Description succincte
(Allemand)
|
Die Schweizer MEM-Industrie (Maschinen- und Elektroindustrie) ist ein wichtiges wirtschaftliches Standbein der Schweiz. In einem BFE-Projekt (EE4MT) wurde ein erhebliches Energieeinsparpotenzial der Schweizer MEM-Industrie ermittelt. Basierend auf diesem Ergebnis konzentriert sich die vorliegende Anwendung auf die Schleiftechnik. Das Schleifen ist der Haupttreiber des hohen Energieverbrauchs in der Branche. Am Beispiel des Schienenschleifens wird das Energieeinsparpotenzial aufgezeigt. Dazu wird ein Simulationstool entwickelt und zur Verifizierung werden Laborexperimente durchgeführt.
|
Description succincte
(Anglais)
|
The SWISS MEM industry (machinery and electrical industry) is an important economic pillar of Switzerland.In a BFE project (EE4MT), significant energy saving potential of the SWISS MEM industry was determined. Based on this result, this application focuses on grinding technology. Grinding is themain driver in the high energy consumption in the industry. The energy saving potential will be shownby the example of rail grinding. For this purpose, a simulation tool will be developed and laboratory experiments will be conducted for verification.
|
Description succincte
(Français)
|
L'industrie MEM suisse (industrie des machines et des équipements électriques) est un pilier économique important de la Suisse. Dans le cadre d'un projet BFE (EE4MT), un important potentiel d'économie d'énergie de l'industrie MEM suisse a été déterminé. Sur la base de ce résultat, cette application se concentre sur la technologie du broyage. Le broyage est le principal facteur de la forte consommation d'énergie dans l'industrie. Le potentiel d'économie d'énergie sera illustré par l'exemple du meulage des rails. Pour ce faire, un outil de simulation sera développé et des expériences en laboratoire seront menées pour vérification.
|
Rapport final
(Allemand)
|
Schleifen ist ein energieintensiver Prozess. Als weltweit führender Exporteur von Schleifmaschinen ist es für die Schweiz wichtig, einen energieeffizienten Schleifprozess zu haben. Das Projekt RESI konzentriert sich auf die Verbesserung der Energieeffizienz im Schienenschleifprozess unter Verwendung der von inspire AG und IWF, ETH Zürich, gemeinsam entwickelten Simulationssoftware iBRUS. Dies soll durch die Auswahl der optimalen Prozessparameter erreicht werden. Das Gesamtprojekt ist in 6 Arbeitspakete unterteilt. Der vorliegende Bericht fasst die Arbeiten der Arbeitspakete 1-4 zusammen.
Die Entwicklung eines kinematisch-geometrischen Simulationswerkzeuges ermöglicht die präzise Abschätzung des Materialabtrags von Einzelkornkratzern mit einer Fehlermarge von nur 6%. Diese Simulationsechnik erlaubt die Anpassung der Schleifkräfte an das Kienzle-Kraftmodell und eröffnet die Simulation von Materialabtrag und Kraftprofilen unter Verwendung von Schleifscheiben mit mehreren Körnern.
Das Ergebnis der Arbeit zeigt die Robustheit des Materialabtrags bezüglich Zeitschrittgröße und der Werkstückauflösung. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass der spezifische Energieverbrauchs mit Hilfe von iBRUS im voraus geschätzt werden kann. Diese Abschätzung wird jedoch nie exakt sein, da es zu viele Unsicherheiten in den Experimenten für die Modellkalibierung gibt, die wiederum zu Abweichungen der Ergebnisse in den Simulationen führen.
Durch Anpassungen der Prozessparameter – Schnittgeschwindigkeit und Vorschub konnte eine Einsparung des Energieverbrauchs von bis zu 12%. erreicht werden. Diese Einsparung ist jedoch abhängig von einem Modell für die Schnitttiefe und gilt nur für einen bestimmten Bereich. Da der Prozess des Schienenschleifens viele technische Eigenheiten aufweist, die in einer Simulation nur schwer zu beschreiben sind, gelten die Ergebnisse auch nur für die quasi-stationäre Phase des Prozesses. Nicht untersucht wurde ob die zur Minimierung des Energieverbrauchs gefundenen Parameter zu Schleifbrand führen können.
Eine generelle Schlussfolgerung ist dass höhere Spindeldrehzahlen den Energieverbrauch senken, während höhere Vorschubgeschwindigkeiten den Energieverbrauch erhöhen. Die Grenze für höhere Spindeldrehzahlen wird durch die Schleifscheibe gesetzt, die bei zu hohen Drehzahlen versagen kann.
Abschliessend lässt sich sagen, dass die Simulationen aus diesem Projekt erhebliche Fortschritte bei der Verbesserung der Energieeffizienz des Schienenschleifprozesses aufzeigen. Allerdings bleiben zu mehreren wichtige Aspekten - darunter die konstante Normalkraft, Nichtlinearitäten im Schnitttiefenmodell und das Potenzial für Schleifbrand - offene Fragen, die eine weitere experimentelle Validierung und eventuell die Neukonstruktion der Schleifwerkzeuge erfordern bevor die erwarteten Energieeinsparungen voll ausgeschöpft werden können. Aufgrund begrenzter Zeit und Ressourcen wurde der Schwerpunkt dieses Projektes darauf gelegt, die optimalen Prozessparameter für das in der Praxis am häufigsten verwendete Werkzeug zu finden. Damit wird eine bessere Ausganslage für weitere Schritte wie die Entwicklung neuer Schleifscheiben und deren Einsatz in Feldversuchen geschaffen.
|
Rapport final
(Anglais)
|
Grinding is an energy-intensive process. As the world's leading exporter of grinding machines, it is important for Switzerland to have an energy-efficient grinding process. The RESI project focuses on improving energy efficiency in the rail grinding process using the iBRUS simulation software developed in collaboration by inspire AG and IWF at ETH Zurich. This will be achieved by selecting optimal process parameters. The overall project is divided into 6 work packages. This report summarizes the work of work packages 1 to 4.
The development of a kinematic-geometric simulation tool enables precise estimation of material removal from single-grain scratches with a margin of error of only 6%. This simulation technique allows adjustment of grinding forces to the Kienzle force model and opens the way for simulation of material removal and force profiles using grinding wheels with multiple grains.
The results of the work show the robustness of material removal with respect to time step size and workpiece resolution. Furthermore, it can be noted that the specific energy consumption can be estimated in advance using iBRUS. However, this estimate will never be exact as there are too many uncertainties in the experiments for model calibration, leading to deviations in simulation results.
By adjusting process parameters - cutting speed and feed rate - an energy consumption saving of up to 12% was achieved. However, this saving depends on a depth of cut model and only applies to a specific range. Given that the rail grinding process has many technical peculiarities that are difficult to describe in a simulation, the results also apply only to the quasi-stationary phase of the process. It was not investigated whether the parameters found to minimize energy consumption can lead to grinding burn.
A general conclusion is that higher spindle speeds reduce energy consumption, while higher feed rates increase energy consumption. The limit for higher spindle speeds is determined by the grinding wheel, which can fail at too high speeds.
In conclusion, the simulations from this project show significant progress in improving the energy efficiency of the rail grinding process. However, several important aspects - including constant normal force, nonlinearities in the depth of cut model, and the potential for grinding burn - remain open questions that require further experimental validation and possibly the redesign of grinding tools before the expected energy savings can be fully realized. Due to limited time and resources, the focus of this project was on finding the optimal process parameters for the most commonly used tool in practice. This creates a solid foundation for further steps, such as the development of new grinding wheels and their use in field trials.
Documents annexés
|
Rapport final
(Français)
|
Le meulage est un processus énergivore. En tant que principal exportateur mondial de machines à rectifier, il est important pour la Suisse d'avoir un processus de meulage écoénergétique. Le projet RESI se concentre sur l'amélioration de l'efficacité énergétique dans le processus de meulage des rails en utilisant le logiciel de simulation iBRUS développé en collaboration par inspire AG et IWF de l'ETH de Zurich. Cela sera accompli en choisissant les paramètres de processus optimaux. Le projet global est divisé en 6 packages de travail. Le présent rapport résume les travaux des packages de travail 1 à 4.
Le développement d'un outil de simulation géométrique cinématique permet une estimation précise de l'enlèvement de matière des rayures à grain unique avec une marge d'erreur de seulement 6%. Cette technique de simulation permet d'ajuster les forces de meulage au modèle de force de Kienzle et ouvre la voie à la simulation de l'enlèvement de matière et des profils de force en utilisant des meules composées de plusieurs grains.
Les résultats du travail montrent la robustesse de l'enlèvement de matière par rapport à la taille des pas de temps et à la résolution de la pièce. De plus, il est possible d'estimer à l'avance la consommation d'énergie spécifique à l'aide d'iBRUS. Cependant, cette estimation ne sera jamais exacte car il existe trop d'incertitudes dans les expériences pour l'étalonnage du modèle, ce qui conduit à des écarts entre les résultats des simulations.
En ajustant les paramètres du processus - vitesse de coupe et avance -, une économie de consommation d'énergie pouvant atteindre 12% a été obtenue. Cependant, cette économie dépend d'un modèle de profondeur de coupe et ne s'applique qu'à une plage spécifique. Étant donné que le processus de meulage des rails présente de nombreuses caractéristiques techniques difficiles à décrire dans une simulation, les résultats ne s'appliquent également qu'à la phase quasi stationnaire du processus. Il n'a pas été étudié si les paramètres trouvés pour minimiser la consommation d'énergie peuvent entraîner un emballement de meulage.
Une conclusion générale est que des vitesses de broche plus élevées réduisent la consommation d'énergie, tandis que des avances plus élevées augmentent la consommation d'énergie. La limite de vitesses de broche plus élevées est déterminée par la meule, qui peut échouer à des vitesses trop élevées.
En conclusion, les simulations de ce projet montrent des progrès significatifs dans l'amélioration de l'efficacité énergétique du processus de meulage des rails. Cependant, plusieurs aspects importants - notamment la force normale constante, les non-linéarités dans le modèle de profondeur de coupe et le potentiel d'emballement de meulage - restent des questions ouvertes qui nécessitent une validation expérimentale supplémentaire et éventuellement une nouvelle conception des outils de meulage avant que les économies d'énergie attendues puissent être pleinement exploitées. En raison de contraintes de temps et de ressources, l'accent de ce projet a été mis sur la recherche des paramètres de processus optimaux pour l'outil le plus couramment utilisé en pratique. Cela crée une base solide pour les étapes ultérieures, telles que le développement de nouvelles meules et leur utilisation dans des essais sur le terrain.
|
