Aktuelle Arbeiten, Cern am 26.09.2017 Andreas Wohlfahrt, Gerd Kuhlmann Vorstudie „Logistikkonzept“ als Beitrag zur Future Circular Collider (FCC) Study des Europäischen Kernforschungszentrums CERN Arbeitstreffen (Cern) Aktuelle Arbeiten, Cern am 26.09.2017 Andreas Wohlfahrt, Gerd Kuhlmann deutsch

Recent work, Cern 26. Sept. 2017 Andreas Wohlfahrt, Gerd Kuhlmann Preliminary study "Logistics Concept" as a contribution to the Future Circular Collider (FCC) Study of the European Center for Nuclear Research CERN meeting Recent work, Cern 26. Sept. 2017 Andreas Wohlfahrt, Gerd Kuhlmann english

Topics: Aufgabenstellung Ausgangslage, gegebene Daten, Randbedingungen, bereits bekannte Anforderungen Arbeitsschritte Detaillierung der Datenbasis prinzipielle Transportmethoden Konzepte des Transportfahrzeugs deutsch

Topics: task Initial situation, given data, boundary conditions, already known requirements workflow detailing data base principle transport methods Concepts of the transport vehicle english

Aufgabenstellung Für den Circular Collider (FCC) sind zu folgenden Themenstellungen Lösungsvorschläge zu erarbeiten Transport der FCC-Cryo-units innerhalb der Röhre Handling der FCC-Cryo-units beim Einbau in den Ring Transport auf Gefällestrecke, Ablassen mit Lastaufzug Erarbeitung von Designvorschlägen für das Transportvehikel Erarbeitung von Designvorschlägen für die Handlingseinrichtungen Marktrecherche, ggf. Einbeziehung industrieller Partner Erarbeitung eines Sicherheitskonzeptes deutsch

Tasks for the Circular Collider (FCC) Solutions are to be worked out on the following topics Transport of the FCC-Cryo-Units within the tube Handling of the FCC-Cryo-Units when installed in the tube Transport of the FCC-Cryo-Units on slope, draining with load lift Development of design proposals for the transport vehicle Development of design proposals for the handling equipment Search for technology suppliers (if possible: Involving industrial partners) Development of a safety concept english

Ausgangslage, benötigte Daten, Randbedingungen, bereits bekannte Anforderungen Cryo-Unit (Geometrie, Gewicht, Restriktionen bzgl. Beschleunigung, Neigung) Tunnel (Geometrie inklusiv Störkonturen z. B. für einzuplanende Installationen, Querschnitte unterschiedlicher Tunnelsektionen, Anzahl und Anordnung der zum Tunnel führenden Zugangsschächte oder Zugangsrampen) geforderte Leistungsfähigkeit (erforderlicher Durchsatz, Kompatibilität mit bestehendem Zeitplan) sonstige Temperatur und Luftfeuchtigkeit Schmutzbelastung Beleuchtung im Tunnel Strahlung (vorhanden und wenn, wie hoch?) Verkehr (was verfährt im Tunnel?) Zulässige Neigung Magnet (Neigung Fahrstrecke) deutsch

Initial situation, required data, boundary conditions, already known requirements Cryo-Unit (geometry, weight, restrictions on acceleration, permitted inclination) Tunnel (geometry including interference contours, installations to be planned, cross sections of different tunnel sections, number and arrangement of the tunnel access shafts or access ramps, max slope) Required performance (required throughput, compatibility with existing schedule) others Temperature and humidity soil load / pollution in the tunnel Lighting conditions in the tunnel Radiation (available and if, how high?) Traffic (what happens in the tunnel during transportation of the Cryo-Units?) english

Datenbasis und Randbedingungen Transport und Handling in der Röhre Querschnitt durch die Röhre Position FCC Cryo-Unit, Freiräume und Störkonturen für Transport und Handling deutsch

Data base and boundary conditions Transport and Handling in tunnel Cross-section through the tube Position FCC Cryo-Unit, free spaces and interfering contours for transport and handling english

Datenbasis und Randbedingungen FCC-Cryounit Zeichnung mit: Abmessungen Lastaufnahmepunkten ????? Abmessungen und Lastaufnahmepunkte ???? Masse: 82 t Auflistung Restriktionen: max. zul. Beschleunigung: max 0,1g max. zul. Neigung: max 0,6% ??? ……………… ………………………. ……………………… ………………………. FCC - Unit Geometrie, Restriktionen, Krafteinleitungspunkte deutsch

Data base and boundary conditions FCC-Cryo-Unit Drawing with: Dimensions Load bearing points ? Drawing with: Dimensions Load bearing points ? weight: 82 t Listing Restrictions: max. Permissible acceleration: max. 0,1g max. Permissible inclination: max. 0,6% ? ……………… ………………………. ……………………… ………………………. FCC – Cryo - Unit Geometry, restrictions, force initiation points english

Arbeitsschritte Erfassung Datenbasis und Randbedingungen Suche nach und Bewertung von geeigneten Wirkprinzipen für Transport und Handling der FCC Cryo-Units in der Röhre unter besonderer Berücksichtigung von Schwerlasttransport unter Tage bei beengten Verhältnissen Lenkung Navigation Energieversorgung der Wirkkomponenten Sicherheit (Kollisionsvermeidung, Personenschutz) Leistungsfähigkeit (Durchsatz) Erstellung eines Gesamtkonzeptes für Transport und Handling der FCC Cryo-Units innerhalb des Tunnels Designvorschläge für Transportvehicel Designvorschläge für Handlingseinrichtung deutsch

Tasks / next steps Recording the data base and boundary conditions Search for and evaluation of suitable principles for the transport and handling of the FCC-Cryo-Units in the tube with special consideration of: heavy transport under cramped conditions (in tunnels) steering navigation Power supply of the active components Safety (collision avoidance, personal protection) Performance (throughput) Design of an overall concept for the transport and handling of FCC-Cryo- Units within the tunnel: Concept: Transport vehicles Concept: Handling equipment english

Übersicht Transportkonzepte Grundprinzipe: Anhänger (ohne Antrieb) mit Zugmaschine Tieflader mit Zugmaschine Separate Wagen mit Zugmaschine Tieflader mit eigenem Antrieb Transportwagen mit eigenem Antrieb Separate Wagen mit Antrieb und Auflage deutsch

Overview Transport Concepts basic principles: Trailer (without drive) with tractor Trailer (low profile) with tractor Separate carts with tractor Transport vehicle (low profile) with its own drive Transport vehicle with its own drive Separate carts with drive and support english

Favorit Transportkonzept: Separate Wagen mit Zugmaschine Wagen (hintere Position) Cryo-Unit Wagen (vordere Position) Fahrtrichtung Konzept mit Front- und Heckhänger Aktive Lenkung am Heckanhänger erforderlich Lenkung ohne Überbestimmung Vorteile: Bei Leerfahrt (Rückfahrt) können die separaten Wagen platzsparend gekoppelt werden Separate Wagen sind wendig Transport im Tunnel deutsch

Favorit Transport concept: Separate wagon with tractor Cart (rear position) Cryo-Unit Cart (front position) direction of travel Concept with front and rear trailer / cart Active steering on rear trailer required Steering without over-determination Advantages: In the case of idle (return), the separate carts can be coupled in a space-saving manner Separate carts are manoeuvrable Transport in tunnel english

Lösungsansätze Transportvehikel Fahrwerk mit Pendelfunktion Frei drehbare Plattform. Auflage für FCC-Cryostat Lenkachse Elektrozylinder (Ansteuerung der Lenkung) Pendelachse Elastischer Hochleistungswerkstoff auf PUR-Basis. Dämpfungselement gegen Schwingung und Stoßbelastung Lenkbares Fahrwerk mit Schwerlastrollen Deichsel (Einsatz als Anhänger) Ansicht Rückseite: deutsch

Solutions Transport vehicle rotatable platform Support for the FCC-Cryo- Unit steering axle Linear cylinder (Steering device) swing axle Elastic high-performance PUR-based material. Damping element against vibration and impact steerable Chassis with heavy duty rollers Drawbar (use as a trailer) View / backside: english

Transport Cryo Unit im Tunnel: Zugmaschine Recherche nach marktverfügbaren Lösungen: Max. Anhängelast: 80000 kg Eigengewicht: 9000 kg Geschwindigkeit: 1,9 m/s (7 km/h) mit Last 5,3 m/s (19 km/h) ohne Last Optionen: Suche nach marktverfügbaren Fahrzeugen (ggf. Modifikation) Gestaltung als vollautomatischen Systems (fahrerlos) http://www.volk.de/elektroschlepper/efz_80n/efz_80n.html deutsch

Transport Cryo Unit in the tunnel: tractor Search for marketable solutions: Max. towable: 80000 kg weight: 9000 kg speed: 1,9 m/s (7 km/h) loaded 5,3 m/s (19 km/h) unloaded options: Search for marketable vehicles (modification if necessary) Design as fully automatic system (driverless) http://www.volk.de/elektroschlepper/efz_80n/efz_80n.html english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung (Konzept 1) Drehachse Längsverschiebbarkeit Hydraulikzylinder Querfahrt deutsch

solution handling device (concept 1) axis of rotation Movable in longitudinal direction hydraulic cylinder drive-direction: lateral english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung (1b) Sekundärrollen zustellbare Sekundärrollen ermöglichen Leerfahrt in Längsrichtung deutsch

solution handling device (concept 1b) Secondery wheels Adjustable secondary pulleys enable the vehicle to travel longitudinally english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung (2) Obere Endlage Schwenkachse Fahrwerk Untere Endlage Drehachse Längsverschiebbarkeit (Linearführung) Fahrantrieb (Motor, Kette, Ritzel) Querfahrt Linearzylinder (Hubzylinder) deutsch

Solutions handling device (concept 2) Longitudinal displaceability (linear bearing) Upper end position Swivel axle chassis Lower end position axis of rotation Traction drive (motor, chain, pinion) drive-direction: lateral Linear cylinder (lifting cylinder) english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung (3) mit Spindelhubgetriebe Drehachse Längsverschiebbarkeit (Linearführung) Obere Endlage Untere Endlage Fahrantrieb (Motor, Kette, Ritzel) Querfahrt Spindelhubgetriebe deutsch

Solutions Handling device (3) with screw jack axis of rotation Upper end position Longitudinal displaceability (linear bearing) Lower end position Traction drive (motor, chain, pinion) drive-direction: lateral Screw jack english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung: Lenkung Fahrantrieb mittels zwei Elektromotoren Die Zustellbare Lenkrolle (durch Linearzylinder) ermöglicht eine hohe Wendigkeit der Handlingseinrichtung Einsatz der Lenkrolle nur im ungeladenen Zustand Fahrantrieb durch zwei Elektromotoren Linearzylinder Schwenkeinrichtung Lenkrolle deutsch

Solutions: Handling device: Steering Drive by means of two electric motors The adjustable steering roller (by means of linear cylinders) enables a high maneuverability of the handling device Use of the castor only in unloaded condition Drive by two electric motors linear cylinder Pivoting arrangement castor english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung: Lenkung Die Zustellbare Lenkrolle ermöglicht eine hohe Wendigkeit der Handlingseinrichtung Linearzylinder stellt die Lenkrolle zu Nichtangetriebene Rollen heben vom Boden ab Drehbare Lenkrolle deutsch

Solutions: Handlings device: Steering Die Zustellbare Lenkrolle ermöglicht eine hohe Wendigkeit der Handlingseinrichtung The castor is added to/by the linear cylinder Non-driven rollers lift off the ground Rotating castor english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung: Lenkung Drehung auf der Stelle möglich deutsch

Solutions: Handlings device: Steering Rotation possible on the spot english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung: Bodenkontakt Ausgleichen von Unebenheiten im Boden durch flexibles Fahrwerk Unebenheit im Boden Schwenkachse Fahrwerk deutsch

Solutions: Handling device: ground contact Compensation of uneven ground by flexible chassis uneven ground Swivel axle chassis english

deutsch FCC-Cryostat Fronthänger Heckhänger Lösungsansatz Transport und Handhabung des Cryo-Unit im Tunnel (Konzept 2) FCC-Cryostat Fronthänger Heckhänger Handlingsfahrzeug für Endladung und Einbau Konzept mit Front- und Heckhänger Aktive Lenkung am Heckanhänger erforderlich Lenkung ohne Überbestimmung deutsch

english FCC-Cryostat Front-trailer Rear-trailer Solutions Transport and handling of the Cryo-Units in the tunnel (concept 2) FCC-Cryostat Front-trailer Rear-trailer Handling vehicle for unloading and installation Concept with front and rear trailer Active steering on rear trailer required Steering without over-determination english

Lösungsansätze Handlingseinrichtung (Notfallstrategie) FCC-Cryo-Unit Kransystem zur Handhabung des FCC-Cryostat Tunnel Transportfahrzeug mit Cryo-Unit beladen Cryo-Unit in montierter Position Vorrichtung zur Aufnahme und Ausrichtung (z.B. Rotation und Hub) des Cryo-Unit Vorteil: Seilsystem kann Objekt auch bodennah aufnehmen deutsch

solutions handling device (in case of emergency / emergency strategy) FCC-Cryo-Unit Crane system for handling the FCC- Cryo-Unit Transport vehicle loaded with Cryo-Unit Tunnel Cryo-Unit fitted in Tunnel Device for receiving and aligning the Cryo-Unit (for example for the purpose of rotation and stroke) Advantage: rope system can also lift up object close to the ground english

Dimensionierung Durchsatz Erforderliche Zeiten und Laufleistungen je Fahrzeug für den Transport der FCC Cryo-Units innerhalb der Röhre in Abhängigkeit von Fahrstecke, Geschwindigkeit und Mehrfachanordnung deutsch

Dimensioning Throughput Time required for transport of the FCC Cryo-Units within and running per vehicle into the tube as a function of the travel route, speed and multiple arrangement. english

Resultierende Anforderungen Bodenbeschaffenheit (erforderliche Ebenheit und zulässige Belastung je nach ausgewählten Transportvehikeln bzw. Handlingseinrichtungen) Wie genau muss die Cryo-Unit ausgerichtet werden, um Funktionalität und Montierbarkeit von Cryo-Unit an Cryo-Unit gewährleisten zu können. (Winkeldifferenz, Verdrehung zueinander, Versatz in alle Längsachsen) deutsch

Resulting requirements Soil (floor) structure (required flatness and permissible load depending on the selected transport vehicle or handling equipment) How exactly does the Cryo-Unit have to be aligned in order to ensure the functionality and mountability of Cryo-Unit at Cryo-Unit. (Angle difference, twist to each other, offset in all longitudinal axes) english

Sicherheit Sicherheitskonzept Watch Dog – Fahrzeug (Spion – Fahrzeug) Fährt vor dem Transportfahrzeug im Tunnel, um Kollisionen des Transportfahrzeugs zu verhindern. Abstand vom Watch Dog zum Transportfahrzeug = mindestens Bremswegdistanz (Länge des Bremsweges des Transportfahrzeugs bei Vollbremsung bis zum Stillstand) Mögliche Unfallursachen: Montagewerkzeuge Reinigungsmittel, Baustoffe, etc., die im Tunnel verblieben sind. Bergekonzept: Tausch der Zugmaschine, Zugmaschine zieht Zugmaschine, Spezialkran siehe Folie „handling device (in case of emergency / emergency strategy)” deutsch

Safety security concept Watch Dog = Vehicle moves in front of the transport vehicle in the tunnel to prevent collision of the transport vehicle. Distance from the watchdog to the transport vehicle = at least the distance between the braking distance (length of the braking distance of the transport vehicle during full braking to a standstill) Possible causes of accidents: assembly tools cleaning tools, building materials, etc., which have remained in the tunnel. Recover concept exchange of tractor, tractor pulling tractor, special crane see slide “handling device (in case of emergency / emergency strategy)” english

Übersicht Ausführung der Fahrstrecke Grundprinzipe: Fahrstrecke des Transportfahrzeugs Betonbelag als Fahrstrecke Schienensystem bodenseitig als Fahrstrecke (Prinzip Zug) Schienensystem decken- oder Wandseitig als Fahrstrecke (Prinzip Hängebahn) Streckenunachängig (z.B. Luftkissen) Nachteile: - aufgrund von - Aufwirbelung durch Luftdruck im Tunnel Bei Druckabfall Absacken des Fahrzeuges + Ladung Nachteile: - aufgrund von - Feuerschutztrennung im Tunnel Kosten Hindernisbildung Nachteile: - aufgrund von - Feuerschutztrennung im Tunnel Kosten Hindernisbildung deutsch

Overview Execution of the track Basic principles: Driving route of the transport vehicle Concrete covering as a track Rail system on the ground side as a track (principle of train) Rail system on the ceiling or on the wall as a track (principle suspension track) Air buffer disadvantage: - Swirling due to air pressure in the tunnel - In case of pressure drop bagging of the vehicle + load disadvantage: - fire protection in the tunnel - costs - obstacle Education disadvantage: - fire protection in the tunnel - costs - obstacle Education english

Übersicht Energieversorgung Grundprinzipe: Energieversorgung des Transportfahrzeugs Dieselaggregat Hydraulisch oder elektrisch (mit Dieselaggregat) Elektroantrieb Hybrid Nachteile: - aufgrund von Emissionen Nachteile: - aufgrund von Emissionen Nachteile: - aufgrund von Emissionen mit Batterie Ladestationen entlang der Fahrstrecke mit Schleifleitung deutsch

Overview Power Supply Basic principles: Power supply of the transport vehicle diesel generator Hydraulic or electric (with diesel engine) electric drive Hybrid Disadvantage: due to emissions Disadvantage due to emissions Disadvantage due to emissions battery pack Charging stations along the route With contact line english

Übersicht Lenkung / Navigation Grundprinzipe: Lenkung / Navigation des Transportfahrzeugs Menschlicher Fahrer Autonomes Fahrzeug Induktive Leitung in Fahrbahn optisch Leitstreifen in Fahrbahn Markierungen an Tunnelwänden 3D-Camera / Bildverarbeitung deutsch

Overview Steering / Navigation Basic principles: Steering / navigation of the transport vehicle Human driver Autonomous vehicle Inductive line in roadway optical Conductors in roadway Markings on tunnel walls 3D camera / image processing … english

Offene Punkte: Kopffreiheit / Störkontur über die gesamte Länge des Tunnels. Installationen wie z.B. Kabelkanäle, Wasserleitungen, Luftschächte, Abstützungen für Kabelkanäle und Wasserleitungen, etc., die möglicherweise nicht in Layouts eingezeichnet sind. Gefahr: Abstützungen, die nicht durchgängig sind und damit in der Querschnittsabbildung nicht eingezeichnet (oder nur symbolisch) sind. Zugänge zum Ringtunnel in senkrechter Form (D=18m) 6%-Steigung im Tunnel + Geraden zur Notbremsung Wird das zu entwickelnde Fahrzeug auch für die Wartung des laufenden Systems verwendet? Cryo-Unit bleibt bei 80 t Gewicht? deutsch

Questions: contour over the entire length of the tunnel. Installations such as cable ducts, water pipes, air shafts, supports for cable ducts and water pipes, etc., which may not be shown in layouts. Danger: supports which are not through and which are not shown in the cross section (or only symbolic). Access to the ring tunnel in vertical form (D = 18m) 6% ascent in the tunnel + straight line for emergency braking Is the vehicle to be developed also used for the maintenance of the running system? Cryo-Unit = 80 t (weight)? english