Stöbern Sie in der
Publikationsliste »

0 Dokumente
auf der Merkliste »

EFB-Forschungsbericht Nr. 033

Gesamtwirkungsgrad, Teilwirkungsgrade und optimales Betriebsverhalten von hydraulischen Pressen als Blechbearbeitungsmaschinen

EFB33.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hans Wilfried Wagener, Dipl.-Ing. Klaus-Jürgen Pahl, Laboratorium für Verfahren und Werkzeugmaschinen der Gesamthochschule Kassel

170 Seiten (Sw 72 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-107-9

Preis (Digital) EUR 73,00

Preis (Print) EUR 82,40

Schlagwörter: Wirkungsgrad, mechanische Pressen, Hubzahl

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden zwei hydraulische Pressen unterschiedlicher Bauart und Baugröße bezüglich ihres Betriebsverhaltens insbesondere hinsichtlich ihres energetischen Verhaltens untersucht und mit Exzenterpressen verglichen.

Betrachtet werden die Teilwirkungsgrade der eingesetzten Subsysteme sowie der Pressen-Gesamtwirkungsgrad bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Hierzu erfolgt zunächst die Definition geeigneter Systemgrenzen für die energetische Untersuchung der einzelnen Bauelemente wie des Gesamtsystems.

Weiterhin werden Beziehungen und Definitionen für ein den Exzenterpressen vergleichbares Arbeitsvermögen hydraulischer Pressen aufgestellt sowie der Nutzungsgrad-Hub zur Erfassung des einstellbaren Arbeitshubes eingeführt.

Das Versuchsprogramm umfaßt die Umformverfahren der Blechbearbeitung "Schneiden" und "Tiefziehen" und als Referenzverfahren das Verfahren "Stauchen". Die Experimente erfolgen jeweils unter Variation der Einstellparameter. Ergänzend wird an einer der Versuchspressen ein Austausch der Hydraulikpumpe vorgenommen.

Neben der versuchstechnischen Durchdringung des Themenkomplexes erfolgt eine analytische Betrachtung durch rechnergestützte Simulation des Betriebsverhaltens einer hydraulischen Presse.
Bei der Betrachtung der Teilwirkungsgrade im System "Hydraulische Presse" entsprechend den definierten Betrachtungsgrenzen werden insbesondere das Verhalten des Pressen-Antriebes, bestehend aus Elektromotor, Hydraulikpumpe und Leistungsregler, sowie der Energieumsatz im Hauptzylinder der Presse als entscheidend erkannt.

Es zeigt sich, daß von einer, bei hoher Kraftanstiegsgeschwindigkeit zu Beginn des Umformvorganges auftretenden Leistungsüberhöhung kein wesentlicher negativer Einfluß auf das energetische Pressen-Verhalten ausgeht; daß insbesondere jedoch ein ungünstiger Antriebswirkungsgrad bei hohen Systemdrücken den Pressenwirkungsgrad bestimmt. Der Grund hierfür liegt bei dem schlechten Pumpenwirkungsgrad unter diesen Betriebsbedingungen.

Generell ist bei einer direkt angetriebenen hydraulischen Presse das Wirkungsgrad-Kennfeld des Antriebes in hohem Maße entscheidend für den im Betrieb vorliegenden Gesamtwirkungsgrad.
Als weitere Einflußgröße wird der Hauptzylinderwirkungsgrad erkannt.
Bestimmend wirkt sich die Kompressibilität des Druckmediums aus. Die zu leistenden Verlustarbeitsbeträge an Ölfederarbeit erreichen erhebliche Größen und können der Umformarbeit vergleichbare Werte annehmen. Entsprechend groß zeigen sich die Auswirkungen einer unterschiedlichen Einbauhöhe des Werkzeuges im Arbeitsraum der Presse.

Detailliert untersucht werden neben der Umformphase auch die Leerhubphasen im Vor- und Rücklauf sowie die Haltephase unter Last. Der Gesamtwirkungsgrad für den kompletten Ablaufzyklus der Presse zeigt eine starke Abhängigkeit vom Energieumsatz in diesen Phasen. Eine Variation der Arbeitsgeschwindigkeit erweist günstige energetische Bedingungen bei mittlerer Geschwindigkeitseinstellung mit nur geringer Verschlechterung bei Maximaleinstellung.
Das bei hydraulischen Pressen übliche Fahren auf feste Anschläge bedingt schon bei geringen Haltezeiten unter Last einen erheblichen Energieumsatz und damit eine negative Beeinflussung des Pressenwirkungsgrades.

Der Gesamtwirkungsgrad einer hydraulischen Presse wird von Verfahrens- und Einstellparametern bestimmt. Als eine wesentliche Einflußgröße für den Gesamtwirkungsgrad wird die Verfahrenskenngröße Mittelwertfaktor erkannt. Ein hoher Mittelwertfaktor eines Umformvorganges führt zu einem ungünstigen energetischen Verhalten. In gleicher Weise wirken sich hohe maximale Umformkräfte und eine geringe arbeitsmäßige Ausnutzung der Presse aus.
Eine direkte Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades vom Umformverfahren ist nicht zu verzeichnen; lediglich beim Tiefziehen mit Niederhalter verringert sich der Pressenwirkungsgrad entsprechend der als Verlustarbeit angesehenen zu leistenden Niederhalterarbeit.
Ansonsten ergeben sich bei gleicher Belastungscharakteristik durch den Umformvorgang auch identische Wirkungsgradwerte.

Bei den einstellungsbedingten Einflußparametern handelt es sich um di~ Arbeitsgeschwindigkeit, die Hubausnutzung, die Haltezeit sowie die Charakteristik der Leistungsregelung.
Der ermittelte Einfluß der Arbeitsgeschwindigkeit auf das energetische Pressen-Verhalten wirkt sich besonders im Zusammenhang mit der Einstellung des Pressenhubes aus. Lange Vor- und Rücklaufwege des Stößels bei ungünstiger Geschwindigkeitseinstellung führen zu sehr geringen Pressenwirkungsgraden.
Der Einsatz einer servogeregelten Pumpeneinheit mit abweichender Regelkennlinie ergibt ein, bedingt durch das ungünstiges Wirkungsgradverhalten der Pumpe sowie eine Überlastung des Antriebsmotors, gegenüber dem Ausgangszustand nachteiliges Verhalten.

Fernerhin wird der Vergleich zwischen den untersuchten hydraulischen Pressen und bereits im Rahmen des Vorläuferprojektes betrachteten Exzenterpressen vorgenommen.
Kriterium des Vergleiches ist die Wirtschaftlichkeit des Presseneinsatzes, gekennzeichnet durch das energetische Verhalten und die erbrachte Mengenleistung, bei der Fertigung eines identischen Werkstückes und die baugrößenbezogene pressenspezifische Beurteilung des Energieumsatzes der betrachteten Pressentypen.

Legt man identische Umformvorgänge zugrunde, zeigt sich ein im Vergleich sehr günstiges energetisches Verhalten der untersuchten hydraulischen 1000-kN-Presse in optimaler Betriebseinstellung.

Berücksichtigt man die Baugröße der verglichenen Pressen über den arbeitsmäßigen Nutzungsgrad, so lassen sich bei günstiger Betriebseinstellung an beiden hydraulischen Pressen Gesamtwirkungsgrade erzielen, die zumindest in der gleichen Größenordnung vorliegen wie an Exzenterpressen.

Bei ungünstigem Betrieb, d.h. langen Leerhubwegen und geringen Arbeitsgeschwindigkeiten, treten im Vergleich zu den Exzenterpressen nur sehr niedrige Wirkungsgradwerte auf.
Die an hydraulischen Pressen bei optimaler Einstellung zu erzielende Mengenleistung liegt etwa bei Werten, wie sie an vergleichbaren Exzenterpressen auftritt. Nur eine energetisch optimierte Exzenterpresse neuester Bauart erbringt höhere Hubzahlen.
Insgesamt ergibt sich bei energetisch günstigem Verhalten einer Presse auch eine hohe Mengenleistung.

Die rechnergestützte Simulation des Pressen-Betriebsverhaltens läßt sich mit einem vereinfachten Rechenmodell realisieren. Es wird derart eine praxisgerechte Alternative zu aufwendigen komplexeren Programmsystemen aufgezeigt.

Mittels einer numerischen Lösung der das System beschreibenden Simulationsalgorithmen kann für beliebige Umformverfahren und Pressen-Einstellungen der Pressen-Gesamtwirkungsgrad in abschätzender Weise bestimmt werden. Grundlage sind Herstellerkennlinien der wichtigsten Subsysteme.

Für die Belastung einer der Versuchspressen durch Stauchoperationen wird beispielhaft ein entsprechend aufgestelltes Programmsystem verifiziert. Das Regelverhalten der Hydraulikpumpe sowie die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors läßt sich durch die Simulation in guter Näherung an real vorliegende Betriebszustände ermitteln. Die berechneten Pressen-Gesamtwirkungsgrade zeigen ebenfalls gute Obereinstimmung mit gemessenen Werten.

Die Anwendbarkeit des Rechenmodelles bestätigt sich; eine Steigerung der Rechengenauigkeit ist nur durch aufwendige meßtechnische Aufnahme aller relevanten Betriebskennlinien im Einzelfall realisierbar.

Insgesamt stellt die Methode ein geeignetes Hilfsmittel für die Optimierung der Einstellparameter durch den Pressen-Betreiber dar und gibt andererseits dem Konstrukteur Hinweise auf eine energetisch günstige konstruktive Auslegung einer hydraulischen Presse.

Das Forschungsvorhaben "Gesamtwirkungsgrad, Teilwirkungsgrade und optimales Betriebsverhalten von hydraulischen Pressen als Blechbearbeitungsmaschinen" enthält die Ergebnisse des Gemeinschaftsforschungsvorhabens DFB/ AiF-Nr: 13742N. Das Vorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln, (AiF) aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums über die DFB gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 33 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

0. Verwendete Formelzeichen
1. Situationsbeschreibung
2. Forschungsziel
3. Erkenntnisstand
3.1 Wirkungsgrad von Preßmaschinen (allgemein)
3.2 Wirkungsgrad von Exzenterpressen
3.3 Wirkungsgrad von hydraulischen Pressen
4. Experimentelle Wirkungsgradbestimmung
4.1 Grundüberlegungen und Definitionen
4.1.1 Wirkungsgraddefinition
4.1.2 Systemgrenzen und Teilwirkungsgrade
4.1.3 Arbeitsvermögen hydraulischer Pressen
4.2 Vorgehensweise
4.2.1 Versuchspressen
4.2.2 Versuchsprogramm
4.2.3 Versuchswerkzeuge
4.2.3.1 Stauchvorrichtung
4.2.3.2 Schneidwerkzeug
4.2.3.3 Tiefziehwerkzeug
4.2.4 Meßtechnik
5. Ergebnisse
5.1 Teilwirkungsgrade
5.1.1 Pressenantrieb
5.1.1.1 Leistungsregelung
5.1.1.2 Leistungsüberhöhung
5.1.1.3 Antriebswirkungsgrad
5.1.1.3.1 Pumpenwirkungsgrad
5.1.1.3.2 Motorwirkungsgrad
5.1.2 Hydraulikwirkungsgrad
5.1.2.1 Transportwirkungsgrad
5.1.2.2 Hauptzylinderwirkungsgrad
5.1.2.2.1 Federungsverluste
5.1.2.2.2 Reibungsverluste
5.2 Hubphasenbetrachtung
5.2.1 Leerhub im Vor- und Rücklauf
5.2.2 Haltezeit
5.2.3 Energieumsatz Pressen-Steuerung
5.3 Gesamtwirkungsgrad hydraulischer Pressen
5.3.1 Einflußparameter
5.3.1.1 Verfahrensbedingte Einflüsse
5.3.1.1.1 Mittelwertfaktor
5.3.1.1.2 Umformverfahren
5.3.1.2 Einstellparameter
5.3.1.2.1 Charakteristikleistungsregelung
5.3.1.2.2 Arbeitsgeschwindigkeit
5.3.1.2.3 Hubnutzungsgrad
5.3.1.2.4 Haltezeit
5.4 Vergleich hydraulische/mechanische Pressen
5.4.1 Energetisches Verhalten
5.4.2 Mengenleistung
6. Analytische Wirkungsgradbestimmung
6.1 Grundüberlegungen
6.2 Vergehensweise
6.3 Ergebnisse der analytischen Untersuchungen
7. Zusammenfassung
8. Schrifttum
9. Bilder