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O+P Fluidtechnik 9/2017

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ANTRIEBE FORSCHUNG UND

ANTRIEBE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED PNEUMATISCHE UND ELEKTRO- MECHANISCHE LINEARANTRIEBE – EIN VERGLEICH DER TCO Stephan Merkelbach, Hubertus Murrenhoff, Christian Brecher, Marcel Fey und Bastian Eßer Im Wettbewerb zwischen pneumatischen und elektromechanischen Antrieben kommt es häufig zu verkürzenden und verfälschenden Aussagen bezüglich der Energieeffizienz und der Wirtschaftlichkeit der beiden Antriebstechnologien. Um eine objektive Aussage zu ermöglichen, wurde an der RWTH Aachen ein Vergleich der beiden Technologien anhand ihrer Lebenszykluskosten (Total Cost of Ownership, TCO) in typischen Handhabungsanwendungen durchgeführt. Das Paper zeigt die Ergebnisse der Studie. 42 O+P Fluidtechnik 9/2017

ANTRIEBE 1 EINLEITUNG In jüngerer Vergangenheit rücken neben den ökonomischen auch verstärkt ökologische Effizienzgedanken bei Investitionsentscheidungen in den Fokus. Dies wirkt sich auch auf die Wahl der eingesetzten Technologie zur Erfüllung linearer Bewegungsaufgaben aus. Im Bereich der linearen Antriebstechnik geringer Leistung, wie sie beispielsweise in der Fabrikautomation in großer Stückzahl eingesetzt wird, besteht eine starke Konkurrenz zwischen der Pneumatik und der Elektromechanik. Es lassen sich bezüglich dieser beiden Technologien sehr unterschiedliche Aussagen in Pressetexten finden. Neben Titeln wie beispielsweise „Energieeffizienz mechatronischer Systeme ist unschlagbar“ [Dru07] existieren auch differenziertere Aussagen wie beispielsweise „der pneumatische Greifer ist dem elektrischen dann überlegen, wenn die Anwendung lange Zyklen und wenig Greifvorgänge umfasst“ [Fes11]. Dies wurde auch im EnEffAH-Projekt, das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert wurde, exemplarisch veranschaulicht (Bild 1-1). Hierbei wurde angenommen, dass die Stromaufnahme des elektromechanischen Antriebs quadratisch mit der Haltekraft wächst, während der pneumatische Antrieb einen von der Zykluszeit unabhängigen Energiebedarf pro Zyklus aufweist, da er in der Lage ist, die Haltekraft ohne zusätzliche Druckluftzufuhr konstant aufzubringen. Jedoch fehlt dem Anwender immer noch eine konkrete Grundlage zur Auswahl der bestgeeigneten Technologie, da für definierte Anwendungen mit entsprechend zu dimensionierenden Antriebsgrößen und Lastverläufen keine einfache Aussage möglich ist [NN12]. Die häufig subjektiven Aussagen vieler Untersuchungen zum Thema Energieeffizienz lassen beim Anwender den Bedarf nach einem umfassenden und neutralen Vergleich zwischen pneumatischen und elektromechanischen Antrieben kleiner Leistung aufkommen. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts „Wirtschaftlichkeitsanalyse pneumatischer und elektromechanischer Antriebstechnik“ bieten dem Anwender diese konkrete Entscheidungshilfe bei der Auswahl der bestgeeigneten Antriebstechnologie. Für repräsentative Anwendungsfälle wurde die Lebenszykluskosten (Total Cost of Ownership, TCO) elektromechanischer und pneumatischer Antriebe mit vergleichbarer Leistung ermittelt und gegegenübergestellt. Der Anwender erhält so die Möglichkeit, für seine spezifische Anwendung eine fundierte Entscheidung zu treffen. Das Projekt wurde vom Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) an der RWTH Aachen bearbeitet. 1.1 EXERGETISCHE EFFIZIENZ Zur Beurteilung der Effizienz der Antriebe wird auf das thermodynamische Konzept der Exergie zurückgegriffen. Die Exergie beschreibt die Arbeitsfähigkeit verschiedener Energieformen, wodurch die Effizienz pneumatischer und elektromechanischer besser vergleichbar wird. Weiterhin ist es durch Verwendung von Exergie möglich, Verluste an einer Energiewandlungskette zu finden und zu bewerten [Bae12]. 1.1.1 PNEUMATISCHE ANTRIEBE Zur Erfassung der den pneumatischen Antrieben zugeführten Exergie wurde am IFAS ein Prüfsystem aufgebaut, mit dem Antriebe bis zu einer Hublänge von 1000 mm bei horizontalem und vertikalem Hub untersucht werden können. Eine schematische Darstellung ist 1-1 1.1 Haltedauer [s] 3 2.5 2 1.5 1 0.5 1-2 in Bild 1-2 zu sehen. Erfasst werden der dem System zugeführte Luftmassenstrom sowie die Drücke und Temperaturen in der Luftversorgung und der Umgebung. Weiterhin werden auch der Zylinderweg sowie die Drücke und Temperaturen in den beiden Zylinderkammern erfasst. Die dem pneumatischen Aktor bei einem Doppelhub zugeführte Luftmasse lässt sich anhand des Volumens der beiden Zylinderkammern V Zyl und des Totvolumens V tot unter der Annahme idealen Gasverhaltens der Luft nach Gl. 1 1 abschätzen. Vernachlässigt wird hierbei eine mögliche Leckage im System. Weiterhin wird angenommen, dass die Bewegung ausreichend langsam ist, um einen vollständigen Druckausgleich zu ermöglichen. ( ) ⎡ 2 2 2 ( ) mzu = ρ Luft ⋅ VZyl + Vtot pLuft π = ⋅ D + D −D ⋅ ⋅ x + V R ⋅T ⎣ ⎢ 4 Luft Exemplarischer Vergleich eines elektromechanischen und pneumatischen Antriebs [NN12] Exemplarischer Vergleich eines elektromechanischen und pneumatischen Antriebs [NN12] Elektrischer Antrieb vorteilhaft Luft Pneumatischer Antrieb vorteilhaft Hublänge 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Endlagenkraft [N] Messsystem für pneumatische Antriebe Kolben Kolben Stange Hub tot ⎤ ⎥ ⎦ ( Gl.1−1) O+P Fluidtechnik 9/2017 43

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