Mehr Prozessgeschwindigkeit bei weniger Betriebskosten

Steuerventil verbessert Sicherheit und Effizienz

Das PAS

Moderne Hydraulikanlagen werden in einer Vielzahl von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Durch hohe Leistungsdichte, Flexibilität und die Möglichkeit zügiger Werkzeugwechsel per Schnellkupplung entspricht der hydraulische Antrieb ideal den heutigen Marktanforderungen. Allerdings stammen die Grundlagen der meisten Ventilsteuerungen noch aus der Zeit, als rein manuelle Bedienung ohne jegliche Elektronik Stand der Technik war. So arbeiten auch heute noch die meisten Hydrauliksysteme mit einem Hauptsteuerventil, bei dem die Zu- und Ablaufsteuerkanten durch den gemeinsamen Kolben zwangsweise gleichzeitig betätigt werden. Ein neues Konzept nutzt dagegen Einzelkolben und entkoppelt so die Steuerung. Das lässt eine unabhängige, optimale Einstellung der beiden Ventilschieber für jeden Betriebszustand zu. Alle Sicherheitsfunktionen sind weiterhin eingehalten, unnötige Drosselstellen entfallen. Je nach Betriebsweise ergeben sich so höhere Prozessgeschwindigkeiten und Kraftstoffeinsparungen bis über 30 %. Gleichzeitig steigt die Lebensdauer der nicht so stark belasteten Motor/Pumpeneinheit und der Rückkühler für das Hydrauliköl kann deutlich kleiner ausgelegt werden.

Steigende Energie- und Kraftstoffpreise belasten gerade bei größeren Maschinen die Betriebsbilanz. Schon kleinere Einsparungen summieren sich schnell zu stattlichen Summen, die die Kosten einer höheren Investition in kurzer Zeit wieder einfahren. Ähnlich wie die bei Verbrennungsmotoren üblichen elektronisch variablen Steuerzeiten für den Ventiltrieb setzt der Spezialist für Hydrauliksteuerungen Wessel-Hydraulik aus Wilhelmshaven auch bei der Hydraulik auf die Entkopplung der mechanischen Komponenten. Das proportionale Mobilwegeventil mit aufgelösten Steuerkanten, kurz PAS, nutzt statt eines gemeinsamen Kolbens, der gleichzeitig die Zu- und Ablaufkante im Ventilblock öffnet und schließt, zwei unabhängige Steuerkolben. So kann per elektronischer Ansteuerung immer das ideale Verhältnis der beiden Öffnungen eingestellt werden. Das verbessert den Wirkungsgrad, verkürzt die Zykluszeiten und reduziert nebenbei noch deutlich den Kraftstoffbedarf.

Bisheriger, überholter Stand der Technik

Moderne Technik ist ohne schnelle Rechner und flexible, elektronisch gesteuerte Aktuatoren heute kaum denkbar. Doch es gibt immer noch Bereiche, in denen Lösungen aus lange vergangenen Zeiten der Technik zu finden sind. Damals als einzig mögliche Lösung rein mechanisch ausgeführte Steuer- und Regelkreise sind tatsächlich in nur leicht abgewandelter Form auch heute noch zu finden. Das klassische Beispiel ist die zeitlich unflexible Betätigung der Ventile über die von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle beim Verbrennungsmotor. Es gibt weder eine last- noch drehzahlabhängige Variationsmöglichkeit der Steuerzeiten.

Ähnlich verhält es sich bei der klassischen Hydrauliksteuerung. Auch hier werden unflexibel feste Steuerquerschnitte an Zu- und Ablauf durch die starre Kopplung der Schieber per gemeinsamen Kolben vorgegeben. Die Anpassung an die tatsächlich erforderlichen Betriebszustände wird dann wiederum rein mechanisch durch eingesetzte Drosseln nur unvollständig erreicht. Dieses System hat gleich zwei entscheidende Nachteile: Zum einen ist eine Abstimmung relativ aufwändig und nur für einen Betriebspunkt ideal möglich, zum anderen stellen die so zwangsläufig im System eingebauten Drosselstellen Hindernisse für den Fluidfluss dar. Dadurch muss für die eigentliche Arbeit nicht nötiger Druck von der Pumpe aufgebaut werden, um die Engstellen der Steuerung zu überwinden. Das kostet Kraftstoff, heizt das Öl unnötig auf und vergrößert so die erforderliche Kühlanlage.

Das PAS-Prinzip

Das proportionale Mobilwegeventil mit aufgelösten Steuerkanten, kurz PAS, nutzt statt eines gemeinsamen Kolbens zwei unabhängige Steuerkolben.

Heute ist Flexibilität Trumpf

Die neue Steuerungslösung setzt nun auf eine elektronisch gesteuerte elektromechanische Lösung statt der starren Kopplung. Zu- und Ablauf werden individuell über je einen Kolben gesteuert. Eine Steuer-Elektronik koppelt die beiden Ventile dann je nach Betriebsbedingungen flexibel im Öffnungsverhältnis zueinander. Durch die proportional nach Bedarf geöffneten Ventilquerschnitte können die übrigen Leitungsquerschnitte voll genutzt werden. Auch die drosselnde Engstelle Sicherheitsventil, die nicht nur bei schwebenden Lasten für den Fall des Schlauchbruchs vorgeschrieben ist, kann so elegant auf ihre reine Sicherheitsfunktion reduziert werden, da die Systemdämpfung über das neue Steuerventil erfolgt. In Summe ergeben sich je nach Arbeitszyklus durch die Verminderung der internen Widerstände und des damit möglichen geringeren Arbeitsdruckes bei gleicher Leistung Kraftstoffeinsparungen bis über 30 %. Damit schont die elektronisch-variable Steuerung zusätzlich auch die anderen Antriebskomponenten, denn durch die reduzierten Drücke werden Pumpe und Antriebsmotor sowie das Öl und die Kühlanlage weniger belastet, die Lebensdauer steigt an. In den meisten Systemen steht aufgrund der Leistungsregelung bei geringen Drücken ein größerer Pumpenvolumenstrom zur Verfügung, dieser kann für kürzere Zykluszeiten des Geräts verwendet werden, ein nicht unbeträchtlicher Vorteil beim meist knappen Zeitfenster, beispielsweise auf Baustellen oder bei der Holzernte.

Funktionsweise

Wie in herkömmlichen Systemen wird der Volumenstrom beim neuen PAS-Prinzip im Zulauf über einen 2-Wegstromregler, also Druckwaage und Messblende (Steuerschieber), die Geschwindigkeit last- und pumpendruckunabhängig eingestellt. Im Ablauf wird die Steuerkante so geregelt, dass der Zulaufdruck einen Mindestdruck nicht unterschreitet. Es gibt dadurch weder ein lastabhängiges Voreilen des Verbrauchers noch Kavitation oder unnötiges Einspannen. Im konventionellen System z.B. beim Seilbagger sind beim Senken einer Last drei Regelkreise im Einsatz, (Senk-/Bremsventil, Steuer-/Regelventil plus Pumpenregelung), die sich gegenseitig beeinflussen. Das führt in der Praxis unweigerlich zum Aufbau mehr oder weniger ausgeprägter Schwingungen. Beim PAS-System dagegen wird das Sicherheitsventil stets voll geöffnet und über den ablaufenden Volumenstrom -wenn notwendig- der Stützdruck für die Last eingestellt. Die Sicherheitsfunktion bleibt komplett erhalten, da das Sicherheitsventil unterhalb eines bestimmten Zulaufdruckes schließt. Die unabhängige schnelle und proportionale Nachregelung im Ablauf verhindert, dass vom Lastanfall abhängige Schwingungen auftreten können. Durch die programmierbare Steuerung und Regelung kann das System schnell und individuell auf alle Maschinen und Betriebsweisen angepasst werden, ohne weitere hydraulische Komponenten einsetzen zu müssen.

Energieeinsparung mit PAS

Energetische Betrachtung „Absenken im Kranbetrieb“, erhebliche Einsparungen sind möglich.

 

Betrachtet man die Senkbewegung einer Kranfunktion zeigt sich in der energetischen Betrachtung der Vorteil des neuen Konzeptes besonders augenfällig. Beispielhaft wird hier eine Senkbewegung mit jeweils konstanter Geschwindigkeit angenommen. Mit Last reicht eine geringe Zulaufleistung zum Absenken, bei kleiner Last wird ein oft ein hoher Zulaufdruck zum Absenken notwendig und vom Verbrennungsmotor eine hohe Leistung abgerufen. Mit dem PAS-System bleibt die benötigte Leistung auf minimalem Niveau. Hier werden die möglichen Einsparungen besonders deutlich.

In der Praxis bringt das neue PAS folgende Vorteile: eine Reduzierung des Pumpendrucks, minimale Ablaufwiderstände und damit geringere Drosselverluste. Daraus ergeben sich eine höhere Prozessgeschwindigkeit sowie eine deutliche Reduzierung der Betriebskosten. Durch die erheblich geringere Abwärmemenge sinken zudem noch die Investitionskosten, da kleinere Rückkühler verbaut werden können. Anders gesagt, der Betreiber einer PAS gesteuerten Maschine kann Betriebskosten sparen, die eingesparte Verlustleistung produktiv einsetzen und schont zudem noch die Antriebskomponenten. Insgesamt ein deutlicher wirtschaftlicher Vorteil, der die Kosten für das neue Steuerungssystem schnell wieder einspielt.

Auch sicherheitstechnisch ergeben sich durch die Auftrennung von Zu- und Ablauf Vorteile. Verklemmt sich im herkömmlichen System ein Span im Ablaufquerschnitt, bleibt auch der Zulauf offen. Der „sichere Stopp“ ist dann nur durch Abstellen des Pumpenstroms möglich. Beim PAS hingegen schließt immer eine Kante: Bleibt der Ablauf durch Verschmutzung offen, schließt der Zulauf. Es wird damit kein Volumenstrom zum Verbraucher geführt und damit an diesem kein Druck aufgebaut. Ein am Verbraucher vorgesehenes Lasthalteventil schließt dann auch immer zuverlässig den Ablauf. Bleibt der Zulauf durch Verschmutzung offen, schließt der Ablaufschieber. Das PAS-System ist so aufgebaut, dass damit auch die Eingangsdruckwaage schließt. Das heißt, dass auch in diesem Fall der Verbraucher im Zu- und Ablauf von der Pumpe getrennt wird. Das System zeigt damit eine 2-Kanaligkeit, die zudem die Möglichkeit der Fehlererkennung vorsieht. Beim PAS wird der Fehler über integrierte Sensoren erkannt und per Feldbus gemeldet. Ein redundanter Controller in der Steuerelektronik zusammen mit der ständigen Überwachung der Sensoren garantieren dabei höchste Sicherheit.

Die Wessel-Hydraulik GmbH
ist ein international tätiges, innovatives, mittelständisches Unternehmen mit über 50 Jahren Erfahrung bei Entwicklung und Herstellung von stationären und mobilen Lösungen in der Hydraulikbranche. Die Firma entwickelt und produziert teilweise kundenspezifische Sonderventile für mobile und stationäre Anwendungen sowie Ventilsysteme. Schwerpunkte der Produktpalette sind: Ventile, die Sicherheitsfunktionen in stationären und mobilen Anwendungen übernehmen, Ventile für den Betrieb von hydraulischen Werkzeugen an Baumaschinen, komplexe Ventilsteuerungen, inklusive Sensorik, Ansteuerelektronik und Software.

Bilder: Wessel-Hydraulik

Dr.-Ing. Holger Jongebloed

Geschäftsführer Wessel-Hydraulik

Andreas Zeiff

Andreas Zeiff

Studium des Chemie-Ingenieurwesens und der Chemie, Beschäftigung mit Elektronik, berufliche Tätigkeit im Maschinenbau, seit Ende 1998 journalistisch tätig für das Redaktionsbüro Stutensee.

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