Verfahren zur Erkennung unfallträchtiger Verkantungsfälle bei handgeführten Trennschleifern PDF
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Verfahren zur Erkennung unfalltrachtiger Verkantungsralle bei handgeIlihrten Trennschleifern An der Fakultat Konstruktions-und Fertigungstechnik der Un iversitat Stuttgart zur Erlangung der Wiirde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Dipl.-Ing. Christoph Bolay aus Ohringen Hauptberichter: Prof Dr.-Ing habil, Prof e. h., Dr. h. c H.-J. Bullinger, Univ. Stuttgart Mitberichter: Prof Dr.-Ing. habil Peter Kurtz, Technische Universitat Ilmenau/Thiir. Tag der Einreichung: 17 April 1996 Tag der miindlichen Priifung: 18. Dezember 1996 Christoph Bolay Verfahren zur Erkennung unfalltrachtiger Verkantungs falle bei handgefuhrten Trennschleifern Mit 71 Abbildungen , Springer Dr.-Ing. Christoph Bolay Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke o. Professor an der Universitat Stuttgart Fraunhofer-Insti!ut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger o. Professor an der Universitat Stuttgart Fraunhofer·lnstitut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart 093 ISBN-13: 978-3-540-62767-8 e-ISBN-13: 978-3-642-47899-4 001: 10.10071 978-3-642-47899-4 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervieltaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes is! auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber· rechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils gOltigen Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer·Verlag, Berlin, Heidelberg 1997. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz·Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fOr die Richtigkeit, Volistandigkeit oder Aktualitat Obernehmen. Es empfiehlt sich, ge gebenenfalls fOr die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gOltigen Fassung hinzuzuziehen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim SPIN 10574213 62/3020-543210 Geleitwort der Herausgeber tiber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt. Das bedeutet, moglichst frtihzeitig absatzmarktorientierte Anforde rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie reno Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und er offnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet. Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes, die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die tibergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losung die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Ftih rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die tiber den Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen. Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung. Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemtihen durch die Ent wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter sttitzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Losungen zu er arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen. Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das - Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart (IFF), - Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) - Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) , - Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fur die Praxis von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Obersicht uber bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben. Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. Mage das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden. H.J. Warnecke H.-J. Bullinger Vorwort des Autors Die vorliegende Arbeit entstand zwischen 1988 und 1994 wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) der Universitat Stuttgart und basiert auf mehreren von der Industrie beauftragten Forschungs-und Entwicklungsvorhaben. Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Jorg Bullinger, Inhaber des Lehrstuhls fur Arbeitswissenschaft an der Universitat Stuttgart und Leiter des Fraunhofer-Instituts fur Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO) sowie des Instituts fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) der Universitiit Stuttgart, gilt fur die Oberlassung des Themas und die wohlwollende Forderung der Arbeit mein herzlicher Dank. Herrn Prof Dr.-Ing. habil. Peter Kurtz, Leiter des Fachgebiets Arbeitswissenschaft an der Technischen Universitat Ilmenau, danke ich fur die eingehende Durchsicht, die fruchtbaren Gesprache wahrend der Erstellung der Arbeit und fur die wertvollen Anregungen zum Thema ... 1Js diese Arbeit begonnen wurde, lag noch der sog. "Eiserne Vorhang" zwischen Stuttgart und Ilmenau. Kurz nach dem Fall dieser Grenze im November 1989 wurde von unserem Institut zur Technische Hochschule Ilmenau und den dortigen Arbeitswissenschaftlern Kontakt aufgenommen und diese Beziehungen sUindig ausgebaut. Es freut mich deshalb besonders, daB der Mitbericht dieser Arbeit von Prof Kurtz aus Ilmenau iibernommen wurde. Meinen Kollegen am Institut, die zwischen Projektarbeiten und Lehrverpflichtungen immer Zeit fur fachliche Diskussionen gefunden haben, gilt genauso mein herzlicher Dank Das gilt insbesondere auch fur die immer notwendigen kritischen Hinweise zur Arbeit. Es sei auch all jenen gedankt, die beim Aufbau und Betrieb der Versuchsstande mitgearbeitet haben oder die als Studien-oder Diplomarbeiter an den Untersuchungen mit beteiligt waren. Mein Dank gilt auch meiner Familie, insbesondere meiner Frau Ursula fur ihr Verstandnis und ihre geduldige Unterstiitzung. Das Buch wid me ich meinen Eltern Gisela und Wolfram. Bretzfeld, im Januar 1997 Christoph Bolay Inhaltsverzeichnis o ABKURZUNGSVERZEICHNIS ........••••••••........•........•••......•.....••...•.......•••....••.•...•....••••.•....• 9 1 EINLEITUNG ...................................................................................................................... 13 2 BEGRIFFSBESTIMMUNGEN, ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE ..••...•..•••• 16 2.1 Begriffsbestimmungen •..••.•..•..•......•.•..••.•..••.•.••.....•.•.••...•.•..•..••.••.•••.•••..••..••.•••.•••.•••••..••...••••....•••...•.••..•... 16 2.2 Zielsetzung. ............................................................................................................................................... 20 2.3 Vorgchensweise •............•.....•••.•........••........•••••.••..•..•....••..•.•......•..••....•..••..•..•..••...•..•..••.•......•..•...•••••••.••..• 22 3 ARBEITEN MIT FREIHANDGEFUHRTEN TRENNSCHLEIFERN ............................. 25 3.1 Ausgangszustand zur tcehnisehen Vcrbesserung des Trcnnsehleifers ...............•.•............•..•..••....•...•...• 26 ] 1.1 Stand der Forschung.. . . ..................... 26 3 1.2 Historische Ent\\icklung... . .................................................................... 28 3 1.3 AuJbau lind Ausstattung des Trennschlclfcrs .. . . ...... ... ... . ...... ~8 3.1.-1 Gegel1\\iirtige Ent\l icklungstrcnds beim Trennschlclfer... . ......... 29 3.2 Anal)se der Einsatl.bedingungen freihandgefiihrter Trennsehlcifer .•..................•.........•...................•.. 3-1 3.2.1 Eins3tzbcreiche des Trennschleifers... . .................................................................... 34 3 2 2 Unt:ille bei der Arbeit mit Trennschleifern.. . ........... 38 3 2.2.1 Unfallursachen... . ... 39 3 222 Typische YerletzlIngen durch Unfalle mit Trennschleifern .. . ....... -13 3.3 Besehreibung des Arbcitss) stems und Formulierung einer Arbeitshypothese .................................•..••. 44 3.3.1 Arbcitssystcm "Trennschlcifer" . . .... -1.-' 3 3 2 Arbeitshypothcse. .............. . ... ........ .. ..... 51 4 EXPERlMENTELLE UNTERSUCHUNG ZIELFUHRENDER PARAMETER ..•.......... 52 -1.1 Yersuchsl'l"nung •............•.......•...........•..•...................................................•.••.......................................... 52 -1.2 Besehreibung des Yersuehsaufbaus ......................................................................................................... 5-1 -1.2 I Allfbau .. .... .................... ................... ... . ......... 55 -1.2.2 MeJltechnik und Auswerteycrfahren ....................... 56 -1.3 Von'ersuehe• .......................•.............•.........•....•....•..............•...........•...•........••..........•...•.....••.•...•..•..•...•.••. 58 -1.3.1 Durchfiihrung . .. ............................................... 61 -13.2 Ergebnisse der Yoncrsuchc.... . ..(i2 ·U.2.1 Yersagen der Trennschelbc und BellutzereinfluJl ................... 62 -1.3.2.2 Sch\\ingbcschlcumgung... ... .. ............. . ... 63 -1.3.2.3 MeJldatel1\·erarbcitung... .. .. 65 -13.2 -I Arbeitshaltllng ... . ... 66 -1.3.25 Sonstige EinfluJlgroJlen. .. ... 67 -I.-l Haul'tyel·suehe. ..................................................•..........................................................•........................... 69 -I -1.1 Durchfuhrung.. .. .. 69 -I .1.2 Ergebnisse dcr Haupt\ ersuchc .. 70 -1.-1.2 I Drch1.ahl . .. .... 70 -I -I 2 2 Beschlcumgllng .. 73 -I -I 2.3 Kraft und Stromaufnahme .. 75 -l.5 Au", ahl \ crkantungsindizierender Parameter. ..............•........................•.•...•.........•......................•....... 76 -l5 1 Yorzcichenglcichc Bcschlcllnigullg 1m Trcnnschlcifcr ....... 7& -10- ~.5.2 Steuerungstcehnische Aufgabcnstellung ......................................................................... 79 5 GRENZWERTBESTIMMUNG VERKANTUNGSINDIZIERENDER PARAMETER .. 82 5.1 Versuchsplanung ...................................................................................................................................... 82 5.2 Beschrcibung des Versuchsautbaus ..••......•.•..••...••.••..•••••...........•.••.••••..•...••.•..••••••••..•••.•••••••••••••.......•••..•• 85 5.2.1 Aufbau ............................................ . ........................................ 85 5.2.2 Mellteehnik und Auswertcverfahren ....... .......................... ....................... . ....... 88 5.3 Versuchsauswertung und Diskussion der Ergebnisse. ........•.....•..••.......•...••.•.••.....•••.•..••..•.....••.•.•...•..••...• 89 5.3.1 Ergebnisse der Versuehe..................................... ........................ ................... . .... 89 5.3.1.1 Beschleunigungen bei freihandgefuhrten Trennschleifern ............... ........... ....... . ........ 89 5.3.1.2 Bewcgungsverhalten ......... . .......... 91 5.3 1.3 Besehleunigungsdauer und Stromaufnahme .... . ......................................... 9~ 5.3.2 Ergebnisse.. . ........... 99 6 SIMULATION DES TRENNSCHLEIFERS .•..........................•....................................... 107 G.l Anforderung an Funktion und Ablauf einer Trennschleifer-Simulation. ...............•...•..•..•..........•...•.... 107 6.2 Systemmodellierung ..••.•..••..•......••••••.•••..•....••••••••...••••••••••.........•.••..........••••••....•......•...•..•..•..••••.•..•....•••• 108 6.2.1 Vereinfachungen.. . .......... ................ . ...................................... 112 6.2.2 Oberpriifung des Simulationsmodells... . ..................... . ... II~ 6.3 Simulationsergebnisse ..........•...................••..........................................................•.................•............... 117 6.3.1 Einflull des Hand-Arm-Systems ...... . ........... ............................. . ..... . ........ 120 6.3.2 Wirksamkeitsabschatzung Yon Mallnahmen Lur Begrenzung dcs Anwcnderrisikos bei Vcrkantungszu- standen............................ ............ .............. ..... .. ....... ......................... .... ...... ........... . ......... 122 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK •.......•.......................................................•.... 126 8 LITERATUR ...................................•.......................................•.......................•.................. 128 9 ANHANG ...........................•......................•...•........................•...•..........................••........••. 139 9.1 Zahlcnwerte der bcrufsgenossenschaftlichen Unfallstatistik ..•..•..•.•••••••••....•••••••...••..•••••.••..••...•.•.......•• 139 9.2 Berechnung dcr Motorkennlinie ........••.•..•••.•.•........•..•.........•.••....•..••..•.••........•...•.••..•...•.••.•••••••..•..•••.••• 142 9.3 Massen und Triigheitsmomcnte des Trcnnschleifers ............................................................................ 143 9.4 Bremsmomcntbcrcchnung .......•..•..•...•••.•••......•..•...•••••...........•••...........•.••••...•••••.•..••.........•..••...•..•..•.....• 14~ 9.5 Simulation des Hand-Arm-Systems •..••.••..••....•...••...•..•..•.....•..••....•..•.•...••..•..........•••.•.•..••••.•..••.••••.•...•... 1. . 5 9.5.1 Hand-Arm-Modelle in der Literatur .. ................ . ... 145 9.5.2 Anatomische Gr6llen ........... ..................... . .... 146 9.5.2.1 Massen und Tragheitsmomentc dcs Hand-Arm-Systems ....... 1~6 9.5.2.2 Gelenkc. .................. .. ......................... 1~7 9.5.2.3 Lage der Schultergclenke ....................... 1~9 9.5.3 Anbindung Hand-Geriitegriff .................. ................... . ................................. 150 9.5A Massen-Modell ........................... . ....... 151 9.5.5 Massen-Moment-Modell .. .. ............. 152 9.6 ALASKA-Programme .•.......................•.•....•................•...•......•••........•..••.•••......•••.....•..•..•...•..••....•••......•. 153 9.6.1 Massen-Modell 153 9.6.2 Masscn-Moment-Modell.. ....................................... . ... 160 9.7 Krafteinleitungspunkte bei der "linieniOrmigen Verkantung" ....•.....••..••.•..•.....••••••••••••..•..••..••.••..•••••• IG8 o Abkiirzungsverzeichnis Zeichen Einheit Bedeutung a Beschleunigung BG Berufsgenossenschaft BGZ Berufsgenossenschaftliche Zentrale fur Sicherheit und Gesundheit, St. Augustin (bis 1995 ZefU) BK Berufskrankheit BMA Bundesministerium fur Arbeit und Sozialordnung CBN kubisches Bornitrid d mm Werkstilckdicke d/dt Differential daldt Grad/s Verkantungsgeschwindigkeit der Trennscheibe gegen die Fuge DIN Deutsche Industrienorm DSA Deutscher Schleifscheibenausschuf3 EWG Europaische Wirtschaftsgemeinschaft EU Europaische Union N Haltekraft des Benutzers N Schneidkraft in der Trennfuge N Kraft-Zeit-Verlaufan der Nabe der Trennscheibe in Richtung i N Normalkraft auf die Trennscheibe N Reibkraft auf die Trennscheibe N i. Komponente der Reibkraft auf der Trennscheibe FFT F ouriertransformation f Hz Abtastfrequenz G N Gewichtskraft h horizontal A Elektrische Stromaufnahme Il~~r A Leerlaufstrom Idf A Effektivstrom IKS Inertialkoordinatensystem (raumfestes Koordinatensystem) ISO International Standard Organization Index kgm2 Tragheitsl110ment LA dB(A) SchaJJdruckpegel, bewertet nach der A-Kurve Lp.\ dB(A) A-bewerteter Schalldruckpegel als arbeitsplatzbezogener Emissionswert m Lange m kg Masse -12- M Nm Drehmoment n I/min Drehzahl n) I/min Leerlaufdrehzahl n~ lImin Nenndrehzahl o. a. oder ahnliche (-s), (-r) o. V. ohne (Angabe des) Verfasser (5) P W Nennleistung N PC Personal Computer St Stahl m Weg R~ n ohm scher Widerstand der Ankerwicklung Rv n ohmscher Widerstand, Vorwiderstand bei Wirbel-u Gegenstrombremse Zeit Zeitraum, wahrend dem die Reibkraft auf die Trennscheibe wirkt kritische Wirkungszeit der Beschleunigung auf die Trennschleifermasse tk1"lt U v elektrische Spannung u. il. und ahnliche (-r), (-s) u.s.w. und so weiter v vertikal v mls Geschwindigkeit mls Schnittgeschwindigkeit m/s translatorische Geschwindigkeit der Trennscheibennabe gegeniiber dem raum fest en Koordinatensystem Vres mls Geschwindigkeit zw Trennscheibe u. dem Stahlblech zur Krafteinleitung in die T rennscheibe Vrot mls Drehgeschwindigkei. der Trennscheibe Vtrans mls translatorische Geschwindigkeit der Nabe gegeniiber dem IKS Vu mls Umfangsgeschwindigkeit der Trennscheibe x,y,z Achsenbezeichnung eines kartesisches Koordinatensystems ZefU Zentralstelle fur Unfallverhiitung und Arbeitsmedizin beim Hauptver- band der gewerblichen Berufsgenossenschaften, St. Augustin (ab 1995 BGZ) ZIGUV Zentrales Informationssystem der gesetzlichen Unfallversicherung beim Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften, St. Augustin a Grad Verkantungswinkel w Grad/s Winkelgeschwindigkeit der Trennscheibe rp Phasenwinke1
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