Simulative evaluation of the energy demand for the centralized cooling lubricant supply of a production line for powertrain components

Abstract

Energy efficiency represents one of the most fundamental factors for the industrial sector of a country to be competitive. Investigations in the automotive industry have shown that up to 60% of the energy requirements of a manufacturing process are used for cooling lubrication. Cooling lubricants used in machining processes are of vital importance since they cool down the tools and the machined parts, maximize tool life by providing lubrication and remove chips from the cutting zone. In this work, a cooling lubricant supply system of a production line of an engine manufacturing plant was studied concerning its energy demand. Based on technical documentation and observations made on-site, a thermal-liquid simulation model of the concerning cooling lubricant supply system was developed using MATLAB Simscape/Simulink. The pumps, filters, pipework and valves of the central supply system and the machining centers were modeled to replicate the emulsion supply and demand, making a detailed investigation of the operating and consumption behavior of the system possible. Once the model of the actual system had been validated by comparing measured power consumption of the central supply pumps in a given timeframe to the power consumption predicted by the simulation, alternative systems (i.e. optimization measures) could be evaluated. The proposed study cases were: equipping one central pump with a frequency converter, equipping all central pumps with frequency converters, modifying the filtering strategy and reducing the operating pressure. A reduction in the electrical power consumption was achieved by all systems. It was determined that the best solution would be a combination of three of the proposed optimization scenarios: eliminating the central fine filter, equipping one pump with a frequency converter and reducing the pressure in the system. This system achieves a mean reduction of the power demand of the central supply pumps of 14.2% and a maximum power reduction of 19.9% while only requiring minor retrofits. Finally, it must also be mentioned that despite focusing on the electric power demand of the central supply pumps, the model here presented can also be a useful tool for future projects. The factors influencing the thermal behavior of the system or the ramp-up behavior of the central pumps and the electric motors could be studied once they are properly understood thanks to the detailed modeling of the supply system, the machining centers and the pipework.

Energieeffizienz ist einer der grundlegendsten Faktoren für die Wettbewerbsfähigkeit des Industriesektors eines Landes. Untersuchungen in der Automobilindustrie haben gezeigt, dass bis zu 60% des Energiebedarfs eines Herstellungsprozesses für die Kühlschmierung verwendet werden. Kühlschmierstoffe, die in Bearbeitungsprozessen verwendet werden, sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Werkzeuge und die bearbeiteten Teile abkühlen, die Lebensdauer des Werkzeugs durch Schmierung maximieren und Späne aus der Schneidzone entfernen. In der vorliegenden Arbeit wurde eines der Kühlschmierstoffversorgungssysteme einer ausgewählten Fertigungslinie in einem Motorenwerk hinsichtlich seines Energieverbrauchs untersucht. Basierend auf technischer Dokumentation und Beobachtungen vor Ort wurde ein Simulationsmodell der Kühlschmierstoffzufuhr der Fertigungslinie in der Software MATLAB Simscape/Simulink entwickelt. Die Pumpen, Filter, Rohrleitungen und Ventile des zentralen Versorgungssystems und der Bearbeitungszentren wurden zur Nachbildung des Betriebs- und Verbrauchsverhaltens des Systems modelliert. Nachdem das Modell für das Ist-System mit Produktions- und Messdaten validiert wurde, indem für einen definierten Zeitraum der gemessene Leistungsbedarf der zentralen Versorgungspumpen mit dem vom Modell vorhergesagten Leistungsbedarf verglichen wurde, konnten alternative Systeme (also Optimierungsszenarien) untersucht werden. Die vorgeschlagenen Szenarien beinhalten eine zentrale Pumpe mit einem Frequenzumrichter auszustatten, allen zentralen Pumpen mit Frequenzumrichtern auszustatten, die Filterstrategie zu ändern und den Systemdruck zu reduzieren. Eine Verringerung des elektrischen Energieverbrauchs wird durch alle Systeme erzielt. Es wurde festgestellt, dass die beste Lösung eine Kombination aus drei der vorgeschlagenen Systeme sein würde; nämlich auf den zentralen Feinfilter zu verzichten, eine Pumpe mit einem Frequenzumrichter auszustatten und den Solldruck im Vorlauf zu reduzieren. So wurde eine mittlere Reduktion des Leistungsbedarfs der zentralen Versorgungspumpen von 14,2% und eine maximale Leistungsreduktion von 19,9% erreicht, wobei nur geringe Modifikationen des Systems nötig sind. Abschließend muss noch erwähnt werden, dass das hier vorgestellte Modell trotz der Fokussierung auf den Leistungsbedarf der zentralen Versorgungspumpen auch ein nützliches Werkzeug für zukünftige Projekte sein kann. Durch die detaillierte Modellierung des Versorgungssystems, der Bearbeitungszentren und der Rohrleitungen könnten die Einflussfaktoren auf das thermische Verhalten der Anlage und das Hochlaufverhalten der Zentralpumpen und der Elektromotoren untersucht werden.