Aufrufe
vor 9 Monaten

O+P Fluidtechnik 3/2018

O+P Fluidtechnik 3/2018

STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN 09 Darstellung eines Umschaltvorganges vom Normalmodus (NM) über einen Übergangsmodus (NM->HD-R) zur Hochdruckregeneration (HD-R) Üb max R A2 R E1 Zustand 1 T Zustand 2 R A2 No min R E2 , R A1 NM- NM HD-R R A1 R E1 R E2 R A2 p T p 0 p T p T p 0 p T p T p 0 p T ND-R R E1 R A2 , R A2 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Ausfahrgeschwindigkeit des Zylinders errechnet sich aus dem verfügbaren Pumpenvolumenstrom und der wirkenden Zylinderfläche nach Die erreichbare Kraft kann vereinfacht über Formel (5) bestimmt werden: Über das differenzielle Verschalten des Zylinders wird im ersten Quadranten ein Hochdruck-Regenerationsmodus (HD-R) bzw. eine Eilgangschaltung ermöglicht, wodurch die Differenz aus Kolben- und Ringfläche als effektive Zylinderfläche wirkt: Bei der Niederdruckregeneration (ND-R) ist die erreichbare, normierte Zylindergeschwindigkeit unabhängig vom Pumpenvolumenstrom und kann daher Werte größer eins erreichen. Gleiches gilt für die verbraucherübergreifende Hochdruckregeneration (HD-R) im 2. Quadranten. Das maximal erreichbare Kraftniveau hängt dort allerdings vom aktuellen Versorgungsdruck ab F reg = f(p 0 ), da bei einer vorgegebenen Sollgeschwindigkeit die lastabgewandte Verbraucherseite (Stangenseite) des Zylinders über den hydraulischen Kurzschluss mit Druck beaufschlagt wird, um das Druck niveau und damit die Druckdifferenz auf der Kolbenseite anzuheben. Dies führt zu einer reduzierten Zylinderkraft F. Ein typischer Umschaltvorgang während einer Zylinderbewegung findet beim Wechsel aus dem Normalmodus (NM) in den Eilgang (Hochdruckregeneration HD-R) statt. In Bild 09 sind jeweils im linken und rechten Bildbereich die stationären Ventilpositionen (min ≤ y ≤ max) der Endzustände dargestellt. Im Normalmodus (links) sind das Zulaufventil (R E1 ) auf der Kolbenseite und das Ablaufventil (R A2 ) auf der Stangenseite des Zylinders betätigt. Um die Rücklaufdruckverluste gering zu halten ist das Ablaufventil weit geöffnet, wohingegen sich das Zulaufventil im Regelbetrieb befindet und im gewählten Beispiel eine Druckdifferenz am Ventil erzeugt. Die übrigen Ventile sind geschlossen. Ein diskretes Umschalten in den Eilgangbetrieb würde einerseits ideal schnelle Komponenten voraussetzen und auf der anderen Seite nicht hinnehmbare Beeinflussungen im Bewegungsablauf und Komfort hervorrufen. Zur Reduzierung der sprunghaften Anregung durch ein schlagartiges Umschalten kann, wie in [11, 8, 16, 34] vorgeschlagen, ein Übergangsmodus eingeführt werden, welcher eine sanfte Volumenstromübergabe ermöglicht. Bei diesem Betriebsmodus werden die beteiligten Ventile kontinuierlich, entweder zeit- oder regelbasiert, vom Zustand 1 in den Zustand 2 überführt. Als Qualitätsmerkmal dient die Zylindergeschwindigkeit, welche einen störungsfreien Verlauf beibehalten soll. Das Verhalten der Pumpenverstellung fehlt im dargestellten Beispiel. Während der Umschaltphase τ muss die Pumpe zurück gestellt werden, da sich der Volumenstrombedarf des Systems reduziert. In der Regel liegen die Stellzeiten gängiger Pumpenprinzipien oberhalb der Schaltzeiten von Ventilen. Neben dem sprunghaften Wechsel in einen anderen Betriebsmodus, kann die Umschaltbedingung zur Instabilität des Systems führen. Da es sich bei hydraulisch-mechanischen Systemen um schwingfähige Systeme handelt, erzeugt der Schaltwechsel eine Oszillation um die Schaltgrenze. Die Folge ist ein instabiles Schwingverhalten der Systemgrößen während des Umschaltvorganges. Zur Reduzierung der Störeinflüsse bei Umschaltvorgängen können folgende Maßnahmen (Auswahl) ergriffen werden: n Druckwaagen zur Störkompensation (Ausnutzung Dynamikpotenzial) [29, 35]; n schaltgedämpfte Ventile für sanftes Schaltverhalten durch PT 1 - Verhalten [25, 8]; n robuste Umschaltbedingungen beispielsweise durch Hysterese oder Verweilzeiten [36, 11]; n Nutzung einer Geschwindigkeitsregelung [15]; n flachheitsbasierte Regelung [37, 34, 38]. 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Aufgrund der steigenden Nachfrage nach leistungsfähigen Antriebssystemen für mobil- und stationär-hydraulische Applikati­ 48 O+P Fluidtechnik 3/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN onen treten Systeme mit getrennten Steuerkanten dank ihrer energetischen und funktionalen Potenziale vermehrt in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Die enorme Varianten- und Strukturvielfalt erschwert die Auswahl und Einordnung solcher Technologien. Der vorliegende Artikel liefert eine Übersicht über Systemgestaltungsaspekte und gibt Hinweise zur Auswahl und Bewertung verschiedener verfügbarer Technologien. Eine intensive Auseinandersetzung folgt in den darauf aufbauenden Beiträgen anhand konkreter Anwendungsbeispiele. Der zweite Beitrag dieser Reihe beschäftigt sich mit sicherheitsund zuverlässigkeitstechnischen Anforderungen, welche eine grundlegende Voraussetzung für eine potenzielle Marktverbreitung darstellen. Es wird eine Methodik zur systematischen Analyse und Quantifizierung von Antriebsvarianten mit getrennten Steuerkanten vorgestellt. Kern dieser Methode stellen die möglichen Betriebsmodi sowie die Möglichkeiten und Grenzen bezüglich Sicherheit und Zuverlässigkeit dar. Mit Hilfe von Prüfstands- und Maschinenuntersuchungen werden ausgewählte Ergebnisse anhand einer Überlagerungslenkung vorgestellt. Anknüpfend an die Vorbetrachtungen des Übersichtsteils thematisiert der dritte Artikel die exemplarische Anwendung eines Ventilsystems mit getrennten Steuerkanten für die Arbeitsausrüstung eines Mobilbaggers. Im Fokus der Betrachtungen steht das für diese Applikation genutzte ganzheitliche Steuerungs- und Regelungskonzept für Ventilsystem und Pumpe, welches die funktionalen Vorteile wie z. B. lastkompensierte Senkbewegungen und energetische Vorteile gegenüber konventionellen Ventilsystemen auch unter Nutzung preiswerter Komponenten zugänglich macht. Das vorgestellte Konzept wird anhand von Prüfstandsversuchen und in einem simulierten Baggerzyklus validiert. Der vierte Beitrag behandelt den Einsatz getrennter Steuerkanten in stationär-hydraulischen Antrieben und ermittelt anhand der energetischen Potenziale geeignete Systemstrukturen sowie Ansteuerungsstrategien für lagegeregelte Antriebe. Einen Schwerpunkt bilden dabei Strategien zur störungsarmen Umschaltung zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi. Literaturverzeichnis [1] C. Holländer, Untersuchungen zur Beurteilung und Optimierung von Baggerhydrauliksystemen. Düsseldorf: VDI-Verl, 1998. [2] U. Melchinger, Simulation der Arbeitsbewegungen und Antriebssysteme von Hydraulikbaggern. Düsseldorf: VDI-Verl., 1992. [3] M. Djurovic, Energiesparende Antriebssysteme für die Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen – „Elektrohydraulisches Flow Matching“, Dissertation, TU Dresden University, Germany, 2007 [4] „Monti – ein neues hydraulisches Steuerungskonzept“, Bd. 22, Nr. 4, S. 188-192, 1978. [5] W. Backé, Systematik der hydraulischen Widerstandsschaltungen in Ventilen und Regelkreisen. Mainz: Krausskopf-Verlag, 1974. [6] J. Mattila und T. Virvalo, „Energy-efficient motion control of a hydraulic manipulator“, 2000, Bd. 3, S. 3000-3006. [7] L. Lu, B. Yao, und Z. Liu, „Energy saving control of a hydraulic manipulator using five cartridge valves and one accumulator“, IFAC Proceedings Volumes, Bd. 46, Nr. 5, S. 84 - 90, 2013. [8] B. Eriksson, Linköpings universitet, und Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, „Control strategy for energy efficient fluid power actuators: utilizing individual metering“, Department of Management and Engineering, Linköping University, Linköping, 2007. [9] A. Jansson und J.-O. Palmberg, „Separate Controls of Meter-in and Meter-out Orifices in Mobile Hyraulic Systems“, 1990. [10] H. C. Pedersen, T. O. Andersen, T. Skouboe, und M. S. Jacobsen, „Investigation and comparison of separate meter-in separate meter-out control strategies“, in ASME/BATH 2013 Symposium on Fluid Power and Motion Control, 2013, S. V001T01A047-V001T01A047. [11] A. Shenouda, „Quasi-static hydraulic control systems and energy savings potential using independent metering four-valve assembly configuration“, 2006. [12] A. Hansen, T. Andersen, H. C. Pedersen, und L. Wachmann, „Investigation of Energy Saving Separate Meter-In Control Strategies“, gehalten auf der Twelfth Scandinavian International Conference on Fluid Power, Tampere, Finland, 2011. [13] D. B. Stephenson, M. J. Paik, und P. A. Jahnke, „Integrated valve assembly and computer controller for a distributed hydraulic control system“, US Patent 7,270,046, Sep-2007. [14] M. Elfving, „On fluid power control: a concept for a distributed controller of fluid power actuators.“, Division of Fluid and Mechanical Systems, Department of Mechanical Engineering, Linköping University, Linköping, 1997. [15] B. Yao und S. Liu, „Energy-saving control of hydraulic systems with novel programmable valves“, in Intelligent Control and Automation, 2002. Proceedings of the 4th World Congress on, 2002, Bd. 4, S. 3219-3223. [16] K. Heybroek, „Saving energy in construction machinery using displacement control hydraulics: concept realization and validation“, Department of Management and Engineering, Linköping University, Linköping, 2008. [17] S. Liu und B. Yao, „Coordinate control of energy-saving programmable valves“, in ASME International Mechanical Engineering Congree and Exposition, 2003. [18] J. A. Aardema, „Hydraulic circuit having dual electrohydraulic control valves“, US Patent 5,568,759, Okt-1996. [19] D. B. Stephenson und J. L. Pfaff, „Hydraulic system with three electrohydraulic valves for controlling fluid flow to a load“, US Patent 6,457,487, Okt-2002. [20] B. K. Nielsen, „Controller development for a separate meter-in separate meter-out fluid power valve for mobile applications“, Institute of Energy Technology, Aalborg University, 2005. [21] J. Plagemann und A. Schütz, „Hydrauliksteuerkreis“, DE Patent 102,006,040,459, Dez-2012. [22] H. Fischer, „Drehwerkssteuerung beherrscht positive und negative Lasten“, O+P, Nr. 1-2/2007. [23] J. Crosser, „Hydraulischer Kreislauf und Steuervorrichtung dafür“, DE Patent 69,123,840, Feb-1997. [24] K. Choi, J. Seo, Y. Nam, und K. U. Kim, „Energy-saving in excavators with application of independent metering valve“, Journal of Mechanical Science and Technology, Bd. 29, Nr. 1, S. 387 - 395, Jan. 2015. [25] B. Andersson, „On the valvistor a proprtional controlled seat valve“, Department of Mechanical Engineering, Linköping University, 1984. [26] J.-C. Lee, K.-C. Jin, Y.-M. Kwon, L.-G. Choi, J.-Y. Choi, und B.-K. Lee, „Development of the Independent Metering Valve Control System and Analysis of its Performance for an Excavator“, in BATH/ASME 2016 Symposium on Fluid Power and Motion Control, 2016, S. V001T01A021-V001T01A021. [27] Jongebloed, Holger und Fees, „Proportional Directional Valve with Autonomous Spools (PAS) for Mobile Applications“, gehalten auf der Internationales Fluidtechnisches Kolloquium, Dresden, 2008. [28] Beck, Benjamin und Weber, Jürgen, „Safety and reliability of independent metering systems in mobile machinery“, in Proceedings of Esrel 2016, Glasgow, 2016. [29] A. Sitte und J. Weber, „Structural design of independent metering control systems“, in 13th Scandinavian International Conference on Fluid Power; June 3-5; 2013; Linköping; Sweden, 2013, S. 261-270. [30] R. Finzel, Elektrohydraulische Steuerungssysteme für mobile Arbeitsmaschinen. Aachen: Shaker, 2011. [31] „1995 – Overhaul Manual Vickers® – CMX Sectional Direction.pdf“. [32] Willebrand, Heinz O., „Hydraulische Steuerungen mit 2-Wege-Einbauventilen: Systematik, Entwurf und Untersuchung des Systemverhaltens“, Technische Hochschule Aachen, Aachen, 1980. [33] J. L. W. Pfaff, „Sitzventil betätigt durch elektrohydraulisches Vorsteuersitzventil“, DE200,910,055,802, Juli-2010. [34] G. Kolks und J. Weber, „Controller Design for Precise and Efficient Industrial Cylinder Drives Using Independent Metering Valves“, in 9th FPNI Ph. D. Symposium on Fluid Power, 2016, S. V001T01A009-V001T01A009. [35] J. Lübbert, A. Sitte, B. Beck, und J. Weber, „Load-Force-Adaptive Outlet Throttling: An Easily Commissionable Independent Metering Control Strategy“, in BATH/ASME 2016 Symposium on Fluid Power and Motion Control, 2016, S. V001T01A050-V001T01A050. [36] R. Ding, B. Xu, J. Zhang, und M. Cheng, „Bumpless mode switch of independent metering fluid power system for mobile machinery“, Automation in Construction, Bd. 68, S. 52-64, Aug. 2016. [37] R. Bindel, R. Nitsche, R. Rothfuß, und M. Zeitz, „Flachheitsbasierte Regelung eines hydraulischen Antriebs mit zwei Ventilen für einen Großmanipulator (Flatness Based Control of a Two Valve Hydraulic Joint of a Large Manipulator)“, at-Automatisierungstechnik Methoden und Anwendungen der Steuerungs-, Regelungs-und Informationstechnik, Bd. 48, Nr. 3/2000, S. 124, 2000. [38] C. Stauch und J. Rudolph, „Control-oriented modelling and development of a model-based switching algorithm for a digital hydraulic independent metering cylinder drive“, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, Feb. 2016. Autoren: Dipl.-Ing. André Sitte, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Institut für Fluidtechnik (IFD), Technische Universität Dresden O+P Fluidtechnik 3/2018 49