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O+P Fluidtechnik 5/2018

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STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN 02 Hydraulikschaltplan der gewählten Systemkonfiguration 10 U p 8 3 4 ECU Alpha 2 1 7 9 5 Weitere Verbaucher p U 6 11 Aus der Analyse geht die Rangfolge des Einsparpotentials der Betriebsmodi hervor: Mit ausschließlicher Nutzung der Hochdruckregeneration HD-R neben dem obligatorischen Normalbetrieb NM mit lastadaptiver Kantenabstimmung können im betrachteten Lastzyklus 16% Pumpenarbeit eingespart werden. Hierbei ist die Hochdruckregeneration der attraktivste einzelne Zusatzmodus neben dem Normalbetrieb. Zieht man die Realisierung von drei statt zwei Betriebsmodi in Betracht, ergeben sich Normalbetrieb NM, Niederdruck-Kurzschlussregeneration ND-R-SC und Hochdruck-Kurzschlussregeneration HD-R-SC als günstigste Kombination mit einer Einsparung von 24%. Erlaubt man alle theoretisch denkbaren Modi, was einem vergleichsweise hohen technischen Aufwand bedeutet, ist darüber hinaus lediglich noch 1% zusätzlich einsparbar (Alle Betriebsmodi, Bild 1 unten). Folglich sind ein bis maximal zwei mithilfe der 03 Systemarchitektur der Maschinensteuerung FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Bediener V Ausleger V Stiel V Löffel V Soll p Zu, Soll p Erf, Q Erf Pumpenstrom Auslieger Stiel Löffel Ventilblock Versorgungssteuerung Ventilströme p 0, Erf p 0 p A, p B Q 0, Erf Zentralsteuerung / Betriebsstrategie Achssteuerung 34 O+P Fluidtechnik 5/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN Potentialanalyse identifizierte Zusatzmodi neben dem Normalbetrieb aus wirtschaftlicher Sicht ein guter Kompromiss. Daher beschränken wir uns auf die Hochdruckregeneration HD-R als einzigem Zusatzmodus. Daneben ist die Niederdruck-Kurzschlussregeneration ND-R-SC beim Senken des Auslegers mit dem vorliegenden Nackenzylinder ohne Tankvorspannung nicht realisierbar. 2.2 ABLEITUNG DER VENTILSTRUKTUR Maßgeblich für die Synthese einer Ventilstruktur sind die Lastzyklen, die jede betrachtete Achse erfährt und die zuvor mithilfe der Potentialanalyse ermittelten Betriebsmodi, die an der jeweiligen Achse implementiert werden sollen. Abhängig von der Applikation können die Ventilsysteme für die verschiedenen Verbraucher einer Maschine unterschiedliche Gestalt annehmen: Typischerweise weist z. B. der Ausleger eines Mobilbaggers das größte Regenerationspotential aufgrund der Energiedissipation bei Senkbewegungen auf. Verfügt der Ausleger über Hubzylinder, die beim Senken eingefahren werden, sollte eine eventuelle Energierückspeisung in den Pumpenkanal bevorzugt am Ausleger implementiert werden. An einem Mobilbagger treten an allen betrachteten Achsen (Ausleger, Stiel und Löffel) Betriebspunkte in allen vier Quadranten der F/v-Ebene auf. Dies erfordert ein Schaltungskonzept für doppeltwirkende Verbraucher, also solche, die in beiden Bewegungsrichtungen motorisch arbeiten können. Im Sinne der Vereinheitlichung der verwendeten Komponenten wird eine an beiden Verbraucheranschlüssen symmetrische Schaltungsstruktur bevorzugt, welche baugleiche Elemente auf Kolben- und Stangenseite umfasst. Am nachfolgend betrachteten Prüfstandsaufbau wird aufgrund der Marktverfügbarkeit an Komponenten für die proportionale Dosierfunktion in Zu- und Ablauf auf 2/2-Ventile in Schieberbauweise zurückgegriffen (Positionen 8 und 9 in Bild 2). Für die Gewährleistung der Lasthaltefunktion werden Sitzventile in Reihe geschaltet (Positionen 3 bis 6). Diese Struktur mit zwei Proportional- und vier Sitzventilen nimmt gegenüber einer Lösung mit vier Proportionalventilen mehr Bauraum in Anspruch, bietet aber aufgrund des zweiten Abschaltpfades einen Sicherheitsvorteil (siehe auch im vorangegangenen Beitrag „Vergleichbarkeit schaffen – getrennte Steuerkanten und die Sicherheitsnormen“). Mit dieser Grundstruktur können beide Arbeitsanschlüsse wahlweise mit Hoch- oder Niederdruck verbunden werden. Dies erlaubt neben Normalbetrieb NM in beiden Verfahrrichtungen auch die Hochdruckregeneration HD-R. Werden mehrere Verbraucher an einer gemeinsamen Pumpe betrieben, so orientiert sich der Pumpendruck stets am lasthöchsten Verbraucher. Niederbelastete Verbraucher sind Prinzip bedingt überversorgt. Um Quereinflüsse aufgrund dieser Überversorgung zu vermeiden, wird die Schaltung um eine Primär-Individualdruckwaage (2) und ein Lastmeldeventil (7) zur indirekten Volumenstromregelung erweitert. Wie bei konventionellen lastkompensierten Systemen drosselt die Druckwaage den Drucküberschuss an den niederbelasteten Verbrauchern ab. Damit wird die hohe Regeldynamik der Druckwaage zum pumpendruckunabhängigen Ausregeln der Zulaufvolumenströme der einzelnen Verbraucher und zur Lastkompensation motorisch wirkender Lasten genutzt. Damit entstehen Kostenvorteile, weil die Dynamik der Proportionalventile so auf dem vergleichsweise niedrigen Niveau der Wahrnehmungsschwelle des Bedieners liegen kann. Ziehende bzw. generatorisch wirkende Lasten werden mithilfe des Proportionalventils im Ablauf und der Signale der Drucksensoren (10 und 11) elektronisch kompensiert. Hinsichtlich der Versorgungssteuerung wird die am Prüfstandsaufbau angestrebte maximale Flexibilität mit einer elektronisch schwenkwinkelgesteuerten Pumpe erreicht (Position 1). Damit ist eine bedarfsgerechte Versorgung unter Vermeidung unnötiger Drucküberschüsse, wie sie oft in konventionellen Load-Sensing-Systemen auftreten, für verschiedene Steuerungsstrategien möglich. 3. STEUERUNGSALGORITHMEN Aufgabe der Maschinensteuerung ist das Einstellen der vom Bediener gewünschten Sollgeschwindigkeiten an den jeweiligen Verbrauchern. Dies soll unter Berücksichtigung der gegebenen Hardware so genau und energieeffizient wie möglich geschehen. Die zwei Freiheitsgrade eines GSK-Ventilsystems erlauben neben der konventionellen bedienergeführten Geschwindigkeitssteuerung die Beeinflussung einer weiteren Stellgröße, dem Druckniveau im Verbraucher. Diese zusätzliche Stellgröße soll sinnvoll genutzt werden, um Befüllungsdefizite im Falle bewegungsunterstützend, also generatorisch wirkender Lasten zu vermeiden und energieeffiziente Betriebsmodi zu ermöglichen. Dazu ist ein Algorithmus zur Festlegung des Druckniveaus im Verbraucher erforderlich. Im Folgenden wird ein möglicher Steuerungsalgorithmus für die Anwendung in mobilen Arbeitsmaschinen vorgestellt, mit dem alle vier Quadranten eines Antriebes abgedeckt sind, d.h. sowohl motorische als auch generatorische Lasten in beiden Richtungen bewegt werden können. Der Forderung nach hoher Robustheit gegenüber den für Mobilmaschinen typischen Schwankungen der Antriebsparameter (z. B. druck- und temperaturabhängige Kapazität und Steifigkeit, positions- und beladungsabhängige Ersatzmasse) wird durch Verzicht auf modellbasierte Regelungsansätze Rechnung getragen. Die auf Drucksignalen basierende Lastdetektion ermöglicht neben der Kompensation generatorischer Lasten auch die eigenständige Wahl zwischen Normalbetrieb NM und Hochdruckregeneration HD-R. Für die Steuerung mehrerer Achsen und einer ihnen gemeinsamen Versorgung wird eine Steuerungsarchitektur vorgeschlagen, die die drei Module Zentral-, Achs- und Versorgungssteuerung umfasst (Bild 3): Die Zentralsteuerung erfasst die vom Bediener geforderten Sollgeschwindigkeiten und gibt sie an die der jeweiligen Achse zugeordnete Achssteuerung weiter. Außerdem sammelt sie die von den Achssteuerungen gemeldeten Lastsituationen und bestimmt das allen Achsen gemeinsame Solldruckniveau in den Zulaufkammern. Aus den Solldrücken bestimmt die Zentralsteuerung den erforderlichen Versorgungsdruck und meldet diesen sowie den benötigten Summenvolumenstrom an die Versorgungssteuerung. Die Achssteuerung überwacht den aktuellen Zustand der zugehörigen Achse mithilfe beider Zylinderkammerdrücke und aktuiert die zugehörigen Ventile derart, dass sich die Sollwerte für Geschwindigkeit und Zulaufkammerdruck am jeweiligen Zylinder einstellen. Im Folgenden werden die wesentlichen Aspekte der Zentral- und Achssteuerung näher beleuchtet. 3.1 ZENTRALSTEUERUNG Aufgabe der Zentralsteuerung ist die Erfassung und Weitergabe der individuellen Sollgeschwindigkeiten an die einzelnen Achsen, sowie die Festlegung der Solldruckniveaus für die Achsen. Durch die gezielte Vorgabe der Solldrücke wird der Betriebsbereich, in dem die energiesparende Hochdruckregeneration HD-R möglich ist, erweitert. O+P Fluidtechnik 5/2018 35

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