O+P Fluidtechnik 3/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN
1. EINLEITUNG
In mobilen Arbeitsmaschinen versorgen je nach Maschinengröße
und -typ eine oder mehrere Pumpen zahlreiche parallel betriebene
Antriebe mit hydraulischer Energie. Ein zentraler Steuerblock bestehend
aus je einer Ventilsektion pro Aktuator verteilt die von den
Pumpen geförderte Ölmenge gemäß einer Bedieneranforderung
auf die einzelnen Verbraucher. Äußere Prozesslasten beeinflussen
sowohl die Fördermenge der Pumpe(n) entsprechend der verfügbaren
Motorleistung, als auch den Volumenstrom durch die Ventilsektion
zum Verbraucher. Zur Bewegungssteuerung finden in der
Regel Mehrwege-Proportionalventile Anwendung, welche in einer
offenen Steuerkette, d. h. ohne Rückführgrößen, betrieben werden
[1, 2].
Die eingesetzten Ventilsektionen im zentralen Steuerblock sind
anwendungsspezifisch für eine Volumenstrom- und Lastanforderungen
ausgelegt und üblicherweise als Schieberventil ausgeführt.
Nuten im Schieber ermöglichen eine sehr gute Steuerbarkeit bei
geringen Schieberwegen (Feinsteuerbereich). In jedem Schieberdesign
ist eine spezifische Widerstands-Durchfluss-Charakteristik
fest hinterlegt (Bild 01), welche nur durch Einsetzen eines neuen
Schiebers geändert werden kann. Darüber hinaus bestehen bei der
Schieber-Buchse-Paarung hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen,
um eine geringe Leckage und Reibung sicherzustellen.
Dadurch steigen sowohl Aufwand als auch Kosten bei der
Herstellung, Anpassung und im Service.
Die meisten Arbeitsaufgaben erfordern eine Bewegungsrealisierung
in mehreren Quadranten des Geschwindigkeit-Kraft- bzw.
Drehzahl-Drehmoment-Diagramms. Haben beide Größen dieselbe
Wirkrichtung spricht man von generatorischen / ziehenden Lasten.
Diese müssen bei ventilgesteuerten Antrieben über die Rücklaufkante
sicher abgestützt werden, um die Sollvorgaben einzuhalten.
Gleichzeitig verhindern unnötige Rücklauf-Druckverluste einen
energieeffizienten Betrieb beim Bewegen motorischer / drückender
Lasten. Konventionelle Schieber mit mechanisch gekoppelter Zuund
Ablaufseite bilden hier immer einen Kompromiss zwischen
Beherrschbarkeit ziehender Lasten, der Vermeidung von Kavitation
durch ziehende Lasten und der Energieeffizienz.
Die zunehmende Elektronifizierung der Maschinen führt bisher
nur teilweise zu einer Verlagerung der Steuerungsaufgaben zur
Software. Grundlegende Ansteuerungsfunktionalitäten, wie pumpenseitige
Leistungsregelung, Druck-Förderstrom-Regelung und
Lastkompensation bleiben meist hydraulisch-mechanisch umgesetzt
und sind damit strukturell weniger flexibel bezüglich der
Anpassung an wechselnde Einsatz- und Betriebssituationen [3].
Die Möglichkeiten, welche sich durch die Trennung konventioneller
Ventile in einzelne Steuerelemente bieten, sind vielfältig und
schon seit Beginn der 1970er Jahre bekannt. Jedoch lassen erst die
jüngeren Entwicklungen und Trends eine potenzielle Marktverbreitung
erkennen [4]. Bereits in [5] wird formuliert, dass die Auftrennung
der Widerstände eines 4/3-Wegeventils zu Einzelwiderständen,
welche nicht mehr zwangläufig und synchron geschaltet
werden, mit Blick auf Energieeffizienz, Flexibilität, Struktur- und
Komponentenkomplexität sowie Kosten vorteilhaft erscheint. Im
folgenden Abschnitt sollen die Ziele und Potenziale getrennter
Steuerkanten dargestellt werden.
2. ZIELE VON SYSTEMEN MIT GETRENNTEN
STEUERKANTEN
Die Energieeffizienz rückt bei der Entwicklung von Hydrauliksystemen
zunehmend in den Fokus. Der offensichtliche und primäre
Mechanismus von Systemen mit getrennten Steuerkanten besteht
in der individuellen Steuerung der Zu- und Ablaufwiderstände.
Dadurch sind die mechanische Zwangskopplung zwischen den
Steuerkanten und damit auch der starre Volumenstrom-Druck-
Zusammenhang aufgelöst. Ein solches last- und geschwindigkeitsadaptives
Ventil ist in der Lage betriebspunktabhängige Druckverluste
im System zu reduzieren [6, 7].
Den weitaus größeren Anteil am energieeffizienten Betrieb solcher
Systeme bietet allerdings die Möglichkeit, die Strömungspfade
frei zu definieren und somit Volumenstrom wiederzuverwenden,
also zu regenerieren. Durch den Einsatz von verbraucher-interner
und -übergreifender Regeneration können generatorisch wirkende
Lasten nutzbar gemacht und die hydraulisch zugeführte Primärleistung
der Pumpe reduziert werden. Eine Ausrüstung mit entsprechenden
Zusatzkomponenten (Hydromotoren, Speicher) ermöglicht
auch Rekuperationsmodi, also Rückgewinnung und
Zwischenspeicherung von Energie [8].
Durch getrennte Betätigung von Zu- und Ablauf besitzen Systeme
mit getrennten Steuerkanten mehr als einen Stelleingriff zur
Zylindersteuerung. Neben der Verbrauchergeschwindigkeit kann
eine weitere Zustandsgröße wie z. B. das Druckniveau gleichzeitig
vorgegeben werden. Durch den erweiterten regelungstechnischen
01
Widerstandsdarstellung eines 4/3-Wegeventils (links), schematische Darstellung (rechts)
R A1
R E1/2
R A2
R
y
A1
R E1
R E2
R A2
S
y S
p T
p 0
p T
p T
p 0
p T
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