Im laufenden Betrieb Reale Messdaten bei einem Schleusenantrieb messen

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Als die Große Schleuse in Kiel-Holtenau am Nord-Ostsee-Kanal modernisiert werden sollte, waren reale Messdaten von den Antrieben der Schleusentore notwendig. Der Betrieb der Schleuse durfte nicht beeinträchtigt werden.

Die Schleusenanlage Kiel-Holtenau am Nord-Ostsee-Kanal. Mit spezieller Messtechnik wurden die auftretenden Schub- und Zugkräfte beim Verfahren der Schiebetore bestimmt.
Die Schleusenanlage Kiel-Holtenau am Nord-Ostsee-Kanal. Mit spezieller Messtechnik wurden die auftretenden Schub- und Zugkräfte beim Verfahren der Schiebetore bestimmt.
(Bild: Althen)

Der Nord-Ostseekanal (NOK) verbindet die Nordsee mit der Ostsee und wurde im Jahr 1895 eröffnet. Die jeweiligen Ein- und Ausfahrten des Kanals werden über Schleusen geregelt. Auf der Kieler Seite befindet sich die Schleusenanlage Kiel-Holtenau an der Kieler Förde. Ihr Gegenstück ist die Schleuse Brunsbüttel an der Nordsee. Die Bedeutung der Wasserstraße ist für den europäischen Warentransport immens; der NOK ist die meist befahrene künstliche Seeschifffahrtsstraße der Welt.

Bastian Maaß ist für technische Querschnittsaufgaben im Wasserstraßen-Neubauamt Nord-Ostsee-Kanal zuständig. „Sogenannte Feeder-Schiffe nutzen den Nord-Ostsee-Kanal, um als Zubringer die Seeschiffe an den großen Seehäfen mit Containern zu versorgen. Die Passage benötigt 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.“

Kenndaten der Schleusentoranlage ermitteln

Im Hintergrund schließt sich das gewaltige Schleusentor mit einer Länge von 42 m einer der beiden Schleusenkammern nach Einfahrt des Schiffes. Bei dem Ersatzschleusentor im Vordergrund wird deutlich, um welch komplexe Konstruktion es sich handelt: Ein Schleusentor besteht nicht nur aus einer flachen Wand, sondern ist ein mehrere Meter breites Gebilde und ragt rund 14 Meter tief ins Wasser. Unterhalb der Wasseroberfläche ist es mit Ballasttanks versehen, um den Auftrieb des Tores je nach Anforderung zu gewährleisten.
Im Hintergrund schließt sich das gewaltige Schleusentor mit einer Länge von 42 m einer der beiden Schleusenkammern nach Einfahrt des Schiffes. Bei dem Ersatzschleusentor im Vordergrund wird deutlich, um welch komplexe Konstruktion es sich handelt: Ein Schleusentor besteht nicht nur aus einer flachen Wand, sondern ist ein mehrere Meter breites Gebilde und ragt rund 14 Meter tief ins Wasser. Unterhalb der Wasseroberfläche ist es mit Ballasttanks versehen, um den Auftrieb des Tores je nach Anforderung zu gewährleisten.
(Bild: Althen)

Bei dem hohen Schiffsaufkommen im Kanal ist es umso wichtiger, dass die zwei Schleusenanlagen reibungslos funktionieren und kein zusätzliches Nadelöhr sind. Nachdem die Kleine Schleuse in Kiel-Holtenau altersbedingt seit Juni 2014 außer Betrieb ist und komplett neu geplant und gebaut wird, kann derzeit nur die Große Schleuse mit ihren beiden Schleusenkammern genutzt werden. Sie hat eine Nutzlänge von 310 m sowie eine Nutzbreite von 42 m. Auch hier besteht Modernisierungsbedarf, nachdem die Getriebe der Schleusentore letztmalig in den 1960er Jahren erneuert wurden. Es galt also, im laufenden Betrieb die Schleuse einer Voruntersuchung zu unterziehen. Mit den gesammelten Erkenntnissen will man eine Neudimensionierung der Antriebe ermöglichen.

Das Wasserstraßen-Neubauamt Nord-Ostsee-Kanal beauftragte den Ingenieurdienstleister Tractebel Hydroprojekt mit den notwendigen Voruntersuchungen und Tractebel holte Althen Mess- und Sensortechnik für die notwendigen Messungen mit ins Boot. Ziel war es, relevante Kenndaten der vorhandenen Schleusentoranlage zu ermitteln.

„Wir verfügen über jahrzehntelange praktische Erfahrung mit jedem einzelnen Schleusentor“, erzählt Bastian Maaß, „und es liegen noch Daten und Berechnungen aus den 1960er Jahren vor. Jedoch sind die absoluten Messwerte, wie auftretende Lastspitzen, nicht bekannt. Damit die neuen Schleusenantriebe passgenau dimensioniert werden können und möglicherweise auftretende Probleme erkannt und behoben werden können, sind real gemessene Werte notwendig – auch zum Abgleich mit den veralteten Daten.“

Messdaten ohne die Konstruktion zu verändern

Über den Gabelkopf wird der Antrieb am Torelement angekuppelt. Der eigentliche Verbindungsbolzen wurde für die Messungen durch einen eigens entwickelten Lastmessbolzen ersetzt, der misst, mit welcher Kraft das Tor zugeschoben oder geöffnet wird.
Über den Gabelkopf wird der Antrieb am Torelement angekuppelt. Der eigentliche Verbindungsbolzen wurde für die Messungen durch einen eigens entwickelten Lastmessbolzen ersetzt, der misst, mit welcher Kraft das Tor zugeschoben oder geöffnet wird.
(Bild: Althen)

Bereits seit seiner Gründung im Jahr 1975 ist Althen im Verkehrswasserbau tätig. Vielerorts überwacht Messtechnik von Althen Schiffschleusenanlagen und Wehre. Das Unternehmen liefert nicht nur die Komponenten, wie Kraft- und Wegaufnehmer, Neigungssensoren und Messverstärker, sondern berät und unterstützt auf Wunsch den Kunden auch bei der Konstruktion, Inbetriebnahme sowie bei eventuellen technischen Problemen.

Falls erforderlich, werden Sonderanfertigungen entwickelt, die für die jeweilige Applikation notwendig sind. Das war auch bei der Schleusenanlage notwendig. Die Entwickler mussten sich überlegen, wie das Ziel mit einem möglichst geringen Aufwand hinsichtlich konstruktiver Veränderungen an der Anlage erreicht werden konnte. Die gewählte Variante mit eigens entwickelten Lastmessbolzen entsprach der Anforderung und die Schleusenanlage konnte nach Abschluss einer Messreihe innerhalb weniger Minuten wieder in den Originalzustand zurückgebaut werden.

Über den Gabelkopf wird der Antrieb am Torelement angekuppelt. Der eigentliche Verbindungsbolzen wurde für die Messungen durch einen eigens entwickelten Lastmessbolzen ersetzt, der misst, mit welcher Kraft das Tor zugeschoben oder geöffnet wird.
Über den Gabelkopf wird der Antrieb am Torelement angekuppelt. Der eigentliche Verbindungsbolzen wurde für die Messungen durch einen eigens entwickelten Lastmessbolzen ersetzt, der misst, mit welcher Kraft das Tor zugeschoben oder geöffnet wird.
(Bild: Althen)

Die auftretenden Schub- und Zugkräfte beim Verfahren der Schiebetore konnten bestimmt werden, indem Bolzenverbindungen zwischen den beiden Schubstangen und dem eigentlichen Torelement durch speziell entwickelte Lastmessbolzen ersetzt wurden. Ein solcher Messbolzen lässt sich nicht als Standardprodukt beziehen. Kundenseitig wurden mehrere Gabelköpfe an den Schubstangen vermessen und von Althen ein entsprechender Bolzentyp entwickelt.

Ebenso wurde bei den Brechbolzen in den Kupplungen verfahren: Die vier Brechbolzenkupplungen in den zwei Antriebssträngen zwischen Getriebeeinheit und den Antriebsritzeln ermöglichen eine Messung des Antriebsdrehmoments währen der Torfahrt. Auch hierfür gibt es keine Standardbauform eines Kraftaufnehmers, sondern Althen konstruierte spezifische Lastmessbolzen für diesen Anwendungszweck. Unter Berücksichtigung des Hebelarmes konnte ließ sich das Drehmoment ermitteln.

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Zusätzlicher Aufwand bei Sonderanfertigungen

Eigenentwicklung von Althen: LPRZ-Lastmessbolzen mit einem Messbereich von 150 Kilonewton.
Eigenentwicklung von Althen: LPRZ-Lastmessbolzen mit einem Messbereich von 150 Kilonewton.
(Bild: Althen)

Was eine solche Sonderentwicklung für die zeitliche Planung 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. Diese Voraussetzung erforderte eine detaillierte Planung, 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. Problematisch war die enorme Verkabelung, die nach jeder Messung teilweise wieder entfernt werden musste.

Getriebe mit Brechbolzenkupplung: Die roten Elemente sind die eingebauten Kraftaufnehmer von Althen, die die eigentlichen Brechbolzen während der Messungen ersetzen. Letztere sind Formteile, die bei einer definierten Kraft brechen und damit eine Überlastung des Systems vermeiden. Über die Kraftmessung kann indirekt das Drehmoment berechnet werden, das auf das Ritzel wirkt, mit dem das Schleusentor verfahren wird.
Getriebe mit Brechbolzenkupplung: Die roten Elemente sind die eingebauten Kraftaufnehmer von Althen, die die eigentlichen Brechbolzen während der Messungen ersetzen. Letztere sind Formteile, die bei einer definierten Kraft brechen und damit eine Überlastung des Systems vermeiden. Über die Kraftmessung kann indirekt das Drehmoment berechnet werden, das auf das Ritzel wirkt, mit dem das Schleusentor verfahren wird.
(Bild: Althen)

Zur späteren Analyse der gemessenen Kräfte muss auch die Position der Schiebetore erfasst weden. Das erfolgte über die parallele Auswertung von vorhandenen Signalen der bauseitig vorhandenen Drehimpulsgeber, ohne die Anlage in der Betriebsbereitschaft zu beeinflussen. Daneben sorgte Althen für eine Dokumentation der Motorleistung.

Die Motorströme der Antriebsmotoren werden von der Steuerung der Schleusenanlage permanent überwacht, um eventuell auftretende kritische Betriebszustände zu erkennen und die Anlage vor Überlastung zu schützen. Diese vorhandenen 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 dem Kunden eine unkomplizierte, schnelle Auswertung.

Messungen im Vorfeld durchgetestet

Gemessen wurde zwei Wochen lang und von zwei Ingenieuren von Althen komplett begleitet. Wichtig bei einem Projekt solcher Größenordnung ist, dass alle Beteiligten an einem Strang ziehen und die verschiedenen Aufgabenbereiche gut koordinieren.

Bastian Maaß: „Wir waren beeindruckt, wie gut Althen auf die Messaufgaben vorbereitet war, alles bereits im Vorfeld durchgetestet hatte und wie reibungslos der oft komplizierte Verdrahtungsanteil funktioniert hat.“ Für Holger Piscator gehört die sorgfältige Vorplanung unbedingt dazu, um letztlich auch den zeitlichen Rahmen einzuhalten: „Um die Messreihen zügig und problemlos durchführen zu können, wurde der gesamte Messaufbau inklusive der Verdrahtung und Programmierung aller Messgeräte bei Althen vorgenommen und getestet, um eine schnelle Montage und Inbetriebnahme an der Schleuse sicherzustellen.“

Mit den jetzt vorliegenden Messergebnissen lassen sich die ursprünglichen Daten und die bisherigen theoretischen Berechnungen validieren. Außerdem konnte man aus den gewonnen Detailinformationen die Schleusenanlage weiter optimieren.

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