DE102013014283A1

DE102013014283A1 - Vorrichtung zur Vermeidung von Geschwindigkeitssprüngen

Info

Publication number: DE102013014283A1
Application number: DE102013014283.0A
Authority: DE
Inventors: Winfried Rüb
Original assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Current assignee: Hydac Filtertechnik GmbH
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Ein Vorrichtung zur Vermeidung von Geschwindigkeitssprüngen bei Mengenteilerventilen, insbesondere wenn im Falle einer Unterversorgung ein hydraulischer Verbraucher (20, 22) von mehreren parallel zueinander angesteuerten Verbrauchern stehen bleibt, wobei die Mengenteilerventile durch ihre Druckwaagen (14, 16) jeweils den höchsten Lastdruck hinter einer zuordenbaren Zumessblende (10, 12) regeln, an deren Eingangsseite der Pumpendruck (P) einer mittels eines Loadsensing-Druckes (LS) regelbaren Druckversorgungseinrichtung (24) ansteht und an deren stromabwärtigen Ausgang ein Staudruck angestaut ist, der dem lasthöchsten Verbraucherdruck entspricht, ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren (32, 34) die Druckdifferenz (dp) aus Pumpendruck (P) abzüglich dem Loadsensing-Druck (LS) erfasst und an eine Logikeinheit (36) weitergegeben ist, die als Teil einer Steuereinrichtung die Druckversorgungseinrichtung (24) selbst und/oder ein hydraulisches Zeitglied (30) derart ansteuert, dass kein Geschwindigkeitssprung auftritt, sondern der unvermeidliche Geschwindigkeitsanstieg allmählich erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Geschwindigkeitssprüngen bei Mengenteilerventilen, insbesondere wenn im Falle einer Unterversorgung ein hydraulischer Verbraucher von mehreren parallel zueinander angesteuerten Verbrauchern stehen bleibt, wobei die Mengenteilerventile durch ihre Druckwaagen jeweils den höchsten Lastdruck hinter einer zuordenbaren Zumessblende regeln, an deren Eingangsseite der Pumpendruck einer mittels eines Loadsensing-Druckes regelbaren Druckversorgungseinrichtung ansteht und an deren stromabwärtigen Ausgang ein Staudruck angestaut ist, der dem lasthöchsten Verbraucherdruck entspricht.
Mengenteilerventile regeln durch ihre Druckwaagen jeweils den höchsten Lastdruck hinter den Zumessblenden. Vor den Zumessblenden wirkt jeweils der aktuell herrschende Pumpendruck. Bei einer Überforderung des Förderstroms der Pumpe durch die anfordernden, an den hydraulischen Kreis mit den Mengenteilerventilen angeschlossenen Verbrauchern bricht der Pumpendruck ein. Die geregelte Druckdifferenz an den Zumessblenden sinkt zwar, bleibt aber überall gleich groß. Die durch die hydraulischen Verbraucher gebildete Maschine wird zwar langsamer, aber die synchronen Maschinenbewegungen bleiben relativ zueinander gesehen gleich.
Wenn jetzt in dieser Art der Unterversorgung ein Verbraucher plötzlich stehen bleibt, dann wird die Maschine schlagartig schneller und der Bediener empfindet dies als äußerst unangenehm, weil er das Gefühl hat, die Kontrolle über die Arbeitsvorrichtung oder Maschine zu verlieren.
Ausgehend von dieser Problemstellung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dass bei einem plötzlichen Stehenbleiben eines hydraulischen Verbrauchers in einem Mengenteilersystem bei den parallel angeschlossenen und bewegten Verbrauchern kein Geschwindigkeitssprung auftritt und dass der unvermeidliche und gewünschte Anstieg der Geschwindigkeiten allmählich ablaufen soll.
Eine dahingehende Aufgabenstellung wird von einer Vorrichtung gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 mittels Sensoren die Druckdifferenz aus dem Pumpendruck abzüglich dem Loadsensing-Druck erfasst und an eine Logikeinheit weitergegeben ist, die als Teil einer Steuereinrichtung die Druckversorgungseinrichtung selbst und/oder ein hydraulisches Zeitglied ansteuert, ist erreicht, dass kein Geschwindigkeitssprung auftritt, sondern der unvermeidliche Geschwindigkeitsanstieg allmählich erfolgt.
Grundsätzlich liegt der erfindungsgemäßen Lösung die Idee zugrunde, den Beginn der Unterversorgung in dem hydraulischen Kreis zu erkennen. Dabei gilt für den Druckabfall an den Zumessblenden folgender Zusammenhang dp = PPu-LSmax < vorgebbarer Nennwert. LSmax ist dabei der maximal auftretende Loadsensing-Druck und die Angabe PPu steht für den Pumpendruck der Regelpumpe.
Sofern im Rahmen der Steuereinrichtung ein Mikrokontroller, also eine elektronische Recheneinheit eingesetzt ist, lässt sich der erkannte Grad der Unterversorgung entsprechend elektrisch in diesem Mikrokontroller markieren und ablegen.
Ferner ist vorteilhaft, den Stillstand eines Verbrauchers im Parallelbetrieb oder mehrerer dahingehender Verbraucher erkennen zu können. Dieser Stillstand ist regelmäßig gegeben, wenn die Druckdifferenz, respektive der Druckabfall dp sprunghaft ansteigt oder der jeweils stehenbleibende Verbraucher den Pumpendruck auf das Signal LSmax meldet. Letzteres ist im Falle der Unterversorgung gegebenenfalls schwierig zu erkennen, denn Pmax-nenn wird nur erreicht, wenn die Unterversorgung beendet ist.
Kommt im Rahmen der Ansteuerung der Druckversorgungseinrichtung ein elektrischer Pumpenregler zum Einsatz und gilt die Bedingung EH-LS, ergibt sich bei Erholung des Druckabfalls dp in der Unterversorgung, dass der Sollwert für den Druckabfall dp am Pumpenregler zunächst auf den aktuellen Druckabfall dp-Wert gesenkt und dann rampenförmig auf den Nennwert eingestellt wird.
Bei Einsatz eines hydraulischen Pumpenreglers ist bevorzugt eine sog. Staudrossel zwischen der LS-Meldeleitung LS und der Ansteuerleitung LS' der Druckwaagen vorgesehen, und eine Federwaage „P-LS” erkennt den Sättigungszustand (= Sensor für Druckabfall dp) mit der Folge, dass ein Logikventil der Logikeinheit ein Zeitglied in Bereitschaft bringt, soweit die Untersättigung erkannt wird. Überschreitet der Anstieg dp/dt einen Schwellenwert, dann löst das Logikventil den Ablauf des Zeitglieds aus, wobei das Zeitglied einen Überdruck in der Pilotleitung LS' anstaut und diesen Überdruck rampenförmig verringert, bis wieder LS' = LS gilt.
Mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen hat der Bediener dann das Gefühl, die Maschine zu beherrschen, wenn die Maschine nicht schlagartig schneller werden kann, sondern ein langsamer, vorzugsweise rampenartiger Übergang in schnellere Bewegungen stattfindet. Die Schaltung ist in der rein hydraulischen Ausführung sicherheitstechnisch unbedenklich und braucht im Grunde keine zusätzlichen elektronischen Bauteile. In der elektronischen Ausführung sind wiederum nur Bauteile enthalten, die schon für eine elektronische Regelung benötigt werden, wie beispielsweise Drucksensoren, Mikrokontroller und Proportionalmagnettechnik.
Weitere vorteilhafte Merkmalsausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungslösung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand einzelner Figuren nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
1 in der Art eines hydraulischen Schaltplans ein im Stand der Technik bekanntes Mengenteilersystem;
2 gibt in der Art eines Graphen beispielhaft den Zeitverlauf der Druckdifferenz dp an den Zumessblenden an;
3–5 jeweils in der Art eines hydraulischen Schaltplans eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, wobei sich die Zahlenangaben auf ein gesättigtes System, auf den Fall der Unterversorgung sowie auf den Fall beziehen, dass die Unterversorgung auf Sättigung springt;
6, 7 in der Art eines Graphen Darstellungen betreffend den Zusammenbruch des Volumenstroms bei Mengenteilersystemen bzw. des Blenden-Druckabfalls dp;
8 in der Art eines hydraulischen Schaltplans einen zweiten Lösungsvorschlag für die erfindungsgemäße Vorrichtungslösung;
9 eine der 8 entsprechende Darstellung, wobei der elektrische Pumpenregler nach der 8 durch einen hydraulischen Pumpenregler ersetzt ist;
10 in der Art eines Graphen dargestellt den zu erwartenden rampenförmigen Druckanstieg an den Zumessblenden bei elektrisch geregelten Pumpen;
11–13 in der Art hydraulischer Schaltpläne weitere Lösungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
14 in der Art einer Übersichtsdarstellung eine beispielhafte Auslegung der hydraulischen Parameter eines Zeitgliedes, wie es in den vorstehenden Schaltplänen Verwendung findet, und
15 in der Art eines schematischen Ablaufdiagramms die zu wählende Steuerung bei elektrischer Ansteuerung einer Regelpumpe, um einen Sprung im Pumpendruck zu vermeiden.
Die 1 zeigt ein an sich bekanntes Prinzip eines Mengenteilersystems mit den Zumessblenden 10, 12 nachgeschalteten Druckwaagen 14, 16. Die genannten Zumessblenden und Druckwaagen sind Bestandteil eines als Ganzes mit 18 bezeichneten hydraulischen Kreises, an den beispielhaft zwei hydraulische Verbraucher 20, 22 angeschlossen sind, und zwar gemäß der Darstellung nach der 1 in Form eines Hydromotors bzw. in Form eines hydraulischen Arbeitszylinders. Der Aufbau des hydraulischen Kreises 18 ist ebenso beispielhaft wie die Art der aufgezeigten hydraulischen Verbraucher 20, 22, die anderer Art sein können und ferner können deutlich mehr hydraulische Verbraucher an einen solchen hydraulischen Versorgungskreis 18 angeschlossen sein. Als Druckversorgungseinrichtung 24 dient eine hydraulisch angesteuerte Regelpumpe 26.
Die aufgezeigten Zumessblenden 10, 12 in einem Mengenteilersystem sind alle einer gemeinsamen, identischen Druckdifferenz ausgesetzt. Vor allen Zumessblenden 10, 12 steht der Pumpendruck P an. Stromabwärts der genannten Blenden wird ein Staudruck angestaut, der eine Kopie des lasthöchsten Verbraucherdrucks ist. Die Selektierung des höchsten Lastdrucks geschieht nach dem Stand der Technik entweder über Schaltkanten am Steuerventil und nachgeordnete Wechselventile 28, die auch kettenförmig miteinander verschaltet sein können, oder über einen nicht näher dargestellten Meldeanschluss der Kompensationsventile, die dann den lasthöchsten Druck kopieren.
Die Kompensationsventile in einem Mengenteilersystem sind den Zumessblenden 10, 12 nachgeschaltet und kopieren den lasthöchsten Druck hinter die Zumessblenden, indem sie ihren Abschlussquerschnitt zum zugeordneten Verbraucher mehr oder weniger öffnen. Die Kompensationsventile eines Mengenteilersystems werden, wie im vorliegenden Fall, meist „Druckwaagen” genannt, obwohl der Begriff Druckwaage ein Regelventil beschreibt, das den Druckabfall über eine Blende konstant hält. Dagegen sind die hier gezeigten Kompensationsventile oder Druckwaagen 14, 16 vorgesteuerte Druckbegrenzungsventile, die den Vorsteuerdruck kopieren. Hierfür sind die Druckwaagen 14, 16 jeweils eingangsseitig auf ihren Steuerseiten über entsprechende Anschlussleitungen mit dem Loadsensing-Druck LS verbunden sowie mit dem Druck P nach den Zumessblenden 10, 12.
In dem in 1 gezeigten Schema wird der höhere der beiden Lastdrücke P1'' und P2'' über das Wechselventil 28 „herausgefiltert” und als Pilot- oder Steuerdruck LS den beiden Kompensationsventilen, respektive Druckwaagen 14, 16 zugeführt. Der Regeldruck P' der Druckwaagen 14, 16 wird hinter den Zumessblenden 10, 12 angestaut. Die Druckdifferenz P-S (LS = P') liegt an allen Zumessblenden 10, 12 gleichermaßen an. Diese Regeldruckdifferenz wird in dem Beispiel vom Druck-Förderstromregler der Pumpe 26 geregelt. Wenn mehr Volumenstrom angefordert wird, als die Pumpe 26 liefern kann, bringt der Pumpenregler die Pumpe in die maximale Förderstellung und der Pumpendruck bricht gegenüber LS ein, d. h. die Differenz P-LS sinkt.
Weil der Druckabfall über alle Zumessblenden 10, 12 gleich ist und diese Eigenschaft auch bei unzureichendem Förderstrom erhalten bleibt, entsteht grundsätzlich kein Weg eines höchsten oder kleinsten Widerstandes. Deswegen kann keiner der angeschlossenen Verbraucher 20, 22 stehen bleiben, wenn der Pumpenregler nicht mehr gesättigt ist. Der Förderstrom wird im Verhältnis der Öffnungen der Zumessblenden 10, 12 aufgeteilt, unabhängig davon, wie weit der Pumpendruck einbricht.
Um dies zu verdeutlichen, sei auf die nachfolgenden beiden Beispiele verwiesen.
Beispiel 1:
Der Nennwert der Regeldruckdifferenz dp des Pumpenreglers sei 15 bar und liegt auch in dieser Höhe am Steuerbrock (= an den Zumessblenden 10, 12) an. Bei Unterversorgung sinkt das dp auf 10 bar, d. h. der Pumpendruck ist um 5 bar abgesunken aber noch 10 bar höher als der Loadsensing-Druck LS. Bei Stillstand eines der Verbraucher 20, 22, während der Unterversorgung muss also das dp vorschlagsgemäß bei 10 bar gehalten werden und dann langsam auf 15 bar an den Druckwaagen 14, 16 hochgefahren werden. Dazu muss ein Steuerdruck LS' auf die Druckwaagen geschaltet werden, der 5 bar höher ist als LS. Danach erfolgt die gedämpfte Absenkung. Durch eine Speisung aus dem Pumpendruck P (= LS + 10 bar) heraus kann das Grundsätzliche realisiert werden.
Beispiel 2:
Der Nenndruck des Druckabfalls dp sei wieder 15 bar. Durch die Unterversorgung sinkt das dp auf nur noch 5 bar, d. h. der Pumpendruck ist also wiederum um 10 bar abgesunken. Bei sprunghaftem Anstieg des dp auf den Nennwert müssen also die Druckwaagen 14, 16 zunächst mit einem 10 bar höheren Druck als LS angesteuert werden. Das ist nicht möglich, denn der Pumpendruck P ist nur noch 5 bar höher als der Loadsensing-Druck LS. Mögliche Lösungen dafür sind

a) Entnahme aus einem P_max-Speicher (Regelventil notwendig und Speicherblock) oder
b) durch Druckübersetzung (keine eindeutige dp-Steuerung möglich).

Eine direkte Speisung aus dem Pumpendruck P kann also nur bis zum Rückgang des Pumpendrucks um das halbe dp gelingen. Wenn im zweiten Beispiel also nur 5 bar korrigiert werden können statt 10 bar, dann entsteht noch ein Geschwindigkeitssprung von √15/110 = 22%. Der Einbruch des Regel-dp auf ca. 30% ist aber eine realistische Auslegung bei Baumaschinen und muss hier berücksichtigt werden.
Zur weiteren Erläuterung sei auf die 2 verwiesen, die beispielhaft den Zeitverlauf der Druckdifferenz dp an den Zumessblenden 10, 12 angibt und des Korrektursignals LS' an den Kompensationsventilen oder Druckwaagen 14, 16.
Der Steuerdruck LS' in Form eines Korrektursignals wird dann gestartet, wenn die Druckdifferenz P-LS unter den Nennwert gefallen ist und die Druckdifferenz wieder steigt und dabei einen Schwellenwert übersteigt (Steigung der Kurve dp/dt). Die Möglichkeit der indirekten Speisung aus dem Pumpendruck P heraus durch Einsatz eines (Feder-)Speichers, der hier als Zeitglied 30 fungiert, ist in 3 näher dargestellt. Die bisher eingeführten hydraulischen Bezeichnungen gelten auch für die Gegenstände der weiteren hydraulischen Schaltpläne, so auch für die Lösung nach der 3, die ein sog. „gesättigtes System” betrifft. Ansonsten werden die in der Hydraulik üblichen Schaltplandarstellungen wiedergegeben.
In dem Lösungsvorschlag nach der 3 wird die Druckdifferenz P-LS elektronisch über Drucksensoren 32, 34 erfasst, die in der Darstellung nach 3 als Messglieder bezeichnet sind, die den Druck P in Spannung U umwandeln können. Der Drucksensor 32 ist eingangsseitig an den Loadsensing-Druck LS des Wechselventils 28 angeschlossen und ausgangsseitig an eine Logikeinheit 36 in Form eines Mikrokontrollers MC. Der weitere Drucksensor 34 ist wiederum eingangsseitig an den Pumpendruck P der Reglerpumpe 26 angeschlossen und ausgangsseitig gleichfalls auf den Eingang des Mikrokontrollers 36. Das gezeigte Zeitglied 30 ist in der Art eines federbelasteten Kolbenspeichers ausgebildet, der auf seiner Federseite gleichfalls mit dem Loadsensing-Druck LS fluidführend verbunden ist, der vom Wechselventil 28 kommt. Im Übrigen steuert der Mikrokontroller 36 auf seiner Ausgangsseite zwei Ventileinheiten in Form von Magnetventilen M1, M2. Das Spannen und Entleeren des Zeitgliedes 30 wird vom Mikrokontroller MC an die beiden Schaltventile M1, M2 übertragen und die Höhe und Dauer der Rampe des Zeitgliedes 30 wird über die Abstimmung der hydraulischen Parameter Hubvolumen, Durchmesser, Federkraft am Zeitglied 30 und einer Staudrossel 38 erreicht. Die in der 3 im Einzelnen angegebenen Zahlenbeispiele belegen einen sog. gesättigten Zustand für den aufgezeigten hydraulischen Kreis 18.
Das Mengenteilersystem befindet sich insbesondere in dem gezeigten gesättigten Zustand, weil der Förderstrom der Pumpe 26 unterhalb des maximal Möglichen ist und der Pumpenregler, angesteuert über den Loadsensing-Druck LS, den Vorsteuermechanismus für die Pumpe geregelt zurückfahren kann. Der Pilotdruck LS' der Druckwaagen 14, 16 ist gleich LS, weil die Staudrossel 38 im Wesentlichen nicht durchflossen wird und damit kein Druckabfall über die Staudrossel 38 vorliegt. Die Steuerelektronik in Form der Logikeinheit 36, insbesondere gebildet durch einen Mikrokontroller MC, erkennt, dass P-LS > 15 bar ist und damit im Sollbereich liegt. Der Mikrokontroller MC schaltet deshalb die Magnete der Ventileinheiten M1 und M2 stromlos, damit der Federspeicher des Zeitgliedes 30 geladen werden kann. Im dahingehenden Fall lastet der Pumpendruck auf der Bodenfläche des Kolbenspeichers und wirkt gegen die Feder sowie eine kleine Fläche mit LS-Beaufschlagung. Die Feder kann insoweit zusammengedrückt werden und der Kolben 40 des Zeitgliedes 30 fährt gegen Anschlag. Damit ist das Zeitglied 30 bereit zum Ausschieben seines Hubvolumens in die Pilotleitung LS', sobald die Magnete der Ventileinheiten M1 und M2 geschaltet werden.
4 betrifft nun bei vergleichbarer hydraulischer Schaltplandarstellung mit seinen Zahlenwerten den Fall der sog. Unterversorgung. Das Mengenteilersystem befindet sich im ungesättigten Zustand, weil der Förderstrom der Pumpe 26 maximal ist und der Pumpenregler den Verstellmechanismus auf Anschlag gestellt hat. Der Pilotdruck LS' der Druckwaagen 14, 16 ist nunmehr gleich LS, weil die Staudrossel 38 im Wesentlichen nicht durchflossen wird und damit kein Druckabfall über die Staudrossel 38 vorliegt. Die Steuerelektronik in Form des Mikrokontrollers MC erkennt, dass P-LS < 15 bar ist und damit unter dem Soll-Bereich liegt. Der Mikrokontroller MC beobachtet weiterhin die Drucksignale P und LS und bereitet die Umschaltung der Magnete für die Ventileinheiten M1 und M2 vor für den Fall, dass die Untersättigung sprunghaft verschwindet, z. B. durch eine stehenbleibende Last. Der geregelte Pumpendruck war im gesättigten Zustand auf 200 + 15 = 215 bar eingestellt. Wegen der höheren Volumenstromanforderung der Blenden > Q-P_u-max bricht der Pumpendruck P ein. Der Einbruch des Druckabfalls über die Blenden 10, 12 kann berechnet werden aus dem gesunkenen Blendendurchfluss Q1: 80:66,6 = √15:x. Der Druckabfall X oder dp über die Ventilblenden beträgt jetzt 10,4 bar. Der Pumpendruck bricht also ein von 215 bar auf 210,4 bar. Wenn jetzt der Verbraucher 20 oder 22 schlagartig stehen bleibt, dann springt der Pumpendruck P wieder schlagartig auf 15 bar über den LS-Druck und die Geschwindigkeit des weiteren Verbrauchers steigt schlagartig an.
Es soll an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben, dass es sich bei der beschriebenen Unterversorgung nur um eine geringe Untersättigung handelt, die in der Praxis sehr viel größer werden kann, was im Nachfolgenden noch näher erläutert werden wird.
Die 5 betrifft nun den Fall, dass die Unterversorgung auf Sättigung im erfindungsgemäßen Sinn springt. Im vorliegenden Fall soll der Verbraucher 22 in Form des hydraulischen Arbeitszylinders stoppen und die Pumpe 26 kann wieder schlagartig dp = P-LS = 15 bar einregeln, und das Blenden-dp am Verbraucher 20 in Form des Hydromotors springt von 260,4 – 250 = 10,4 auf 15 bar. Damit würde auch Q1 von 66,6 lpm auf 80 lpm springen. Während der Untersättigung in Phase 2 schaltet der Mikrokontroller MC den Magneten für die Ventileinheit M1 und schiebt damit den Kolben 40 gemäß der Darstellung nach der 4 an den federseitigen Anschlag. Somit ist jetzt die gespannte Feder des Zeitglieds 30 maximal gespannt. Wenn jetzt der Mikrokontroller MC einen Sprung in der Differenz P-LS in Richtung Sättigung feststellt, wird der Magnet der weiteren Ventileinheit M2 geschaltet und die gespannte Feder schiebt das Zylindervolumen des Zeitglieds 30 gemäß der Darstellung nach der 5 vor die Staudrossel 38 und erhöht damit den Pilotdruck LS' gerade um 9 bar. LS' = 250 + 9 = 259 bar. Der Pumpendruck P ist hingegen auf 250 + 15 = 265 bar gesprungen, wobei das Zeitglied 30 nunmehr rampenförmig den Druck LS' von 9 bar auf 1,5 bar über den Loadsensing-Druck LS senkt und springt dann auf LS.
Die Druckdifferenz an den Zumessblenden 10, 12 ist also von 15 auf 10,4 bar gesunken, dann auf 9 bar gefallen und steigt dann linear auf 13,5 bar an. Dann kommt der Sprung auf 15 bar.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass das Ausführungsbeispiel nach der 5 mit den dort angeführten Zahlenbeispielen den Zustand der Erholung des eingebrochenen Pumpendrucks beschreibt sowie den Moment der rampenartigen Übersteuerung der Kompensationsventile, respektive Druckwaagen 14, 16.
Die 6 zeigt exemplarisch den Zusammenbruch des Volumenstroms bei Mengenteilersystemen. Wird ein Verbraucher, beispielsweise der hydraulische Verbraucher 22, mit 100% Förderstrom der Regelpumpe 26 angesteuert und dann der zweite Verbraucher 20 mit ebenfalls 100% zugeschaltet, dann sinkt zwangsläufig der Volumenstrom am ersten Verbraucher auf 50%.
Bei mobilen Arbeitsmaschinen ist es üblich, dass das zugeordnete Steuerventil für einen Arbeitszylinder 22 oder einen Drehwerksmotor 20 für den maximalen Förderstrom der Regelpumpe 26 zu diesem jeweiligen Verbraucher ausgelegt ist. Bei einer Parallelbetätigung am Bagger kann es durchaus vorkommen, dass drei Arbeitszylinder (nicht dargestellt) und der Drehwerksmotor gleichzeitig betätigt werden. Dabei kann durchaus mehr als der dreifache Förderstrom der Pumpe 26 angefordert werden. Das angesprochene Diagramm nach der 6 zeigt insoweit den relativen Zusammenbruch des Volumenstroms zum jeweiligen Verbraucher bei Parallelbetätigung im Vergleich zur Einzelbetätigung an. Bei dreifacher Anforderung des maximalen Förderstroms sinkt also der Volumenstrom zum jeweiligen Verbraucher auf 1/3. Würde der Volumenstrom zu den anderen Verbrauchern jetzt abgeschaltet, dann würde die Geschwindigkeit des einzelnen gefahrenen Verbrauchers sich jetzt schlagartig verdreifachen, was eindeutiges Sicherheitsrisiko beim Betrieb dahingehender Bagger mit sich bringt.
Die 7 zeigt ein Diagramm, bei dem die Auswirkung des einbrechenden Pumpendrucks auf die zur Verfügung stehende Druckdifferenz an den Ventilblenden aufgezeigt ist.
Wenn durch plötzlich stehenbleibende Parallelverbraucher der Pumpendruck P wieder auf Nennhöhe springt, dann steigt entsprechend auch die Druckdifferenz an den Ventilblenden. Damit geht ein Geschwindigkeitssprung am jeweiligen Verbraucher 20, 22 einher. Der dahingehende Geschwindigkeitssprung kann geglättet werden, indem alle Druckwaagen 14, 16 um den Betrag des eingebrochenen Pumpendrucks P schlagartig höher angesteuert werden und die Erhöhung dann langsam rampenartig wieder reduziert wird. Eine vereinfachte Kompensation durch einen Festwert kann beispielsweise ein Sprung von 60% des Nennwertes der Blenden-Druckdifferenz sein. Die Druckdifferenz an den Zumessblenden 10, 12 ist dabei eine Funktion des Volumenstroms zum Quadrat.
Bei dem in 8 gezeigten zweiten Lösungsvorschlag für die erfindungsgemäße Vorrichtung wird das hydraulische Zeitglied 30 gemäß dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel eingespart und man bildet die Rampe direkt im Druckanstieg des Pumpendrucks P ab. Wenn die Druckmesssignale P-LS einen schnellen Anstieg von P-LS über einen vorbestimmten Schwellenwert feststellen, dann wird das Sollwertsignal der Regeldruckdifferenz der Regelpumpe 26 auf einen elektrisch arbeitenden Pumpenregler 42 vom Mikrokontroller MC sprunghaft auf den aktuellen Wert P-LS gestellt und dann rampenförmig auf den Nennwert hochgefahren. Dadurch steigt der Volumenstrom durch die Zumessblenden 10, 12 nur allmählich bis auf den Nennwert und die Arbeitsmaschine bleibt für den Bediener besser steuerbar. Insbesondere sind die sicherheitsbedenklichen Geschwindigkeitssprünge mit Sicherheit vermieden.
Bei der Ausführungsform nach der 9 ist im Unterschied zur Lösung nach der 8 der elektrische Pumpenregler 42 ersetzt durch einen typischen hydraulischen Pumpenregler 44. Allerdings wird hier das Ansteuersignal LS durch den Mikrokontroller MC vorgegeben sowie durch ein Pilotventil 46 in Form eines Druckminderventils. Grundsätzlich ist aber bei der Lösung nach der 9 die gleiche Funktionalität geschaffen wie bei der Lösung nach der 8.
Die nachfolgende 10 zeigt nun den rampenförmigen Druckanstieg an den Zumessblenden 10, 12 bei elektrisch geregelten Pumpen 26 mittels elektrischer Pumpenregler 42 gemäß der Ausführungsform nach der 8. Wenn bei dahingehend elektrisch geregelten Pumpen 26 die eingebrochene Druckdifferenz wieder ansteigt, dann wird der elektronisch fest eingestellte Nennwert für den Pumpenregler 42 kurzfristig auf die aktuelle Druckdifferenz an den Zumessblenden 10, 12 eingestellt und von dort rampenförmig auf den Nennwert hochgefahren. Diese Aufgabe übernimmt der Mikrokontroller MC, der den elektrischen Pumpenregler 42 ansteuert.
Die weitere Lösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der 11 betrifft ein Funktionsschema eines Lösungsvorschlags mit vorrangig hydraulisch betriebenen Elementen. Eine Federwaage 48 dient als Messglied für dp = P-LS, wobei die gespannte Feder oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes (= gesättigtes System) stillsteht. Die Federwaage 48 in Form einer Stangenzylinderanordnung ist mit ihrem einen Fluidvolumen, das die Druckfeder beinhaltet, mit dem Loadsensing-Druck LS beaufschlagbar, das von dem Wechselventil 28 stammt. Der andere Fluidraum der Federwaage 48 ist an den Pumpendruck P der Regelpumpe 26 angeschlossen. Dieser steht auch auf der Eingangsseite der Logikeinheit 36 an und ferner ist der eine Fluidraum mit der Druckfeder der Federwaage 48 fluidführend auf die Eingangsseite der Logikeinheit 36 an diese gleichfalls angeschlossen. Die Logikeinheit 36 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein nicht näher bezeichnetes Logikventil auf zum Laden und Entladen des Zeitglieds 30, das insoweit vorgesteuert wird durch die Umkehr der Bewegungsrichtung des Messgliedes in Form der Federwaage 48. In der Stellung „zunehmender Untersättigung” wird der Federspeicher in Form des Zeitgliedes 30 geladen, und zwar über das in 11 gezeigte Rückschlagventil 50. Das Schaltsignal stammt dabei aus dem Logikelement 36, wobei die Ringfläche 52 des Zylinders mit dem Tank T verbunden ist. Dadurch entsteht schlagartig eine Überschusskraft zum Spannen der Feder des Zeitglieds 30. In der Stellung „zunehmende Sättigung” wird die Ringseite mit der Ringfläche 52 des Kolbenstangenzylinders mit der LS-führenden Leitung verbunden und die Bodenseite 54 der Zylinderanordnung mit der Staudrossel 38. Das Hubvolumen entleert sich dann vollständig über die Staudrossel 38 und bildet dort eine von der Federkraft abhängige Druckerhöhung gegenüber dem Loadsensing-Druck LS. Insoweit erlaubt das Zeitglied 30 ein zeitweises Anstauen des Pilotdrucks (Pilotdruck-DW) der Druckwaagen 14, 16. Die angesprochene Staudrossel 38 für das Zeitglied 30 hebt den Pilotdruck der Druckwaagen 14, 16 zeitweise an und verbindet sonst mit dem Loadsensing-Druck LS.
Die Ausführungsform nach der 12 zeigt nun exemplarisch die Ausgestaltung eines Logikventils 56 für eine Logikeinheit 36 gemäß der Darstellung nach der 11. Das dahingehende Logikventil 56 dient zum Steuern des Zeitglieds 30. Wenn das dp (P-LS) zusammenbricht, dann stehen das Messglied in Form der Federwaage 48 und das Logikventil 56 in den in 12 gezeigten Stellungen. Dabei verbindet das Logikventil 56 den Pumpendruck P mit der Bodenseite 54 des Federspeichers in Form des Zeitglieds 30. Ferner ist die Ringseite in Form der Ringfläche 52 des Federspeichers mit dem Tank T verbunden. Bei der dahingehenden Konstellation ist ausreichend Kraftüberschuss am Federspeicher vorhanden, um die Speicherfeder nach oben hin vollständig zu spannen. Steigt der Pumpendruck P wieder gegenüber LS an, dann gehen das Messglied 48 für das dp und das Logikventil 56 in die jeweils linken Anschlagstellungen in Blickrichtung auf die 12 gesehen. Der Federspeicherzylinder in Form des Zeitgliedes 30 steht in diesem Augenblick noch still und ist an allen Anschlüssen mit dem Loadsensing-Druck LS verbunden. Jetzt wird der langsame Anstieg der Geschwindigkeiten eingeleitet, indem der Federspeicher 30 durch Kraftüberschuss seiner Feder das Hubvolumen an der Bodenseite 54 vor die Staudrossel 38 schiebt und dadurch an den Druckwaagen 14, 16 jeweils genau den Druck abbildet, der durch die Federkennlinie + LS_max vorgegeben wird. Der Kraftüberschuss entsteht durch das Umschalten des Logikventils 56 in die linke Stellung, wobei die bisher nach T entlastete Ringfläche 52 des Zeitglieds jetzt mit LS verbunden ist. Die Druckwaagen 14, 16 stauen einen höheren Druck als LS_max hinter den Zumessblenden 10, 12 an und kompensieren damit den relativen Druckanstieg „P-LS”. Mit der sich entspannenden Feder des Federspeichers 30 sinkt der Korrekturdruck an den Druckwaagen 14, 16 wieder bis auf LS_(max).
Das Logikventil 56 weist insbesondere in einem spezifizierten Gehäuse einen längsverschiebbaren Steuerschieber 58 auf, der in Blickrichtung auf die 12 gesehen auf seiner linken Steuerseite den Druck aus der zuvorderst angeordneten Aufnahmekammer des Messgliedes in Form der Druckwaage 48 erhält und auf der anderen, im Durchmesser reduzierten Steuerseite liegt der Pumpendruck P der Regelpumpe 26 an. Durch entsprechende kanalförmige Ausnehmungen im Steuerschieber 58 lässt sich dieser zur fluidführenden Verbindung zwischen einzelnen Steuer- und Regelleitungen einsetzen, indem er die entsprechenden Anschlussstellen im Gehäuse fluidführend überdeckt. Neben der angesprochenen Staudrossel 38 finden bei der Lösung nach der 12 noch Trenndrosseln 60 Einsatz.
Bei der Ausführungsform nach der 13 zeigt diese gegenüber der 12 eine vereinfachte Ausführung. Statt dem Messglied in Form der Federwaage 48 wird bei der Lösung nach der 13 das Logikventil 56 auf seiner einen Steuerschieberseite mit dem Federdruck einer Druckfeder permanent beaufschlagt, die dem Nennwert des dp entspricht, beispielsweise 15 bar. Der Nachteil dieser mechanisch vereinfachten Ausführung ist, dass das Logikventil 56 nur an einem bestimmten Auslegungspunkt umschalten kann, z. B. bei 13 bar. Dagegen kann die eingangs vorgestellte Lösung nach der 3 auch dann das Zeitglied 30 auslösen, wenn der Anstieg des Pumpendrucks P nicht zur Sättigung führt. Die Schaltung nach der 3 erfasst die relative Änderung des dp, wohingegen die Schaltung nach der 13 nur den absoluten Wert des dp erfasst.
Bei der Auslegung des Hubvolumens des Federspeichers in Form des Zeitgliedes 30 und der Staudrossel 38 orientiert man sich an einer sinnvollen Rampenzeit für die Beschleunigung der den hydraulischen Kreis 18 betreffenden Maschine und an der Schmutzempfindlichkeit der jeweils eingesetzten Drosseln. Die Rampenzeit wird man in einem Bereich von 1 bis 4 Sekunden auslegen. Damit der Speicher des Zeitgliedes 30 klein bleiben kann, wird man verschmutzungsunempfindliche Spaltdrosseln wählen in einem äquivalenten Durchmesserbereich > 0,5 mm. Die gespannte Feder des Federspeichers soll dem Wert des Nennwerts des dp an den Steuerschiebern 48 des jeweiligen Logikventils 56 entsprechen, z. B. im Bereich von 7 bis 20 bar liegen. Das Gleiche gilt für die Feder des Messgliedes in Form der Federwaage 48.
Die 14 zeigt eine beispielhafte Auslegung der hydraulischen Parameter des Zeitglieds 30 und die 15 gibt den Ablauf der Steuerung bei elektrischer Ansteuerung der Regelpumpe 26 wieder, um einen Sprung im Pumpendruck zu vermeiden.

Claims

Vorrichtung zur Vermeidung von Geschwindigkeitssprüngen bei Mengenteilerventilen, insbesondere wenn im Falle einer Unterversorgung ein hydraulischer Verbraucher (20, 22) von mehreren parallel zueinander angesteuerten Verbrauchern stehen bleibt, wobei die Mengenteilerventile durch ihre Druckwaagen (14, 16) jeweils den höchsten Lastdruck hinter einer zuordenbaren Zumessblende (10, 12) regeln, an deren Eingangsseite der Pumpendruck (P) einer mittels eines Loadsensing-Druckes (LS) regelbaren Druckversorgungseinrichtung (24) ansteht und an deren stromabwärtigen Ausgang ein Staudruck angestaut ist, der dem lasthöchsten Verbraucherdruck entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren (32, 34) die Druckdifferenz (dp) aus Pumpendruck (P) abzüglich dem Loadsensing-Druck (LS) erfasst und an eine Logikeinheit (36) weitergegeben ist, die als Teil einer Steuereinrichtung die Druckversorgungseinrichtung (24) selbst und/oder ein hydraulisches Zeitglied (30) derart ansteuert, dass kein Geschwindigkeitssprung auftritt, sondern der unvermeidliche Geschwindigkeitsanstieg allmählich erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit zwei Ventileinheiten (M1, M2) ansteuert, die wiederum zur Ansteuerung des hydraulischen Zeitglieds (30) in Form eines Hydrospeichers, insbesondere federbelasteten Kolbenspeichers fluidführend mit jeweils ihnen zuordenbaren Fluidkammern des Speichers verbunden sind, die mittels eines bewegbaren Trennelementes (40) voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit angesteuertem Ausschieben der im Speicher (30) bevorrateten Fluidmenge über die Ventileinheit M1 die weitere Ventileinheit M2 diese Fluidmenge als Pilot- oder Steuerdruck auf eine der Steuerseiten der Druckwaagen (14, 16) weitergibt, an die die zu versorgenden hydraulischen Verbraucher (20, 22) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass die Sensoren (32. 34) einen schnellen Anstieg bei der Druckdifferenz (dp) über einen vorbestimmten Grenzwert feststellen, das Sollwertsignal der Regeldruckdifferenz der Regelpumpe (26) der Druckversorgungseinrichtung (24) auf den Pumpenregler (44) von der Logikeinheit (36) auf den aktuellen Wert (P-LS) gestellt und dann rampenförmig auf den Nennwert hochgefahren wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messglied (48), insbesondere in der Art einer Federwaage vorgesehen ist, die die Druckdifferenz erfasst, dass die Logikeinheit (36) unmittelbar fluidführend an das hydraulische Zeitglied (30) angeschlossen ist, und dass zum Laden und Entladen des Zeitglieds (30) das Messglied (48) die Logikeinheit (36) vorsteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (36) eine Rechnerstufe, insbesondere in Form eines Mikrocontrollers (MC) aufweist oder aus einem Steuerschieber (58) gebildet ist, der auf seinen jeweils gegenüberliegenden Steuerseiten einmal von einem Fluiddruck des Messgliedes (48) und einmal vom Pumpendruck (P) ansteuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Ansteuerung des Steuerschiebers (58) mittels des Messgliedes (48) der federbelastete Steuerschieber (58) vom Loadsensing-Druck (LS) an der Regelpumpe (26) ansteuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (58) der Logikeinheit (36) fluidführend an eine Loadsensing-Leitung angeschlossen sowie an die Kolben- und Stangenseite des als Kolbenspeicher oder Arbeitszylinders ausgebildeten Zeitgliedes (30).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Ventileinrichtung (28), insbesondere in Form eines Wechselventils der lasthöchste Druck an dem jeweiligen hydraulischen Verbraucher (20, 22) als Regeldruck für die Regelpumpe (26) der Druckversorgungseinrichtung (24) eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige hydraulische Verbraucher ein Arbeitszylinder (22) oder ein sonstiger hydraulisch betätigbarer Aktuator oder ein Hydromotor (20) ist.