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O+P Fluidtechnik 1-2/2017

O+P Fluidtechnik 1-2/2017

STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG TITEL 05 links: konstantes Schwingen wird als stabil bezeichnet, rechts: eine Aussage über die Systemdämpfung ist nicht möglich 06 Linearisierung im Betriebspunkt 2 2 CH3 GDCV CH1 m ⎛GDCV ⋅GRelief G ⎞ DCV GPilot + + 2 2 ⎜ + ⎟> CH1 GRelief CH3⋅CR A ⎝ CH1 CH3 ⎠ GRelief ⋅CR erfüllt sein. Aus der Ungleichung kann geschlossen werden, das eine hohe Volumenstromverstärkung G DCV gut für die Systemstabilität ist. Der Parameter beschreibt die Volumenstromänderung mit der Druckdifferenz: G DCV 2 dQ αD ⋅D = = d p p p p ( − A ) ρ ⋅ ( − ) 0 0 A D. h. ein weit geöffnetes Wegeventil (D 2 ↑) und eine möglichst geringe Druckdifferenz (p 0 -p A ↓) wirken stabilisierend auf das System. Ein niedriger Pumpendruck ist also vorteilhaft für die Systemstabilität. (4) (5) Ein Extremfall der obigen Betrachtung ist ein druckkompensierter Stromregler. Hier gilt G DCV = 0, da dQ = 0. Die obige Ungleichung kann damit zu CH3 GPilot > C G ⋅CR H1 Relief vereinfacht werden. Mit C H = V/E Fl folgt, dass ein möglichst kleines Volumen V 1 und ein möglichst großes Volumen V 3 förderlich für die Schaltungsstabilität sind. Das Zylinderflächenverhältnis CR ist Anwendungsabhängig und kann in der Regel nicht frei gewählt werden. Das Verhältnis G Pilot /G Relief entspricht dem Aufsteuerverhältnis PR. Ein niedriges Aufsteuerverhältnis wirkt also, unabhängig von den Randbedingungen, immer positiv auf die Systemstabilität. SIMULATION DER DRUCKSCHWINGUNGEN Bei der durchgeführten Systemanalyse werden Systeme auch als stabil bezeichnet, wenn die Druckschwankungen mit der Zeit konstant sind (Bild 05, links). Zudem liefert das gezeigte mathematische Modell und die Analyse mit dem Hurwitz- Kriterium keine Informationen über das Dämpfungsverhalten. Eine Aussage, ob und in welcher Zeit das System nach einer Wegeventilbetätigung einen stationären Betriebspunkt erreicht, ist daher nicht möglich. (Bild 05, rechts). Um Informationen über die Systemstabilität nach einer Auslenkung aus dem Betriebspunkt zu erhalten, werden die Druckschwankungen simuliert. Eine Berechnung der Druckverläufe im nicht linearen Modell wäre zu rechenintensiv. Zur Rechenzeitreduzierung wird das Modell daher im Betriebspunkt linearisiert. Die Linearisierung der Blendengleichung Q = k⋅ ∆ p zu Qˆ = G⋅∆ pˆ ist in Bild 06 zu sehen. Da die Abweichungen zwischen linearen und nicht linearen Modell in Betriebspunktnähe vernachlässigbar sind, ist die Systemlinearisierung zulässig. Die Simulation der Druckschwankungen im linearen System kann von zwei unterschiedlichen Startpunkten aus erfolgen. Als Startpunkt kann der Senkbremsventilöffnungspunkt oder der Punkt p₃ = 0 und p₁ = Lastdruck gewählt werden. Das Programm springt von dem gewählten Punkt in den Betriebspunkt und berechnet den Druckverlauf. Das Ergebnis sind also Druckschwankungen infolge einer Betriebspunktabweichung. (6) 40 O+P Fluidtechnik 1-2/2017

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN 07 Druckschwankungen/ Simulationsergebnis In Bild 07 ist ein Simulationsergebnis für einen Zeitraum von 0,2 s zu sehen. Ausgehend von dem Zustand p₃ = 0 und p₁ = Lastdruck steigen beide Werte an, bis das Senkbremsventil weiter geöffnet ist als es für den vorgegebenen Volumenstrom notwendig wäre. Durch das weit geöffnete Senkbremsventil fällt der Druck p₁ wieder ab. Nach einer Zeit von 0,02 s nähern sich die Drücke p₁ und p₃ langsam dem Betriebspunkt an. Ab einem Zeitpunkt von ungefähr 0,1 s ist das System in einem stationären Zustand. Zusätzlich zu den genannten Parametern für die Betriebspunktbestimmung sind für die Simulation der Druckschwankungen noch Angaben über die Leitungsvolumina, die Gewichtsmasse und eventuell vorhandene Drosseln notwendig. Wird keine druckkompensierte Stromregelung eingesetzt, muss auch der Versorgungsdruck für eine Systemsimulation bekannt sein. Das Programm wird von SUN Hydraulik bereits in der Anwendungsberatung eingesetzt. Erste Vergleiche der Simulationsdaten mit Werten aus der Praxis zeigen eine gute Übereinstimmung und für einige kritische Anwendungen konnte mit Programmhilfe das passende Senkbremsventil ausgewählt werden. Zum Beispiel ist für ein 60 l/min Ventil mit einem Aufsteuerverhältnis von 3:1 eine funktionierende Alternative bestimmt wurden. Das Ventil war an einem Zylinder installiert, der mit einem Volumenstrom von ungefähr 30 l/min aus- und einfährt. Obwohl bei der Projektplanung ein möglichst kleines Leitungsvolumen und ein nicht unnötig hohes Aufsteuerverhältnis berücksichtigt wurde, war das System bei bestimmten Zylinderpositionen instabil. Da nur ein niedriger Steuerdruck verfügbar war, konnte nicht einfach ein kleineres Aufsteuerverhältnis gewählt werden. Mit einem angedrosselten Ventil wäre der Steuerdruck ebenfalls zu groß gewesen. Mit dem Programm konnte sehr schnell festgestellt werden, dass die notwendige Ventilperformance nicht mit einem Standardsenkbremsventil realisierbar ist. Die Problemlösung ist ein angedrosseltes LoadAdaptive Senkbremsventil von SUN Hydraulik. Die Ventildrosselung führt zu einem stabilen System und durch die lastadaptive Ventiltechnologie werden die gewünschten Steuerdrücke nicht überschritten. ZUSAMMENFASSUNG Es ist bekannt, dass ein hohes Aufsteuerverhältnis die Systemstabilität negativ beeinflusst. Aus Sorge vor zu großen Druckschwankungen wird vom Anwender daher häufig ein Senkbremsventil mit geringem Aufsteuerverhältnis ausgewählt. Die geringere Energieeffizienz wird, zur Sicherstellung der Stabilität, akzeptiert. Das in diesem Artikel vorgestellte Programm ist eine Lösung von SUN Hydraulik für genau diesen Zielkonflikt. Der Anwender kann auf Basis der gewünschten Betriebspunktdaten das bestmögliche Senkbremsventil auswählen. Ob die Schaltungsstabilität kritisch ist, kann schon vor einer kostspieligen und teuren Inbetriebnahme überprüft werden. Da SUNs Senkbremsventile einer Serie austauschbar sind, ist auch eine Überprüfung von bereits existierenden Maschinen sinnvoll. Hier kann mit einem Senkbremsventilwechsel hin zu einer sinnvollen Alternative die Anlageneffizienz weiter gesteigert werden. www.sunhydraulik.de Literaturverzeichnis: [1] Bernd Zähe: Lasthalteventile in Patronenbauweise, Sonderdruck aus Ölhydraulik und Pneumatik, Nr.3, 1998 [2] Bernd Zähe: Lastadaptive Senkbremsventile finden den Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Stabilität, Ölhydraulik und Pneumatik, Oktober 2015 [3] Dirk Abel: Reglungstechnik, 34. Auflage, 2010 Autor: Martin Zerres, SUN Hydraulik GmbH, Erkelenz O+P Fluidtechnik 1-2/2017 41

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