DE102012209528A1

DE102012209528A1 - Hydrauliksteuerungsvorrichtung mit einem digitalhydraulischen regler

Info

Publication number: DE102012209528A1
Application number: DE201210209528
Authority: DE
Inventors: Ville Hopponen; Arto Ikonen; Eero Suomi; Pekka Vantola
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bewegung eines in einem Hydraulikzylinder (13; 13') angeordneten Kolbens (11; 11'), der in dem Hydraulikzylinder (13; 13') zwei Kammern (A, B; A', B') bildet, die mittels über einen digitalhydraulischen Druckregler (15; 15') geführte Hydraulikleitungen mit einem durch ein Hydraulikfluid erzeugten Hydraulikdruck beaufschlagbar sind. Der digitalhydraulische Druckregler (15; 15') weist mindestens eine Reihe parallel geschaltete Ventile, eine gemeinsame Zuführleitung (19, 21) und eine gemeinsame Abführleitung (23) auf. Zwischen dem digitalhydraulischen Druckregler (15; 15') und dem Hydraulikzylinder (13, 13') sind mindestens zwei parallel geschaltete Ventile (17a) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hydrauliksteuerungsvorrichtung als eine Vorrichtung zur Bewegung eines in einem Hydraulikzylinder angeordneten Kolbens, insbesondere zur Positionsänderung einer Masse, ein Verfahren zur Positionsänderung einer Masse und ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Druckspeichers.
Hydraulik wird verbreitet als Betätigungs- und Steuerungsmittel eingesetzt; insbesondere werden Stellglieder hydraulisch angetrieben, mit denen große Kräfte mit hoher Genauigkeit eingestellt und ausgeübt werden können.
In der Regel wird ein Arbeitsfluid wie z. B. Hydrauliköl, Wasser, eine Wasseremulsion, ein Gas oder eine Gasemulsion verwendet, das von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird. Die Einleitung des unter Druck stehenden Hydrauliköls in ein hydraulisches Stellglied, wie z. B. einen Hydraulikzylinder oder einen Hydraulikmotor wird typischerweise durch ein proportionales Steuerventil oder Proportionalventil gesteuert, das elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann.
Ein solches Steuerventil hat einen verschieb- oder verlagerbaren Steuerschieber oder Steuerkolben, der in Antwort auf seine Lage in einem zugehörigen Ventilgehäuse einen Solldruck am Ausgang einstellen kann, indem der Druck von der Pumpe gelieferten Hydrauliköls heruntergeregelt wird. Die Beweglichkeit des Steuerkolbens im Ventilgehäuse erfordert zwingend ein gewisses Spiel oder Spaltmaß zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse, so dass eine innere Leckage des Steuerventils unvermeidbar ist. Das Spaltmaß darf nicht zu eng gewählt werden, denn sonst würde das Ventil zu anfällig gegen Verschmutzungen im Hydrauliköl.
Als Beispiel für eine derartige hydraulische Anwendung ist aus der Druckschrift DE 10 2009 042 477 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Position einer einem Kalander zugeordneten Walze bekannt. Gemäß dieser Druckschrift wird eine Position der Walze über einen mit einem Ende der Walze in Verbindung stehenden Hydraulikzylinder eingestellt, der durch einen Kolben in zwei Kammern unterteilt ist. Die Strömung eines Hydraulikfluids in bzw. aus den Kammern wird gleichzeitig über ein einzelnes Steuerventil eingestellt.
In letzter Zeit wurden alternative Druckregler entwickelt, die in dieser Anmeldung durchgängig als digitalhydraulische Druckregler bezeichnet werden sollen. Werden solche digitalhydraulischen Druckregler als Druckminderer eingesetzt, werden diese in der vorliegenden Anmeldung durchgehend als digitalhydraulische Druckminderer bezeichnet.
Die Arbeitsweise der digitalhydraulischen Druckregler ist beispielsweise in der Zeitschrift Fluid Nr. 7–8, 2008, S. 12, 13 genauer beschrieben. Der verbesserten Lesbarkeit dieser Anmeldung halber wird die Arbeitsweise digitalhydraulischer Druckregler nochmals sehr kurz zusammengefasst dargestellt:
Ein digitalhydraulischer Druckregler besteht im einfachen Fall aus einer Reihe parallel geschalteter Ventile, die lediglich AUF/ZU Funktion besitzen; also einfache EIN/AUS-Schaltventile sind, die einen Durchfluss zulassen oder unterbrechen und in dieser Anmeldung durchgängig als Ventile bezeichnet werden können. Die Ventile sind alle mit einer gemeinsamen Zuführleitung einerseits und mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung andererseits verbunden. Die Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile, d. h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt werden.
Durch Anschluss oder Einbau von Drosselelementen bzw. durch die Ventile selbst ist dafür gesorgt, dass die Ventile unterschiedliche Durchflüsse haben, wenn sie geöffnet sind. Wenn beispielsweise vier Ventile vorgesehen sind, so können die Durchflussraten Q in den einzelnen, jeweils von dem zugehörigen Ventil wahlweise freigebbaren Durchlässen im Verhältnis von 1:2:4:8 zueinander stehen; bei einer größeren Anzahl von Ventilen wird diese Reihe entsprechend fortgesetzt.
Durch Öffnen und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen, die auf der Basis von mathematischen Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine rasche und präzise Druckeinstellung in der Ausgangsleitung bzw. in dem daran angeschlossenen Stellglied erreicht werden. Dies wird erreicht, indem die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten proportionalen Steuerventils durch eine digital erstellte (angenäherte) Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hysterese des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, einen Regelpunkt schnell und (nahezu) überschwingungsfrei anzufahren.
Ein weiterer Vorteil der digitalhydraulischen Regelung liegt darin, dass die Ventile entweder offen oder geschlossen sind, d. h. zum Halten eines Solldrucks in einem geschlossenen (und unveränderten) System sind die Ventile einfach geschlossen und es gibt keine inneren Leckageströme. Damit besteht ein deutlicher Unterschied zum herkömmlichen Proportionalventil, das stets von einem Hydraulikölstrom durchflossen ist. Dies kostet ständig Energie für die Hydraulikpumpen, z. B. in einer Papiermaschine.
Somit ist zu erkennen, dass es der Einsatz von digitalhydraulischen Druckreglern gestattet, die Hydraulikpumpen weniger oft oder kürzer zu betreiben, wodurch Energie gespart werden kann.
Einem digitalhydraulischen Stellglied sind im Normalfall vier Ventilbänke zugeordnet, die jeweils eine gleiche Anzahl von Ventilen und/oder Drosseln aufweisen. Eine schematische Darstellung eines solchen Hydrauliksystems, das beispielsweise an einer Papiermaschine eingesetzt werden kann, ist der 1 zu entnehmen. Die Ventilbänke werden auch als digitale Strömungssteuerungseinheit bezeichnet und sind daher in der 1 mit der Abkürzung DFCU versehen.
Das Hydrauliksystem der 1 besteht aus einem mittels zwei Stellgliedern 1, 5 verschiebbaren Zylinder 3, der gegen einen fest angeordneten Zylinder 7 zu führen ist. Die Stellglieder 1, 5 weisen eine erste Kammer A und eine zweite Kammer B auf. Wird der Druck in der jeweiligen Kammer A im Verhältnis zu dem Druck in der jeweiligen Kammer B erhöht, kommt es zu einer Zustellbewegung des beweglichen Zylinders 3 gegen den festen Zylinder 7. Im Gegensatz kommt es zu einer Zurückstellbewegung, wenn der Druck in der jeweiligen Kammer B erhöht wird. Jedem Stellglied 1, 5 ist dabei ein digitalhydraulischer Regler 2, 4 zugeordnet, die den gleichen Aufbau aufweisen.
Um die Zustellbewegung zu erreichen, werden die Ventile der Ventilbänke P-A in den beiden digitalhydraulischen Reglern 2, 4 so geschaltet, dass eine Verbindung zwischen einer Pumpe P zur Erzeugung eines hydraulischen Drucks in einem Arbeitsfluid und der Kammer A in den Stellgliedern 1, 5 hergestellt ist. Gleichzeitig werden die Ventile der Ventilbänke B-T in den digitalhydraulischen Reglern geschaltet, um für das Hydraulikfluid eine Verbindung zwischen den jeweiligen Kammern B und einem Tank T herzustellen. Durch das Schalten der Ventile entsteht ein bestimmter Durchfluss für das Hydraulikfluid.
Für eine Zurückstellbewegung werden dementsprechend die Ventilbänke P-B und A-T in den beiden digitalhydraulischen Reglern 2, 4 so geschaltet, dass eine Verbindung zwischen der Pumpe P und der Kammer B in den Stellgliedern hergestellt ist.
Zwischen der der Pumpe und den Ventilbänken kann außerdem ein Druckspeicher vorgesehen sein, der nach Bedarf über die Pumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird, damit in dem Hydrauliksystem jederzeit ein Mindest-Hydraulikdruck verfügbar ist. Dabei kann der Druckspeicher mit dem Hydraulikfluid aus dem Tank T gespeist werden.
Da das Hydraulikfluid in beiden Richtungen durch die Ventilbänke A-T, P-A, P-B, B-T strömen kann, ist es in bestimmten Betriebszuständen möglich, die Ventilbänke so zu schalten, dass das Hydraulikfluid aus dem Tank in eine der Kammern A oder B (T-A; T-B) gesaugt wird. Ebenfalls kann es in bestimmten Betriebszuständen möglich sein, das Hydraulikfluid aus einer der Kammern A oder B zu dem Druckspeicher bzw. der Pumpe (A-P; B-P) strömen zu lassen.
Da jede Ventilbank mehrere Ventile und Drosseln gleicher Bauart aufweist, besteht eine sehr große Anzahl an verschiedenen Ventilschaltkombinationen bzw. diesen jeweils entsprechenden Durchflüssen. Beispielsweise gibt es bei sechs Ventilen pro Ventilbank eine Anzahl von 2¹² = 4096 unterschiedlichen Ventilschaltkombinationen bzw. Durchflüssen alleine für die Zustellbewegung, sowie weitere 4096 Durchflüsse für die Zurückstellbewegung.
Bisher wurde von Seiten der Anmelderin zur Verbesserung der aus der voranstehend erwähnten DE 10 2009 042 477 A1 bekannten Technik ein digitalhydraulischer Regler vor das Proportionalventil vorgeschaltet. Dabei besteht aber ein Problem dahingehend, dass eine Bewegung des Hydraulikkolbens relativ zu dem Hydraulikzylinder nur erfolgen kann, wenn der Druck in beiden Kammern gleich ist, da ein Proportionalventil während einer Bewegung des Hydraulikkolbens keine unterschiedlichen Drücke in den beiden Kammern einstellen kann. Außerdem kann dabei eine Strömungsrate des Hydraulikfluids nicht gesteuert oder geregelt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung der bisher bekannten Technik.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bewegung eines in einem Hydraulikzylinder angeordneten Kolbens, bildet der Kolben in dem Hydraulikzylinder zwei Kammern. Diese können mittels über einen digitalhydraulischen Druckregler geführte Hydraulikleitungen mit einem durch ein Hydraulikfluid erzeugten Hydraulikdruck beaufschlagt werden. Der digitalhydraulische Druckregler weist mindestens eine Reihe parallel geschaltete Ventile, eine gemeinsame Zuführleitung und eine gemeinsame Abführleitung auf. Dabei sind mindestens zwei parallel geschaltete Ventile zwischen dem digitalhydraulischen Druckregler und dem Hydraulikzylinder angeordnet.
Bevorzugt sind die mindestens zwei Ventile als diskret schaltbare Ventile, wie z. B. als Solenoidventile ausgeführt.
Gemäß dem obigen Absatz sind dem digitalhydraulischen Druckregler anstelle eines Proportionalventils mindestens zwei parallel angeordnete Ventile nachgeschaltet. Dies ermöglicht es, während der Bewegung des Hydraulikkolbens relativ zum Zylinder die Strömung zwischen den beiden Kammern in dem Hydraulikzylinder mit höchster Genauigkeit zu steuern.
Insbesondere kann es dadurch vermieden werden, dass ein Großteil des Hydraulikmediums zurück zur Pumpe strömt und von dort wieder zu dem Hydraulikzylinder gepumpt werden muss. Da die Menge des strömenden Hydraulikmediums reduziert wird, ist es auch möglich die Leitungsdurchmesser zu verringern und eine kleinere Pumpe bzw. kleinere Druckspeicher einzusetzen. Da der Volumenstrom des Hydraulikfluids außerdem merklich reduziert werden kann, ist abgesehen von der Verbesserung der Genauigkeit der Steuerung auch ein schnelleres Ansteuern des hydraulischen Stellglieds (Kolbens bzw. Hydraulikzylinder) möglich. Dadurch kann beispielsweise bei einem Einsatz in einem Kalander einer Papier- oder Kartonmaschine ein beschleunigtes Öffnen eines Nips durch Bewegen einer Walze erreicht werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionsänderung einer Masse kann zwei der voranstehend beschriebenen Vorrichtungen aufweisen. Diese sind derart parallel angeordnet, dass eine Bewegung eines der Kolben relativ zu dem jeweiligen Hydraulikzylinder eine Bewegung der Masse ergibt. Außerdem ist eine Pumpe über eine Leitung mit einem der beiden digitalhydraulischen Druckregler in Verbindung, um einen Hydraulikdruck in einer der Kammern von einem der Hydraulikzylinder zu ändern und den jeweiligen Kolben zu bewegen. Ein Druckverteilungsventil ist zwischen der Leitung und dem anderen digitalhydraulischen Druckregler angeordnet, um über das Druckverteilungsventil und über den anderen digitalhydraulischen Druckregler einen zu einer der Kammern des anderen Hydraulikzylinders zugeführten Hydraulikdruck zu ändern. Ein erster Druckspeicher ist mit der Leitung in Verbindung, um einerseits von der Pumpe mit einem Hydraulikdruck beaufschlagt zu werden und andererseits den Hydraulikdruck zu der Leitung abzugeben. Ein zweiter Druckspeicher ist mit dem Druckverteilungsventil in Verbindung, um über das Druckverteilungsventil mit einem Hydraulikdruck beaufschlagt zu werden und den Hydraulikdruck zu dem Druckverteilungsventil abzugeben.
Dabei ist es möglich, die Druckspeicher durch entsprechende Ventilstellung insbesondere des Druckverteilungsventils durch die Pumpe aufzufüllen. Andererseits sind sowohl die digitalhydraulischen Druckregler wie auch das Druckverteilungsventil derart schaltbar, dass ein in dem Hydraulikzylinder vorhandener, beispielweise durch ein Eigengewicht der zu bewegenden Masse verursachter Überdruck in einen oder beide Druckspeicher geleitet werden kann, um diese aufzufüllen.
Bevorzugt kann das Druckverteilungsventil ausgelegt sein, die zu beiden digitalhydraulischen Druckreglern zugeführten Hydraulikdrücke einzustellen. Daher ist es möglich, den einzelnen digitalhydraulischen Druckreglern unterschiedliche Mengen des Hydraulikfluids unter verschiedenen Drücken zuzuführen.
Bevorzugt kann zwischen dem ersten Druckspeicher und der Leitung ein mit einem Tank über eine Leitung verbundenes Ventil angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu, kann auch zwischen dem zweiten Druckspeicher und dem Druckverteilungsventil ein mit dem Tank über eine Leitung verbundenes Ventil angeordnet sein.
Bevorzugt kann ein Durchmesser des zweiten Hydraulikzylinders kleiner als der des ersten Hydraulikdruckzylinders sein. Dadurch wird durch eine Belastung mit dem Eigengewicht der zu bewegenden Masse ein höherer Hydraulikdruck erreicht.
Als Druckspeicher werden bevorzugt Blasenspeicher eingesetzt. Alternativ dazu können auch andere Hydraulikspeicher wie Membranspeicher, Kolbenspeicher oder andere eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem mit einem Berechnungsmittel zur Berechnung eines Druckanstiegs des Hydraulikfluids bereitgestellt sein. Der Druckanstieg des Fluiddrucks wird dabei ausgehend von einer Leistung einer Pumpe, einem Volumen eines Druckspeichers und einem Ausgangsdruck des Druckspeichers ermittelt. Zusätzlich kann eine Messeinrichtung zur fortlaufenden Messung des Druckanstiegs des Hydraulikfluids bereitgestellt sein. Durch ein Vergleichen des berechneten Druckanstiegs des Hydraulikdrucks und des gemessenen Druckanstiegs des Hydraulikdrucks mittels eines Vergleichsmittels kann die Größe eines Unterschieds zwischen den beiden Druckanstiegen ermittelt werden.
Falls die Größe des Unterschieds einen voreingestellten Schwellwert überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass sich in dem Druckspeicher ein Fehler wie z. B. ein Riss in der Blase eines Blasenspeichers oder eine andere Undichtigkeit befindet.
Die voranstehend beschriebene Erfindung ermöglicht es, auch während des Betriebs eines Hydrauliksystems mit Druckspeichern den Zustand der Druckspeicher, z. B. jedes Mal beim Anfahren der Pumpe, zu überprüfen. Da es nicht erforderlich ist, den Druckspeicher zur Überprüfung vollständig zu entleeren, können unnötige Verluste eines Füllgases wie z. B. Stickstoff vermieden werden und eine Vorrichtung zum wieder Befüllen des Druckspeichers mit Stickstoff ist kann ebenfalls eingespart werden.
Da außerdem eine fortlaufende Überprüfung des Druckspeichers im Betrieb möglich ist, erfolgt gemäß der Erfindung eine wesentliche Verbesserung der Sicherheit, da die Zuverlässigkeit des Druckspeichers auch in den Fällen sichergestellt ist, in denen es auf dessen Funktion ankommt. Als Beispiel sei hier die Steuerung eines Walzenspalts im Betrieb genannt.
Zusätzlich kann erfindungsgemäß eine Volumenstromermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines Volumenstroms des Hydraulikfluids in einer Leitung zu oder von einer der beiden Kammern vorgesehen sein. Dabei kann das Berechnungsmittel ausgehend von der Leistung der Pumpe und dem ermittelten Volumenstrom des Hydraulikfluids in der Leitung zu oder von einer der beiden Kammern einen Volumenstrom (Nettovolumenstrom) des Hydraulikfluids von der Pumpe zu dem Druckspeicher berechnen.
Durch Kenntnis der Volumenströme wie z. B. von der Pumpe zu dem hydraulischen System, z. B. wenn der Kolben des Hydraulikzylinders bewegt wird, ist es möglich, den Volumenstrom zum Druckspeicher zu ermitteln und somit den Einfluss auf den Druckanstieg des Hydraulikdrucks zu berechnen. Da in einem digitalhydraulischen Regler bzw. einem System mit einem solchen digitalhydraulischen Regler sämtliche Volumenströme berechnet werden müssen, sind diese als Grundlage für die oben erwähnte Berechnung des Nettovolumenstroms bekannt. Da in dem digitalhydraulischen Regler außerdem keine Verluste auftreten, gibt es keine Strömungsverluste, wodurch eine sehr genaue Berechnung möglich ist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bewegung einer Masse durch Bewegen eines Kolbens eines Hydraulikzylinder, in dem der Kolben in dem Arbeitszylinder eine Arbeitskammer und eine Entlastungskammer ausbildet, weist die folgende Schritte auf: Zuführen eines Hydraulikdrucks von einer Pumpe und/oder einem Druckspeicher über einen digitalhydraulischen Druckregler und mindestens zwei parallel geschaltete, diskret schaltbare Ventile zu der Arbeitskammer und gleichzeitiges Ableiten des Hydraulikdrucks aus der Entlastungskammer über die mindestens zwei parallel geschalteten, diskret schaltbaren Ventile und den digitalhydraulischen Druckregler zu einem Tank, um die Masse in eine erste Richtung zu bewegen. Unterstützen der Bewegung der Masse durch Bewegen eines Kolbens eines zweiten Hydraulikzylinder, in dem durch den zweiten Kolben eine Arbeitskammer und eine Entlastungskammer ausgebildet sind, durch Zuführen eines Hydraulikdrucks von einer Pumpe und/oder einem zweiten Druckspeicher über ein Druckverteilungsventil, einen zweiten digitalhydraulischen Druckregler und zweite mindestens zwei parallel geschaltete, diskret schaltbare Ventile zu der Arbeitskammer des zweiten Hydraulikzylinders und gleichzeitiges Ableiten des Hydraulikdrucks aus der Entlastungskammer des zweiten Hydraulikzylinders über die mindestens zwei parallel geschalteten, diskret schaltbaren Ventile und den zweiten digitalhydraulischen Druckregler zu dem Tank. Dabei gibt der zweite Druckspeicher gleichzeitig mit dem ersten Druckspeicher einen Hydraulikdruck ab.
Dabei ist es möglich, die Druckspeicher durch entsprechende Ventilstellung insbesondere des Druckverteilungsventils durch die Pumpe aufzufüllen. Andererseits sind sowohl die digitalhydraulischen Druckregler wie auch das Druckverteilungsventil derart schaltbar, dass ein in dem Hydraulikzylinder vorhandener, beispielweise durch ein Eigengewicht der zu bewegenden Masse verursachter Überdruck in einen oder beide Druckspeicher geleitet werden kann, um diese aufzufüllen.
Dabei kann das Druckverteilungsventil sowohl den zu dem ersten digitalhydraulischen Druckregler zugeführten Hydraulikdruck wie auch den zu dem zweiten digitalhydraulischen Druckregler zugeführten Hydraulikdruck steuern. Außerdem kann das Druckverteilungsventil so schaltbar sein, dass ein in dem Tank vorhandener Hydraulikdruck zusammen mit dem von der Pumpe und/oder einem oder beiden der Druckspeicher bereitgestellten Hydraulikdruck zu einem oder beiden digitalhydraulischen Druckspeichern zugeführt wird.
Damit ist es möglich, den Druck in einem Hydrauliksystem nicht nur mittels Pumpe und einem oder beiden Druckspeichern zu erhöhen sondern auch einen vorhandenen Tankdruck zur Erlangung eines Druckanstiegs einzusetzen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Druckspeichers weist folgende Schritte auf: Berechnen eines Druckanstiegs des Hydraulikfluids ausgehend von einer Leistung einer Pumpe, einem Volumen eines Druckspeichers und einem Ausgangsdruck des Druckspeichers, Messen des Druckanstiegs des Hydraulikfluids in fortlaufender Weise, und Feststellen der Größe eines Unterschieds zwischen dem berechneten Druckanstieg des Hydraulikdrucks und dem gemessenen Druckanstieg des Hydraulikdrucks.
Außerdem kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Volumenstrom des Hydraulikfluids in einer Leitung zu oder von einer der beiden Kammern ermittelt werden. Ausgehend von der Leistung der Pumpe und dem ermittelten Volumenstrom des Hydraulikfluids in der Leitung zu oder von einer der beiden Kammern kann ein Volumenstrom des Hydraulikfluids von der Pumpe zu dem Druckspeicher berechnet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von derzeit bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den anhängenden Figuren ersichtlich. In den Figuren zeigt:
1 ein mit digitalhydraulischen Reglern versehenes Hydrauliksystem,
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewegung eines in einem Hydraulikzylinder angeordneten Kolbens,
3 eine mögliche Anwendung der Vorrichtung der 2 in einer Vorrichtung zur Bewegung einer Masse.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewegung eines in einem Hydraulikzylinder angeordneten Kolbens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
In 2 bezeichnet Bezugszeichen 15 einen beispielhaften digitalhydraulischen Regler, der mit jeweils vier diskret schaltbaren Ventilen in fünf Reihen ausgebildet ist. Mittels Pumpen 19, 21 kann ein Hydraulikfluid und damit ein Hydraulikdruck in Zuführleitungen zu dem digitalhydraulischen Regler 15 zugeführt werden. Außerdem ist jedes einzelne der diskret schaltbaren Ventile über Abführleitungen mit einem Tank 23 verbunden.
Dem digitalhydraulischen Regler nachgeschaltet sind fünf parallel angeordnete Ventile 17a angeordnet, die jeweils sowohl mit der von der Pumpe 19 wie auch mit der von der Pumpe 21 versorgten Zuführleitung verbunden sind. Bei den 5 parallel angeordneten Ventilen 17a handelt es sich um diskret schaltbare Ventile, die zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung umgeschaltet werden können.
Jede Zuführleitung ist außerdem mit einer von zwei Kammern A, B verbunden, die durch einen Kolben 11 in einem Hydraulikzylinder 13 ausgebildet sind. Durch entsprechendes Ein- und Ausschalten Einzelner der fünf parallel angeordneten Ventile 17a ist es möglich, unterschiedliche Strömungszustände zwischen den einzelnen Kammern A und B zu erreichen, die mit außerordentlicher Genauigkeit geregelt werden können. Dadurch kann vermieden werden, dass das Hydrauliköl zurück zu dem Tank 23 und dann von dort über die Pumpe 19, 21 wieder in das digitalhydraulische System befördert werden muss. Aufgrund der verringerten, zu fördernden Hydraulikölmenge können sowohl die Pumpen 19, 21 eventuell vorhandene Druckspeicher wie auch die Durchmesser der Leitungen in vorteilhafter Weise kleiner dimensioniert werden.
Die Vorrichtung ist beispielsweise an einem Kalander anwendbar, in dem zum Öffnen eines Nips ein unterer Zylinder bewegt wird. Dabei wird das Volumen der Kammer A verkleinert, während das der Kammer B vergrößert wird. Da über die parallel angeordneten Ventile 17a das Hydrauliköl direkt in die Kammer B strömen kann, verbleibt nur ein kleiner Überschuss an Hydrauliköl, der aus der Kammer A zurück zu dem Tank 23 strömt. Entsprechend kann gemäß der Erfindung vollständig vermieden werden, dass zusätzlich über eine der Pumpen 19, 21 Hydrauliköl zu einer der Kammern A, B zugeführt werden muss.
Abweichend von der Ausführungsform kann die Anzahl der parallel angeordneten Ventile 17a beliebig sein. Außerdem können die parallel angeordneten Ventile 17a gleiche oder unterschiedliche Durchflussstärken aufweisen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise in einem Hydrauliksystem eingesetzt werden, wie es aus 3 ersichtlich ist. In dem System in 3 dient ein Hydraulikzylinder 13 mit einem Kolben 11 als Arbeitszylinder zur Bewegung einer Masse Ma. Diese kann beispielsweise eine Walze oder ein Zylinder einer Papiermaschine sein. Das Hydrauliköl zur Bewegung des Kolbens 11 wird von einer Pumpe 30 über eine Zuführleitung 30a über einen digitalhydraulischen Regler 15 und parallel angeordnete Ventile 17 zu Kammern A bzw. B eines Hydraulikzylinders zugeführt. Mit der Zuführleitung 30a ist auch ein Druckspeicher 33 verbunden.
Ein Abzweig von der Leitung 30a führt über ein Druckverteilungsventil 31 zu einem zweiten digitalhydraulischen Regler 15' und parallel angeordnete Ventile 17' zu Kammern A' und B' eines zweiten Hydraulikzylinders 13', in dem ein Kolben 11' angeordnet ist. Der zweite Hydraulikzylinder 11' dient als Pumpzylinder und weist bei gleicher Länge einen kleineren Durchmesser als der erste Hydraulikzylinder 11 auf. Mit dem Druckverteilungsventil 31 ist außerdem ein zweiter Druckspeicher 35 in Verbindung.
Zur Verstellung des Kolbens 11 in dem Arbeitszylinder 13 in einer positiven Richtung (in der Figur nach oben) wird die Pumpe 31 betrieben um aus einem Tank 23 angesaugtes Hydrauliköl in die Kammer A zuzuführen und dabei einen entsprechenden Hydraulikdruck aufzubauen. Bei angehaltener Pumpe wird der Überdruck des Druckspeichers 33 eingesetzt, um den Hydraulikdruck in der Kammer A zu erhöhen. Das dabei aus der Kammer B abgegebene Hydrauliköl wird dabei zum einem Teil über die parallel angeordneten Ventile 17 ebenfalls in die Kammer A zugeführt. Der Rest wird über eine Leitung 23a zu einem Tank 23 abgeführt.
Ebenfalls wird der Pumpzylinder 13' bzw. dessen Kolben 11' während des Pumpbetriebs in gleicher Weise aktiviert, um dessen Kammer A' mit einem Hydraulikdruck zu beaufschlagen, während dessen Kammer B' entleert wird. Wird dann die Pumpe 30 angehalten, wodurch der in dem Druckspeicher 33 gespeicherte Hydraulikdruck zum Einsatz kommt, wird über das Druckverteilungsventil 31 gleichzeitig der in dem Druckspeicher 35 gespeicherte Hydraulikdruck in das System eingebracht. Dabei ist das Druckverteilungsventil in der Lage, den Hydraulikdruck aus dem Druckspeicher 35 über eine Leitung 30b zu dem digitalhydraulischen Regler 15 und damit dem Arbeitszylinder 11, eine Leitung 30c als Unterstützung zu der Pumpe 30 oder eine Leitung 31a zu dem digitalhydraulischen Regler 15' und damit dem Pumpzylinder 13' zuzuführen.
Über zwischen dem Druckspeicher 33 und der von der Pumpe ausgehenden Leitung 30a bzw. zwischen dem Druckspeicher 35 und dem Druckverteilungsventil 31 angeordnete Ventile 37 und 39 kann zusätzlich ein in dem Tank 23 vorhandener Hydraulikdruck in das System eingebracht werden.
Es wird noch darauf verwiesen, dass in 3 Zuführleitungen mit einen ”P” bezeichnet sind, während Abführleitungen mit einem ”T” bezeichnet sind.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines Druckspeichers in einem digitalhydraulischen System. In einem derartigen digitalhydraulischen System muss der Systemdruck nicht unbedingt immer konstant sein. Es ist nämlich möglich, einen Zuführdruck in dem System nahezu auf Ausgangsdruck des Druckspeichers abzusenken.
Der Ausgangsdruck entspricht dabei dem Druck der in dem Druckspeicher herrscht, bevor ein Hydraulikfluid wie z. B. Hydrauliköl in den Druckspeicher eingebracht wird. Ist z. B. ein Blasenspeicher mit in einer Blase eingefülltem Stickstoff als Druckspeicher eingesetzt, entspricht der Ausgangsdruck dem Druck des Stickstoffs bei größtmöglicher Ausdehnung der Blase, ohne dass Hydrauliköl in den Druckspeicher eingebracht wurde. In einem Federspeicher entspricht der Ausgangsdruck dem Druck bei maximal ausgedehnter Feder.
Durch Einschalten einer Pumpe in dem digitalhydraulischen System wird dann der Systemdruck auf einen Maximalwert erhöht, wodurch das Hydraulikfluid bis zu diesem Maximaldruck in dem Druckspeicher gespeichert werden kann. Während des Betriebs der Pumpe ist es gemäß der Erfindung möglich, eine Anstiegsrate des Zufuhrdrucks zu berechnen. Dies erfolgt auf Basis der Pumpenleistung, des Druckspeichervolumens und des Ausgangsdrucks.
Gleichzeitig wird erfindungsgemäß die Anstiegsrate des Zufuhrdrucks gemessen und diese gemessene Anstiegsrate mit der berechneten Anstiegsrate verglichen. Sollte der Vergleich ergeben, dass die Anstiegsrate des Zufuhrdrucks deutlich größer als die berechnete Anstiegsrate ist, kann darauf geschlossen werden, dass im Druckspeicher ein Defekt vorliegt. Bei Verwendung eines Blasenspeichers ist dann von einer Beschädigung der Blase wie z. B. einem Leck auszugehen, wodurch das Volumen und der Druck des in der Blase vorhandenen Gases nicht mehr in ausreichender Größe vorhanden sind. Entsprechend kommt es dann aufgrund einer verringerten Dämpfungswirkung in dem Druckspeicher zu einer höheren Druckanstiegsrate als der Berechneten.
Da in einem digitalhydraulischen System grundsätzlich alle Volumenströme des Hydraulikfluids jederzeit bekannt sind, ist es auch möglich z. B. während einer Betätigung eines Stellglieds (z. B. Bewegung eines Zylinders) während des Pumpbetriebs einen Volumenstrom (Nettovolumenstrom) des Hydraulikfluids zu dem Druckspeicher zu berechnen. Dadurch ist es ebenfalls möglich, die Auswirkung des Nettovolumenstroms auf den Anstieg auf den Zuführdruck zu berechnen, da es in dem digitalhydraulischen System keine Druck- oder Hydraulikfluidverluste gibt.
Vorteilhaft ist es daher möglich, auch während des Betriebs eines Hydrauliksystems mit Druckspeichern den Zustand der Druckspeicher fortlaufend zu überprüfen. Da es nicht erforderlich ist, den Druckspeicher zur Überprüfung vollständig zu entleeren, können unnötige Verluste des Füllgases wie z. B. Stickstoff vermieden werden. Ebenfalls kann eine Vorrichtung entfallen, um den Druckspeicher nach dessen Prüfung wieder mit dem Füllgas zu befüllen.
Da eine fortlaufende Überprüfung des Druckspeichers im Betrieb möglich ist, erfolgt gemäß der Erfindung eine wesentliche Verbesserung der Sicherheit, da die Zuverlässigkeit des Druckspeichers auch in den Fällen sichergestellt ist, in denen es auf dessen Wirkung ankommt. Als Beispiel sei hier die Steuerung eines Walzenspalts im Betrieb genannt.
In der Produktion von Faserbahnen mittels z. B. Papier- oder Kartonmaschinen ist es wesentlich, dass die Presskräfte in verschiedenen Abschnitten wie z. B. einem Pressabschnitt, einer Beschwerwalze oder einem Kalander genau bekannt sind. Falls z. B. eine bewegliche Walze mittels eines Arbeitszylinders gegen eine zweite Walze gepresst wird, müssen sowohl die Masse der beweglichen Walze als auch die auftretenden Reibungen bekannt sein, um die Presskraft über den Arbeitszylinder (bzw. dessen Kolben) genau steuern zu können.
Üblicherweise wird beim Anfahren einer derartigen Maschine ein Mittelwert der Walzenmasse ausgehend von den unterschiedlichen Drücken beim Öffnen und Schließen des durch die bewegliche Walze und Gegenwalze gebildeten Nips ermittelt. Dies kann sogar automatisch ausgeführt werden. Bekannt wird dabei ein Gegendruck der Gegenwalze als konstant angenommen, was zu Fehlern führen kann.
Abgesehen von einem großen Zeit- und Arbeitsaufwand zur Ermittlung des Walzengewichts, sind die ermittelten Ergebnisse nie genau, da der Gegendruck als konstant angenommen wird und während der Ermittlung der Walzenmasse nicht gemessen werden kann.
Unter Verwendung eines digitalhydraulischen Systems ist es allerdings erforderlich, jederzeit die in den Hydraulikzylindern wirkenden Kräfte zu berechnen, um eine Bewegung der Aktuatoren entsprechend regeln zu können. Dabei ist es möglich, ausgehend von den berechneten Kräften während des Öffnens und Schließens eines Nips den Mittelwert des Walzengewichts fortlaufend zu aktualisieren. Daher ist es möglich, die lineare Belastung in dem Nip fortlaufend mit wesentlich verbesserter Genauigkeit zu berechnen.
Falls es zu einer deutlichen Änderung der ermittelten Walzenmasse kommt, oder falls sich die Reibungskräfte (ermittelt aus (Kraft während des Schließens des Nips) – (Kraft während des Öffnens des Nips)) plötzlich deutlich ändern sollten, kann ein Alarm ausgegeben werden und entsprechende Maßnahmen erfolgen.
Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass

– die Massenermittlung der Walze fortlaufend und automatisch möglich ist, weshalb nach einem Walzenwechsel ein eigener Wiegevorgang nicht durchgeführt werden muss,
– das Ergebnis des Wiegevorgangs ausgehend von den Drücken in den Kammern des Zylinders ermittelt wird, was in einer sehr hohen Genauigkeit des Ergebnisses resultiert, da keine Fehler auftreten können
– Veränderungen der Walzenmasse und der Reibungskraft sofort erfasst werden und geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.

Die Erfindung wurde auf Basis derzeit bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, die allerdings nicht als einschränkend zu verstehen sind. Der Bereich der Erfindung wird lediglich durch die anhängenden Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009042477 A1 [0005, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zeitschrift Fluid Nr. 7–8, 2008, S. 12, 13 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Bewegung eines in einem Hydraulikzylinder (13; 13') angeordneten Kolbens (11; 11'), der in dem Hydraulikzylinder (13; 13') zwei Kammern (A, B; A', B') bildet, die mittels über einen digitalhydraulischen Druckregler (15; 15') geführte Hydraulikleitungen mit einem durch ein Hydraulikfluid erzeugten Hydraulikdruck beaufschlagbar sind, wobei der digitalhydraulische Druckregler (15; 15') mindestens eine Reihe parallel geschaltete Ventile, eine gemeinsame Zuführleitung (19, 21) und eine gemeinsame Abführleitung (23) aufweist, und mindestens zwei parallel geschaltete Ventile (17a) zwischen dem digitalhydraulischen Druckregler (15; 15') und dem Hydraulikzylinder (13, 13') angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Ventile (17a) diskret schaltbare Ventile sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Ventile (17a) Solenoidventile sind.
Vorrichtung zur Positionsänderung einer Masse (Ma) mit zwei Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die parallel derart angeordnet sind, dass eine Bewegung eines der Kolben (11; 11') relativ zu dem jeweiligen Hydraulikzylinder (13; 13') eine Bewegung der Masse (Ma) ergibt, einer Pumpe (30), die über eine Leitung (29) mit einem der digitalhydraulischen Druckregler (15; 15') in Verbindung ist, um einen Hydraulikdruck in einer der Kammern (A, B; A', B') von einem ersten der Hydraulikzylinder (13, 13') zu ändern und den jeweiligen Kolben (11, 11') zu bewegen, einem Druckverteilungsventil (31), das zwischen der Leitung (29) und dem anderen digitalhydraulischen Druckregler (15'; 15) angeordnet ist, um über das Druckverteilungsventil (31) und über den anderen digitalhydraulischen Druckregler (15'; 15) einen zu einer der Kammern (A', B'; A, B) des zweiten Hydraulikzylinders (13', 13) zugeführten Hydraulikdruck zu ändern, einem ersten Druckspeicher (33), der mit der Leitung (29) in Verbindung ist, um von der Pumpe (30) mit einem Hydraulikdruck beaufschlagt zu werden und den Hydraulikdruck zu der Leitung (29) abzugeben, und einem zweiten Druckspeicher (35), der mit dem Druckverteilungsventil (31) in Verbindung ist, um über das Druckverteilungsventil (31) mit einem Hydraulikdruck beaufschlagt zu werden und den Hydraulikdruck zu dem Druckverteilungsventil (31) abzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Druckverteilungsventil (31) ausgelegt ist, die zu beiden digitalhydraulischen Druckreglern (15; 15') zugeführten Hydraulikdrücke einzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei zwischen dem ersten Druckspeicher (33) und der Leitung (29) ein mit einem Tank (23) über eine Leitung (41) verbundenes Ventil (37) angeordnet ist, und/oder zwischen dem zweiten Druckspeicher (35) und dem Druckverteilungsventil (31) ein mit dem Tank (23) über eine Leitung (43) verbundenes Ventil (39) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei ein Durchmesser des zweiten Hydraulikzylinders (13', 13) kleiner als der des ersten Hydraulikdruckzylinders ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, außerdem mit einem Berechnungsmittel zur Berechnung eines Druckanstiegs des Hydraulikfluids ausgehend von einer Leistung einer Pumpe (30), einem Volumen eines Druckspeichers (33, 35) und einem Ausgangsdruck des Druckspeichers (33, 35), einer Messeinrichtung zur fortlaufenden Messung des Druckanstiegs des Hydraulikfluids, und und einem Vergleichsmittel zur Feststellung der Größe eines Unterschieds zwischen dem berechneten Druckanstieg des Hydraulikdrucks und dem gemessenen Druckanstieg des Hydraulikdrucks.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Volumenstromermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines Volumenstroms des Hydraulikfluids in einer Leitung zu oder von einer der beiden Kammern (A, B; A', B') vorgesehen ist, und das Berechnungsmittel angepasst ist, ausgehend von der Leistung der Pumpe (30) und dem ermittelten Volumenstrom des Hydraulikfluids in der Leitung zu oder von einer der beiden Kammern (A, B; A', B') einen Volumenstrom des Hydraulikfluids von der Pumpe zu dem Druckspeicher zu berechnen.
Verfahren zur Bewegung einer Masse (Ma) durch Bewegen eines Kolbens (11) eines Hydraulikzylinder (13), wobei der Kolben (11) in dem Arbeitszylinder (13) eine Arbeitskammer (A) und eine Entlastungskammer (B) ausbildet, mit den Schritten: Zuführen eines Hydraulikdrucks von einer Pumpe (30) und/oder einem Druckspeicher (33) über einen digitalhydraulischen Druckregler (15) und mindestens zwei parallel geschaltete, diskret schaltbare Ventile (17a) zu der Arbeitskammer (A) und gleichzeitiges Ableiten des Hydraulikdrucks aus der Entlastungskammer (B) über die mindestens zwei parallel geschalteten, diskret schaltbaren Ventile (17a) und den digitalhydraulischen Druckregler (15) zu einem Tank (23), um die Masse (Ma) in eine erste Richtung zu bewegen, Unterstützen der Bewegung der Masse (Ma) durch Bewegen eines Kolbens (11') eines zweiten Hydraulikzylinder (13'), in dem durch den zweiten Kolben (11') eine Arbeitskammer (A') und eine Entlastungskammer (B') ausgebildet sind, durch Zuführen eines Hydraulikdrucks von einer Pumpe (30) und/oder einem zweiten Druckspeicher (35) über ein Druckverteilungsventil (31), einen zweiten digitalhydraulischen Druckregler (15') und zweite mindestens zwei parallel geschaltete, diskret schaltbare Ventile (7a') zu der Arbeitskammer (A') des zweiten Hydraulikzylinders (13') und gleichzeitiges Ableiten des Hydraulikdrucks aus der Entlastungskammer (B') des zweiten Hydraulikzylinders (13') über die mindestens zwei parallel geschalteten, diskret schaltbaren Ventile (7a') und den zweiten digitalhydraulischen Druckregler (15') zu dem Tank (23), wobei der zweite Druckspeicher (35) gleichzeitig mit dem ersten Druckspeicher (33) einen Hydraulikdruck abgibt.
Verfahren zur Bewegung einer Masse (Ma) nach Anspruch 10, wobei das Druckverteilungsventil (31) sowohl den zu dem ersten digitalhydraulischen Druckregler (15) zugeführten Hydraulikdruck wie auch den zu dem zweiten digitalhydraulischen Druckregler (15') zugeführten Hydraulikdruck steuert.
Verfahren zur Bewegung einer Masse (Ma) nach Anspruch 11, wobei das Druckverteilungsventil (31) so schaltbar ist, dass ein in dem Tank (23) vorhandener Hydraulikdruck zusammen mit dem von der Pumpe (30) und/oder einem oder beiden der Druckspeicher (33, 35) bereitgestellten Hydraulikdruck zu einem oder beiden digitalhydraulischen Reglern (15, 15') zugeführt wird.
Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Druckspeichers (33, 35), mit den Schritten: Berechnen eines Druckanstiegs des Hydraulikfluids ausgehend von einer Leistung einer Pumpe (30), einem Volumen eines Druckspeichers (33, 35) und einem Ausgangsdruck des Druckspeichers (33, 35), Messen des Druckanstiegs des Hydraulikfluids in fortlaufender Weise, und Feststellen der Größe eines Unterschieds zwischen dem berechneten Druckanstieg des Hydraulikdrucks und dem gemessenen Druckanstieg des Hydraulikdrucks.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Volumenstrom des Hydraulikfluids in einer Leitung zu oder von einer der beiden Kammern (A, B; A', B') ermittelt wird, und ausgehend von der Leistung der Pumpe (30) und dem ermittelten Volumenstrom des Hydraulikfluids in der Leitung zu oder von einer der beiden Kammern (A, B; A', B') ein Volumenstrom des Hydraulikfluids von der Pumpe zu dem Druckspeicher berechnet wird.