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O+P Fluidtechnik 5/2017

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STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN SCHALTSTELLUNGSÜBERWACHTE SENKBREMSVENTILE FÜR SICHERHEITSGERICHTETE STEUERUNGEN Autoren: Dipl.-Ing. Oliver Lohmaier, IFA-Institut für Arbeitsschutz der DGUV; Dr.-Ing. Michael Reik, Dipl.-Ing. Markus Bill beide HYDAC Fluidtechnik GmbH PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Hydraulische Lasthalte- bzw. Senkbremsventile werden verwendet, um das Absinken einer Last zu verhindern und bei Bedarf kontrolliert gesteuert abzusenken, beispielsweise in Baggern oder Kranen. Wo es durch unerwartete Bewegungen zu Gefährdungen kommen kann, sind meistens steuerungstechnische Maßnahmen erforderlich. Dieser Artikel geht auf die sicherheitstechnischen Anforderungen an solche hydraulischen Hochhaltebauteile ein und zeigt beispielhaft die steuerungstechnische Realisierung einer Sicherheitsfunktion nach DIN EN ISO 13849. In vielen stationären und mobilen Maschinen werden Bewegungen hydraulisch angetrieben und gesteuert. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist eine besondere Herausforderung das sichere hydraulische Hochhalten von Lasten. Im Anhang I der Richtlinie 2006/42/EG (Maschinenrichtlinie) wird grundsätzlich gefordert, dass Vorkehrungen zu treffen sind, die das Herabfallen von Maschinenteilen/Gegenständen, von denen ein Risiko ausgeht, vermeiden. Diese Gefahr darf weder durch Fehler in der Logik des Steuerkreises, noch bei Ausfall der Energieversorgung auftreten. Diese Forderungen werden auch in Normen, wie der DIN EN ISO 12100, „Sicherheit von Maschinen – Allgemeine Gestaltungsleitsätze – Risikobeurteilung und Risikominderung“ oder in der DIN EN ISO 4413, „Fluidtechnik – Allgemeine Regeln und sicherheitstechnische Anforderungen an Hydraulikanlagen und deren Bauteile“ erhoben. Eine Konkretisierung findet sich in einigen maschinenspezifischen C-Normen. In vielen Fällen wird die Sicherheitsfunktion (SF) „Hochhalten einer Last“ hydraulisch realisiert. Idealerweise legt eine zutreffende Maschinennorm die Anforderung an die Steuerung fest, anderenfalls muss mithilfe einer Risikobeurteilung der erforderliche Performance Level (PL r ) nach DIN EN ISO 13849 durch den Maschinenhersteller selbst ermittelt werden. Bei der Konstruktion der hydraulischen Steuerung müssen entsprechend dem für den Anwendungsfall (Applikation) und der Steuerungskategorie geeignete Hochhaltebauteile ausgewählt und eingesetzt werden. TYPISCHE HYDRAULISCHE HOCHHALTEBAUTEILE Die gängigsten hydraulischen Hochhaltebauteile können aufgrund ihres Konstruktionsprinzips in drei Gruppen aufgeteilt werden. 56 O+P Fluidtechnik 5/2017

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN Diese sind Wege-Schieberventile, Lastdruck schließende Ventile und Ventile, die nach dem Prinzip des Druckventils wirken. Hier muss zunächst das Wege-Schieberventil betrachtet werden. Diese Ventile können, sofern sie über eine geschlossene Mittelstellung und eine für die Anwendung akzeptable Leckage verfügen, eine Hochhaltefunktion übernehmen und können prinzipiell in Steuerungen aller Kategorien nach DIN EN ISO 13849-1 eingesetzt werden. Dazu müssen die jeweiligen Kategorieanforderungen, wie beispielsweise die Einhaltung der grundlegenden und bewährten Sicherheitsprinzipien nach DIN EN ISO 13849-2 oder z. B. eine Stellungsüberwachung bei Kategorie 3 bzw. 4 berücksichtigt werden. Die Gruppe der Lastdruck schließenden Ventile umfasst z. B. Rückschlagventile, gesteuerte Rückschlagventile, 2/2-Wege-Sitzventile. Diese Ventile weisen das für den Anwendungsfall „hochhalten einer Last“ wichtigste Sicherheitsprinzip nach Anhang C, Tabelle C.2 der DIN EN ISO 13849-2 – „durch den Lastdruck schließendes Ventil“– auf. Dies bedeutet, dass nach erfolgtem Schließen des Ventils ein Öffnen aufgrund des Lastdruckes verhindert wird, solange der Aufsteueranschluss nicht mit Druck beaufschlagt wird. Ist dies der Fall, kann man von einem „hydraulischen Formschluss“ sprechen. Insbesondere in einkanaligen Steuerungen, in denen die Last ausschließlich von diesem einen Ventil gehalten wird, sollte dieses Prinzip Anwendung finden. Auch die Ventile dieser Gruppe können in allen Steuerungskategorien eingesetzt werden. In Kategorie 3 und 4 sind jedoch fehlererkennende Maßnahmen zu treffen. Oftmals ist dies nur mittels einer direkten Stellungsüberwachung möglich. Die letzte Gruppe der Hochhalteventile sind Ventile, die nach dem Prinzip eines Druckventils aufgebaut sind. Hier sind insbesondere die Lasthalteventile bzw. die Senkbremsventile zu nennen. FUNKTIONSBESCHREIBUNG EINES SENKBREMSVENTILS Mit einem Lasthalte- bzw. Senkbremsventil und einem vorgeschalteten Steuerventil können die Zustände "Heben", "Senken" und "Stopp" bei den oben genannten hydraulischen Maschinen realisiert werden. Bei diesen Ventilen steht die Last auf der Regelfeder. Dies hätte bei Nachlassen der Federkraft oder bei Federbruch ein Absinken der Last zur Folge. Im Gegensatz zu den vorher genannten Rückschlagventilen kann hier nicht von einem „hydraulischen Formschluss“, sondern lediglich von einem „Kraftschluss“ gesprochen werden. Das Senkbremsventil ist üblicherweise zwischen dem Richtungsventil und Hydraulikzylinder angeordnet. Zu seinen primären Aufgaben gehören das leckagefreie Halten und das gesteuerte Absenken eines angehobenen Maschinenteils bzw. einer angehobenen Last. Des Weiteren kann die Druckbegrenzungsfunktion beim Überschreiten der maximal zulässigen Last die Maschine vor mechanischen Schäden schützen. Auch ein möglicher Leitungsbruch zwischen Senkbremsventil und Steuerventil kann abgesichert werden. Bei den im Folgenden beschriebenen Senkbremsventilen handelt es sich um Einschraubventile. Diese zeichnen sich durch eine 01 Hydraulisches Schaltsymbol eines Senkbremsventils 01 kompakte Bauweise aus, bei der alle Funktionskomponenten in einer Achse angeordnet sind und daher in einer Längsbohrung eines Ventilblocks eingebaut werden können. Um alle Funktionen gezielt unabhängig voneinander betätigen zu können, verfügt ein Senkbremsventil über drei Anschlüsse (Bild 01): n an Anschluss 1 liegt der Lastdruck an, n an Anschluss 2 liegt entweder Systemdruck (Heben der Last) oder Tankdruck (Senken der Last) an, n an Anschluss 3 liegt der Aufsteuerdruck an. Die Senkbremsventile sind als Einschraubventile mit metrischem Einbauraum nach ISO 7789 ausgeführt. Der Volumenstrombereich ergibt sich aus der gewählten Ventilgröße bzw. dem Einbauraum (EBR). Nenngröße 10 (EBR 10121) Nenngröße 12 (EBR 12121) Nenngröße 16 (EBR 16121) Q max = 60 l/min Q max = 100 l/min Q max = 180 l/min Senkbremsventile decken folgende Teilfunktionen ab: n Lasthaltefunktion Wurde eine Last über das integrierte Rückschlagventil hydraulisch angehoben, stützt sich diese nach dem Unterbrechen der Ölzufuhr leckagefrei auf dem Senkbremssperrventil ab. n Druckbegrenzungsfunktion Durch die im Senkbremsventil integrierte Druckbegrenzungsfunktion wird sichergestellt, dass es zu keinem Schaden in der Anlage durch unzulässig hohe Lastdrücke kommt. Allerdings darf diese Funktion nur im Ausnahmefall (Überlast) ansprechen, da es in diesem Falle zu einem unkontrollierten Absenken der Last kommt. n Aufsteuerfunktion Das Senkbremssperrventil kann über seinen Pilotanschluss hydraulisch aufgesteuert, d. h. entsperrt werden. Der benötigte Aufsteuerdruck steht zu dem eingestellten Begrenzungsdruck in einem festen Verhältnis. Der sich einstellende Öffnungsquerschnitt steigt dabei proportional zum anstehenden Steuerdruck. In der Praxis werden Senkbremssperrventile zumeist durch eine Kombination aus Aufsteuerdruck und Lastdruck betätigt. SENKBREMSVENTILE MIT SCHALTSTELLUNGSÜBERWACHUNG Die Schaltstellungsüberwachung ermöglicht bei allen Ventilen, die einen Volumenstrom und damit eine Zylinderbewegung kontrollieren, die Funktionsüberwachung bzw. die Ventildiagnose. Dabei zeigt ein Sensor die jeweilige Schaltstellung des Ventils an (Bild 02). Diese elektrischen Signale können entweder zur Diagnose beim Einsatz dieser Ventile in sicherheitsgerichteten Teilen von Steuerungen oder der Zustandserfassung im Rahmen der Industrie 4.0 genutzt werden. Zum Einsatz kommen nach dem Induktionsprinzip berührungslos arbeitende Sensoren. Über die beiden Signalausgänge können die Zustände "High" und "Low" ausgegeben werden. Beim Erreichen oder Verlassen der überwachten Positionen gibt der Sensor einen Signalwechsel (PNP-Ausgang) aus (Bild 03). Hierbei liegt die Auflösung des Induktivsensors deutlich innerhalb der Ventilüberdeckung unter Berücksichtigung der Hysterese. WIE FUNKTIONIERT DIE STELLUNGS­ ÜBERWACHUNG? Der Schaltstellungssensor erfasst und meldet die Position des Hauptkolbens (Bild 04 und 05). Er ist werkseitig auf für die einzelnen Ventilfunktionen charakteristische Kolbenpositionen justiert. Folgende Ventilzustände können unterschieden werden: n Last heben / Ventil drucklos Die Sensorausgänge für die Zustände "Last heben" und "Ventil lastseitig drucklos" sind zunächst identisch. Zur Unterscheidung ist ei- O+P Fluidtechnik 5/2017 57

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