Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte Dissertation von Gregor Gaida

Absperrklappen Erstes bekanntes Absperrorgan der Welt bereits im alten Ägypten bekannt.

Weichdichtende Klappen Dichtung aus Elastomer Bis 16 bar Umsatz in D: 1-2 Mrd. DM extremer Preiskampf.

Automatisierung Anteil automatisierter Klappen mittlerweile ca. 50% Antriebswert höher als Klappenwert Paketpreis hängt vom Betätigungsmoment ab.

5.Ziel: Drehmomentoptimierung Forderungen: Keine Einbußen bei der Dichtigkeit Keine Herstellkostenerhöhung Keine Änderung der chemischen Struktur des Elastomers Keine Verschleißerhöhung.

Konstruktive Möglichkeiten Härte des Elastomers Dicke des Elastomers Eindringtiefe der Scheibe in den Elastomer Außenkontur der Scheibe Breite der Scheibenkante.

Elastomere und Scheiben EPDM 60°, 70°, 80° Shore Härte A Elastomerdicken: 2, 4, 6 mm Scheibenkonturen mit Radius und Fase.

Messung der s/e Kurve

Messung Dichtigkeit / Eindringtiefe

10.Drehmomentprüfstand .

Ergebnisse der Experimente Kraft, bzw. Drehmoment = Funktion des „verdrängten“ Volumens Härte des Elastomers / Dicke des Elastomers Kurvenscharen bei jeder Kombination ähnlich.

FEM - Modell Drehmoment Mooney - Rivlin 2. Ordnung Kontaktberechnung, Reibwert m = 1

FEM - Berechnung Inkrement 80 und History Plot

Vergleich FEM / Experiment

15.Vergleich FEM / Experiment

KLAPPENAUSLEGUNG Betriebsdruck 16 bar DN 200

Toleranzen Gehäuseinnendurchmesser Gehäuserundlauf (Auswahl) Gehäuseinnendurchmesser Gehäuserundlauf Scheibenaußendurchmesser Scheibenrundlauf Elastomerinnendurchmesser Elastomerrundlauf S = 0,73 mm.

Wahrscheinlichkeitsbetrachtung Jedes Teil mit zulässigem Ausschuß von 1 % Annahme, daß jede Toleranz gleich oft zum Ausschuß führt Beispiel Elastomerdicke: Verteilung der Teile

Toleranzverteilung Summe aller Toleranzen mit der jeweiligen Wahrscheinlichkeit Streuung der Eindringtiefe um den Nennwert

20.Streuung der Eindringtiefe Funktion = Betrag der Streuung integriert

Streuung der Eindringtiefe 99,5% Zuläßiger Ausschuß aller Klappen = 0,5 % 0,175mm

Festlegung Elastomerdicke Gesamtstreuung beträgt: +/- 0,175 mm Toleranz der Eindringtiefe: + 0,35 mm Elastomerdicke 6 mm.

Scheibenkontur Bearbeitung Polieren Empfindlichkeit auf Beschädigung Scheibe: 0,8 F 45°.

Dichtigkeitswerte

25.Mindesteindringtiefe 80° Shore = 0,325 mm 25.Mindesteindringtiefe 70° Shore = 0,594 mm 17,6 bar 0,325 mm 0,594 mm

Empfindlichkeit 0,143 mm Toleranz: + 0,350 mm Schnittpunkt bei Härte Drehmoment (Nm) Min. Max. 80°Sh. 14,43 29,35 70°Sh. 17,13 25,67 Schnittpunkt bei 0,143 mm 0,143

Optimale Kombination Integral über die Serienstreuung der Eindringtiefe: Alternativen: Aussortieren (bedingt 100% Prüfung) Unempfindliche Kombination

Anwendung in der Serie Jeweils ca. 6500 Klappen geprüft (Jahresproduktion) Vor der Optimierung 20% der Klappen über dem zulässigen Wert Nach der Optimierung 3% der Klappen über dem zulässigen Wert G.GAIDA

Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte Dissertation von Gregor Gaida ENDE

Moderne Klappen von DN 5 bis DN 4000 mm bis 400 bar Betriebsdruck von -196°C bis 950°C

ELASTOMER Stark nichtlinear inkompressibel viskoelastisch Zeit- und Temperaturabhängigkeit

Materialmodelle Elastomer Mooney - Rivlin Yeoh Valanis Landell Ogden´s Theorie Gauss Theorie (von Kuhn).

FEM - Modell für Einpressung Prüfung des Materialgesetzes Vergleich mit experimenteller Einpressung.

Modellbildung mit FEM Starre Scheibe Feste Gummieinspannung Geometrisch nichtlinear Material nichtlinear IDEAS : modified Newton Raphson MARC : full Newton Raphson

Gewähltes Materialgesetz Mooney - Rivlin 2. Ordnung Empirisch ermittelte s-e Werte bis 80% Dehnung wurden benutzt Geometrisch nichtlinear Material nichtlinear Newton Raphson Verfahren

Vergleich FEM / Experiment Berechnung der Kraft / Weg Kurve mit FEM Messung der Kraft / Weg Kurve mit Hilfe der Meßmaschine.

Vergleich FEM und Experiment

Elastomer: 70° Shore EPDM 6 mm stark Messungen Elastomer: 70° Shore EPDM 6 mm stark

Werteerfassung DMS Drehmomentaufnehmer Wheatstone Auswertung Drehwinkelaufnehmer 16 bit A/D Wandler PC - Auswertung Schleppzeigerfunktion

Elastomerreibung Abhängigkeit von folgenden Parametern: Temperatur Gleitgeschwindigkeit Größe der Berührungsfläche Aufbau des Elastomers Einwirkungsdauer

Reibwert für FEM Unter den Versuchsbedingungen unabhängig von folgenden Parametern: Gleitgeschwindigkeit Elastomerrauheit Metallrauheit Temperatur Flächenpressung Der Reibwert gem. Coulomb´scher Reibgesetze m = 1.

FEM Berechnung Inkrement 10 und 40 von 160

Flußdiagramm Betriebsdruck Toleranzen Ausschußbetrachtung Scheibenkontur Breite der Scheibenaußenkante Mögliche Elastomerdicke und Härte Empfindlichkeit auf Fertigungstoleranzen OPTIMUM

Drehmomentkurven Bildung polynomischer Funktionen: Drehmoment = f( Eindringtiefe v) Dr( 80° Shore) = 7,99v3 - 10,79v2 + 47,18v - 0,03 Dr(70° Shore) = 11,29v3 - 21,61v2 + 37,25v + 0,26 Ableitung: D‘rN( 80° Shore) = 23,97 vs 2 - 21,58 vs + 47,18 D‘rN(70° Shore) = 33,87 vs 2 - 43,22 vs + 37,25 Im untersuchten Bereich gilt: Steigung 80° Shore > Steigung 70° Shore

Komplettklappen - Versuch Drehmoment (Nm) Identischer Außendurchmesser der Scheiben 8 verschiedene Konturen Jedes Gehäuse mit jeder Scheibe Ohne negativen Einfluß auf Dichtigkeit.

Verteilung Bildung der Differenzfunktion DDr Nullpunkt bei 0,143 mm

DD = Druck / Drehmoment