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1 Institut für Produktentwicklung und Innovation – FMDauto Schneidkanten in der Landtechnik Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences
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Institut für Produktentwicklung und Innovation – FMDautoSchneidkanten in der Landtechnik
Hochschule DüsseldorfUniversity of Applied Sciences
Agenda
• Hochschule Düsseldorf / Institut FMDauto
• Schneidkanten in der Landtechnik
• Messerverschleiß und Energieeffizienz
• Übersicht der Schneidkantencharakterisierung
• Ellipse-Fit Verfahren
• Ausblick/Fazit
-4-2
0
24
6
-6
-1-2-3
R_1R_2
R_3R_4
R_5
Kernkompetenzen
• Interdisziplinäre Produktentwicklung
• Simulation und Experimentaltechnik
• Umsetzung in Prototypen
• Entwicklung, Fertigung, Montage und Inbetriebnahme von Prototypen und Prüfstanden
• Systemmodelle
3
Schneidsysteme in der LandtechnikFeldhäckslerbis zu 816 kW
Doppelmesser-Schneidwerke © ESM
Handler, Paar, Landwirt 21 / 2015
© Krone
4
Häckseltrommel≈ 45%
Korn-Cracker≈ 15%
Wurfbeschleuniger≈ 10%
8%
© Krone
Schneidwerke © ESM
Landtechnische Schneidwerkzeuge sind starken abrasiven Verschleiß und Schlagbeanspruchungen ausgesetzt
Ausfall eines Messers → Produktivitätsverlust Material- und Wartungskosten Verminderte Schnitteffizienz → Ernteverluste
Messerverschleiß
Der Anteil der von der Häckseltrommel umgesetzten Leistung beträgt ca. 50%am Gesamtleistungsbedarf des Feldhäckslers [1]
10 bis 25% der Antriebsleistung werden für den reinen Schnittprozess benötigt
Feldhäcksler mit 800 PS hat einen Dieselverbrauch von ca. 140l/h [2]
Vergrößerung des Schneidenradius von 0.01 auf 0.3 mm bewirkt eine um bis zu 100 % gestiegenen Energieverbrauch und führt zu geringeren Durchsatzleistungen [3]
-> Signifikante Energieeinsparungen sind möglich!
-> Wie können das optimale Material und Messerdesign ermittelt werden?
Energieeffizienz
Realitätsnahes Verschleißbild wie im Feld
Reproduzierbar und Vergleichbar
geringer Zeitaufwand
Abrasivmedium aus Sand, Kies und Wasser
Der Verschleißprüfstand
Streifenprojektionsverfahren• DLP (Digital Light Processing)-Projektor erzeugt
Streifenmuster
• Messobjekt wird mit Streifenmuster beleuchtet
• Höheninformation aus perspektivischer Streifendeformation
• Laterale Auflösung: 17.3µm, Vertikale Auflösung 1µm
Camera Picture
Camera Picture with Stripes
Height Picture
Charakterisierungsmethoden
K-Faktor
Sγ Sα Δr
chipping surface
clearance surface
R
Pmax Pγ Pα
Verschlissen
Unverschlissen
Abgetragenes Material
Pγ
Pα
P0
α (pα)γ (pγ)
γ = -90°
γ = 0°
α = 90°
α = 0°pα[mm] pγ[mm]
α[°]
γ[°]
Curve-Fitting/B-SplineFlächenverlust
SPK [5] [6][4]
[7]
Charakterisierung mittels Schneidenradius
2 3 4 5 mm
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mm
2 3 4 5 mm
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mm
2 3 4 5 mm
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mm
-> Nicht eindeutig!
Pferchkreis Hüllkreis, gleiche Geometrie wie a), anderer Radiuswert
Gleicher Hüllkreis wie b), andere
Geometrie
a) b) c)
2 3 4 5
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101
mm
mm 2 3 4 5 mm
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100
101
mm
Ergebnisse von Verschleißuntersuchungen I
Standardklinge Induktiv gehärtete Klinge
2 3 4 5
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96
97
98
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100
101
mm
mm
γ =0°
α =90°
α =0° Aα
γ =-90° Aγ
2 3 4 5 mm
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95
96
97
98
99
100
101
mm
0
γ =0°
α =90°
α =0°γ =-90°
Aα
Aγ
2 3 4 5
94
95
96
97
98
99
100
101
mm
mm
Aα
Aγ
γ =0°
α =90°
α =0°γ =-90°
Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen II
− Unregelmäßige Geometrien aufgrund von Beschichtungen, Klingenformen, etc.
− Keine ideale Kreisgeometrie!
− Ausbrüche, Deformationen vorhanden
Standardklinge PTA beschichtete
Klinge
WC beschichtete
Klinge
X
Y
ba
ϑ -> 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑟𝑟𝑆𝑆 = a*cos² ϑ+b*sin² ϑ
Gewichtung der Halbachsen (a,b) der Ellipse in Abhängigkeit zum Schnitteinsatz durch den Winkel ϑ. Quadrieren von Cosinus und Sinus um die Gewichtung der Halbachse die nicht im Schnitteinsatz ist zu vermindern.
Charakterisierung mittels Ellipse
Schneidenradius: 1.37mm Ersatzradius: 1.26mm
Schneidenradius 0.96mm Ersatzradius 0.95mm
Vergleich Ellipse-Fit und Circle-Fit
Fazit und Ausblick
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mm
2 3 4 5 mm
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96
97
98
99
mm
2 3 4 5 mm
Stehende Ellipse
Liegende Ellipse
− Hoher Bedarf an Optimierungen der Schneidkanten hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Energieeffizienz in der Landtechnik
− Sehr hohe Bandbreite an unterschiedlichen Schnittprozessen und Schneidkantenformen
− Eine präzise Charakterisierung der Schneidkante ist mit dem Ellipse-Fit Verfahren möglich
− Die energetische Bewertung der Schneidkante ist anhand der Ellipsenform und -Lage möglich
− Exakte Korrelation zwischen Schneidkantengeometrie und Energieeffizienz steht in wissenschaftlichen Untersuchungen noch aus
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Quellen[1] Top Agrar 5/2012: Scharfe Messer schneiden besser![2] DLG-Prüfbericht 5432 F, Durchsatzleistung und Kraftstoffverbrauch im Mais[4] Tikal, F.:Schneidkantenpräparation – Ziele, Verfahren und Messmethoden: Berichte aus Industrie und Forschung, 2009 [3] Heinrich, A.: Grundlagen für ein Messsystem zur Bestimmung des Verschleißzustandes. TUDPress (2007)[5] Cortes, R.: Cutting Edge Preparation of Precision Cutting Tools byApplying Micro-abrasive Jet Machining and Brushing, (PHD Thesis), Universität Kassel, 2009[6] Wyen, C-F: A New Method for the Characterisation of Rounded Cutting Edges, International Journal of Advanced ManufaturingTechnology 59 (9-12)[7] Uhlmann, E.: Charakterisierung geometrisch bestimmter Schneiden, Werkstatt Online 110(7/8): 475-481
