Hydraulikantriebe holen auf bei Steuerbarkeit und Energieeffizienz

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Die maximal erzielbare Kraft ist nur halb so groß wie bei einer Standardschaltung, weil der Druck auf der Stangenseite des Zylinders zur Rückspeisung des Fluids in A höher ist.

Dieses Restproblem kann wie folgt gelöst werden: durch Integration eines Rückschlagventils und eines Schaltventils. Dadurch lässt sich die A-Regeneration bei Bedarf jederzeit in eine Standardschaltung umwandeln, ohne dass die Gefahr einer Überlastung besteht. Die A-Regeneration wird dadurch zu einer A-Hybridschaltung.

Vereinfachung der Schaltungsauswahl anhand von Leistungsvergleichen

Jede der beschriebenen Schaltungen – außer der neuen A-Regeneration – kommt in der Industrie bereits zur Anwendung. Die jeweiligen Anforderungen sind dabei ausschlaggebend, welche der Schaltungen richtig und am effektivsten ist. Ein Vergleich der durch die Drosselkanten im Ventil verursachten Energieverluste der einzelnen Schaltungen erleichtert die Entscheidung.

In Bild 11 sind alle beschriebenen fünf Schaltungen für die Funktionen Aus- und Einfahren aufgeführt. Zur Vereinfachung des Vergleichs der Verluste an den Steuerflächen der Ventile ist die Zylindergeschwindigkeit beim Aus- und Einfahren in allen Schaltungen gleich. Die Kolbensteuerfläche „1“ entspricht den Werten von 50 l/min für den Volumenstrom bei einem Differenzdruck von 5 bar.

Doppelter Volumenstrom an den Ventil-Steueranschlüssen erzeugt vierfachen Druckabfall

Laut Gleichung (3) erzeugt der doppelte Volumenstrom beziehungsweise der halbe Drosselquerschnitt an den Steueranschlüssen des Ventils einen vierfachen Druckabfall. Bei Betrachtung des gesamten Drosselverlusts in der letzten Zeile von Bild 11 wird deutlich, dass die A-Regenerationsschaltung die Leistung um mehr als 30% erhöht.

Abhängig von den Anforderungen an die Kraft während des Hubs und/oder die Geschwindigkeit in Verbindung mit der Kraft muss der Systemkonstrukteur das Zylinder-Querschnittsverhältnis und das Ventil optimieren, um die perfekte Kombination zu erhalten. Eine Maschine, die hohe Lasten ausfahren und niedrige Lasten einfahren muss, sollte mit einem Zylinder ausgestattet sein, dessen Querschnitte dasselbe Verhältnis bieten wie die zur Lastbewegung benötigten Kräfte.

Ist die Geschwindigkeit kein wichtiger Parameter, reicht die Standardschaltung aus. Die Anpassung der Ventilsteuerkanten an das Zylinderquerschnittsverhältnis kann zu einem symmetrischen Druckabfall und besserer Steuerbarkeit bei geregelten Bewegungen führen. In diesem Fall lässt sich die Energieeffizienz nicht verbessern.

Änderungen in der Schaltung für Geschwindigkeit bei festgelegter Zyklusdauer

Ist die Geschwindigkeit bei einer festgelegten Zyklusdauer im gesamten Maschinenprozess ein wichtiger Parameter, sind entsprechende Änderungen in der Schaltung vorzunehmen. So ermöglicht die beschriebene Schaltung mit P-Regeneration, die Ausfahrgeschwindigkeit zu verbessern, jedoch auf Kosten niedrigerer Ausfahrkräfte.

Die ideale Lösung, zum Beispiel für die Werkzeugschließeinheit von Spritzgießmaschinen, ist eine Kombination aus hoher Geschwindigkeit und niedrigen Kräften zum Öffnen und Schließen der Gussform, umschaltbar auf niedrige Geschwindigkeit und hohe Kräfte zum Aufbau der maximalen Schließkraft.

Gegenwärtige Schaltungen mit überdimensionierten Ventilen und Zylindern

Die gegenwärtigen Schaltungen arbeiten entweder mit überdimensionierten Ventilen und/oder Zylindern, um die gewünschte Geschwindigkeit in Verbindung mit der benötigten Kraft zu erzielen. Es ist jedoch so, dass Geschwindigkeit und Kraft nicht gleichzeitig benötigt werden. Folglich wird mit den aktuellen Lösungen eine erhebliche Menge an Energie verschwendet.

Die perfekte Lösung für Spannvorrichtungen und viele andere Maschinenkomponenten ist eine Schaltung mit A-Regeneration für schnelle, energiesparende Bewegungen in Verbindung mit einer Standardschaltung für hohe Kräfte. Eine solche Anlage wird als A-Hybrid bezeichnet. Die A-Hybridschaltung besteht aus einem DCV mit integriertem Schalt- und Rückschlagventil innerhalb eines Standardventilgehäuses. Bild 12 zeigt diese Schaltung.

Literatur

[1] Backé, W.: Servohydraulik. Umdruck zur Vorlesung. Aachen: IHP am RWTH Aachen 1992.

Dipl.-Ing. Hansgeorg Kolvenbach ist Geschäftsbereichsleiter Industrieventile in der Hydraulic Controls Division Europe bei der Parker Hannifin GmbH in 41564 Kaarst. Dipl.-Ing. Michael Esser ist dort zuständig für Produktmarketing

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