Grundlagenuntersuchung zur Prozessinteraktion bei hochfrequent schwingenden Werkzeugen zur Bodenbearbeitung
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Bearbeitung des Forschungsprojektes zur Zugkraftreduzierung durch hochfrequente Schwingungsanregung am Beispiel der Bodenbearbeitung erfolgte durch das Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge (IMN) der Technischen Universität Braunschweig in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) der Leibniz Universität Hannover. Übergeordnetes Ziel war der Aufbau eines tiefergehenden Verständnisses über die Vorgänge am schwingenden Werkzeug bei der Werkzeug-Boden- Interaktion mithilfe von simulativen Methoden sowie durch Versuchsdurchführung. Das Ziel des Arbeitspaketes 1 war die Messung eines Lastprofils auf der Oberfläche eines Grubberzinkens im realen Versuch. Durch ein speziell entwickeltes Messwerkzeug konnten erstmalig Lastprofile während der realen Werkzeug-Boden-Interaktion gemessen werden. Diese Versuche wurden in einer Bodenrinne für die unterschiedlichen Prozessparameter Bearbeitungsgeschwindigkeit und -tiefe sowie bei unterschiedlichen Bodenwassergehalten durchgeführt. Diese Ergebnisse konnten unmittelbar für das Schwingungsmodell und als Validierungsgrundlage für die DEM Simulation verwendet werden. Neben der Erfassung der Belastungen im realen Versuch wurden in Arbeitspaket 2 Simulationsmodelle zur Berechnung von Werkzeuglasten entwickelt. Das entwickelte Diskrete Elemente Modell wurde zunächst aus Bodenversuchen parametriert. Es folge die Abbildung des in Arbeitspaket 1 untersuchten Messzinkens. Mit Hilfe der im Versuch ermittelten Messergebnisse konnte das Bodenmodell angepasst werden. Die durchgeführten Messungen und Simulationen dienten dem Systemverständnis des belasteten Ultraschallzinkens und der Auslegung optimierter Werkzeuge. Schließlich wurde eine Methode erarbeitet, die eine simulative Abbildung eines schwingenden Ultraschallwerkzeugs mit der DEM ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, den Effekt der Zugkraftreduktion mit der DEM abzubilden. Die Simulationsergebnisse konnten durch die im Versuch ermittelten Messwerte bestätigt werden. Dabei lagen sowohl absolute Zugkräfte wie auch die relativen Zugkraftreduktionen nah an den gemessenen Werten. Zudem konnte gezeigt werden, wie mithilfe der Simulation die Geschwindigkeit des Bodens auf der Werkzeugoberfläche untersucht werden kann. Diese relative Geschwindigkeit zwischen Werkzeug und Boden kann bislang nicht im Versuch gemessen werden und stellt eine wichtige Größe bei der Systembeschreibung dar. In mehreren Versuchsreihen im Rahmen des Arbeitspaketes 5 wurde das grundlegende Verhalten von schwingenden Ultraschallzinken untersucht. Dabei stand die Optimierung des Systems im Fokus. Dazu wurden durch das IDS spezielle Ultraschallwerkzeuge konzipiert und ausgelegt. Die Gesamterprobung erfolge an den Prüfständen des IMN. Die Schwingungsregelung des Zinkens wurde verbessert, was einen robusteren Betrieb des Systems ermöglicht. Damit konnte der Zugkraftreduktionseffekt nun auch bei deutlich höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten (bis 3 m/s) erreicht werden. Zudem konnte die Zugkraftreduktion gesteigert und die elektrische Energieaufnahme, bzw. der Gesamtenergieaufwand des Systems gemessen und reduziert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018). Geometry-discrete load measurement on a cultivator tool. Landtechnik – Agricultural Engineering, 73(2)
Bührke, J., Schramm, F., & Frerichs, L.
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Berechnung des Lastprofils eines Grubberzinkens mit der Diskreten Elemente Methode, 76. Internationale Landtechnik Tagung 2018, S. 101 - 110, VDI Verlag GmbH, 2018, ISBN 978-3-18-092332-1
Bührke, J., Schramm, F., & Frerichs, L.
