Ontwikkeling van hydropompen met CAD. Deel 2
Citation for published version (APA):
Schlösser, W. M. J., Hessels, J. L. L., & Rooij, J. H. A. (1989). Ontwikkeling van hydropompen met CAD. Deel 2.
Aandrijftechniek, 11(10), 84-87.
Document status and date:
Gepubliceerd: 01/01/1989
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be
important differences between the submitted version and the official published version of record. People
interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the
DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page
numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at:
openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
Ontwikkeling vaÍr
hydropompen metCAD(
.w.
M.J. Schlósser,J. L. L. Hessels,J. H. A. van Rooij
Aan de Technische Universiteit Eindhoven is sinds 1970
veelaandzcht besteed aan de optimalisatie van hydropompen en
-motoren met behulp van CAD-techniek. In dit artikel wordt
ingegaan
op de aspecten die hiermee verband houden.
n het eerste deel van dit artikel is ingegaan op enkele algemene aspecten met betrekking tot computer ondersteund ontwerpen. Vervolgens kwamen het ontwerp en optimalisatie van de-tails van pompen en motoren aan de orde. Hierbii werden reeds twee voorbeelden behan-deld. In dit deel wordt het derde voorbeeld behandeld en wordt ingegaan op integraal CAD of ICAD.
Drukverdeling
nauwe spleten
Hydropompen en -motoren bevatten een driedimensio-naal netwerk van nauwe spleten. De drukverdeling bin-nen deze spleten bepalen de krachten die weiken op de onderdelen, die de prestaties van de pomp bepalen. Het balanceren van de mechanische en hydrostatische krachten die op deze onderdelen werken, kan leiden tot vermindering van de lekstroom en tot een verhoogde levensduurverwachting. Om deze reden is het van be-lang om de verdeling van de druk in die nauwe spleten vooraf te kunnen voorspellen. Als de bedriifsdrukken
toenemen, verdient dit aspect van pompontwerp meer belangstelling.
Op het eerste gezicht heeft dit probleem een deprime-rend groot aantal parameters, dat de drukverdeling beih-vloedt:
- de verdeling van de spleethoogte als functie van plaats en tijd;
- de snelheid van de oppervlakken welke de vloeistof omhullen, zowel in de richting van het vlak van de spleet als loodrecht erop.
- de druk en temperatuur binnen de vloeistof, aan de gÍenzen van de spleet, als functie van plaats en tijd; - de warmte-overdracht van en naar de spleet, via de omhullende wanden;
- de viscositeit van de vloeistof, als functie van druk en temperatuur [6];
- de dichtheid van de vloeistof. als functie van de druk en de temperatuur [6];
- de specifieke warmte van de vloeistof, als functie van druk en temperatuur [6];
AÍb. 7. Drukverdeling in een gecombineerde hydrodynamische/hydrostatische la. genng
84
Aíb.8. Drukverdeling in een schijÍklep
A A N D R I J F T E . H N I E K 1 o / 8 9 - oktobeÍ 1 I
)
I t'
t 1 tÀ .
funcr
H(
vr'oI( Íe n€ de ot scbe deze 7,eer gepr meel ter o Het I beur tot v ,,wa: resul den I mak A] afb. neer een I ging flng dyn: het I hydr fote ling ren. D poÍr d e a fabr bere d e h dit I plaa N het t e vInt
D e i tor i wer dier voo ont' hvd teit( E vo\ L - t ren' srij f A A NAls een resultaat van dergeliike berekeningen toont afb.7 dedrukverdeling in de spleet van een gecombi-neerde hydrostatische-hydrodynamische lagerÍng van een tandwielpomp. Zoals werd verwacht, leidt verho-ging van de bilastlng op de iagering tot een verminde-ïniu".t de spleethoogte en een toename van de hydro-dyíamische druk. Boven een bepaalde belasting wordt hlt hydrostatische drukveld een belemmering voor de hydrodynamische drukoPbouw'
Afb. 8 toont de isobaren in de nauwe spleet van een roterende schijfklep. Uit de asymmetrische drukverde-lingbliikt de noodzaak de schiif hydraulisch te balance-Íen.
- gegenereerde kennis betreffende empirische relaties tussen relevante parameters. Hier kunnen we ,,empiri-sche relaties" vinden, gegenereerd door eindige elemen-ten software (FEM), tussen spanning, rek en vorm' Deze relaties kunnen vaak in een ICAD-programma worden geihtegreerd met behulp van eenvoudige anaiytische
N o o " ,
% . u o o u ,
Alb.9. Drukverdeling op de zilplaal van een schottenpomP
Aíb.10. FEM'afboel' ding Yan de rotor van een schottenPomP
De drukverdeling tussen deziiplaatvan een schotten-pomp aan de ene kant en de rotor plus nokkenring aan de andere kant is belangriike informatie voor de pomp-fabrikant. In afb. 9 is het resultaat weergegeven van een berekening. Deze abeelding toont niet het resuitaat van de hydrod-ynamische effecten, veroorzaakt door het niet p.r.il.l ziitvande omhullende wanden De invloed van dit verschilnsel, net als de invioed van de ,,flexibele zii-Plaat", wordt nog onderzocht.
Meer informatie omtrent de gebruikte methoden voor het schriiven van de software voor deze voorbeelden is te vinden in [8] en [9].
Integraal computer aided design
De inÈgrale optimalisering van een hydropomp of -mo-tor ls meer dan de som van computer ondersteund ont-werpen van enkele pompelementen. Veel informatie dient te worden opgenomen in een software pakket vooÍ zogenaamd,,geïntegreerd computer ondersteund ontwerpen" . \íe hebben gestreefd naar de realisatie van een dergelilk ICAD-software pakket voor pompen en hydromotoren sinds we ziin begonnen met onze activi-teiten op het gebied van CAD van pompen.
Een oergetilk ICAD-pakket dient iníormatie van de volgende aard te bevatten:
.- basiskennis omtrent de methoden van ,,dimensione-ren" van machine-elementen met betrekking tot sterkte, stijfheid, levensduur, enzovoorts;
formules in plaats van omslachtige FEM-procedures. De FEM-analyse vanafb.l0 heeft geleid rot eenvoudige maar nauwkeurige analytische formules voor de kriti-sche spanningen en vervormingen van een rotor van een schottenpomp;
- met het reeds beschreven computer ondersteund ontwerpen van pompdetails is het eveneens mogelijk min of meer ,,empirische" relaties tussen deze details van het integrale ontwerp af te leiden:
- pragmatische kennis omtrent assemblageprocedures, spelingen tussen en toleranties van pompelementen; - (soms te veel) beperkende kennis betreffende de stan-daardisatie van lagers, afdichtingen, spieën, assen mer spievertanding, bouten en moeren.
Het samenbrengen van a! deze informatie in een ICAD-programma vraagt kennis van experts. We aarze-len om een dergelijk pakket een ,,expert systeem voor ontwerpen" te noemen, maar een dergelijke benaming zou niet misstaan.
De software instrueert de computer ,,te denken langs lijnen" van een logische en efficiente ontwerpprocedu-re, strevend naar de optimalisatiedoelstelling van de in-tegrale pomp.Veel ,,while... do..." statements zullen meer herhalingsloops uitlokken dan een menselijke ont-werper in staat is uit te voeren.
De minimale uitvoer uit deze optimalisatieprocedure zal een pakket informatie ziin dat de afmetingen van de pomp of motor bevat, ondersteund door een schets en een lijst van kritische spanningen c.q. vervormingen van de pompelementen. Als het ontwerpproces voorrgaat naar een meer geavanceerde fase, kunnen gedetailleerde afmetingen en tekeningen van pompelementen worden gepresenteerd. Dat is het moment waarop ,,computer
Aíb. 1 1. Doorsnede van de radiale kogelmotoÍ, ontworpen met ICAD
86
ondersteund tekenen" gaat beginnen. En uiteindelijk kunnen CAM-gegevens en software worden gegene-reerd.
ICAD speciale hydromotor
'
Afbeeldin-g 11 roonr een voorbeeld van het ICAD-ont- l, werp van een speciale hydromotor, eenzogenaamde ra-i diaIekogelplunjermotor.HetoptimaliSatiedoelwas:
' i ,,bet uinden uan de afmetingen uan een bydromotor i uolgens een bepaald concept, met de beste draaimo-ment/bouwuolumeuerbouding uoor een minimum uer_, eiste leuensduur en een beDaalde maximctm druk. "
Extra eisen waren:
- het theoretisch geleverde draaimoment dient con- 1 stant te ziin als functie van de rotatiehoek van de as; - de Hertze spanningen tussen de kogels en de nok die-l nen te worden geegaliseerd en geminimaliseerd, als i functie van de positie op de nokkenloopbaan. i De standaard onderdelen zoals kogels, lagers, afdich- ) tingen, bouten, schroefdraad, O-ringen, enzovoorts, 1, werden tijdens het optimalisatieproces gekozen uit een , o n d e r d e l e n b i b l i o t h e e k . E e n i n t e r e s s a n t d e t a i l w a s d e optimalisatie van de radiale vervorming van de hydro- ), statisch gecompenseerde cilinderbussen. Deze vervor- 1 ming was van dien aard, dat de afdichting tussen de ko- 1 gel en de bus tweedimensionaal was, in plaats van lineair{ zoals mag worden verwacht van een stijve kogel en een ' stiive bus. De zeer lage lek van dit onrwerp werd beves- ] tigd door lekmetingen aan een kogel en bus. De grootsre, lek- en stromingsverliezen van het prototype van de hy- i dromotor kwamen van de cilindrische schuif. Deze was I in het eerste ontwerp van de hydromotor verwaarloosd. j In een latere fase van het programma is een radiaal geba- i lanceerde klep ontworpen, uiteraard met behulp van de , c o m p u t e r [ 0 ] .
Analyse servoregelaat
,
De moderne toepassing van hydrostatische overbren- I gingen staat niet toe dat het computer ondersteund ont-werp wordt gestopt, zodra de ontwikkeling van de i pomp of hydromotor klaar is. Deze twee componenten ' van hydraulische systemen bieden tegenwoordig ook ', mogelijkheden om regelsignalen binnen te halen in een ; hydrostatische transmissie. De pomp en hydromotor met variabel slagvolume worden zo onderdeel van ge- : avanceerde regelsystemen, met een soms nogal onpret- I tig dynamisch gedrag. Hier wordt de computer opnieuw r een onmisbaar hulpmiddel voor de simulatie en analyse ; van het dvnamisch gedrag van het complete systeem van de machine.
Voor deze simulatie is de bondgraaftechniek een at-tractieve methode gebleken. \7e hebben goede Íesulta-ten verkregen met de bondgraaftechniek in het oncier-wijzen van dynamische analyse. De geroutineerder ,,st- ' mulator" blijkt echter de conventionele methode te pre-. fereren om zijn antwoorden te vinden, vooral als hij te maken heeft met niet-lineaire systemen. Ve volgen de o n t v / i k k e l i n g e n o p d i t g e b i e d n o g a l v a n d i c h t b i j d o o r het gebruik van beide benaderingen re bevorderen.
Naar onze mening dienen de regelingen te worden
o U n Y e d I d v i, s c c il
\,
Sr
I
/
\
a k i(
(
l A A N D R I J F T E C H N I E K 1 0 , 8 9 - OKtObET I)
..
ti
i.
)
. ^ \
Iontworpen in nauwe relatie tot hun toekomstige slaven: de pompen en hydromotoren. Het dynamisch gedrag urn ..opornp of hydromotor met een variabel slagvolu-me, aangesloten op een hydraulisch systeem, wordt be-oaald door:
- de impedantie van het hydraulisch systeem; - het concept en de vorm van de regeling;
- het concept en de vorm van de verdringingseenheid, aatgeziende interne krachten van deze eenheid werken als een variabele belasting op de regelelementen'
De interne krachten van de pomp en/of motor ziin een functie van de momentane waarden van de bedriifs-druk en van het momentane debiet'
Afbeelding l2 toont schematisch een voorbeeld van een dergelijke combinatie van een pomp met zif n regel-componenten. Dit systeem kan worden beschreven met l2 vèrschillende vergelif kingen, waarvan er twee min-der relevant blilken te ziin' Deze vergelilkingen beschrij-ven de relaties tussen ongeveer 32 grootheden zoals: verplaatsingen, snelheden, versnellingen, hydraulische weárstanden, hydraulische capaciteiten, hydraulische inductanties, veeLconstanten, massa's, krachten, lek-stroom, enzovoorts. Het systeem dient stabiel te ziin' wat betekent dat de respons op een stapvormige veran-dering in de instelling van de weerstand in de afvoerlei-ding van de pomp een drukverandering is, die uitdempt in de tif d, zoals getoond in afb. 13. Door verandering van de ontwerpparameters kan de gevoeligheid van het systeem worden onderzocht ten opzichte van verande-ringen in het ontwerp. Enkele verandeverande-ringen leiden tot een instabiel systeem, met een respons zoals weergege-ven ir-t :tflr. I -r.
Negatieve kanten
/.e kcr nict ltllc :tspecten van computer ondersteund ont-u,erpen zijn begerenswaardig of positief te noemen Ten eerste lijken de kosten van de computerapparatuur nog-al hoog. Deze kosten dienen echter te worden vergele-ken met de totale kosten voor een hoog gekwalificeerde ingenieur. Vervolgens dient anders te worden gedacht over de benadering van het ontwerpen van Pompen' Verder zullen er veel teleurstellingen ontstaan vanwege de vele ,,witte vlekken" die er bliiken te bestaan in de kennis van details van produkte, die al vele iaren
wor-AÍb.12. Schema van de regeling van een schottenpomp met variabel slagvolume den gefabriceerd. Het ,,invullen" van deze witte vlekken (die soms de grootte hebben van een compleet veld en dus veel groter ziin dan een viekie) vergt tiid, omdat daartoe soms laboratoriumproeven moeten worden uit-gevoerd. Dit leidt tot de indruk dat CAD een ontwerp-methode is met een lange aanlooptiid. Dit leidt tot de kritiek, dat de conventionele methode van ontwerpen sneller een nieuwe pomp oplevert. De vraag blif ft alleen of deze ,,snel ontworpen" pomp slechts een pomp is, of een betere pomp, of een optimale pomp.
Literatuuf
[6] vitt, K., Die Berechnung physikalischer und thermodvn2mischer Kenn-wèrte von Druckflrissigkeiten, sowie die Bestimmung des Gesemtwirkungs-grades unter Benicksichtigung der Thermod-vnamik fÈÍ die Druckfltissigkeit' Dissertatie TU Eindhoven, 1974.
I7l Pinkus, O. en B. Sternlightr Theory of hvdrod] nf,mic lubric2tion Mc-iliaw-Hill Book Company lnc.' 1961.
Í81 \Vaterstraat, A.: Das instationàr belastete Gleitlager endljcheÍ Breite Dis-À e i t a t i e T u H a n n o v e r , 1 9 8 1 .
t9l Smith, G.D.: NumeÍical solution of partial diffcrcntial equations, finite dif ieience methods. Clarendon Press, Oxford, I 97ii
[10] Smits,J.: De radiale kogelmotoÍ lntern.rapport TU Eindhoven, juli 1942.
w. M. J. Schlósser is professor in de Aandriiftechniek aan de Technische Uni versiteit Eindhoven.
J. L. L. Hessels enJ. H. A. ven Rooii ziin medewerkers van Hessels en Van Rooij EngineeÍing in Valkenswzard.
tie-)
) - {
:airj
' s - I- " Í
S t e l ry-AS sd )a-:n )t-uw s e h- 1t-:ng tsgs 2os8 25OA 3A66 35gO 4AOO 4560 5Ag9 T i .jd tmGëJ D R U K - GEDEiPTE UIÍVOERING 5 A g t g a a 1 5 a g ? o a g 2 5 A O 3 B Ê O 3 5 A 9 4 A A S 4 5 g B T i J c C m s . c l ! R U K . ONGEDENTE UITVOÊRING
' Alb. 1 3, Dynamisch gedrag van een stabiele pompregeling > b e r - 1
A A N n R T . T F T E o H N T E K 1 0 / 8 9 - oktober
AAAA/\AAÀI
AÍb.14. Dynamisch gedrag van een instabiele pomptegeling
