antriebstechnik 9/2018

FLUIDTECHNIK
Außerdem wird der Wärmeübergang durch die Wärmeleitung in
den Leitungen durch Gl. 15 bestimmt:
10
Strukturmodell des Kühlsystems in der
Simulationssoftware
Elektr. Schaltschrank
.
Q E
Hauptspindel
Auf Basis der Modellierungsmethode (Bild 09) und der Maschinenunterlagen
wird ein Simulationsmodell für die aktuelle Kühlsystemstruktur
entwickelt. Der Kühlkreislauf besteht hauptsächlich aus einer
Pumpe, dem Stromventil, hydraulischen Leitungen, dem Kühlaggregat
und den zu kühlenden Komponenten (elektrischer Schaltschrank,
Drehtisch und Hauptspindel) als Wärmequellen. Bild 10 zeigt am
Beispiel des elektrischen Schaltschrankes das Strukturmodell des
Kühlsystems, welches in die Simulationssoftware implementiert wird.
Für die modellgestützte Untersuchung des Systems erfolgt eine
domänenübergreifende Systemsimulation mit SimulationX (ESI ITI
GmbH). Bild 11, 12 und Tabelle 03 veranschaulichen den direkten
Vergleich der Fluideintritts- und Fluidaustrittstemperaturen der
Komponenten sowie der hydraulischen Größen von Simulation
und Messung. Die Kühlleistung des Kühlaggregates (6 kW laut
Maschinenunterlagen) wird im Simulationsmodell als negativer
Wärmestrom betrachtet. Die Übereinstimmung des Modells mit
der Realität ist bezüglich der thermischen und hydraulischen Größen
hinreichend genau. Das Simulationsmodell ist somit validiert
und für weitere Studien nutzbar, z. B. zur Durchführung einer Sensitivitätsanalyse
und Entwicklung neuer Kühlsystemstrukturen [14].
Simulationsbasierte Optimierung des Kühlsystems
Die Untersuchung zweier Demonstratormaschinen hat gezeigt, dass
der Energiebedarf der fluidtechnischen Systeme am Bearbeitungszentrum
DBF630 44 % bzw. am Bearbeitungszentrum DMU80 eVo
linear 51 % des gesamten Energieverbrauchs der Werkzeugmaschinen
beträgt [3, 4]. Es besteht somit ein großes Potenzial zur Reduzierung
des Energieverbrauches und Steigerung der Effizienz der Werkzeugmaschinen
durch eine Optimierung der Funktionsweise der
fluidtechnischen Systeme. Die Untersuchung des Kühlsystems der
DBF 630 hat darüber hinaus gezeigt, dass ausreichende Kühlkapazität
(Tank um 8 K abgekühlt, Bild 11 d, Bild 12 d) vorhanden ist, die
Kühlung allerdings unzureichend auf den Prozess und den individuellen
Kühlungsbedarf der Komponenten abgestimmt ist. Die Kühlung
entspricht nicht der Temperaturentwicklung der Komponente.
Um diesem Defizit zu begegnen, ist die Betrachtung neuer Konzepte
und Strukturen für die Optimierung der aktuellen Kühlsystemstruktur
erforderlich. Bild 13 stellt drei neue Strukturen eines Kühlsystems
dar, die für eine bedarfsgerechte und komponentenspezifische
Versorgung eingesetzt werden können, im Unterkapitel werden die
betrachteten neuen Strukturen detailliert beschrieben. Die neue
Struktur zeigt auch die Möglichkeit des Individualisierungsgrades
für neu entwickelte Kühlsystemstrukturen.
Dezentralisierte, unabhängige Systeme ermöglichen eine bedarfsgerechte
sowie komponentenspezifische Versorgung und somit
eine gezielte Temperierung. Die untersuchten Varianten zur
Optimierung des Kühlsystems werden nach folgenden Kriterien bewertet:
stabiler Temperaturverlauf in den Komponenten, geringer
Pumpendruck und geringer Energiebedarf bezogen auf hydraulische
Pumpenleistung infolge der reduzierten Druckverluste und
Regelung eines bedarfsgerechten Fluides im System.
5
4
3
2
2
1 7
M
11
Temperatur in °C Temperatur in °C
36
32
28
6
5
4
3
1) Pumpe
2) Stromventil
3) PE-Schlauch
4) Verrohrung
5) Schlauchleitung
6) Schaltschrank
7) Kühlaggregat
8) Tank
8
Messung Simulation
Elektr. Schaltschrank [l/min] 12 12,2
Drehtisch [l/min] 12 12,2
Hauptspindel [l/min] 12,5 12,5
Bypass [l/min] 3,5 3,1
Systemdruck [bar] 5,2 5,5
Tabelle 03: Vergleich der hydraulischen Größen aus Simulation und
Messung
Q H
Drehtisch
Thermische Verbindung
Th. Kapazität C t
Th. Widerstand R t
Wärmestrom Q
.
Pumpe V, p
Hydraulische Verbindung
Hydr. Kapazität C p
Hydr. Widerstand R h
Stromventil
Tank
Simulations- und Messergebnisse der Temperaturentwicklung
im Vergleich für den Leerlaufprozess
Elektr. Schaltschrank
24
24
300 520 740 960 1180 1400 300 520 740 960 1180 1400
Zeit in s
Zeit in s
36
32
28
Motorspindel
36
32
28
KAG aus
24
24
300 520 740 960 1180 1400 300 520 740 960 1180 1400
Zeit in s
Zeit in s
Eingangstemperatur Messung
Ausgangstemperatur Messung
Tanktemperatur Messung
Temperatur in °C
Temperatur in °C
Drehtisch
Tank
36
KAG aus KAG ein
32
28
Eingangstemperatur Simulation
Ausgangstemperatur Simulation
Tanktemperatur Simulation
Struktur 1
Die erste untersuchte Kühlsystemstruktur, Struktur 1, ist eine zentrale,
drehzahlvariable Antriebseinheit mit Proportionalventilen.
Wie in Bild 14 dargestellt, besteht diese Struktur aus drei Kompo-
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