DE102012004737A1

DE102012004737A1 - Hydrauliksystem und Kran

Info

Publication number: DE102012004737A1
Application number: DE102012004737A
Authority: DE
Inventors: Christof Gassner; Markus Schwarzhans
Original assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12
Also published as: US9248997B2; CN103307045A; EP2636633B1; US20130236272A1; EP2636633A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für einen Kran mit wenigstens einem Hydraulikkreislauf, der wenigstens einen hydraulischen Verbraucher umfasst, und einem Konstantdrucknetz, wobei der wenigstens eine Hydraulikkreislauf über wenigstens einen Druckuntersetzer mit dem Konstantdrucknetz gekoppelt ist, wodurch ein gegenüber dem Konstantdrucknetz höherer Volumenstrom mit niederem Druck in dem Hydraulikkreislauf erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für einen Kran mit wenigstens einem Hydraulikkreislauf, der wenigstens einen hydraulischen Verbraucher umfasst, und einem Konstantdrucknetz.
Zum Betrieb des Hydraulikkreislaufs bzw. des hydraulischen Verbrauchers ist ein entsprechender Einspeisedruck erforderlich. In der Regel erzeugt eine Hydraulikpumpe den passenden Einspeisdruck, indem sie Hydraulikfluid aus dem Tank ansaugt und an ihrem Ausgang den Speisedruck zum Betrieb des hydraulischen Verbrauchers bereitstellt.
Je nach Anwendungsfall ist für den Betrieb des hydraulischen Verbrauchers ein bestimmtes Druckniveau bzw. ein definierter Volumenstrom erforderlich.
Ein solcher Anwendungsfall liegt beim Betrieb einer Seegangsfolgeeinrichtung, auch als Active Heave Compensation bezeichnet, vor. Hier soll die Last während der Hubarbeit trotz Seegangs beim Tiefseehub ruhig gehalten wertden. Mittels der Kompensationseinrichtung wird hierzu in die Ansteuerung der Hubwinde eingegriffen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung setzt sich zum Ziel, ein derartiges Hydrauliksystem weiterzuentwickeln, um die Energiebilanz des Systems durch gezielte Maßnahmen zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Hydrauliksystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Hydrauliksystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Hydrauliksystem für einen Kran mit wenigstens einem Hydraulikkreislauf und einem Konstantdrucknetz vorgeschlagen. Wenigstens ein Hydraulikkreislauf weist einen hydraulischen Verbraucher auf. Zur Optimierung der Energiebilanz des gesamten Systems ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erforderliche Einspeisedruck für den hydraulischen Verbraucher nicht durch eine Einspeispumpe erzeugt wird, sondern statt dessen der wenigstens eine Hydraulikkreislauf über wenigstens einen Druckuntersetzer mit dem Konstantdrucknetz gekoppelt ist.
Ein derartiger Druckuntersetzer umfasst zweckmäßig wenigstens einen Eingang sowie wenigstens einen Ausgang, wobei mittels des Druckuntersetzers der an den jeweiligen Anschlussstellen anliegende Druck und/oder Volumenstrom variierbar ist.
Mittels des Druckuntersetzers kann ein geringer Volumenstrom mit hohem Druck innerhalb des Konstantdrucknetzes in einen hohen Volumenstrom mit niederem Druck innerhalb des Hydraulikkreislaufs wandelbar sein. Damit kann auf den Einsatz einer Einspeisepumpe verzichtet werden, da der erforderliche hohe Volumenstrom im Hydraulikkreislauf ausschließlich durch den Druckuntersetzer lieferbar ist. Diese erfindungsgemäße Maßnahme ist insbesondere dort von Vorteil, wo ein Konstantdrucknetz ohnehin Installiert ist und der Einsatz des Druckuntersetzers die Integration einer zusätzlichen Pumpe überflüssig macht.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst der Druckuntersetzer wenigstens zwei zusammengeschaltete Kolben mit einem geeigneten Verhältnis der Kolbenflächen. Insbesondere ist der Kolben mit kleiner Kolbenfläche an das Konstantdrucknetz gekoppelt, wohingegen die große Kolbenfläche des zweiten Kolbens mit dem Hydraulikkreislauf in Verbindung steht. Durch geeignete Wahl des Flächenverhältnisses kann gezielt auf das Umwandlungsverhältnis und den zu erzielenden Volumenstrom eingegangen werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei Umkehrung der Strömungsrichtung im Hydraulikkreislauf mittels des Druckuntersetzers eine Leistungsabgabe an das Konstantdrucknetz ermöglicht wird. Wird beispielsweise am Eingang des Druckuntersetzers auf der Seite des Hydraulikkreislauf ein Volumenstrom erzeugt, so verschiebt sich die Kolbeneinheit in Richtung des Konstantdrucknetzes und erzeugt auf dieser Seite einen niedrigen Volumenstrom mit hohem Druckniveau.
Eine Umkehrung des Volumenstroms im Hydraulikkreislauf wird beispielsweise dadurch ermöglicht, dass ein Teil des Volumenstroms bzw. Drucks im Normalbetrieb gespeichert wird. Hierzu kann wenigstens ein Druckspeicher im Hydraulikkreislauf angeordnet sein. Gibt der Speicher die gespeicherte Druckenergie ab, so kehrt sich der Volumenstrom im Hydraulikkreislauf um, so dass diese Druckenergie über den Druckuntersetzer zurück an das Konstantdrucknetz abgebar ist.
Wenigstens ein Druckspeichermittel kann vorzugsweise ein Fluidspeichermittel, Gasspeichermittel oder ein Speichermittel für sonstige Medien sein. Entspricht die Speicherform nicht dem verwendeten Hydraulikfluid, so kann vorzugsweise vor dem Speicher ein Druckmittelwandler eingebunden sein. Beispielsweise ist das Speichermittel als Luftdruckspeicher ausgeführt und die Druckenergie des Hydraulikfluids ist mittels des Druckmittelwandlers in das entsprechende Luftdruckniveau wandelbar.
Als hydraulischer Verbraucher kommt zweckmäßig ein Hydromotor in Frage, der vorzugsweise in beiden Strömungsrichtungen betreibbar ist. Damit lässt sich der Hydromotor in einer ersten Drehrichtung durch den über dem Druckuntersetzer erzeugten Volumenstrom betreiben und in einer entgegengesetzten Drehrichtung über die gespeicherte Energie des Speichermittels.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung lässt sich mittels des wenigstens einen Hydraulikkreislaufs bzw. des Hydromotors eine Kranseilwinde, insbesondere eine Tiefseehubseilwinde, antreiben. Vorzugsweise wird der Hydromotor zur Umsetzung einer Active Heave Compensation betrieben, die die Kompensation des Seegangs zur Aufgabe hat.
Durch die Verwendung eines Druckuntersetzers kann das Hydraulikfluid zwischen diesem und gegebenenfalls einem angeordneten Speicher hin- und hergeschoben werden, was insbesondere in der Betriebsart Active Heave Compensation oder ähnlicher zyklischer Betriebsarten zur Anwendung kommt. Durch das erfindungsgemäße Hydrauliksystem lässt sich die Tankumwälzmenge merklich reduzieren. Zudem zeichnet sich das System durch eine besonders effiziente Energierückgewinnung aus.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kran, der das erfindungsgemäße Hydrauliksystem bzw. eine vorteilhafte Ausführungsform des Hydrauliksystems aufweist. Die Vorteile und Eigenschaften des Krans entsprechen offensichtlich denen des Hydrauliksystems, weshalb an dieser Stelle auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
Der Kran kann eine Tiefseehubseilwinde aufweisen, die durch einen hydraulischen Antrieb versorgt wird. Insbesondere dient ein geschlossener Hydraulikkreislauf mit wenigstens einem Hydraulikmotor dazu, die Hubseilwinde zur Ausführung einer Ab- bzw. Aufwickelbewegung in Rotation zu versetzen. Zudem kann der Kran ein Konstantdrucknetz umfassen, das von einer zentralen Hydraulikpumpe versorgbar ist und zur Speisung ein oder mehrerer hydraulischer Verbraucher, insbesondere diverser Krankomponenten, verwendet wird.
Weiterhin weist der Kran einen Hydraulikkreis gemäß dem erfindungsgemäßen Hydrauliksystem auf. Der integrierte Hydromotor kann vorzugsweise Bestandteil einer Seegangsfolgeeinrichtung sein. Die Winde wird hier durch den Hydromotor gesondert angetrieben, um den Seegang während der eigentlichen Hubarbeit kompensieren zu können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von zwei Zeichnungen näher beschrieben.
Die beiden 1, 2 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems zum Betrieb eines Offshore-Krans. Der Kran bzw. das Hydrauliksystem ist insbesondere für den Tiefseehub konstruiert. Neben dem eigentlichen hydraulischen Antrieb der Tiefseehubwinde ist eine Seegangsfolgeeinrichtung installiert.
Der Aufbau des in den 1, 2 gezeigten Hydrauliksystems umfasst ein Konstantdrucknetz 2 mit einem verhältnismäßig hohen Druckniveau. Zur Erzeugung des Konstantdruckes ist die Hydraulikpumpe 1 vorgesehen, die Hydrauliköl aus dem Tank ansaugt und auf das entsprechende Druckniveau des Konstantdrucknetzes 2 bringt.
Zudem sind in der 2 zusätzlich zwei hydraulische Verbraucher 13 in Form eines Hydraulikmotors und eines Hydraulikzylinders eingezeichnet, die jeweils über die Hydraulikpumpe 1 mit dem Druckniveau des Konstantdrucknetzes 2 gespeist werden. Beide Verbraucher 13 sollen jedoch nur stellvertretend für einen möglichen Aufbau des Konstantdrucknetzes 2 stehen. Grundsätzlich können beliebig viele gleichartige oder verschiedene Hydraulikkomponenten im Konstantdrucknetz 2 angeordnet sein bzw. mit diesem in Verbindung stehen.
Für den Antrieb der Tiefseehubseilwinde 7 steht ein geschlossener Hydraulikkreislauf zur Verfügung, bestehend aus der Pumpen-Motoreinheit 9 sowie dem in beide Strömungsrichtungen betreibbaren Hydraulikmotor 8.
Der Kran umfasst weiterhin einen Antriebsmotor 11 mit euinem Getriebe 12. Neben der Hydraulikpumpe 1 zur Speisung des Konstantdrucknetzes 2 sitzt zudem die Pumpen-Motoreinheit 9 des geschlossenen Kreislaufs auf der Antriebswelle 12.
Die Seilwinde 7 wird hauptsächlich durch den geschlossenen Kreislauf, d. h. den Hydraulikmotor 8 sowohl in Auf- als auch in Abwickelrichtung angetrieben, um die erforderliche Hubarbeit auszuführen.
Da der Kran während des Tiefseehubs den äußeren Einflüssen des Seegangs unterliegt, ist eine prinzipiell bekannte Seegangsfolgeeinrichtung vorgesehen, die den Seegang über eine zusätzliche Ansteuerung der Seilwinde 7 kompensieren soll.
Zur Umsetzung der Seegangsfolgeeinrichtung, die auch als Active Heave Compensation bezeichnet wird, dient der Hydraulikkreislauf 4. Dieser umfasst einen in beide Strömungsrichtungen betreibbaren Hydraulikmotor 5, dessen Drehmoment ebenfalls die Seilwinde 7 in beide Richtungen antreibt. Gleichzeitig ist der Motor 5 als Verstelleinheit ausgeführt.
Zur Speisung des Hydromotors 5 wird ein besonders hoher Volumenstrom verlangt, der oftmals in Bereiche bis mehrere tausend I/Minute vorstößt. Dieser hohe Volumenstrom wird erfindungsgemäß nicht über eine eigene Einspeispumpe, wie aus dem Stand der Technik bekannt, realisiert, sondern erfolgt durch die Kopplung des Konstantdrucknetzes 2 an den Kreislauf 4 mit Hilfe des Druckuntersetzers 3.
Der Druckuntersetzer 3 besteht aus zwei Kolben, die eine gemeinsame Kolbenstange mit abweichenden Kolbenflächen an den Stangenstirnseiten aufweisen. Die Kolbenfläche mit geringerem Umfang ist mit dem Konstantdrucknetz 2 verbunden, wohingegen die verhältnismäßig große Kolbenfläche des zweiten Zylinders mit dem Hydraulikreislauf 4 in Verbindung steht.
Das gewählte Flächenverhältnis der beiden Kolbenflächen bewirkt, dass der kleine Volumenstrom mit hohem Druck aus dem Konstantdrucknetz 2 in einen hohen Volumenstrom mit niederem Druck innerhalb des Hydraulikkreislaufs 4 gewandelt wird.
Der Druckuntersetzer 3 übernimmt die Hydrauliköleinspeisung, die ein Trockenlaufen des Systems verhindert. Hierzu steht der Druckuntersetzers 3 mit einem Eingang des Hydraulikmotors 5 in Verbindung. Am Ausgang des Hydraulikmotors 5 ist über ein Wegeventil 10 sowie einen Druckmittelwandler 6 ein Speichermittel 15 angeschlossen, über welches die Hubarbeit geleistet wird.
Um Drucküberlastungen im Hydraulikkreis 4 zu vermeiden, ist zusätzlich ein Druckbegrenzungsventil 17 angeordnet, das bei Erreichen eines bestimmten Grenzdruckniveaus überschüssiges Hydrauliköl an den Tank freigibt.
Wie der 1 zu entnehmen ist, kann hilfsweise eine zusätzliche Hydraulikpumpe 18 im Hydraulikkreislauf 4 vorgesehen sein, um ein bestimmtes Druckniveau bzw. einen bestimmten Volumenstrom gewährleisten zu können. Die Hydraulikpumpe 18 sitzt auf einer gemeinsamen Antriebswelle mit dem verstellbaren Motor 12 des Konstantdrucknetzes 2.

Claims

Hydrauliksystem für einen Kran mit wenigstens einem Hydraulikkreislauf, der wenigstens einen hydraulischen Verbraucher umfasst, und einem Konstantdrucknetz, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hydraulikkreislauf über wenigstens einen Druckuntersetzer mit dem Konstantdrucknetz gekoppelt ist, wodurch ein gegenüber dem Konstantdrucknetz höherer Volumenstrom mit niederem Druck in dem Hydraulikkreislauf erzeugbar ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckuntersetzer wenigstens zwei Kolben mit entsprechendem Kolbenflächenverhältnis aufweist.
Hydrauliksystem nach einem der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umkehrung der Strömungsrichtung des wenigstens einen Hydraulikkreislaufs Druckenergie an das Konstantdrucknetz abgebbar ist.
Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Druckspeicher im Hydraulikkreislauf vorgesehen ist, wobei in dem wenigstens einen Speicher Druckenergie speicherbar ist, die bei Strömungsumkehr an das Konstantdrucknetz abgebbar ist.
Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Druckspeicher über wenigstens einen Druckmittelwandler eingebunden ist.
Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein hydraulischer Verbraucher des wenigstens einen Hydraulikkreislaufs ein Hydromotor ist, der in zwei Strömungsrichtungen betreibbar ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydromotor in einer ersten Drehrichtung mittels des durch den Druckuntersetzer erzeugten Volumenstroms betreibbar und in einer zweiten Drehrichtung mittels der in wenigstens einem Druckspeicher gespeicherten Druckenergie betreibbar ist.
Hydrauliksystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des wenigstens einen Hydraulikkreislaufs bzw. des Hydromotors eine Kranseilwinde, insbesondere eine Tiefseehubseilwinde, antreibbar ist, vorzugsweise zur Kompensierung des Seegangs.
Kran, insbesondere Offshore-Kran, mit einem Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kran nach Anspruch 9 mit einer Tiefseehubseilwinde, wobei die Winde über einen geschlossenen Hydraulikkreislauf antreibbar ist und die Tiefseehubwinde zudem mittels des Hydromotors im Hydraulikkreislauf antreibbar ist, um den Seegang zu kompensieren.