O+P Fluidtechnik 6/2017

ANTRIEBE HYDRAULIK UND

ANTRIEBE HYDRAULIK UND ELEKTROMECHANIK WERDEN EINS PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Hydraulisch oder elektromechanisch? Vor dieser Frage stehen Konstrukteure im Maschinen- und Anlagenbau, wenn es um die auszuwählende Antriebstechnologie geht. Dass eine hybride Lösung als rentable Option viele Vorteile bieten kann, zeigt das Konzept des elektrohydrostatischen Aktuators. Das Unternehmen Moog setzt dies gemeinsam mit Maschinenherstellern um. Betreiber profitieren davon durch System- und Kostenvorteile. Konstrukteure stehen vor der Herausforderung, neue Maschinen und Anlagen zu entwickeln, die ein deutliches Plus an Energieeffizienz, Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit bieten. Doch wie kann es gelingen, eine Maschine so zu konstruieren, dass sie in allen Bereichen das Optimum leistet? Ein großes Potenzial liegt in der verwendeten Antriebstechnik. Je nach Leistungsklasse ist diese in der Regel elektrohydraulisch oder elektromechanisch ausgeführt. Beide Technologien bieten systembedingte Vor- und Nachteile. Welches Konzept eignet sich für die jeweilige Anwendung am besten? Kommt eine Hybridlösung in Frage? Der elektrohydrostatische Aktuator bildet die Symbiose beider Technologien. Als kompakter Hybrid vereint er die Vorteile beider Seiten und umgeht gleichzeitig ihre Nachteile. Dies sorgt später im laufenden Betrieb der Maschine für mehr Energieeffizienz und Produktivität und spart zudem Betriebskosten ein. Autoren: Dr.-Ing. Achim Helbig, Dr.-Ing. Christoph Boes, Moog GmbH DAS BESTE AUS ZWEI WELTEN IN EINER BAUGRUPPE Das elektrohydrostatische Antriebssystem (EAS) verbindet hydraulische und elektrische Konstruktionselemente zu einem in sich geschlossenen System. Dazu zählen ein Frequenzumrichter, ein Servomotor, eine Radialkolbenpumpe, ein Hydraulikzylinder und Sensorik für die Achsregelung. Der Pumpenantrieb ist drehzahlgeregelt und für den Vier-Quadranten-Betrieb ausgelegt. Alle Komponenten sind in der Regel in die Aktuatorbaugruppe integriert. Damit ist das EAS vollständig autonom. Das System benötigt lediglich eine Stromquelle. Im Gegensatz zu einem elektrohydraulischen Aktuator kommt das EAS ohne Hydraulikleitungen aus, was die Kosten erheblich senkt, die Zuverlässigkeit steigert und das Risiko für Umweltbelastungen drastisch minimiert. Zudem benötigt es weder Spindeloder andere mechanische Getriebe – was ihn vom elektromechanischen Antrieb unterscheidet. Im EAS arbeitet zwischen Elektromotor und Hydraulikzylinder ein hydrostatisches Getriebe. Der Antriebsmotor dreht sich nur, wenn am Abtrieb eine Bewegung gefordert ist. Das EAS-Designkonzept verbindet das Beste aus beiden Welten: die Vorteile des Hydraulikzylinders bei der Kraftübertragung, den Kosten und der Robustheit mit den energetischen Vorteilen des elektromechanischen Antriebs mit der typischen Eigenschaft, „Power on Demand“. Damit folgt der elektrohydrostatische Antrieb dem aktuellen Trend, bei der Maschinenkonstruktion besonderes Augenmerk auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit zu richten. Auch muss das verwendete Hydrauliköl aufgrund des hohen Wirkungsgrades und den damit verbundenen geringen Verlusten nur wenig Wärme aufnehmen. Es erreicht in der Regel nur etwa 40 bis 60 °C Betriebstemperatur. In Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen und dem Lastprofil kommt das EAS entweder mit einer Konvektionskühlung des hydrostatischen Getriebes aus oder erfordert einen Kühlkreislauf kleiner Leistung. Die platz- und energieraubende Kühlung klassischer hydraulischer Aggregate kann entfallen. Ein weiterer Vor­ 16 O+P Fluidtechnik 6/2017

ANTRIEBE POINTIERT DAS EAS VERBINDET HYDRAULISCHE UND ELEKTRISCHE KONSTRUKTIONSELEMENTE BASIS FÜR DIE UMSETZUNG DEZENTRALER ANTRIEBSKONZEPTE BESONDERES AUGENMERK AUF ENERGIE­ EFFIZIENZ UND UMWELTFREUNDLICHKEIT teil: Die Ölalterung wird auf ein Minimum beschränkt aufgrund des Sauerstoffabschlusses, des wesentlich reduzierten Wärmeeintrags und den nicht vorhandenen Scherbelastungen im Ventil. VORTEILE FÜR KONSTRUKTEURE HOHE ROBUSTHEIT UND „POWER ON DEMAND“ Die autonome und platzsparende Baugruppe des EAS bildet die Basis für die Umsetzung dezentraler Antriebskonzepte. Damit wird dem zunehmenden Wunsch von Maschinenherstellern und Betreibern entsprochen, zentrale Antriebe wie eine elektrohydraulische Lösung mit aufwendiger Zentralhydraulik und Versorgungsaggregat zu vermeiden. Elektromechanische Antriebe sind für dezentrale Lösungen ebenso geeignet, haben aber den entscheidenden Nachteil der Kraftlimitierung und scheiden daher bei Maschinen, die hohe bis sehr hohe Kräfte benötigen, als Antriebsquelle aus. Für den Konstrukteur ist die Integration eines EAS in ein geplantes Antriebssystem einfach, da es einem elektromechanischen Antrieb sehr nahe kommt. Wie bei einem elektromechanischen Antriebssystem benötigt es die gleichen mechatronischen Kenntnisse, z. B. den Aktuator auszulegen oder die dynamische Performance des Antriebs zu optimieren. Auch die Antriebssteuerungen und die verwendeten Feldbussysteme (z. B. EtherCAT) sind identisch. Zieht der Konstrukteur ein klassisches elektrohydraulisches Antriebssystem in Betracht, so ist zu beachten, dass dies einen hohen infrastrukturellen Aufwand erfordert: Pumpen, Steuerblöcke, Servoventile, Filter, Sensoren und Verbindungselemente (Rohre, Schläuche, Kupplungen) müssen ausgelegt und installiert werden. All dies entfällt beim elektrohydrostatische Antrieb: Er ist eine einfach zu handhabende Plug & Play-Lösung welche z. B. die Filtrie- rung bereits enthält. Die Implementierung eines EAS-Antriebssystems wird zusätzlich durch eine besondere Modulbauweise erleichtert. Moog unterscheidet hier Standardkomponenten von anwenderspezifischen Komponenten. Zu den Standardkomponenten zählen Frequenzumrichter und elektrohydrostatische Pumpen Einheiten (EPU), die in verschiedenen Baugrößen verfügbar sind. Die anwenderspezifischen Komponenten sind Steuerblöcke und Hydraulikzylinder, die je nach Anwendung individuell ausgelegt werden. So kann einerseits für jede einzelne Maschinenapplikation eine maßgeschneiderte EAS-Antriebslösung konstruiert werden, andererseits ermöglicht das Konzept die Schnittstelle zum Anwender den Anforderungen entsprechend zu gestalten. ANWENDUNGSSZENARIEN UND RENTABILITÄTSANALYSE Der Einsatz der EAS-Technologie ist besonders prädestiniert für folgende Anwendungsfelder: n Maschinen mit elektromechanischem Antrieb, die die hohe Kraftaufnahme und Kraftdichte der Hydraulik für eine begrenzte Anzahl von Achsen benötigen, z. B. Spritzgießmaschinen. n Alle hydraulisch angetriebenen Maschinen mit mehreren hydraulischen Bewegungsachsen mit aufwendiger Infrastruktur für die Zentralhydraulik, z. B. Pressen, Walzwerke und Dampfturbinen. Für Volumenströme größer als 450 l/min ist es möglich mehrere EPU parallel zu schalten. Aus ökonomischer Sicht ist das EAS eine lohnende Option. Je nach Applikation liegt er in den Anschaffungskosten möglicherweise zunächst höher, was aber im Vergleich zur elektrohydraulischen Antriebslösung durch die hier anfallenden Kosten der hydraulischen Infrastruktur und die höheren Betriebskosten wieder ausgeglichen wird. Eine Rentabilitätsanalyse ist empfehlenswert. Sie schließt den Energieverbrauch der in Betrieb genommenen Maschine ein und ermittelt die Gewinnschwelle. EAS MITTELS EPU BEI DER MASSIVUMFORMUNG – EIN FALLBEISPIEL Die SMS group GmbH, der führende Hersteller von Ringwalzmaschinen beauftragte Moog mit der Entwicklung eines neuen Antriebskonzepts für eine Radial-Axial-Walzmaschine (RAW). Die Bedarfsanalyse zeigte folgende Kernpunkte: Auf eine Zentralhydraulik sollte vollständig verzichtet werden. Ziel war eine vereinfachte und verkürzte Installation und schnellere Inbetriebnahme der Ringwalzmaschinen beim Endkunden. Der Wegfall der Zentralhydraulik sollte zugleich den Geräuschpegel minimieren sowie mögliche 01 ELEKTROHYDROSTATISCHER ANTRIEB (EAS) 01 Prinzipieller Aufbau eines elektrohydrostatischen Antriebssystems O+P Fluidtechnik 6/2017 17