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antriebstechnik 9/2018

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07 Temperaturentwicklung

07 Temperaturentwicklung der Komponenten und Tank im Fertigungsprozess 36 Elektr. Schaltschrank 36 Drehtisch Temperatur in °C Temperatur in °C 32 28 24 24 0 275 550 825 1100 0 275 550 825 Zeit in s Zeit in s 36 32 28 08 Motorspindel 24 24 0 275 550 825 1100 0 275 550 825 1100 Zeit in s Temperatur in °C Temperatur in °C 32 28 36 32 28 KAG aus Eingangstemperatur Ausgangstemperatur Tanktemperatur KAG ein Berechnete Wärmeströme und Wärme im Fertigungsprozess Tank Zeit in s KAG ein 1100 Für den Knotenansatz nach Kirchhoff gilt: Bild 09 stellt ein grundlegendes thermo-hydraulisches Netzwerkmodell dar. Das Fluidvolumen bzw. die Masseeigenschaften sind im Knotenpunkt konzentriert. Diese Knoten entsprechen somit den hydraulischen und thermischen Kapazitäten. Thermische und hydraulische Widerstände verbinden die Knoten miteinander. Die Parametrierung des Simulationsmodells erfolgt anhand der entsprechenden Geometrieparameter (Länge, Innen- und Außendurchmesser), die aus den Maschinenunterlagen hervorgehen. Außerdem ist der Wärmeaustausch der Leitungen mit der Umgebung durch freie Konvektion zu berücksichtigen, da diese in der Praxis innerhalb der Maschine frei zur Umgebung liegen. Der zugehörige Wärmeübergangskoeffizient kann mit folgenden thermodynamischen Gleichungen berechnet werden: 3200 1600 Wärmestrom in W 2400 1600 800 0 – 800 0 275 550 Zeit in s Wärme in kJ 1200 800 400 0 – 400 825 1100 0 275 550 Zeit in s 825 1100 Hauptspindel (MS) Elektr. Schaltschrank (ES) Drehtisch (DT) 09 Grundlegende Beschreibungselemente des thermo-hydraulischen Netzwerkmodells [13] Druckaufbaugleichung: n Temperaturgleichung: n p 1 . 2 V i dt T 1 . . C 2 Q i dt h T C 2 Q 3 th i = 1 i = 1 p 1 p 2 p 2 , T 2 . . C h , C th . . V 1 V 1 V 2 V 2 . . 1 Drosselgleichung: T 2 Q 2 V 2 ∆p R . 1 h1 V 1 ∆p R h1 thermischer Widerstand: 1 Q . ∆T R th . T Q 1 2 Zusätzlich wird der konvektive Wärmetransport durch erzwungene Konvektion in hydraulischen Leitungen berücksichtigt, der Wärmeübergangskoeffizient lässt sich wie folgt bestimmen: Wärmestrom Q . 100 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- antriebstechnik 9/2018 101

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