VeriSim - Messmethodenentwicklung zur Berechnung der Flüssigkeitsschallausbreitung in fluidtechnischen Leitungssystemen
Der Vorteil hydraulischer Maschinen liegt in ihrer hohen Kraftdichte und der dezentralen Energieverteilung mit Hilfe von Leitungssystemen, wodurch sehr kompakte und flexible technische Lösungen entstehen. Die Leitungssysteme wurden bislang vorwiegend als reine Energieübertragungselemente behandelt, ihre Signalübertragungseigenschaften (gewollte und ungewollte Flüssigkeitsschallausbreitung) sind unzureichend und nicht geschlossen erforscht worden.
Zwar wurden in den letzten Jahren die Simulationsmodelle erheblich erweitert, der immens hohe Aufwand für eine experimentelle Validierung wurde aus wirtschaftlichen Gründen jedoch unterlassen. Auf der anderen Seite gibt es pragmatische Ansätze in der Produktentwicklung, wo verschiedenartige Messverfahren eingesetzt werden, um eine Komponentenvorauswahl zu treffen. Hier ist jedoch die Messmittelfähigkeit fragwürdig, ferner fehlt die Korrelation zum Gesamtsystem.
Das Projekt VeriSim zielt darauf, die verbleibende Lücke zwischen den neuartigen Simulationsverfahren und ihrer noch fehlenden experimentellen Validierung zu schließen.
Motivation
In jüngster Zeit gewinnt Energieeffizienz bei gleichzeitiger Erhöhung von Komfortansprüchen wie z. B. Akustik zunehmend an Bedeutung. So kann beispielsweise eine bedarfsabhängige Energieversorgung über einen drehzahlgeregelten Antrieb realisiert werden, was jedoch – anders als bei einer Konstantpumpe – ein Frequenzspektrum der Pumpenanregung bedeutet. Ferner führen Energiesparsysteme zu neuen Systemarchitekturen, z.B. Anordnung von elektrohydraulischen Motorpumpenaggregaten mit sehr kurzen Leitungssystemen in die Nähe von den Verbrauchern.
Dem Vorteil der freien Anordnung der Aktoren steht jedoch der Nachteil der von den Leitungssystemen abhängigen Systemeigenschaften gegenüber, was sich in ungünstigen Fällen in Geräuschen oder Schwingungen bemerkbar macht, z. B. kann ein Leitungssystem in Resonanz mit einer Pumpenanregung stehen.
Die Wettbewerbsfähigkeit hydraulischer Systeme hängt dabei also zunehmend von der technischen Beherrschung der Komponente „Leitungssystem“ zwischen Energieerzeugern und Aktoren ab.
Lösung
Für die Nachbildung des Übertragungsverhaltens einer Schlauchleitung werden neben geometrischen Parametern auch Informationen über das dynamische (visko-elastische) Verhalten der Schlauchwandung benötigt.
Die geometrischen Parameter wie Innen- und Außendurchmesser oder die Länge können anhand der Schlauchspezifikation ermittelt werden. Um die Parameterwerte des Wandmodells zu bestimmten, werden die Resonanzen der Schlauchleitung abhängig von der freien Gewebelänge benötigt, d. h. die Frequenzen, an denen eine Druckpulsation am Zufluss die Schlauchleitung am anderen Ende maximal verstärkt verlässt.
Auf einem Prüfstand werden hierzu Schläuche gleichen Typs, aber unterschiedlicher Länge messtechnisch untersucht. Da die Materialparameter der Schlauchleitung sowohl druck- als auch temperaturabhängig sind, gelten die berechnenten Parameterwerte immer nur für den bei der Messung eingestellten Arbeitspunkt (T und p = const.).
Zur Validierung wird das vollständig parametrierte Modell der Schlauchleitung in ein Simulationsmodell integriert, welches den Prüfstand nachbildet. Daraufhin wird der Prüfstandsversuch simulativ wiederholt. Abschließend werden die messtechnisch ermittelten Vierpol-Übertragungsfunktionen mit den aus den Simulationergebnissen berechneten Vierpol-Übertragungsfunktionen verglichen (siehe nebenstehende Abbildungen der Vierpol-Übertragungsfunktion T11).
Für den Anwender ist in erster Linie nicht das einzelne Komponentenmodell von Interesse, vielmehr sollen die Modelle bei der Simulation ganzer hydraulischer (Leitungs-)Systeme zum Einsatz kommen. Ziel ist die Vorausberechnung des Systemverhaltens, wodurch ein aufwendiger Prototyp des entsprechenden Systems vermieden werden kann.
Um die grundsätzliche Eignung der zuvor beschriebenen Methodik für dieses Einsatzgebiet zu zeigen, werden verschiedene Konfigurationen verketteter Leitungssysteme simuliert. Die verketteten Leitungssysteme werden z. B. aus aus den abgeglichenen Modellen der Schläuche 1 und 2 aufgebaut. Zur Validierung erfolgt wiederum eine Messung der entsprechenden Kombination auf dem Systemprüfstand.
Nebenstehende Abbildungen stellen Messung und Simulation verketteter Leitungssysteme gegenüber. Die obere Grafik zeigt die Vierpol-Übertragungsfunktion T11 einer Aneinanderreihung von zwei Schläuchen des gleichen Typs (Typ 1) aber unterschiedlicher Länge. Der Frequenzgang wird sehr gut abgebildet und die Resonanzfrequenzen genau getroffen. Auch die Amplituden bei Resonanz- und Tilgungsfrequenzen entsprechen denen der Messung.
Die untere Grafik zeigt die Vierpol-Übertragungsfunktion T11 einer Aneinanderreihung von zwei Schläuchen unterschiedlichen Typs (Typ 1 und Typ 2). Auch hier zeigt der Vergleich zwischen Messung und Simulation eine prinzipiell gute Übereinstimmung.
