Piezoelektrische Anregung hochfrequenter Schwingungen zur Reibungsreduktion bei der Bodenbearbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein wesentliches Problem in der landwirtschaftlichen Bodenbearbeitung besteht in den großen notwendigen Zugkräften. Bei immer größer werdender Arbeitsbreite stellt die durch die Zugmaschine zur Verfügung gestellte Zugkraft zunehmend einen limitierenden Faktor dar. Auf der anderen Seite ist seit Langem bekannt, dass die effektiven Reibkräfte bei der Bodenbearbeitung durch eine Schwingungsanregung des Bodenbearbeitungsgeräts reduziert werden können. Eggenmüller zeigt bereits vor mehr als 50 Jahren, dass durch niederfrequente Schwingungen eines Pfluges bei langsamen Fahrtgeschwindigkeiten eine signifikante Reduzierung der Zugkraft erreicht werden kann. Da die Anregung genügend großer Schwingungen im Bereich niedriger Frequenzen schwierig ist, wurde in jüngerer Zeit der Einsatz von Ultraschall zur Reibungsreduktion genutzt. Ziel dieses Projektes ist es die Reibungsreduktion durch Ultraschall in der Bodenbearbeitung anhand eines Grubbers zu untersuchen. Die Konstruktion des Grubbers muss neben der Aufnahme der für ein Ultraschallsystem hohen Prozesskräften insbesondere die effektive Schwingungsanregung und die eigentliche Funktion der Bodenauflockerung gewährleisten. Unter diesen Randbedingungen wurden neben Lagerung und Anregung drei Grubberzinkengeometrien entworfen und für den Betrieb bei einer Frequenz von 20 kHz optimiert und aufgebaut. Parallel dazu wurde am Partnerinstitut ILF in Braunschweig ein mobiler Versuchstand entwickelt, der die experimentelle Untersuchung des am IDS entwickelten Grubbers unter realistischen Einsatzbedingungen ermöglicht. Gesamtaufbau: der Grubber ist über eine einstellbare Schnittstelle mit dem mobilen Versuchstand verbunden. Die piezoelektrische Ultraschallanregung am oberen Ende des Grubbers ist über ein Horn, das auch zur Lagerung des Grubbers dient, mit dem gebogenen Zinken verbunden. Neben den mechanischen Eigenschaften des Grubbers ist für den Betrieb die Ansteuerung von besonderem Interesse. Um größtmögliche Amplituden zu erreichen, wird in der Ultraschalltechnik in aller Regel ein resonanter Betrieb angestrebt. Da bei der Durchfahrt durch den Boden starke Wechsel in der Last auftreten, sind in diesem Zusammenhang besondere Anforderungen an eine Frequenzregelung gestellt. Aus diesem Grund wurden am IDS verschiedene Regelalgorithmen erprobt und implementiert. Das Gesamtsystem wurde unter verschiedenen Bedingungen erprobt. Der Zugkraftverlauf bei einer langsamen Durchfahrt durch eine Bodenrinne zeigt: ohne Ultraschallanregung wird eine Zugkraft von ca. 75 N, mit Ultraschallanregung eine Zugkraft von ca. 45 N benötigt. Damit konnte die Zugkraft bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 200 W um 40 % reduziert werden. Andere Anordnungen mit geringerer Eintauchtiefe zeigen prozentual noch größere Reduktionen. Damit konnte die grundsätzliche Funktion der Reibkraftreduzierung eindeutig gezeigt werden. Der Grubber konnte stabil in der Bodenrinne betrieben werden, bei der Anwendung auf einem Acker mit vereinzelten Steinen und einem unregelmäßigem Boden gelingt der Betrieb aber nicht immer stabil. Zur Problemlösung sollte dabei eine robuste Frequenzregelung unter wechselnden Lasten und der Einfluss der Belastung auf die Schwingungsform im Vordergrund stehen. Zukünftige Arbeiten sollten verstärkt den Einfluss dieser Belastung schon in der Modellerstellung berücksichtigen. Mit einem dahingehend optimierten Entwurf kann ein sicherer Betrieb auch bei größeren Geschwindigkeiten erreicht werden. Eine mögliche Anwendung ist durch den Grubberprototypen in der Bodenbearbeitung gegeben, aber auch eine Übertragung auf einen Pflug ist möglich. Darüber hinaus ist ein Transfer der Techniken auf andere Applikationen z.B. bei Baumaschinen denkbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Friction Reduction for a continuous rod element. International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA 2009), 09.-11. November 2009 in Jeju (Südkorea)
W. Wurpts und J. Twiefel
- Reducing Friction by Ultrasound Treatment Exemplified by Tillage. Landtechnik AgEng 2009 06. November 2009 Braunschweig (Deutschland)
R. Kattenstroth, H. Harms, W. Wurpts und J. Twiefel
- Bodenbearbeitung, Schwingungsverhalten - Arbeitsqualität - Zugkraftbedarf. Konferenz: VDI-MEG Tagung Landtechnik 27.-28.10.2010 Braunschweig In: VDI Berichte 2111 (Seiten 477-482) Jahr: 2010
R. Kattenstroth, H. Harms, T. Lang, W. Wurpts, J. Twiefel und J. Wallaschek
- Reducing friction by ultrasonic vibration exemplified by tillage. Konferenz: XVIIth CIGR World Congress, 13.-17. Juni 2010 in Quebec City, (Kanada)
R. Kattenstroth, H. Harms, W. Wurpts und J. Twiefel
- Reduzierung von Reibkräften durch Ultraschallanregung am Beispiel der Bodenbearbeitung. Landtechnik 65, 2010, S. 42-44
R. Kattenstroth, H. Harms, W. Wurpts und J. Twiefel
- Ultrasonic friction reduction applied for agricultural tillage. 7th International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA 2010), 10-13. Oktober 2010 in Antalya (Türkei)
W. Wurpts, J. Twiefel, R. Kattenstroth und J. Wallaschek
