Simulative Untersuchung des Energiebedarfs unterschiedlicher Hydraulikaggregate für Werkzeugmaschinen

Abstract

Kurzfassung Werkzeugmaschinen besitzen in der industriellen Fertigung eine große Bedeutung und verursachen dadurch einen substanziellen Anteil am industriellen Energiebedarf. Dabei hat die Hydraulik in Werkzeugmaschinen einen signifikanten Einfluss auf deren elektrische Leistungsaufnahme und weist zumeist auch während unproduktiver Maschinenzustände einen hohen Energiebedarf auf (vgl. [1], [2] S. 7ff). Diese Umstände stellen die zugrundeliegende Motivation für die Auseinandersetzung mit dem Thema der Hydraulik in Werkzeugmaschinen dar. Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der physikalischen Modellierung unterschiedlicher Hydraulikaggregate für Werkzeugmaschinen zur simulativen Untersuchung deren Energiebedarfs. Ausgangspunkt für die Modellerstellung und -parametrisierung stellten dabei der Hydraulikschaltplan sowie die gemessene elektrische Leistungsaufnahme einer definierten, in der industriellen Serienfertigung eingesetzten Use-Case-Werkzeugmaschine dar. Dabei wurde anhand der Modellierung des Hydraulikaggregats dieser Maschine und der Adaption des Modells der Vergleich verschiedener Ausführungen bzw. Steuerund Regelungsarten hinsichtlich des Energiebedarfs während eines exemplarischen Lastzyklus ermöglicht. Die erstellten Simulationsmodelle stellen somit ein Werkzeug für die Bestimmung des Betriebsverhaltens von Hydraulikaggregaten von Werkzeugmaschinen dar und sind weitergehend grundsätzlich auch für die Komponenten-Auslegung einsetzbar. Da Druckluft in Werkzeugmaschinen i.d.R. für vielseitige Anwendungen genutzt wird und dadurch ohnehin die Notwendigkeit des Anschlusses an ein Druckluftnetz besteht, wurde im Zuge der Arbeit ebenfalls das Einsatzpotential von pneumatisch-hydraulischen Druckübersetzern für die hydraulische Druckbereitstellung untersucht und den herkömmlichen Pumpaggregaten gegenüberstellt. Vorteile durch den Einsatz von pneumatisch-hydraulischen Druckübersetzern stellen dabei das prinzipbedingte Merkmal der bedarfsangepassten Volumenstromförderung und der daraus folgende einfache Aufbau des Hydraulikaggregats dar. Zur Validierung der Simulationsergebnisse und um weitere Untersuchungen bzgl. des Einsatzpotentials dieser Druckübersetzer durchführen zu können wird ein Konzept für einen entsprechenden Prüfstandsaubau vorgestellt. Abschließend wird eine überschlägige Kostenabschätzung für den Betrieb der verschiedenen Ausführungen von Hydraulikaggregaten für Werkzeugmaschinen unter Berücksichtigung der Anschaffungsund Energiekosten und unterschiedlicher Produktionsszenarien aufgestellt. Hierbei zeigt sich, dass pneumatisch-hydraulische Druckübersetzer unter gewissen Randbedingungen eine kostengünstige und energieeffiziente Alternative zu herkömmlichen Hydraulikpumpen darstellen können.

Abstract Machine tools are of great importance in the industrial production and therefore cause a substantial fraction of the industrial energy demand. Hydraulics in machine tools has a significant impact on their electrical power consumption and generally requires large amounts of energy even during unproductive operational states (cf. [1], [2] p. 7ff). These facts constitute the underlying motivation to address the topic of hydraulics in machine tools. This master thesis examines the physical modelling of various hydraulic power units of machine tools for the simulative study of their energy demand. The starting point for the model creation and parameterization represented the hydraulic diagrams as well as the measured electrical power consumption of a selected use case machine tool, which is in operation in the industrial series production. By means of modelling the hydraulic power unit of the defined use case machine tool and adapting the model, the comparison of different versions of the control and regulation of hydraulic power units in respect of the power demand during a specified load cycle was provided. Therefore, the generated models present a tool for evaluating the operating behaviour of hydraulic power units of machine tools and are in principle also applicable during the process of component selection. Since pressurized air is generally used in versatile applications in machine tools, a connection to the compressed air supply is necessary. Due to this reason, the deployment potential of pneumatic-hydraulic pressure boosters for the hydraulic pressure generation was investigated and compared to conventional pump units in the course of this master thesis. Advantages of pneumatic-hydraulic pressure boosters are as a matter of principle the demand-driven volumetric flow rate output and the consequential simple structure of the hydraulic power unit. To validate the simulation results and in order to carry out further studies relating to the deployment potential of pneumatic-hydraulic pressure boosters in hydraulic power units of machine tools, a concept of a suitable test bench design is presented. Finally, a roughly estimated evaluation of costs for the operation of the various versions of hydraulic power units of machine tools in consideration of the acquisition and energy costs as well as of different production scenarios is introduced. In doing so, it appears that pneumatic-hydraulic pressure boosters can present an economic and energy efficient alternative to conventional hydraulic pumps under certain conditions.