Um die Vortriebsleistung von Maschinen zur Festgesteinsgewinnung zu steigern, wird das Prinzip der Aktivierung seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Dabei wird der grundlegenden Arbeitsbewegung des eingreifenden Werkzeugs eine Schlag- oder Vibrationsbewegung überlagert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit zur hochfrequenten Aktivierung von Werkzeugen im Eingriff in Festgestein untersucht. Ziel der Arbeit ist es, die Besonderheiten beim Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein genauer zu definieren und zu klären, auf welchen Ursachen sie beruhen. Es werden konventionelle und hochfrequente Aktivierungsprinzipien beispielhaft vorgestellt und ein kurzer Einblick in das untersuchte Aktivierungsprinzip und dessen Besonderheiten gegeben. Eine Literaturrecherche gibt Informationen zu den Eigenschaften von Gesteinen mit besonderem Fokus auf dynamisch veränderlichen Kennwerten. Weiterhin wird Literatur zu den physikalischen Grundlagen des Werkzeugeingriffs und der Piezoaktorik vorgestellt. Eine theoretische Verarbeitung dieser Informationen in Form von Modellen wird neben praktischen Versuchen an einem Prüfstand vorgenommen.

Um die Vortriebsleistung von Maschinen zur Festgesteinsgewinnung zu steigern, wird das Prinzip der Aktivierung seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Dabei wird der grundlegenden Arbeitsbewegung des eingreifenden Werkzeugs eine Schlag- oder Vibrationsbewegung überlagert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit zur hochfrequenten Aktivierung von Werkzeugen im Eingriff in Festgestein untersucht. Ziel der Arbeit ist es, die Besonderheiten beim Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein genauer zu definieren und zu klären, auf welchen Ursachen sie beruhen. Es werden konventionelle und hochfrequente Aktivierungsprinzipien beispielhaft vorgestellt und ein kurzer Einblick in das untersuchte Aktivierungsprinzip und dessen Besonderheiten gegeben. Eine Literaturrecherche gibt Informationen zu den Eigenschaften von Gesteinen mit besonderem Fokus auf dynamisch veränderlichen Kennwerten. Weiterhin wird Literatur zu den physikalischen Grundlagen des Werkzeugeingriffs und der Piezoaktorik vorgestellt. Eine theoretische Verarbeitung dieser Informationen in Form von Modellen wird neben praktischen Versuchen an einem Prüfstand vorgenommen.:Abkürzungen 8 1 Motivation und Einleitung 8 2 Einführung in das Thema „Aktivierte Werkzeuge” 10 2.1 Konventionelle Aktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Hochfrequente Aktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3 Eingrenzung des Problems, Definition der Arbeitsaufgaben 16 3.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2 Arbeitsplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 Recherchen 20 4.1 Literaturrecherche zu den Eigenschaften von Gesteinen . . 20 4.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.2 Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.3 Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.1.4 Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.1.5 Aufbau von Gesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.1.6 Versagen von Gesteinsstoffen . . . . . . . . . . . . . 25 4.1.6.1 Versagensart . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1.6.2 Festigkeitshypothesen . . . . . . . . . . . 26 4.1.6.3 Bruchmechanik . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1.7 Dynamisch veränderliches Werkstoffverhalten . . . 27 4.1.7.1 Auswirkungen auf die elastischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.7.2 Auswirkungen auf die Festigkeit . . . . . . 29 4.1.7.3 Ursachen der Dehnratenabhängigkeit . . . 30 4.2 Literaturrecherche zur Modellierung des Werkzeugeingriffs 33 4.2.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.2.2.1 Elementarlösung nach Boussinesq . . . 35 4.2.2.2 Flächenpressung im Kontakt . . . . . . . . 36 4.2.2.3 Superposition zu einer Flächenlast . . . . 36 4.2.2.4 Verschiebung unter einem Werkzeug . . . 37 4.2.2.5 Versagenskriterium . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 Literaturrecherche zur Modellierung der Piezoaktorik . . . 40 4.3.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5 Modellbildungen und Simulationen 46 5.1 Modellierung des Werkzeugeingriffs . . . . . . . . . . . . . 46 5.1.1 Kontaktproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.1.2 Spannungsfeld unter einer Flächenlast . . . . . . . 48 5.1.3 Dehnraten im Eingriff . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.1.4 Dynamische Festigkeitssteigerung . . . . . . . . . . 51 5.1.5 Erstellen des Versagenskriteriums . . . . . . . . . . 52 5.1.6 Simulation des Werkzeugeingriffs . . . . . . . . . . 54 5.2 Modellierung der Piezoaktorik . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.2.1 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.2.2 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.2.2.1 Elektrische Größen . . . . . . . . . . . . . 58 5.2.2.2 Mechanische Größen . . . . . . . . . . . . 61 6 Versuche 62 6.1 Voraussetzungen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2 Planung und Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2.1 Vorversuche zur Verifikation . . . . . . . . . . . . . 63 6.2.2 Hauptversuchsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.2.1 Einfluss der Aktivierungsfrequenz . . . . . 65 6.2.2.2 Einfluss von Lastwechselzahl und Nennspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3 Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.3.1 Vorversuche zur Verifikation . . . . . . . . . . . . . 66 6.3.2 Hauptversuchsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 7 Diskussion 70 7.1 Dynamisch veränderliche Werkstoffeigenschaften . . . . . . 70 7.2 Simulationsergebnisse zum Werkzeugeingriff . . . . . . . . 72 7.2.1 Statischer Lastfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.2.2 Dynamischer Lastfall . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.2.2.1 Festigkeitssteigerung unter dynamischen Belastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.2.2.2 Maximaler Beanspruchungsquotient . . . . 73 7.2.2.3 Verändertes Versagensverhalten . . . . . . 74 7.2.2.4 Einfluss des E-Moduls . . . . . . . . . . . 76 7.2.2.5 Einfluss der Querdehnzahl . . . . . . . . . 77 7.2.3 Unzulänglichkeit des verwendeten Versagenskriteriums 78 7.3 Modell der Piezoaktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.4 Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.4.1 Auswirkungen von Lastwechselzahl und Nennspannung 80 7.4.2 Auswirkungen der Aktivierungsfrequenz . . . . . . 81 7.4.2.1 Direkter Einfluss der Aktivierungsfrequenz 81 7.4.2.2 Einfluss der resultierenden Größen . . . . 83 7.4.3 Weitere Beobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . 84 7.5 Hinweise zur Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse . . 85 7.6 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8 Zusammenfassung und Ausblick 87 Literaturverzeichnis 90 Anhang 97 Anhang A Aktivierte Werkzeuge 97 A.1 Schutzrechte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 A.2 Ergebnisse vorausgegangener Arbeiten . . . . . . . . . . . 98 B Mechanische Kennwerte einiger Stoffe 99 C Zusatzinformationen zur Modellierung des Werkzeugeingriffs 100 C.1 Superpositionsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 C.1.1 Herleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 C.1.2 Verifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 C.2 Impulsbilanz im Eingriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 C.3 Simulationsergebnisse für den Eingriff . . . . . . . . . . . . 107 D Zusatzinformationen zur Modellierung der Piezoaktorik 113 D.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 D.2 Herleitung der Ersatzkapazität . . . . . . . . . . . . . . . . 113 D.2.1 Einfluss der Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . 113 D.2.2 Einfluss der Steifigkeit des Gesamtsystems . . . . . 114 D.3 Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 E Zusatzinformationen zu den Versuchen 118 E.1 Messsystem am Prüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 E.1.1 Werkzeugkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 E.1.2 Eindringtiefe des Werkzeugs . . . . . . . . . . . . . 118 E.1.3 Werkzeugschwingwege . . . . . . . . . . . . . . . . 119 E.1.4 Elektrische Größen am Piezoaktor . . . . . . . . . . 119 E.2 Versuchsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 E.3 Werkstoffkennwerte der verwendeten Gesteine . . . . . . . 121 E.4 Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122