Dissertations and Postdoctoral Lecture Qualifications
Sitte, A.
Struktursystematik, ganzheitliche Systementwicklung und -erprobung mobilhydraulischer Steuerungssysteme mit getrennten Steuerkanten
Dissertation TU Dresden 2024
Lübbert, J. F. [Abstract]
Betriebsstrategien und regenerative Betriebsmodi für Ventilsysteme mit getrennten Steuerkanten in bedienergeführten Anwendungen
Dissertation TU Dresden 2024
Osterland, S.
Kavitation in der Ölhydraulik Visualisierung, Simulation und Erosion
Dissertation TU Dresden 2024
Reidl, T. [Abstract]
Untersuchung von Energie- und Leistungsversorgungssystemen für elektrohydrostatisch angetriebene Umformmaschinen
Dissertation TU Dresden 2024
Radermacher, T. [Abstract]
Modellbasierte Vorsteuerungskonzepte für drehzahlvariable hydraulische Antriebe am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine
Dissertation TU Dresden 2021
Michel, S. [Abstract]
Elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe mit Differentialzylinder für die industrielle Anwendung
Dissertation TU Dresden 2021
Kolks, G. [Abstract]
Electro-hydrostatic compact drives with adaptive transmission by means of discrete structural switching
Dissertation TU Dresden 2021
Waurich, V. [Abstract]
Modelica-Compiler Methods for time critical simulations
Dissertation TU Dresden 2021
Link
Tautenhahn, R. [Abstract]
Ein Beitrag zur ganzheitlichen Toleranzberechnung bei Wegeventilen
Dissertation TU Dresden 2020
Rakova, E.
Investigation on the improvement of the cost efficiency of compressed air systems
Dissertation TU Dresden 2020
Ali, E. [Abstract]
Self-Learning Condition Monitoring for Smart Electrohydraulic Drives
Dissertation TU Dresden 2019
Shabi, L. [Abstract]
Thermo-energetisch optimierte Fluid-Systeme für Werkzeugmaschinen
Dissertation TU Dresden 2019
Pham, T. H. [Abstract]
Analysis of the Ring Gear Orbit, Misalignment and Stability Phenomenon for Internal Gear Motors and Pumps
Dissertation TU Dresden 2018
Ströbel, S.[Abstract]
Modellbasierte Vorsteuerung ventilgesteuerter hydraulischer Linearantriebe im Lageregelkreis
Dissertation TU Dresden 2018
Schneider, M. [Abstract]
Effizienzsteigerung mobiler Arbeitsmaschinen durch vollvariable, 4-quadrantenfähige Antriebe und eine bedienerentkoppelte Betriebsstrategie
Dissertation TU Dresden 2017
Hepke, J. [Abstract]
Energetische Untersuchung und Verbesserung der Antriebstechnik pneumatischer
Handhabungssysteme
Dissertation TU Dresden 2016
Willkomm, J. [Abstract]
Modellprädikative Optimierung drehzahlvariabler Verstellpumpen
Dissertation TU Dresden 2016
Richter, S. [Abstract]
Ein Beitrag zur Integration von Maßnahmen der Funktionalen Sicherheit in einen geregelten elektrohydraulischen Antrieb für stationäre Anwendungen
Dissertation TU Dresden 2016
Erhard, M. [Abstract]
Regelverhalten, Gestaltdesign und Robustheit direkt-gesteuerter Proportionaldruckbegrenzungsventile
Dissertation TU Dresden 2016
Petzold, M. [Abstract]
Dosiergenauigkeit, Wirkungsgrad und Geräusch von elektromagnetisch angetriebenen Kolbenpumpen
Dissertation TU Dresden 2015
Gold, S. [Abstract]
Auslegung, Analyse und Erprobung eines lastgesteuerten Hybrid-Gleitlagers für Schwerlastanwendungen am Beispiel Pod-Antrieb
Dissertation TU Dresden 2015
Dreher, T. [Abstract]
Piezoelektrische Antriebstechnologie für Kleinventile: Gesamtkonzept, Ansteuerelektroniken und inhärente Sensorfunktionen
Dissertation TU Dresden 2015
Lohse, H. [Abstract]
Modellierung hydraulischer Tiefziehpressen für Prozesskopplung, Reglerauslegung und energetische Bilanzierung
Dissertation TU Dresden 2014
Bügener, N. [Abstract]
Analyse und Verbesserung des Ansaugverhaltens von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise
Dissertation TU Dresden 2013
Müller, L. [Abstract]
Instationäre Interaktion der Schaufelreihen beim Clocking der Leitreihen eines vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichters
Dissertation TU Dresden 2013
Jähne, H. [Abstract]
Struktursystematik und Effizienzpotentiale hydraulischer Fahrantriebe unter Einbeziehung der Applikation
Dissertation TU Dresden 2012
Finzel, R. [Abstract]
Elektrohydraulische Steuerungssysteme für mobile Arbeitsmaschinen
Dissertation TU Dresden 2010
Fiedler, M. [Abstract]
Modellbildung und numerische Optimierung am Beispiel eines servopneumatischen Membran-zylinderantriebs
Dissertation TU Dresden 2010
Leonhard, A. [Abstract]
Untersuchungen zum pneumatischen Sortieren von Schüttgütern mittels Freistrahlen
Dissertation TU Dresden 2010
Wustmann, W. [Abstract]
Experimentelle und numerische Untersuchung der Strömungsvorgänge in hydrostatischen Verdrängereinheiten am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe
Dissertation TU Dresden 2009
Wehner, D. [Abstract]
Modellbasierter Systementwurf am Beispiel vorgesteuerter Druckbegrenzungsventile
Dissertation TU Dresden 2008
Li, H. [Abstract]
Entwicklung und Optimierung der Regelkreise von hydraulischen Tiefziehpressen
Dissertationen TU Dresden 2008
Helbig, A. [Abstract]
Energieeffizientes elektrisch-hydrostatisches Antriebssystem am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine
Dissertation TU Dresden 2007
Djurovic, M. [Abstract]
Energiesparende Antriebssysteme für die Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen, Elektrohydraulisches Load-Sensing
Dissertation TU Dresden 2007
Bürk, E. [Abstract]
Numerische Strömungsberechnung ergänzt durch experimentelle Methoden zur Untersuchung pneumatischer Strömungen
Dissertation TU Dresden 2006
Becher, D. [Abstract]
Untersuchungen an einer Axialkolbenpumpe mit Ringsystem zur Minderung von Pulsationen
Dissertation TU Dresden 2003
Geißler, G. [Abstract]
Optimierung und Einsatzgrenzen von Druckventilen
Dissertation TU Dresden 2002
Neubert, Th. [Abstract]
Untersuchungen von drehzahlveränderbaren Pumpen
Dissertation TU Dresden 2002
Bonefeld, R. [Abstract]
Einsatz elektro-hydraulischer Antriebe zur Dämpfung mechanischer Strukturen
Dissertation TU Dresden 2002
Bredau, J. [Abstract]
Numerische Strömungsberechnung und experimentelle Strömungsvisualisierung in der Pneumatik
Dissertation TU Dresden 2000
Rühlicke, I. [Abstract]
Elektrohydraulische Antriebssysteme mit drehzahlveränderbarer Pumpe
Dissertation TU Dresden 1997
Muth, A. [Abstract]
Reibkraftermittlung an pneumatischen Ventilen und Zylindern
Dissertation TU Dresden 1997
Lebedew, A.
Modul zur Auslegung von Diagnosesystemen für Hydraulikanlagen am Beispiel von Landmaschinen
Dissertation TU Dresden 1992
Stöckigt, U. [Abstract]
Ventiltechnik ohne Fremdenergie für minimale Durchflußströme unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung in implantierbaren Systemen
Dissertation TU Dresden 1992
Seifert, V. [Abstract]
Modellbildung und Simulation des Verhaltens von Kunststoffspritzgießmaschinen
Dissertation TU Dresden 1992
Adolf, H.
Gestaltung hydraulischer Stellantriebe für flexible Werkstücktransporteinrichtugen in der Blechbearbeitung
Dissertation TU Dresden 1991
Weber, J. [Abstract]
Ein geräteorientiertes Modellierungkonzept mit Berücksichtigung der Fluideigenschaften für die dynamische Simulation in der Hydraulik
Dissertation TU Dresden 1991
Ismail, I.
Theoretisch-experimentelle Untersuchungen zur Kennwertermittlung hydraulischer Arbeitszylinder
Dissertation TU Dresden 1990
Noack, S.
Beitrag zur Modellierung und Gestaltung eines berührungslosen optoelektronischen Volumenstromsensors für Hydraulikanlagen
Dissertation TU Dresden 1989
Sitnik, L.
Beeinflussung des Festkörpers durch den kavitierenden Flüssigkeitsstrahl
Dissertation TU Dresden 1989
Drossel, U.
Bestimmung des dynamischen Übertragungsverhaltens von hydraulischen Bauelementen mit Leistungsverzweigung
Dissertation TU Dresden 1987
Hierse, G.
Untersuchungen an hydraulischen Resonanzkreisen zur Erzeugung hydraulischer Wechselströme hoher Amplitude
Dissertation TU Dresden 1987
El-nasr, R.
Ein Beitrag zur Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften pneumatischer Linearantriebe zur Feinpositionierung
Dissertation TU Dresden 1986
Seidel, H.-J.
Grundlagenuntersuchung zur Entwicklung eines pneumatischen Schrittantriebes
Dissertation TU Dresden 1986
Nollau, R.
Dynamisches Verhalten von Hydraulikanlagen mit zentraler Druckquelle
Habilitation TU Dresden 1985
Ulbricht, A.
Ein Beitrag zur freien Positionierung pneumatischer Lineareinheiten
Dissertation TU Dresden 1985
Mathis, W.
Theoretisch-experimentelle Untersuchungen zum Widerstandsverhalten hydraulischer Drosselventile
Dissertation TU Dresden 1983
Reichert, V.
Theoretisch-experimentelle Untersuchungen zum Widerstandsverhalten hydraulischer Bauelemente
Dissertation TU Dresden 1981
Wacker, D.
Beitrag zur Untersuchung der Verschmutzung von Mineralölen in hydraulischen Anlagen auf Seeschiffen unter Berücksichtigung maritimer Umweltbedingungen
Dissertation TU Dresden 1980
Will, D.
Ein Beitrag zur Gestaltung und Dimensionierung verlustenergiearmer Hydraulikanlagen unter besonderer Berücksichtigung d. Anschaffungspreises
Habilitation TU Dresden 1980
Eggerth, S.
Beitrag zur Messung von Volumenströmen viskoser Flüssigkeiten in Druckleitungen
Dissertation TU Dresden 1980
Betriebsstrategien und regenerative Betriebsmodi für Ventilsysteme mit getrennten Steuerkanten in bedienergeführten Anwendungen
Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen sind im Zuge des angestrebten CO2-Ausstiegs zunehmendem Druck ausgesetzt, die Energieeffizienz ihrer Maschinen zu verbessern. Insbesondere vor dem Hintergrund der Elektrifizierung der Antriebssysteme als Alternative zu konventionellen fossil betriebenen Verbrennungsmotoren gewinnt die Energieeffizienz wesentlich an Bedeutung. Wurden Ventilsysteme mit getrennten Steuerkanten (gSk) aufgrund der tendenziell höheren Kosten bisher oft verworfen, so lohnt sich ihr Einsatz in Zeiten teurer Energie und hoher Preise für elektrische Akkukapazität jetzt zunehmend.
In den vergangenen Jahrzehnten wurde bereits sehr viel Forschungsarbeit auf dem Gebiet der gSk geleistet. Viele publizierte Ansätze zur Bewegungssteuerung, also der Steuerung von Druck und Volumenstrom, in diesen Mehrgrößensystemen zeichnen sich durch eine hohe Komplexität der Algorithmen und/oder die Notwendigkeit hoch leistungsfähiger Ventiltechnik aus. Aus der Nutzung regenerativer Betriebsmodi zur Energieeinsparung resultiert in vielen Fällen die Notwendigkeit einer Umschaltung zwischen den Modi in der laufenden Bewegung. Vergleiche der jeweils vorgeschlagenen Lösungen erfolgen meistens nur mit einer konventionellen Referenz, nicht aber untereinander, sodass dem Entwickler verborgen bleibt, welcher Lösungsansatz für die Probleme Bewegungssteuerung und Modusumschaltung in der betrachteten Anwendung am besten geeignet ist. Zudem wird bei der Entwicklung energiesparender Betriebsstrategien, also der situationsabhängigen Wahl von Solldrücken und Betriebsmodi, in der vorliegenden Literatur kaum auf die Auswirkungen der vorgeschlagenen Lösungen auf das Bedienverhalten der Maschine eingegangen.
Die vorliegende Arbeit soll diese Lücken schließen. Es werden verschiedene Steuerungs- und Regelungsansätze für Druck und Volumenstrom eines gSk-Systems vorgestellt, die sich durch einfache Gleichungen und eine Parametrierung nahezu ausschließlich mit leicht verfügbaren Konstruktionsdaten, sowie Unempfindlichkeit gegenüber Parameterschwankungen im Betrieb der Maschine auszeichnen. Teilweise kommen dabei Druckwaagen oder Druckregelventile als hydraulische Regler zum Einsatz. Die Algorithmen werden mittels der linearen Systemtheorie auf Stabilität untersucht und - soweit notwendig - Prüf- und Einstellverfahren hergeleitet.
Die Arbeit stellt heraus, welche nachteiligen Auswirkungen eine energieoptimale Betriebsstrategie auf das Bedienverhalten hat und schlägt als Lösung einen energetischen Kompromiss bei ungestörter Bedienbarkeit vor.
Ein Wechsel zwischen verschiedenen Betriebsmodi in der laufenden Bewegung ist mit einer stetigen Umschaltung mit einem Kurzschlussventil, einer stetigen Umschaltung mit einem Rückschlagventil, sowie einer störungsfreien diskreten Umschaltung mit einer Druckwaage realisierbar. Diese drei und die aus der Literatur bekannte diskrete Umschaltung ohne weiter Maßnahmen werden miteinander verglichen.
Die aus den theoretischen Vorüberlegungen favorisierten Lösungsansätze für die vorgenannten Themengebiete Bewegungssteuerung, Betriebsstrategie und Modusumschaltung werden an einem Baggerarm-Laborprüfstand mit verschiedenen Ventilsystemen in realitätsnahmen Szenarien validiert, wobei der Schwerpunkt der Versuche auf der Analyse des Bedienverhaltens und der Komponentenanforderungen liegt.
Die Ergebnisse zeigen, dass es unter Beachtung und Umgehung einiger in der Arbeit identifizierter Fallstricke möglich ist, mit mobiltypischer Hardware und einfachen Algorithmen ein gut bedienbares und energieeffizientes gSk-System aufzubauen. Weiterhin bilden die erreichten Ergebnisse die Basis für anforderungsabhängige Empfehlungen bestimmter Ansätze für die jeweiligen Detailfragen Bewegungssteuerung, Modusumschaltung und Betriebsstrategie. Damit ist dem Ingenieur ein Leitfaden zur anwendungsabhängigen Entwicklung eines gSk-Ventilsystems gegeben.
Untersuchung von Energie- und Leistungsversorgungssystemen für elektrohydrostatisch angetriebene Umformmaschinen
Das Antriebskonzept von modernen Umformmaschinen basiert zunehmend auf Verdrängersteuerung anstatt der klassisch eingesetzten Drosselsteuerung. Bei diesem Ansatz werden die Achsen über fluid-mechatronische Direktantriebe unmittelbar in Geschwindigkeit, Position und Kraft verfahren. Durch das prinzipbedingte Vermeiden von Drosselverlusten lassen sich hier erhebliche energetische Einsparungen verzeichnen. Des Weiteren ist es durch den Einsatz von vierquadrantfähigen Motor-Pumpeneinheiten möglich, Brems- und Dekompressionsenergie im Prozess zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Dies setzt allerdings voraus, dass die Energie zwischengespeichert oder in das Netz zurückgespeist werden kann.
Ein Nachteil, der sich bei diesem Technologiewechsel zu elektrohydrostatischen Antrieben ergeben kann, ist, dass die Anschlussleistung der Antriebe und somit der gesamten Maschine stark ansteigt. Dies ist besonders der Fall, wenn zuvor ein Hydraulikaggregat in Kombination mit Hydrospeichern verwendet wurde. Durch den Einsatz der Speicher wird hier hydraulische Lastspitzenkappung betrieben und die Leistungsspitzen vom Netz werden stark reduziert. Bei den elektrohydrostatischen Antriebsachsen wird hier -- ohne zusätzliche Maßnahmen -- die gesamte Spitzenleistung direkt vom Netz bezogen.
Ziel der Arbeit ist es, zu untersuchen, wie bei Umformmaschinen mit Verdrängersteuerung -- durch den Einsatz des richtigen Leistungs- und Energieversorgungssystems -- die Anschlussleistung ebenfalls verringert werden kann. Hierzu wird recherchiert, welche Ansätze nach heutigem Stand der Technik bereits zur Verfügung stehen und in welchen anderen Bereichen Leistungsversorgung, Energiespeicherung und Lastspitzenvermeidung untersucht und angewendet werden.
Mit Hilfe von Modellen des Prozesses, des elektrohydrostatischen Antriebsstrangs und ausgewählten Komponenten des Leistungs- und Energieversorgungsystems soll eine Simulationsumgebung geschaffen werden, die es ermöglicht, verschiedene Applikationen zu simulieren und zu analysieren. Ziel ist es, herauszufinden, bei welchen Anwendungen welche Einspeisungs- und Speichertypen eingesetzt werden können, um ein Minimieren der Anschlussleistung zu erreichen und mit welchen Mehraufwänden bei den Speichern, aber auch mit welchen Ersparnissen an der Elektroperipherie, zu rechnen ist.
Anschließend wird eine Methodik erarbeitet, die mit Hilfe des gemessenen oder simulierten Leistungsflusses eine Empfehlung für ein sinnvolles Leistungs- und Energieversorgungssystem ausgibt. Da diese Betrachtung aus eher zentral-europäischer Sicht erfolgt, wird außerdem ein punktebasiertes Ranking erarbeitet, welches Leistungs- und Energieversorgungsysteme für Umformmaschinen vergleichend für variierende Anforderungen quantifiziert.
Modellbasierte Vorsteuerungskonzepte für drehzahlvariable hydraulische Antriebe am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine
Displacement-controlled hydrostatic drive systems with variable-speed pump are characterized by their good energy efficiency and the possibility of simple shutdown compared with valve-controlled drives, but they have lower natural frequencies, which makes the application of standard closed-loop control more difficult and usually results in lower dynamics and positioning accuracy. As a result hydraulic drives, which already have numerous dominant nonlinearities and are weakly damped, cannot exploit their full potential.
The work starts with a comparison and an analysis of the dynamics and precision of different drive systems on main drive axes of medium-size plastic injection molding machines. On this basis, methods are developed for improving the static and dynamic properties of variable-speed displacement-controlled drives in position and pressure control. These methods are characterized by simple parameterization and high robustness without relying on a closed-loop control. In this context, the dynamic inversion-based feedforward control enables a good tracking performance, which is further improved by applying a cycle-wise iterative learning control. In order to fulfill the dynamics of follow-up control with position boundary conditions, a method is developed which allows for calculating a motion specification along the physical performance limits of the drive system and to show the existing limitations. The creation of motion presets as well as the setting-up of a learning controller may be done with one single parameter.
Experimental investigation of the developed methods using the example of the plastic injection molding machine shows a significant increase in dynamics of displacement-controlled drive systems, good follow-up behavior, and increased positioning accuracy while remaining independent of the operating temperature.
Elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe mit Differentialzylinder für die industrielle Anwendung
Elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe (EKA) stellen ein innovatives, neuartiges Antriebskonzept dar, welches – ausgeführt als funktionsfertige Baugruppe – die Anwenderfreundlichkeit bei der Maschinenintegration, Inbetriebnahme und Wartung signifikant steigert. Elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe verbinden die inhärenten Vorteile hydraulischer Antriebstechnik wie beispielsweise Robustheit, hohe Leistungsdichte und Überlastschutz mit Energieeffizienz, Ressourceneffizienz, Anwenderfreundlichkeit und geringem Bauraum. Aufgrund seines kompakten und kostengünstigen Aufbaus ist der Differentialzylinder der mit Abstand am häufigsten eingesetzte Aktor bei hydraulischen Anwendungen. Die Herausforderung beim Einsatz eines Differentialzylinders im hydrostatischen Getriebe ist die Steuerung der asymmetrischen Volumenströme, die durch die einseitige Kolbenstange hervorgerufen werden.
Die vorliegende Arbeit widmet sich der systematischen Entwicklung und Untersuchung von Schaltungskonzepten, die sich für elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe mit Differentialzylinder für die industrielle Anwendung eignen. Vor dem Hintergrund eines ressourcenschonenden und wirtschaftlichen Einsatzes der Antriebe werden Vorzugsvarianten ermittelt, die sowohl energie- als auch kosteneffizient sind. Das statische und dynamische Übertragungsverhalten sowie die Energieeffizienz der ausgewählten Schaltungen werden auf der Grundlage von praxisnahen Demonstratoren bestimmt. Die analytische und experimentelle Untersuchung der Vorzugsvarianten zeigt das Potential und die Grenzen der Schaltungskonzepte für den industriellen Einsatz auf. Darüber hinaus wird der Vergleich mit elektromechanischen Kompaktantrieben im gleichen Leistungsbereich geführt, um die erzielten Ergebnisse in der Gegenüberstellung einordnen zu können.
Um die Notwendigkeit einer aktiven Kühlung für potentielle Einsatzgebiete ohne aufwendige Experimente abschätzen zu können, werden zudem die Methoden der thermo-energetischen Netzwerksimulation auf elektrisch-hydrostatische Kompaktantriebe angewendet. Anhand eines Beispielantriebs wird ermittelt, mit welcher Genauigkeit das thermo-energetische Verhalten und die sich einstellende Beharrungstemperatur berechnet werden können.
Electro-hydrostatic compact drives with adaptive transmission by means of discrete structural switching
Hydrostatic cylinder drives with variable speed pumps pose a modern form of modular translational drive systems, which merge the benefits of both electro-mechanic and hydraulic domains. Beyond that, these so called electrohydrostatic compact drives feature a possibility of implementing a discrete variable trans-ission ratio in a cost-effective manner. In the case of work cycles with dedicated rapid and force strokes, this allows the electric drive motor to be designed smaller than in the case of a reference with a fixed transmission ratio. In this way, downsizing potential can be exploited in terms of the size and mass of the electric drive motor and power electronics. In this thesis, the possible gains through this technology are first examined and the fundamental possibilities of a variable transmission are presented. A methodology is developed that allows the entire solution space of discretely switchable electrohydrostatic compact drives to be systematically mapped and evaluated. Finally, the limits and potentials of the technology are investigated experimentally by means of two demonstrators, and different strategies for the switching process between two transmission stages developed in the course of the thesis are validated.
Modelica-Compiler Methods for time critical simulations
Modelling and simulation of dynamic processes is a well-established tool for the development of technical and physical systems. Equation-based and object-oriented modelling languages such as Modelica enable an efficient way of modelling as well as good reusability and structuring of the model. The Modelica-Compiler translates the model to a solvable representation and compiles an executable simulation program. With the help of symbolic compiler methods, the calculation costs and executation time can be reduced. The present paper identifies potentials for the automated improvement of execution times of Modelica-based simulation models and investigates suitable methods which have been implemented in the OpenModelica Compiler. The proposed compiler methods are based on a graph representation of the underlying equation system. Graph algorithms are used for the symbolic manipulation of the system of equations to reduce execuation time and non-deterministic runtime behaviour. All presented methods can be applied automatically without addtional manual modifications during the compilation process. Hence, the present paper is a contribution to achieve faster simulation times of models with increasing complexity. This is an eminent requirement for a productive and highly automated virtual development process.
Ein Beitrag zur ganzheitlichen Toleranzberechnung bei Wegeventilen
Die charakteristischen Produktmerkmale eines Wegeventils wie Ansprechdynamik, Leckagestrom oder Volumenstromverstärkung variieren von Exemplar zu Exemplar. Verantwortlich hierfür sind Fertigungsschwankungen, Streuungen der Materialeigenschaften und Umwelteinflüsse. In der Ventiltechnik erfordert speziell die fortschreitende Minimierung von Raum-, Material- und Energiebedarf eine verstärkte Auseinandersetzung mit den Toleranzen, etwa für Geometrie und Werkstoffparameter.
Wegeventile sind mechatronische Systeme, deren Funktionsprinzip hohe Anforderungen an die Fertigungsprozesse stellt. Das beschränkt sich nicht nur auf die mechanische Montierbarkeit der Bauteile, sondern umfasst vielmehr auch die erreichbare Genauigkeit der charakteristischen Produktmerkmale. Infolgedessen muss die traditionelle Sichtweise in diesem Kontext erweitert und eine domänenübergreifende Toleranzbetrachtung angestrebt werden.
Dafür zeigt diese Arbeit zunächst eine Möglichkeit zur systematischen Identifikation der wirkenden Störgrößen auf. Daran schließt sich die exemplarische Modellierung des Störgrößeneinflusses auf die charakteristischen Produktmerkmale an. Das umfasst auch eine Untersuchung, welche mathematischen Ersatzmodelle das Vorgenannte abbilden können. Auf diesen drei Bausteinen fundiert der eigentliche Analyseteil dieser Arbeit: Es wird – nach einer grundlegenden Bewertung des Übertragungsverhaltens im Toleranzbereich – dargestellt, inwiefern sich die Verfahren zur Verknüpfung nicht perfekter Informationen vorteilhaft für die Toleranzanalyse und -synthese einsetzen lassen. Eine abschließende Betrachtung demonstriert darüber hinaus die Ableitung und die Validierung eines Justagekonzepts, falls mit der Toleranzsynthese keine wirtschaftlich sinnvolle Lösung identifiziert werden kann.
Self-Learning Condition Monitoring for Smart Electrohydraulic Drives
Many modern hydraulic systems rely on speed-controlled drives (electric motor + hydrostatic pump) due to the power efficiency of this type. A further aspect is the potential to enhance the profitability by reducing failures and adapt maintenance plans. The thesis deals with the task of monitoring the drive conditions in order to detect faults and hence, aims to enhance the robustness and the availability. The focus of the work lay on the fluid related faults, and the analysis is performed from the mechatronic point of view. The studied methodologies are to be investigated with emphasis on the economic and practical aspects for in-field applications. The drive dynamics is first analysed to gain fault indicators in the readily available signals. The natural feedback of pressure on motor torque and the controlled speed demands are found useful for the aim but reveal limited dynamics. The work encounters a suitable modelling art that can be utilised flexibly to learn the healthy normal operation despite the nonlinear nature of the fluid and its dependency on the variable environmental conditions and despite the fact that the rest of the system is not prior known. Upon unsupervised machine learning techniques, a novel structure is designed in order to learn the local variances in the observed signals (pressure, speed, torque) within the operational regions. The novel structure is found capable of identifying abnormalities automatically based on the learned cases. As input for learning, fault-related features in the observed signals are studied in time- and frequency- domains so that the computational demands of the monitoring functions are optimised and the target faults could be effectively detected. The related algorithms demand low configuration effort, and they can be realised on industrial PLCs locally or remotely through the platform of cloud-computing.
The proposed strategy is applied successfully to detect pump leakage faults in degradation condition as a case of advanced wear; the symptom is the mean of the abnormal speed demand at steady state operation. Progressive wear is investigated by extracting time-frequency coefficients (wavelets, cross-correlation analysis) of the discharge flow pulsations in operation at low speed. The statistical characteristics of motor torque and acceleration are found helpful to early signalise the danger of erosion wear that are caused by solid contaminations. The applicability of the approach in early, intermediate and advanced wear situations, is examined for the potential to failure predictions.
Thermo-energetisch optimierte Fluid-Systeme für Werkzeugmaschinen
Im Bereich der Fertigungstechnik stellen Werkzeugmaschinen (WZM) einen wesentlichen Teil der Maschinenausrüstung eines Unternehmens dar. Neben der Produktivität steigen auch die Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile und an die Energieeffizienz der Fertigungsprozesse. Zur Steigerung der Produktivität an einer WZM ist ein schnellerer Betrieb der Maschine unerlässlich, welcher mit der Erhöhung des Energieverbrauchs der WZM in Zusammenhang steht. Durch die thermische Wirkungskette führt der Energieverbrauch zu einem Positionsfehler an der Wirkstelle Werkzeug-Werkstück, auch Tool Center Point (TCP) genannt. Dies hat zur Folge, dass die Genauigkeit bei der Fertigung abnimmt und somit die Qualität der bearbeiteten Produkte abfällt. Die Effizienz des Produktionsprozesses an der WZM ist somit bis zu gewissen Grenzen der Produktivitätssteigerung sichergestellt. Wird diese Produktivitätsgrenze überschritten, sinkt die Effizienz und die Genauigkeit des Herstellungsprozesses signifikant. Das Ziel ist, mit geeigneten Maßnahmen die Produktivität weiter zu steigern, bei gleichzeitiger Erhöhung der Genauigkeit und einem möglichst gleichbleibenden bzw. reduzierten Energieverbrauch.
In WZM kommt eine Vielzahl fluidtechnischer Systeme zum Einsatz. Diese erfüllen neben Antriebsaufgaben für Vorschubbewegungen und Werkstückspannung vor allem die Funktion der Kühlung. Zum einen sind diese Systeme dafür verantwortlich, entstehende Wärme aus der WZM abzuführen und somit ein konstantes Temperaturniveau zu gewährleisten. Zum anderen sind diese Systeme wesentliche Verbraucher elektrischer Energie und damit selbst bedeutende Wärmequellen an der Maschine. Um die hervorgerufene thermo-elastische Verformung zu reduzieren und die Fertigungsgenauigkeit zu erhöhen, ist eine Minimierung des Wärmeeintrags erforderlich.
Ziel dieser Arbeit ist es, zum einen das thermische Verhalten der zu kühlenden Werkzeugmaschinenkomponenten und den Energiebedarf der Fluidsysteme zu untersuchen und zum anderen neuartige Kühlsystemstrukturen und Kühlbetriebsstrategien hinsichtlich der Verbesserung des thermischen Verhaltens der zu kühlenden Maschinenkomponenten für einen möglichst energieeffizienten Betrieb des Kühlsystems zu entwickeln. Darüber hinaus lässt sich zum einen durch Entwicklung und Untersuchung neuer Kühlstrukturvarianten und Regelungsstrategien eine relative einfache Übertragbarkeit der Ergebnisse für die Werkzeugmaschinenhersteller erreichen, zum anderen aber auch eine Methodik mithilfe der entwickelten und validierten Simulationsmodelle zur konstruktiven Auslegung der fluidtechnischen Systeme darstellen.
In einer ausführlichen systematischen Betrachtung der Maschinenunterlagen werden im ersten Schritt die fluidtechnischen Systeme der WZM identifiziert und relevante Erkenntnisse zu aktuellen Kühlsystemstrukturen gewonnen. Im zweiten Schritt dienen umfangreiche Maschinenmessungen an zwei Demonstratormaschinen zur Analyse des thermischen Verhaltens der zu kühlenden Maschinenkomponenten sowie des Energieverbrauchs der fluidtechnischen Systeme. Anhand der Maschinenunterlagen sowie der durchgeführten Messungen lassen sich Simulationsmodelle für die aktuellen Kühlsystemstrukturen entwickeln und diese mit Messungen validieren. Im dritten Schritt wird das Potential der neuen Kühlsystemstrukturen in der Simulation auf der Grundlage der Simulationsmodelle des Istzustandes des Kühlsystems untersucht. Die Diskussion der neuen Kühlsystemstrukturen mit den entwickelten Kühlbetriebsstrategien sowie die praktische Auswertung deren Potentiale mittels eines Kühlsystemversuchsstandes im vierten Schritt runden die Arbeit ab.
Analysis of the Ring Gear Orbit, Misalignment and Stability Phenomenon for Internal Gear Motors and Pumps
Since the internal gear motor/pump is used widely in many applications because it is simple, economical, and easy assembly. Analysis of the classical issues relating to its dynamic behavior is therefore necessary. This is the basis for improving the performance of the internal gear motor/pump. This study will contribute to advance the understanding of the dynamic behavior of the internal gear of the motor/pump under varying operating pressure and rotational speed. The micro-movement of the ring gear inside the housing of the internal gear motor and pump is firstly investigated. Experiments bring us the overall view of the ring gear movement inside its housing as well as the changing of the radial and the axial film thickness under various working conditions. Some interesting phenomena such as a forward and backward whirling motion and the backward motion of the ring gear center against the motor speed under low speed values have been observed experimentally. Moreover, overall operating areas corresponding to varying operating pressure and speed for 4-quadrant operations are defined. The analytical mobility method with some modification could be used for the internal gear motor/pump to predict the movement of the ring gear as well as the minimum radial film thickness. The effects of the misaligned ring gear on the performance of the internal gear motor/pump are analyzed. Some other topics relating to the internal gear motor/pump are also introduced in this study; e.g. the pressure distribution for the hydrodynamic/static/hybrid lubricant or the stability phenomenon of the internal gear motor/pump.
Prediction of the orbit of the ring gear is fundamental issue. However, it is not easy. By mean of modification mobility method gives the designers an easy tool with enough reliable and very quickly to get the first-order assessment dynamic behavior of the internal gear motor/pump without necessary to establish a complex model and program. Thereby, the instability threshold is found and the lower speed limit is also determined. It provides us an easy and quick tool to check the effect of geometry and working parameters on stability of the internal gear motor/pump at the early design stage without taking the time and cost to do experiment.
Modellbasierte Vorsteuerung ventilgesteuerter hydraulischer Linearantriebe im Lageregelkreis
In Zwei-Freiheitsgrade-Regelungskonzepten kommen sowohl klassische Regeleinrichtungen auf Basis der rückgekoppelten Regelgröße (Feedback-Regler), als auch rein vorwärts gerichtete Regeleinrichtungen (Feedforward-Regelungen) parallel zum Einsatz. In letzteren werden meist invertierte mathematische Modelle der Regelstrecke verwendet und man spricht daher auch von modellbasierten Vorsteuerungen. Die resultierende Regelgüte ist dabei prinzipiell umso höher, je genauer das in der Vorsteuerung implementierte mathematische Modell das real vorliegende, im Allgemeinen nichtlineare, Übertragungsverhalten der Regelstrecke abbildet.
In der vorliegenden Arbeit werden Verfahren zum theoretischen Entwurf und zur messdatenbasierten Optimierung mathematischer Modelle hergeleitet, welche zur modellbasierten Vorsteuerung ventilgesteuerter hydraulischer Antriebssysteme geeignet sind. Bekannte und etablierte Entwurfskonzepte auf Basis dynamischer und stationärer Modellgleichungen werden dabei verallgemeinert, so dass diese auf eine Vielzahl von konkreten Antriebs- beziehungsweise Ventiltypen anwendbar sind. Ein wesentliches Entwurfsergebnis ist dabei das stationäre Antriebskennfeld, welches alle vom Antriebssystem realisierbaren stationären Arbeitspunkte abbildet und in Form einer zweidimensionalen numerischen Wertetabelle vorliegt. Im Kennfeld können dabei insbesondere einfach und flexibel Nichtlinearitäten des Übertragungsverhaltens eines Antriebssystems abgebildet werden. Das Antriebskennfeld bildet darüber hinaus die Grundlage für das in dieser Arbeit entwickelte messdatenbasierte Optimierungs-verfahren, welches in Form von echtzeitfähigen Softwarealgorithmen auf digitalen Regelrechnern implementiert und als Hintergrundprozess der eigentlichen Antriebsregelung aufgefasst werden kann. Dieses Optimierungsverfahren basiert dabei auf zeitdiskreten Filteralgorithmen und Radialen-Basisfunktionen-Netzen, einer speziellen Klasse Künstlicher Neuronaler Netze. Ein wesentliches Merkmal ist dabei, dass in den optimierten Vorsteuerungsentwurf sowohl theoretische White Box Informationen als auch messdatenbasierte Black Box Informationen mit eingehen und somit ein auf beiden Informationsquellen basierendes Gray Box Antriebskennfeld synthetisiert wird.
Die Verfahren zum Modellentwurf und zur Modelloptimierung werden dabei am konkreten Beispiel des lagegeregelten hydraulischen Zylinderantriebs hergeleitet und demonstriert, welcher als einer der klassischen Vertreter der hydraulischen Antriebs-technik angesehen werden kann. Im Kern sind diese Verfahren jedoch als eine in weiten Grenzen allgemeingültige Systematik zum Modellentwurf und zur Modelloptimierung aufzufassen, welche prinzipiell auch auf alternative Antriebssysteme und alternative Regelungsaufgaben übertragen werden kann.
Effizienzsteigerung mobiler Arbeitsmaschinen durch vollvariable, 4-quadrantenfähige Antriebe und eine bedienerentkoppelte Betriebsstrategie
Die Steigerung von Produktivität, Bedienerkomfort und Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen bei gleichzeitiger Abgasemissionsreduzierung bilden derzeit den Schwerpunkt der Entwicklungstätigkeiten der Maschinenhersteller. In den letzten Jahren wurden für die Subsysteme Dieselmotor, Fahrantrieb und Arbeitshydraulik neue, energieeffiziente Antriebskonzepte entwickelt. Neben verbessertem energetischem Verhalten bieten vollvariable Antriebslösungen die Möglichkeit, das Wandlungsverhältnis stufenlos anzupassen. Die sich daraus ergebenden steuerungstechnischen Freiheitsgrade eröffnen neue Möglichkeiten in der Ansteuerung des Antriebssystems und der Abstimmung des Maschinenverhaltens. Die Qualifikation des Bedieners und seine aktuelle Verfassung haben großen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch der Maschinen. Durch geeignete Betriebsstrategien kann dieser Einfluss minimiert werden.
In dieser Arbeit werden am Beispiel eines 24-t Radladers ein energieeffizientes, neu-artiges Antriebssystem mit vollvariablen, 4-quadrantenfähigen Subsystemen sowie eine innovative Betriebsstrategie zur Reduzierung des Einflusses des Bedieners entwickelt. Durch Absenkung der Drehzahl des Dieselmotors, Betrieb der Subsysteme in energetisch günstigen Kennfeldbereichen und die Wiederverwendung rückgespeister Energie ist eine signifikante Kraftstoffverbrauchsreduzierung des Antriebssystems gegenüber konventionellen Lösungen erzielbar. Neben umfangreichen Simulations-studien wurde das entwickelte Antriebssystem in einer Demonstratormaschine realisiert und unter realen Einsatzbedingungen in einer Kiesgrube erprobt. Vergleichsfahrten gegenüber einer aktuellen, effizienten Serienmaschine weisen die Funktionalität der entwickelten Antriebs- und Steuerungslösungen und das Kraftstoffeinsparpotential nach.
Energetische Untersuchung und Verbesserung der Antriebstechnik pneumatischer
Handhabungssysteme
Pneumatische Antriebe kommen in einer Vielzahl industrieller Produktionsanlagen zur Umsetzung von Bewegungs- und Handhabungsaufgaben zum Einsatz. Sie weisen dabei häufig eine starke Überdimensionierung mit erhöhtem Energiebedarf auf. Zur Erschließung dieser bestehenden Einsparpotenziale können verschiedene Energiesparlösungen verwendet werden. Untersuchungen zum Vergleich des komponenten- und steuerungstechnischen Aufwands beim Einsatz dieser Lösungen liegen bisher nicht vor. Daher kann die Frage, welche Energiesparmaßnahme bei einem konkreten Antriebssystem zum Einsatz kommen sollte, nicht ausreichend beantwortet werden. Die vorliegende Arbeit begegnet dieser Problemstellung und setzt bei typischen Anlagen im Produktionsumfeld an.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Analyse der energetischen Einsparpotenziale von bestehenden Anlagen und der gezielten Anwendung von konstruktiv-parametrischen sowie schaltungstechnischen Maßnahmen zur Reduzierung des Energiebedarfs. Der Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit sind zwei repräsentative Handhabungssysteme mit vorwiegend pneumatischen Antriebsachsen. Die in der Arbeit erarbeiteten Strategien zur energetischen Analyse und Verbesserung werden, über die untersuchten Anlagen hinaus, in einem breiten Anwendungsfeld betrachtet.
Die Einsparung von Energie beschränkt sich in der vorliegenden Arbeit auf die Reduzierung der aufgenommenen pneumatischen Energie. Ein wichtiger Schwerpunkt ist hierbei die Nutzung von Energiesparschaltungen basierend auf Schaltventiltechnik und einfachen Ansteuersignalen. Neue Aspekte sind die Ableitung von beliebigen Energiesparschaltungen auf der Grundlage vorhandener Energiespareffekte und deren Gegenüberstellung auf der Basis von funktionalen und kostenspezifischen Bewertungskriterien.
Modellprädiktive Optimierung drehzahlvariabler Verstellpumpen
Zur Regelung hydraulischer Prozesse haben sich in modernen Industriemaschinen neben der klassischen Ventiltechnik effiziente Verdrängersteuerungen etabliert. Mit einer bedarfsgerechten Förderung des Volumenstromes werden Drosselverluste vermieden und eine gesteigerte Energieeffizienz im Betrieb erreicht. Neben Pumpen mit verstellbarem Fördervolumen zeigt sich – begünstigt durch die sinkenden Kosten der Leistungselektronik – in den vergangenen Jahren ein zunehmendes Interesse an drehzahlvariablen Pumpenantrieben. Der Einsatz von Frequenzumrichtern ermöglicht insbesondere bei kleinen Fördermengen und prozessbedingten Leerlaufphasen erhebliche Potentiale zur Energieeinsparung. Pumpen mit verstellbarem Fördervolumen können dagegen bei hohen Systemdrücken eine effiziente Entlastung des elektrischen Antriebes ermöglichen. Die Kombination eines drehzahlvariablen Antriebs mit einer Verstellpumpe verbindet die Vorteile beider Konzepte und stellt mit Drehzahl und Fördervolumen zwei Stellgrößen für die Regelung hydraulischer Prozesse zur Verfügung. Aus Prozesssicht kann die verstellbare Pumpe als stufenloses hydraulisches Getriebe interpretiert werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie der resultierende Freiheitsgrad zur Optimierung von wahlweise Energieeffizienz und Dynamik in hydraulischen Prozessen eingesetzt werden kann.
Energieeffizienz
In vorhergehenden Arbeiten wurde der Freiheitsgrad drehzahlvariabler Verstellpumpen im Rahmen einer ganzheitlichen statischen Verlustanalyse des elektrohydraulischen Antriebssystems zur Steigerung der Energieeffizienz genutzt und eine modellbasierte, arbeitspunktorientierte Drehzahlvorsteuerung entwickelt. Für statische und quasistatische Prozesszyklen konnten auf diese Weise Energieeinsparungen von mehr als 20 % im Vergleich zu rein drehzahlvariablen und rein fördervolumenvariablen Regelungsstrategien nachgewiesen werden.
Gleichzeitig musste bei dynamischen Zyklen jedoch ein entscheidendes Defizit der statischen Verlustbeschreibung festgestellt werden. Schnelle Beschleunigungsvorgänge führen im elektrischen Antrieb zu erhöhten Kupferverlusten, welche die vermeintlichen Einsparungen beim Anfahren der energieoptimalen Arbeitspunkte dominieren können.
Der vorgestellten Problemstellung wird in dieser Arbeit mit einem modellprädiktiven Optimierungsansatz entgegnet. Dazu wird ein zeitdiskretes dynamisches Verlustmodell aller Antriebskomponenten formuliert. Im Gegensatz zur herkömmlichen arbeitspunktorientierten Optimierung kann auf diese Weise eine zyklusorientierte Optimierung eingeführt werden, die eine intelligente Nutzung des Freiheitsgrades für beliebige hydraulische Zyklen sicherstellt. In dem modellprädiktiven Ansatz wird ein bekannter, wiederkehrender hydraulischer Prozess in eine äquivalente mathematische Optimierungsaufgabe transformiert. Mittels geeignet formulierten
Nebenbedingungen kann dabei die geforderte Prozessdynamik ebenso sichergestellt werden, wie das Einhalten der physikalischen Grenzen aller Antriebskomponenten.
In Simulationen und Messungen am Prüfstand können Energieeinsparungen von bis zu 20 % im Vergleich zu bekannten Betriebsstrategien nachgewiesen werden. Insbesondere kann die Leistungsfähigkeit des modellprädiktiven Konzeptes für hochdynamische Prozesse gezeigt werden, bei denen die statische Optimierung ineffizient wird.
Prozessdynamik
Neben der Energieeffizienz spielt in industriellen Anwendungen auch die Prozessdynamik eine entscheidende Rolle. Kürzere Zykluszeiten erhöhen unmittelbar den Produktionsoutput und tragen damit wesentlich zur Rentabilität einer Arbeitsmaschine bei. Daher wird in einem zweiten Kapitel dieser Arbeit das Potential der beiden Stellgrößen Drehzahl und Schwenkwinkel zur Maximierung der Prozessdynamik aufgezeigt. Dazu wird insbesondere ein Sollwertsprung des Volumenstroms am Ausgang der Pumpe analysiert und mit dem Ziel einer minimalen Anstiegszeit optimiert.
Zur Maximierung der Volumenstromdynamik wurde in bisherigen Arbeiten die Antriebsdrehzahl als Multiplikator der maximalen Pumpendynamik aufgefasst. Bekannte Betriebsstrategien drehzahlvariabler Verstellpumpen empfehlen daher ein frühzeitiges Anheben der Antriebsdrehzahl auf ein maximal mögliches Level. Der anschließende Sollwertsprung kann somit unter Verwendung der maximalen Schwenkgeschwindigkeit der Pumpe bei maximaler Antriebsdrehzahl durchgeführt werden.
In dieser Arbeit wird eine neue prozessorientierte Betriebsstrategie vorgestellt, die exemplarisch eine Verdopplung der bisher möglichen Volumenstromdynamik erzielt bei gleichzeitiger Reduktion der maximal notwendigen Pumpendrehzahl um 40 %. Auf Basis eines dynamischen Modells der drehzahlvariablen Verstellpumpe wird der optimale Einsatz des vorhandenen Freiheitsgrades hergeleitet und gezeigt, dass dieser sowohl von Systemparametern wie maximales Motormoment, maximales Fördervolumen der Pumpe oder Massenträgheitsmoment des elektrohydraulischen Antriebssystems, aber auch von Systemdruck und Volumenstrom als relevante Prozessparameter bestimmt wird.
"Ein Beitrag zur Integration von Maßnahmen der Funktionalen Sicherheit in einen geregelten elektrohydraulischen Antrieb für stationäre Anwendungen"
Die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG schreibt den Herstellern einer in der EU in Verkehr gebrachten Maschine die Einhaltung grundlegender Schutzziele vor. Bei der Umsetzung suchen die Unternehmen verstärkt nach kosteneffizienten Schutzmaßnahmen. In der elektrischen Antriebstechnik existieren bereits seit Längerem anwendungsfreundliche, sicherheitstechnische Komplettlösungen. Für geregelte elektrohydraulische Antriebe fehlt ein vergleichbarer, wettbewerbsfähiger Ansatz.
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines normkonformen und anwenderfreundlichen Sicherheitskonzepts für geregelte elektrohydraulische Vorschubantriebe auf Basis der EN ISO 13849-1. Ein CNC-Mehrspindel-Drehautomat bildet den Rahmen der Untersuchungen. Anhand der Maschine werden die Sicherheitsanforderungen spezifiziert. Das Beispiel zeigt die vorhandenen Defizite auf und konkretisiert den Weiterentwicklungsbedarf. Mithilfe einer entwickelten Vorgehensweise werden für das Stetig-Wegeventil sämtliche Fehlerfälle und deren Auswirkung systematisch identifiziert. Aus der Kenntnis werden Konsequenzen für den Aufbau der Komponente beim Einsatz in sicherheitsbezogenen Anwendungen abgeleitet. Der Beitrag umfasst zudem die simulationsgestützte Untersuchung unterschiedlicher Ansätze der sensorlosen Positionsbestimmung an zwei typischen Ventilaktoren. Anhand der Ergebnisse werden geeignete Verfahren ausgewählt und am Prüfstand umgesetzt. Die generierten Informationen dienen der Fehlererkennung am Ventil. Die erarbeiteten Maßnahmen erlauben die Integration unterschiedlicher Sicherheitsfunktionen direkt in den geregelten elektrohydraulischen Antrieb. Die Implementierung unter anwendungsnahen Einsatzbedingungen demonstriert die Robustheit und die Leistungsfähigkeit des resultierenden Sicherheitskonzepts.
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"Regelverhalten, Gestaltdesign und Robustheit direkt-gesteuerter Proportionaldruckbegrenzungsventile"
Elektro-hydraulische Komponenten zur Energiesteuerung und -regelung stellen wichtige Bestandteile fluidtechnischer Systemlösungen dar. Die Vielzahl der vorhandenen Ventiltypen ist durch eine hohe Leistungsdichte, Robustheit und Zuverlässigkeit gekennzeichnet, sodass weitere Verbesserungen der initialen Leistungsdaten eine zunehmend herausfordernde Entwicklungsaufgabe darstellen.
Die Aspekte Regelverhalten und Robustheit werden in dieser Arbeit als exemplarische Zielstellungen detailliert am Beispiel eines Proportionaldruckbegrenzungsventils diskutiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf einer Verknüpfung der die Ventilfunktion bestimmenden Gestaltung von Strömungsraum und Aktor mit der Funktionalität der Gesamtkomponente. Diese inverse Betrachtungsweise erlaubt die Vorausberechnung einzelner Gestaltelemente des Ventils unter Berücksichtigung angestrebter Leistungsdaten. In Verbindung mit einer Beispielkomponente ermöglicht die erarbeitete Vorgehensweise durch ein alleiniges, auf die Funktion zugeschnittenes Gestaltdesign einzelner Ventilelemente eine Erhöhung der Leistungsdaten auf das 2,5fache bei einer deutlichen Reduzierung von Bauraum und elektrischer Leistungs-aufnahme. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die simulationstechnischen Vorausberechnungen, womit das Anwendungspotential dieser neuartigen Heran-gehensweise für den virtuellen Ventilentwurf herausgestellt wird.
Analysen zum Einfluss von systemimmanenten Unsicherheiten wie Toleranzen oder Materialeigenschaften auf die Robustheit des neudesignten Ventilverhaltens verknüpfen die Vorausberechnungen mit Fragestellungen der technischen Realisierbarkeit. Die Untersuchungsergebnisse konkretisieren hierbei den obligatorischen Charakter derartiger Analysen für ein erfolgreiches Gestaltdesign.
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"Dosiergenauigkeit, Wirkungsgrad und Geräusch von elektromagnetisch angetriebenen Kolbenpumpen"
Elektromagnetisch angetriebene Kolbenpumpen sind kompakte Dosiereinheiten zur genauen Förderung eines breiten Spektrums von Flüssigkeiten. Anwendungsbeispiele finden sich in der Dosierung von Kraftstoffen, Additiven, Heizöl und wässrigen Lösungen. Angesichts der unkomplizierten Erzeugung einer translatorischen Bewegung stellt der Magnetantrieb den favorisierten Antrieb der Apparatur dar.
Schwerpunkte der Weiter- und Neuentwicklungen der Pumpen sind die stetige Verbesserung von Dosiergenauigkeit und Wirkungsgrad sowie die Reduktion der Geräuschemission. In dieser Arbeit wurden diese drei Betriebsparameter ausführlich untersucht und zielgerichtet Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet. Im Fokus standen dabei sowohl die Strömungsvorgänge in der Pumpe als auch das Betriebsverhalten des elektromagnetischen Aktors. Während Leckagevolumen¬ströme und Kavitation im Strömungsraum maßgeblich den volumetrischen Wirkungsgrad und die Dosiergenauigkeit der Pumpe reduzieren, beeinflusst das Betriebsverhalten des elektromagnetischen Aktors und dessen Ansteuerung den resultierenden Gesamtwirkungsgrad und die Geräuschemission der Dosiereinheit. Da die untersuchten Dosiereinheiten einen ausgeprägten fluid-mechatronischen Charakter aufweisen, bestand eine wesentliche Herausforderung dieser Arbeit in der Zusammenführung der verschiedenen Wissensgebiete.
Den größten Umfang der Darstellungen nimmt die Analyse der Strömungsvorgänge in der Pumpe in Abhängigkeit der verwendeten Ventile ein. Zur Steuerung der Fluidströmung und Abgrenzung des Arbeitsraumes stehen im Allgemeinen Sitzventile und Schieberventile zur Verfügung. Die Gestalt der eingesetzten Ventile bestimmt maßgeblich die Intensität der Kavitation und Leckage in der Pumpe. Fluidgesteuerte Sitzventile zeichnen sich durch geringe Druckverluste und eine hohe Dichtheit aus. Schiebersteuerungen sind aufgrund ihres einfachen Aufbaus robust, aber nicht leckagefrei. In systematischen Untersuchungen wurden drei charakteristische Schaltungsvarianten der Ventile in der Pumpe ausgewählt und hinsichtlich ihrer Dosiereignung miteinander verglichen. Am Beispiel des fluidgesteuerten Ventils wurde für die Ansaugphase der Pumpe der Druckverlust vom Pumpeneinlass durch das Ventil bis in den Arbeitsraum untersucht. Anhand von identifizierten Schwachstellen konnten Verbesserungsvorschläge erarbeitet und der minimale statische Druck im Arbeitsraum um bis zu 50 % angehoben werden. Am Beispiel eines schiebergesteuerten Einlassventils wurde in grundlegenden Parameterstudien der Einfluss druckinduzierter und schleppinduzierter Spaltströmungen auf die resultierende Leckage durch das Ventil untersucht. Neben der Analyse bekannter Ventilschaltungen erfolgte die Entwicklung und Untersuchung einer Steuerkolbenpumpe mit ausschließlich schiebergesteuerten Ventilen, die jedoch vorrangig für die Förderung von Flüssigkeiten geeignet ist. Als Analysewerkzeug fanden die Systemsimulation mit konzentrierten Parametern und die numerische Strömungsberechnung Anwendung. Trotz der Entwicklungsfortschritte der numerischen Strömungssimulation konnte auf experimentelle Untersuchen nicht vollständig verzichtet werden. Insbesondere die Analyse der dreidimensionalen Kavitationseffekte in der Pumpe erforderte den Einsatz experimenteller Visualisierungsmesstechnik.
Im Hinblick auf die Reduktion der Geräuschemission und des Energieverbrauchs erfolgte die Anwendung einer Methode zur sensorlosen Positionsbestimmung des Ankers unter Auswertung des verketteten Flusses. Der Ansatz nutzt die Tatsache, dass sich mit der Position des Ankers die induktive Charakteristik des Elektromagneten ändert. Um das Geräusch der magnetisch betriebenen Pumpen zu reduzieren, wurde eine Ansteuerstrategie zur variablen Energiezufuhr in Abhängigkeit des geschätzten Positionssignals erarbeitet und erprobt. Dabei ist die Geschwindigkeit des Vorhubes und des Rückhubes getrennt einstellbar. Die reduzierte Leistungsaufnahme verbesserte die Energiebilanz der Apparatur um mehr als 25 % und verringerte so die Eigen- und Flüssigkeitserwärmung. Der emittierten Schalldruckpegel konnte um bis zu 10 dB reduziert werden.
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Gold, Sabine
"Auslegung, Analyse und Erprobung eines lastgesteuerten Hybrid-Gleitlagers für Schwerlastanwendungen am Beispiel Pod-Antrieb"
In der Schiffstechnik geht der Trend zu immer größeren Antriebsleistungen bei steigenden Ansprüchen an Manövrier- und Positioniergenauigkeit. Kreuzfahrtschiffe, Marine- und Spezialschiffe (z. B. Eisbrecher, Bohrplattformen) müssen auf engstem Raum manövrieren oder bestimmte Positionen mit hoher Genauigkeit halten. Deshalb werden sie zunehmend mit elektrischen Pod-Antrieben ausgestattet. Diese um 360° drehbaren Antriebsgondeln (engl. „pod“) sind unter dem Schiffsrumpf angeordnet und ermöglichen kleinste Wendekreise sowie kurze Stoppzeiten und -wege. Die aus der Drehbewegung und der gegenseitigen Anströmung der Propeller resultierenden Lagerlasten sowie die Kompaktheit dieses Antriebssystems stellen höchste Anforderungen an die Komponenten des Antriebsstranges. Stand der Technik ist die Verwendung von Wälzlagern als Propellerlager, welche aufgrund der hochdynamischen Lasten jedoch schnell an die Grenzen ihrer Lebensdauer stoßen. Dies motivierte die Neuentwicklung eines robusten und zuverlässigen Radialgleitlagers zum Einsatz in Pod-Antrieben. Ausgangspunkt ist die Idee eines kombiniert hydrostatisch-hydrodynamischen Gleitlagers („Hybridlager“), welches die hohe Tragfähigkeit und kurze Baulänge hydrostatischer Gleitlager mit der niedrigen Versorgungsleistung und den guten Notlaufeigenschaften hydrodynamischer Lager vereint. Durch die lastgesteuerte Versorgung der hydrostatischen Lagertaschen mittels variabler Zulaufwiderstände soll der Energiebedarf reduziert und die Lagersteifigkeit erhöht werden.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der numerischen und experimentellen Analyse des Hybridlagers. Neben den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden die verwendeten und größtenteils speziell hierfür entwickelten Simulationsmodelle und Versuchsaufbauten vorgestellt. In intensiven theoretischen Studien wird vor dem Bau eines Prototyps die Funktionsfähigkeit des Hybridlagers nachgewiesen sowie das statische und dynamische Betriebsverhalten des Lagers untersucht. Die kommerzielle CFD-Umgebung ANSYS FLUENT® dient der Berechnung der komplexen Lagerströmung anhand eines detaillierten dreidimensionalen Modells des Hybridlagers. Unterschiedliche Zulaufwiderstände werden hinsichtlich ihrer Eignung für die lastgesteuerte hydrostatische Versorgung des Hybridlagers analysiert und den Anforderungen entsprechend ausgelegt. Eine Auswahl bereits in Gleitlagern eingesetzter Strömungswiderstände wird um den neu entwickelten Zulaufwiderstand „mechanisches Schieberventil“ erweitert. Ergänzend zu den CFD-Berechnungen kommt zur Vermessung und Erprobung der Zulaufwiderstände ein eigens dafür geschaffener Laborversuchsstand zum Einsatz. Für die Entwicklung des Schieberventils wird weiterhin das Programm SimulationX® zur Simulation mit konzentrierten Parametern genutzt.
Zur experimentellen Untersuchung des Hybridlagers wird ein Gleitlagerprüfstand im Maßstab 1:1 konzipiert und gebaut, welcher die Einbausituation des Propellerlagers im Pod-Antrieb widerspiegelt und Lagerlasten von bis zu 2,4 MN erzeugen kann. Während der Erprobung erfüllt das Hybridlager die gestellten Anforderungen und erweist sich als überaus robust. Die Untersuchungen liefern umfangreiche Erkenntnisse zum Betriebsverhalten des Hybridlagers sowie zur Auslegung des Lagers und des hydrostatischen Versorgungssystems. Daraus abgeleitete Auslegungshinweise sowie Konzeptideen für die Steuerung und Überwachung des Hybridlagers runden die Arbeit ab. Neben dem Entwurf einer Strategie zur Wahl des Betriebsmodus und der Identifizierung geeigneter Betriebsgrößen zur Zustandsüberwachung werden verschiedene Aspekte diskutiert, welche die Integration des Hybridlagers in das System Pod-Antrieb betreffen.
"Piezoelektrische Antriebstechnologie für Kleinventile: Gesamtkonzept, Ansteuerelektroniken und inhärente Sensorfunktionen"
Piezoaktoren besitzen ein große Leistungsdichte, hohe Steifigkeit sowie gute Energieeffizienz und bieten deshalb ein großes Potenzial für einen Antrieb von Mikro- und Miniaturventilen. Piezostapelaktoren besitzen aber auch ein nichtlineares Auslenkungsverhalten, nur wenige Mikrometer Auslenkung und eine relativ hohe Ansteuerspannung. Bisher sind daher am Markt nur piezoelektrische Ventile für Nischenanwendungen verfügbar. Der vorgestellte Entwurfsprozess fasst ein piezoelektrisches Kleinventil als fluidmechatronisches Gesamtsystem auf und ermöglicht es so, die aktorspezifischen Herausforderungen zu lösen und eine piezoelektrische Antriebstechnologie für Proportionalventile zu entwickeln. Das erarbeitete Ventilkonzept gliedert sich in die Teilmodule Ansteuerelektronik, Antriebssystem mit einem Piezostapel, Hebelsystem und Fluidstufe.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer spezifischen leistungsfähigen Elektronik für die Ansteuerung des piezoelektrischen Ventilantriebs für proportionale und schaltende Anwendungen. Es wird ein mehrstufiges Grundkonzept entworfen, das aus zwei Gleichspannungswandlern und einem Zwischenspeicher als Energiereservoir besteht. Für die Ansteuerung eines reinen Schaltventils erfolgten Entwurf und Aufbau einer, aus dem Grundkonzept abgeleiteten, aber vereinfachten Elektronik. Mit ihr kann der Benutzer den piezoelektrischen Antrieb wie einen herkömmlichen Schaltmagneten durch Anlegen einer niedrigen Versorgungs¬spannung ansteuern. Für die Ansteuerung eines Proportionalantriebes wurde entsprechend des zweistufigen Grundkonzepts eine Elektronik aus Schaltwandlern entwickelt und aufgebaut. Die gefundene Schaltungsanordnung zeichnet sich durch einen geringen Bauteilaufwand, kompakte Maße und eine sehr niedrige Leistungsaufnahme aus.
Weiterhin wurden zwei Regelungsmethoden zum möglichst linearen Auslenken des Piezoaktors entwickelt und implementiert. Zum einen handelt es sich um eine Ladungsregelung mit einer passiven Kompensation für die elektrische Drift und das mechanische Kriechen. Zum anderen wurde ein hybrides Regelungskonzept aus einer Ladungssteuerung und Spannungsregelung entwickelt. Diese Methode verlagert die Funktionalität der Ladungsbestimmung in die Software des Mikrocontrollers und benötigt daher einen geringeren Schaltungsaufwand.
Die entwickelte Ansteuerelektronik ermöglicht das Nutzen der inhärenten Sensorfunktionen des Piezoaktors in einem Ventil. Es wird die Rekonstruktion der am Aktor wirkenden Kräfte demonstriert und aufgezeigt, wie die aktuelle Aktortemperatur unabhängig von anderen Einflüssen bestimmt werden kann. Damit ist der simultane Aktor-Sensor-Betrieb auch unter industriellen Bedingungen möglich. Mit der gemessenen Aktortemperatur ist der Einsatzbereich durch den Ausgleich der Temperatureinflüsse erweiterbar. Durch die rekonstruierte Kraft werden Zusatzinformationen über das Ventil und seinen Antrieb gewonnen, die beispielsweise zur Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit dienen können.
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"Modellierung hydraulischer Tiefziehpressen für Prozesskopplung, Reglerauslegung und energetische Bilanzierung"
Anliegen der Arbeit war es, einen Beitrag zur Weiterentwicklung gesamtheitlicher Modellierungs- und Simulationsstrategien hydraulischer Tiefziehpressen zu leisten, indem die mathematische Anlagenmodellierung mit konzentrierten Parametern durchdrungen und das Potential der Simulation anhand wichtiger Beispielanwendungen aufgezeigt wurde. Zu letzteren gehören die gesamtheitliche Beschreibung von Maschine-Prozess-Interaktionen, die Reglerparametrierung sowie die energetische Antriebsanalyse.
Um das Kraft- und Bewegungsverhalten der Maschine umfassend zu beschreiben, wurden gesamtheitliche Modelle genutzt. Diese beinhalten die Pressenmechanik sowie das komplette Antriebssystem und beziehen auch den Umformvorgang in geeigneter Weise ein. Wechselwirkungen zwischen den Baugruppen sind somit automatisch enthalten. Die mögliche Modelltiefe ist jedoch aufgrund der Komplexität der Anlage und des Rechenzeitbedarfs begrenzt. Sollen dagegen ausgewählte Subsysteme der Presse analysiert werden, sind Detailmodelle mitunter besser geeignet. Deren Anwendung erfolgte beispielhaft für die Zieheinrichtung, welche Ziehfehler wie Falten oder Risse durch Steuerung des Blecheinzugs verhindert und hohen Anforderungen an die statische und dynamische Regelgüte gerecht werden muss. Detailmodelle ermöglichen eine sehr realistische Abbildung eines Antriebs, Interaktionen mit anderen Funktionseinheiten der Maschine sind jedoch explizit zu identifizieren und zu integrieren.
Bei der Simulation von Maschinen und Antrieben unter Nutzung von Modellen mit konzentrierten Parametern sind heute stark vereinfachte Prozesslastannahmen üblich. Die realen Maschine-Prozess-Interaktionen können so allerdings nur grob angenähert werden. Ebenso besitzt die gängige FEM-Prozesssimulation Defizite hinsichtlich der Treffsicherheit bei der Vorhersage von Ziehfehlern und der Machbarkeit von neuen Teilegeometrien. Dies ist maßgeblich auf die idealisierte Abbildung der Presse in Form von Weg-Zeit- bzw. Kraft-Weg-Vorgaben zurückzuführen. Ein möglicher Lösungsansatz, der erhebliche Genauigkeitsvorteile verspricht, ist die gekoppelte Simulation. Bei dieser werden die getrennten Simulationsplattformen für Anlage und Umformprozess miteinander verbunden. Die Realisierung erfolgte im Rahmen einer Forschungskooperation. Dabei konnte die Machbarkeit nachgewiesen werden. Außerdem sind einige Berechnungsbeispiele entstanden, die den praktischen Nutzen untermauern.
Ein alternativer Ansatz für die Verbesserung der Prozesssimulation ist die Integration des Maschinenverhaltens im FEM-Simulator. Am Beispiel des Ziehkissenantriebs wurden die Schritte zur Modellaufbereitung ausführlich dargelegt. Eine Sensitivitätsanalyse lieferte konkrete Aussagen zu den Parametereinflüssen auf das Betriebsverhalten, was qualitative Empfehlungen für die Genauigkeit bei der Bestimmung der Modellkennwerte ermöglichte. Anhand eines von Forschungspartnern ausgeführten Beispiels wurde beschrieben, wie die Integration des reduzierten Anlagenmodells in der FEM-Prozesssimulation praktisch erfolgen kann.
Hydraulische Pressenantriebe betreibt man aufgrund hoher Genauigkeits- und Dynamikanforderungen oftmals im geschlossenen Regelkreis, wobei die experimentelle Ermittlung geeigneter Reglereinstellungen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand verursacht. Demgegenüber bieten Simulationsmodelle mit konzentrierten Parametern eine ideale Umgebung für die virtuelle Inbetriebnahme der Regelkreise und können dabei helfen, den experimentellen Aufwand an der realen Anlage auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Hierfür wurde eine Methodik, die im Wesentlichen auf der Vorparametrierung am linearisierten Modell und der numerischen Optimierung in der nichtlinearen Simulation beruht, vorgestellt und beispielhaft erprobt. Betrachtet wurden ein lagegeregelter mehrachsiger Parallelhalteantrieb für den Pressenstößel sowie ein kraftgeregeltes Einpunktziehkissen, welches über ein Regelventil als Stellglied verfügt. Beide Systeme müssen höchsten statischen und dynamischen Anforderungen gerecht werden. Für den Parallelhalteantrieb sind Empfehlungen zur Eignung verschiedener Reglertypen entstanden. Für den Ziehkissenantrieb wurden zwei Varianten vorgestellt, wie man die Kraftregelung im gesamten Betriebsbereich von Druck und Geschwindigkeit durch numerische Optimierung funktionssicher auslegen kann.
Die energetische Analyse und Optimierung von Pressmaschinen wird angesichts der aktuell öffentlich geführten Diskussion um den Klimaschutz und die Regulierung innerhalb der Werkzeugmaschinenbranche massiv an Bedeutung gewinnen. Am Beispiel einer Versuchsmaschine wurde die modellgestützte Analyse der Energieeffizienz demonstriert. Als Ergebnis liegen für die betrachtete Antriebsstruktur konkrete Aussagen zum Energienutzungsgrad und zu den Verlusten bis hin zur Komponentenebene vor. Auf dieser Basis lassen sich im Simulationsmodell neue Konzeptvarianten entwickeln und im Vergleich zu Messungen wesentlich zeit- und kostensparender bewerten.
"Analyse und Verbesserung des Ansaugverhaltens von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise"
Die Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung des Ansaugverhaltens hydrostatischer Pumpen am Beispiel einer Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise. Im Fokus stehen sowohl die im Saugkanal der Pumpe auftretenden Strömungsverluste als auch die, aus dem diskontinuierlichen Saug- und Förderprozess resultierende, Saugdruckpulsation.
Für einen sicheren und effizienten Betrieb hydrostatischer Verdrängereinheiten ist ein verlustarmes Ansaugverhalten unerlässlich. Durch Verringerung der Verluste entlang des Ansaugpfades kann das Einsetzen von Kavitation, welche die
maßgebliche Ursache für die Begrenzung der Pumpen-Drehzahl darstellt, zu höheren Drehzahlen verlagert werden, was eine Steigerung der Leistungsdichte der Pumpen ermöglicht. Darüber hinaus versprechen verlustarme Ansaugbedingungen eine erhöhte Lebensdauer, eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades sowie eine Verringerung der Geräuschemission.
Für die Untersuchungen der Strömungsvorgänge im Saugtrakt der Pumpe kommen experimentelle und numerische Methoden zum Einsatz. An einem exemplarischen Saugkanal werden mit Hilfe stationärer CFD-Simulationen systematisch kritische, Kavitation fördernde Geometrie-Details untersucht. Die Validierung der Simulationen
erfolgt mit Hilfe von Differenzdruckmessungen.
Die Analyse der instationären Strömungsvorgänge unter Berücksichtigung der Interaktion der Ansaugströmung mit dem rotierenden Pumpentriebwerks erfolgt ebenfalls mittels CFD-Simulationen und dient der Verbesserung des Verständnisses der Strömungsvorgänge während des Ansaugens und der damit einhergehenden Verluste. Charakteristische Ereignisse während des Überfahrens der Saugniere werden betrachtet und in Zusammenhang mit dem Verlauf der resultierenden Saugdruckpulsation gebracht.
Die Charakterisierung der stark instationären Ansaugströmung erfolgt heute anhand der Mittelwerte des statischen Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit in der Saugleitung. Die prinzipbedingte Pulsation wird bei der Angabe von Grenzwerten für die Ansaugbedingungen durch die Pumpenhersteller vernachlässigt. In der Arbeit werden Kriterien definiert, welche die Pumpenpulsation näher charakterisieren. Die Ermittlung möglicher Korrelationen sowohl zwischen den Kriterien untereinander als auch zwischen den Kriterien und der Kavitationserosion auf dem Steuerspiegel der Pumpe erfolgt mittels umfangreicher Messungen.
Der Einfluss der Umsteuergeometrie im oberen Totpunkt auf die Saugdruckpulsation und das Pumpengeräusch wird ebenfalls auf experimentellem Weg untersucht, wobei mit einer Kerbenumsteuerung (Dekompression in die Saugniere) und einer Lochumsteuerung (Dekompression in das Pumpengehäuse) zwei Steuerspiegel-Konfigurationen verglichen werden.
Für die Verbesserung des Ansaugverhaltens werden im Rahmen der Arbeit zwei Wege beschritten. Die Gestaltung des Saugkanals in Anlehnung an die Form mäandrierender Flüsse zielt auf die Minimierung der Verluste bei stationärer Durchströmung. Die prinzipbedingte Saugdruckpulsation soll mit Hilfe eines Helmholtz-Resonators verringert werden. Im Fokus der Entwicklung steht dabei die Integration des Resonators in die Pumpe, um dessen Effektivität zu erhöhen und den benötigten Bauraum gering zu halten.
"Instationäre Interaktion der Schaufelreihen beim Clocking der Leitreihen eines vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichters"
Ziel dieser Arbeit war, die Auswirkungen von Clocking der Leitreihen eines mehrstufigen Axialverdichters auf Potentiale hinsichtlich der Beeinflussung instationärer und stationärer Effekte zu untersuchen und zum grundlegenden Verständnis der instationären Schaufelinteraktion beizutragen. Dazu wurden über 2000 Leitgitterkonfigurationen vermessen, sodass der Einfluss von Clocking auf den Wirkungsgrad entlang der Kennlinie bei Auslegungsdrehzahl, auf die Schaufelgrenzschichten und auf die Betriebsgrenzen untersucht und dokumentiert werden konnte. Vor allem wurde so eine erhebliche Beeinflussung der Pumpgrenze gefunden, während das Grenzschichtverhalten auf den Schaufeln und der Wirkungsgrad im praktisch relevanten Bereich der Kennlinie kaum verändert wurden.
Hauptgegenstand der Untersuchungen war aber der Einfluss von Stator-Clocking auf die instationären Druckverteilungen und die resultierenden instationären Erregerkräfte an den Laufund Leitschaufeln. Die Vermessung der Auswirkungen der Positionierung jedes einzelnen Leitgitters wurde genutzt, um durch eine einfache Optimierung zwei geometrische Konfigurationen aller Leitgitter zu entwickeln. Die eine Konfiguration führte zu geringen aerodynamischen Erregerkräften an den Laufschaufeln aller Stufen, während die andere Konfiguration eine gleichmäßig hohe instationäre Anregung zur Folge hatte. Die Unterschiede der instationären Erregerkräfte zwischen den Konfigurationen waren erheblich und über weite Bereiche der Kennlinie unabhängig vom Betriebspunkt, ohne das die Konfiguration der Leitgitter geändert wurde.
Für eine umfassende Analyse der periodisch instationären, aerodynamischen Schaufelinteraktion wurden sowohl die Schaufeldruckverteilungen, als auch das Strömungsfeld in den axialen Schaufelzwischenräumen im Mittelschnitt der Beschaufelung für beide Clocking-Konfigurationen zeitgenau vermessen und vergleichend ausgewertet.
Aus diesen Analysen konnte mithilfe der Wellenmechanik eine einfache analytische Beschreibung der instationären Interaktion der Potentialfelder der Beschaufelung entwickelt werden. Für eine einzelne Stufen wurde mit diesem Modell die experimentell bestimmte Phasendifferenz der Druckschwankungen auf Druck- und Saugseite auf sehr einfache Weise nachgewiesen. Damit liegt ein einfaches, analytisches Modell für die Beschreibung der komplexen Überlagerung der sich relativ zueinander bewegenden Druckfelder der Beschaufelung axialer Turbomaschinen vor, das für das physikalische Verst¨andniss der instationären Schaufelinteraktion einen wertvollen Beitrag liefert.
"Struktursystematik und Effizienzpotentiale hydraulischer Fahrantriebe unter Berücksichtigung der Applikation"
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der systematischen Erschließung von Potentialen zur Steigerung der Energieeffizienz von Fahrantrieben am Beispiel eines 24-t-Radladers. Die Maschinen dieser Leistungsklasse verfügen über eine installierte Motornennleistung von circa 200 kW. Den für diese Anwendung üblichen hydrodynamischen Getrieben werden im Rahmen dieser Arbeit hydrostatische und hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigte Strukturen vergleichend gegenübergestellt. Neben der Ausführung des Getriebes steht im Rahmen dieser Arbeit die Betriebsstrategie des Verbrennungsmotors im Fokus der Betrachtung. Im Gegensatz zu hydrodynamischen Getrieben bieten hydrostatische oder hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebe die Möglichkeit einer definierten aktiven Beeinflussung der Getriebeübersetzung.
Dem hohen Aufwand zur Realisierung und experimentellen Untersuchung unterschiedlicher Getriebestrukturen wird durch eine simulationsgestützte Betrachtung Rechnung getragen. Hierfür wurden im Zuge dieser Arbeit modular aufgebaute Simulationsmodelle entwickelt und verifiziert. Deren Hauptbestandteile sind die funktional und energetisch relevanten Komponenten wie Verbrennungsmotor, Verdrängereinheiten, hydrodynamische Wandler, Stirnradgetriebe oder Planetengetriebe sowie schaltbare Kupplungen, Spül- und Speisesysteme des hydrostatischen Getriebes und die Stellsysteme der Verdrängereinheiten. Für die Modellbildung der einzelnen Komponenten wird teilweise auf verifizierte Ansätze aus der Literatur zurückgegriffen. Die Qualität der erarbeiteten Modelle wurde anhand von experimentellen Untersuchungen an einem Getriebeversuchsstand und an einem Radlader nachgewiesen. Mit Hilfe der Simulationsmodelle lassen sich beispielsweise Wirkungsgradkennfelder erzeugen, anhand derer dem Anwender eine Einschätzung des energetischen Verhaltens über den gesamten Betriebsbereich möglich ist.rnAufgrund der universellen Einsetzbarkeit mobiler Arbeitsmaschinen besteht in der Fachwelt Uneinigkeit über die Rahmenbedingungen für den energetischen Vergleich unterschiedlicher Antriebskonzepte. Analysen umfangreicher Messschriebe zu Beginn der Arbeit verdeutlichen die Auswirkungen der universellen Einsetzbarkeit der Beispielmaschine auf die Belastung der Antriebsstrangkomponenten. Während einige Anwendungen die installierte Motorleistung komplett ausschöpfen, führt die Vielzahl der Arbeitsaufgaben zu einem Betrieb der Komponenten im mittleren Teillastbereich. Auch die typischen Geschwindigkeiten des Fahrantriebs variieren anwendungsbezogen sehr stark. Als Bewertungsgrundlage werden im Rahmen dieser Arbeit bewusst keine Lastzyklen genutzt. Es wird ein Verfahren auf Basis von Häufigkeitsverteilungen vorgestellt, welches die Möglichkeit bietet, unterschiedliche Einsatzfälle, über längere Zeiträume hinweg unter verschiedenen Umgebungsbedingungen differenziert und kombiniert zu betrachten.
"Elektrohydraulische Steuerungssysteme für mobile Arbeitsmaschinen"
Die Leistungsfähigkeit heutiger Baumaschinen wird durch Produktivität, Energieeffizienz und Bedienfreundlichkeit bestimmt. Als Antriebslösungen kommen derzeit hauptsächlich hydraulische Steuerungssysteme zum Einsatz. Verschiedene Antriebe der Maschine müssen gleichzeitig und möglichst unabhängig voneinander gesteuert oder geregelt werden. Die Steuerungssysteme übernehmen dabei die bedarfsgerechte Aufteilung der hydraulischen Leistung. Dafür existiert eine Vielzahl von Systemlösungen, die alle einen hohen Entwicklungsstand erreicht haben. Dennoch gibt es ein enormes Potenzial für die Steigerung der Energieeffizienz, Bedienfreundlichkeit und Dynamik der Systeme.
Bei der Entwicklung neuer Lösungen zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften bestehender Systeme geht der Trend hin zu elektrohydraulischen Systemlösungen. In der Dissertation werden neue elektrohydraulische LS-Systeme vorgestellt, welche die Vorteile des hydraulisch-mechanischen LS-Systems hinsichtlich Robustheit, Zuverlässigkeit und Kosten mit den Vorteilen der Elektrohydraulik hinsichtlich Bedienfreundlichkeit, Flexibilität und Effizienz verbinden.
Die neuen elektrohydraulischen Lösungen basieren auf der bereits vorhandenen Pumpen- und Ventiltechnologie des hydraulisch-mechanischen Load-Sensing mit nachgeschalteter Druckwaage und kommen ohne den Einsatz von Sensoren aus. Die Änderung der Steuerungsphilosophie von einem druckgesteuerten System, hin zu einem System mit aufgeprägtem Volumenstrom ist die Grundidee der neuen Systemlösungen und bewirkt eine Verbesserung des Einschwing- und Ansprechverhaltens. Dies wird anhand einer ausführlichen mathematischen Analyse, durch die Simulation und durch experimentelle Untersuchungen an einem Systemprüfstand gezeigt. Der Druck- und Volumenstromüberschuss im System lässt sich auf ein technologisch mögliches Minimum reduzieren. Der Drucküberschuss kann im Vergleich zu bestehenden Load-Sensing Systemen um mehr als 10 bar gesenkt werden.
Durch die Erweiterung des neuen elektrohydraulischen Steuerungssystems zu einem Mehrkreissystem gelingt es, die Energieeffizienz von Verdrängersteuerungen mit der guten Steuerbarkeit, Flexibilität und dem geringen Bauraum von Ventilsteuerungen zu verbinden. In der Arbeit werden Möglichkeiten zur energieeffizient Kopplung der einzelnen Kreise behandelt.
Die Energieeffizienz der neuen Systeme wird mit auf dem Markt etablierten Lösungen verglichen. Dazu werden eigens Vergleichszyklen durch Videoanalysen am Beispiel des Baggers ermittelt. Es lässt sich eine Energieersparnis von über 20 % im Vergleich zu den hydraulisch-mechanischen Referenzsystemen erzielen.
Weiterhin werden Methoden zur Erweiterung zu geregelten Systemen gezeigt, um die Eignung des Systems beim Einsatz von teilautomatisierten Arbeitsfunktionen zu untersuchen.
"Modellbildung und numerische Optimierung am Beispiel eines servopneumatischen Membran-zylinderantriebs"
Entwurf und Optimierung servopneumatischer Zylinderantriebe erfordern eine ganzheitliche und disziplinübergreifende Betrachtungsweise, welche die unterschiedlichen Fachgebiete, vor allem Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik, und darüber hinaus den Informationsfluss zwischen diesen technischen Domänen abbildet. Die Vernetzung der verschiedenen Wissensgebiete ermöglicht die Entwicklung neuer und leistungsfähiger Produkte. Die vorliegende Arbeit zeigt Möglichkeiten zur Modellierung eines komplexen nichtlinearen mechatronischen Systems und leistet einen Beitrag zum simulationsgestützten Produktentwicklungsprozess in der Fluidtechnik. Darüber hinaus werden Schritte zur robusten und zuverlässigen Systemauslegung aufgezeigt und so die Erweiterung einer bestehenden Entwicklungsmethodik vorgenommen. Für die Untersuchungen wird beispielhaft ein servopneumatischer Membranzylinderantrieb bestehend aus Regelventil und Membranzylinder verwendet. Zur Erfüllung medizintechnischer Prüfaufgaben erreicht er derzeit eine Schwingungsamplitude von ca. ± 0,5 mm bei einer Schwingfrequenz von 50 Hz. Der Einsatz der ganzheitlichen Modellierungsmethodik sowie der numerischen Optimierung eröffnet die Möglichkeit zur gezielten Vergrößerung der Schwingungsamplitude bei gleich bleibender Schwingfrequenz.
Die zwischen den unterschiedlichen Teilsystemen eines servopneumatischen Membranzylinderantriebs auftretenden Wechselwirkungen erfordern eine ganzheitliche physikalische Systembetrachtung. Sie wird durch die Erstellung eines Systemsimulationsmodells (Netzwerkmodell mit konzentrierten Parametern) ermöglicht. Erfolgt dessen Parametrierung ausschließlich durch Geometrie- bzw. Materialdaten und mit Hilfe der Feldsimulation (CFD, FEM) entsteht ein virtueller Prototyp. Der Verzicht auf die Verwendung von Messergebnissen eröffnet so die Möglichkeit, einen Systementwurf bereits vor der realen Prototypenphase virtuell durch den Einsatz der Simulationstechnik durchzuführen. Somit lässt sich das Systemverhalten anhand mathematischer Modelle vorhersagen und schon in der Entwurfsphase des Entwicklungsprozesses weiterentwickeln. Dieses ganzheitliche, modellbasierte sowie zuverlässigkeitsorientierte Vorgehen weist die Schwerpunkte Modellbildung, Modellparametrierung und Modelloptimierung auf. Dieses Vorgehen zeigt für das Regelventil und den pneumatischen Membranzylinder Wege zur deutlichen Leistungssteigerung (elektrische Leistungsaufnahme, Ventildynamik, maximale Schwingungsamplitude) und deren robuster und zuverlässiger konstruktiver Umsetzung auf. Daraus resultierende Demonstratoren von Regelventil und Membranzylinder bestätigen die simulationstechnisch getroffenen Vorhersagen in hohem Maße. Beispielsweise wurde das die Ventildynamik charakterisierende ITAE-Kriterium um durchschnittlich 83 % und die Schwingungsamplitude des gesamten Membranzylinderantriebs um ca. 80 % verbessert. Dieses Ergebnis stützt die praxisnahe Anwendbarkeit der eingesetzten ganzheitlichen und modellbasierten sowie zuverlässigkeitsorientierten Vorgehensweise und ist ohne Einschränkung auf andere technische Problemstellungen übertragbar.
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"Untersuchungen zum pneumatischen Sortieren von Schüttgütern mittels Freistrahlen"
Die Arbeit behandelt ein Sortierverfahren für Schüttgüter, bei dem Einzelpartikel mittels gerichteter Luftstrahlen aus einem Gutstrom entfernt werden. Sortieranlagen, die nach einem derartigen Prinzip arbeiten, sind komplexe mechatronische Systeme. Insbesondere die strömungsmechanischen Vorgänge beim schnellen Schalten der Ventile, beim Auf- und Abbau des Freistrahls und der Wechselwirkungen von Luftstrahl und Sortiergut sind bis heute nur teilweise verstanden.
Der Ausblasvorgang wird in der Regel durch Schnellschaltventile realisiert, welche jeweils mit einer Blasdüse verbunden sind. Für eine Vorhersage der Ablenkung, die ein Einzelpartikel beim Ausblasvorgang erfährt, ist eine ganzheitliche Betrachtung der statischen und dynamischen Wirkzusammenhänge von Schaltventil, Blasdüse, Freistrahl und Partikelbewegung erforderlich. Die Untersuchung dieser Wirkzusammenhänge ist Gegenstand der Arbeit. Ziele sind die Identifikation der maßgeblichen technischen und physikalischen Effekte sowie die Erarbeitung analytischer Zusammenhänge zur mathematischen Beschreibung des Ausblasvorgangs. Dazu erfolgt eine Untergliederung von Sortieranlagen in Teilsysteme. Die Arbeit behandelt die Vorgänge in den Teilsystemen „Pneumatisches Sitzventil“, „Freistrahl“ und „Fluid-Partikel-Wechselwirkung“.
Für die Untersuchung der Vorgänge im Schaltventil und im Freistrahl kommen sowohl experimentelle Methoden, wie Staudruckmessungen und Strömungsvisualisierungen mittels Laser-Schlierenverfahren als auch die CFD-Simulation als numerische Untersuchungsmethode zum Einsatz. Die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Strahl und Partikel erfolgt mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Ausblasvorgängen von Kugeln, aus denen sich Flugbahnen, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe und schließlich Kräfte auf die Kugeln ermitteln lassen. Aus den ermittelten axialen und radialen Kräften ergeben sich empirische Zusammenhänge für Widerstands- und Auftriebsbeiwerte.
Die Ergebnisse finden sich in einem Simulationsmodell zur Berechnung von Ausblasvorgängen auf der Basis konzentrierter Parameter wieder. Das Berechnungsmodell erlaubt es, Ausblasvorgänge von kugelförmigen Einzelpartikeln bei Vorgabe von technischen Anlagenparametern vorauszuberechnen und bietet somit für Anlagenhersteller und Pneumatikhersteller eine erste Möglichkeit der zielgerichteten Vorauslegung von pneumatischen Freistrahl-Sortieranlagen.
"Experimentelle und numerische Untersuchung der Strömungsvorgänge in hydrostatischen Verdrängereinheiten am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe"
Die Kenntnis des örtlichen und zeitlichen Verlaufs der Fluidströmung in den Pumpen ist Voraussetzung für deren Weiterentwicklung, um den übergeordneten Entwicklungszielen nach geräusch- und pulsationsarmen Pumpen mit hohem Wirkungsgrad und großer Lebensdauer näher zu kommen. Der bis heute überwiegend gewählte Ansatz zur Analyse hydrostatischer Verdrängereinheiten - die konzentrierte Parametersimulation - kann keine Details zu Strömungsverläufen und Druckverlusten liefern und, wenn Kavitation einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag zum Gesamtverhalten darstellt, größere Berechnungsfehler zur Folge haben. Die experimentelle Erfassung der Feldgrößen im Inneren der Pumpen sowie die Visualisierung sind sehr aufwändig und bleiben auf Einzelfälle beschränkt. Die Kavitationsgefährdung von Pumpenkonstruktionen kann bisher ausschließlich auf experimentellem Weg in Form von zeitaufwändigen Lebensdauertests ermittelt werden, wobei allenfalls Vermutungen über das Strömungsverhalten innerhalb der Pumpen möglich sind. Die Limitierungen alternativer Methoden ergeben die Motivation für die numerische Strömungsberechnung (CFD) der Pumpen. Das Potenzial der vergleichsweise rechenintensiven CFD-Analyse von Pumpenströmungen ist bisher nicht systematisch untersucht worden, da hier sehr hohe Anforderungen an die CFD bestehen. Zudem liegen eine Reihe offener Fragen bei der Anwendung auf hydrostatische Verdrängereinheiten im Bereich der Ölhydraulik vor. Obwohl die CFD experimentelle Studien nicht ersetzen kann, verspricht die Kombination beider Methoden eine prinzipielle Verbesserung der wissenschaftlichen Analyse.
In dieser Arbeit wird das Potenzial der CFD-Simulation für die Analyse der Strömungsmechanik hydrostatischer Pumpen am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe systematisch untersucht. Die Arbeit soll einen Beitrag zum verbesserten Verständnis der Strömungsvorgänge liefern und verfolgt zwei zentrale Ziele: Zunächst wird die numerische Strömungsberechnung für die Anwendung in hydrostatischen Verdrängereinheiten entwickelt, so dass sich die dominierenden physikalischen Prozesse abbilden lassen. Darauf aufbauend werden durch Ortung und Bewertung strömungskritischer Zonen konstruktive Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet, um Einfluss u. a. auf die Geräuschproblematik der Pumpen zu nehmen. Zu den zentralen Aufgaben zählen die Optimierung von Umsteuergeometrien, die Vorhersage volumetrischer Verluste, die Reduktion der Kavitationsneigung mit dem Ziel der Drehzahlerhöhung sowie die Vorhersage kavitationsbedingter Schädigungen von Pumpenbauteilen.
Durch experimentelle Validierungen, insbesondere Innendruck-, Pulsations- und Volumenstrommessungen sowie Visualisierungen, aber auch durch Dauerversuche, wird nachgewiesen, dass die CFD einen hohen Anwendungsnutzen bei der Weiterentwicklung von Pumpen bietet, da die vorherrschenden Strömungsmechanismen auch bei reduziertem Modellumfang berechenbar sind. Unter Berücksichtigung von Kompressibilität und Kavitation werden experimentell gut validierte Berechnungsergebnisse erzielt. Die Methode eignet sich zudem zur Vorhersage von Bauteilschädigungen als Folge energiereicher Blasenimplosionen. Der durch die CFD ermöglichte Blick in die Pumpen zur Detektierung kavitationskritischer Zonen zeigt Kavitation neben Pulsation und Druckänderungsgeschwindigkeit als weitere Ursache für die Geräuschanregung hydrostatischer Pumpen auf, deren Einfluss durch Verbesserung der Strömungsführung gemindert wird. Bei Zahnradpumpen kann mit einer asymmetrischen Druckumsteuergeometrie die hydraulische Unterversorgung im Zahneingriff reduziert und somit die Niederdruckpulsation und Geräuschemission verringert werden. Für eine Zweiflankenzahnradpumpe wird eine Druckumsteuergeometrie entwickelt, mit der sich das Geräuschniveau von Innenzahnradpumpen vergleichbarer Größe erreichen lässt. An Kolbenpumpen kommt die Berechnungsmethode zur Optimierung der Druckumsteuergeometrie im Unteren Totpunkt zum Einsatz. Durch eine veränderte Geometrie auf Basis von Steuerbohrungen mit Diffusoren lässt sich die Kavitationsanregung im Verdrängungsvolumen auch hier reduzieren.
"Modellbasierter Systementwurf am Beispiel vorgesteuerter Druckbegrenzungsventile"
Elektrohydraulische Ventile sind aufgrund der Nutzung unterschiedlicher physikalischer Domänen als mechatronische Systeme zu verstehen. Regelelektronik, Proportionalmagnet, Ventilmechanik sowie strömungsmechanische Effekte an den Steuerkanten bestimmen mit sehr komplexen Wechselwirkungen das Übertragungsverhalten der Ventile. Diese Komplexität sowie die gestiegenen Anforderungen an eine moderne Ventiltechnik erfordern einen effektiven und zuverlässigen Entwicklungsprozess. Durch die Methode des modellbasierten Systementwurfs und die Verwendung ganzheitlicher Simulationsmodelle lassen sich die zu erwartenden Produkteigenschaften früher vorhersagen, sowie zeit- und kostenaufwendige experimentelle Prüfstandsarbeiten reduzieren bzw. auf spätere Entwicklungsphasen verlagern.
Die konsequente Anwendung dieser Methode konnte sich bisher nicht bei der Entwicklung elektrohydraulischer Ventilsysteme in der industriellen Praxis durchsetzen. Trotz des vielfältigen Einsatzes verschiedenster Simulationswerkzeuge fehlen für die Erstellung ganzheitlicher, virtueller Prototypen geeignete Modellbeschreibungen sowie einfache Verfahren zur Modellparametrierung.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung und Erprobung der Methode des modellbasierten Systementwurfs im Hinblick auf die ganzheitliche Entwicklung elektrohydraulischer Ventilsysteme. Dazu werden zunächst entwicklungsrelevante Eigenschaften und Besonderheiten dieser Systeme näher beleuchtet und die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten der ganzheitlichen Simulation diskutiert.
Ein wichtiges Teilsystem elektrohydraulischer Ventile ist der Proportionalmagnet. Um ihn in einem ganzheitlichen Ventilmodell mit vertretbarem Rechenaufwand abzubilden, wird ein physikalisch begründbares Reluktanzmodell entwickelt und validiert. Mit Hilfe von stationären FEM-Rechnungen erfolgt eine detaillierte Analyse der inneren Wirkzusammenhänge sowie die Parametrierung des Reluktanzmodells. Dadurch entsteht eine Möglichkeit, den Proportionalmagneten in einem ganzheitlichen Ventilmodell abzubilden ohne die Modellparameter aus Messungen bestimmen zu müssen.
Auch die Gestaltung der Steuerkanten hat einen erheblichen Einfluss auf das Übertragungsverhalten des Gesamtsystems. Die zur Beschreibung von Strömungswiderstand und Strömungskraft erforderlichen Gleichungen sind zwar bekannt, können bisher jedoch nur durch experimentelle Ergebnisse parametriert werden. Um den modellbasierten Ventilentwurf konsequent umsetzen zu können, wird eine Methode erarbeitet, die es ermöglicht die Steuerkanteneigenschaften mittels numerischer Strömungsberechnung (CFD) zu bestimmen.
Aufgrund des hohen Aufwandes für die Erstellung und Parametrierung ganzheitlicher Simulationsmodelle ist es wichtig, dass die virtuellen Prototypen einen gezielten Einsatz finden. Anhand von zwei beispielhaften Entwicklungsaufgaben werden die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieser Entwicklungsmethodik demonstriert. Das erste Beispiel zeigt anhand einer unerwünschten Schwingungserscheinung den Einsatz verschiedener Modelltypen zur Erklärung und Lösung eines Stabilitätsproblems. Das zweite Beispiel zeigt eine Möglichkeit der gezielten Abstimmung von Teilsystemen. Im Rahmen der Vorauslegung von Ansteuerelektroniken werden systeminterne Nichtlinearitäten kompensiert.
„Entwicklung und Optimierung der Regelkreise von hydraulischen Tiefziehpressen"
Hydraulische Pressen zeichnen sich durch ihre Flexibilität gegenüber mechanischen Pressen aus. Diese Flexibilität beruht darauf, dass die Stößelweg- und Ziehkissenkraftverläufe durch den Einsatz hydraulischer Steuerungen und Regelungen unproblematisch an den jeweiligen Umformprozess angepasst werden können. Dabei müssen die elektrohydraulischen Regelkreise ausgelegt und parametriert/optimiert werden, was bislang einen hohen Zeit- und Kapitalaufwand bei dem Pressenhersteller erfordert. Ziel dieser Arbeit war es, ein Simulationsmodell zu realisieren, das aufbauend auf eine ausreichend detaillierte Modellbildung der Pressen eine automatisierte Reglerparametrierung und -optimierung von hydraulischen Regelkreisen ermöglicht. Dadurch soll der Aufwand der Entwicklung und Inbetriebnahme hydraulischer Pressen reduziert werden können.
Zuerst wurden die Antriebsstrukturen hydraulischer Pressen analysiert. Daraufhin wurde festgestellt, dass Stetigventile und elektrohydraulische Pumpen aus reglungs- und antriebstechnischer Sicht für Hydraulikpressen von wesentlicher Bedeutung sind. Deren Modellierung wurde zur Erweiterung der hydraulischen Bibliothek in dem verwendeten Programm untersucht.
Die Modellierung von Stetigventilen wurde untersucht. Basierend auf einer linearen Analyse wurde ein Modell eines Servoventils beispielhaft erstellt. Zur Parametrierung dieses Modells in Bezug auf das statische Verhalten ließ sich feststellen, dass die technischen Daten im Produktkatalog genügen. Zur Parametrierung der Dynamik müssen die Frequenzgänge des Ventils herangezogen werden. Eine Vorgehensweise zur Ermittlung der Dynamik des Ventils auf Basis der Frequenzgänge wurde aufgezeigt.
Ein vereinfachtes Modell des Druckbegrenzungsventils wurde realisiert. Dieses Modell wurde im Ziehkissenantrieb experimentell verifiziert.
Die Modellierung elektrohydraulischer Pumpen wurde untersucht. Während zur Parametrierung des statischen Verhaltens des Pumpenmodells die technischen Daten im Produktkatalog verwendet werden konnten, wurde zur Parametrierung der Dynamik der Weg der Systemidentifikation eingeschlagen. Ein Prüfstand wurde zur Identifikation ausgelegt und aufgebaut, um die Messdaten zu gewinnen, die insbesondere den Informationsgehalt der Dynamik beinhalten. Daraufhin wurde die Dynamik der Versuchspumpe identifiziert und ein Pumpenmodell entwickelt. Die experimentelle Verifikation zeigte die Einsatzfähigkeit des Modells auf.
Nach der Erweiterung der Modellbibliothek um Stetigventile, Druckventile und elektrohydraulische Servopumpen wurde die Simulation von Hydraulikpressen untersucht. Als Referenzpresse für die Modelluntersuchung stand eine Tiefziehpresse zur Verfügung. Diese Presse wurde bezüglich hydraulischer und elektrischer Steuerung bzw. Regelung erweitert. Somit wurde der Zugriff zu den Regelungen geschaffen und die Erprobung verschiedener Regelstrategien wurde möglich. Zur Berücksichtigung der Pressenmechanik wurden die mechanische Struktur und die Parametrierung der mechanischen Komponenten analysiert. Aufbauend auf diesen Arbeiten wurde das Modell des gesteuerten Stößel- und Ziehkissenantriebs erstellt. Durch experimentelle Verifikation wurde sichergestellt, dass die Modelle den jeweiligen Antrieb mit hinreichender Genauigkeit simulieren können. Auf Basis dieser Modelle der einzelnen gesteuerten Antriebe (des Stößel- und Ziehkissenantriebs) wurde das Modell der gesteuerten Versuchspresse erstellt, welches einen Maschinenarbeitszyklus simulieren kann. Es zeigte sich durch die Gegenüberstellung von Simulation und Messung an der Presse, dass das Pressenmodell eine zuverlässige Simulation über die Stößelweg- und Ziehkissenkraftverlauf liefern kann.
Aufbauend auf dem Modell der gesteuerten Versuchspresse kann nun die Simulation der geregelten Presse vorgenommen werden. Dafür wurden Verfahren zur automatisierten Parametrierung der geregelten hydraulischen Antriebe untersucht. Schwerpunkt war dabei die Ordnungsreduktion des Streckenmodells und die darauf basierende automatisierbare Parametrierung der Regler. Es wurden Faustregeln für den geregelten Stößel- und Ziehkissenantrieb entwickelt, nach denen die Reglerparameter anhand der charakteristischen Daten der Komponenten in dem Antrieb unkompliziert berechnet werden können. Diese Parameter sollen ausreichende Stabilität des Regelsystems gewähren.
Simulative Optimierung des Regelkreises für den Stößelantrieb wurde basierend auf dem linearen und nichtlinearen Modell durchgeführt. Dabei wurde zunächst ein sprungförmiges Sollsignal verwendet. Die Simulationen zeigten, dass es keinen eindeutigen Unterschied in Bezug auf das gefundene Optimum, die Optimierungsschritte und -zeit bei der Benutzung der 4 Intergralgütekriterien gibt. Es zeigte sich auch, dass die nichtlinearen Optimierungen im Vergleich zu den linearen mehr Rechenzeit, aber weniger Optimierungsschritte benötigen.
Die Optimierung des Regelkreises für den Ziehkissenantrieb nach Führungsverhalten wurde basierend auf dem linearen und nichtlinearen Modell durchgeführt. Es ließ sich feststellen, dass die mit Hilfe der Simulation gefundene optimalen Reglereinstellungen für Ziehkissenantrieb in Abhängigkeit von den eingesetzten Auswertungskriterien unterschiedlich sind. Die Sprungantworten sind aber weitgehend vergleichbar.
Die optimalen Regler für den Stößel- und Ziehkissenantrieb in der Versuchspresse wurden experimentell ermittelt. Es zeigte sich, dass die durch die Simulation ermittelten optimalen Parameter nur geringfügig von den experimentell gefundenen abweichen.
Zusammengefasst zeigt die vorliegende Arbeit, dass -basierend auf der in der Arbeit beschriebene automatisierbare Vorparametrierung und der Optimierung mit Hilfe der Simulation- eine Antriebsoptimierung hydraulischer Tiefziehpressen für Entwicklung und Inbetriebnahme realisierbar ist, was den Kapitel- und Personalaufwand reduzieren kann.
„Energieeffizientes elektrisch-hydrostatisches Antriebssystem am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine“
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und experimentelle Erprobung eines elektrisch-hydrostatischen Antriebssystems am Beispiel einer Kunststoff-Spritzgießmaschine sowie die Ermittlung und der Vergleich des Energiebedarfs mit heute am Markt erhältlichen Kunststoff-Spritzgießmaschinen.
Die Arbeit gibt Aufschluss über die statische und dynamische Leistungsfähigkeit drehzahlveränderbarer Pumpenantriebe in stationären Anlagen und gibt Hinweise für die Auslegung und Berechnung elektrisch-hydrostatischer Antriebssysteme. Vergleichsuntersuchungen zum Energieverbrauch des neu entwickelten Systems mit heute am Markt befindlichen Antriebskonzepten für Kunststoff-Spritzgießmaschinen geben einerseits eine objektive Entscheidungshilfe bei der Auswahl des geeigneten Antriebskonzeptes in Bezug auf den Energiebedarf. Andererseits erfolgt eine Analyse der Ergebnisse aus antriebstechnischer Sicht, welche die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Antriebskonzeptionen aufzeigen und Hinweise für zukünftige Entwicklungen gibt.
Auf zwei Konstantpumpen basierend, erlaubt das für eine Kunststoff-Spritzgießmaschinen entwickelte elektrisch-hydrostatisches Schaltungskonzept eine bedarfsgerechte Regelung des Fördervolumenstromes durch Veränderung der Pumpendrehzahlen. Die hydraulische Leistung wird über direktgesteuerte 2/2-Wege-Schaltventile dem jeweils aktiven Verbraucher zur Verfügung gestellt. Die Verwendung von zwei Antriebseinheiten ermöglicht einerseits den verdrängergesteuerten Betrieb eines Differenzialzylinders, andererseits können bei großen Leistungsanforderungen in der Einspritzphase die Einheiten gekoppelt werden, bei gleichzeitig hoher Dynamik der Synchron-Servomotoren. Nebenbewegungen wie z.B. Auswerferzylinder oder Kernzüge können durch einen Speicher versorgt und über Proportionalventile geregelt werden. Dieses Schaltungskonzept erlaubt somit den Parallelbetrieb der Nebenbewegungen bei gleichzeitigem Betrieb des Schließzylinders, Spritzzylinders oder des Plastifiziermotors. Schlussfolgernd werden Richtlinien erarbeitet, welche Hinweise für die Auslegung und Berechnung elektrisch-hydrostatischer Antriebssysteme in stationären Anlagen geben.
Der aufgebaute und untersuchte Prototyp einer Spritzgießmaschine zeigt gegenüber konventionellen hydraulischen Antrieben eine erhöhten Energieeffizienz und eine verringerte Geräuschemission. Dies ist zum einen auf die Drehzahlreduzierung im Teillastbetrieb und dem Stillstand der Einheiten in Pausenphasen zurückzuführen, zum anderen ist durch die Verwendung von prinzipbedingt leisen Verdrängereinheiten eine Reduktion der Geräuschabstrahlung möglich.
In der Arbeit werden fünf Kunststoff-Spritzgießmaschinen mit unterschiedlichen Antriebssystemen neuester Technik energetisch untersucht. Die Untersuchungen beinhalten sowohl bewährte Antriebskonzepte als auch innovative hydraulische und elektrisch-mechanische Antriebssysteme. Die Untersuchungen zeigen, dass energetische Verbesserungen an Kunststoff-Spritzgießmaschinen nur durch eine konsequente Weiterentwicklung der Antriebssysteme möglich sind. Neben einer Verbesserung des Energienutzungsgrads beim Plastifizieren, welches den Hauptverbraucher darstellt, ist in Abhängigkeit vom Antriebskonzept ein verstärktes Einsparpotential in den Phasen Nachdruck, Schließen/Öffnen, Auswerfen, Düse an/ab und in Pausenzeiten zu sehen.
Die Untersuchungsergebnisse der Versuchsmaschine mit elektrisch-hydrostatischem Antrieb zeigen, dass unter Verwendung eines drehzahlveränderbaren Pumpenantriebs eine wesentliche Reduktion des Energiebedarfs in nahezu allen Zyklusphasen gegenüber konventionellen hydraulischen Konzepten möglich ist.
"ENERGIESPARENDE ANTRIEBSSYSTEME FÜR DIE ARBEITSHYDRAULIK MOBILER ARBEITSMASCHINEN - ELEKTROHYDRAULISCHES LOAD-SENSING"
Die Arbeit beschäftigt sich mit den systematischen Untersuchungen von neuartigen elektrohydraulischen Systemen für die Arbeitshydraulik in mobilen Arbeitsmaschinen. Das neue Konzept, charakterisiert als „elektrohydraulisches Flow Matching (EFM)“, ersetzt die hydraulisch-mechanische Signalverarbeitung in konventionellen LS-Systemen durch einen elektronischen Signalkreis. Es soll den Einsatz von teueren und störanfälligen Komponenten weitestgehend ausschließen und dadurch die Hindernisse überwinden, die einem breiten Einsatz der elektrohydraulischen Systeme in mobilen Arbeitsmaschinen entgegenstehen. Das Ziel ist dabei, die Kostenvorteile und die Robustheit des konventionellen LS-Systems mit den energetischen und regelungstechnischen Vorteilen sowie der Flexibilität der Elektrohydraulik zu kombinieren. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt in der Überprüfung der Funktionstüchtigkeit und Leistungsfähigkeit der neuen Systeme und ihrer fachlichen Qualifizierung für den praktischen Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen.
Der Lösungsraum des EFM wird in Form einer allgemeinen Systematik der Grundschaltungen der elektrohydraulischen Systeme für die Arbeitshydraulik abgebildet. Einige EFM-Systeme mit hohem Reifegrad wurden für detaillierte Untersuchungen ausgewählt. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal dieser Systeme ist das elektronische Ansteuerungskonzept, das eine Volumenstromsteuerung oder -regelung der Verstellpumpe, oder eine Lageregelung der Druckwaagen vorsieht. Die einfache und zuverlässige Volumenstromsteuerung dient dabei als Aufbaugrundlage für die übrigen Ansteuerungskonzepte.
Das Prinzip des aufgeprägten Volumenstroms bei den EFM-Systemen ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Leistungsverluste im Vergleich zum hydraulisch-mechanischen LS-System. Während die LS-Regelung für einen konstanten Drucküberschuss sorgt, ist dieser bei den EFM-Systemen vom Pumpenvolumenstrom abhängig und passt sich dem Arbeitspunkt automatisch an. Die größten Einsparungen werden im Teillastbereich erzielt, sowohl im Einzel- als auch im Mehrverbraucherbetrieb. Die verringerten Leistungsverluste reduzieren den Kraftstoffverbrauch und folglich auch die Wärmeentwicklung in mobilen Arbeitsmaschinen.
Durch den Einsatz raffinierter Steuerungsstrategien können die Leistungsverluste sogar minimiert werden.Die untersuchten EFM-Systeme zeichnen sich gegenüber dem hydraulisch-mechanischen LS-System auch durch ein deutlich besseres dynamisches Übertragungsverhalten aus. Die Systemregelung ist wesentlich weniger von den Lastdruckänderungen abhängig und reagiert grundsätzlich nur auf die veränderten Volumenstromanforderungen. Dadurch verbessert sich die Dämpfung und die Einschwingzeit wird kürzer bei einem sehr guten Ansprechverhalten. Damit zeigen sich die neuen Systeme den anspruchsvollen Dynamikanforderungen beim Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen durchaus gewachsen. Die Auslegung und die Optimierung der neuen Systeme gestalten sich einfacher und ergeben robuste Regelungsstrukturen, und der Inbetriebnahmeaufwand ist reduziert.
Die elektronische Signalverarbeitung in EFM-Systemen ermöglicht auch die Verwendung von Sensorsignalen für die Steuerung sowie Überwachung und Diagnose der Gesamtmaschine. Sie unterstützt das so genannte Energiemanagement der Arbeitsmaschine, das bei den Maschinenherstellern immer mehr an Bedeutung gewinnt. Auch kritische Arbeitszustände können durch den Einsatz entsprechender Algorithmen leichter vermieden werden.
"Numerische Strömungsberechnung ergänzt durch experimentelle Methoden zur Untersuchung pneumatischer Strömungen"
Die Entwicklung und Optimierung pneumatischer Komponenten ist ein komplexes Problem, das auch heute noch einen großen experimentellen Untersuchungsaufwand erfordert. Durch den Einsatz der numerischen Strömungsberechnung („Computational-Fluid-Dynamics“, CFD) ließe sich dieser Aufwand stark reduzieren: Die CFD-Simulation macht strömungstechnische Zusammenhänge verständlich; Parameter, welche die Konstruktion maßgeblich beeinflussen, werden erkannt. Der praktische Einsatz der Strömungssimulation wird jedoch in der Pneumatik durch die folgende Situation erschwert: Es liegen nur wenige systematische Forschungsergebnisse vor, auf deren Grundlage sich die Güte numerisch berechneter Strömungen beurteilen und damit absichern lässt; zudem mangelt es an einer erprobten Anwendungsmethodik, die zu qualitativ hochwertigen Ergebnissen führt. Dies gilt insbesondere für die instationäre Luftströmung, die beim Schalten oder Regeln pneumatischer Ventile entsteht. Die Schilderung zeigt, dass beim gegenwärtigen Forschungsstand der kombinierte Einsatz experimenteller und numerischer Methoden die beste Möglichkeit zur Strömungsuntersuchung bietet:
-
Referenzmessungen unter möglichst einfachen Bedingungen zum Kalibrieren und Validieren der CFD-Simulation (numerische Berechnung),
-
Numerische Berechnungen für systematische Untersuchungen bezüglich des Einflusses und der Sensitivität einzelner Konstruktions- und Betriebsparameter.
Unsicherheiten beim Aufsetzen und Durchführen der Simulation sowie bei der Interpretation der komplexen Simulationsergebnisse können so abgebaut und reduziert werden. Auf Basis der erarbeiteten Erfahrungen und Erkenntnisse kann dann der numerische Anteil im industriellen Entwicklungsprozess erhöht werden: Umfangreiche experimentelle Untersuchungen lassen sich vermeiden. Dies ist das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit, in der die CFD-Simulation für den Einsatz bei der industriellen Entwicklung pneumatischer Komponenten technisch und wirtschaftlich nutzbar gemacht wird.
In der vorliegenden Arbeit werden die Einsatzmöglichkeiten der numerischen Strömungsberechnung für turbulente Luftströmungen in pneumatischen Komponenten (speziell in Pneumatikventilen) überprüft, die Kenntnisse über charakteristische Strömungszustände verbessert und die Ergebnisse experimentell abgesichert.
Dies gilt insbesondere für die instationäre CFD-Simulation mit bewegtem Rechennetz. Für diese wird eine wissenschaftlich begründete Anwendungsmethodik erarbeitet und erprobt. Diese ermöglicht eine effektive und gesicherte Durchführung numerischer Berechnungen hoher Qualität und Verlässlichkeit zur strömungstechnischen Auslegung pneumatischer Komponenten bei der industriellen Entwicklung: Sie enthält neben Gültigkeitsbereichen und Anwendungsgrenzen für den Einsatz der CFD-Simulation in der Pneumatik auch eine systematische Vorgehensweise für die problemangepasste Modellierung spezifischer Strömungsvorgänge. Aufbauend auf dieser Arbeit ist eine Konzentration auf die Optimierungsaufgabe von Beginn an möglich. Das mit Hilfe der Simulation und dem Experiment gewonnene physikalische Verständnis liefert darüber hinaus tiefere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Ventilgeometrie, Betriebsgrößen, innerer Strömung und Bauteilleistung (z. B. Durchfluss). Dies begründet eine verbesserte Ausnutzung des prinzipbedingten Leistungsvermögens pneumatischer Komponenten und insbesondere pneumatischer Sitzventile: Entwicklungsreserven für die Verbesserung und Optimierung der untersuchten Ventile werden aufgezeigt. Damit sorgt die CFD-Simulation schon im Projektstadium für die gesicherte Vorhersage der Eigenschaften des entwickelten Produkts und damit für die Reduzierung des Entwicklungsaufwands sowie des Entwicklungsrisikos. Der Einsatz des modernen Werkzeugs „CFD-Simulation“ dürfte somit zu einer erheblichen Verkürzung der Entwicklungszeiten und zur Senkung der Entwicklungskosten beitragen.
"Untersuchungen an einer Axialkolbenpumpe mit Ringsystem zur Minderung von Pulsationen"
Auf Grund des Förderprinzips, des konstruktiven Aufbaus und der Eigenschaft der Kompressibilität von Flüssigkeiten erzeugen Axialkolbenpumpen Volumenstrom- und Druckpulsationen. Die so erzeugten Schwingungen werden über das Fluid in die hydraulische Anlage übertragen und können Komponenten zur Geräuschabstrahlung anregen, die relativ weit entfernt von der eigentlichen Pumpe platziert sind. Die Hauptursachen eines ungleichförmigen Volumenstromes sind die kinematische Ungleichförmigkeit der Verdränger und mehr noch die Kompressibilität des Öls.
Die kinematische Ungleichförmigkeit wird nur von der Anzahl der Kolben im Triebwerk bestimmt. Die Pulsation auf Grund der Ölkompressibilität ist in Form und Amplitude sowohl abhängig vom Arbeitspunkt der Pumpe als auch von der Art und Weise sowie der konstruktiven Ausführung des Umsteuersystems zwischen den beiden Drucknieren im Steuerspiegel. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Umsteuersystem untersucht, bei dem mit Hilfe eines elastischen Rings in der Kolbentrommel ein vom Betriebspunkt abhängiger Verlauf der Umsteuergeometrie zwischen Niederdruck- und Hochdruckseite realisiert werden soll. Ziel der Untersuchungen ist die Verringerung der Pulsationen am Hochdruckanschluss der Pumpe im Vergleich zur Ausführung mit Kerben im Steuerspiegel.
Zur Auslegung des Ringsystems werden eine Reihe von Werkzeugen, wie numerische Simulation mit konzentrierten Parametern und Verformungsberechnung mittels FEM eingesetzt. Die verwendeten Modelle werden beschrieben. Zur Verifizierung des numerischen Pumpenmodells wird eine Messung des Druckes im Kolbenraum unter realen Betriebsbedingungen durchgeführt. Das FE-Modell des Ringes wird über eine Messung der belastungsabhängigen Verformung eines realen Ringes überprüft. Durch eine Kopplung beider Verfahren entsteht ein Gesamtauslegungswerkzeug für eine Pumpe mit Ringsystem, welches die Berechnung des zeitlichen Verhaltens einer solchen Pumpe erlaubt.
Die Messung von Pulsationen am Pumpenausgang gestaltet sich in der Art schwierig, dass ein angeschlossenes hydraulisches System Rückwirkungen auf die Pumpe ausübt. In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Messmethoden entwickelt, um diese Problemstellung zu lösen. In der vorliegenden Arbeit werden drei der gebräuchlichsten Methoden – der Reflexionsarme Leitungsabschluss, das Kurze Leitungsende sowie die Secondary Source Methode – messtechnisch untersucht und mit den Ergebnissen von theoretischen Analysen verglichen.
Im Verlauf der Untersuchungen stellt sich heraus, dass das Ringsystem ähnlich wie ein Druckbegrenzungsventil arbeitet: Das Ventil gibt erst dann einen nennenswerten Strömungsquerschnitt frei, wenn der Druck im Kolbenraum nahezu Hochdruckniveau erreicht hat. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein Umsteuersystem ausgelegt, dessen Pulsationsamplituden – abhängig vom Betriebspunkt – um 20 bis 50% unter denen der Standardpumpe liegen. Messungen von Wirkungsgrad und Druckverlauf auf der Niederdruckseite zeigen, dass bei sorgfältiger Gestaltung des Ringventils keine negativen Auswirkungen auf den volumetrischen Wirkungsgrad zu beobachten sind.
In einer Weiterentwicklung wird die Pumpe mit Ringsystem mit einer externen Ladepumpe kombiniert. Die Ladepumpe hat die Aufgabe, eine Vorbefüllung des Kolbenraumes zu realisieren. Das Ringventil dient in diesem System als Druckabsicherung und gewährleistet, dass Druckspitzen im Kolbenraum in jedem Fall vermieden werden. Der Vorteil eines solchen Systems liegt in der konsequenten Trennung des Befüllungsvorgangs von der Hochdruckpulsation. Außerdem wird der Wirkungsgrad eines solchen Systems nicht negativ beeinflusst, da der Volumenstrom der Externen Ladepumpe nahezu verlustfrei am Pumpenausgang zur Verfügung steht. Auch an diesem System erfolgt die Untersuchung der Auswirkung geänderter Konstruktionsparameter auf das Pulsationsverhalten zunächst mit einem numerischen Simulationsmodell der Pumpe. Als Vergleichssystem wird zusätzlich eine Pumpe mit Umsteuerkapazität herangezogen. Der Vorteil eines Systems mit Externer Ladepumpe in Kombination mit einem Ringsystem kommt vor allem im Betriebspunkt maximale Ausschwenkung und maximaler Druck zum Tragen. An diesem Punkt ist der maximale Wert der Pulsation im gesamten Arbeitsbereich der Pumpe messbar. Im Vergleich zur Standardpumpe reduziert sich die Druckpulsation um 57% im Vergleich zur Pumpe mit Umsteuerkapazität um 34%.
Im abschließenden Kapitel wird das Prinzip einer aktiven Pulsationsminderung unter Nutzung der Kolbenbewegung vorgestellt. Dabei wird der Schrägscheibe eine zusätzliche Bewegung senkrecht zur Schwenkachse aufgeprägt. Durch diese Verkantungsbewegung erzeugen die Kolben einen zusätzlichen Volumenstrom im Gegentakt zur eigentlichen Pulsation. Für ein solches System wird die Gleichung der veränderten Hubbahn der Kolben abgeleitet. Für drei unterschiedliche Umsteuersysteme (Standardpumpe, Pumpe mit Umsteuerkapazität und Pumpe mit Externer Ladepumpe und Ringventil) werden Berechnungen bezüglich Wirksamkeit und notwendigem Parameterbereich der Verkantungsbewegung durchgeführt. Bei der Pumpe mit Externer Ladepumpe und Ringventil ist der notwendige dynamische Verkantungswinkel < 0,1 Grad. Auf Grund dieses geringen Wertes für den Verkantungswinkel erscheint die Realisierung einer aktiven Verkantung bei Verwendung eines geeigneten Aktors sowie einer entsprechenden konstruktiven Auslegung durchaus als machbar.
Bei den durchgeführten Untersuchungen zur aktiven Pulsationsminderung handelt es sich zunächst allein um rechnerische Analysen zur Wirksamkeit einer solchen Maßnahme. Aus den Ergebnissen lassen sich Anforderungen zur Auslegung einer aktiven Pulsationsminderung ableiten.
"Optimierung und Einsatzgrenzen von Druckventilen"
Der Ausgangspunkt dieser Arbeit ist der Wunsch, die Analyse dynamischer Vorgänge von bestehenden Druckventilen durch theoretische Betrachtungen zu unterstützen und im Hinblick auf Neu- bzw. Weiterentwicklungen optimale Parameterkombinationen aufzufinden. Die für den Leser relevanten Ergebnisse der Arbeit lassen sich in fünf Gruppen zusammenfassen:
- Modellbildung,
- Methode der Modellnutzung,
- Analyse der Grundstrukturen,
- Erklärung der schlechten Reproduzierbarkeit von Schwingungen an Druckventilen,
- Empfehlungen zur Ventilgestaltung.
Die experimentelle Untersuchung von Durchfluß- und Strömungskraftverhalten der Steuerkante gehört zum Standardprogramm der Ventilanalyse schlechthin. Einerseits lassen sich aus den Messungen fehlende Parameter gewinnen, z. B. der Widerstandsbeiwert ?. Andererseits dienen sie der Überprüfung jener Modellansätze, die letztendlich nur auf Vorstellungen und Annahmen des Strömungsverlaufes im Ventil beruhen. Dies betrifft vor allem die Strömungswinkel, welche sich stark auf die Strömungskräfte auswirken.
In der Arbeit wurde die Anwendung eines Proportionalmagnet-Modells mit konzentrierten Parametern vorgestellt, dessen notwendige Parameter sich sowohl über Messungen als auch über theoretische Abschätzungen ermitteln lassen. Die Gegenüberstellungen von Messung und Simulation zeigen sehr gute Übereinstimmung, so daß das Modell einschließlich vorgeschlagener Methoden der Parameterermittlung durchaus geeignet ist, einen breiten Bereich der in der Hydraulik anfallenden Simulationsaufgaben abzudecken.
Besondere Aufmerksamkeit verdienen ventilinterne hydraulische Induktivitäten und Kapazitäten. Die Transformation hydraulischer Induktivitäten führt bei beiden Beispielen zu der Aussage, daß die Berücksichtigung dieser Induktivitäten etwa einer Vervierfachung der tatsächlichen Masse entspricht. Experimentelle Frequenzganguntersuchungen am Proportionalmagneten bestätigten die Wirkung der zu beschleunigenden Ölmassen.
Strömungskräfte dürfen nicht mit dem Hinweis vernachlässigt werden, ihre Absolutwerte seien gegenüber anderen Kräften bedeutungslos. Für dynamische Analysen sind die Ableitungen der Strömungskräfte nach dem Weg und Druck wichtig. Über ihre Vernachlässigung kann nur ein Vergleich mit strukturell äquivalenten Größen (z. B. Federsteife, Wirkfläche) entscheiden.
Die Berücksichtigung der coulombschen Reibung im nichtlinearen Modell verringert die Schwinganfälligkeit in der Simulation erheblich. Im naheliegenden Falle fehlender Parameterinformationen sind unbedingt Extremwertbetrachtungen angeraten. Die Eignung der Modelle zur Wiedergabe des dynamischen Ventilverhaltens wurde für beide Beispielventile anhand von Sprungantworten geprüft. Zusätzlich konnten beim Einsatz des Druckbegrenzungsventils Dauerschwingungen im Arbeitspunkt meßtechnisch erfaßt und zur Modellverifizierung genutzt werden. Die sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung bestätigt die Eignung der Modelle im jeweils betrachteten Frequenzbereich, auch wenn die Formulierung einzelner Eigenschaften auf quasistatischen Zusammenhängen beruht.
Im Rahmen der Analyse des dynamischen Ventilverhaltens kamen mehrere Modelle zur Anwendung, die sich erheblich durch ihre Modelltiefe unterscheiden. Von jedem Ventilbeispiel wurden zunächst alle wesentlichen Eigenschaften mathematisch formuliert und im Programmsystem ITI-SIM hinterlegt. Das auf diese Weise entstehende, detaillierte Modell enthält Nichtlinearitäten und Unstetigkeiten. Es dient in Kombination mit weiteren virtuellen hydraulischen Einheiten (wie z. B. einer Konstantstromversorgung) als Prüfstandsersatz. Die Beschreibungsformen sind vorzugsweise geometrieorientiert, um die Auswirkung maßlicher Änderungen auf das Ventilverhalten vorhersagen zu können.
Durch Vereinfachung und Linearisierung besteht die Möglichkeit, aus dem nichtlinearen Modell lineare Modelle abzuleiten und mittels Übertragungsfunktion oder Frequenzgang zu beschreiben, so daß diese Modelle nicht an eine spezielle Simulationssoftware gebunden sind. Lineare Modelle erleichtern die Bestimmung der Systemeigenfrequenzen und -dämpfungen erheblich. Anhand von Wurzelortskurven lassen sich Parametervariationen effektiver analysieren, so daß die linearen Modelle sinnvoll zur "Groborientierung" eingesetzt werden sollten. Der Wert der linearen Modelle liegt damit in der Möglichkeit, ein Vorauswahl interessanter Simulationsgebiete treffen und so die Anzahl der Simulationsläufe deutlich verringern zu können. Interessante Simulationsgebiete befinden sich sowohl im Bereich der Stabilitätsgrenze als auch in der Nähe des Optimums.
Die Stabilitätsgrenze des Druckbegrenzungsventils wurde anhand von Wurzelortskurven bestimmt und mit Simulationen (nichtlineares Modell) bzw. Messungen bestätigt. Am Beispiel des Druckreduzierventils wurden einige Überlegungen zur Optimierung vorgestellt. Ausgangspunkt bilden auch hier die Betrachtungen am linearen Modell. Aus den Bedingungen zum Betragsoptimum konnten zunächst günstige Parameterkombinationen ermittelt werden. Im zweiten Schritt erfolgte eine Optimierung im Zeitbereich anhand eines vereinfachten nichtlinearen Simulationsmodells im Programm ITI-SIM. Die Gegenüberstellung der Resultate beider Methoden verstärkt die Bedeutung des linearen Modells: Ohne Kenntnis der Ergebnisse des Betragsoptimums wären einige Ergebnisse der Optimierung im Zeitbereich nur schlecht interpretierbar. Außerdem besitzen die Startwerte einen großen Einfluß auf die Optimierung im Zeitbereich. Gerade für die Ermittlung günstiger Startwerte empfiehlt sich die Nutzung eines linearen Modells.
Vereinfacht man die Struktur eines konkreten Druckventils immer mehr, gelangt man zur Grundstruktur des Ventils. Die Grundstruktur berücksichtigt nur noch jene Eigenschaften, die alle Druckventile gleichermaßen besitzen und enthält drei Ordnungen, die aus dem Feder-Masse-System sowie dem Druckaufbau im Arbeitsanschluß resultieren. Eine weitere Grundstruktur läßt sich über eine Modellreduktion für Ventile mit stark gedämpftem Feder-Masse-System ableiten. Damit ergibt sich je nach Dämpfung des Feder-Masse-Systems eine Grundstruktur zweiter oder dritter Ordnung.
Unter der Voraussetzung, daß die Grundstruktur dominant ist, besteht der Nutzen der Analyse beider Grundstrukturen darin, daß
- die Druckventile gemeinsame Verhaltensmerkmale aufweisen,
- die Erkenntnisse auf andere Druckventile übertragbar sind,
- bereits ohne Simulation Praxiserfahrungen interpretiert werden können,
- aufgrund der niederen Ordnungen die Lösungen für Optimum und Stabilitätsgrenze geschlossen vorliegen.
Die Einführung der Ersatzparameter m*, b*, c* bildet die Grundlage einer einheitlichen Betrachtung der verschiedenen Druckventile.
Die schlechte Reproduzierbarkeit von Schwingungen an Druckventilen erschwert zum einen deren experimentelle Untersuchung und führt andererseits auch zu der Frage, welche Randbedingungen das scheinbar zufällige Auftreten der Schwingungen begünstigen. Zu jenen Größen, die während des Betriebs örtlich stark schwanken können, zählen:
- die Öltemperatur,
- das Volumen ungelöster Luft,
- die Reibkraft.
Da sich die Öltemperatur unmittelbar auf die Ölviskosität auswirkt und damit laminare Dämpfungswiderstände stark beeinflußt, können unterschiedliche Öltemperaturen ein unterschiedliches Ventilverhalten zur Folge haben. Gerade in den Kammern von Magneten sind Öltemperaturen zu erwarten, die deutlich über den Werten der übrigen Hydraulikanlage liegen. Die von den Spulen abgegebene Wärme hängt u. a. vom gewünschten Stromniveau (d. h. vom Solldruck) und der Einschaltdauer ab.
Das Volumen ungelöster Luft bestimmt die Höhe des örtlichen Ersatzkompressionsmodules. Durch Ansammlung von Luftblasen treten besonders starke Verringerungen des Ersatzkompressionsmodules in Volumina mit niedrigem Druckniveau auf.
Reibkräfte ändern sich aufgrund von Abrieb, Verschmutzung u. ä. mit der Betriebsdauer. Zusätzliche Querkräfte, wie sie infolge exzentrischer Lagerung des Ankers im Magneten auftreten, erhöhen die Reibkräfte. Der Anteil der coulombschen Reibung führt dazu, dass Dauerschwingungen nur bei starken Anregungen ausgelöst werden ("Instabilitätsschwelle" [Gui68]).
Eine Ventiloptimierung kann nicht pauschal durchgeführt werden, sondern muß sich auf vorgegebene Einsatzbedingungen hinsichtlich Anschlußkapazität und Fluideigenschaften beziehen. Weichen die realen Einsatzbedingungen von den der Optimierung zugrunde gelegten Einsatzbedingungen ab, verschlechtert sich das Ventilverhalten.
In dieser Arbeit wurden Empfehlungen für die Abstimmung der Parameter m*, b*, c* abgeleitet, die auf weitere Druckventile übertragbar sind. Grenzen der technischen Realisierbarkeit können die Umsetzung der Parameterabstimmung vereiteln, wenn besonders kleine Anschlußkapazitäten den Ausgangspunkt der Optimierung bilden.
Um definierte Dämpfungseigenschaften zu erzielen, dürfen die Dämpfungseinrichtungen nicht auf Umgebungsdruck liegen und sollten nicht auf der Nutzung laminarer Widerstände basieren.
"Untersuchungen von drehzahlveränderbaren Pumpen"
Die wesentlichen Schwerpunkte dieser Arbeit sind die systematischen Untersuchungen unterschiedlicher elektrischer Antriebssysteme hinsichtlich ihrer Eignung als Pumpenantrieb, die Überprüfung von Hydraulikpumpen in für den drehzahlveränderbaren Betrieb typischen kritischen Belastungszuständen, die weitere Entwicklung von Schaltungs- bzw. Regelungskonzepten für Differentialzylinder und die Entwicklung eines Regelungskonzeptes mit hohem Energienutzungsgrad für drehzahlveränderbare Verstellpumpen.
Neben den technischen Vergleichskriterien Wirkungsgrad, Dynamik und Regelgüte wurden die untersuchten drehzahlveränderbaren elektrischen Antriebssysteme auch hinsichtlich ihrer Kosten bewertet. Der Standard-Asynchronmotor für Frequenzumrichterbetrieb mit U/f-Kennliniensteuerung ist zwar das kostengünstigste System, jedoch sind seine technischen Eigenschaften für hohe dynamische Anforderungen nicht ausreichend. Nur in Kombination mit einer Verstellpumpe und eines Frequenzumrichters mit Vektorregelung sollte der Standard-Asynchronmotor eingesetzt werden. Der AC-Servomotor erreicht aufgrund seiner geringen Trägheit die höchste Dynamik, ist aber auch das teuerste System. Ein kostengünstiges und bisher kaum verwendetes elektrisches Antriebssystem stellt der Geschaltete Reluktanzantrieb dar. Vor allem wegen seines höheren Wirkungsgrades gegenüber anderen Systemen im unteren Drehzahlbereich eignet sich dieses System besonders als Antrieb für Konstantpumpen. Allerdings steht für den Geschalteten Reluktanzmotor bisher nur ein Labor-Umrichter zur Verfügung, was einen praktischen Einsatz derzeit verhindert.
Eine Innenzahnradpumpe, eine Radialkolbenpumpe, eine Schrägscheiben - sowie zwei Schrägachsen-Axialkolbenpumpen wurden als heute verfügbare Serienpumpen hinsichtlich ihrer Eignung für die in drehzahlveränderbaren Pumpenantrieben typischen kritischen Belastungsfälle überprüft. Als kritische Belastungen für die Pumpen wurden das Reversieren (4-Quadrantenbetrieb) und das Lasthalten herausgearbeitet, welche auf einem eigens dafür entwickelten Belastungsprüfstand im 24h-Betrieb erzeugt wurden. Die Testdauer für jede Pumpe betrug 1000 Stunden mit gleichen Zeitanteilen für beide Belastungsarten. Während der Untersuchungen kam es zu keinerlei Zerstörungen von Pumpen, jedoch konnte ein Einfluß der Pumpenkonstruktion auf die Veränderung des Pumpenwirkungsgrades über die Versuchszeit festgestellt werden. Während Pumpen mit Dichtspaltkompensation eine durch das Einlaufen der Triebwerksteile bedingte Verbesserung des Pumpenwirkungsgrades aufwiesen, nahm der Wirkungsgrad der Pumpe ohne Dichtspaltkompensation deutlich ab. Detailprobleme, die bei weiterer Belastung zum Ausfall der entsprechenden Pumpe hätte führen können, sind das Spiel der Paßfederverbindung der Innenzahnradpumpe, der Materialabtrag am Kreuzgelenk der Radialkolbenpumpe sowie das Einreißen des modifizierten Steuerspiegels der Schrägscheiben-Axialkolbenpumpe.
Für einen Differentialzylinder wurde ein Schaltungs- und Regelungskonzept vorgestellt, das auf zwei drehzahlgeregelten Konstantpumpen mit AC-Servomotoren basiert. Die Verspannung des Zylinders wird mittels einer Summendruckregelung gewährleistet. Zusätzliche hydraulische Komponenten, wie z.B. Ventile oder Drosseln, sind dafür nicht notwendig. Durch die gegenseitige Aufschaltung von Drehzahlsollwerten auf beide Antriebe wird eine sehr hochdynamische Bewegung möglich. Das Antriebssystem verhält sich somit dynamisch prinzipiell wie ein ventilgesteuerter Zylinder. Allerdings sind die statischen Eigenschaften deutlich weniger lastdruckabhängig, da beim elektrohydrostatischen System nur die gegenüber einem Proportionalventil deutlich geringere Pumpenleckage Einfluß hat. Mit dem untersuchten Antriebssystem können Verfahrgeschwindigkeiten bis = 1,6 m/s, Beschleunigungen bis = 40 m/s2 und Kräfte bis Fmax = 4,1 kN realisiert werden.
Reduziert man bei Verstellpumpen die Antriebsdrehzahl und erhöht im gleichen Maß das Verdrängungsvolumen können, zwar die Pumpenverluste deutlich reduziert werden, allerdings nehmen die Motorverluste überproportional zu. Um die Gesamtverlustleistung von Pumpe und Motor zu minimieren, wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches in jedem beliebigen Arbeitspunkt die optimale Drehzahl für das Antriebskonzept vorgibt (n1 opt = f (Q1, p1)). Dafür wurden zwei Methoden vorgestellt, mit denen die Beziehung zwischen Drehzahl n1 opt und Druck p1 bzw. Volumenstrom Q1 ermittelt werden kann. Während die Methode der analytischen Optimierung für Simulationen oder Antriebsauslegungen verwendet werden kann, ist die Methode der Offline-Kennfeldbestimmung einfacher und für den Einsatz in der Praxis besser geeignet. Beide Methoden unterscheiden sich im Ergebnis nur geringfügig. Allerdings ist die Volumenstromdynamik der drehzahlveränderbaren Verstellpumpe durch die Multiplikation von Drehzahl n1 und Verdrängungsvolumen V1 gegenüber der Verstellpumpe mit konstanter Drehzahl geringer. Ursache ist der gleichzeitige Anstieg von n1 und V1, so daß der Volumenstrom sich anfangs parabelförmig ändert. Bei hohen dynamischen Anforderungen an dieses Antriebssystem ist eine Drehzahlvorsteuerung notwendig.
In einem abschließenden Vergleich energieeffizienter hydraulischer Antriebssysteme wurden die Verstellpumpe mit konstanter Drehzahl, die drehzahlgeregelte Konstantpumpe und die drehzahlveränderbare Verstellpumpe statischen und dynamischen Messungen unterzogen sowie bezüglich ihrer Energieeffizienz gegenübergestellt. Während eines gemessenen Belastungszyklus kann man mit der drehzahlveränderbaren Verstellpumpe ca. 12 % und mit der drehzahlgeregelten Konstantpumpe ca. 20 % Energie gegenüber der Verstellpumpe mit konstanter Drehzahl sparen.
Aus den durchgeführten Untersuchungen lassen sich folgende Aussagen ableiten. Die Verstellpumpe mit konstanter Drehzahl ist aufgrund ihrer energetischen und dynamischen Eigenschaften besonders für Anwendungen mit hohen Drücken und mittleren bis hohen Volumenströmen geeignet. In diesem Arbeitsbereich verfügt das Antriebssystem über ein hervorragendes dynamisches Verhalten. Die drehzahlgeregelte Konstantpumpe eignet sich vor allem für Antriebsaufgaben im Teillastbereich mit kurzzeitigen Maximalbelastungen. Aufgrund seiner sehr hohen Verstelldynamik eignet sich dieses Antriebssystem als Antrieb für geregelte hydraulische Achsen. Die drehzahlveränderbare Verstellpumpe eignet sich wegen ihrer sehr hohen stationären Energieeffizienz für den gesamten Druck- und Volumenstrombereich, besonders für den Lasthaltebetrieb. Hohen dynamischen Anforderungen kann dieses Antriebssystem nur mit einer Drehzahlvorsteuerung gerecht werden.
Abschließend wurde das entwickelte Regelungskonzept für die drehzahlveränderbare Verstellpumpe einer praktischen Erprobung an einer vollhydraulischen Kunststoff-Spritzgießmaschine der Schließkraftklasse 1000 kN unterzogen. Dabei wurde gezeigt, daß die Implementierung dieses neuartigen Antriebskonzeptes ohne Modifikationen am Hydrauliksystem der Maschine durchgeführt werden kann. Bei der Auslegung einer drehzahlveränderbaren Verstellpumpe für eine Kunststoff-Spritzgießmaschine sind geringe Schneckendrehzahlen zu berücksichtigen, da der Zeitanteil des Plastifizierens an der Zykluszeit zunimmt und aufgrund der Drehzahlabsenkung der Verstellpumpe sich das rückwirkende Belastungsmoment vergrößert. Das effektive Belastungsmoment nimmt um ca. 20 % zu. Um die unterschiedliche Auslastung der Maschine und den Einfluß auf den Energieverbrauch zu berücksichtigen, wurden zwei unterschiedliche Spritzteile für die Untersuchungen ausgewählt. Beide Spritzteile wurden sowohl mit dem bisherigen hydraulischen Antrieb, einer Verstellpumpe mit konstanter Drehzahl, als auch mit der drehzahlveränderbaren Verstellpumpe hergestellt. Der Verlauf der elektrischen Energieaufnahme und des Schalldruckes wurden dabei gemessen.
Die Vergleichsmessungen zeigten, daß beim Einsatz einer drehzahlveränderbaren Verstellpumpe eine nennenswerte Verlustreduzierung erst bei Zyklen ab ca. 30 s und geringen Schneckendrehzahlen zu erreichen ist. Bei kürzeren Zyklen übersteigt der Energiebedarf zum Beschleunigen der Antriebseinheit die Einsparungen in Teillast- und Pausenphasen. Eine Reduzierung des mittleren Schalldruckpegels gegenüber der Verstellpumpe mit konstanter Drehzahl wurde bei allen Zyklen verzeichnet und betrug bis zu 1,5 dB(A). Für Kunststoff-Spritzgießmaschinen mit mehreren Verstellpumpen an einem Elektromotor wurde eine modifizierte Struktur der Kennfeldsteuerung vorgestellt, die das Einsatzspektrum der drehzahlveränderbaren Verstellpumpe auf Maschinen mit Parallelbewegungen ausweitet.
"Einsatz elektro-hydraulischer Antriebe zur Dämpfung mechanischer Strukturen"
Die Dissertation beinhaltet grundlegende Untersuchungen zur aktiven Dämpfung von seilgetragenen Großbauwerken. Es wird eine Systematik von Schaltungen geeigneter elektro-hydraulischer Linearantriebe erarbeitet. Praxisnahe Auslegungsvorschriften erlauben eine systematische Ableitung von Aktorparametern aus Bauwerksdaten und die einfache Parametrierung des robusten Regelungskonzepts innerhalb der komplexen mechanischen Struktur. Die Effektivität des Systems wird an einem Brückenmodell großen Maßstabs gezeigt.
Seilgetragene Brückenbauwerke sind wesentliche Bestandteile der heutigen Verkehrsinfrastruktur. Insbesondere Schrägseilbrücken stellen aufgrund der guten Materialausnutzung und einfachen Verankerung der Tragseile eine relativ kostengünstige Möglichkeit zur Überbrückung großer Distanzen dar. Im Zuge fortschreitender Leichtbaumaßnahmen bei steigender Größe dieser Bauwerke erhöht sich zwangsläufig die Flexibilität der Strukturen und damit die Neigung zu Strukturschwingungen.
Das Werk stellt ein Konzept zur aktiven Dämpfung solcher Bauwerke vor, sowie Aktoren, die zur Umsetzung desselben geeignet sind. Nur unter Einbeziehung (einer begrenzten Anzahl) von Tragkabeln in das Dämpfungskonzept ist eine wirkungsvolle Krafteinleitung möglich, wodurch aktive Dämpfer nötig werden, um die hohe Seilvorspannung aufrecht zu erhalten.
Schon aufgrund ihrer hohen Leistungs- und Kraftdichte bieten sich elektro-hydraulische Linearantriebe für die aktive Dämpfung von Bauwerken solcher Größenordnung an. Die Arbeit zeigt, daß dieses Antriebskonzept auch unter energetischen und regelungstechnischen Gesichtspunkten beste Voraussetzungen für eine erfolgreiche Realisierung aktiver Dämpfungssysteme bietet. Die Dämpfungsstrategie nutzt die Kraftrückführung und alternativ dazu die Druckrückführung, um im Zusammenwirken von Aktor und jeweiligem Tragseil ein Maxwell-Element zu realisieren.
Angesichts der hohen statischen Lasten in Tragkabeln von Brückenbauwerken ist eine möglichst leistungsneutrale, passive Lastkompensation notwendig. Dies wird durch ein mehrflächiges Zylinderkonzept erreicht, worin die statischen Lasten durch eine ziehend wirkende Druckkammer in direkter Verbindung mit einem hydro-pneumatischen Speicher kompensiert werden. Kleinere Druckkammern in Verbindung mit einem elektro-hydraulischen Stellglied übernehmen die von Strukturschwingungen verursachten Lasten und setzen das aktive Dämpfungsgesetz um. Die Arbeit liefert dazu eine Schaltungssystematik und eine Abschätzung der umgesetzten Leistung.
Auslegungsvorschriften für die Kammerquerschnitte ergeben sich recht einfach aus einer Betrachtung der notwendigen Druckkräfte. Ebenso kann der Aktorhub als Funktion der Kabelkräfte angegeben werden, da die Kraftrückführung als Regelungskonzept beide Größen in Beziehung setzt. In der Arbeit wird eine einfache Parametrierungsvorschrift gezeigt, die die Dissipationsleistung des Systems für einzelne Schwingformen der Struktur annähernd maximiert. Somit besteht ein genereller Zusammenhang zwischen den wesentlichen Aktor- und Bauwerkskenngrößen. Aufbauend auf diesen Zusammenhängen kann gezeigt werden, daß bei Einhaltung der Auslegungsvorschriften ein proportionaler Zusammenhang zwischen Kabel- und Aktordynamik besteht. Insgesamt ergibt sich daraus eine Aktoreigenfrequenz, die um einen Faktor 35-40 höher liegt als die zu dämpfenden Fundamentalschwingungen des Bauwerks. Hilfreich ist dabei der Nachweis, daß bei Einsatz dieses Regelungskonzepts tatsächlich die Kenntnis der Eigenfrequenz des Aktors ohne Last ausreichend zur Beurteilung der Stabilität ist.
Im realen Einsatz muß die durchschnittliche Mittenposition des Aktors auch bei variablen Lastbedingungen (Verkehrsdichte!) gewährleistet sein. Hierzu werden Modifikationen der Regelungsstruktur und praxistaugliche Parametrierungsvorschriften entwickelt.
Untersuchungen eines Protoypenaktors in einem Brückenmodell im industriellen Maßstab (30 m Halbspann, 12 m Höhe) zeigen die Effektivität des Systems. Anhand vergleichender Messungen mit Kraft- und Druckrückführung wird eine Zielsetzung für zukünftige Optimierungen des aktiven elektro-hydraulischen Dämpfungssystems entwickelt, dessen Anwendung nicht nur auf Großbauwerke beschränkt bleiben muß, sondern auch in verschiedensten mechanischen Strukturen (Tagebau, Mobilgeräte) denkbar ist.
"Numerische Strömungsberechnung und experimentelle Strömungsvisualisierung in der Pneumatik"
In der Dissertation sind Untersuchungen dokumentiert, welche die Einsatzmöglichkeiten der Strömungssimulation für turbulente Strömungen in Pneumatikventilen überprüfen, die Kenntnisse über ventilinterne Strömungsfelder verbessern und die Ergebnisse experimentell absichern. Dazu sind stationäre Strömungen in Modellen pneumatischer Ventile bei verschiedenen Parametervariationen analysiert, berechnet und meßtechnisch erfaßt worden.
Eine leistungsfähige Methode, um Strömungsvorgänge in pneumatischen Bauteilen zu beschreiben und darzustellen, ist mit der Strömungsberechnung (kurz CFD - Computational Fluid Dynamic) gegeben. Wenige Arbeiten und Erfahrungen liegen bisher zur Strömungsberechnung in der Pneumatik vor. Die Spezifika pneumatischer Strömungen (u. a. Turbulenz, große Geschwindigkeiten und Druckgradienten) stellen hohe Anforderungen an die Lösungsalgorithmen und wegen fehlender experimenteller Daten zum Strömungsfeld besteht beim Anwender Unsicherheit über die Güte der Simulationsergebnisse. An diesem Punkt setzt diese Arbeit an.
Basis für die Untersuchungen waren die zweidimensionalen Grundgeometrien "Blende/ Drossel", "Düse-Prallplatte" und "Umlenkung", die sich an den geometrischen Varianten pneumatischer Sitzventile im Steuer-, Zu- und Ablaufquerschnitt orientieren. Die Durchströmung der Geometrien ist gekennzeichnet durch lokale Unterschall- und Überschallgebiete, sehr hohe Druckgradienten und eine ausgeprägte Turbulenz. Die Untersuchungen wurden bei Nutzung verschiedener kommerzieller CFD-Programme und bei verschiedenen Parametervariationen (geometrische Abmessungen, Randbedingungen, Vernetzung, Turbulenzmodelle) durchgeführt. Als vorteilhaft für physikalisch sinnvolle und stabile Lösungen bei vertretbaren Rechenzeiten erwiesen sich die verwendeten Finite-Volumen-Programme mit gekoppelter Lösung der Gleichungen und adaptiv verfeinerten Rechengittern.
Die Absicherung der Rechenergebnisse erfolgte mit der Messung globaler Kennwerte (Kraft, Volumenstrom) sowie durch die experimentelle Strömungsvisualisierung mit der Flachwasseranalogie und der Schlierenmethode. Ein Schwerpunkt der Arbeit waren Konzeption und Erprobung eines Laser-Schlierengerätes zur Visualisierung reibungsbehafteter Luftströmungen in pneumatiktypischen Modellen.
Mit der Prüfstandstechnik konnten einerseits neue Kenntnisse über ventilinterne Strömungen gewonnen werden, andererseits ließen sich durch den Vergleich der realen Strömung mit dem Rechenergebnis Aussagen zum Nutzen/ Grenzen der CFD-Simulation formulieren. So zeigten sich neben den markanten Strömungszuständen im Bereich des Steuerquerschnittes, Hystereseeffekte, teilweise erhebliche turbulente Schwankungen und Stoßmusterschwingungen, welche von der stationären CFD-Rechnung mit statistischem Turbulenzmodell nicht erfaßt werden.Spezielle geometrische Variationen der Grundmodelle, wie Flächenverhältnisse, Hub und Gestalt des Stellelements, wurden näher untersucht. Bei der Düse-Prallplatte-Anordnung entstehen z.B. bei überkritischer Strömung hohe Druckverluste durch Verdichtungsstöße - Prallplattenform und -hub bestimmen die Lage dieser Druckgradienten und damit die Kräfte. Messungen von Druckverteilungen haben die festgestellten Tendenzen in den berechneten Strömungsfeldern quantitativ bestätigt. Die Strömungssimulation gibt Details und Tendenzen der realen Strömung besonders im Steuerquerschnitt gut wieder und reproduziert die globalen Werte ausreichend genau. Prinzipbedingte Unterschiede zwischen Rechnung und Messung zeigten sich in den Gebieten hoher Schwankungen fernab vom Steuerquerschnitt.
"Elektrohydraulische Antriebssysteme mit drehzahlveränderbarer Pumpe"
In der vorliegenden Arbeit wird ein Antriebssystem vorgestellt, das aus einem drehzahlveränderbaren AC-Servomotor und einer Konstantpumpe besteht und sich durch sehr hohe Energieeffizienz bei gleichzeitig guter Dynamik auszeichnet. Der Volumenstrom ist durch die Änderung der Antriebsdrehzahl des Elektromotors stetig veränderbar. Während der drehzahlveränderbare Pumpenantrieb bei Nennlast kaum Wirkungsgradvorteile gegenüber einem Antrieb mit Verstellpumpe hat, wurden im Teillast- oder Leerlaufbetrieb deutlich bessere Wirkungsgrade gemessen. Untersuchungen an beiden Antriebssystemen zeigten, daß der Wirkungsgradvorteil im Teillastbereich entscheidend für die Gesamtenergiebilanz bei praxisnahen Maschinenzyklen ist. Der drehzahlveränderbare Pumpenantrieb zeichnete sich hier durch einen um etwa 25 % niedrigeren Energiebedarf aus.
Für die in einem drehzahlveränderbaren Antrieb eingesetzten Pumpen ergeben sich allerdings Belastungsfälle, über deren Auswirkungen auf das Betriebsverhalten und die Standfestigkeit kaum Erfahrungen vorliegen. Die Pumpe muß beispielsweise bei kleinen Drehzahlen bis hinunter zum Stillstand unter Druckbelastung fördern. Hydrodynamische Traganteile zwischen zueinander bewegten Pumpenbauteilen können sich nicht ausbilden und es tritt erhöhter Verschleiß auf. In Dauerversuchen mit Pumpen unterschiedlichen Verdrängerprinzips wurden verschleißkritische Pumpenbauteile definiert.
Der drehzahlveränderbare Pumpenantrieb wurde in Druck-, Lage- und Geschwindigkeitsregelungen untersucht. Dazu wurden Lösungen erarbeitet, die den 4-Quadrantenbetrieb eines Differentialzylinders ohne den Einsatz von Stetigventilen ermöglichen. Der drehzahlveränderbare Pumpenantrieb erreicht ein dynamisches Übertragungsverhalten, welches dem von Antriebssystemen mit schnellen Verstellpumpen entspricht.
"Reibkraftermittlung an pneumatischen Ventilen und Zylindern"
Hauptschwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die systematische Entwicklung sowie Überprüfung einer einfachen, für Zylinder und Ventile gleichermaßen anwendbaren Versuchsmethodik, welche unter typischen Betriebs- oder betriebsähnlichen Bedingungen reproduzierbare Meßergebnisse bezüglich charakteristischer Reibkraftkenngrößen liefert und/oder aussagefähige Interpretationen des Reibungsverhaltens ermöglicht.
Aufgrund der eingangs genannten komplexen tribologischen Bedingungen ist es neben der konstruktiven sowie meßtechnischen Realisierung eines aussagefähigen, dynamischen Testverfahrens notwendig, folgende Schwerpunkte in die Arbeit einzubeziehen:
- Analyse pneumatiktypischer Tribosysteme
Durch schrittweise Analyse von Reibungsvorgängen und -zuständen unter Einbeziehung typischer Eigenschaften von metallischer Gegenlauffläche, Schmiermedium und Dichtungspolymer wird die Grundlage geschaffen, um die unter dynamischen Bedingungen gewonnenen experimentellen Ergebnisse zuordnen, auswerten und interpretieren zu können.
- Pneumatikdichtsysteme und Prüftechnik
Durch systematische Analyse von konstruktiven Gegebenheiten und charakteristischen Beanspruchungen sind typische, betriebsähnliche Prüfbedingungen für Ventile und Zylinder auszuwählen. Als Basis für den auf praxisnahe, instationäre Reibungsmessungen ausgerichteten Prüfstand müssen in diesem Zusammenhang auch die wesentlichsten bekannten Versuchsmethoden und -bedingungen diskutiert werden.
- Vorbereitende Untersuchungen
Aufgrund der Komplexität tribologischer Prozesse kann bei der Reibkraftermittlung, insbesondere während instationärer Vorgänge, das Vorhandensein prozessabhängiger Parameter nicht ausgeschlossen werden. Durch Vorversuche sind deshalb konkrete Algorithmen zur Vorbereitung (definierter Ausgangszustand), Durchführung (konstante Prüfbedingungen) sowie Auswertung von Reibungsversuchen (Bewertungskriterien) zu erarbeiten und hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse zu überprüfen.
Auf dieser Grundlage, die eine korrekte Interpretation und damit die Überprüfung der experimentellen Ergebnisse ermöglicht, wird die dynamische Prüfmethode in der Anwendung, d.h. bei der Reibkraftermittlung an Zylinder und Ventilen, getestet und erprobt. Durch schrittweise Veränderung einzelner, praktisch interessanter Einflußparameter auf das Reibverhalten sind dabei insbesondere die Genauigkeit, die Reproduzierbarkeit und die Sensibilität der indirekten Methode zur Ermittlung der Reibkraft zu untersuchen.
Damit soll die Arbeit für Hersteller und Anwender von Pneumatikkomponenten die Möglichkeiten und Grenzen einer konsequent praxisnahen dynamischen Methode zur Erfassung der Reibkraft aufzeigen, Hinweise zur Versuchsdurchführung liefern und zusätzlich Anregungen für gezielte Verbesserungen des Reibungsverhaltens in pneumatiktypischen Tribosystemen geben.
"Ventiltechnik ohne Fremdenergie für minimale Durchflußströme unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung in implantierbaren Systemen"
Aufgabenstellung
Das Schalten extrem kleiner Durchflußströme in der Größenordnung weniger m1/h mit entsprechender Empfindlichkeit und Sicherheit ohne Fremdenergie, wie z.B. Batterien, ist technisch ein weitestgehend ungelöstes Problem. Insbesondere implantierbare Infusionspumpen für Langzeitapplikation hochwirksamer Medikamente an den menschlichen Organismus unterliegen höchsten wissenschaftlich-technischen Anforderungen an ihre Dosiergenauigkeit, Miniaturisierung, Materialbeständigkeit, Biokompatibilität, Langzeitbeständigkeit und ihren allseitigen Havarieschutz. Irreversible Havarien einer implantierten Pumpe ziehen in jedem Fall einen operativen Eingriff am Patienten nach sich und können im Extremfall (z.B. bei spontaner Überdosierung) zu lebensbedrohlichen Schädigungen und zum Tod führen.
Einer hochentwickelten sicheren Ventiltechnik mit maximaler Zuverlässigkeit kommt deshalb in bezug auf den medizinischen Gebrauchswert in der Langzeittherapie chronischer Erkrankungen entscheidende Bedeutung zu.
Die genannten Anforderungen sind international noch nicht erfüllt. Zu bekannten Prototypen existieren im internationalen Schrifttum keine gesicherten Erfahrungen über Langzeiterprobung in vivo. Das medizinische Erfahrungsgut ist gegenwärtig noch stark begrenzt, da implantierbare Infusionspumpen für die Langzeittherapie sich international noch im Anfangsstadium ihrer Entwicklung befinden.
Ziel der Arbeit ist es deshalb, eine neuartige Ventiltechnik für diese Anwendungsgebiete, speziell mit Blickrichtung auf Infusionspumpen zu entwickeln. Hierzu sind auf der Grundlage der genannten wissenschaftlich-technischen Anforderungen folgende Aufgabenkomplexe zu bearbeiten:
1. Fließeigenschaften von Medikamentaustrittsventilen
- hydraulische Grundsatzuntersuchungen über die Wechselbeziehungen von Volumenstrom und Strömungswiderstand im Dosierbereich 40 m1/h ... 60 m1/h
- Grundsatzuntersuchungen verschiedener technischer Lösungswege
2. Steuerprinzip des Austritts- bzw. Sicherheitsventils
- Öffnungscharakteristika im Normalbetrieb der implantierten Pumpe
- Schließcharakteristika im Normalbetrieb der implantierten Pumpe
3. Ansprüche an das Fördermedium
- Einfluß von Verunreinigungen im Fördermedium
- Einfluß von Gaseinschlüssen im Fördermedium
4. weitere Nutzung des Lösungsprinzips
Für die genannten Teilkomplexe sind geeignete Lösungsvarianten zu ermitteln. Die gefundenen Lösungsansätze sind umfassend experimentell zu untersuchen und funktionsfähig bzw. maßstabsgerecht im Labormuster aufzubauen.
"Modellbildung und Simulation des Verhaltens von Kunststoffspritzgießmaschinen"
Zielsetzung
Ziel dieser Arbeit soll es deshalb sein, die Modellbildung des Antriebsverhaltens der Spritzgießmaschine für den gesamten Spritzzyklus durchzuführen. Dabei müssen sowohl die praktischen Erfordernisse der Modellbildung als auch die gerätetechnischen Möglichkeiten der dezentralen Rechentechnik Berücksichtigung finden. Die heute an Spritzgießmaschinen gestellten Forderungen müssen dahingehend analysiert werden, ob sie für das Maschinenverhalten und dessen Auswirkung auf die Qualität der erzeugten Werkstücke von Bedeutung sind.
Gleichzeitig soll der notwendige Aufwand zur mathematischen Beschreibung der Spritzgießmaschine und deren Verhalten so gering wie möglich sein. Das bedeutet, das Änderungen des projektierten Hydraulikkreislaufs bzw. der Spritzgießmaschine auch im mathematischen Modell sehr leicht nachvollziehbar sein müssen. Diese Forderung läßt sich nur bei Nutzung geräteorientierter Modellierungskonzepte, die bei der Simulation fluidtechnischer Probleme erfolgreich angewendet werden, erfüllen. Der wesentliche Vorteil dieser Modellierungskonzepte besteht darin, daß durch die Festlegung von Schnittstellen zwischen den Komponenten und Teilsystemen des untersuchten Gesamtsystems der Aufbau universell nutzbarer Modellbibliotheken möglich wird. Aus den definierten Verknüpfungsbedingungen ergibt sich dann folgerichtig die Möglichkeit, die mathematische Beschreibung der Teilsysteme und Komponenten den Erfordernissen der jeweiligen Aufgabenstellung anpassen zu können, indem Modelle mit unterschiedlichem Vereinfachungsgrad (Modellierungstiefe) miteinander verknüpfbar sind.
Neben der Nutzung eines geräteorientierten Modellierungskonzeptes bietet die Analyse der zu untersuchenden Spritzgießmaschine und ihres Umfeldes weitere Möglichkeiten, den Modellierungsaufwand zu verringern. In diese Analyse muß sowohl der konstruktive Aufbau der Spritzgießmaschine als auch das zu realisierende technologische Verfahren einbezogen werden. Ziel ist dabei, die Beziehungen zwischen den Baugruppen der Maschine und den Zyklusabschnitten festzulegen, so daß der Hydraulikkreislauf in einzelne Teile aufgelöst werden kann, deren Modelle analog zu den Bauelementmodellen über definierte Schnittstellen miteinander verknüpft werden. Desweiteren soll der Einfluß einzelner Maschineneinstellwerte (z.B. Formmasse-, Werkzeugtemperatur, Spritzgeschwindigkeit usw.) auf das Gesamtsystem nachweisbar sein. Damit besteht die Möglichkeit, die Modellbildung einerseits auf die Zyklusabschnitte zu beschränken, die für die Formteilqualität von besonderer Bedeutung sind. Auf der anderen Seite wiederum kann das Gesamtmodell des Hydraulikantriebes einschließlich der Maschinensteuerung und des Spritzgießprozesses durch Kopplung der Modelle der Teilkreisläufe und Zyklusabschnitte sehr schnell erzeugt werden.
An einem ausgewählten Hydraulikkreislauf wird das Vorgehen bei der Modellbildung erläutert. Ein Schwerpunkt bildet dabei die Analyse, die Auflösung und die Vereinfachung der zu beschreibenden Spritzgießmaschinenstruktur.
Gezeigt werden soll, daß diese Modellierungsmethode die Lösung verschiedenartiger Aufgabenstellungen zur Entwicklung und Optimierung von Spritzgießmaschinen ermöglicht.
"Ein geräteorientiertes Modellierungskonzept mit Berücksichtigung der Fluideigenschaften für die dynamische Simulation in der Hydraulik"
Zielsetzung
Die Arbeit widmet sich der Entwicklung einer geräte- und funktionsorientierten Modellkonzeption für die Simulation dynamischer Vorgänge in der Hydraulik. Es wird eine Modellhierarchie angestrebt. Gleichzeitig muß eine Verbindung zu den Bereichen Mechanik und Elektrik/Elektronik bestehen. Das Verhalten fluidtechnischer Anlagen ist, bedingt durch die Eigenschaften des Fluids, in starkem Maße von der Temperatur abhängig. Es wird versucht die temperaturabhängigen Eigenschaften des Fluids in die Modellbildung einzubeziehen, so daß sich die Möglichkeit ergibt, das dynamische Verhalten hydraulischer Anlagen bei unterschiedlichen Temperaturen zu simulieren.
In dem Maße wie ein Simulationssystem von Modellen abhängig ist, so sind Modelle erst durch entsprechende Parameter "lebensfähig". Sowohl im Rahmen der Behandlung hydraulischer Ventilgerätetechnik als auch bei der Analyse der Antriebsbeispiele wird auf ausgewählte Aspekte der Parameterermittlung eingegangen. Dabei stehen die Widerstandparameter von Proportionalventilen und die Verlustkoeffizienten rotatorischer Systeme im Mittelpunkt.
An ausgewählten Beispielen der Proportionalventiltechnik kommt die erarbeitete Modellkonzeption zur Anwendung. Es wird der angestrebten Hierarchie entsprechend eine Ventilkomponente als Funktionsgruppe und ein Ventil als Gesamtsystem behandelt. Der Modellhierarchie innerhalb der Geräte in Richtung Antrieb bzw. Anlage folgend wird eine Horizontalachse einer Automatisierungseinrichtung parallel zu experimentellen Untersuchungen simuliert. Im Rahmen einer Projektstudie wird ein Prüfstandkonzept für mechanische Druckwerksoberbauten simulationstechnisch analysiert und die Klärung interessierender Fragen mit den Ergebnissen der Simulation unterstützt.
Alle Arbeiten zur Umsetzung des Modellkonzeptes bis hin zur Anwendung auf o.g. Antriebsbeispiele wurden auf der Grundlage der an der TU Dresden entwickelten Simulationssysteme ERS-CO und USAN-4 durchgeführt. Dabei hat sich die Arbeitsteilung zwischen Systementwicklung und Modellentwicklung als sehr effektiv und für beide Partner als nützlich erwiesen, woraus sich die Zusammensetzung eines Entwicklerteams für Problemstellungen der Praxis ableiten läßt.