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O+P Fluidtechnik 9/2018

O+P Fluidtechnik 9/2018

STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 03 Messaufbau zur Erfassung der Komponentenverluste 04 Wirkungsgradkennfelder der MPE des Stößelantriebes 05 06 Vereinfachte Maschinenstruktur und Größen zum Modellabgleich Steuerkennfelder für drehzahlgesteuerte Verstellpumpe des Stößelantriebes nung an DIN ISO 4409, in der die Verlustleistungsmessung für hydraulische Verdrängereinheiten definiert ist [1]. Der dort beschriebene Messaufbau wurde um die notwendige Sensorik für die Erfassung der elektrischen Größen an der Einspeisung der Umrichter erweitert. Die Umrichterverluste wurden dabei den Motorverlusten zugeordnet und waren daher mit dem eingesetzten Messaufbau nicht einzeln zu erfassen. Als Vorgabegrößen für die Messung dienen die Motordrehzahl, der Druck des Druckbegrenzungsventils (DBV) und das Hubvolumen der Pumpe. Die Vermessung erfolgte über das gesamte Leistungsspektrum des Antriebes. Tabelle 01 zeigt die dafür bewerteten Betriebspunkte. Der Wirkungsgrad der MPE als auch ihrer Komponenten ergibt sich aus dem Quotienten von abgegebener und zugeführter Leistung. So ist z.B. der Gesamtwirkungsgrad der MPE η eh nach Gl. 1 aus der elektrischen Leistung an der Einspeisung P e und der abgegebenen hydraulischen Leistung an der Druckleitung der Pumpe P h zu bestimmen. 3 P ui h i 1 i i η = eh . Pe pPQP = = ∑ Gl 1 Bild 04 zeigt die aus der Messung bestimmten Flächen für den Gesamtwirkungsgrad der MPE für vier verschiedene Volumen der Pumpe. Die Eckleistung der Pumpe liegt um ein Vielfaches über der des Motors, so dass dieser vor Überlast geschützt werden muss. In Abhängigkeit vom Druck bewirkt dazu eine Leistungsbegrenzung die Verringerung des Volumenstromes. Daraus resultiert die Abnahme der Messpunkte auf der Druckachse mit steigendem Volumen der Pumpe, da sich für hohe Drücke große Volumenströme nicht mehr einstellen lassen. 56 O+P Fluidtechnik 9/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN Tabelle 01: Betriebspunkte für die Wirkungsgradermittlung Vp p Motordrehzahl: Soll Vmax n Soll = 500 U min ,600 U min … 1500 U min n Soll Druck: p Soll = 50 bar, 100 bar…300 bar Die Grafik zeigt auch, dass der Gesamtwirkungsgrad der MPE bei kleinen Schwenkwinkeln und kleinen Lasten kleiner 50% ist und mit steigendem Volumenstrom und steigender Last zunimmt. Dieses Verhalten lässt vermuten, dass sich gerade im Teillastbereich des Antriebs das energetische Verhalten noch optimieren lässt. Die Einzelwirkungsgrade von Motor und Pumpe ergeben sich analog aus den entsprechenden Leistungsgrößen am Eingang und am Ausgang der jeweiligen Komponente. MASCHINENMODELL Das eingesetzte Modell der Maschine konzentriert sich auf die Abbildung der hydraulischen Komponenten und der Steuerung. Die Mechanik der Presse ist auf konzentrierte Massen für den Stößel, das Ziehkissen und das Pressengestell mit zugehöriger Steifigkeit reduziert. Für die Antriebe von Stößel und Ziehkissen wurden Modelle implementiert, die die Trägheiten der MPE, das elektrisch-mechanische Verhalten des Motors und das mechanisch-hydraulische Verhalten der Pumpe berücksichtigen. Die ermittelten Wirkungsgradkennfelder wurden in Form von Regressionsmodellen, einer mathematisch geschlossenen Beschreibungsform, als Polynom im Modell hinterlegt. Dazu werden z.B. für einen allgemeinen Regressionsansatz der Form: ( ) 2 2 f xy , = kx + ky + kxy+ k x+ k y+ k Gl. 2 5 4 3 2 1 0 oder angepasst auf den Anwendungsfall: ( ) 2 2 Verdrängervolumen: Vp = 20%, 40%...100% V η eh pQ , = kp + kQ + kpQ+ k p+ kQ+ k Gl. 3 5 4 3 2 1 0 die Konstanten k 0..5 über eine Näherungsrechnung so bestimmt, dass die durch das Polynom beschriebene Fläche mit möglichst hoher Genauigkeit den gemessenen Wirkungsgrad annähert. Neben dem Abgleich der mechanischen und hydraulischen Größen wurde für das Maschinenmodell vor allem auch das energetische Gesamtverhalten mit Messdaten an der Maschine abgeglichen und zeigte eine gute Übereinstimmung. In Bild 05 ist die Struktur der Maschine vereinfacht dargestellt. Für den Vergleich der Messdaten mit den Ergebnissen des Simulationsmodells sind die Verläufe ausgewählter Parameter für einen Pressenhub bei direkter Verspannung von Stößel und Ziehkissen bei einer Ziehkissenkraft von F ZK = 800 kN zu sehen. STEUERUNG DREHZAHLVARIABLER VERSTELLPUMPEN Der energieeffiziente Betrieb einer drehzahlgesteuerten Verstellpumpe setzt eine Steuerstrategie voraus, die verlustleistungsoptimiert die Steuergrößen für Motordrehzahl und Schwenkwinkel der Pumpe bestimmt. In den hier vorgestellten Arbeiten wurde dafür eine statische Optimierung, wie sie in [3] vorgestellt wird, durchgeführt. Dazu wurden die gemessenen Wirkungsgradkennfelder des Motors und der Pumpe betrachtet und durch eine mathematische max Optimierung die Werte von Drehzahl und Schwenkwinkel so bestimmt, dass die Verlustleistung der gesamten Motor-Pumpe Einheit minimal wird. Damit lassen sich für die beiden Größen die Steuerkennfelder in Bild 06 berechnen, die in Abhängigkeit vom Sollvolumenstrom und dem an der MPE anliegenden Druck die energetisch günstigsten Einstellungen für den Betrieb des Antriebs ermöglichen. Bei genauerer Betrachtung der Kennfelder können diese in verschiedene Bereich unterteilt werden. Zunächst der rote, mit einer (1) gekennzeichnete Bereich maximaler Drehzahl im Drehzahlkennfeld. Hier arbeitet die MPE im Schwenkwinkelbetrieb, was bedeutet, dass die Schwenkwinkelsteuerung bei höheren geforderten Leistungen die effizienteste Steuerungsvariante für den Antrieb ist. Ein weiterer Bereich ist der rote mit (2) gekennzeichnete Bereich mit maximalem Schwenkwinkel im Schwenkwinkelkennfeld. In diesem Bereich arbeitet die MPE rein drehzahlgesteuert, also mit voll ausgeschwenkter Pumpe. Diese Antriebsart ist bei kleineren Drücken und mittleren Volumenströmen die effizienteste Variante. Der dritte Bereich (3) liegt zwischen den beiden oben genannten. In diesem kommt die statische Optimierung der Kennfelder zum Tragen. Hier arbeitet die MPE am effizientesten, wenn abhängig von den Einzelwirkungsgraden der beiden Komponenten der Einheit die Sollwertvorgaben für den besten Gesamtwirkungsgrad bestimmt werden. Anhand der Steuerkennfelder wird deutlich, dass das Einsatzpotenzial von drehzahlgesteuerten Verstellpumpen und die Auswahl der Steuerstrategie stark von der Maschinenkonzipierung und den durchzuführenden Prozessen abhängig sind. Für Maschinen, die vorrangig im Vollastbetrieb laufen, ist die heute etablierte Schwenkwinkelsteuerung bereits die effizienteste Variante. Bei häufigem Arbeiten im Teillastbetrieb bzw. sehr breiten zu fertigenden Produktspektren mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Maschine kann die drehzahlgesteuerte Verstellpumpe energetische Vorteile liefern. UNTERSUCHUNG DES ENERGETISCHEN VERHALTENS DER ANTRIEBSVARIANTEN Das energetische Verhalten der Antriebe wurde für die in Tabelle 02 dargestellten Varianten untersucht. Für den Stößelantrieb wurden die Steuerung des Schwenkwinkels bei konstanter Drehzahl, die Steuerung der Drehzahl bei konstant voll ausgeschwenkter Pumpe und die drehzahlgesteuerte Verstellpumpe betrachtet. Als Ziehkissenantrieb wurde in allen drei Varianten mit der Ventilsteuerung gearbeitet. Bei der Variation des Ziehkissenantriebes wurde mit einer drehzahlvariablen Verstellpumpe für den Antrieb des Stößels gerechnet und am Ziehkissen der Einsatz der Schwenkwinkel-, der Drehzahlund der Ventilsteuerung untersucht. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt immer für einen gesamten Pressenhub. Also von Stillstand der Presse über die Eilgangphase zur Zustellung des Werkzeuges, den eigentlichen Presshub, das Lüften der Maschine und den abschließenden Rückhub in die Ausgangslage bei gleichzeitigem Teileauswurf durch das Ziehkissen. Die Untersuchung der Antriebsvarianten erfolgte anhand von drei Werkzeugen zum Scherschneiden, zum Tiefziehen und zum direkten Verspannen der Maschine. Das Scherschneiden belastet die Maschine mit einer kurzen Kraftspitze, ohne dass dabei das Ziehkissen zum Einsatz kommt. Beim Tiefziehen ist das Aufbringen einer Kraft über einen längeren Zeitraum notwendig. Für die Einsatzbereiche der Maschine, die mit den beiden Prozessen nicht erreicht werden konnten, kam ein Belastungsblock zum Einsatz. Dieser ermöglicht das direkte Verspannen von Stößel und Ziehkissen und damit eine Belastung des Hauptantriebes bis hin zur maximalen Ziehkissenkraft. Im Folgenden sind Auszüge der Ergebnisse für den Belastungsblock und das Tiefziehen dargestellt, die vollständigen O+P Fluidtechnik 9/2018 57

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