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Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei bekannten derartigen Versorgungseinrichtungen, insbesondere bei Verwendung von Konstantpumpen mit interner Leckagerückführung in einen Niederdruckraum, kann es durch eine verringerte Wärmeabfuhr über ein Druckmittel aus der Pumpe zu einer unzulässigen Temperaturerhöhung der Pumpe und des darin enthaltenen Druckmittels und damit zu Überhitzungsschäden an der Pumpe kommen. Beispielsweise kann durch die Überhitzung ein Schmierfilm des überhitzten Druckmittels reißen und so mechanische Schäden an bewegten Teilen der Pumpe verursachen.
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Zur Vermeidung solcher Überhitzungsschäden ist es bekannt, eine Temperatur des Druckmittels in der Pumpe und/oder der Pumpe zu messen und die gemessene Temperatur von einer Steuerung verarbeiten zu lassen. Die Auswahl einer oder mehrerer geeigneter zu überwachenden Stellen, das Vorsehen der jeweiligen Temperatursensoren und nicht zuletzt das Einbinden der Temperatursensoren in die Maschinensteuerung bedeutet einen erheblichen konstruktiven, gerätetechnischen und steuerungstechnischen Aufwand. Bei einer Nachrüstung von bestehenden Anlagen kann sich dieser Aufwand noch weiter erhöhen.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Versorgungseinrichtung beziehungsweise Ansteuereinheit zu schaffen, bei der eine Temperaturüberwachung mit geringem Aufwand realisiert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Versorgungseinrichtung beziehungsweise Ansteuereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße hydrostatische Versorgungseinrichtung beziehungsweise Ansteuereinheit dient zur Versorgung eines hydraulischen Verbrauchers und weist eine hydrostatische Pumpe auf, die von einem Elektromotor drehzahlvariabel antreibbar ist. Der Elektromotor ist von einer elektronischen Steuereinheit steuerbar. Erfindungsgemäß ist in der Steuereinheit ein mathematisches Modell für eine Temperaturüberwachung hinterlegt, von der eine Warnmeldung, insbesondere an eine übergeordnete Maschinensteuerung, ausgebbar ist, und/oder eine Antriebsleistung der Pumpe begrenzbar oder absenkbar ist.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der reduzierte konstruktive, gerätetechnische und steuerungstechnische Aufwand bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Temperaturüberwachung.
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Zudem ist die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung bei bestehenden Anlagen mit geringem Aufwand und zu niedrigen Kosten nachrüstbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Vorteilhafterweise ist von der Temperaturüberwachung nach Verstreichen einer aus den Eingangsgrößen der Steuereinheit berechneten Zeitspanne eine Warnmeldung, insbesondere an eine übergeordnete Maschinensteuerung, ausgebbar, und/oder eine Antriebsleistung der Pumpe begrenzbar oder absenkbar.
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Die Zeitspanne ist von der Steuereinheit in einfacher Weise ermittelbar. Ein zeitlich begrenzter kritischer Betrieb der Pumpe in der Zeitspanne ist somit ermöglicht.
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Vorteilhafterweise ist von der Temperaturüberwachung nach Erreichen einer aus den Eingangsgrößen der Steuereinheit berechneten Erhöhung der Temperatur und/oder eines Grenzwerts für die Temperatur eine Warnmeldung, insbesondere an eine übergeordnete Maschinensteuerung, ausgebbar, und/oder eine Antriebsleistung der Pumpe begrenzbar oder absenkbar. Die Erhöhung der Temperatur ist über das mathematische Modell mit geringem vorrichtungstechnischem Aufwand ermittelbar. Somit ist ein Betrieb der Pumpe mit einer begrenzten Temperaturerhöhung möglich, ohne dass die Pumpe wegen einer unzulässig großen Temperaturerhöhung Schaden nimmt.
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Vorteilhafterweise ist die Temperaturüberwachung deaktivierbar, insbesondere deaktiviert, sobald die Pumpe in einer Dauerbetriebszone betrieben ist. Ein Betrieb der Pumpe in der Dauerbetriebszone ist in Bezug auf eine unzulässige Temperaturerhöhung unbedenklich und deswegen dauerhaft zulässig. Eine Temperaturüberwachung ist deswegen nicht erforderlich, kann aber trotzdem durchgeführt werden. Die Dauerbetriebszone ist vorzugsweise dadurch definiert, dass bei einem gemessenen Pumpendruck eine davon abhängige Mindestdrehzahl – also eine Pumpendrehzahl, die über einer ersten Grenzdrehzahl liegt – vorliegt, so dass ausreichend Wärme über das Druckmittel aus der Pumpe abgeführt ist.
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Bevorzugt ist die Temperaturüberwachung aktivierbar, insbesondere aktiviert, sobald die Pumpe in einer Temporärbetriebszone betrieben ist. In der Temporärbetriebszone ist die Pumpe nur zeitlich begrenzt betreibbar, ohne wegen der dabei entstehenden Temperaturerhöhung Schaden zu nehmen. Deswegen ist es von Vorteil, die Temperatur der Pumpe und des darin enthaltenen Druckmittels in diesem Bereich zu überwachen und gegebenenfalls eine Warnmeldung, insbesondere an eine übergeordnete Maschinensteuerung, auszugeben und/oder eine Antriebsleistung der Pumpe zu begrenzen oder abzusenken. Typischerweise findet ein Druckhaltebetrieb in der Temporärbetriebszone statt. In dem Druckhaltebetrieb ist die Pumpendrehzahl zwar ausreichend, um die interne Leckagemenge der Pumpe auszugleichen, aber die aus der Pumpe herausströmende Fördermenge des Druckmittels ist zu gering, um die in der Pumpe entstehende Wärme in ausreichendem Maße über das Druckmittel abzuführen.
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Vorteilhafterweise ist die Temperaturüberwachung deaktivierbar, insbesondere deaktiviert, sobald die Pumpe in einer Druckabbaubetriebszone betrieben ist. In der Druckabbaubetriebszone reicht die Pumpendrehzahl bei dem jeweiligen Pumpendruck nicht aus, um die Leckagemenge der Pumpe auszugleichen. Deswegen geht der Betrieb der Pumpe in der Druckabbaubetriebszone mit einer fortwährenden Verringerung des Pumpendrucks einher, so lange bis die Pumpe wegen des gesunkenen Pumpendrucks wieder in der Temporärbetriebszone betrieben wird, in der wieder eine Temperaturüberwachung aktivierbar, insbesondere aktiviert, ist. Der Betrieb der Pumpe in der Druckabbaubetriebszone ist also zeitlich begrenzt, führt zu einem Betrieb der Pumpe in der Temporärbetriebszone und erfordert deshalb keine Temperaturüberwachung.
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Vorteilhafterweise sind Betriebspunkte der Pumpe jeweils über einen Pumpendruck und eine, insbesondere dem Pumpendruck zugeordnete, Pumpendrehzahl bestimmt. Aus dieser Zuordnung lässt sich in einfacher Weise ein Rückschluss auf den Betriebszustand der Pumpe ziehen. Insbesondere sind die Betriebspunkte ausschließlich jeweils über einen Pumpendruck und eine dem Pumpendruck zugeordnete Pumpendrehzahl bestimmt.
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Vorteilhafterweise ist die Temperaturüberwachung deaktivierbar, insbesondere deaktiviert, sobald die Pumpendrehzahl, die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnet ist, eine erste Grenzdrehzahl überschreitet. Insbesondere trennt die erste Grenzdrehzahl die Dauerbetriebszone von der Temporärbetriebszone.
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Bevorzugt ist die Temperaturüberwachung aktivierbar, insbesondere aktiviert, sobald die Pumpendrehzahl, die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnet ist, die erste Grenzdrehzahl unterschreitet.
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Vorteilhafterweise ist die Temperaturüberwachung deaktivierbar, insbesondere deaktiviert, sobald die Pumpendrehzahl, die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnet ist, eine zweite Grenzdrehzahl unterschreitet, wobei die zweite Grenzdrehzahl kleiner ist als die erste Grenzdrehzahl. Insbesondere trennt die zweite Grenzdrehzahl die Temporärbetriebszone von der Druckabbaubetriebszone.
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Bevorzugt ist die Temperaturüberwachung aktivierbar, insbesondere aktiviert, sobald die Pumpendrehzahl, die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnet ist, die zweite Grenzdrehzahl überschreitet.
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Vorteilhafterweise sind der Pumpendruck und die dem Pumpendruck zugeordnete Pumpendrehzahl Eingangsgrößen der Steuereinheit. Eine weitere Eingangsgröße der Steuereinheit kann das auf die Pumpe übertragene Drehmoment des Elektromotors sein. Diese Eingangsgrößen werden vorzugsweise von dem mathematischen Modell bei der Berechnung der zu erwartenden Temperaturerhöhung berücksichtigt.
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Vorteilhafterweise sind eine spezifische Wärmekapazität der Pumpe, charakteristische Temperatureigenschaften eines Druckmittels und/oder eine Temperatur eines Druckmittels in einer Druckmittelsenke unmittelbar vor dem Betreiben der Pumpe in der Temporärbetriebszone Eingangsgrößen der Steuereinheit. Die Einbeziehung der genannten Randbedingungen erhöhen die Genauigkeit des mathematischen Modells zur erfindungsgemäßen Temperaturüberwachung.
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Insbesondere weist die Pumpe eine interne Leckagerückführung auf, insbesondere in einen Niederdruckraum. Bei Pumpen ohne Leckageanschluss zu der Druckmittelsenke ist die Wärmeabfuhr aus der Pumpe über das Druckmittel vermindert, so dass die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung besonders wichtig ist.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung mit einem hydraulischen Verbraucher, und
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2 ein Diagramm der Betriebszonen der erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung.
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Das in 1 dargestellte Schaltbild zeigt eine erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung 1 mit einer hydrostatischen Pumpe 2, die kostengünstig als eine Innenzahnradpumpe mit interner Leckagerückführung in einen Niederdruckraum ausgebildet ausgeführt ist. Die Pumpe 2 wird von einem drehzahlsteuerbaren Elektromotor 4 angetrieben, der von einer elektronischen Steuereinheit 6 gesteuert wird. In Kombination mit dem drehzahlvariabel steuerbaren Elektromotor als Pumpenantrieb ist die Ausführung der Pumpe 2 als Konstantpumpe ausreichend, sodass Kosten und Aufwand reduziert sind.
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Die Pumpe 2 ist mit einer Druckmittelsenke 8 verbunden, wobei eine Temperatur eines Druckmittels in der Druckmittelsenke 8 über einen Temperatursensor 10 gemessen wird. Über einen Drehzahlsensor 12 wird eine Pumpendrehzahl gemessen und über einen Drucksensor 14 ein Pumpendruck. Die gemessenen Werte werden an die Steuereinheit 6 übermittelt.
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Über ein Richtungsventil 16 ist ein Differentialzylinder 17 an die Pumpe 2 angeschlossen.
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Je nach gewünschter Geschwindigkeit und Betätigungsrichtung des Differentialzylinders 17 wird der Elektromotor 4 zum Antreiben der Pumpe 2 und das Richtungsventil 16 von der Steuereinheit 6 angesteuert. Insbesondere bei einem Druckhaltebetrieb erfolgt in der Steuereinheit 6 ein Soll-/Istabgleich der jeweiligen Vorgabewerte mit dem gemessenen Pumpendruck und der gemessenen Pumpendrehzahl.
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In dem Druckhaltebetrieb ist die Pumpendrehzahl üblicherweise niedrig, da der Differentialzylinder 17 unter Druck gehalten und nicht bewegt werden soll, so dass in der Hauptsache lediglich die Leckagemenge ausgeglichen werden muss. Wegen eines dadurch bedingten geringen Förderstroms kann aber die in der Pumpe 2 entstehende Wärme nicht oder nicht vollständig abgeführt werden und kann zu einer unzulässigen Temperaturerhöhung der Pumpe 2 und des darin enthaltenen Druckmittels führen.
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In dem in 2 gezeigten Diagramm sind Betriebszonen der Pumpe 2 der erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung dargestellt, wobei auf der X-Achse die Pumpendrehzahl aufgetragen ist und auf der Y-Achse der Pumpendruck.
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In einer Dauerbetriebszone 18, die in einem Bereich höherer Drehzahl als eine eingezeichnete erste Grenzdrehzahl 20 liegt, ist ein Betrieb der Pumpe 2 in Bezug auf eine unzulässige Temperaturerhöhung unbedenklich und deswegen dauerhaft zulässig. Die dem jeweiligen Pumpendruck zugeordnete Pumpendrehzahl bedingt in der Dauerbetriebszone 18 einen genügend hohen Förderstrom, um die entstehende Wärme über das Druckmittel abzutransportieren. Eine erfindungsgemäße Temperaturüberwachung ist deswegen nicht erforderlich, kann aber trotzdem durchgeführt werden.
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Wertepaare der ersten Grenzdrehzahl 20 trennen die Dauerbetriebszone 18 von der Temporärbetriebszone 22, die in einem Bereich zwischen den Wertepaaren der ersten Grenzdrehzahl 20 und einer zweiten Grenzdrehzahl 24 liegt. Die zweite Grenzdrehzahl 24 ist niedriger als die erste Grenzdrehzahl 20. Auch die zweite Grenzdrehzahl 24 ist in Form von Wertepaaren dargestellt.
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Die Temporärbetriebszone 22 ist ein für die Temperaturerhöhung der Pumpe 2 kritischer Bereich, weil dort eine Pumpendrehzahl, die einem konkreten Wert für einen Pumpendruck zugeordnet ist, niedriger ist als die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnete Pumpendrehzahl in der Dauerbetriebszone. Wegen der niedrigeren Pumpendrehzahl ist weniger Wärme über das Druckmittel aus der Pumpe 2 abführbar, es findet eine Temperaturerhöhung der Pumpe 2 statt, die bei Überschreiten einer von verschiedenen Einflussgrößen abhängigen Zeit zu einem Schaden der Pumpe 2 führen kann. Einflussgrößen sind beispielsweise eine spezifische Wärmekapazität der Pumpe, charakteristische Temperatureigenschaften des Druckmittels und/oder eine Temperatur des Druckmittels in einer Druckmittelsenke 8 unmittelbar vor dem Betreiben der Pumpe 2 in der Temporärbetriebszone 22. Ein für die Temporärbetriebszone 22 typischer Betrieb der Pumpe 2 ist der Druckhaltebetrieb. In dem Druckhaltebetrieb ist die Pumpendrehzahl zwar ausreichend, um die Leckagemenge auszugleichen, aber die daraus resultierende Fördermenge des Druckmittels zu gering, um die entstehende Wärme in ausreichendem Maße über das Druckmittel abzuführen. Somit ist der Druckhaltebetrieb über das mathematische Modell erfasst und erfindungsgemäß begrenzt, bei diesem Ausführungsbeispiel über die Zeit.
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Die zweite Grenzdrehzahl 24 trennt die Temporärbetriebszone 22 von der Druckabbaubetriebszone 26. In der Druckabbaubetriebszone 26 ist die dem konkreten Wert für den Pumpendruck zugeordnete Pumpendrehzahl niedriger als die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnete Pumpendrehzahl in der Temporärbetriebszone 22. Der Betrieb der Pumpe 2 in der Druckabbaubetriebszone 26 geht mit einer Verringerung des Pumpendrucks einher, so lange bis der Pumpendruck einen Wert erreicht hat, der in der Temporärbetriebszone 22 liegt, in der wieder eine Temperaturüberwachung aktivierbar/aktiviert ist. Der Pumpendruck ist alternativ dazu über eine Leistungsreduzierung des Elektromotors reduzierbar, um den Betrieb der Pumpe 2 aus der Druckabbaubetriebszone 26 in die Temporärbetriebszone 22 zu verschieben.
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Anhand von beispielhaft ausgewählten Betriebspunkten wird das oben gesagte nachfolgend näher beschrieben und in 2 veranschaulicht.
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Ein in der Dauerbetriebszone 18 liegender erster Betriebspunkt 28 veranschaulicht einen Betriebszustand der Pumpe bei einem konkreten Wert für den Pumpendruck, dem ein konkreter Wert für die Pumpendrehzahl zugeordnet ist. Wird nun, beispielsweise bei einem Druckhaltebetrieb, die Pumpendrehzahl unter Beibehaltung des Pumpendrucks verringert, ergibt sich ein Betriebszustand, der von einem zweiten Betriebspunkt 30 veranschaulicht wird. Die Pumpendrehzahl wurde soweit verringert, dass der zweite Betriebspunkt in der Temporärbetriebszone 22 liegt und die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung wird von der Steuereinheit 6 aktiviert, sobald die Pumpendrehzahl, die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnet ist, die erste Grenzdrehzahl 20 unterschreitet. Die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung wird wie nachfolgend beschrieben ausgeführt.
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Von dem in der Steuereinheit 6 hinterlegten mathematischen Modell wird in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl, des Pumpendrucks, der spezifischen Wärmekapazität der Pumpe 2, der charakteristische Temperatureigenschaften des Druckmittels und der Temperatur des Druckmittels in der Druckmittelsenke 8 unmittelbar vor dem Betreiben der Pumpe 2 in der Temporärbetriebszone 22 eine Zeitspanne berechnet, während der die Pumpe 2 in der Temporärbetriebszone 22 betrieben werden darf, ohne durch die dort stattfindende Temperaturerhöhung Schaden zu nehmen. Wird die Zeitspanne erreicht oder überschritten, wird von der Temperaturüberwachung eine Warnmeldung beispielsweise an eine nicht dargestellte übergeordnete Maschinensteuerung ausgegeben und/oder eine Antriebsleistung der Pumpe 2 begrenzt oder abgesenkt. Die Absenkung der Antriebsleistung kann bis zum Stillstand der Pumpe 2 reichen. Alternativ zur Berechnung der Zeitspanne kann eine zulässige Temperaturerhöhung oder eine zulässige maximale Temperatur der Pumpe 2 berechnet werden.
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Ein dritter Betriebspunkt 32 veranschaulicht einen Betriebszustand, bei dem die Pumpendrehzahl für den konkreten Wert des Pumpendrucks noch weiter verringert wurde, so dass der dritte Betriebspunkt 32 in der Druckabbaubetriebszone 26 liegt. Die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung wird von der Steuereinheit 6 deaktiviert, sobald die Pumpendrehzahl, die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnet ist, die zweite Grenzdrehzahl 24 unterschreitet. Da beim Betrieb der Pumpe 2 in der Druckabbaubetriebszone 26 die Pumpendrehzahl zu niedrig ist, um den eingestellten Pumpendruck zu halten, sinkt der Pumpendruck ab.
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Ein vierter Betriebspunkt 34 veranschaulicht einen Betriebszustand, bei dem der Pumpendruck soweit abgesunken ist oder abgesunken wurde, dass der vierte Betriebspunkt 34 in der Temporärbetriebszone 22 liegt. und die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung wird von der Steuereinheit 6 aktiviert, sobald die Pumpendrehzahl, die dem konkreten Wert des Pumpendrucks zugeordnet ist, die zweite Grenzdrehzahl 24 überschreitet. Die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung wird wie oben beschrieben ausgeführt.
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Grundsätzlich sind bei der Berechnung der Zeitspanne, während der die Pumpe 2 in der Temporärbetriebszone 22 betrieben werden darf, ohne durch die dort stattfindende Erwärmung Schaden zu nehmen, eine eventuell schon herrschende erhöhte Temperatur der Pumpe 2 zu berücksichtigen, die von einem unmittelbar vorausgehenden Betrieb der Pumpe 2 in der Temporärbetriebszone 22 herrührt oder von einer noch nicht abgeschlossenen Abkühlphase beim Betrieb der Pumpe 2 in der Dauerbetriebszone 18.
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Nachfolgend ist ein Temperaturverlauf im Betrieb der Pumpe 2 beispielhaft beschrieben:
Die Temperatur der Pumpe 2 erhöht sich über die Zeit beim Druckhaltebetrieb in der Temporärbetriebszone 22 gemäß den Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Pumpendruck, Pumpendrehzahl, spezifischer Wärmekapazität der Pumpe und anfänglicher Druckmitteltemperatur entlang einer durch physikalische Gesetzmäßigkeiten wie Temperaturübergangswiderstände zwischen beteiligten Bauteilen vorgegebenen Kennlinie. Nach Erhöhen des Pumpendrucks bei Reduzierung der Pumpendrehzahl, wobei die Pumpe 2 weiter in der Temporärbetriebszone 22 betrieben ist, folgt die Temperaturerhöhung einer anderen zunächst steileren Kennlinie. Erreicht die Temperaturerhöhung einen maximal zulässigen Wert, beispielsweise etwa 30° Kelvin, ist eine Warnmeldung von der erfindungsgemäßen Temperaturüberwachung ausgegeben. Zum Abkühlen und zum Vermeiden einer steuerungsseitigen Begrenzung oder Absenkung der Antriebsleistung der Pumpe 2 kann der Betrieb der Pumpe 2 durch Erhöhen der Pumpendrehzahl in die Dauerbetriebszone 18 verlegt werden. Die Abkühlung erfolgt entlang einer durch physikalische Gesetzmäßigkeiten wie Temperaturübergangswiderstände zwischen beteiligten Bauteilen und des Druckmittels und/oder der Pumpe 2 und der Umgebungsluft vorgegebenen Kennlinie.
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Offenbart ist ein in einer Antriebsregelung mitlaufendes mathematisches Modell, insbesondere während eines Druckhaltebetriebs einer Pumpe, zur Temperaturüberwachung der Pumpe in einer hydrostatischen Versorgungseinrichtung. Von der Temperaturüberwachung ist insbesondere bei Erreichen oder Übersteigen einer zulässigen Zeitspanne für einen Betrieb der Pumpe in einer Temporärbetriebszone, einer zulässigen Temperaturerhöhung und/oder einer zulässigen Temperatur der Pumpe, eine Warnmeldung, insbesondere an eine übergeordnete Maschinensteuerung, ausgebbar, und/oder eine Antriebsleistung der Pumpe begrenzbar oder absenkbar.
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Da für die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung keine Temperatursensoren in der Pumpe erforderlich sind, ist diese für alle Verdrängermaschinen anwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Versorgungseinrichtung
- 2
- Pumpe
- 4
- Elektromotor
- 6
- Steuereinheit
- 8
- Druckmittelsenke
- 10
- Temperatursensor
- 12
- Drehzahlsensor
- 14
- Drucksensor
- 16
- Richtungsventil
- 17
- hydraulischer Verbraucher / Differentialzylinder
- 18
- Dauerbetriebszone
- 20
- erste Grenzdrehzahl
- 22
- Temporärbetriebszone
- 24
- zweite Grenzdrehzahl
- 26
- Druckabbaubetriebszone
- 28
- erster Betriebspunkt
- 30
- zweiter Betriebspunkt
- 32
- dritter Betriebspunkt
- 34
- vierter Betriebspunkt
