Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2007

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten resultieren aus dem Ansatz, die theoretisch ableit-baren erheblichen Vorteile der Werkstoffgruppe WPC zur Herstellung von kombinierten WPC-Trag- und Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen industrieller Verkettungssysteme (Stückgutförderer) zu nutzen. Es wurde davon ausgegangen, dass sich die typischen Ver-schleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente: - Abrasivverschleiß - mechanische Überlast und Deformation in den Kontaktstellen - thermisch bedingter Verschleiß durch geeigneten Holzzusatz und –anteil zu höheren Grenzen hin verschieben lassen, indem der anfängliche Abrasivverschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb bzw. den Verschleiß und die Reibungszahl der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Zudem sollen durch diese Werkstoffmischung die negativen Folgen steigender Temperaturent-wicklung auf die Reibpaarung gesenkt werden. Für die Optimierung der WPC-Werkstoffe zum Einsatz in maschinenbautechnischen Anwen-dungen wurden Rezepturen entwickelt, die neben dem verbesserten tribologischen Verhalten gleichfalls durch erhöhte mechanische Festigkeiten aufgrund gezielter Haftvermittlerzugabe gekennzeichnet sind. Einflußgrößen aus Rezeptur und Verarbeitung wurden untersucht, Grundlagenversuche zur Schweißbarkeit durchgeführt. Dabei zeigt sich eine geringere Abhän-gigkeit von Prozeßgrößen, wie Temperaturen oder Drücke in der Fügezone. Die durchgeführten tribologischen Untersuchungen zur Verifikation der Annahme zeigen, daß bei der Verwendung von WPC in hoch belasteten Reibpaarungen ein verbesserter Gleitreibwert bei geringerem Verschleiß im Gegensatz zum reinen Kunststoff vorliegt und somit der Ansatz der Projektzielstellung bestätigt wurde. Für die Übertragung der Erkenntnisse in der Praxis wurde abschließend zusammen mit einem Industriepartner ein vorteilhaftes Profilsystem für einen Stückgutförderer konzipiert und in einer ersten Testanlage geprüft.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten resultieren aus dem Ansatz, die theoretisch ableit-baren erheblichen Vorteile der Werkstoffgruppe WPC zur Herstellung von kombinierten WPC-Trag- und Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen industrieller Verkettungssysteme (Stückgutförderer) zu nutzen. Es wurde davon ausgegangen, dass sich die typischen Ver-schleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente: - Abrasivverschleiß - mechanische Überlast und Deformation in den Kontaktstellen - thermisch bedingter Verschleiß durch geeigneten Holzzusatz und –anteil zu höheren Grenzen hin verschieben lassen, indem der anfängliche Abrasivverschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb bzw. den Verschleiß und die Reibungszahl der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Zudem sollen durch diese Werkstoffmischung die negativen Folgen steigender Temperaturent-wicklung auf die Reibpaarung gesenkt werden. Für die Optimierung der WPC-Werkstoffe zum Einsatz in maschinenbautechnischen Anwen-dungen wurden Rezepturen entwickelt, die neben dem verbesserten tribologischen Verhalten gleichfalls durch erhöhte mechanische Festigkeiten aufgrund gezielter Haftvermittlerzugabe gekennzeichnet sind. Einflußgrößen aus Rezeptur und Verarbeitung wurden untersucht, Grundlagenversuche zur Schweißbarkeit durchgeführt. Dabei zeigt sich eine geringere Abhän-gigkeit von Prozeßgrößen, wie Temperaturen oder Drücke in der Fügezone. Die durchgeführten tribologischen Untersuchungen zur Verifikation der Annahme zeigen, daß bei der Verwendung von WPC in hoch belasteten Reibpaarungen ein verbesserter Gleitreibwert bei geringerem Verschleiß im Gegensatz zum reinen Kunststoff vorliegt und somit der Ansatz der Projektzielstellung bestätigt wurde. Für die Übertragung der Erkenntnisse in der Praxis wurde abschließend zusammen mit einem Industriepartner ein vorteilhaftes Profilsystem für einen Stückgutförderer konzipiert und in einer ersten Testanlage geprüft.

The design of traction mechanisms of continuous conveying units (e. g. plastic chains) is so far based on a purely mechanical dimensioning. However, mechanical limits are only applicable in a limited way to avoid system failure. With higher speeds or pressure, especially the thermal stress increases, which results in system failure based on softening or melting of the materials at a certain temperature. By means of systematic studies, correlations between friction temperature, coefficient of friction, wear and process parameters are examined. On this basis, a model for calculating the friction temperature is developed. / Die Konstruktion von Zugmitteln für kontinuierliche Fördereinheiten (z. B. Kunststoffketten) beruht bisher auf einer rein mechanischen Dimensionierung. Allerdings sind mechanische Grenzwerte zur Vermeidung von Systemausfall nur bedingt anwendbar. Bei größeren Geschwindigkeiten oder Druck erhöht sich insbesondere die thermische Beanspruchung, was bei einer bestimmten Temperatur zum Systemausfall durch Erweichung oder Schmelzen der Werkstoffe führt. In systematischen Untersuchungen wurden die Korrelationen zwischen Reibungstemperatur, Reibungskoeffizient, Verschleiß und den Prozessparametern untersucht. Auf dieser Basis wurde ein Modell zur Berechnung der Reibungstemperatur entwickelt.

Zugl.: Erlangen-Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2009.

Im Zuge der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Verarbeitungs- und Verpackungsmaschinen werden immer höhere Anforderungen an die für den Gütertransfer eingesetzte Fördertechnik gestellt. Neben der erhöhten Förderleistung sind zudem ein schmiermittelfreier Betrieb sowie eine hundertprozentige Verfügbarkeit gefordert. Durch die zunehmende Leistungssteigerung kommt es zu hohen Beanspruchungen, die bei falscher Auslegung zu mechanischem oder thermischem Versagen der Kunststoff-Bauteile im Fördersystem führen können. Während das mechanische Versagen mit den aktuellen Dimensionierungen vermieden werden kann, gibt es bezüglich des thermischen Versagens keine hinreichend genaue Auslegungsvorschrift. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Analyse von Gleitketten-Fördersystemen sowie den darin eingesetzten thermoplastischen Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen. Diesbezüglich werden die Gleitkontakte eines Gleitkettenförderers und deren Belastungen analysiert. Durch Abstraktion des Kette–Schiene-Systems wird ein semi-analytisches Berechnungsmodell zur Abschätzung der Reibtemperatur entwickelt, welches mittels experimenteller Untersuchungen auf einem Tribo-Prüfstand und an einem Fördersystem verifiziert wird. Aus den Untersuchungsergebnissen konnte ein thermisches Auslegungskriterium für Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen abgeleitet werden, welches sowohl auf Gleitketten-Förderer als auch perspektivisch auf ähnliche tribologische Systeme übertragen werden kann. / In the course of the continuous enhancements of processing and packaging machines, higher demands are set on conveying technology used for transferring goods. In addition to an increased delivery rate, a lubricant-free operation as well as a hundred percent availability are claimed. Increasing performance leads to high stresses that can result to mechanical or thermal failure of plastic components in the conveying system, if incorrectly designed. While mechanical failure can be avoided with up to date dimensioning, there is no sufficiently precise dimensioning criterion in regard to thermal failure. The present thesis is concerning with the thermal analysis of sliding chain conveyor systems as well as the thermoplastic plastic-plastic sliding pairs used therein. In this regard, the sliding contacts of a sliding chain conveyor and their loads are analyzed. By abstraction of the chain–rail system, a semi-analytical model for estimating the frictional temperature is developed, which is verified by experimental studies on a tribo test bench and a conveyor system. From the study results, a thermal dimensioning criterion for plastic plastic pairings could be derived, which can be applied to sliding chain conveyor as well as perspectivly similar tribological systems.

The design of traction mechanisms of continuous conveying units (e. g. plastic chains) is so far based on a purely mechanical dimensioning. However, mechanical limits are only applicable in a limited way to avoid system failure. With higher speeds or pressure, especially the thermal stress increases, which results in system failure based on softening or melting of the materials at a certain temperature. By means of systematic studies, correlations between friction temperature, coefficient of friction, wear and process parameters are examined. On this basis, a model for calculating the friction temperature is developed. / Die Konstruktion von Zugmitteln für kontinuierliche Fördereinheiten (z. B. Kunststoffketten) beruht bisher auf einer rein mechanischen Dimensionierung. Allerdings sind mechanische Grenzwerte zur Vermeidung von Systemausfall nur bedingt anwendbar. Bei größeren Geschwindigkeiten oder Druck erhöht sich insbesondere die thermische Beanspruchung, was bei einer bestimmten Temperatur zum Systemausfall durch Erweichung oder Schmelzen der Werkstoffe führt. In systematischen Untersuchungen wurden die Korrelationen zwischen Reibungstemperatur, Reibungskoeffizient, Verschleiß und den Prozessparametern untersucht. Auf dieser Basis wurde ein Modell zur Berechnung der Reibungstemperatur entwickelt.

Die vorliegende Forschungsarbeit resultierte aus dem Ansatz, die theoretisch ableitbaren Vorteile der Werkstoffgruppe WPC (Wood Polymer Composite) zur Herstellung von Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen (z.B. Gleitschienen in Stückgutförderern) zu nutzen. Diesem Ansatz lag der Gedanke zu Grunde, dass der anfängliche abrasive Verschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb und den Reibwert der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Im WPC würde damit eine Funktionstrennung zwischen „tragendem“ Holz und „schmierendem“ Kunststoff vorherrschen. Darauf aufbauend erschien die These zulässig, dass sich im tribologisch aktiven Maschinenteil (Gleitschienen) die typischen Verschleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie einer starke Abrasion der Reibpartner, mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone durch gezielten Holzzusatz in eine Kunststoffmatrix minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin verschieben lassen. Diese These wurde in verschiedenen tribologischen Untersuchungen an spritzgegossenen und extrudierten Versuchskörpern grundlegend bestätigt. Die dargestellten Ausführungen zu den Untersuchungen gliedern sich inhaltlich in drei Schwerpunkte. Im ersten Punkt werden die Ergebnisse aus einfachen Tests zum grundlegenden Reibungsverhalten von WPC unter Nutzung des Stift–Scheibe–Versuches und einer nach praxisnahen fördertechnischen Anforderungen konzipierten Versuchseinrichtung vorgestellt sowie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Praxisnähe der Versuche wird dabei durch die Probeauswahl weiter erhöht, indem Versuchskörper aus extrudierten Halbzeugen (Terrassendecks aus kommerziellen WPC) und Segmenten aus Förderketten ausgewählt werden. Die daraus resultierenden Aussagen ermöglichen erste Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Reibwertes des WPC im relevanten tribologischen Belastungsspektrum für Gleitschienen. Im zweiten Punkt wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Betrachtungsweise vorgestellt, die neben dem Reibwert Aussagen zum Verschleißverhalten beinhaltet und eine vereinfachte Möglichkeit bietet, mittels des „Tribologiewertes“ die gewonnenen Erkenntnisse in einer praxisnahen Sichtweise darzustellen. Zudem wird die Versuchsmatrix hinsichtlich der verwendeten Parameter (Reibpartner, Reibgeschwindigkeit, theoretischer Flächenpressung) konkretisiert und erweitert. Die vorgestellte Betrachtungsweise und das verwendete Parameterfeld werden an spritzgegossenen Proben aus tribologisch „bekannten“ Materialien (Stand der Technik) und den Bestandteilen des untersuchten WPC (PP, PE, Fichte) überprüft. Weiterhin wird an vergleichbaren Proben aus WPC (50% PP / 50% Weichholz Fichte/Tanne) das tribologische Verhalten des Holzkunststoff - Verbundes klassifiziert. Dieses Verhalten wird hinsichtlich der tribologisch „bekannten“ Materialien in den Stand der Technik eingeordnet und eine These zum Wirkmechanismus bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens von WPC vorgestellt. Der dritten Punkt beinhaltet vertiefende Untersuchungen an spritzgegossenen Proben aus WPC mit 50% Weichholz und 50% PP - Matrix hinsichtlich des Einflussesder Spritzrichtung bzw. Holzpartikelorientierung, einer Wasserlagerung, der Konzentration des Haftvermittlers, einer Oberflächenbearbeitung. Weiterhin werden Aussagen zum Reibungs- und Verschleißverhalten von WPC mit PE-Matrix an spritzgegossenen Proben erarbeitet und eine erste Gegenüberstellung der Herstellungsverfahren Spritzguss und Extrusion vorgenommen. Die Untersuchungen ermöglichten in Summe das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des WPC grundlegend aber nicht vollständig zu charakterisieren. Die tribologischen Betrachtungen zur Werkstoffgruppe WPC stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die dargestellten Ergebnisse sind somit zudem als Startpunkt eines wissenschaftlichen Diskurses zu sehen.

Die vorliegende Forschungsarbeit resultierte aus dem Ansatz, die theoretisch ableitbaren Vorteile der Werkstoffgruppe WPC (Wood Polymer Composite) zur Herstellung von Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen (z.B. Gleitschienen in Stückgutförderern) zu nutzen. Diesem Ansatz lag der Gedanke zu Grunde, dass der anfängliche abrasive Verschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb und den Reibwert der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Im WPC würde damit eine Funktionstrennung zwischen „tragendem“ Holz und „schmierendem“ Kunststoff vorherrschen. Darauf aufbauend erschien die These zulässig, dass sich im tribologisch aktiven Maschinenteil (Gleitschienen) die typischen Verschleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie einer starke Abrasion der Reibpartner, mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone durch gezielten Holzzusatz in eine Kunststoffmatrix minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin verschieben lassen. Diese These wurde in verschiedenen tribologischen Untersuchungen an spritzgegossenen und extrudierten Versuchskörpern grundlegend bestätigt. Die dargestellten Ausführungen zu den Untersuchungen gliedern sich inhaltlich in drei Schwerpunkte. Im ersten Punkt werden die Ergebnisse aus einfachen Tests zum grundlegenden Reibungsverhalten von WPC unter Nutzung des Stift–Scheibe–Versuches und einer nach praxisnahen fördertechnischen Anforderungen konzipierten Versuchseinrichtung vorgestellt sowie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Praxisnähe der Versuche wird dabei durch die Probeauswahl weiter erhöht, indem Versuchskörper aus extrudierten Halbzeugen (Terrassendecks aus kommerziellen WPC) und Segmenten aus Förderketten ausgewählt werden. Die daraus resultierenden Aussagen ermöglichen erste Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Reibwertes des WPC im relevanten tribologischen Belastungsspektrum für Gleitschienen. Im zweiten Punkt wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Betrachtungsweise vorgestellt, die neben dem Reibwert Aussagen zum Verschleißverhalten beinhaltet und eine vereinfachte Möglichkeit bietet, mittels des „Tribologiewertes“ die gewonnenen Erkenntnisse in einer praxisnahen Sichtweise darzustellen. Zudem wird die Versuchsmatrix hinsichtlich der verwendeten Parameter (Reibpartner, Reibgeschwindigkeit, theoretischer Flächenpressung) konkretisiert und erweitert. Die vorgestellte Betrachtungsweise und das verwendete Parameterfeld werden an spritzgegossenen Proben aus tribologisch „bekannten“ Materialien (Stand der Technik) und den Bestandteilen des untersuchten WPC (PP, PE, Fichte) überprüft. Weiterhin wird an vergleichbaren Proben aus WPC (50% PP / 50% Weichholz Fichte/Tanne) das tribologische Verhalten des Holzkunststoff - Verbundes klassifiziert. Dieses Verhalten wird hinsichtlich der tribologisch „bekannten“ Materialien in den Stand der Technik eingeordnet und eine These zum Wirkmechanismus bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens von WPC vorgestellt. Der dritten Punkt beinhaltet vertiefende Untersuchungen an spritzgegossenen Proben aus WPC mit 50% Weichholz und 50% PP - Matrix hinsichtlich des Einflussesder Spritzrichtung bzw. Holzpartikelorientierung, einer Wasserlagerung, der Konzentration des Haftvermittlers, einer Oberflächenbearbeitung. Weiterhin werden Aussagen zum Reibungs- und Verschleißverhalten von WPC mit PE-Matrix an spritzgegossenen Proben erarbeitet und eine erste Gegenüberstellung der Herstellungsverfahren Spritzguss und Extrusion vorgenommen. Die Untersuchungen ermöglichten in Summe das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des WPC grundlegend aber nicht vollständig zu charakterisieren. Die tribologischen Betrachtungen zur Werkstoffgruppe WPC stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die dargestellten Ergebnisse sind somit zudem als Startpunkt eines wissenschaftlichen Diskurses zu sehen.

A variety of analytical and numerical approaches for calculating the friction temperature have been developed in the past. However, none is capable to estimate the friction temperature of thermoplastic friction pairings. Therefore, a semi-analytical model for predicting the friction temperature has been developed. Dry friction and periodically recurring contact is a premise. In the article the derivation is shown und influencing parameters are explained. A validation is made by experimental studies on a conveyor system. The model can be applied to sliding chain conveyor as well as perspectively similar tribological systems.