O+P Fluidtechnik 3/2018

STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 07 Vorsteuerausführungen von 2-Wege-Einbauventilen: a) proportionale Vorsteuerung, b) elektrische Wegrückführung, c) mechanische Kraftrückführung, d) hydraulische Wegrückführung, e) mechanische Wegrückführung p 0 p 0 p 0 p 0 p 0 a) b) c) d) e) tilsteuerung unterschieden. Indirekte Verfahren greifen auf hydraulisch-mechanische Prinzipien zurück, wohingegen bei direkten Verfahren Sensoren und eine Signalverarbeitung zum Einsatz kommen. Insbesondere der Einsatz von Drucksensoren bietet Vorteile bezogen auf die erreichbare Flexibilität und Strukturkomplexität [20, 11]. In vielen mobilen Anwendungen werden Lasthalteventile eingesetzt, um ein Absinken der Last am Bewegungsbeginn zu vermeiden. In Systemkonfigurationen, welche eine Regeneration ermög lichen sollen, müssen diese Rückschlagventile ersetzt oder aufwendig umgangen werden, da sonst keine Betriebsmodi entsprechend obiger Aufstellung realisierbar sind [5]. Durch den Einsatz von Drucksensoren kann der aktuelle Last- und Pumpendruck in der Steuerung erfasst und der Öffnungsbeginn der Ventile flexibel angepasst werden. Ein vorzeitiger Bewegungsbeginn wird somit vermieden. Auch die Bestimmung der aktuellen Lastsituation und damit einhergehend die Fähigkeit des Systems zur Regeneration, wird über Drucksignale zugänglich. Weitere ventilseitige Funktionen auf Basis von Drucksignalen sind eine Sekundärdruckbegrenzung oder Druckabschaltung (kick-out). Darüber hinaus sind hybride Ventilbetriebsarten, wie Druck- und auch Volumenstromregelung, realisierbar. Mit einer entsprechenden Pumpenregelung wird somit auch ein elektrohydraulisches Load- Sensing mit lastunabhängiger Durchflussverteilung oder ein Leistungsmanagements ermöglicht. Da die statischen und dynamischen Anforderungen an elektrohydraulische Ventile sehr hoch sind, werden nach wie vor hydraulisch-mechanische Regelungsprinzipien aufgrund ihrer unbestritten hohen Leistungsfähigkeit eingesetzt. Insbesondere Druckwaagen als Kernelemente in Zwei- und Drei-Wege-Stromreglern finden heute breite Anwendung [3, 30]. Bei der Auslegung von proportionalen Wege- Schiebern liegt immer ein Kompromiss zwischen Auflösungsvermögen (Flächenöffnungsgradient über dem Hub), stationärer Genauigkeit und erreichbarer Dynamik vor. Der Einsatz von Druckwaagen hebt diesen Konflikt teilweise auf, da die Auflösung in der Messblende des Hauptkolbens hinterlegt ist und die Druckwaage die dynamischen Regelanforderungen abdeckt. Dies verhindert, dass sich hochfrequente Druckänderungen störend auf das Führungsverhalten des Antriebs auswirken. Potenziell Gruppe Ventilstruktur Komponenten Software nachteilig sind die mangelnde Flexibilität bei der Anpassbarkeit der Regelelemente an sich ändernde Betriebssituationen und die erschwerte Umsetzung einer bidirektionalen Durchströmung zu nennen. Eine weitere, nicht näher ausgeführte Methode zur Lastkompensation ohne Druckwaagen greift auf strömungskraftgerelte Ventilschieber zurück [31]. Auch wenn diese Variante speziell bei geringen Druckdifferenzen nicht ausreichend exakt ist, kann in einem realen System diese Aufgabe beispielsweise durch eine Load-Sensing-Pumpenregelung erfüllt werden, welche die Druckdifferenz am höchstbelasteten Verbraucher (Verbraucher mit der geringsten Druckdifferenz) einregelt. Alle übrigen Verbraucher fahren auf einem geringeren Lastniveau und sind somit einer größeren Druck differenz ausgesetzt, genau dem Bereich, wo auch die Lastkompensation ausreichend gut funktioniert [20]. Die Auswahl einer bevorzugten Lösung ist im hohen Maße vom Einsatz, den technologischen Voraussetzungen auf der Maschine, weiteren Subsystemen und nicht zuletzt den Kosten abhängig. Eine konkrete Bewertung einzelner Strukturen muss daher anwendungs-, maschinen- und auch herstellerspezifisch durchgeführt werden. Eine Auswahl an funktionalen Bewertungskriterien, welche dafür herangezogen werden können, findet sich in Tabelle 1. Analog dazu muss die Auswahl der Versorgungsstruktur, also Art, Anzahl der hydraulischen Energieversorgung und deren Ansteuerung bewertet werden. Hier findet sich eine Vielzahl von Lösungen, welche man übergeordnet in Betriebsregime (aufgeprägter Druck, aufgeprägter Volumenstrom, aufgeprägte Druckdifferenz) und technologische Umsetzung (hydraulisch-mechanisch, hydraulischelektrisch) einordnen kann. 5. VENTILTECHNIK Am Beispiel der vollständig aufgelösten Systemstruktur mit einzeln gesteuerten Widerständen soll der Einsatz von 2-Wege-Einbauventilen erläutert werden. Der wesentliche Vorteil von Sitzventilen ist ihre Dichtheit auch bei hohen Drücken, welche ohne enorme Überdeckungen oder besonders hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit erreicht wird. Ansteuerungen von 2-Wege-Einbauventilen arbeiten nach dem Prinzip von Druckteilerschaltungen, Bewertungskriterium Anzahl und Umsetzbarkeit von Betriebsmodi Komplexität, Flexibilität und Anpassbarkeit der Schaltung Anzahl, Bauraum und Kosten der eingesetzten Ventile erreichbares Sicherheitsniveau (Performance Level) Anzahl, Typ und Kosten der eingesetzten Ventilaktoren Anzahl, Typ und Kosten der Sensorik (Position, Druck) Komplexität und Verfügbarkeit der Ventilelemente zu erwartende Anforderungen an Dynamik und Auflösung der Ventile Herstellbarkeit einer Sitzdichtheit Komplexität, Flexibilität und Anpassbarkeit der Steueralgorithmen Diagnosefähigkeit, Wartbarkeit Tabelle 1: Auswahl an funktionalen Bewertungskriterien 46 O+P Fluidtechnik 3/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN 08 a) Definition von Last- und Bewegungsrichtung, b) Definition Betriebsmodusgrenzen F F\F max generatorisch V motorisch V F reg =f(p HD-R ND-R 1 P max motorisch F Zyl F Last F Zyl F Last V V V F Zyl F Last F Zyl F Last generatorisch a) b) V reg V NM aF NM F NM 1 NM 1 V reg V/V max HD-R bei dem zwei in Reihe geschaltete hydraulische Widerstände einen Steuerdruck in unterschiedlicher Höhe einstellen [5]. Ein gängiges Prinzip mit einem 3/2-Wegeventil zur Vorsteuerung (entspricht einem Brückenhalbglied A) ist in Bild 07 a) dargestellt. Dieses Prinzip stellt eine reine Steuerung des Hauptkolbens dar. Bei hohen dynamischen Anforderungen verbessert eine Lagerückführung des Hauptkolbens das statische und dynamische Übertragungsverhalten. In Bild 07 b) bis e) sind vier Möglichkeiten einer internen Wegrückführung dargestellt [32]. Das in Bild 07 b) gezeigte Servoprinzip basiert auf der Rückführung eines elektrischen Positionssignals des Hauptschiebers. Neben einem Wegsensor (LVDT) ist eine Regelelektronik erforderlich, welche ein Stellsignal aus der Sollwertvorgabe und der Rückführgröße erzeugt. Vorteilhaft bei dieser Variante ist die Möglichkeit variabler Verstärkungs- und Betriebsparameter in der Regelelektronik. Als nachteilig ist der erhöhte Komponentenaufwand mit den damit verbundenen Kosten aufzuführen. Ein hydraulisch-mechanisches Prinzip ist in Bild 07 c) schematisch dargestellt. Als Sollsignal dient eine Kraft, welche eine Ventilöffnung am Vorsteuerventil hervorruft. Diese Ventilöffnung korrespondiert mit der Öffnung des Hauptschiebers. Die Position des Hauptkolbens ist über eine Feder an das Vorsteuerventil gekoppelt und erzeugt bei Erreichen der gewünschten Position ein Kräftegleichgewicht. Über die Feder wird neben der Rückführgröße auch eine Entkopplung vom Vorsteuerhub erreicht, wodurch große Verstärkungen möglich sind. Als sogenanntes „Valvistor-Prinzip“ ist die rein hydraulische Wegrückführung in Bild 07 d) bekannt [25]. In dieser Ausführungsvariante dient ein rechteckiges Steuerfenster, welches im Hauptkolben eingebracht ist, als variabler Widerstand. In Kombination mit dem verstellbaren Widerstand des Vorsteuerventils liegt eine Druckteilerschaltung vor. Die Betriebscharakteristik des Ventils entspricht einem Volumenstromverstärker (in Analogie zum Transistor). Das vierte Servoprinzip, eine mechanische Wegrückführung, zeigt Bild 07 e). Auch dieses Prinzip basiert auf der Abstimmung zwischen einem festen und einem variabel ausgeführten hydraulischen Widerstand. Um ein Gleichgewicht herstellen zu können, muss der Volumenstrom durch beide Widerstände identisch sein, was zu einer festen Zuordnung von Hauptschieber und Regelkolben führt. Dieses Prinzip wird auch Folgeprinzip oder „follow-up servo“ genannt [33]. Einbauventile bieten weitere Vorteile durch die Möglichkeit zusätzliche Funktionen mit Hilfe der einzeln gesteuerten Widerstände abzubilden. Ein konstruktionsinhärenter Vorteil ist die Druckabhängigkeit der Sitzventil-Bauweise. Der Druck steigt bei einzeln gesteuerten Widerständen nur so hoch an, wie es durch das Produkt aus angreifenden Drücken und Flächen des Sitzventilkolbens bestimmt ist. Das bedeutet, dass durch die Rückwirkung des Lastdruckes die Funktionen eines Sicherheits- oder eines Rückschlagventils integriert sind. Der Einsatz von Ventilen im Vorsteuerkreis der Hauptstufe führt also zu einer Zusammenfassung von Funktionalitäten in einem Hauptwiderstand, wodurch aufwendige Integrationen von zusätzlichen Bauelementen im Gesamtsystem der Hydraulik entfallen. Die Auswahl geeigneter Einzelkomponenten und Schaltungen erfolgt nach statischen und dynamischen Gesichtspunkten. Für 2-Wege-Einbauventile sind unter anderem folgende Kriterien zu nennen: Öffnungsempfindlichkeit, Volumenstromverstärkung, Größe der Betätigungsflächen, Art und Anzahl der Steuerölabgriffe, Durchströmungsrichtungen sowie Dichtheit [32]. Darüber hinaus müssen die dynamischen Anforderungen der Steuerungsaufgabe und der externen Störungen abgedeckt werden. Allgemein gilt, dass die Eigenfrequenz des Ventils höher liegen sollte als die dominante Streckendynamik [20]. 6. BETRIEBSSTRATEGIE Je nach Quadrant sind nur einige Betriebsmodi technisch sinnvoll einsetzbar. Neben dem Normalmodus (NM) können im ersten, zweiten und vierten Quadranten Hoch- und Niederdruckregeneration (HD-R, ND-R) eingesetzt werden. Die quadrantenbezogene Betrachtung der Last- und Bewegungszustände für einzelne Verbraucher führt auf diskrete Umschaltbedingungen, wie sie in Bild 08 abgebildet sind. Die hierbei erreichbaren Kraft- und Geschwindigkeitsgrenzen sind durch die folgenden Gleichungen beschrieben. Die maximale O+P Fluidtechnik 3/2018 47