Table Of ContentVerfahren 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
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© Springer·Verlag, Berlin, Heidelberg 1997.
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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
