Dissertation EzElDin

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    28-Nov-2014

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Technisch-Naturwissenschaftliche Fakultt

Investigations on Fast Hydraulic Accumulators for Hydraulic Switching ControlDISSERTATIONzur Erlangung des akademischen Grades

Doktor im Doktoratsstudium der TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN

Eingereicht von:

MSc. Eng. Mohamed Mohamed Ez ElDinAngefertigt am: Institut fr Maschinenlehre und hydraulische Antriebstechnik Erster Beurteiler:

O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Rudolf ScheidlZweiter Beurteiler:

O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Hans Irschik

Linz, Mrz 2011___________________________________________________________________________ Johannes Kepler Universitt Linz, Altenberger Strae 69, 4040 Linz, sterreich, www.jku.at

Acknowledgement

This thesis would not have been possible unless Allah gave me the power and patience. I owe my deepest gratitude to o.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Rudolf Scheidl for his advices, guidance; I learned a lot from his infinity experience. I am grateful to DI. Dr. Florian Maier, DI. Andreas Tairych, DI Rainer Haas, Ing. Siegfried Grammer and DI. Dr. Markus Resch for their kind help in the hydraulic laboratory of the Johannes Kepler University. It is an honor for me to thank o.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.Hans Irschik for reviewing my thesis. I would like to thank a.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Manhartsgruber for the test rig idea. I express my gratitude to my parents and my professors of my home university in Egypt. It is a pleasure to thank Habibi for the moral support. I offer my regards and blessings to OeAD organisation (sterreichischer Austauschdienst) who supported me financially during the completion of my PhD; and at the end Elhamd Ellah.

II

Abstract

Hydraulic switching technology which is based on fast switching valves requires an innovative fast hydraulic accumulator concept to attenuate high frequency pulsations in the some hundred hertz range. The new accumulator concept should be simple in construction, allow low cost production, should be easy to integrate into the hydraulic system, should have high fatigue life and no need to recharging gas, and, if needed, be applicable also in some corrosive conditions of pure water hydraulics. The main trend to solve the compressed gas diffusion in the accumulator oil chamber which is the essential problem of the conventional accumulator is to replace the elastomer diaphragm with either a multilayer or micro-thickness metal diaphragm. Many investigations presented that the multilayer diaphragm has problems of layers separation due to the variation of materials properties. This lowers the accumulator working life and reduces diaphragm flexibility which affects the accumulator volume capacity. Recent developments of ultimately thin, high strength steel strips created the possibility to think of realizing new types of metal diaphragm accumulators. It is worth mentioning that the accumulator is always embedded in some hydraulic transmission system and that its attenuation performance couples strongly with the dynamics of that system. For this reason, distributed and 2DOF discrete parameter pipe models are developed and used to investigate the transmission systems influence on the attenuation performance of the accumulator system. In general, the one dimensional transmission line model of Leonard gives good dynamic response results compared with the 3D FE acoustic model results in the investigated frequency range. Only at junctions or at bent zones the results differ due to the radial velocity components which are not represented in the Leonard model. The new accumulator design, called Diaphragm cap accumulator, is numerically simulated using FEM to obtain a feasible realization being able to cope with the extreme requirements. The simulations happened as series of sequentially developed trials to optimise the design of the new accumulator.

III

The stress-displacement analyses of Diaphragm cap accumulator demonstrate that the finally selected thin steel diaphragm shape performs axisymmetric deformations without any instability problem with stresses below the material yield strength. Both stamping and hydroforming simulations were performed to determine the most economic and accurate manufacturing process to form the thin steel diaphragm of 50 m thickness, to compute the right clamping force, and to estimate the springback effect for the high strength steel material. The stamping simulation results present the ability of the stamping process to form a complex geometry. The hydrofroming simulations confirm the precise hydroforming pressure used to form the cap diaphragm. A test rig is designed to prove the feasibility of the new accumulator design. The experiments show the new accumulator behaves axisymmetrically and performs normally as conventional accumulator. Chips or solid particles contained into the hydraulic oil can lower the working life of the cap diaphragm. Another innovative hydraulic accumulator is investigated in the thesis the combined round-weld bellows type accumulator which has the advantage of low stress values, high hydraulic capacity and long fatigue life. It could be used instead of the weld bellows type in the bellows accumulator to avoid the strength reducing effects of welding.

IV

Zusammenfassung

Um die hydraulische Schnellschalttechnologie, welche wesentlich auf den hydraulischen Schnellschaltventilen basiert, voranzutreiben, bedarf es neuer schneller Hydrospeicher, welche bis zu einer Frequenz von mehreren hundert Hertz betrieben werden knnen. Ein derartiger Hydrospeicher sollte eine einfache Konstruktion und hohe Lebensdauer aufweisen, billig herzustellen und einfach in ein Hydrauliksystem zu integrieren sein. Des Weiteren sollte ein neuer Hydrospeicher auch in einer korrosiven Umgebung (z.B. Wasserhydraulik) einsetzbar sein. Um das Problem der Gasdiffusion in die lkammer in einem konventionellen ElastomerBlasenspeicher zu lsen, wird die Verwendung einer sehr dnnen Metallmembran oder Mehrschichtmembran anstatt der Elastomerblase vorgeschlagen. Untersuchungen haben bezglich der Mehrschichtmembranen gezeigt, dass es hier hufig zu Problemen kommt, da sich die Schichten voneinander ablsen knnen. Dies wiederum reduziert die Lebensdauer von solchen Speichern. Auf Grund neuer Erkenntnisse in der Materialtechnologie von sehr dnnen Metallmembranen mit hoher Festigkeit, erffnet sich die Mglichkeit neue Hydrospeicher mit dnnen Metallmembranen zu realisieren. Es muss erwhnt werden, dass ein Hydrospeicher immer in einem Hydrauliksystem eingebettet ist. Somit koppeln die Eigenschaften des Speichers mit den Eigenschaften des Hydraulikkreises. Aus diesem Grund wurden sowohl verteilt-parametrische als auch diskrete Rohrleitungsmodelle (mit 2 Freiheitsgraden) entwickelt und verwendet um die Einflsse der Hydraulikleitungen auf die Speicherperformance beurteilen zu knnen. Generell liefert das eindimensionale Leitungsmodell von Leonhard im untersuchten Frequenzbereich gute Ergebnisse im Vergleich zu einem dreidimensionalen FE

Akustikmodell. Nur bei Abzweigungen oder gebogenen Stcken kommt es zu Abweichungen, da die Radialgeschwindigkeiten im Leonardmodell nicht bercksichtigt werden. Das neue Hydrospeicherkonzept Membran-Kappen-Speicher wird numerisch mittels Finiter Elemente simuliert um eine realisierbare Lsung zu erhalten, welche den sehr hohen Anforderungen gerecht wird. Die Berechnung erfolgt in einer Serie von sequentiellen Analysen um das Konzept zu optimieren. V

Die

Spannungs-

und

Verschiebungsanalysen

des

Membran-Kappen-Speichers

demonstrieren, dass eine dnne Stahlmembran achssymmetrische Deformationen aufweist, ohne dass ein Stabilittsproblem auftritt. Die mechanischen Spannungen bleiben dabei unter der Materialstreckgrenze. Sowohl Stanz- als auch Hydroumformsimulationen wurden durchgefhrt um eine effiziente Herstellbarkeit der Membranen von 50ym Dicke sicherzustellen. Die

Stanzsimulationen zeigen, dass komplexe Geometrien mit dem Stanzvorgang hergestellt werden knnen. Die Hydroumformsimulationen liefern das Druckprofil, welches fr den Umformprozess verwendet werden muss. Ein Prfstand wurde aufgebaut, um die Funktion des Speichers zu zeigen. Die Experimente zeigen, dass sich die Membran achssymmetrisch verhlt und der Hydrospeicher wie ein konventioneller Speicher funktioniert. Grobe Partikel im Hydraulikl fhrten zu einer stark reduzierten Lebensdauer des Speichers. Ein weiterer innovativer Hydrospeicher ist ebenfalls in der vorliegenden Arbeit angefhrt. Dieser hat den Vorteil kleiner mechanischer Spannungen, hoher hydraulischer Kapazitten und einer hohen Lebensdauer. Ein solches Konzept knnte statt geschweiten Faltenbalgen verwendet werden, da die Festigkeitswerte nicht durch Schweiung beeinflusst werden.

VI

List of NotationsSymbol

Description The strain hardening exponent the cross sectional area of a fluid volume The surface area of the separator element of the hydro-pneumatic accumulator.

Unit [1] [m2] [m2] [m2]

A

Aacc , A4

Av , Av 2

The cross sectional areas of the output throttle valve and of the throttle valve located at the entrance of the accumulator respectively

c

Speed of sound in the fluid The coefficient of discharge flow rate The fluid particle (element) damping coefficient The hydraulic capacitance The hydraulic capacitance of several pipes and of a cavity (see. Section 3.2.2.7) The pressure variation in frequency domain The change of the gas pressure in the accumulator The differential of the gas pressure in the accumulator The effective Bulk modulus The fluid Bulk modulus The plastic strain

[m/s] [1] [N.s/m] [m3/Pa] [m3/ Pa]

CdcfCHC Hi ,C H 2 , C H 3 ,C H 4

p

[Pa] [Pa] [m3] [Pa] [Pa] [1] [1] [1]

dPG ,KdVGE eff

E fl

The propagation operat