New solutions for electrohydraulic control systems with separate metering edges for mobile machinery
Final Report Abstract
Motivation und Zielsetzung. Hydrauliksysteme mobiler Arbeitsmaschinen versorgen zahlreiche Verbraucher aus einer gemeinsamen Druckquelle. Bei parallelem Betrieb mehrerer Verbraucher mit unterschiedlicher Belastung entstehen dabei große Drosselverluste an den Steuerkanten niederbelasteter Verbraucher. Weiterhin muss bei der Abstimmung der mechanisch gekoppelten Zulauf- und Ablaufkante heutzutage standardmäßig verwendeter 4/3-Wegeventile ein Kompromiss zwischen Energieeffizienz und Steuerbarkeit ziehender Lasten eingegangen werden, während ein energetisch optimaler Betrieb eine lastabhängige Kantenabstimmung erfordert. Ein Ventilsystem mit getrennten Steuerkanten für Zu- und Ablauf und der Freiheit, beide Verbraucheranschlüsse unabhängig voneinander an Druck oder Tank zu schalten, soll die genannten Energieverluste minimieren. Lösungsweg und Ergebnisse. Die Zerlegung des Steuerungssystems einer mobilen Arbeitsmaschine in seine funktionalen Bestandteile ermöglichte eine Systematisierung des Lösungsraumes für den Entwurf neuer Systeme. Der Schwerpunkt wurde dabei auf die Entwicklung des Ventilsystems gelegt, welches das konventionelle 4/3-Wegeventil am einzelnen Verbraucher ersetzen soll. Ventilsysteme mit getrennten Steuerkanten für Zu- und Ablauf bieten einen weiteren Freiheitsgrad, welcher für die Beeinflussung des Druckniveaus zusätzlich zur konventionellen Geschwindigkeitssteuerung genutzt werden soll. Geschwindigkeit und Druck in einem hydraulischen Verbraucher sind jedoch in hohem Maße miteinander verkoppelt, was komplexe Mehrgrößenregelungsstrategien erfordert. Solche sollten durch Auswahl eines geeigneten Ventilsystems vermieden werden, welches die gewünschte Entkopplung bereits auf Hardware-Ebene realisiert. Mithilfe theoretischer Analysen und nichtlinearer Systemsimulationen wurde eine Systemvariante mit einer der Zulaufdrossel vorgeschalteten Individualdruckwaage als Vorzugslösung ermittelt. Diese wurde als Prototyp an einem Baggerarm- Prüfstand umgesetzt. Dabei verwendete extern vorgesteuerte Proportionalventile stellten sich bei Steuerung im offenen Kreis als zu langsam und unzureichend genau heraus. Eine ausreichende Dynamik und Auflösung ließ sich mit einer Schieberwegregelung im geschlossenen Kreis erreichen, die zunächst nicht vorgesehen war und in serienmäßiger Anwendung an Mobilmaschinen nicht üblich ist. Eine für das gewählte Ventilsystem entwickelte Steuerungsstrategie nutzt den Schieberweg der Druckwaage als Indikator für die Lastsituation und zur Steuerung der Ablaufdrosselkante. Praktische Versuche zeigten eine unbefriedigende Genauigkeit und zu langsame Dynamik für die Druckregelung. Das erstgenannte Problem ist auf die nicht ausreichend genau beschreibbaren Strömungsverhältnisse in der Druckwaage zurückzuführen und konnte durch Einsatz eines Drucksensors anstelle des Druckwaagen-Wegsensors umgangen werden. Die langsame Dynamik des Druckregelkreises ist in der mangelnden Information zum Systemzustand begründet. Die Steuerungsstrategie wurde an die Nutzung beider Kammerdrücke des Verbrauchers als Sensorinformation angepasst und liefert nun befriedigende Ergebnisse. Die genutzte Sensorinformation ist mit der anderer Forschungsarbeiten vergleichbar [Kol16; Liu02; She06], allerdings ist der Regelalgorithmus sehr einfach und verständlich gestaltet und aufgrund einer Minimalanzahl an Parametern besonders leicht in Betrieb zu nehmen. Weiterhin ist er auch bei Verwendung relativ langsamer Ventiltechnik funktionsfähig. Dies beides verspricht eine hohe Akzeptanz in industriellen Anwendungen. Je nach Einsatzfall und gewählter Referenz konnten in Prüfstandsversuchen und Simulationen Energieeinsparpotentiale zwischen 10 und 56% gegenüber konventionellen Steuerungssystemen nachgewiesen werden. Weiterer Forschungsbedarf besteht in bei Umschaltung zwischen den Betriebsmodi Normalverschaltung und Hochdruckregeneration, welche unter Nutzung preiswerter und damit wirtschaftlich lukrativer Schaltventile nur diskret erfolgen kann, sich bisher jedoch noch spürbar auf die Bewegung des Aktors auswirkt.
Publications
- Structural Design of Independent Metering Control Systems. Proceedings of the 13th Scandinavian Conference on Fluid Power, Linköping, Sweden, 2013
Sitte, A.; Weber, J.
- Design of Independent Metering Control Systems. Proceedings of the 9th International Fluid Power Conference, Aachen, Germany, 2014
Sitte, A.; Beck, B.; Weber, J.
- Load-Force-Adaptive Outlet Throttling – An Adjustment-Free Independent Metering Control Strategy. Proceedings of the Bath/ASME 2016 Symposium on Fluid Power and Motion Control, Bath, UK, September 7-9, 2016
Lübbert, J.; Sitte, A.; Beck, B.; Weber, J.
- Pressure Compensator Control – A novel Independent Metering Architecture. Proceedings of the 10th International Fluid Power Conference, Dresden, Germany, 2016
Lübbert, J.; Sitte, A.; Weber, J.
