antriebstechnik 9/2018

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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, 104 antriebstechnik 9/2018

FLUIDTECHNIK Frequenzumrichter usw. berücksichtigt wird. Dadurch kann der Wirkungsgrad jeder Kühlstruktur vorhergesagt werden. Zum anderen sollen die betrachteten neuen Kühlstrukturen ihren Nutzen in der Praxis und nicht nur in der Simulation zeigen. Dazu wird ein Versuchsstand entwickelt, der eine experimentell fundierte Aussage über die Strukturen hinsichtlich ihrer Effizienz ermöglicht. Schließlich ist es möglich durch den Anschluss des Versuchstandes an eine Demonstratormaschine die Verschiebung des TCP der Werkzeugmaschine zu messen und mit der Verschiebung durch ein konventionelles Kühlsystem zu vergleichen. Somit könnten verschiedene Betriebsstrategien getestet werden, um neben einer Steigerung der Energieeffizienz der Werkzeugmaschine auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Literaturverzeichnis: [1] Großmann, K., Gritt, O., Thermo-energetic Design of Machine Tools. Heidelberg: Springer-Verlag; 2015. 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Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik, Technische Universität Dresden, Eigenverlag ISBN3-86005- 547-X, 2006 Danksagung Die präsentierten Forschungsarbeiten erfolgten innerhalb des Projektes „Thermo-energetische Beschreibung fluidtechnischer Systeme“ im Sonderforschungsbereich Transregio 96 (Förderkennzeichen SFB/TR 96, A04). Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung. Formelzeichen A m 2 Leitungsquerschnitt B m 3 /s/Pa 0,5 Durchflusskoeffizient c Fluid J/(kg × K) Spezifische Wärmekapazität des Kühlmediums C th J/K Thermische Kapazität C hy m 3 /Pa Hydraulische Kapazität D H m Hydraulischer Durchmesser D m Außendurchmesser der Rohrleitung d a m Außendurchmesser der Rohrleitung d i m Innendurchmesser der Rohrleitung g m/s 2 Gravitation Gr – Grashof-Zahl K‘ Pa Kompressionsmodul l m Länge der Rohrleitung L m Charakteristische Länge kg/s Massestrom Nu – Nusselt-Zahl ∆p Pa Druckdifferenz p 1 /p 2 Pa Ein- und Ausgangsdruck p Pa Druck p 0 Pa Versorgungsdruck Pr – Prandtl-Zahl W Wärmestrom Q th J Wärme bzw. thermische Energie Re – Reynolds-Zahl R th K/W Thermischer Widerstand R hy Ns/m 5 Hydraulischer Widerstand t s Zeit T w K Umgebungstemperatur T ∞ K Wandtemperatur der hydr. Leitung ∆T K Temperaturdifferenz ϑ 1 /ϑ 2 °C Ein- und Ausgangstemperatur Q ES /Q DT / J Thermische Energie, Schaltschrank/Drehtisch/ Q MS Hauptspindel (Motorspindel) m 3 /s Volumenstrom V L,0 m 3 Leitungsvolumen zw. Pumpe und Ventilen y i – Relative Ventilschieberstellung α frei W/(m 2 × K) Wärmeübergangskoeffizient durch die freie Konvektion α erzwungen W/(m 2 × K) Wärmeübergangskoeffizient durch die erzwungene Konvektion α Leitung W/(m 2 × K) Wärmeübergangskoeffizient durch die Wärmeleitung β 1/K Ausdehnungskoeffizient λ Fluid W/(m × K) Wärmeleitfähigkeit des Kühlmediums λ Luft W/(m × K) Wärmeleitfähigkeit der Luft λ Leitung W/(m × K) Wärmeleitfähigkeit der hydr. Leitungen υ m 2 /s Kinematische Viskosität ρ kg/m 3 Dichte η kg/(s × m) Dynamische Viskosität η wd kg/(s × m) Dynamische Viskosität bei Wandtemperatur antriebstechnik 9/2018 105