Entwicklung einer ablösenden hydraulisch-mechanischen und elektrohydraulischen Regelung für Load-Sensing Hydrauliksysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung und Untersuchung einer ablösenden Regelung eines hydraulisch-mechanischen (hm) und eines elektrohydraulischen (eh) Förderstromreglers einer Verstellpumpe für ein Load-Sensing System. Hierdurch sollte unter Berücksichtigung des ausschließlichen Einsatzes mobiltauglicher Komponenten und einer einfachen Systemstruktur mit nur einem zusätzlichen Sensor eine optimale Systemeffizienz im wichtigen Arbeitsbereich mobiler Arbeitsmaschinen mit mittlerer und hoher übertragener Leistung erzielt werden. Folgende Ergebnisse zum Systemverhalten konnten in Simulation und realen Messungen erzielt werden: • Die für die Adaption des Förderstromreglers an den Betriebsbereich notwendige Ablösung des aktiven Stellgliedes durch ein zweites Stellglied kann rein softwareseitig so gestaltet werden, dass das Verbraucherverhalten während des Reglerübergangs kaum beeinflusst wird. Weiterhin bleibt die Systemstabilität auch bei erschwerten Bedingungen erhalten. Hierzu gehört beispielsweise ein stetiger Reglerwechsel mit hoher Frequenz oder die Sprunganregung eines schwach gedämpften Verbrauchers in den Übergangsbereich. • Die systembedingte Verlustleistung konnte durch die Druckdifferenzregelung bis auf 0,2 MPa Drucküberschuss multipliziert mit dem gelieferten Pumpenvolumenstrom reduziert werden ohne zusätzliche Volumenstromverluste an einem Bypass zu erzeugen. Gegenüber dem hydraulisch-mechanischem Load-Sensing ergibt sich damit im Bereich mittlerer und hoher übertragener Pumpenleistung eines Traktorhydrauliksystems eine Anhebung des Wirkungsgrads um 5 – 10 %. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist nur durch konstruktive Maßnahmen und zusätzliche Sensoren möglich. • Im elektrohydraulischen Betrieb kann im Vergleich zum konventionellen Load- Sensing durch die unterlagerte Bedarfstromsteuerung eine verbesserte Systemdämpfung erreicht werden. Dies ist vor allem im Hinblick auf den Einsatz schwach gedämpfter Verbraucher und automatisierter Bewegungsabläufe vorteilhaft. • Durch den Einsatz der ablösenden Regelung kann das System mit Hilfe eines mobiltauglichen, elektrohydraulischen Förderstromreglers, mit dem Nachteil einer nicht zu vernachlässigenden Hysterese im unteren Schwenkwinkel- und Druckbereich, realisiert werden. Ohne die ablösende Regelung würde die Hysterese im genannten Schwenkwinkelbereich zur Störung des Bewegungsablaufs des höchstbelasteten Verbrauchers im Falle einer Volumenstromuntererfüllung führen. Im Falle einer Übererfüllung käme es hingegen durch einen unkontrollierten Druckanstieg zu deutlich erhöhten Druckverlusten im System. Das untersuchte Hydrauliksystem besteht in wesentlichen Teilen aus Traktorhydraulikkomponenten. Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Arbeitshydrauliksysteme anderer mobiler Maschinen mit ähnlichen Anforderungen scheint jedoch problemlos möglich zu sein. Dabei sind elektrisch betätigte Wegeventile zwar nicht zwingend erforderlich, jedoch konnte das dynamische Verhalten des hydraulischmechanischen Load-Sensings ohne die unterlagerte, auf elektrisch betätigten Ventilen basierende Bedarfstromsteuerung nicht in allen Betriebsbereichen verbessert werden. Ist die grundlegende Systemstruktur mit Verstellpumpe und lastkompensierten Wegeventilen vorhanden, bietet sich auch die Möglichkeit der Nachrüstung des Systems mit ablösender Regelung. Durchgeführte Simulationen haben bestätigt, dass anstatt des eingesetzten eh-Reglers der Firma Bosch Rexroth (firmeninterne Bezeichnung: EK-Regler) beispielsweise auch ein einfaches Druckregelventil eingesetzt werden kann. In einem nächsten Schritt sollte eine automatisierte Erkennung des Übertragungsverhaltens der Verbraucher und der bedienergesteuerten Tätigkeiten der hydraulischen Manipulatoren entwickelt werden. Nur so kann das vorhandene Potential des Systems zur Energieeinsparung und zur einstellbaren Systemdynamik stets optimal genutzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A novel system layout for extended functionality of mobile machines. 2008 Tagungsband zur Tagung „Fluid Power and Motion Control“, FPMC 2008 am 10. – 12. September 2008 in Bath/UK, S. 13 – 25, ISBN 9780861971503
T. Stamm v. Baumgarten; Grösbrink, B.; Harms, H.-H.
- A New Approach to an Energy Saving Hydraulic System for Mobile Machines. 2009 Tagungsband zur Tagung “11th Scandinavian International Conference on Fluid Power” SICFP 2009 am 2. – 4. Juni 2009 in Linköping, Schweden
Grösbrink, B.; Harms, H.-H.
- Ablösendes Load-Sensing. 2009 Mobile Maschinen 3/2009 September, 2. Jahrgang (2009), S. 15 – 17, Vereinigte Fachverlage GmbH, Mainz
Grösbrink, B.; Harms, H.-H.
- Control Concept for an Advanced Load-Sensing System. 2009 Tagungsband zur Tagung “Seventh International Conference on Fluid Power Transmission and Control” ICFP 2009 am 07. – 10. April 2009 in Hangzhou, China, S. 201 – 204, ISBN 978-7-5062-8213-0
Grösbrink, B.; Harms, H.-H.
- Load-Sensing-System mit abwechselnden Pumpenreglern. 2009 Landtechnik 6.2009, 64. Jahrgang, S. 409 – 412
Grösbrink, B.; Harms, H.-H.
