antriebstechnik 9/2018

17
Temperatur in °C
Temperatur in °C
18
Ges. hydr. Leistung in W
29
28
27
400
320
240
160
80
Simulationsergebnisse der neuen Kühlstrukturen im
Vergleich zur aktuellen Kühlstruktur
Schaltschrank (ES)
25
150 180 210 240 270 300
Wärmeeintrag in W
Gesamtpumpenleistung in den aktuellen und neuen
Kühlsystemstrukturen
0
1800 2400 3000 3600
Ges. Wärmeeintrag in W
P hydr.
DBF 630 P hydr.
DMU80
P hydr.
Struktur 1 / DBF630
P hydr.
Struktur 2 / DBF630
P hydr.
Struktur 3 / DBF630
Temperatur in °C
26 25
25 26
29
28
27
25 26
25
1500
Volumenstrom Temperatur in l/min °C
P hyd
P hyd
P hyd
P hyd
Aktuelle Struktur Struktur 1
Struktur 2 Struktur 3
Kühlsystem. Neben den Kreisläufen von Schaltschrank und Drehtisch
wirkt sich die Abhängigkeit der Ist-Temperatur von der
thermischen Last (Wärmeeintrag) besonders deutlich im Kreislauf
der Hauptspindel aus. Hier schwankt die Komponententemperatur
zwischen 27 und 29 °C. Mit allen drei geregelten Systemstrukturen
können hingegen konstante Komponententemperaturen in
allen Kreisläufen gewährleistet werden. Bei allen geregelten
Systemstrukturen ergibt sich eine geringfügige Abweichung
(Bild 17 a–c) von 0,2 °C der Ist-Temperaturen von den Solltemperaturen.
Diese Regelabweichung ist auf die im Regelkreis benötigte
Regeldifferenz zurückzuführen.
29
28
27
Drehtisch (DT)
25
150 180 210 240 270 300
Wärmeeintrag in W
Motorspindel (MS)
20
Volumstromverläufe
16
12
8
4
0
2000 2500 3000 1800 2400 3000 3600
Wärmeeintrag in W
Wärmeeintrag in W
Temperatur aktuelles System
T IST
System Struktur 1, 2, 3
.
V ES (DT)
aktuelles System
.
V MS
System Struktur 1, 2, 3
T Soll
System Struktur 1, 2, 3
.
V ES
System Struktur 1, 2, 3
.
V MS
aktuelles System
.
V DT
System Struktur 1, 2, 3
Im Diagramm der Volumenstromverläufe (Bild 17 d) fallen zunächst
die reduzierten Volumenströme der neuen Kühlsystemstrukturen
im Vergleich zu der aktuellen Kühlsystemstruktur auf. In
den Kühlkreisläufen von Drehtisch und Schaltschrank sind die
Volumenströme von 12 l/min in der aktuellen Kühlstruktur auf 2
bis 2,5 l/min bzw. 2,5 bis 5 l/min in den neuen Kühlstrukturen
reduziert. Dies entspricht einer gemittelten Reduzierung von etwa
80 % im Kreislauf vom Drehtisch und etwa 70 % im Kreislauf des
Schaltschranks. Im Kreislauf der Hauptspindel liegt der Kühlvolumenstrom
der aktuellen Systemstruktur bei 12,5 l/min und bei den
geregelten Systemstrukturen zwischen 8 und 16 l/min. Es kann
festgestellt werden, dass die temperaturabhängige Volumenstromregelung
ein Weg ist, das Kühlsystem energieeffizienter und bedarfsgerechter
zu gestalten. Grundsätzlich ist es für das Temperaturverhalten
nicht entscheidend, ob der Volumenstrom durch eine
geregelte Antriebseinheit in jedem Kreislauf, wie in Struktur 2 und 3
oder durch eine geregelte Pumpe und Proportionalventile, wie in
Struktur 1, eingestellt wird.
Das zweite Bewertungskriterium der untersuchten neuen Kühlsystemstrukturen
ist die erforderliche hydraulische Leistung der
Antriebseinheit, berechnet nach Gl. 18, dieser Systeme mit der
aktuellen Kühlsystemstruktur zu vergleichen. Die gesamte hydraulische
Leistung der Pumpe in der aktuellen Kühlsystemstruktur von
zwei Demonstratormaschinen (DBF630 & DMU80) und Struktur 1,
2 und 3 für unterschiedliche Wärmeeinträge ist in Bild 18 dargestellt.
Mit der zentralen drehzahlvariablen Antriebseinheit, Struktur
1, beträgt die gesamte hydraulische Leistung ca. 160 W bei maximaler
Wärmezufuhr. Die gesamte hydraulische Leistung der drehzahlgeregelten
Antriebseinheiten in Struktur 2 und 3 beträgt ca. 120
bzw. 110 W bei maximaler Wärmeeinbringung. Im Vergleich dazu
beträgt die hydraulische Leistung der Antriebseinheit (aktuelle
Struktur) der DBF630 370 W (40 l/min bei 5,5 bar) und der DMU80
bis 340 W (45 l/min bei 4,5 bar). Eine signifikante Reduzierung der
hydraulischen Leistung von 56,7 bis 53 % in Kühlstruktur 1 gegenüber
den aktuellen Kühlstrukturen von DBF630 und DMU80 ist
möglich. Analog zur Kühlstruktur 1 können Einsparungen der hydraulischen
Leistung von 67 bis 64,7 % für Kühlstruktur 2 und 70,5
bis 67,6 % für Kühlstruktur 3 gegenüber den aktuellen Kühlstrukturen
von DBF630 und DMU80 erzielt werden.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Untersuchungsergebnisse des Kühlsystems der DBF630 im
Leerlauf- sowie im Fertigungsprozess haben bewiesen, dass ausreichende
Kühlkapazitäten vorhanden sind, die Kühlung allerdings
unzureichend auf den Prozess und den individuellen Kühlungsbedarf
der Komponenten abgestimmt ist. Daher ist die Untersuchung
und Bewertung neuer Kühlsystemstrukturen, sowohl
simulativ (Netzwerkmodelle) als auch experimentell (Versuchsstand),
von großer Bedeutung.
Die Simulationsergebnisse der entwickelten Kühlsystemstrukturen
haben gezeigt, dass ein stabiles Temperaturfeld gegenüber dem
Ausgangszustand erzielt werden kann. Darüber hinaus führt die
bedarfsgerechte Volumenstromversorgung zu einer Verbesserung
der hydraulischen Leistung der Pumpen. Die hydraulische Pumpenleistung
der neuen Strukturen ist etwa 53 bis 70,5 % geringer als
die der aktuellen Kühlstrukturen.
Die weiteren Forschungsarbeiten des Projektes werden sich zum
einen auf eine energetische Analyse des Gesamtsystems für die
neuen Kühlsystemstrukturen in der Simulation konzentrieren.
Dies bedeutet, dass der Energieverbrauch von Elektromotor,
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