Modellanpassung gekoppelter hydraulisch-mechanischer Systeme

Dieses Projekt handelt von Modellen hydraulischer Antriebssysteme, wie sie in Baumaschinen, Landmaschinen, Werkzeugmaschinen, Stahlwerken, Bohrinseln oder Fahrantrieben auftreten. Solche Systeme bestehen aus hydraulischen und mechanischen Teilen, die untereinander gekoppelt sind; für eine Vorhersage von Druckpulsationen und mechanischen Schwingungen werden genaue gekoppelte hydraulisch-mechanische Modelle benötigt. Dieses Projekt soll zeigen, wie Experimente helfen können, dynamische Modelle gekoppelter hydraulisch-mechanischer Systeme zu verbessern. Obwohl versucht wurde, die mechanischen Schwingungen flüssigkeitsgefüllter Rohrleitungen zu berechnen, stimmten die Ergebnisse in manchen Fällen nicht mit Messungen überein. Andererseits enthalten die entsprechenden Modelle Parameter, die nicht genau bekannt sind. Es ist offensichtlich zu fragen, wie Parameter gefunden werden können, um eine optimale Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment zu erreichen; dies ist das Ziel der Modellanpassung. Experimentelle Daten für die Modellanpassung sollen durch Versuche bereitgestellt werden, bei denen das gekoppelte hydraulisch-mechanische System durch eine hydraulische oder mechanische Vorrichtung angeregt wird, wie etwa durch ein Ventil oder einen Modalhammer. Druckpulsationen und mechanische Schwingungen werden gemessen, das Übertragungsverhalten im Frequenzbereich wird berechnet, und Resonanzfrequenzen werden identifiziert; gekoppelte Schwingungsformen wer- den durch Modalanalyse ermittelt. Resonanzfrequenzen und Schwingungsformen werden auch über theoretische Modelle berechnet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Unter Verwendung der Empfindlichkeiten theoretischer Modelle bezüglich Parameteränderungen sollen optimale Para- meterwerte durch Minimierung des Fehlers zwischen theoretischen und experimentellen Resonanz- frequenzen, Schwingungsformen und anderen dynamischen Eigenschaften gefunden werden. Wenn nötig, werden die Modellstrukturen erweitert, um passendere Systembeschreibungen zu erhalten. Obwohl die Modellanpassung für mechanische Systeme entwickelt wurde und in der Struktur- dynamik häufig angewendet wird, ist das Konzept für hydraulische und gekoppelte hydraulisch- mechanische Systeme neu. Zwei Fallstudien sollen den Vorgang der Modellanpassung zeigen. Die erste Fallstudie behandelt die Drehschwingungen eines Pumpenantriebsstrangs in Kombination mit den Druckpulsationen eines angeschlossenen Hydrauliksystems. Die zweite Fallstudie untersucht die Fluid-Struktur-Wechselwirkung in hydraulischen Rohrleitungssystemen; durch eine Erweiterung der Modellstruktur und anschließende Modellanpassung werden erfolgreiche Vorhersagen erwartet, wo Modelle in der Vergangenheit versagt haben.

In diesem Projekt wurden drei verschiedene Experimente mit gekoppelten hydraulisch-mechanischen Systemen ausgeführt. In jedem Fall wurde das dynamische Verhalten des Systems einem Frequenzbereich bis zu mehreren Hundert Hertz modelliert. Viele Parameter dieser Modelle waren vorab unbekannt und sollten aus Messungen identifiziert werden. Im ersten Experiment waren vier hydraulische Kammern durch kurze Leitungen verbunden und mit einem mechanischen Zweimassenschwinger gekoppelt, der auf dem nachgiebigen Deckel einer Kammer befestigt war. Hydraulische und mechanische Anregung konnten über ein Servoventil und einen Impulshammer realisiert werden. Druck- und Beschleunigungsantworten wurden gemessen. Der Zweck dieser Anordnung war rein wissenschaftlich, sie wurde eine "Forschungsmaschine" genannt. Das grundlegende dynamische Modell war offensichtlich und der mechanische Teil konnte abmontiert werden, um eine getrennte Identifikation des rein hydraulischen Systems zu ermöglichen. Nach mäßigen Ergebnissen mit einer ersten Optimierungsstrategie und einigen die Dämpfung betreffenden Modellerweiterungen wurde eine erfolgreiche Optimierungsstrategie in zwei Schritten implementiert. Diese Strategie lieferte physikalisch sinnvolle Werte für alle identifizierten Parameter und führte zu einer exzellenten Übereinstimmung zwischen Rechen- und Messergebnissen, die bezüglich physikalischer Änderungen der Anordnung robust war. Das zweite Experiment behandelte die Torsionsschwingungen eines Pumpenantriebsstrangs in Kombination mit den Druckpulsationen eines angeschlossenen Hydrauliksystems. Mit einem einfachen Modell wurde ein Tilgereffekt für Druckpulsationen vorhergesagt, der durch Messungen bestätigt werden konnte. Dieses Experiment führte zu einer entsprechenden Patentanmeldung. Im dritten Experiment wurde eine L-förmige ölgefüllte Leitung untersucht. An einem Ende der Leitung befand sich ein Speicher, und die gesamte Anordnung war elastisch aufgehängt. Nach Füllen und Aufbringen von Druck wurde die Leitung von der Versorgung getrennt. Sie wurde durch Schläge mit dem Impulshammer an verschiedenen Stellen in mehreren Richtungen angeregt, während Drücke, Beschleunigungen und Dehnungen gemessen wurden. Die Parameteridentifikation erfolgte mit der zwei-Schritt-Optimierungsstrategie aus dem ersten Experiment, was durch die hohe Anzahl an mechanischen Resonanzen verkompliziert wurde. Dennoch wurde eine passable Übereinstimmung zwischen Rechen- und Messergebnissen erreicht. Insgesamt konnte das Projekt einen Weg zu genauen dynamischen Modellen hydraulischer Antriebssysteme aufzeigen. Solche Modelle werden für die Analyse des Energieverbrauchs benötigt, die ein notwendiger Beitrag zur Entwicklung energieeffizienter hydraulischer Systeme sein wird.