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O+P Fluidtechnik 3/2018

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Varianten Prop.-Ventile

Varianten Prop.-Ventile Prop.-Schaltventile STEUERUNGEN UND REGELUNGEN 05 Ventiltechnische Umsetzvarianten von Systemen mit getrennten Steuerkanten mit Zuordnung zu den umsetzbaren Betriebsmodi VS Schaltungsvarianten zur Steuerung doppeltwirkender Verbraucher p 0 p T p T p T I-Z/A-S I-Z/A-S, NR-R I-Z/A-S, NDR-R, HD-R die Steuerung des kolbenseitigen Verdrängerraums zusammengefasst werden. Gleiches gilt für die stangenseitig zugeordneten Widerstände (Bild 03, unten). Auch Kombinationen aus teilweise zusammengefassten und Einzelwiderständen sind realisierbar. Ausgehend von einer Systemstruktur mit vier einzeln gesteuerten Widerständen können wiederum vier technisch sinnvoll nutzbare Betriebsmodi identifiziert werden (Bild 04). Die grundlegende Bewegungsfunktion in Analogie zur Vierkantensteuerung wird durch Betätigung der zugehörigen Zu- und Ablaufwiderstände erreicht. Entsprechend der Funktionsweise wird eine individuelle Zulaufsteuerung (I-Z-S) bzw. individuelle Ablaufsteuerung (I-A-S) realisierbar. In dieser, oftmals auch als Normalmodus (NM) genannten, Betriebsart wird je nach Bewegungsrichtung der Zulauf-Verdrängerraum von der Hochdruck- Versorgungsleitung über die Zulaufkante gespeist. Das rückfließende Öl wird über die Rücklaufkante zum Niederdruck entlassen. Im Normalmodus können Energieeinsparungen durch Reduzierung der Verluste im Rücklauf erzielt werden. Jedoch gilt dies nur bei gleichzeitiger Anpassung des Versorgungsdruckes an das Lastniveau, da andernfalls die zu einer spezifischen Last- und Ge- Kurzschluss- Ventil p T p 0 p 0 p T p 0 p T p 0 p T p T p 0 p T p T p 0 p T p 0 p T p T p 0 p T p T p 0 p T I ... Individuell S ... Steuerung Z ... Zulauf A ... Ablauf ND ... Niederdruck HD ... Hochdruck R ... Regeneration FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 06 VR Steuerungsvarianten zur Volumenstrom- und Druckbeeinflussung V hydraulisch-mechanisch Primär- Druckwaage V indirekt Varianten der Volumenstromregelung am Ventil Sekundär- Druckwaage Basierend auf den Grundmerkmalen hydraulischer Widerstandschaltungen kann der Aufbau von Systemen mit getrennten Steuerkanten abgeleitet werden. Besondere Bedeutung kommt dabei dem Brückenhalbglied C V zu, da es einen gesteuerten Einzelwiderstand darstellt (der passive Ablaufwiderstand ist hier unendlich, R A = ∞). Wie in Bild 03 (oben) abgebildet besteht das System aus vier einzeln gesteuerten Widerständen. Die Einzelwiderstände R E1 und R A1 , bestehend aus den Brückenhalbgliedern C VE1 und C VA1 können zu dem Brückenhalbglied A für V Drucksensor Vol.-Sensor Wegsensor U p U p V hydraulisch-elektrisch U Q V direkt U x V 44 O+P Fluidtechnik 3/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN schwindigkeitsanforderung zugehörige Druckdifferenz über dem Zulaufventil abgebaut wird. Dementsprechend verlagern sich die Verluste im Verhältnis der Zylinderflächen vom Ablauf in den Zulauf. Im Normalmodus kann der Zylinder sein größtes Kraftpotential entfalten. Die Geschwindigkeit ist an die Fördermenge der Pumpe gekoppelt. Sowohl funktional als auch energetisch stellt eine Verbindung beider Verdrängerräume eines Verbrauchers mit dem Tank einen notwendigen Modus dar. Insbesondere für Drehwerksanwendungen oder an der Arbeitsausrüstung von Radladern stellt die sogenannte Schwimmstellung (engl.: float) eine Forderung dar [16]. Aus energetischer Sicht kann bei generatorischen Lasten – also Kräften, welche in Bewegungsrichtung des Aktors wirken – eine energieneutrale Bewegung erzeugt werden. Der verdrängte Volumenstrom wird dabei in die gemeinsame Rücklaufleitung eingeleitet und dient gleichermaßen als Nachsaug-Volumenstrom. Die sogenannte Niederdruckregeneration (ND-R) kann dabei mithilfe von zwei unterschiedlichen Schaltungsvarianten ausgeführt werden. Bei Systemstrukturen ohne Kurzschlusspfad werden beide Tankwiderstände betätigt und eine Verbindung über die gemeinsame Tankleitung hergestellt. Der gesamte auftretende Volumenstrom muss dabei beide Ventile durchströmen, was entsprechende Druckverluste zur Folge hat. Ist ein Kurzschlusspfad in Form eines Verbindungsventils zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen des Zylinders vorhanden, so kann eine direkte (oft auch „echt“ genannte [17]) Regeneration realisiert werden. Vorteilhaft bei dieser Konfiguration ist, dass der Regenerationsvolumenstrom nur ein Ventil passiert und die Druckverluste geringer ausfallen. Je nach Bewegungskonfiguration und Ansteuerungsvariante übernimmt ein Widerstand die Geschwindigkeitsmanipulation und der jeweils korrespondierende Widerstand regelt den Druck in der lastabgewandten Zylinderkammer. Eine vergleichbare Situation findet man bei der Hochdruckregeneration (HD-R). Beide Verdrängerräume des Zylinders sind über die betätigten Zulaufsteuerkanten mit dem Hochdruckniveau verbunden. Beim Ausfahren des Zylinders wird abfließender Volumenstrom aus dem stangenseitigen Verdrängerraum direkt der Zulaufseite zur Verfügung gestellt. Der notwendige Pumpenvolumenstrom reduziert sich um den Anteil des Kreisringvolumens des Zylinders. Mit Blick auf die Energieeffizienz ist dieser Modus nur bei einem hohen Versorgungsdruckniveau sinnvoll einsetzbar, da die umgesetzte Leistung konstant bleibt. In Systemen mit parallel betriebenen Verbrauchern ist dies der Fall, wenn ein hochbelasteter Verbraucher den Versorgungsdruck bestimmt und ein zweiter, niedriger belasteter Verbraucher aus einer gemeinsamen Druckversorgung gespeist wird. In stationären Anwendungen ist dieser Modus auch als Eilgang bekannt, da die maximale erreichbare Geschwindigkeit v HD-R angehoben werden kann. Für die Flächen des Zylinders gilt: Das resultierende Geschwindigkeitsverhältnis errechnet sich zu: Bei konsequenter Nutzung dieses Modus ergeben sich somit Vorteile bezüglich der Dimensionierung der Pumpe. Die erreichbaren Kräfte reduzieren sich auf das Produkt aus maximalem Systemdruck p 0 und der Kolbenstangenfläche A S . Eine verbraucherübergreifende Regeneration kann sowohl durch Verbinden des Rücklaufwiderstandes mit der Pumpen- als auch mit der Tankleitung erfolgen. Für die Versorgung eines Verbrauchers über die gemeinsame Tankleitung ist ein zusätzliches Drosselventil im Rücklauf erforderlich. Die Geschwindigkeiten der beiden Verbraucher sind in diesem Fall aneinander gekoppelt. Wird ein Verbraucher regenerativ aus der gemeinsamen Pumpleitung gespeist, so muss das Druckniveau des einfahrenden Verbrauchers höher sein als das der Anzutreibenden. Ein zusätzlicher Pumpenvolumenstrom kann ergänzt werden. 4. ÜBERSICHT SYSTEMGESTALTUNGSVARIANTEN Für die im vorangegangenen Abschnitt eingeführten Betriebsmodi sind diverse schaltungstechnische Umsetzungsvarianten möglich. Es wird eine vereinfachte Unterteilung der Systeme in Ventilstruktur (VS) und Volumenstromregelung (VR) vorgenommen. Eine Zuordnung technisch sinnvoller Gestaltungsvarianten von Systemen mit getrennten Steuerkanten zu den umsetzbaren Betriebsmodi ist in Bild 05 zu sehen. Die obere Zeile zeigt Ventilschaltungen mit paralleler Anordnung proportionaler Steuerventile. Die Ausführung als Schieber- oder Sitzventil wird hierbei nicht adressiert. Die untere Zeile beinhaltet Schaltungsvarianten, welche eine Kombination aus Schalt- und Proportionalventilen darstellen. Zusätzlich ist eine Einordnung der gewählten Systemvarianten zu den umsetzbaren Betriebsmodi zu sehen. In der ersten Spalte finden sich zwei Systemvarianten, welche lediglich eine individuelle Zu- bzw. Ablaufsteuerung als Minimalanforderung solcher Systeme bereitstellen, dementsprechend nur feste Strömungspfade aufweisen [18, 19]. Zusätzliche Schieberschaltstellungen mit entsprechenden Verbindungspfaden ermöglichen auch hier Regenerationsmodi [20], erhöhen jedoch die Bauteilkomplexität. Die Systeme in der zweiten Spalte erlauben zusätzlich zum Normalmodus auch eine Niederdruckregeneration (ND-R) bzw. eine Schwimmstellung [21, 22]. Eine gleichzeitige Verbindung der Verdrängerräume an den Pumpenanschluss ist nicht möglich. Im Gegensatz dazu sind die folgenden Systeme in den Spalten drei und vier in der Lage alle Modi schaltungsseitig umzusetzen [23, 24, 25, 15, 26, 27, 28, 29]. Die letzte Spalte verdeutlicht den Effekt, welcher sich durch den Einsatz eines Kurzschlussventils ergibt. Dadurch werden jegliche Ventilstrukturen für eine Regenerationsfähigkeit qualifiziert. Weiterhin können alle 2/2-Wegeventile als Sitzventile ausgeführt werden, um deren vorteilhafte Eigenschaften wie z. B. leckagefreies Abstützen, Rückschlagfunktionalität oder auch dezentrale Anordnung nutzen zu können. Die Ventilstrukturen (VS) stehen in Aufbau und Funktionsweise in direkter Wechselwirkung mit der Fluidsteuerung durch eine entsprechende Volumenstromregelung (VR). Mobilhydraulische Anwendungen sind in der Regel bedienergeführte Prozesse, welche bezüglich der Bewegungssteuerung in einer offenen Steuerkette betrieben werden. Dies hat sowohl technologische (begrenzter Elektronikeinsatz) als auch wirtschaftliche Gründe (Kosten, Robustheit). Um die stark nichtlineare Charakteristik und gegenseitige Verbraucherbeeinflussung durch bestehende Druckkopplungen beherrschen zu können, kommen oftmals Lastkompensationsmaßnahmen zur Volumenstromregelung zum Einsatz. Eine Übersicht über die üblicherweise anzutreffenden Varianten der Volumenstromregelung ist in Bild 06 abgebildet. Hierbei wird in indirekte Maßnahmen durch zusätzliche Steuerwiderstände (Druckwaagen) und direkte Verfahren der Hauptven­ O+P Fluidtechnik 3/2018 45