Simulation ist mehr als Software

Direktkontakt
0
Wunschliste
0 0
Warenkorb
DE

Optimierung einer Plungerpumpe durch simulationsgestützte Lagerauslegung

Gleitlageroptimierung mit Hochdruck

Die Plungerpumpen von Hammelmann finden in fast allen industriellen Bereichen sinnvolle Verwendungen. Das reicht vom Reinigen von Oberflächen über das Abtragen von Deckschichten bis zum Wasserstrahlschneiden. Diese Hochdruckpumpen erreichen Drücke bis 4.500 bar und Fördermengen bis 3.000 Liter pro Minute bei einer Nennleistung von bis zu 1,1 Megawatt.

Um eine hohe Energieeffizienz und extreme Zuverlässigkeit zu erreichen, setzen die Hammelmann-Ingenieure auf die Kombination von Versuch und Simulation. So kann einerseits ein innovatives und gleichzeitig robustes Design abgesichert werden und anderseits lässt sich durch die Reduzierung der Anzahl der Prototypen viel Zeit sparen.

Das Unternehmen Hammelmann

Die Hammelmann GmbH (www.hammelmann.com) mit Stammsitz in Oelde, Westfalen, ist Hersteller von Hochdruckplungerpumpen, Prozesspumpen und Hochdruckanwendungssystemen mit Tochtergesellschaften in USA, China, Australien, Spanien, Frankreich und der Schweiz sowie 40 Vertretungen weltweit. Das deutsche Unternehmen gehört zur Interpump Group aus Italien.

Im Zuge der EU Verordnung 1907/2006 zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) war eine Materialumstellung für Gleitlagerschalen einer Plungerpumpe notwendig. Versuche auf dem Prüfstand sind hier sehr zeitaufwendig und kostspielig. Entsprechend eng ist der Spielraum der Veränderungen. Für das kleine Pleuelauge einer Plungerpumpe wurden daher elastohydrodynamische (EHD) Simulationen mit dem Berechnungstool Tribo-X inside Ansys durchgeführt. Dabei lassen sich Änderungen am Simulationsmodell im Gegensatz zum Versuch sehr schnell realisieren und die Berechnungsergebnisse können direkt bewertet werden. Erst wenn so das gewünschte Ergebnis erzielt wird, geht es dann auf den Prüfstand.

Ausgehend von dem bisher verwendeten Material basierend auf einer Kupfer-Blei-Legierung, die auf einem Stahlrücken aufgebracht ist, wird eine Materialumstellung auf eine Lagerschale der REACH-konformen Bronze-Legierung ohne Stahlrücken durchgeführt.

Mit den Simulationen konnte zunächst eine Verschlechterung der Tragfähigkeit im Zuge der Materialumstellung gezeigt werden. Grund hierfür sind die schlechtere Abstützung der hydrodynamischen Drücke infolge des fehlenden Stahlrückens. Zudem kam es im Hochdruck-Lastbereich der Pumpe nun zu Mischreibung zwischen Bolzen und Lagerschale, die mit Verschleiß und erhöhten Reibungsverlusten einhergeht.

Um diese Verschlechterung des Tragverhaltens zu kompensieren und das Betriebsverhalten der Pumpe zu verbessern, wurde auch eine Neupositionierung der beiden Schmierstofftaschen im Simulationsmodell untersucht. Zur Verbesserung der Tragfähigkeit des Systems wurde durch die Berechnung verschiedener Lagerdesigns eine Lösung gefunden, die dem Betrieb der REACH-konformen Lagerschale außerhalb der Mischreibung und damit ohne Oberflächenkontakt für den untersuchten Betriebsbereich ermöglicht. Damit kann die neue Lagerschale in der Plungerpumpe durch ihr optimiertes Design mit geringeren Reibungsverlusten und längeren Standzeiten eingesetzt werden.

Interview mit Felix Hartmann

Der Teamkoordinator Konstruktion Pumpen bei der Hammelmann GmbH beantwortete uns einige Fragen zum Simulationseinsatz bei der Optimierung der Gleitlager.

Warum ist die Simulation eine sinnvolle Ergänzung des bisherigen Auslegungsprozesses?

Versuche für Plungerpumpen sind sehr aufwändig. Um diese durchzuführen, vergehen schnell viele Stunden oder sogar Tage. Außerdem ist viel Erfahrungswissen notwendig, damit anhand von wenigen Versuchen das gewünschte Ziel erreicht werden kann. Der Simulationseinsatz ermöglicht den einfachen Vergleich von unterschiedlichen Designvarianten und das bei verhältnismäßig kurzen Antwortzeiten.

Welche Bedeutung kommt hierbei den Gleitlagern zu und wie wurden diese bisher ausgelegt?

Die Gleitlager sind als kraftübertragende Teile eine Kernkomponente der Hochdruckpumpe. Da kommt es auf wenige Mikrometer an. In der Vergangenheit haben wir die Gleitlager häufig analytisch ausgelegt. Dieses Verfahren ist aber nur begrenzt einsetzbar, sodass wir bei Bedarf auch Strömungsanalysen durchführten. Dabei standen wir jedoch vor der Problematik eines schlechten Konvergenzverhaltens aufgrund der geringen Spalthöhen im Schmierspalt. Dieses verursachte wiederum lange Rechenzeiten.

Welche Besonderheiten sind bei der Simulation des Pleuel-Gleitlagers zu beachten?

Durch die Schwenkbewegung am kleinen Pleuelauge finden Vorzeichenwechsel der Drehzahlen statt. Das beeinflusst den hydrodynamischen Druckaufbau. Kritisch wird es beim umschwenken, sozusagen der Nulldurchgang der Drehzahlen. Zudem sind die Belastungen entsprechend der Arbeitstakte veränderlich. So führt der Druckaufbau infolge der Verdrängung (Kompression) zu einem Laststoß und einer schlagartigen Verlagerung des Bolzens.

Die hohen Drücke im Schmierspalt führen zudem zu elastischen Deformationen der Lagerschale und damit einer Beeinträchtigung des Lagerspalts. Eine ausreichende Ölversorgung hängt also von vielen Randbedingungen ab. Es braucht ein starkes Berechnungstool, um all diese wichtigen Faktoren zu berücksichtigen.

Welche Vorteile ergeben sich für Hammelmann durch die Simulation des Pleuel-Gleitlagers mit Tribo-X inside Ansys?

Mit Tribo-X können wir schnell und unkompliziert umfangreiche Parametervariationen für das Pleuel-Gleitlager simulieren. Dadurch lässt sich das Verhalten unserer Gleitlager besser verstehen und wir können im Vorfeld untersuchen, mit welchen Veränderungen wir welches Betriebsverhalten erreichen. Für ein energieeffizientes Design der Gleitlager ist das unerlässlich.

Die Simulation führt zu weniger Aufwand und Kosten, so dass die Anzahl der sonst erforderlichen Prototypen reduziert werden können. Weniger Prototypen im Einsatz bedeutet auch weniger Energieverbrauch. In Zahlen gefasst bedeutet dieses ca. 10.000 € pro eingesparter Versuchsvariante. Allerdings wurden hierbei nur die reinen Material- und Energiekosten berücksichtigt. Wenn dann noch der Personalaufwand und die weiteren Kosten dazu gezählt werden, können sogar Gesamtkosten von 50.000 € zusammenkommen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass im Vergleich zu den Prototypen bei der Simulation die kritischen Bereiche und die erforderlichen Toleranzgrenzen genauer analysierbar sind. Ferner können die Belastungsgrenzen exakt ermittelt werden und das gesamte Maschinenverhalten ist besser steuerbar. Auch zukünftig lassen sich Varianten, Anpassungen, kundenindividuelle Konfigurationen und neue Normen schnell und sicher umsetzen.

Was sind die nächsten Schritte bezüglich der Simulation?

Nach erfolgreicher Verifikation sollen die anderen Pumpentypen ebenfalls berechnet und optimiert werden. Ferner soll geprüft werden, ob hydraulische Drehdurchführungen mittels Tribo-X inside Ansys optimiert werden können.

Vielen Dank Herr Hartmann für die interessanten Information zur Simulation mit Tribo-X inside Ansys und weiterhin viel Erfolg mit den Plungerpumpen.

Hammelmann GmbH
Felix Hartmann
www.hammelmann.com

Autor: Gerhard Friederici, CADFEM
Bilder: © Hammelmann GmbH

Contact CADFEM

Produktmanager Customization Products