den Schleusen –, aber sie ist eine zeitliche Erleichterung gegenüber dem Umweg über Skagen. Insbesondere im Winter bei hohen Spritpreisen und rauer See um Skagen herum wird die NOK-Passage bevorzugt. Zudem haben viele Feederschiffe einen sehr engen Fahrplan, der sich nur dank der Abkürzung durch den NOK einhalten lässt.“

Lastmessbolzen für Messungen an der Schleuse Kiel-Holtenau

So ist es umso wichtiger, dass die zwei Schleusenanlagen reibungslos funktionieren. Nachdem die Kleine Schleuse in Kiel-Holtenau altersbedingt seit Juni 2014 außer Betrieb ist und neu geplant und gebaut wird, ist derzeit nur die Große Schleuse mit ihren beiden Schleusenkammern nutzbar (Nutzlänge 310 m, Nutzbreite 42 m). Doch auch hier besteht Modernisierungsbedarf, nachdem die Getriebe der Schleusentore letztmalig in den 1960er Jahren erneuert wurden. Es galt also, im laufenden Betrieb Voruntersuchungen durchführen zu lassen, um die Neudimensionierung der Antriebe zu ermöglichen.

Das Wasserstraßen-Neubauamt Nord-Ostsee-Kanal beauftragte den Ingenieurdienstleister Tractebel Hydroprojekt mit den Voruntersuchungen, und Tractebel holte die Althen GmbH Mess- und Sensortechnik für die Realisierung der Messungen mit ins Boot. Ziel war es, wichtige Kenndaten der vorhandenen Schleusentoranlage zu ermitteln. „Natürlich haben wir eine jahrzehntelange praktische Erfahrung mit jedem einzelnen Schleusentor“, so Bastian Maaß, „und es liegen auch noch Daten und Berechnungen aus den 1960er Jahren vor. Jedoch sind die absoluten Messwerte, zum Beispiel auftretende Lastspitzen, nicht bekannt. Um eine passgenaue Dimensionierung der neuen Schleusenantriebe zu erreichen und möglicherweise auftretende Probleme erkennen und beheben zu können, sind real gemessene Werte die Voraussetzung – auch zum Abgleich mit den veralteten Daten.“

Messen ohne konstruktive Veränderungen

Vielerorts werden Schiffschleusenanlagen und Wehre durch Althens Messtechnik überwacht. Dabei liefert das Unternehmen nicht nur die Komponenten, wie zum Beispiel Kraft- und Wegaufnehmer, Neigungssensoren und Messverstärker, sondern unterstützt Kunden auch bei der Konstruktion, Inbetriebnahme sowie bei technischen Problemen. Falls erforderlich, werden Sonderlösungen entwickelt, die für die vorliegende Applika­tion notwendig sind – so auch hier. Dabei war zu überlegen, wie sich das Ziel mit einem möglichst geringen Aufwand hinsichtlich konstruktiver Veränderungen an der Anlage erreichen ließ. Die Lösung mit eigens entwickelten Lastmessbolzen entsprach dieser Anforderung, und die Schleusenanlage konnte nach Abschluss einer Messreihe innerhalb weniger Minuten wieder in den Originalzustand zurückgebaut werden.

Spezifische Lastmessbolzen

Zur Bestimmung der Schub- und Zugkräfte beim Verfahren der Schiebetore wurden Bolzenverbindungen zwischen den beiden Schubstangen und dem eigentlichen Torelement durch speziell entwickelte Lastmessbolzen ersetzt. Ein solcher Messbolzen lässt sich nicht als Standardprodukt beziehen. Kundenseitig wurden mehrere Gabelköpfe an den Schubstangen vermessen, und Althen hat einen entsprechenden Bolzentyp entwickelt. Ebenso bei den Brechbolzen in den Kupplungen: Die vier Brechbolzenkupplungen in den zwei Antriebssträngen zwischen Getriebeeinheit und den Antriebsritzeln ermöglichen eine Messung des Antriebsdrehmoments während der Torfahrt. Auch hierfür gibt es keine Standardbauform eines Kraftaufnehmers, Althen konstruierte dafür spezifische Lastmessbolzen. Unter Berücksichtigung des Hebelarms konnte hieraus das Drehmoment ermittelt werden. Was das bedeutet, erläutert Holger Piscator, Leiter Entwicklung und Fertigung bei Althen: „Wenn Messwerte nicht mit Aufnehmern aus dem Katalog erfasst werden können, muss man sich bewusst sein, dass der zusätzliche Entwicklungsaufwand die Planungszeit deutlich verlängert.“

Insgesamt benötigte das Projekt ein halbes Jahr Vorlaufzeit vor den eigentlichen Messungen – zum einen aufgrund der Eigenentwicklungen, zum anderen auch, weil die Messungen im laufenden Betrieb stattfinden mussten. Man musste einplanen, wann Sperrungen möglich waren und wann die Schleusenanlage wieder einsatzbereit sein musste. Die Sperrungen für die Messungen und den entsprechenden Auf- und Abbau erfolgten dann immer nur für wenige Stunden. Insbesondere nachts musste der Betrieb einwandfrei laufen. Eine Herausforderung war dabei vor allem die enorme Verkabelung, die nach jeder Messung teilweise wieder zu entfernen war.

Zur späteren Analyse der gemessenen Kräfte war auch die Erfassung der Position der Schiebetore erforderlich. Dies erfolgte über die parallele Auswertung von vorhandenen Signalen der bauseitig vorhandenen Drehimpulsgeber, ohne die Anlage in der Betriebsbereitschaft zu beeinflussen. Daneben sorgte Althen auch für eine Dokumentation der Motorleistung. Die Motorströme der Antriebsmotoren werden von der Steuerung der Schleusenanlage permanent überwacht, um kritische Betriebszustände zu erkennen und die Anlage vor Überlastung zu schützen. Diese Steuersignale wurden ebenfalls gemessen. Alle während der Torfahrten ermittelten Messsignale wurden mit einem Datenlogger vom Typ Graphtec GL7000 mit zwei analogen Eingangsmodulen aufgezeichnet. Die zugehörige Software ermöglichte eine unkomplizierte Auswertung.

Messaufbau vorher getestet

Die Messungen wurden zwei Wochen lang durchgeführt und von zwei Ingenieuren von Althen komplett begleitet. Wichtig ist hier, dass alle Beteiligten an einem Strang ziehen. Mit den Mess­ergebnissen lassen sich die ursprünglichen Daten und die bisherigen theoretischen Berechnungen validieren. Darüber hinaus ermöglichen die gewonnenen Detailinformationen eine weitere Optimierung der Schleusenanlage.

Von Montserrat Ares.

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