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EFB-Forschungsbericht Nr. 451

Energieeffizienz verdrängergesteuerter Pressenhydraulik

efb451

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Dipl.-Ing. Christer Schenke, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik am Institut für Fluidtechnik der Technischen Universität Dresden

100 Seiten (sw, 53 teils farbige Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-500-8

Preis (Digital) EUR 62,94

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

In Zeiten der Energiewende rückt der Energiebedarf auch in den Bereichen der fertigenden Industrie immer stärker in den Vordergrund. Neue Richtlinien und Normen sowie der steigende Einfluss der Energiekosten auf die Produktionskosten zwingen die Hersteller als auch Anwender von Werkzeugmaschinen, sich mit dem Thema Energieeffizienz zu beschäftigen.

Im Bereich der Kleinserienfertigung von Umformteilen hat die hydraulische Tiefziehpresse heute eine weite Verbreitung erreicht. Durch die hohe Flexibilität bei der Vorgabe von Weg- und Kraftverläufen können diese Maschinen für verschiedenste Fertigungsverfahren im Bereich der Blechumformung eingesetzt werden. Dabei wird in konventionellen hydraulischen Pressmaschinen heute noch immer die Widerstandssteuerung vor allem für den Ziehkissenantrieb eingesetzt. Dieser Steuerungsvariante ist zu eigen, dass aufgrund prinzipbedingter Drosselverluste ein Großteil der für den Umformprozess notwendigen Energie in Wärme umgewandelt wird und so an die Umgebung verloren geht.

Dieses Projekt analysiert am Beispiel einer hydraulischen Tiefziehpresse die Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei Einsatz von Verdrängersteuerungsantrieben. Auf Basis einer Vermessung der Komponenten der Stößel- und Ziehkissenantriebe werden Verlustmodelle abgeleitet, Modelle der Motor-Pumpe-Einheiten entwickelt die die Verluste berücksichtigen und Methoden zur Steuerung der untersuchten Antriebsvarianten vorgestellt. Die Modelle der Motor-Pumpe-Einheiten werden in ein vorhandenes Maschinenmodell der Presse integriert und der Abgleich des Verhaltens des Maschinenmodells mit Messungen zu Beispielprozessen präsentiert.

Anschließend erfolgt die Darstellung von Simulationsergebnissen zunächst für die Untersuchung und Bewertung des energetischen Verhaltens für drei Verdrängersteuerungsvarianten für den Stößelantrieb bei Widerstandssteuerung des Ziehkissens. Für die energetisch günstigste Variante des Stößelantriebes wird schließlich für den Ziehkissenantrieb das Verhalten von zwei Verdrängersteuerungsvarianten der konventionell üblichen Ventilsteuerung gegenübergestellt und anhand von Beispielprozessen bewertet.

Für die Demonstratormaschine konnten für den Stößelantrieb bei Einsatz von Verdränger-steuerungsantrieben bis zu fünf Prozent Energieeinsparung erreicht werden. Im Bereich des Ziehkissens ist mit diesem Antriebssystem und der damit verbundenen Energierückgewinnung sogar eine Verringerung des Energiebedarfs um bis zu 40% möglich.

Auf Basis der Ergebnisse der Simulationsrechnungen wird schließlich eine Auswahlmethode für Verdrängersteuerungsantriebe für Pressen vorgestellt, die eine gezielte Auslegung oder die Auswahl des Steuerungskonzeptes auf Basis des Verlustverhaltens der Antriebskomponenten Motor und Pumpe ermöglicht.

Abschließend wird ein Vergleich zwischen konventionellen hydraulisch-mechanischen Verspannkonzepten, der elektrischen Verspannung von Stößel und Ziehkissen vorgestellt.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Energieeffizienz verdrängergesteuerter Pressenhydraulik" wurde unter der Fördernummer AiF 17739BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 451 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

 

Abstract

In times of the energy revolution, the energy consumption is of great importance even for production industry. New legal guidelines and standards as well as the rising influence of the energy costs on the production costs, force manufacturers and users of tooling machines to deal with the subject of energy efficiency.

In the field of small batch production, the hydraulic press is a very popular machine. Due to high flexibility, the hydraulic press is used for a variety of production processes in the field of sheet metal forming. In conventional hydraulic presses, mostly a valve control is used, especially for die cushion drives. Using this machine concept, most of the energy, which is primarily needed for the forming process, is converted into thermal energy and dissipated into the atmosphere.

On the example of a hydraulic deep drawing press, the possibilities to reduce the energy consumption by using displacement systems were analyzed in this project. Based on measurements, power loss models are developed and integrated in a model of the press and its drive system. The machine model is aligned with measurement data and used for a systematic study of speed and displacement controlled hydraulic drive systems.

The simulation results show the energetic behavior for the analyzation and evaluation of three different control options for the slide drive system as well as the die cushion drive. Different drive systems are compared for two sample processes and a dummy tool which provides direct mechanical stress on the slide and the die cushion. That way, the slide drive can be loaded with the maximum die cushion force.

By implementing the displacement control, five percent of energy savings can be reached for the sample press. The die cushion drive system shows energy saving potential of nearly 40%.
This high value results from the energy recuperation that is possible with the speed-controlled servomotor of the installed motor pump unit.

Based on simulation results, a selection method for displacement controlled drive systems for presses is introduced. Now, a precise selection of a motor pump combination and the control concept is possible.

Finally, a comparison of conventional hydraulic-mechanic tension concepts with the me-chanic-electric tension of the sample press is presented.
The research goal was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungen, Formelzeichen und Indizes
Abkürzungen
Formelzeichen
Indizes
1 Einleitung
2 Stand der bisherigen Forschung
2.1 Energetische Analyse hydraulischer Pressenantriebe
2.2 Verspannung von Stößel und Ziehkissen
2.3 Verdrängergesteuerte Antriebe
2.3.1 Verdrängergesteuerte Antriebe in Pressen
2.3.2 Untersuchung verdrängergesteuerter Antriebssysteme
3 Zielsetzung und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.2 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
3.3 Lösungsweg
4 Beispielkonfiguration
4.1 Hydraulische Tiefziehpresse mit Mehrpunktziehkissen
4.1.1 Maschinenstruktur
4.1.2 Messsystem
4.2 Versuchswerkzeuge
4.3 Lastfälle
4.4 Energetische Analyse der Antriebe der Beispielmaschine
4.4.1 Verlustleistungsmessung
4.4.2 Stößelantrieb
4.4.3 Ziehkissenantrieb
5 Modellbildung der Versuchsmaschine
5.1 Verlustleistungsmodellierung
5.1.1 Zwei- und dreidimensionale Kennfelder
5.1.2 Regressionsmodelle
5.1.3 Two-Line Methode
5.1.4 Bewertung der Modellierungsansätze
5.2 Verlustmodelle der Stößel- und Ziehkissenantriebe
5.3 Maschinenmodell
5.4 Modellabgleich
6 Betriebsstrategie für MPE mit zwei Freiheitsgraden
7 Analyse der Varianten der Verdrängersteuerung
7.1 Statische Betriebspunkte
7.2 Produktivbetrieb
7.2.1 Konfigurationen und Anwendungsfälle
7.2.2 Belastungsblock
7.2.3 Tiefziehen
7.2.4 Scherschneiden
7.2.5 Beispiel für Zyklusbetrachtung
7.2.6 Analyse, Bewertung und Umsetzbarkeit
7.3 Ziehkissendynamik
8 Auswahlmethodik für verdrängergesteuerte Pressenantriebe
9 Vergleich von Verspannkonzepten
10 Ergebnisse und Ausblick
11 Literatur