AT507087B1 - Verfahren und vorrichtung zur semi-aktiven reduktion von druckschwingungen in einem hydrauliksystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur semi-aktiven reduktion von druckschwingungen in einem hydrauliksystem Download PDF

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Description

österreichisches Patentamt AT507 087B1 2010-02-15
Beschreibung
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR SEMI-AKTIVEN REDUKTION VON DRUCKSCHWINGUNGEN IN EINEM HYDRAULIKSYSTEM
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur semiaktiven Reduktion von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Kalt- oder Warmwalzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage für Eisen-, Stahl- oder Aluminiumwerkstoffe.
[0002] Es ist bekannt, dass periodisch auftretende Druckschwingungen in Hydrauliksystemen verschiedene Probleme verursachen, beispielsweise übermäßige Geräuschentwicklung, Reduktion der Lebensdauer von Komponenten, Störung von Regelkreisen etc. Druckschwingungen können entweder im Hydrauliksystem selbst hervorgerufen werden, z.B. durch die Ungleichförmigkeit der Fördermenge von Pumpen oder durch die Ansteuerung von Ventilen usw., oder auch extern verursacht werden, z.B. durch periodische Lastschwankungen bei Hydraulikzylindern oder -motoren. Es ist weiters bekannt, dass es insbesondere bei Hydrauliksystemen mit hoher Dynamik, beispielsweise bestehend aus einem hochdynamischen stetigen Hydraulikventil (z.B. ein elektrisch angesteuertes Proportional- oder Servoventil) und einem Hydraulikzylinder oder-motor, zu starken Druckschwingungen im Hydrauliksystem kommen kann.
[0003] Es hat sich gezeigt, dass es auch in den Hydrauliksystemen moderner Walzstraßen oder Bandbehandlungsanlagen - z.B. bei der hydraulischen Walzenanstellung - zu starken Druckschwingungen kommen kann, welche zu einer Verringerung der Lebensdauer von Komponenten, aber auch zu erheblichen Schäden an den Gerüsten einer Walzstraße und/oderzu Defekten am Walzgut führen können. Dies wird vor allem dadurch bedingt, dass auf der einen Seite -bedingt durch höhere Walzkräfte oder -geschwindigkeiten - immer schneller reagierende Hydrauliksysteme (höhere Dynamik) verwendet werden und auf der anderen Seite - bedingt durch höhere Anforderungen an die Reaktionszeit und Wirtschaftlichkeit - die Dämpfung in den Hydrauliksystemen (z.B. die viskose Dämpfung in den Dichtungen von Zylindern) reduziert wird.
[0004] Aus der DE 4 302 977 A1 ist eine Vorrichtung zur aktiven Unterdrückung von Druckschwingungen in einem Hydraulikaggregat bekannt, welche einen Drucksensor, eine Regeleinrichtung mit zugeordnetem Verstärker und einen Volumen-Kompensator aufweist. Konkrete Vorschriften für das durchzuführende Verfahren bzw. weitergehende Hinweise für eine vorteilhafte Anwendung der Vorrichtung in einem Hydrauliksystem einer Walzstraße bzw. Bandbehandlungsanlage können der Offenbarung nicht entnommen werden.
[0005] Aufgrund der hohen Frequenzen der zu unterdrückenden Druckschwingungen und den hohen Drücken in modernen Hydrauliksystemen werden insbesondere an die Aktuatoren aktiver Schwingungskompensationssysteme sehr hohe Anforderungen gestellt. Dies führt dazu, dass die Aktuatoren nicht mehr kompakt sind (insbesondere großes Volumen aufweisen) und aufgrund der hohen Anforderungen an die Leistungsdichte nur mehr sehr hochwertige und teure Aktuatoren verwendet werden können. Ein weiterer Nachteil aktiver Schwingungskompensationssysteme ist, dass über den Aktuator zusätzlich Energie in das Hydrauliksystem eingebracht wird, was die Stabilität des Gesamtsystems grundsätzlich verschlechtert und insbesondere bei einem nicht exakt eingestellten Regler sogar zu einer Verschlechterung des Systemverhaltens führen kann (d.h. dass unter Umständen die Amplitude der Druckschwingungen nicht reduziert sondern sogar verstärkt werden).
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur semi-aktiven Reduktion von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Kalt- oder Warmwalzstraße bzw. einer Bandbehandlungsanlage zu schaffen, mit denen auftretende Druckschwingungen mittels einer einfachen und kostengünstigen Vorrichtung effektiv reduziert werden können.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, umfassend folgende Verfahrensschritte in der genannten Reihenfolge: [0008] a) Erfassung eines Drucksignals mittels eines Druckaufnehmers durch permanentes 1/8 österreichisches Patentamt AT507 087B1 2010-02-15
Messen eines Drucks im Hydrauliksystem; [0009] b) Ermittlung eines Wechselanteils des Drucksignals; [0010] c) Ermittlung zumindest einer zeitlich veränderlichen Stellgröße in Echtzeit mit Hilfe eines Reglers unter Berücksichtigung des Wechselanteils; [0011] d) Beaufschlagung mindestens eines Aktuators mit der Stellgröße, wobei der Aktuator eine Eigenfrequenz eines mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Schwingungstilgers verändert und dadurch eine Amplitude der Druckschwingungen im Hydrauliksystem reduziert wird.
[0012] Hierbei wird ein Drucksignal mittels eines Druckaufnehmers (z.B. mit einer piezoelektrischen, piezoresistiven oder aus DMS (Dehn-Mess-Streifen) Messzelle) durch permanentes Messen eines Drucks in einem Hydrauliksystem, beispielweise eines Walzgerüsts einer Walzanlage, erfasst. Unter einem Hydrauliksystem versteht man einen Abschnitt (typischerweise ein hydraulischer Kreis bzw. eine hydraulische Achse) einer Hydraulikanlage, welche hydraulisch miteinander in Verbindung steht, beispielsweise der Bereich zwischen einem Hydraulikventil und einem Hydraulikzylinder inkl. der Hydraulikleitungen bzw. -schlauche. Anschließend wird aus dem Drucksignal ein Wechselanteil ermittelt, d.h. es wird ein Gleichanteil des Drucksignals entfernt, und einem Regler zugeführt. Die Ermittlung des Wechselanteils kann entweder durch einen elektronischen Filterbaustein oder durch einen digitalen Filter erfolgen (z.B. Entfernung des Gleichanteils mittels eines Betrachtungsfensters engl, „sliding window", bestehend aus n Messwerten der Druckschwingungen (Filterordnung n); selbstverständlich kann die Entfernung des DC Anteils aber auch erst im Algorithmus des Reglers erfolgen); alternativ kann die Ermittlung des Wechselanteils auch mittels eines piezoelektrischen Druckaufnehmers und eines Ladungsverstärkers, der entweder dem Druckaufnehmer nachgeschaltet oder in den Druckaufnehmer integriert ist, erfolgen. Der Regler ermittelt unter Berücksichtigung des Wechselanteils des Drucksignals mindestens eine zeitlich veränderliche Stellgröße in Echtzeit, welche zur Beaufschlagung mindestens eines Aktuators verwendet wird, wodurch eine Eigenfrequenz eines mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Schwingungstilgers verändert wird. In dieser Anmeldung versteht man unter einem Schwingungstilger ein per se passives Element zur Schwingungstilgung, z.B. ein λ/4-Resonator (engl, „side branch resonator"), ein Helmholtz-Resonator etc. Unter „semi-aktiver Reduktion von Druckschwingungen" soll die Abschwächung einer Amplitude von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem mittels eines passiven Schwingungstilgers verstanden werden, wobei die Eigenfrequenz des passiven Schwingungstilgers mittels eines Aktuators veränderlich ist. Eine besonders starke Reduktion der Amplitude der Druckschwingungen ist dann möglich, wenn durch eine gezielte Beaufschlagung des Aktuators mit der Stellgröße eine Eigenfrequenz des Schwingungstilgers so verändert wird, dass die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers mit einer Frequenz der Druckschwingung in Übereinstimmung gebracht wird. Die Übertragung des Stellgrößensignals vom Regler zum Aktuator kann kabelgeführt oder kabellos (z.B. über Funk) erfolgen.
[0013] In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wechselanteil des Drucksignals einer Bandpassfilterung unterzogen. Durch diese Filterung ist es möglich, aus dem Wechselanteil entweder besonders störende Frequenzanteile (welche z.B. mit einer Eigenfrequenz des Walzgerüsts bzw. eines Subsystems zusammenfallen) oder Frequenzanteile mit hoher Amplitude bzw. Intensität (z.B. aus einem Spektrum einer FFT (Fast Fourier Transform) oder PSD (Power Signal Density)) herauszufiltern und dem Regler zuzuführen.
[0014] In einer vorteilhaften Ausführungsform verändert der Aktuator ein mit der Stellgröße korrespondierendes Volumen im Schwingungstilger, wobei das Volumen mit der Stellgröße korrespondiert (eine Stellgröße von Null entspricht beispielsweise einer nicht ausgelenkten (neutralen) Stellung des Aktuators; eine maximale Stellgröße kann dann beispielsweise einer max. Auslenkung in einer Richtung entsprechen) und dadurch eine Eigenfrequenz des Schwingungstilgers verändert wird. 2/8 österreichisches Patentamt AT507 087B1 2010-02-15 [0015] In besonders vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, wenn der Aktuator das Volumen eines Helmholtz-Resonators oder die aktive Länge eines λ/4-Resonators verändert. Bei diesen Schwingungstilgern lässt sich die Eigenfrequenz auf einfache Art und Weise verstellen.
[0016] Da die Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem eines Anstellzylinders eines Ge-rüsts zum Walzen von Eisen-, Stahl oder Aluminiumwerkstoffen einen direkten Einfluss auf die Qualität des Walzguts haben und daher besonders störend sind, ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren auf ein Hydrauliksystem eines Anstellzylinders eines Walzgerüsts anzuwenden.
[0017] Um eine möglichst unmittelbare Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermöglichen, welche die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe löst, ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung aufweist einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Druckaufnehmer zur Erfassung eines Drucksignals, ein Glied zur Ermittlung eins Wechselanteils des Drucksignals, dem das Drucksignals zuführbar ist, wenigstens eine Regelvorrichtung, dem der Wechselanteil zuführbar ist und mit dessen Hilfe zumindest eine Stellgröße ermittelbar ist, wenigstens einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Schwingungstilger und wenigstens einen mit dem Schwingungstilger in Verbindung stehenden Aktuator mit einem veränderlichen Volumen, dem die Stellgröße zuführbar ist und über dem ein Resonatorvolumen des Schwingungstilgers veränderbar ist. Über das Resonatorvolumen lässt sich wiederum eine Eigenfrequenz des Schwingungstilgers verstellen, wodurch die Eigenfrequenz an eine Frequenz der Druckschwingungen angepasst werden kann.
[0018] Eine besonders einfache Verstellung der Eigenfrequenz ist möglich, wenn der Schwingungstilger als λ/4- oder Helmholtz-Resonator ausgeführt ist.
[0019] Eine besonders kostengünstige Vorrichtung lässt sich erzielen, wenn der Aktuator als elektrischer Hubspindel Aktuator oder hydraulischer Aktuator ausgeführt ist. Da die Verstellung des Aktuators - im Vergleich zu Systemen mit aktiver Schwingungskompensation - langsam erfolgen kann, reichen handelsübliche elektrische oder hydraulische Aktuatoren völlig aus.
[0020] In besonders vorteilhafter Weise lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden, wenn die Vorrichtung mit einem Hydraulikventil und einem Hydraulikzylinder einer hydraulischen Walzenanstellung in Verbindung steht. Mittels dieses Einbaus ist die Reduktion von Schwingungen an den Walzen eines Walzgerüsts besonders einfach möglich, wodurch die Qualität des Walzguts effektiv verbessert werden kann. Der Einbau ist dann besonders kompakt, wenn die Vorrichtung in eine Zwischenplatte des Hydraulikventils eingebaut wird.
[0021] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen: [0022] Fig. 1 Schema einer Regelstrecke zur semi-aktiven Reduktion von Druckschwin gungen in einem Hydrauliksystem [0023] Fig. 2 Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduktion von Druck schwingungen in einem Hydrauliksystem einer Walzstraße [0024] Fig. 3 und 4 Schemen eines Schwingungstilgers mit integriertem Aktuator [0025] Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Regelstrecke zur Reduktion von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Walzstraße. Über einen Druckaufnehmer 1 wird ein Drucksignal eines Drucks im Hydrauliksystem erfasst, das Drucksignal 2 wird einem Hochpassfilter 3 (Details zur elektronischen Schaltung siehe z.B. S. 35 in P. Horowitz, W. Hill. The Art of Electronics, Cambridge UniversityPress, Secondedition, 1989) zugeführt, welcher den Wechselanteil 2' des Drucksignals 2 bestimmt und einem Regler 4 zuführt. Dieser Regler 4 errechnet in Echtzeit mittels eines Regelgesetzes unter Berücksichtigung des Wechselanteils 2' eine zeitlich veränderliche Stellgröße 6. Das Stellgrößensignal wird anschließend einem Verstärker 8 zugeführt, welcher einen Aktuator 9, ausgeführt als elektrischer Hubspindel Aktuator, 3/8
österreichisches Patentamt AT507 087 B1 2010-02-15 ansteuert. Durch den Aktuator 9 wird das Resonatorvolumen eines als Helmholtz-Resonator ausgeführten Schwingungstilgers 13 verändert, wobei die Änderung des Resonatorvolumens mit der Stellgröße 6 korrespondiert. Durch die Änderung des Resonatorvolumens wird eine Eigenfrequenz des Schwingungstilgers 13 verändert, wodurch die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers in Übereinstimmung mit einer Frequenz der Druckschwingung gebracht wird. Durch diese Maßnahme wird die Amplitude der Druckschwingung im Hydrauliksystem auf sehr einfache aber wirkungsvolle Art und Weise reduziert.
[0026] In Fig. 2 ist eine schematische Vorrichtung zur Unterdrückung von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem eines Gerüsts zum Walzen von Eisen- Stahl- oder Aluminiumwerkstoffen dargestellt. Ein Drucksignal 2 wird mittels eines Druckaufnehmers 1 durch permanentes Messen eines Drucks in einem Hydrauliksystem 10 erfasst, wobei das Hydrauliksystem ein Hydraulikventil 11, einen Hydraulikzylinder 12 und eine Hydraulikleitung umfasst. Das Hydrauliksystem dient zur Anstellung einer Walze 14 zum Walzen eines Walzguts 15. Dabei kann sich der Druckaufnehmer 1 entweder im Abschnitt zwischen einem Schwingungstilger 13 und dem Hydraulikzylinder 12 (wie gezeichnet) oder im Abschnitt zwischen dem Hydraulikventil 11 und dem Schwingungstilger 13 befinden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mehrere Druckaufnehmer zwischen dem Schwingungstilger 13 und dem Hydraulikzylinder 12 oder zwischen dem Hydraulikventil 11 und dem Schwingungstilger 13 angeordnet sind. Das Drucksignal 2 wird an einen digitalen Regler 4 übertragen, welcher ein Frequenzband des Wechselanteils des Drucksignals bestimmt und unter Zuhilfenahme eines Regelalgorithmus eine zeitlich veränderliche Stellgröße 6 errechnet. Die Stellgröße wird nach einer Verstärkung in einem nicht dargestellten Verstärker einem als elektrischen Hubspindel Aktuator ausgeführten Aktuator 9 zugeführt, welcher ein mit der Stellgröße 6 korrespondierendes Resonatorvolumen in dem als Helmholtz-Resonator ausgeführten Schwingungstilger 13 verändert, sodass eine Eigenfrequenz des Schwingungstilgers 13 an eine Frequenz der Druckschwingungen angepasst wird, wodurch die Amplitude einer Druckschwingung reduziert wird.
[0027] In Fig. 3 ist ein als Helmholtz-Resonator ausgeführter Schwingungstilgers 13 mit einem integrierten Aktuator 9 dargestellt. Dem Aktuator 9 ist eine Stellgröße 6 zuführbar, wodurch das Resonatorvolumen V, V = LS, wobei L die Länge und S die Querschnittsfläche des Resonatorvolumens des Helmholtz-Resonators angeben, veränderlich ist. Durch die Änderung des Resonatorvolumens V ist eine Eigenfrequenz des Schwingungstilgers 13 veränderlich, wobei die Eigenfrequenz f des Helmholtz-Resonators durch die Bedingung
In r'Ts
gegeben ist. Hierbei wird mit c die Schallgeschwindigkeit in der Druckflüssigkeit, S' die Querschnittsfläche und L' die Länge im Resonatorhals (engl, neck), L die Länge und S die Querschnittsfläche des Resonatorvolumens V angegeben (vgl. Kapitel 8.3.3 Resonators in dem Fachbuch H. Kuttruff. Acoustics - An introduction, Taylor and Francis, 2007).
[0028] In Fig. 4 ist ein als λ/4-Resonator ausgeführter Schwingungstilgers 13 mit einem integrierten Aktuator 9 dargestellt. Dem Aktuator 9 ist eine Stellgröße 6 zuführbar, wodurch die aktive Länge L des λ/4-Resonators veränderlich ist. Durch die Änderung der aktiven Länge L ist eine Eigenfrequenz des Schwingungstilgers 13 veränderlich, wobei die Eigenfrequenz f des λ/4 Resonators durch die Bedingung gegeben ist. Hierbei wird mit c die Schallgeschwindigkeit in der Druckflüssigkeit und mit L die aktive Länge angegeben.
[0029] Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren oder die Vorrichtung beliebigen Hydrauliksystemen der Mobil- oder Industriehydraulik eingesetzt werden. 4/8

Claims (9)

  1. österreichisches Patentamt AT507 087B1 2010-02-15 BEZUGSZEICHENLISTE 1 Druckaufnehmer 2 Drucksignal 2' Wechselanteil des Drucksignals
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselanteil einer Bandpassfilterung unterzogen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein mit der Stellgröße korrespondierendes Volumen im Schwingungstilger verändert.
    3. Bandpassfilter 4 Regler 6 Stellgröße 8 Verstärker 9 Aktuator 10 Hydrauliksystem 11 Hydraulikventil 12 Hydraulikzylinder 13 Schwingungstilger 14 Walze 15 Walzgut Patentansprüche 1. Verfahren zur semi-aktiven Reduktion von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Kalt- oder Warmwalzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage für Eisen-, Stahloder Aluminiumwerkstoffe, umfassend folgende Verfahrensschritte in der genannten Reihenfolge: a) Erfassung eines Druckssignals mittels eines Druckaufnehmers durch permanentes Messen eines Drucks im Hydrauliksystem; b) Ermittlung eines Wechselanteils des Drucksignals; c) Ermittlung zumindest einer zeitlich veränderlichen Stellgröße in Echtzeit mit Hilfe eines Reglers unter Berücksichtigung des Wechselanteils; d) Beaufschlagung mindestens eines Aktuators mit der Stellgröße, wobei der Aktuator eine Eigenfrequenz eines mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Schwingungstilgers verändert und dadurch eine Amplitude der Druckschwingungen im Hydrauliksystem reduziert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator das Volumen eines Helmholtz-Resonators oder über die aktive Länge eines λ/4-Resonators verändert.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf ein Hydrauliksystem eines Anstellzylinders eines Walzgerüsts angewendet wird.
  6. 6. Vorrichtung zur semi-aktiven Reduktion von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Kalt- oder Warmwalzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage für Eisen-, Stahloder Aluminiumwerkstoffe, aufweisend einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Druckaufnehmer zur Erfassung eines Drucksignals, ein Glied zur Ermittlung eines Wechselanteils des Drucksignals, dem das Drucksignal zuführbar ist, wenigstens eine Regelvorrichtung, dem der Wechselanteil zuführbar ist und mit dessen Hilfe zumindest eine Stellgröße ermittelbar ist, wenigstens einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Schwingungstilger und wenigstens einen mit dem Schwingungstilger in Verbindung stehenden Aktuator mit einem veränderlichen Volumen, dem die Stellgröße zuführbar ist und über dem ein Resonatorvolumen des Schwingungstilgers veränderbar ist. 5/8 österreichisches Patentamt AT507 087 B1 2010-02-15
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungstilger als λ/4- oder Helmholtz-Resonator ausgeführt ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als elektrischer Hubspindel Aktuator oder hydraulischer Aktuator ausgeführt ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einem Hydraulikventil und einem Hydraulikzylinder einer hydraulischen Walzenanstellung in Verbindung steht. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 6/8
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