Grundlagenuntersuchung zur Prozessinteraktion bei hochfrequent schwingenden Werkzeugen zur Bodenbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr. Ludger Frerichs; Dr.-Ing. Jens Twiefel; Professor Dr.-Ing. Jörg Wallaschek
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271387855

Die Bodenbearbeitung stellt eine der grundlegenden Aufgaben der Landtechnik dar, um optimale Wachstumsbedingungen für Kulturpflanzen zu schaffen. Die nichtwendende Bodenbearbeitung mit dem Grubber hat einen hohen Stellenwert, da im Vergleich zur wendenden Bodenbearbeitung eine höhere Produktivität bei geringerem Energiebedarf erzielt wird. Aufgrund der großen zu bewegenden Massen gehört die nichtwendende Bodenbearbeitung dennoch zu den Verfahrensschritten mit dem höchsten Zugkraft- und Energiebedarf. Aus diesem Grund ist die Erarbeitung von Grundlagen für die Reduktion der notwendigen Zugkraft ein lohnenswertes Ziel. Die Optimierung der Formgebung der Werkzeuge ist eine vielversprechende durch Forschungsinstitutionen zu untersuchende Maßnahme. Eine andere sehr erfolgversprechende Methode ist die Überlagerung der Bewegung des Bodenwerkzeugs mit Ultraschallschwingungen. Die Machbarkeit und das erzielbare Einsparpotential wurden im vorangegangenen DFG-Projekt, das von den beiden antragstellenden Instituten bearbeitet wurde, nachgewiesen. Durch den Einsatz der Ultraschalltechnik konnte die Reibkraft um mehr als die Hälfte reduziert werden. Es stellte sich dabei heraus, dass die umweltbedingten variablen Wechselwirkungen zwischen Werkzeug und Boden einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis ausüben. Diese Effekte und die Möglichkeiten zur Beeinflussung sind bisher unzureichend untersucht und behindern die Nutzbarmachung der bisherigen Arbeiten. Im vorgeschlagenen Projekt werden diese Wechselwirkungen unter zwei wesentlichen Aspekten untersucht: Die Wirkung des Bodens auf das Ultraschallwerkzeug (Betriebsschwingungsform, Amplitudengröße, Energiefluss) und die Wirkung auf den Bodenfluss um das Werkzeug. Beide Aspekte werden modellbasiert und experimentell grundlegend untersucht. Hierfür kommen DEM- und FEM-Algorithmen zum Einsatz. Mit Hilfe eines Belastungsprüfstands werden die Modelluntersuchungen zur Boden-Werkzeug-Interaktion validiert und Parameterstudien durchgeführt. Hinzu kommen Untersuchungen mit einem mobilen Versuchsträger unter realen Feldbedingungen. Mit den gewonnenen Ergebnissen wird ein neues Ultraschallwerkzeug entworfen, mit dem sowohl der Effekt als auch die entwickelten Modelle validiert werden. Eine Besonderheit ist die integrierte Echtzeit-Schwingungsformerfassung, mit der während des Werkzeugeinsatzes auf dem Feld unter natürlichen Umgebungsbedingungen die Ultraschallbewegung des Werkzeugs visualisiert werden kann. Eine prinzipbedingte, implizierte Forschungsfrage lässt sich ebenfalls im Rahmen des Projektes klären: Lassen sich aus den Rückwirkungen der Werkzeug-Boden-Interaktion auf den Ultraschallschwinger Aussagen über die Bodenbeschaffenheit treffen? Im Idealfall könnten über Messungen am Ultraschallwerkzeug noch zu spezifizierende Bodeneigenschaften erfasst werden. Mittels Kartierung würden damit wichtige Bodeninformationen für die angestrebte Präzisionslandwirtschaft zur Verfügung gestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen