Simulationsgestützte Entwicklung von Hydraulikkompaktaggregaten

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1 Simulationsgestützte Entwicklung von Hydraulikkompaktaggregaten Exkursion des VDI-Mechatronik im HAWE-Werk Freising, Alexander Leonhard, Sergej Klassen 1 HAWE Hydraulik SE

2 Hydraulikkompaktaggregate 2 HAWE Hydraulik SE

3 Anwendungsbeispiele Windkraftanlage (Bremsen, Pitchverstellung, ) Drehmaschine (Werkstückspannung, Werkzeugwechsel, Spindelgewichtsausgleich, Reitstockbewegung, ) Solarkraftwerk (Nachführbewegung) Wasserkraftwerk (Wehrsteuerung, Absperrorgane, Turbinensteuerung, ) Bearbeitungszentrum (Werkstückspannung, Werkzeugwechsel, Spindelgewichtsausgleich, ) 3 HAWE Hydraulik SE

4 Simulationseinsatz bei HAWE Hydraulik Methoden, Werkzeuge und Anwendungen Strukturdynamik u. akustik: - Entwicklung geräuschoptimierte Aggregate und Pumpen - Modalanalysen, Schwingungsanalysen (Harmonisch, Spektrum, etc.) - Akustiksimulation (Körperschall, Luftschall) - Luftschall- und Körperschallmessungen Systemsimulation: - Entwicklung von drehzahlgeregelten Kompaktaggregaten - Energetische Optimierung von Kompaktaggregaten - Schwingungsanalyse in Hydrauliksystemen - Ventilentwicklung Strukturmechanik Strukturdynamik u. -akustik Strukturmechanik: - Allg. Festigkeitsanalysen - Maschinenelemente z.b. Schrauben, Wellen, - Funktionsanalysen (z.b. Formtoleranzen) - Betriebsfestigkeit (z.b. FKM) - Thermische Analysen (stationär, transient) - Berstsimulation (nichtlineare Schwachpunktanalyse) - Materialumformsimulation (z.b. Verstemmungen) Systemsimulation Strömungsimulation Strömungsmechanik: - Widerstandsverhalten (z.b. Umlenkungen, Blenden/Düsen, Ventile) - Strömungskräfte in Ventilen - Instationäre Strömungen, Transition, Kavitation, Thermik, etc. 4 HAWE Hydraulik SE

5 Simulationseinsatz am Beispiel Kompaktaggregat HKF4 Entwicklungsaufgaben HKF4 Wirkungsgradverbesserung (Systemabstimmung; Reduzierung Komponentenverluste, Drehzahlregelung, ) Verbesserung Kühlwirkung Erhöhung Einsatzbereich (höhere Drücke, ) Geräuschreduzierung Kostenoptimierung Strukturmechanik Strukturdynamik u. -akustik Systemsimulation Strömungsimulation 5 HAWE Hydraulik SE

6 Systemoptimierung HKF4 mit Speicherladeschaltung Aufgaben: Analyse Energieeffizienz und verluste Wirkungsgradverbesserung Hydraulikschaltplan SimX-Modell: HKF4 mit Speicherladeschaltung 6 HAWE Hydraulik SE

7 Systemoptimierung HKF4 mit Speicherladeschaltung Zeitverläufe von Volumenstrom Q und Pumpendruck p_p Q [l/min] p_p [bar] t [s] Hydraulikschaltplan Q_ab Q_ab p_p_simulation p_p_versuch p_p 7/11 7 HAWE Hydraulik SE

8 Systemoptimierung HKF4 mit Speicherladeschaltung Sensitivitätstudie bzgl. Wirkungsgrad Energieverbrauchsanalysen Δη% Parameter η η Originalsystem V_S [l] p_1 [bar] p_2 [bar] V_g [cm 3 ] η_vol [%] η_hm [%] η_asm [%] DMV optimiertes System Temp. [ C] Drossel ØRh_1 [mm] ØRh_3 [mm] P_Fan [W] Planschv. [Nm] 8 HAWE Hydraulik SE

9 Drehzahlgeregeltes Kompaktaggregat Aufgaben geregeltes Aggregat zur Realisierung eines konstanten Druckniveaus in hydraulischen Systemen Berechnungsmodell als Auslegungs- und Optimierungswerkzeug Drehmaschinen: Ein (zwei) Aktoren mit großer Leckage Werkstück spannen Andere Aktoren meist leckagefrei Kontinuierliche Ölversorgung erforderlich Abschaltbetrieb nicht sinnvoll Vorteile: konstanter Druck im System niedriger Energieverbrauch höhere Dynamik typ. Vol.-strom: Q_ab = 2 20 l/min typ. Systemdruck: p_1 = bar 9 HAWE Hydraulik SE

10 Drehzahlgeregeltes Kompaktaggregat Modellstruktur ASM-Modell 1 Ω Ω Hydraulik- Modell Ö Ö Systemdruck Ω Ω Ψ Motor - Vektorregelung Rampengenerator Stromregelkreis Flussregelung Drehzahlregler mit Messwertfilterung Begrenzung der drehmomentbildenden (I Sq ) und flussbildenden (I Sd ) Statorstromkomponente Spannungsvorsteuerung Ω!" PID Prozessregler Komponenten des Frequenzumrichters 10 HAWE Hydraulik SE

11 Drehzahlgeregeltes Kompaktaggregat Quasistatisches Verhalten 320 V Hz Simulation Messung #$% &87 * Sollfrequenz f* 11 HAWE Hydraulik SE

12 Thermische Netzwerkberechnung HKF4 Aufgaben Iststandsanalyse Temperaturverhalten Analyse thermische Übertragungswege Berechnungsmodell als Auslegungs- und Optimierungswerkzeug 12 HAWE Hydraulik SE

13 Thermische Netzwerkberechnung HKF4 Ergebnisse der thermischen Analyse Temperaturverteilung (Lüfter aus) Zeitverlauf Öltemperatur (Lüfter aus) (Übertemperatur) Simulation Öltemperatur Simulation Messung Zeit 13 HAWE Hydraulik SE

14 Optimierung Wärmeübergang am Rippenrohr FEM-Simulation der Temperaturverteilung in den Rippen Annahme: erzwungene Konvektion an Außenrippen (α = konstant) (lokaler Einfluss der Außenströmung wird vernachlässigt),-./ &0 2 -./ α: Wärmeübergangskoeffizient zur Umgebung A Ges : Gesamtoberfläche Rippenrohr η R : Rippenwirkungsgrad (Verhältnis Q_real / Q_max) ϑ : Umgebungstemperatur ϑ 0 : Rippenfußtemperatur ϑ = 25 C Der Wärmeübergangskoeffizient wird beeinflusst durch die Durchströmungsfläche und der Lüftercharakteristik Der Rippenwirkungsgrad wird beeinflusst durch die Temperaturverteilung in der Rippe (Rippenquerschnittsform) ϑ 0 = 50 C 14 HAWE Hydraulik SE

15 Optimierung Wärmeübergang am Rippenrohr CFD-Simulation von Innenströmung (Öl) und Außenströmung (Luft) Luftströmung vom Lüfter Luftströmung zwischen zwei Kühlrippen (Geschwindigkeitsverteilung) Ölströmung im Kompaktaggregat (Stromlinien mit Geschwindigkeitsverteilung) Rücklauf Ölströmung vom Hydrauliksystem 15 HAWE Hydraulik SE

16 Akustische Optimierung Gehäuse Vorgehensweise zur Schallleistungsberechnung 16 HAWE Hydraulik SE

17 Akustische Optimierung Gehäuse Numerische vs. Experimentelle Modalanalyse Simulation HAWE Hydraulik SE Experiment 1717

18 Akustische Optimierung Gehäuse Experimentelle Überprüfung im HAWE-Akustikmessraum (Luftschallmessung nach ISO 3744 und ISO 3745, Körperschallmessung nach DIN ) Alt Neu Schallleistungspegel ~6dB(A) Schallleistungspegel 18 HAWE Hydraulik SE

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit und das Interesse! 19 HAWE Hydraulik SE

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