Stand der Technik
[0001] Hydraulische Antriebe dienen der Kraftübertragung von elektrischen oder Dieselantrieben. auf langsamlaufenden Wellen mit hohen Drehmoment. Konventionelle Hydraulikantriebe bestehen aus a) einen Antriebsmotor für elektrische Antriebe mit konstanter Drehzahl b) einer Pumpe, die Hydrauliköl zum c) Hydraulikmotor pumpt verbunden mit d) Hydraulikleitungen, die die Pumpe mit dem Motoren verbindet und e) diversen Zusatzequipment, wie ein Ölreservoir, der den Leckstrom auffängt und eine Pumpe, die das Lecköl zurück in den Hauptkreislauf pumpt. Der Hydraulikmotor ist mit flexiblen Schläuchen mit den Hydraulikleitungen verbunden. Ein grosser Vorteil dieses Antriebssystems ist es daher, dass der Hydromotor flexibel auf der Abtriebsachse montiert ist.
Dies ist besonders von Vorteil, weil sich die Abtriebsachse z.B. durch thermische Ausdehnung des Verbrauchers während des Betriebes verschiebt. Der Hydromotor ist relativ leichtgewichtig und kann in der Regel ohne zusätzliche Abstützung auf die Abtriebsachse montiert werden. Ein weiterer Vorteil dieses Antriebskonzepts ist, dass sehr kurze und extreme Lastschwankungen (Vibrationen) im Hydrauliköl gedämpft werden und somit Schaden der Lagerung und der Abtriebsachse verhindern. Das Pumpenaggregat kann auch in 'einiger Entfernung von der Abtriebswelle installiert werden, was vor allem bei explosionsgefährdeten Verbrauchern von Vorteil ist.
[0002] Der Hydromotor hat ein konstantes Schluckvolumen pro Umdrehung. Da die Hydraulikdrücke in der Zuleitung bei Nominal- wie Maximalbedingungen üblicherweise genormt sind, um Komponenten standardisieren zu können, ergibt sich automatisch ein spezifisches Drehmoment für jeden Hydromotor, das bei der Auslegung berücksichtigt werden muss. Die maximal übertragbare Leistung entspricht dem hydraulischen Druckgefälle mal dem Volumenstrom an Hydrauliköl. Da die Drehzahl bei konstanten Schluckvolumen des Motors proportional dem Volumenstrom an Hydrauliköl ist (das Öl ist annähernd inkompressibel), und der Hydraulikdruck auf des Motorablaufs annähernd konstant ist, ist der Hydraulikdruck im Motorzulauf eine repräsentativ Grösse, um das Drehmoment zu beschreiben.
Da sich dieser Hydraulikdruck mit Hilfe eines Druckablassventils beschränken lässt kann man mit einfachen Mitteln die Abtriebsachse vor einer zu hohen Drehmomentbelastung bewahren.
[0003] Ein weiterer Vorteil des Hydroantriebs ist, dass man das Drehmoment auf mehrere Hydromotoren verteilen kann. So lässt sich die Abtriebswelle von beiden Seiten mit einfachen Mitteln antreiben. Das Antriebsmoment ist bei 2 identischen Hydromotoren jeweils die Hälfte in Vergleich zu einem doppelt so starken Motor auf einer Antriebsseite. Häufig ist es auch so, dass der Verbrauch des Drehmoments auf der Abtriebsachse über einen Grossteil der Länge gleichmässig stattfindet. Dann wird die Welle zusätzlich bei Hydromotoren, die beidseitig montiert werden, entlastet und die Wellendurchbiegung durch die Belastung nimmt ab. Ein ähnliches' Prinzip wird benutzt, wenn die Abtriebswelle wegen gestiegener Anforderungen nachgerüstet werden soll.
Dann lässt sich der Antrieb mit einfachen 'Mitteln nachrüsten, da ein zusätzlicher Hydromotor "Huckepack" auf den bestehenden Motor montiert werden kann.
[0004] Um den Ölverbrauch dem Bedarf anzupassen zu können, wird in konventionellen Systemen das Hubvolumen der Pumpe variiert. Es gibt 2 meistgebräuchliche Regelkonzepte. Bei der "volumenkompensierten" Steuerung wird der Hydraulikdruck in der Zuleitung vom verbrauchenden Hydromotor konstant gehalten. Nimmt der Verbrauch an Öl in der Leitung zu, wird das Hubvolumen der Pumpe automatisch angepasst, so dass der Druck nicht abfällt und umgekehrt. Der Vorteil dieses Regelkonzepts ist, dass man beliebig viele Hydromotoren für ein Pumpstationssystem, das eine Zu- und eine Abölsammelleitung für alle Hydromotoren besitzt, installieren kann. Das Drehmoment für alle Hydromotoren ist dann allerdings konstant. Bei der "druckkompensierten" Steuerung wird der Hub der Pumpe konstant gehalten, wobei der Hydraulikdruck der Motorzuleitung variieren darf.
Bei diesem Steuerungskonzept besitzt jede Abtriebsachse ihr eigenes Pumpsystem, weil es sonst zu Interferenzen zwischen den Drehmomenten der verschiedenen Abtriebsachsen kommen würde. Diese Erfindung betrachtet im Besonderen dieses Antriebssystem. Da der Hub der Pumpe konstant gehalten wird, bleibt auch die Drehzahl der Abtriebswelle konstant.
[0005] Sind die Hydromotoren sehr gross, ist eine Pumpe zum betreiben nicht mehr möglich. Die grössten Axialkolbenpumpen, die es auf 'den Markt zur Zeit gibt haben einen Hub von 1000 ccm. Bis 500 ccm können die Pumpen mit 1800 Upm betrieben werden, darüberhinaus müssen, diese Pumpen mit niedrigerer Drehzahl betrieben werden. Daher ist das erreichbare Pumpvolumen einer Pumpe mit 1000 ccm nicht doppelt so gross, wie einer Pumpe mit 500 ccm. Die maximale Dauerdrehzahl einer Pumpe mit 1000 ccm ist z.B. 1200 Upm, was auch nicht mit der elektrischen Netzfrequenz übereinstimmt. Man braucht für diese Pumpe daher ein Getriebe, um von der Netzdrehzahl 50 Hz (1500 Upm) oder 60 Hz (1800 Upm) auf 1200 Upm zu kommen oder man muss einen niedrigpoligeren Elektromotor benutzen.
[0006] Die einzige Möglichkeit hohe Leistungen mit Pumpen zu realisieren ist die Anzahl der Pumpen zu multiplizieren. Es lassen sich mehrere Pumpen auf eine Antriebsachse 'installieren, bei grossen Antrieben aber typischerweise nicht mehr als 2. Damit sind für einen Antrieb von z.B. 3 MW 8 Pumpen mit 500 ccm Hub erforderlich (1500 Upm) und 4 Elektromotoren. Ein Nachteil dieses Antriebssystems ist daher die Anzahl der erforderlichen (Verschleiss-) Teile und damit des erforderlichen Wartungsaufwandes. Ein weiterer Nachteil dieses Pumpensystems ist, dass der hydraulische Wirkungsgrad der AxialkoIbenpumpen bei Teillast stark abnimmt. Der Wirkungsgrad der Hydromotoren ist immer erheblich besser als der der Pumpen. Es wird daher nicht nur elektrische Energie verschwendet, sondern es muss auch der Ölkreislauf stark. gekühlt werden.
Diese Kühlleistung wird häufig unterschätzt, womit die Flexibilität des Antriebssystems eingeschränkt wird.
[0007] Die Pumpstationen müssen mit Sammelleitungen miteinander und dann dem Motor verbunden werden. Der Verrohrungsaufwand gerade bei Antrieben mit hoher Leistung ist sehr hoch. Die Leitungslänge nimmt bei mehreren Pumpstationen für einen Antrieb zu, damit auch die Verlustleistung durch Reibungsdissipation in den Leitungen. Es ist daher auch nicht sinnvoll die Pumpstationen zu weit weg vom Hydromotor zu installieren. Da die Pumpstationen sehr gross sind und viel Platz weg nehmen, ist das ein Nachteil. Ein weiterer Nachteil ist, dass mit langen Zuleitungen das Ölvolumen zunimmt. Kommt es zu Drehmomentschwankungen auf der Abtriebswelle, wird diese Ölmenge elastisch komprimiert und der Ölvolumenstrom am Motor nimmt ab oder zu. Dies führt zu Drehzahlschwankungen an der Abtriebswelle.
Die Abweichung b von der mittleren Drehzahl ist dabei proportional der Druckänderung, nicht des Druckniveaus in der Zuleitung. Damit besteht kein direkter Zusammenhang der Drehzahl der Abtriebswelle mit dem Drehmomentniveau. Eine Entlastung der Drehmomentbelastung durch Abbremsen der Welle findet daher nicht statt. Durch die Entschleunigung der Abtriebswelle wird zudem zusätzliches Drehmoment frei, welches sich zum Drehmoment des Antriebs additiert. Dieses Drehmoment ist das Inertiemoment der Welle und des Hydromotors. Wenn auch die Inertie des Hydromotors klein und sich damit wenig Inertie zur Abtriebswelle addiert im Vergleich zum Direktantrieb mit Getriebe, ist die Entschleunigung beim Hydroantrieb sehr hoch und entsprechend das Inertiemoment nicht vernachlässigbar.
Dieses Inertiemoment ist gemäss der oben erwähnten Beschreibung proportional der Krümmung der Hydraulikdruckkurve. Die stärkste Krümmung fällt mit den Drehmomentspitzen überein. Damit wird die Wellenverbindung des Hydromotors zur Abtriebsachse durch diesen Effekt entlastet, aber werden die Drehmomentspitzen nicht wirklich 100 % durch den Hydraulikdruck wiedergegeben. Dies schwächt die Effizienz der Hydraulikdruckbegrenzung, um Schäden der Abtriebswelle im Eingriff des Verbrauchers abzuwenden. Die beschriebenen Nachteile des Hydroantriebs bei hohen Leistungen werden erfindungsgemäss so verbessert, dass die Pumpenstationen durch Hydromotoren ersetzt werden, die als Pumpen agieren. Diese Pumphydromotoren werden auf Antriebsachse montiert und über ein Übersetzungsgetriebe mit einem elektrischen Motor oder Dieselmotor verbunden.
Der Elektro- oder Dieselantrieb ist variabler Drehzahl z.B. mit Frequenzumformer. Bei einem Dieselantrieb macht dann ein dieselelektrischer Antrieb mit Frequenzumformer Sinn. Die Pumphydromotoren haben ein sehr viel grösseres Schluckvolumen pro Umdrehung als Axialkolbenpumpen. Die Nominaldrehzahl dieser Pumphydromotoren ist erfindungsgemäss' am vorteilhaftesten um die 300 Upm, bei einer üblichen Drehzahl der Abtriebswelle von 30 Upm. Damit ist das Drehmoment der Antriebswelle des Pumphydromotors um den Faktor um die 10 kleiner als die der Abtriebswelle. Diese Übersetzung entspricht einem Getriebe, das den hohen mechanisch stark belastenden Drehmomentbereich des Antriebs abdeckt. Dies ein weiterer Vorteil dieses Antriebskonzepts gemäss dieser Erfindung.
Die Anzahl der notwendigen Pumphydromotoren ist 1 bis 2 pro Hydromotor auf der Abtriebsachse und damit um den Faktor 2 bis 3 geringer. Es wird nur ein Elektromotor pro Abtriebswelle benötigt, da die Pumpenhydromotoren auf einer Antriebswelle montiert werden können. Die Distanz zwischen diesen Pumpenhydromotoren ist geringer und der Verrohraufwand erheblich reduziert. Ebenfalls reduziert ist der Geräuschpegel des Hydroantriebs. Hydromotoren verursachen vergleichsweise wenig Lärm, während Axialdrehkolbenpumpen erheblichen Lärm produzieren. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Methode ist, dass der Frequenzumformer sehr schnell auf Lastschwankungen reagieren kann. Somit ist es möglich die Ölvolumenstromschwankungen am Eintritt des Hydromotors auf der Abtriebswelle durch die Lastanpassungen des Elektromotors auszugleichen.
Dies ist nur bedingt bei Axialkolbenpumpen möglich, da die Steuerung hier hydraulisch, und damit relativ träge ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Antriebskonzepts ist, dass die Drehzahlregelung des Antriebs durch einen Frequenzumformer der dem Elektromotor speist realisiert wird, und dieser Frequenzumformer relativ weit weg vom Elektromotor installiert werden kann ohne dass die Effizienz des Antriebes wesentlich verschlechtert würde. Damit nimmt der Platzbedarf an Antriebsequipment in der Nähe der Abtriebswelle ab und Probleme des Explosionsschutzes werden umgangen. Sind weiterer Vorteile des erfindungsgemässen Antriebskonzeptes ist, dass die hydraulische Effizienz des Antriebs sehr viel höher als beim konventionellen Hydroantrieb ist.
Somit ist die erforderliche Kühlleistung des Hydrokreislaufes kleiner und es wird weniger elektrische Energie verbraucht.
Patente/Recherche/Hintergrund der Erfindung.
Ziel der Erfindung
[0008] Ziel der Erfindung ist es eine Methode zu finden grosse Hydraulikantriebe für drehende Wellen die grosse Mengen an umlaufenden Hydrauliköl benötigen mit geringeren Aufwand an hydraulischen Pumpaggregaten zu verwirklichen, als es gemäss Stand der Technik möglich ist, wobei dieser Antrieb eine Drehzahlsteuerung mit minimierten Drehzahlzahlschwankungen der Abtriebswelle vorsieht.
State of the art
Hydraulic drives are used for power transmission of electric or diesel engines. on low-speed shafts with high torque. Conventional hydraulic drives consist of a) a drive motor for constant speed electric drives b) a pump that pumps hydraulic oil to c) hydraulic motor connected to d) hydraulic lines connecting the pump to the engine and e) various ancillary equipment such as an oil reservoir captures the leakage current and a pump that pumps the leak oil back into the main circuit. The hydraulic motor is connected to the hydraulic lines with flexible hoses. A major advantage of this drive system is therefore that the hydraulic motor is flexibly mounted on the output shaft.
This is particularly advantageous because the output axis is e.g. by thermal expansion of the consumer during operation shifts. The hydraulic motor is relatively lightweight and can be mounted on the output shaft usually without additional support. Another advantage of this drive concept is that very short and extreme load fluctuations (vibrations) in the hydraulic oil are damped and thus prevent damage to the bearing and the output shaft. The pump set can also be installed at some distance from the output shaft, which is particularly beneficial for potentially explosive consumers.
The hydraulic motor has a constant displacement per revolution. Since the hydraulic pressures in the supply line at nominal and maximum conditions are usually standardized in order to standardize components, automatically results in a specific torque for each hydraulic motor, which must be taken into account in the design. The maximum transferable capacity corresponds to the hydraulic pressure gradient times the volume flow of hydraulic oil. Since the engine speed at constant engine displacement is proportional to the volume flow of hydraulic oil (the oil is nearly incompressible), and the hydraulic pressure at the engine run is approximately constant, the hydraulic pressure in the engine intake is a representative quantity to describe the torque.
Since this hydraulic pressure can be limited with the aid of a pressure relief valve, the output shaft can be protected from too high a torque load by simple means.
Another advantage of the hydro drive is that you can distribute the torque to several hydraulic motors. This makes it possible to drive the output shaft from both sides with simple means. With 2 identical hydraulic motors, the drive torque is half of that of a double-sided motor on one drive side. It is also often the case that the consumption of the torque on the output shaft takes place uniformly over a large part of the length. Then the shaft is additionally relieved of hydraulic motors, which are mounted on both sides, and the shaft deflection due to the load decreases. A similar 'principle is used when the output shaft is to be retrofitted because of increased requirements.
Then the drive can be retrofitted with simple means, as an additional hydraulic engine "piggyback" can be mounted on the existing engine.
In order to adjust the oil consumption to the needs, the stroke volume of the pump is varied in conventional systems. There are 2 most common control concepts. In the "volume-compensated" control, the hydraulic pressure in the supply line is kept constant by the consuming hydraulic motor. As the consumption of oil in the line increases, the stroke volume of the pump is automatically adjusted so that the pressure does not drop and vice versa. The advantage of this control concept is that you can install any number of hydraulic motors for a pump station system that has an intake and an exhaust manifold for all hydraulic motors. The torque for all hydraulic motors is then constant. With the "pressure-compensated" control, the stroke of the pump is kept constant, whereby the hydraulic pressure of the motor supply line may vary.
In this control concept, each output shaft has its own pumping system, otherwise it would cause interference between the torques of the various output axles. This invention particularly regards this drive system. Since the stroke of the pump is kept constant, the speed of the output shaft also remains constant.
If the hydraulic motors are very large, a pump is no longer possible to operate. The largest axial piston pumps currently available on the market have a stroke of 1000 cc. Up to 500 cc, the pumps can be operated at 1800 rpm, moreover, these pumps must be operated at a lower speed. Therefore, the achievable pumping volume of a 1000 cc pump is not twice as high as that of a 500 cc pump. The maximum continuous speed of a 1000 cc pump is e.g. 1200 rpm, which does not agree with the electrical grid frequency. Therefore you need a gearbox for this pump to get from the mains speed 50 Hz (1500 rpm) or 60 Hz (1800 rpm) to 1200 rpm or you have to use a low-pole electric motor.
The only way to realize high performance with pumps is to multiply the number of pumps. Several pumps can be installed on one drive axle, but typically not more than 2 for large drives. Thus, for a drive of e.g. 3 MW 8 pumps with 500 cc stroke required (1500 rpm) and 4 electric motors. A disadvantage of this drive system is therefore the number of required (wear) parts and thus the required maintenance. Another disadvantage of this pump system is that the hydraulic efficiency of AxialkoIbenpumpen strongly decreases at part load. The efficiency of the hydraulic motors is always considerably better than that of the pumps. It is therefore not only wasted electrical energy, but it must also the oil cycle strong. be cooled.
This cooling performance is often underestimated, which limits the flexibility of the drive system.
The pumping stations must be connected to each other and then the engine with manifolds. The piping effort, especially for drives with high power is very high. The line length increases at several pumping stations for a drive, and thus the power loss due to friction dissipation in the lines. It is therefore not useful to install the pumping stations too far away from the hydraulic motor. Since the pumping stations are very large and take up a lot of space, that is a disadvantage. Another disadvantage is that with long feed lines, the volume of oil increases. If there are torque fluctuations on the output shaft, this oil quantity is elastically compressed and the oil volume flow at the engine decreases or decreases. This leads to speed fluctuations on the output shaft.
The deviation b from the average speed is proportional to the pressure change, not the pressure level in the supply line. There is thus no direct relationship between the rotational speed of the output shaft and the torque level. Relief of the torque load by braking the shaft therefore does not take place. By deceleration of the output shaft also additional torque is released, which adds to the torque of the drive. This torque is the inertia of the shaft and the hydraulic motor. Although the inertia of the hydraulic motor is small and thus adds little inertia to the output shaft in comparison to the direct drive with gearbox, the deceleration in the hydrodynamic drive is very high and accordingly the inert torque is not negligible.
This inertia moment is proportional to the curvature of the hydraulic pressure curve according to the above-mentioned description. The strongest curvature coincides with the torque peaks. Thus, the shaft connection of the hydraulic motor to the output shaft is relieved by this effect, but the torque peaks are not really 100% reproduced by the hydraulic pressure. This weakens the efficiency of the hydraulic pressure limiting to prevent damage to the output shaft in the intervention of the consumer. The described disadvantages of the hydraulic drive at high powers are inventively improved so that the pump stations are replaced by hydraulic motors that act as pumps. These pumped hydromotors are mounted on the drive axle and connected via a transmission gearbox with an electric motor or diesel engine.
The electric or diesel drive is variable speed e.g. with frequency converter. In a diesel engine then makes a diesel-electric drive with frequency converter sense. The Pumphydromotoren have a much larger displacement per revolution than axial piston pumps. According to the invention, the nominal speed of these pumped-motor motors is most advantageously around 300 rpm, with a usual rotational speed of the output shaft of 30 rpm. Thus, the torque of the drive shaft of the pumped motor by the factor of 10 smaller than that of the output shaft. This translation corresponds to a gearbox that covers the high mechanical load range of the drive. This is a further advantage of this drive concept according to this invention.
The number of required Pumphydromotoren is 1 to 2 per hydraulic motor on the output axis and thus by a factor of 2 to 3 lower. Only one electric motor per output shaft is needed as the pump motors can be mounted on a drive shaft. The distance between these pump hydraulic motors is lower and the tubing cost is significantly reduced. Also reduced is the noise level of the hydro drive. Hydromotors cause comparatively little noise, while axial rotary lobe pumps produce considerable noise. Another advantage of the inventive method is that the frequency converter can react very quickly to load fluctuations. Thus, it is possible to compensate for the oil volume flow fluctuations at the inlet of the hydraulic motor on the output shaft by the load adjustments of the electric motor.
This is only partially possible with axial piston pumps, since the control here is hydraulic, and thus relatively sluggish. Another advantage of the inventive drive concept is that the speed control of the drive is realized by a frequency converter which feeds the electric motor, and this frequency converter can be installed relatively far away from the electric motor without the efficiency of the drive would significantly deteriorated. This reduces the space required for drive equipment in the vicinity of the output shaft and circumvents problems of explosion protection. If further advantages of the drive concept according to the invention are that the hydraulic efficiency of the drive is much higher than in the case of the conventional hydraulic drive.
Thus, the required cooling capacity of the hydraulic circuit is smaller and less electrical energy is consumed.
Patents / Search / Background of the Invention.
Object of the invention
The aim of the invention is to find a method to find large hydraulic drives for rotating shafts requiring large amounts of circulating hydraulic oil with less effort on hydraulic pumping units, as it is possible according to the prior art, this drive a speed control with minimized speed fluctuations the output shaft provides.