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Entwicklung eines Pumpenprüfstands. Produktentwicklung nach VDI 2221

Bachelorarbeit 2012 59 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Leseprobe

Inhalt

Vorwort

1 Aufgabenbeschreibung

2 Grundlagen
2.1 Pumpentechnik
2.1.1 Die Flügelzellenpumpe
2.1.2 Die Flügelzellenpumpe Niehüser NP-800
2.2 Strömungsmechanik
2.2.1 Der Druck und Eigenschaften von Drücken
2.2.2 Strömungsformen
2.2.3 Energieerhaltung in inkompressiblen Fluidsystemen

3 Produktentwicklungszyklus
3.1 Planungsphase
3.1.1 Analyse der Umfeldsituation
3.1.2 Finden und Auswählen von Produktideen
3.1.3 Formulieren eines Produktvorschlags
3.1.4 Klären der Aufgabe
3.1.5 Erstellung der Anforderungsliste
3.2 Konzeptionsphase
3.2.1 Abstrahieren der Aufgabenstellung
3.2.2 Zerlegung der Gesamtfunktionen in Teilfunktion
3.2.3 Suche nach Wirkprinzipien zum Erfüllen der Teilfunktionen
3.2.4 Bewerten der Lösungen nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten
3.3 Entwurfsphase
3.3.1 Entwickeln der Baustruktur
3.3.2 Endgültiges Gestalten der Baustruktur
3.4 Ausarbeitungsphase

4 Produktbeschreibung
4.1 Beschreibung der Hauptfunktion
4.2 Beschreibung des Antriebsstrangs
4.3 Beschreibung der Regeleinrichtung
4.4 Beschreibung der Messtechnik
4.5 Beschreibung der Steuerungstechnologie

5 Weiterentwicklungen
5.1 Prüfstand mit automatisierter Pumpenaufnahme

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anhang

Vorwort

Die Ihnen vorliegende Arbeit beschreibt den Produktentwicklungszyklus eines Prüfstands für Flügelzellenpumpen. Ziel ist die Entwicklung eines Prüfstands zur automatisierten Ermittlung einer Pumpenkennlinie.

Die Arbeit wurde nach den Vorgaben der Fachhochschule Südwestfalen, Abteilung Soest, erstellt und dient der Graduierung zum Bachelor of Engineering. Die Ausrichtung dieser Arbeit liegt schwerpunktmäßig in der Produktentwicklung und fügt sich in die Lehrinhalte des Studiengangs Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Konstruktionstechnik ein.

1 Aufgabenbeschreibung

Die Aufgabe ist die Entwicklung und Fertigung eines automatisierten Pumpenprüfstands für Flügelzellenpumpen vom Typ Niehüser NP-8001. Die Pumpe wird in Heizöltankfahrzeugen eingesetzt, um einen Transport vom Depot zum Kunden zu ermöglichen. Diese Pumpe besitzt folgende technische Daten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die oben genannte Pumpe besitzt verschiedene Betriebszustände, die in folgender Aufzählung erläutert werden.

- Abgabe mit Pumpe aus Motorwagen oder Anhänger
- Selbstbefüllung des Motorwagens aus Anhänger oder Fremdfahrzeug
- Schwerkraftabgabe aus Motorwagen oder Anhänger

Der Prüfstand soll möglichst universell einsetzbar sein.

Dies bedeutet:

- Fertigungsprüfungen mit elektronischer Messwerterfassung.
- Dauerprüfungen.
- Variable Pumpenfixierung
- Variable Anschlussleitungen

Als Antrieb soll ein drehzahlregelbarer Elektromotor eingesetzt werden.

- Drehzahlbereich 0 bis ca. 2000 min-1
- Antriebsleistung nach Bedarf
- Alternativ Hydraulikmotor

Aufgrund der zu erwartenden Geräuschentwicklung soll der Prüfstand in einem separaten Raum aufgestellt und in einen vorhandenen Durchflussprüfstand integriert werden. Ziel ist es die Fertigungsprüfungen von Pumpen automatisch durchzuführen. Das Anschließen der Pumpe sowie das Entlüften der Pumpe mit dem Prüfmedium Heizöl und die anschließende Dichtigkeitskontrolle erfolgen manuell.

Das Anfahren vorher definierter Messpunkte mit Aufzeichnung der Messwerte soll über eine speicherprogrammierbare Steuerung „Siemens Simatic S7“ erfolgen. Um unterschiedliche Staudrücke bei vorgegebener Drehzahl anfahren zu können, muss der Volumenstrom in geeigneter Weise gedrosselt werden. Als Messeinrichtung soll ein vorhandener Durchflusszähler2 verwendet werden. Da dieser Durchflusszähler über ein mechanisches Zählwerk älteren Baujahres verfügt, ist die Möglichkeit einer Umrüstung auf einen Impulsgeber zu prüfen und gegebenenfalls durchzuführen. Ein Erhalt der alten Anzeige ist wünschenswert. Die entstandenen Messdaten sollen geeignet automatisiert gespeichert werden, um bei Bedarf ausgegeben werden zu können.

2 Grundlagen

In diesem Kapitel werden die physikalischen und technischen Grundlagen, die zur Prüfung der Pumpe erforderlich sind, erläutert. Es werden die physikalischen Zusammenhänge der Fluidmechanik sowie die konstruktiven Merkmale der Flügelzellenpumpe behandelt. Das grundsätzliche Vorgehen zur Produktentwicklung wird im Kapitel drei weiterführend erläutert.

2.1 Pumpentechnik

Pumpen gehören zur Baureihe der hydrostatischen Getriebe und werden laut Fachterminologie in die Gruppe der Verdrängermaschinen eingeteilt. Diese Begrifflichkeit lässt bereits erste Schlüsse über das Wirkprinzip solch einer Maschine zu. Sie arbeitet nach dem Prinzip der Verdrängung. In der Technik haben sich zwei charakteristische Verdrängungsprinzipien im Pumpenbau durchgesetzt. Zum einen sind dies die Maschinen, welche nach dem Umlaufverdrängerprinzip und solche, die nach dem Hubverdrängerprinzip arbeiten. Aus diesen beiden Verdrängungsprinzipien haben sich diverse Bauarten für verschiedenste Anwendungen entwickelt. Eine Übersicht über die verschiedenen Bauarten liefert die Abbildung 2-1 Bauarten von Verdrängermaschinen.

Das Wirkprinzip beruht, wie bereits oben erwähnt, auf dem Verdrängungsprinzip. Dieses Wirkprinzip läuft wie folgt bei allen Verdrängermaschinen identisch ab:

1.Das Fluid tritt zulaufseitig in einen sich vergrößernden Verdrängungsraum ein.
2.Der Raum schließt sich.
3.Der Raum wird mit der Ablaufseite verbunden.
4.Der Verdrängungsraum verkleinert sich, und dadurch wird das Fluid ausgeschoben.

Die Veränderung des Volumens des Verdrängerraums geschieht durch Drehen der Maschinenwelle. Die Volumenänderung ist bedingt durch die Größe und die Form des Verdrängerraums sowie durch die volumenändernde Kinematik der Bauteile. Hierbei ergibt sich wiederum ein bauartbedingter Unterschied zwischen Umlaufverdrängermaschinen und Hubverdrängermaschinen.

Umlaufverdrängermaschinen, wie z.B. die Flügelzellenpumpe, fördern mittels zellenförmiger Verdrängerräume, deren Volumen sich durch die geometrische Gestaltung und die zyklische Änderung ergibt. Dieses Verhalten wird in der Abbildung 2-1 verdeutlicht. Im Gegensatz hierzu ändert sich das Verdrängerraumvolumen bei Hubverdrängermaschinen durch die Hin- und Herbewegung eines Kolbens in einem Zylinder. Aufgrund der inneren Strömungsumkehr benötigten die Hubverdrängermaschinen eine Ventilsteuerung zwischen Verdrängungsraum und Zu- und Ablauf.

Die Abdichtung von Verdrängermaschinen stellt eine Besonderheit dar. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Bauteile schnell gegeneinander verschieben, ist es nicht möglich diese mit einer elastomeren Dichtung abzudichten. In Verdrängermaschinen geschieht die Abdichtung durch Spalte und ggf. durch metallische oder keramische Dichtung. Die Güte der Dichtung wird über den Spalt bestimmt. Ist dieser möglichst eng, ergibt sich hierdurch eine geringe Verlustleistung. Ein Problem ist die Aufweitung der Spalte im Betrieb durch Druckbeaufschlagung. Weitet sich ein Spalt, führt dies zu unsymmetrischen Belastungen der Pumpe, was unter Umständen zum Klemmen führen kann.

(In Anlehnung an: Feldhusen, K. H. (2007). Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 22. Auflage. Berlin: Springer. S. 601 ff.)

Abbildung 2-1 Bauarten von Verdrängermaschinen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Feldhusen, K. H. (2007). Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 22. Auflage. Berlin: Springer. S. 602)

2.1.1 Die Flügelzellenpumpe

Wie im Abschnitt 24.1 Pumpentechnik bereits erwähnt, handelt es sich bei der Flügelzellenpumpe um eine Umlaufverdrängermaschine. Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Bauarten der Flügelzellenpumpen entwickelt.

Diese Bauarten sind:

- Unterscheidung nach dem Verdrängungsvolumen:
- Flügelzellenpumpen mit konstantem Verdrängungsvolumen
- Flügelzellenpumpen mit veränderlichem Verdrängungsvolumen

- Unterscheidung nach der Beaufschlagung
- innenbeaufschlagt
- außenbeaufschlagt

Da es sich bei der Niehüser NP-800 um eine außenbeaufschlagte, einhubige Flügelzellenpumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen handelt, werden die anderen Bauformen dieser Pumpenart in dieser Arbeit nicht weiter behandelt. An dieser Stelle sei auf folgende weiterführende Literatur zum Thema Flügelzellenpumpen hingewiesen: Bauer, G. (2009). Ölhydraulik 9. Auflage. Wiesbaden: Vieweg Teubner.

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Niehüser NP-800 um eine einhubige Flügelzellenpumpe, mit deren Charakteristik wir uns nun befassen.

Die Abbildung 2-2 zeigt den Aufbau und die Funktion einer einhubigen Flügelzellenpumpe.

Abbildung 2-2 Prinzipskizze einhubige Flügelzellenpumpe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Bauer, G. (2009). Ölhydraulik 9. Auflage. Wiesbaden: Vieweg Teubner. S 86)

Durch Drehung des exzentrisch gelagerten Rotors (1), in dessen radialen Schlitzen die verschiebbaren Flügel (3) angeordnet sind, ändern sich die Verdrängerräume. Diese Verdrängerräume werden als Zellen bezeichnet und sind begrenzt durch die Flügel (3), den Stator (2) sowie durch den exzentrisch gelagerten Rotor (1). Bei der Drehung des Rotors (1) kommt es, bedingt durch dessen Exzentrizität, zum Stator (2), zu einer Volumenvergrößerung und Flüssigkeitsaufnahme auf der Einlaufseite. Dem gegenüber steht eine Volumenabnahme und somit eine Flüssigkeitsabgabe auf der Druckseite. (In Anlehnung an: Feldhusen, K. H. (2007). Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 22. Auflage. Berlin: Springer. S. 601 ff.)

Das geometrische Fördervolumen dieses Pumpentyps lässt sich aus dem Volumenunterschied zwischen Zelle A und Zelle B berechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(In Anlehnung an: Bauer, G. (2009). Ölhydraulik 9. Auflage. Wiesbaden: Vieweg Teubner. S.86 ff)

Passt man das Maß der Exzentrizität zwischen Rotor (1) und Stator (2) an, so erhält man eine Pumpe mit einem anderen Fördervolumen. Dieser Umstand brachte eine weitere Entwicklung hervor, die Flügelzellenpumpe mit veränderlichem Verdrängervolumen. Ein Beispiel für diesen Pumpentyp ist in der Abbildung 2-3 dargestellt.

Abbildung 2-3 Flügelzellenpumpe mit Null hub-Druckregler (Bosch Rexroth)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Feldhusen, K. H. (2007). Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 22. Auflage. Berlin: Springer. S. 604)

Bei dieser Bauart lässt sich das Maß der Exzentrizität über eine Stellschraube (3) verändern. Diese Stellschraube (3) passt die Stellung des so genannten Hubrings (1) an, der den Stator darstellt. Somit ist es möglich das Verdrängervolumen und damit die Förderleistung bedarfsgerecht anzupassen.

2.1.2 Die Flügelzellenpumpe Niehüser NP-800

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der zu prüfenden Pumpe um eine einhubige, außenbeaufschlagte Flügelzellenpumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen. Die Pumpe besitzt mehrere Abgabefunktionen, die mittels eines pneumatisch betätigten 3/2 Wegeventil gesteuert werden. Dieses Wegeventil betätigt einen Schieber im Inneren der Pumpe, welcher die Druck- und Saugseite mit den verschiedenen Pumpenanschlüssen verbindet oder verschließt. Dadurch sind folgende Funktionen möglich:

Abbildung 2-4 Funktionsdarstellung Niehüser NP-800

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Datenblatt NP-800 Niehüser Armaturenbau und Vertriebs GmbH)

Die Abmessungen und die Kennzeichnung der Anschlüsse der Pumpe werden in Abbildung 2-5 dargestellt.

Abbildung 2-5 Abmessungen Niehüser NP-800

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Datenblatt NP-800 Niehüser Armaturenbau und Vertriebs GmbH)

2.2 Strömungsmechanik

Im Abschnitt 2.1 wurden die relevanten Grundlagen der Pumpentechnik erläutert. Um eine Anwendung dieser Technik zu gewährleisten, ist es notwendig einige strömungsmechanische Grundbegriffe einzuführen. Es ist notwendig, sich im Kontext der Prüfung von Pumpen mit einigen Begrifflichkeiten und physikalischen respektive strömungsmechanischen Prinzipien vertraut zu machen, um im Nachgang eine qualitative Kennlinie der Pumpe, laut Aufgabenstellung, zu erstellen. Diese sind:

- der Druck und Eigenschaften von Drücken
- Strömungsformen
- Energieerhaltung in inkompressiblen Fluidsystemen

Wie aus der Aufstellung zu entnehmen, werden in den folgenden Abschnitten die wesentlichen Gesetzmäßigkeit logisch aufbauend erläutert.

2.2.1 Der Druck und Eigenschaften von Drücken

In diesem Abschnitt wird der Begriff des Druckes definiert und seine Eigenschaften auf die Fluidmechanik übertragen. Dies ist notwendig um die Strömung in der Verrohrung und der Strömung in der Pumpe des Prüfstandes erfassen zu können. Zudem ist der Druck ein zentraler Einflussfaktor auf die Pumpenkennlinie.

Prinzipiell versteht man unter einem statischen Druck den Betrag eines auf einer Fläche normal stehenden Kraftvektors ܨ je Flächeneinheit A. Somit ergibt sich für den Druck die

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es gilt aus dem Zusammenhang zwischen Fläche und Kraftvektor:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es drängt sich nun die Fragestellung auf, wie sich der Druck in Fluiden verhält.

In strömenden Fluiden setzt sich der Druck aus zwei Druckanteilen zusammen. Diese Druckanteile sind der hydrostatische Druck ௧௧und der hydrodynamische Druck Diese beiden Druckanteile kumulieren sich zum Gesamtdruck Es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.1.1 Hydrostatischer Druck

Der hydrostatische Druck ௧௧nimmt mit steigender Flüssigkeitssäule linear zu.

Die folgende Abbildung 2-6 verdeutlicht die Wirkungsweise des Drucks auf eine ruhende Flüssigkeit.

Abbildung 2-6 Wirkprinzip hydrostatischer Druck

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: http://www.mp.haw-hamburg.de/pers/Gheorghiu/Vorlesungen/TTS/Skript/1.3/TTS_1.3-Dateien/Schweredruck.jpg abgerufen am 26.05.2011)

Es gilt folgendes Kräftegleichgewicht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(In Anlehnung an: Prof. Dr. Ing. Stumpe, M. (2008). Strömungslehre Vorlesungsmanuskript. Soest: FH SWF, S.31 ff.)

2.2.1.2 Hydrodynamischer Druck

Im Gegensatz zum hydrostatischen Druck verändert sich der hydrodynamische Druck mit der kinetischen Energie des Fluides. Er ist definiert als die Oberflächendruckänderung gegenüber dem hydrostatischen Druck. Diese Eigenschaft findet sich im Energieerhaltungssatz nach Bernoulli wieder. Da im weiteren Verlauf dieser Arbeit noch auf dieses Thema eingegangen wird, wird auf die Herleitung der Gesetzmäßigkeiten des hydrodynamischen Drucks an dieser Stelle verzichtet.

Für den hydrodynamischen Druck gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Gleichung 2.9 ist ersichtlich, dass der hydrodynamische Druck mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ansteigt. Dieses Phänomen resultiert aus dem Energieerhaltungssatz, auf den im Abschnitt 2.2.4, Energieerhaltung in inkompressiblen Fluidsystemen, eingegangen wird.

(In Anlehnung an: Prof. Dr. Ing. Stumpe, M. (2008). Strömungslehre Vorlesungsmanuskript. Soest: FH SWF, S.78 ff.)

2.2.2 Strömungsformen

In der Strömungslehre unterscheidet man zwei grundsätzliche Strömungsformen. Diese sind:

- Die stationäre Strömung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Strömungsgeschwindigkeit ist zeitunabhängig

 Die instationäre Strömung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Strömung ist abhängig von der Zeit

Gehen wir davon aus, dass während der Prüfung der Pumpe eine Systemänderung vollzogen wird, so ist die Strömung instationär. Das heißt, öffnet man während der Prüfung ein Ventil, so ändern sich der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund der Tatsache, dass die instationäre Strömung eine wesentlich komplexere Berechnung erfordert, wird der Versuch unternommen, das geänderte Prüfstandsystem erst dann messtechnisch zu erfassen, wenn sich die physikalischen Größen auf einen Wert eingependelt haben. Durch diesen Umstand wird die Strömung im zu behandelnden System stationär, und es gelten die einfacher zu behandelnden stationären Kontinuitätsgleichungen.

Bislang wurde das System Pumpenprüfstand als ideales reibungsfreies fluidmechanisches System betrachtet. Diese Betrachtungsweise ist ausreichend für eine erste Näherung an die theoretische Betrachtung der zu erwartenden Drücke und Volumenströme. Da aber jedes System reibungsbehaftet ist, wird es erforderlich sein die Reibungsverluste in die Berechnung einfließen zu lassen. Hierbei ist es erforderlich eine weitere Unterscheidung der Strömungsform zu vollziehen. Man unterscheidet nach der Art des Strömungsverhaltens bezüglich des inneren Zustands.

(In Anlehnung an: Bauer, G. (2009). Ölhydraulik 9. Auflage. Wiesbaden: Vieweg Teubner. S. 43 ff.)

[...]


1 Vorläufige interne Bezeichnung

2 In diesem Fall ein Ovalradzähler

Details

Seiten
59
Jahr
2012
ISBN (eBook)
9783656943822
ISBN (Buch)
9783656943839
Dateigröße
2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v296236
Institution / Hochschule
Fachhochschule Südwestfalen; Abteilung Soest – Maschinenbau und Automatisierungstechnik
Note
1,0
Schlagworte
Pumpenprüfstand Produktenwicklung VDI 2221 planen konzipieren entwerfen ausarbeiten

Autor

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Titel: Entwicklung eines Pumpenprüfstands. Produktentwicklung nach VDI 2221