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O+P Fluidtechnik 1-2/2018

O+P Fluidtechnik 1-2/2018

VERBINDUNGSELEMENTE

VERBINDUNGSELEMENTE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED GERÄUSCHMINDERUNG AN HYDRAULISCHEN AGGREGATEN MITTELS SIMULATION DES KÖRPERSCHALLÜBERTRAGUNGSVERHALTENS VON HYDRAULIKSCHLAUCHLEITUNGEN Vasil Slavov, Thomas Stehle und Hans-Christian Möhring Hydraulikschlauchleitungen zählen zu denjenigen Komponenten in Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen, die durch Flüssigkeits- und Körperschallübertragung maßgeblich an der Geräuschentwicklung des Gesamtsystems beteiligt sind und somit ein noch nicht ausgeschöpftes Geräuschminderungspotenzial bieten. Um die immer strenger werdenden Anforderungen in Bezug auf den Lärmschutz einzuhalten, sind hydraulische Systeme noch während der Entstehungsphase hinsichtlich ihres vibroakustischen Verhaltens optimal zu gestalten. Hierbei kann eine zielführende Geräuschminderungsanalyse meistens nur mittels der Systemsimulation wirtschaftlich, zeitnah und kundenspezifisch erfüllt werden. 44 O+P Fluidtechnik 1-2/2018

VERBINDUNGSELEMENTE 1 MODELLIERUNG VON HOCHDRUCK-SCHLAUCHLEITUNGEN Voraussetzung für die Durchführung einer Systemsimulation ist jedoch ein ausreichend verifiziertes Simulationsmodell der Schlauchleitung. Im Rahmen des DFG-Forschungsvorhabens HE 1656/107-1 bis -3 „Experimentelle und simulative Untersuchung des dynamischen Körperschallübertragungsverhaltens von Hochdruck-Hydraulikschlauchleitungen” wurden am Institut für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart schlauchtypenbezogene Grundmodelle (Spiralschlauch und Geflechtschlauch) mittels der Methode der Finiten Elemente (FE) entwickelt und verifiziert. Der Verifizierungsprozess wurde in zwei Komplexitätsstufen – modalund frequenzgangbasiert – durchgeführt. In der ersten Komplexitätsstufe der Verifikation wurden die Modaleigenschaften (Eigenfrequenzen und Eigenmoden) aus Experiment und Berechnung abgeglichen [HSS12, HSS14]. Im Rahmen der zweiten Komplexitätsstufe wurden die experimentell ermittelten und simulativ berechneten Übertragungsfunktionen auf einander angepasst [Sla17]. Die unbekannten orthotropen Materialparameter des Schlauchdruckträgers wurden durch die Lösung eines Optimierungsproblems mittels einer zu minimierenden Zielfunktion identifiziert. F = ⎧ N M P ⎪ ⎫⎪ min ⎨∑αi( fiExp − fiFEM) + ∑β j( ψ jExp − ψ jFEM ) + ∑γ k( HkExp − HkFEM ) ⎬, ⎪⎩ i= 1 j= 1 k = 1 ⎪⎭ wobei ƒ Exp/FEM die Eigenfrequenzen, ψ Exp/FEM die Eigenmoden und H Exp/FEM die Übertragungsfunktionen vom Experiment bzw. der Berechnung darstellen. Der optimale Satz der Modellparameter wurde durch die Anwendung der Subproblem-Approximations- Methode erzielt [MüG07]. Als Ergebnis daraus wurde ein nichtlineares frequenz- und druckabhängiges Materialmodell der Schlauchwand entwickelt, welches das Körperschallübertragungsverhalten der Schlauchleitung sehr exakt abbildet. Bild 1.1 zeigt eine Gegenüberstellung der experimentell (exemplarisch bei p = 100 bar) ermittelten und der simulativ berechneten Frequenzgänge einer Spiralschlauchleitung. Für die Berechnung wurde das neu entwickelte Materialmodell der Schlauchwand zugrunde gelegt. Es lässt sich eine gute Übereinstimmung sowohl der Frequenzgänge als auch der Phasengänge nahezu im gesamten Frequenzbereich erkennen. 2 ANSÄTZE ZUR SIMULATIVEN GERÄUSCH- MINDERUNG AN EINEM HYDRAULISCHEN GESAMTSYSTEM Zunächst wurde das verifizierte FE-Modell einer Geflechtschlauchleitung in eine bestehende Baugruppenbibliothek eines Hydraulikaggregats eingebunden [FiZ97]. Das Gesamtmodell des Hydraulikaggregats mit der integrierten Hydraulikschlauchleitung ist in Bild 2.1 dargestellt. Um das Potenzial zur Geräuschminderung durch die Schlauchleitung an dem in Bild 2.1 dargestellten Aggregat abschätzen zu können, wurde eine FE-Betriebsschwingungsanalyse ohne Schlauchleitung durchgeführt und einer solchen mit einem installierten Geflechtschlauch gegenübergestellt. Da die Pumpe eine der Hauptkörperschallquellen darstellt, wurde eine dynamische Kraft von 1 N unter einem bestimmten Raumwinkel (drei gleiche Kräfte je Raumrichtung) an der Pumpe als Systemanregung aufgebracht. Die Berechnung wurde zunächst in einem Frequenzbereich von 0 bis 2000 Hz durchgeführt. Als Ergebnisgröße wurde die Schwinggeschwindigkeit (Schnelle) der oberen Tankwand erfasst, die aus der Knotenverschiebung an einem repräsentativen Punkt (gelb markiert) in der Nähe der dynamischen Krafteinleitungsstelle im Tankdeckel ermittelt wurde. Die Frequenzgänge aus der rechnergestützten Betriebsschwingungsanalyse mit und ohne Schlauchleitung sind in Bild 2.2 dargestellt. Die Markierungen stellen die Anregungsfrequenz der Pumpe und deren Harmonische dar. Bei der eingesetzten Flügelzellenpumpe mit elf Flügeln und einer Drehzahl von n = 1450 min -1 ergibt sich eine Grundfrequenz von 266 Hz und deren Harmonischen zu 532 Hz, 798 Hz, 1064 Hz und 1330 Hz usw. [FiZ97]. Wie aus dem Diagramm zu erkennen ist, führt die Pumpenanregung erst bei der zweiten und vierten Harmonischen zur deutlichen Schwingung der oberen Tankwand, bei welchen möglicher- 1.1 FE-Modell der Schlauchleitung – Modellstruktur (links) und Verifikation mit Experiment (rechts) SOLID185 Nz Exp. 100 bar Nz FEM 100 bar Spiralschlauch Dn = 19 mm 1.E+02 Layer# FLUID30 Nachgiebigkeit Nz µm/N 1.E+00 1.E–01 1.E–02 1.E–03 1.E–04 Theta 54 –54 54 –54 1.E–05 180 90 0 –90 –180 Phase / ° SOLSH190 100 Frequenz f Hz 1000 O+P Fluidtechnik 1-2/2018 45

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