Intelligent Control of AC Servomotor-Hydraulic Pump Systems for Energy-Saving Injection Moulding Machines
Final Report Abstract
Die Anhebung der Pumpen-Grenzdrehzahl und die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads, insbesondere im Teillastbetrieb, sind Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte bei hydrostatischen Verdrängereinheiten. Eine Grenzdrehzahlerhöhung ermöglicht den Einsatz kleinerer Pumpen mit gleicher Maximalleistung. Dies verringert das Leistungsgewicht, nutzt die oftmals besseren Wirkungsgrade kleinerer Verdrängereinheiten und trägt zu einem reduzierten Energiebedarf des Antriebssystems bei. Zudem ermöglicht dies die bessere Ausnutzung des weiten, durch elektrische Servomotoren vorgegebenen Drehzahlbereichs im Rahmen drehzahlveränderbarer Pumpenantriebe. Kavitation im Saug- und Umsteuerbereich hydrostatischer Pumpen begrenzt die maximale Antriebsdrehzahl und ist eine Hauptursache für Verschleiß, ungünstigen volumetrischen Wirkungsgrad, Geräuschabstrahlung und Ausfall der Pumpen. Bis heute sind keine zuverlässigen Auslegungskriterien für die Ansauggrenzen von hydrostatischen Pumpen bekannt. Die üblicherweise von den Pumpenherstellern angegebenen Sauggrenzen beruhen auf empirisch ermittelten, i. a. noch zulässigen stationären Strömungsgeschwindigkeiten im Ansaugkanal der Pumpe. Druckpulsationen und instationäre Strömungsvorgänge (z. B. Ausschwenken der Pumpe, Erhöhen der Antriebsdrehzahl) führen in der Anwendung häufig zu Kavitationsschäden und zum vorzeitigen Pumpenausfall. Wesentliche Ursachen für Kavitationsschäden in Pumpen sind Strömungsverluste in der Saugleitung und im Saugkanal der Pumpe beim Füllen der Kolbenräume, die Pulsation des Saugdrucks durch die Pumpenkinematik und die Umsteuervorgänge, Gasanteile im Saugkanal durch die Dekompressionsvorgänge beim Umsteuern von Hoch- auf Niederdruck sowie Kavitation bei rückströmendem Drucköl in den Kolbenraum zur Vorkompression im Umsteuerbereich vom Niederdruck zum Hochdruck. Diese Problematik greift das vorliegende Forschungsprojekt auf. Es hat in der bisher bearbeiteten ersten Projektphase zum Ziel mit Hilfe der Numerischen Strömungsberechnung (CFD) konstruktive Maßnahmen zu erarbeiten, welche das Saugverhalten von Axialkolbenpumpen verbessern, und daraus resultierend die Grenzdrehzahl zu erhöhen. Ein CFD-Modell einer Axialkolbenpumpe inklusive Saug- und Druckleitung wurde entwickelt und daran die komplexen instationären Strömungszustände unter Berücksichtigung von Kavitation analysiert. Ein 1-Kolben-Modell kam für die Untersuchung der Umsteuervorgänge zum Einsatz. Das Pulsationsverhalten wurde mittels eines 9-Kolben-Modells analysiert. Die Bewertung der Kavitationsintensität erfolgte anhand definierter Kenngrößen, wie bspw. dem ISO-Volumen der Zweitphase. Umfangreiche simulative Untersuchungen der Saugströmung stellten die Grundlage für die Entwicklung von Verbesserungsmaßnahmen dar. Einen Schwerpunkt stellten numerische und experimentelle Untersuchungen eines Helmholtz- Resonators zur Verminderung der Saugdruckpulsation dar. Durch Integration des Resonators in die Pumpe nahe des Oberen Totpunkts konnte numerisch eine Verminderung der Saugdruckpulsation um 25 % nachgewiesen werden. Zudem wurde der mittlere Minimalwert des Saugdrucks deutlich angehoben. Die Untersuchung einer Mäandergeometrie und der drehrichtungsorientierten Saugkanalführung zielt auf die Verbesserung der Strömungsbedingungen und die Reduzierung der Ansaugverluste. Die drehrichtungsorientierte Saugkanalführung resultiert in verringerten Druckverlusten aufgrund geringerer lokaler Beschleunigung des Fluides. Es konnte ein verbessertes Ansaugverhalten gezeigt werden. Der Einsatz einer Mäandergeometrie für den Saugtrakt der Pumpe ermöglichte eine Reduzierung der Ablösegebiete. Im vorliegenden Fall konnte der Druckverlust um 35 % gesenkt werden. Numerische Betrachtungen von Steuerbohrungen anstatt einer Umsteuerkerbe sowie eine Verlängerung der Saugniere zielten auf die Verbesserung der Umsteuerverhältnisse im Unteren Totpunkt ab. Die Saugnierenverlängerung ermöglicht eine Verringerung der Kavitationsintensität sowie eine Verlagerung der Kavitationswolke in wandferne Gebiete. Auf diese Verlagerung zielt auch der Einsatz der Steuerbohrungen ab. Zudem wurde numerisch nachgewiesen, dass durch die Steuerbohrungen ein verringerter Anteil Zweitphase am Nierenboden auftritt. Die vorgestellten Arbeiten zeigen Möglichkeiten moderner Simulationswerkzeuge wie der Numerischen Strömungsberechnung (CFD) zur Analyse des Saugverhaltens hydrostatischer Pumpen. Daraus lassen sich Maßnahmen zur Verbesserung des Saugverhaltens ableiten und untersuchen. Es wurden Ansätze aufgezeigt, die vielversprechende Ergebnisse, jedoch auch neue Problemstellungen lieferten. Der vorgestellte Helmholtz-Resonator zeigt gutes Potential zur Reduzierung der Saugdruckpulsation. Für drehzahlvariable Antriebe ist jedoch eine Anpassung an die verschiedenen Drehzahlen und somit Anregungsfrequenzen notwendig. Der in die Pumpe integrierte Helmholtz-Resonator ist adaptiv zu gestalten um die Anforderungen moderner fluidtechnischer Antriebe zu erfüllen. Ein Prototyp mit integriertem und auf die Drehzahl anpassbarem Resonator ist experimentell zu untersuchen. Dauerversuche sollen die Minderung der Kavitationsneigung und damit einhergehend der Kavitationserosion belegen. Weiterführende Untersuchungen der konstruktiven Maßnahmen und zur Verbesserung der Strömungsführung im Ansaugtrakt der Pumpe stehen aus. Der Mäander-Ansatz zeigte vielversprechende Ergebnisse. An diesen kann angeknüpft werden und mit Hilfe von Optimierungstools noch bestehende Potentiale ausgeschöpft werden. Die Simulationen sind durch experimentelle Arbeiten zu validieren. Die vorgestellten Maßnahmen stellen Bausteine dar, die durch gezieltes Zusammenführen in einem Prototyp eine deutliche Anhebung der Drehzahlgrenze versprechen. Durch den Einsatz der für eine Pumpe optimierten Maßnahmen soll das Potential zur Drehzahlanhebung numerisch und experimentell gezeigt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sind auf ein breites Anwendungsfeld im Bereich hydrostatischer Verdrängereinheiten, besonders im Hinblick auf andere Pumpen-Bauformen, übertragbar.
Publications
- Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Saugverhalten von Pumpen, ANSYS Conference & 26. CADFEM User´s Meeting, Darmstadt, 2008, Conference Proceedings
S. Gold; S. Helduser
- Analyse des Kavitationsverhaltens beim Umsteuervorgang von Axialkolbenpumpen, Ölhydraulik und Pneumatik, 2009, Nr. 6, S. 250-257
W. Wustmann; T. Keil; S. Helduser
- Suction Performance of Axial Piston Pumps, ANSYS Conference & 27. CADFEM User´s Meeting, Leipzig, 2009, Conference Proceedings
N. Bügener; S. Gold; S. Helduser; W. Wustmann
- Analysis of the Suction Performance of Axial Piston Pumps by Means of Computational Fluid Dynamics (CFD), 7. International Fluid Power Conference, Aachen, Germany, 2010, Volume 4, S. 641-654
N. Bügener; S. Helduser
- Experimentelle und numerische Untersuchung der Strömungsvorgänge in hydrostatischen Verdrängereinheiten am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe, Dissertation, Institut für Fluidtechnik der TU Dresden, 2010
Wustmann, W.
