DE102016014361A1

DE102016014361A1 - Proportionalventil in Hydrauliksystemen

Info

Publication number: DE102016014361A1
Application number: DE102016014361.4A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Rohrmann; Sascha Sander
Original assignee: ALPHA FLUID HYDRAULIKSYSTEME MUELLER GmbH
Current assignee: ALPHA FLUID HYDRAULIKSYSTEME MUELLER GmbH
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Elektroproportionale Wegeventile werden in Hydrauliksystemen zur kontinuierlichen Regelung von Fluidflüssen oder auch für kontinuierliche Verstellungen dadurch angesteuerter hydraulisch-mechanischer Einrichtungen eingesetzt, wie z.B. bei hydrostatischen Maschinen mit variabler Förder- bzw. Schluckmenge zur Verstellung derselben oder Zylinder-Linearantriebe zur proportionalen Verstellung von Arbeitsmaschinenfunktionen. Bei Verstellungen zwischen zwei Extremwerten, wie z.B. von Nullförderung bis Maximalfördermenge oder Stillstand bis Maximaldrehzahl oder Zylinder eingefahren bis ausgefahren sind die Regelventile vorzugsweise mit zwei Endstellungen ausgeführt. Bei Ausfall der Stromversorgung des Proportionalventils kann es, je nach hydraulischer Verschaltung innerhalb des Hydrauliksystems, zu unzulässigen bis gefährlichen Betriebszuständen kommen. Im bisherigen Stand der Technik werden zusätzliche Mittel und Bauteile eingesetzt, um den Fehlerfalls Stromausfall zu erkennen und zu beherrschen. Zur wesentlichen Vereinfachung und zur Erreichung eines höheren Sicherheitslevels wird vorgeschlagen, dass das Proportionalventil mit hydraulisch funktionsgleichen Endstellungen ausgeführt ist. Dadurch ist es ermöglicht eine zwangsläufige, sowie zwangsgeführte und direkt ausgelöste Sicherheitsreaktion auf den Störfall Stromausfall, Kabelbruch, Leiterschluss oder Kurzschluss im Regelventil selber zu integrieren, ohne weitere Zusatzventile und ohne Auslösung über einen elektronischen Rechner aufgrund von Sensorsignalen, wodurch eine kürzest mögliche Reaktionszeit gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein vorzugsweise elektrisch ansteuerbares Proportionalventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektroproportionale Wegeventile werden in Hydrauliksystemen zur kontinuierlichen Regelung von Fluidflüssen oder auch für kontinuierliche Verstellungen dadurch angesteuerter hydraulisch-mechanischer Einrichtungen eingesetzt, wie z.B. bei hydrostatischen Maschinen mit variabler Förder- bzw. Schluckmenge zur Verstellung derselben oder Zylinder-Linearantriebe zur proportionalen Verstellung von Arbeitsmaschinenfunktionen. Bei Verstellungen zwischen zwei Extremwerten, wie z.B. von Nullförderung bis Maximalfördermenge oder Stillstand bis Maximaldrehzahl oder Zylinder eingefahren bis ausgefahren sind die Regelventile vorzugsweise mit zwei Endstellungen ausgeführt und werden, bezogen auf den Durchflussquerschnitt, von geschlossen bis max. geöffnet, oder umgekehrt -unbestromt bis voll bestromtmit beliebigen Zwischenstellungen gemäß eingestelltem elektrischem Teilstrom betrieben. Bei Ausfall der Stromversorgung des Proportionalventils kann es, je nach hydraulischer Verschaltung innerhalb des Hydrauliksystems, zu unzulässigen bis gefährlichen Betriebszuständen kommen. Analog bei hydraulischer Ansteuerung des Proportionalventils bei Steuerdruckausfall.
Stand der Technik:
Aus der DE 103 54 230 ist ein elektrisch ansteuerbares Mehrwegeventil bekannt mit einem Schließkörper der in einem Verbindungskanal zwischen zwei Anschlussleitungen angeordnet ist. Der Schließkörper ist über eine Antriebswelle elektroproportional verstellbar zwischen geschlossen und max. geöffnet. Bei Ausfall der Stromversorgung und dabei nahezu geschlossenem Verbindungskanal wäre das damit betriebene Hydrauliksystem, in diesem Fall ein Kühlkreislauf, nahezu unwirksam, wodurch Folgeschäden in der zu kühlenden Maschine auftreten könnten. Zur Vermeidung dieses kritischen Betriebszustandes wird vorgeschlagen, dass parallel zum Verbindungskanal, von der Zulaufleitung zur Ablaufleitung, ein Bypasskanal angeordnet ist der im normalen Betriebsfall über ein zusätzliches, elektrisch betätigtes Notlaufventil geschlossen ist. Unbestromt ist das Notlaufventil geöffnet, so dass bei Ausfall der Stromversorgung, z.B. Kabelbruch, dennoch ein Fluidfluss über den Bypasskanal gewährleistet ist.
Ferner ist aus der DE 10 2013 226 566 ebenfalls ein Flüssigkeitsventil bekannt bei dem Fail-Safe-Mittel als zusätzliche Sicherheitsfunktion vorgeschlagen werden, um kritische bzw. ungewollte Betriebszustände bei Ausfall der Energieversorgung zu vermeiden. Es wird vorgeschlagen das elektrisch betriebene Steuermittel zur Verstellung des Ventilglieds, um eine weitere elektrisch beaufschlagte Einrichtung, das Auslöseelement, zu erweitern. Im Normalbetrieb des Flüssigkeitsventils wird das Auslöseelement über einen, mit der Betriebsspannung beaufschlagten, Haftmagneten in seiner betrieblichen Grund- bzw. Normalstellung gehalten, bei mehr oder weniger hydraulisch geöffnetem Ventilelement. Bei Ausfall der Energieversorgung, z.B. Kabelbruch, wird das Auslöseelement durch Federkraft vom Haftmagnetanschlag zu einem gegenüberliegenden Anschlag bewegt und somit das über Zwischenbauteile verbundene Ventilelement in die entsprechende Endstellung verschoben und somit hydraulisch geschlossen.
Eine Sicherheitsanordnung innerhalb eines, mittels Proportionalventil geregelten Hydrauliksystems zeigt die Offenbarung in DE 37 28 206 in der Form einer mechanisch-hydraulischen Sicherheitsschaltung mittels mehrerer zusätzlichen Ventile im Steuerkreis des elektrohydraulischen Stellglieds einer sekundärgeregelten hydrostatischen Maschine. Eine elektronische Regeleinrichtung ist, zusätzlich zu den eigentlichen Regelfunktionen, um Sicherheitsfunktionen erweitert, die aufgrund von Sensoreingängen in der Regeleinrichtung Abweichungen erkennt und im Fehlerfall auf drei zusätzlich vorgeschlagene Magnet-Schaltventile im Steuerkreis Sicherheitsabschaltungen auslöst, so dass der Steuerdruck schlagartig zusammenbricht und dadurch die hydrostatische Maschine zum Stillstand bringt. Die Magnetventile des Sicherheitskreises wirken auf weitere vorgesteuerte mechanisch-hydraulische Ventile, so dass diese Gesamtanordnung sehr aufwendig ist. Ein Stromausfall am Proportionalventil wird nur indirekt über die Regeleinrichtung erkannt mit anschließender Reaktion, je nach Softwareauslegung der Regeleinrichtung.
Aus der DE 197 24 870 ist eine verstellbare, hydraulische Arbeitsmaschine mit elektronisch zuschaltbarer, hydraulischer Sicherheitseinrichtung ersichtlich. Ein einfachwirkendes Proportionalwegeventil ist in bekannter Weise mit seinem aktiven Arbeitsanschluss mit der Aktivseite der Verstelleinrichtung des Hubrings einer Radialkolbenmaschine hydraulisch verbunden. Die Steuerdruckversorgung des Proportionalventils erfolgt aus der Hochdruckseite der Arbeitsmaschine. Bei der dargestellten Konstellation führt eine Steuerdruckerhöhung über das Proportionalventil zur Verringerung der Fördermenge der Radialkolbenmaschine, im umgekehrten Fall der Steuerdruckminderung zu einer Erhöhung der Fördermenge, d.h. bei einem Ausfall der elektrischen Energieversorgung im Steuerkreis des Proportionalmagneten, z.B. durch. Kabelbruch, würde die Arbeitsmaschine ungewollt auf max. Fördermenge verstellt, was je nach angeschlossenem Hydrauliksystem zu größeren Schäden bis zur Selbstzerstörung führen könnte. Zur Verhinderung dieses Fehlverhaltens wird vorgeschlagen, dass eine hydraulische Sicherheitseinrichtung, bestehend aus einem Magnetventil und einem Druckteiler, zusätzlich in den Steuerkreis des Hydrauliksystems integriert wird. Im Normalbetrieb ist das zusätzliche Magnetventil ständig bestromt und hat keinen Einfluss auf den hydraulischen Steuerkreis, im Fehlerfall jedoch, im extremsten Fall bei Stromausfall, wird auch dieses Zusatzmagnetventil stromlos und generiert dadurch einen Schaltdruck innerhalb des Proportionalventils derart, dass die dadurch herbeigeführte Schaltposition des Wegeventils einen Druckanstieg auf der Aktivseite der Verstelleinrichtung bewirkt, so dass die Radialkolbenmaschine zur Verringerung der Fördermenge hin verstellt wird. Ein Kabelbruch am Proportionalventil selber löst jedoch noch keine Sicherheitsabschaltung aus, hierzu ist ebenfalls die Reaktion einer übergeordneten elektronischen Steuerung bzw. Regelung notwendig, die im erkannten Fehlerfall das Zusatzmagnetventil aktiv stromlos schaltet.
Bei allen vorstehend vorgestellten Vorschlägen zur Absicherung von mittels Proportionalventilen angesteuerten bzw. geregelten Hydrauliksystemen ist gemeinsam, dass zusätzliche Mittel eingesetzt werden, um den Fehler Stromausfall, insbesondere bei Kabelbruch, Leiterschluss oder Kurzschluss am Proportionalmagnet, zu beherrschen. Dies führt zu aufwendigeren Gesamtbaugruppen die aufgrund der Mehrteile zusätzliche Fehlerquellen erwarten lassen.
Aufgabe der Erfindung ist, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Proportionalventil für den Einsatz in Hydrauliksystemen so weiterzubilden, dass die Teilevielfalt reduziert und der Störfall Stromausfall, Kabelbruch, Leiterschluss oder Kurzschluss (analog Steuerdruckausfall) zu keinem unsicheren Betriebsverhalten des damit betriebenen Hydrauliksystems führt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Proportionalventil mit hydraulisch funktionsgleichen Endstellungen ausgeführt ist. Dadurch ist es ermöglicht eine zwangsläufige, sowie zwangsgeführte und direkt ausgelöste Sicherheitsreaktion auf den Störfall Stromausfall, Kabelbruch, Leiterschluss oder Kurzschluss (analog Steuerdruckausfall) im Regelventil selber zu integrieren, ohne weitere Zusatzventile und ohne Auslösung über einen elektronischen Rechner aufgrund von Sensorsignalen, wodurch eine kürzestmögliche Reaktionszeit gewährleistet ist. Die geringere Teilezahl erhöht das-Ergebnis einer Sicherheitsbewertung nach der Maschinenrichtlinie o.ä. positiv, was sich vorteilhaft auch für die Gesamtanlage auswirkt.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung aufgezeigt, dementsprechend zeichnet sich das erfindungsgemäße Ventil in besonders vorteilhafter Ausgestaltung dadurch aus, dass in den Endstellungen hydraulisch funktionsgleiche, aber auf den Anwendungsfall individuell anpassbare Durchflussquerschnitte geöffnet sind. Das ist dann vorteilhaft wenn z.B. bei Ansteuerung eines einfachwirkenden Zylinders die Sicherheits-Grundstellung ‚ausgefahrene Kolbenstange‘ ist.
In weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt.
Mit dieser Erfindung sind vereinfachte Hydraulikschaltungen zur Absicherung der Störfälle Stromausfall, Kabelbruch, Leiterschluss oder Kurzschluss in Hydrauliksystemen unterschiedlicher Art ermöglicht, bei verbessertem Betriebsverhalten und höherer Funktionssicherheit. Die Gesamtkosten damit ausgestatteter Anlagen sind dadurch deutlich reduziert.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 Erfindungsgemäßes elektroproportioriales Wegeventil, Längs-Schnitt einer beispielhaften Bauform als Cartridgeventil.
2 a/b Kennlinien Ansteuerstrom/Ventil-Durchfluss (qualitativ)
3 Schaltplan der Ansteuerung des einfachwirkenden Stellzylinders einer hydraulischen Arbeitsmaschine mit Proportionalventil in mech.-hydr. Regelanordnung
4 a/b Kennlinien Ansteuerstrom/Motor-Schluckmenge (qualitativ)
5 Symbol mit hydraulischer Proportionalansteuerung

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 als eine, auf das Wesentliche der Funktionen reduzierte, vereinfachte Zeichnung gezeigt. In dieser gewählten Ausführung, beispielhaft in Patronenbauweise mit einfacher Feder - rückstellung ausgeführt, ist der grundsätzliche Aufbau mit einem Proportionalmagneten 1 als Sollwerteingang, sowie einem in der Längsachse daran anschließenden hydraulisches Proportionalventil 2 dem Stand der Technik für Elektroproportionalventile vergleichbar, so dass es dem Fachmann bekannt ist, dass z.B. die Spannungsversorgung des Proportionalmagneten 1 über, hier im Schnitt nicht gezeigte, dafür geeignete Steckerverbindungen erfolgt. Mit dem variablen Sollwertstrom wird eine Wicklung 11 bestromt, wodurch in bekannter Weise, ein Magnetfluss über einen beweglichen Magnetanker 12 über eine Ankerstirnfläche 12.1 zu einer gegenüberliegenden statischen Polfläche 13, als Teil des Prpoportionalmagneten 1, entsteht der sich über ein Magnetgehäuse 14 wieder schließt. Der Magnetanker 12 ist mittels Führungszapfen 12.2 sowie 12.3 in den zugehörigen Lagerbohrungen des Proportionalmagneten 1 reibungsarm gelagert - alternative Lagerungsarten sind möglich. Der notwendige Volumenausgleich der Hydraulikflüssigkeit, verursacht durch den +/- Hub des Magnetankers 12, ist über eine oder mehrere Strömungsverbindungen 12.4 im oder am Magnetanker 12, sowie über eine oder mehrere Verbindung 14.1 bis zum Endvolumenbereich 14.2 vorgesehen. Im Grundaufbau handelt es sich nach der üblichen Terminologie, um ein sogen. 3/2-Ventil, mit drei hydraulischen Anschlüssen und zwar einem Tankanschluss T, einem Arbeitsanschluss Z - beispielhaft als Ringkanal, einem Versorgungsanschluss P - beispielhaft als Ringkanal und zwei mechanischen Grundstellungen bei denen der Proportionalmagnet 1 entweder stromlos oder voll bestromt ist. Im Fall stromlos wird ein Ventilschieber 21, mit einem Anschlagbund 22, von einer Feder 23 gegen einen Anschlag 24 gedrückt, diese Schaltstellung wird mit a (s. 3) bezeichnet. Ist der Proportionalmagnet 1 voll bestromt, so ist die Magnetkraft größer als die Kraft der Feder 23, so dass die Ankerstirnfläche 12.1 an der Polfläche 13 anschlägt, diese Schaltstellung wird mit c bezeichnet. Dargestellt in 1 ist jedoch nicht der stromlose Zustand, sondern eine sich zwischen den Extremstellungen a und c befindende dritte, mittlere, Schieberstellung b, die in der betrieblichen Funktion, im Zusammenwirken mit der Schieberstellung c, als die eigentliche Proportional-Regelstellung bezeichnet werden kann und durch einen Grundstrom am Proportionalmagneten 1, bezeichnet als I_R(s. 2), eingestellt wird, so dass in dieser Betriebsart das 3/2-Grundventil funktionell zu einem 3/3-Ventil wird. Die Regel-Steuerkanten werden in diesem Beispiel von einer ersten Umlaufkante 25.1 sowie einer zweiten Umlaufkante 25.2 eines Steuerbundes 25 des Ventilschiebers 21 gebildet die, in diesem Fall, mit einer oder mehreren Steuer- oder Regelbohrungen 26 kommunizieren. Diese, vorzugsweise mehrere, Steuer- oder Regelbohrungen 26 verbinden eine Schieberbohrung 27 mit einem äußeren Arbeitsanschluss-Ringkanal Z. Die Breite des Steuerbundes 25 und die Durchmesser der Regelbohrungen 26 sind so aufeinander abgestimmt, dass vorzugsweise eine hydraulische Null-Überdeckung besteht, hier sind, abhängig von den gewünschten Regeleigenschaften der zu betreibenden Anlage, positive bis negative Überdeckungen ausführbar. Bei der gezeichneten, betrieblichen Grundposition des Ventilschiebers 21 bei Bestromung mit dem Grundstrom I_R(s. 2a/b) wird, bei gewählter Null-Überdeckung, ein Fluidfluss zum Arbeitsanschluss Z verhindert. Am Steuerbund 25 steht einerseits über einen ersten inneren Ringkanal 29 der Versorgungsdruck, welcher über den Versorgungsanschluss-Ringkanal P zugeführt wird, an. Der innere Ringkanal 29 ist über (nicht sichtbare, um 90° versetzte) Verbindungsbohrungen mit dem äußeren Versorgungsanschluss- Ringkanal P hydraulisch verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Steuerbundes 25 besteht, über die Schieberbohrung 27 und einen Federraum 23.1, hydraulische Verbindung zum Tankanschluss T. Der Federraum 23.1 wird durch eine Ventilabschlußkappe 28 gebildet, wobei die Feder 23 darin statisch aufliegt und mit ihrer linearen Kennlinie die Gegenkraft am Anschlagbund 22 zum Proportionalmagneten 1 erzeugt, so dass ein proportionales Verhalten zwischen Sollwertstrom +/- Grundstrom I_R und Ventilschieberposition und in der Folge ein Fluidfluss Qv (s. 2a/b) über das Hydraulische-Proportionalventil 2, gegeben ist.
Wird der Sollwertstrom + Grundstrom I_R erhöht, so kann das Fluid vom Versorgungsanschluss-Ringkanal P nach Arbeitsanschluss Z strömen und der angeschlossene Verbraucher, z.B. Zylinder oder Verstell Einrichtung, wird ausgefahren. Wird der Sollwertstrom - Grundstrom I_R vermindert, so kann das Fluid von Arbeitsanschluss Z nach Tankanschluss T strömen und der Verbraucher führt eine Gegenbewegung aus. Je nach Sollwertstromhöhe kann die Verstellgeschwindigkeit des Verbrauchers bestimmt werden, in dieser Konstellation besteht also Proportionalität zwischen Sollwertstrom und Verstellgeschwindigkeit des Verbrauchers. Hydraulische Verbindungen 21.1 und 21.2, sowie 27.1 und 13.1 dienen dem Druck- und Volumenausgleich des Magnet-Ankerraums, in diesem Fall zum Tankanschluss T. Erfindungsgemäß werden zwei weitere, zusätzliche Steuerkanten vorgeschlagen und zwar, gebildet durch einen weiteren, zweiten inneren Ringkanal 30 der Schieberbohrung 27 eine zum ersten inneren Ringkanal 29 hin wirkende erste Steuerkante 31 und somit zum Versorgungsdruck P, in der weiteren Beschreibung als Steuerkante-P 31 bezeichnet, sowie tankseitig am Ende der Schieberbohrung 27 eine zum Tankanschluss T hin wirkende zweite Steuerkante 32, weiter als Steuerkante-T 32 bezeichnet. Der Ringkanal 30 ist über mindestens eine Bypassbohrung 33 mit dem Arbeitsanschluss Z hydraulisch verbunden, es ist alternativ, je nach Ausführungsart oder Einbausituation des Proportionalventils, auch möglich den inneren Ringkanal 30 extern nach außen zu führen und über andere hydraulische Verbindungen an den Verbraucher anzuschließen. Im normalen, proportionalen Betrieb des Proportionalventils 2 haben die Steuerkante-P 31 und Steuerkante-T 32 keinen Einfluss auf die eigentliche Funktion des Proportionalventils, die Steuerkante-T 32 ist dabei zu T hin geöffnet und die Steuerkante-P 31, zwischen dem (Druckversorgungs-)Ringkanal 29 und dem Ringkanal 30, ist dabei geschlossen. Bricht die Spannungsversorgung, verursacht durch irgendeinen Störfall, zusammen und somit der Sollwertstrom, wird die Feder 23 den Ventilschieber 21 bis zum Anschlag 24 verschieben, wodurch die Steuerkante-P 31 und Steuerkante-T 32 wirksam werden. Die Steuerkante-T 32 wird geschlossen und somit die Verbindung Z → T gesperrt, die Steuerkante-P 31 wird zwangsläufig gleichzeitig geöffnet, wodurch eine neue hydraulische Verbindung von (Versorgungsanschluss-)Ringkanal P nach Arbeitsanschluss Z, über den Ringkanal 29 zum Ringkanal 30 mit einer oder mehreren weiterführenden Verbindungen 33 besteht und die angesteuerte Verstelleinrichtung wird in den für diese Konstellation gewünschten Sicherheitszustand verfahren. Die daraus resultierende Verfahrgeschwindigkeit kann durch eine oder mehrere Blenden 33.1 (s. 3), oder alternative Querschnittsverringerungen, in den Verbindungen 33 auf ein zulässiges Maß vorbestimmt werden. Der Vollständigkeit halber: Mittels Befestigungsschrauben 40 wird die Baugruppe Proportionalventil in dem zugehörigen Ventilblock (nicht gezeigt) verschraubt. Der Einbau und die Abdichtung der Cartridgepatrone und Weiterführung der Fluidkanäle innerhalb eines Hydraulik-Ventilblocks sind dem Fachmann bekannt und werden deshalb nicht ausführlicher beschrieben.
In 2a ist beispielhaft eine Kennlinie eines Elektro-Proportionalventils nach 1 qualitativ dargestellt, d.h. das grundsätzliche, erfinderische Funktionsverhalten kann, losgelöst von einer beispielhaften konstruktiven Ausführung, eindeutig definiert werden. Bei einem 3-Wege-Proportionalventil kann ein Ventil-Fluidfluss Qv von P → Z oder von Z → T in seiner Größe von max. bis 0 oder umgekehrt und in beiden Richtungen proportional gesteuert oder geregelt werden, in Abhängigkeit des Sollwertes, einem Strom I sowie der Druckdifferenz. Somit wird die dem Elektro-Proportionalventil nachgeschaltete Verstelleinrichtung in Bewegungsrichtung und Verstellgeschwindigkeit entsprechend einem vorgegebenen Sollwert mit Strom I, dem Sollwertstrom I_x, angesteuert. Soll die Verstelleinrichtung wegabhängig, proportional zum Sollwertstrom I_x, angesteuert werden ist ein überlagerter Regelkreis mit Wegrückmeldung erforderlich. Oder die Sollwerteingabe erfolgt manuell mit Sichtkontakt zum Verstellobjekt. Um die Verstellung der Stellvorrichtung anzuhalten, bzw. die erreichte Position zu halten, muss der Arbeitsanschluss Z vom Versorgungsanschluss P sowie dem Abfluss zum Tankanschluss T abgesperrt werden, dies ist die vorstehend beschriebene Schieberstellung in Regelposition, in der Kennlinie 2a der Schnittpunkt mit der Abszisse beim Grundstrom I_R. Korrekturen der erreichten Weg-Position z.B. werden entweder durch Erhöhung (I_R - ΔI) → Durchfluss von Z→T oder (I_R + ΔI) → Durchfluss von P→Z. Der max. Durchfluss P→Z wird bei Sollwertstrom I_x = I_{Schwelle 2} erreicht, der max. Durchfluss Z→T wird bei Sollwertstrom I_x = I_Schwelle ₁ erreicht. Das ist der normale, proportionale Arbeitsbereich bei bestehender Stromversorgung. Bei größerem Sollwert als I_{Schwelle 2} bis I_max bleibt der Ventilschieber 21 konstant in seiner max. Öffnung für P→Z. Bei Stromausfall, also I = 0 und somit < I_Schwelle ₁ wird die max. Öffnung für Z→T geschlossen und gleichzeitig, unmittelbar eine alternative Öffnung von P→Z wiederhergestellt. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist somit eine max. Ventilöffnung des Proportionalventils 2 bei Sollwertstrom I_x > = I_Schwelle ₂ und bei Sollwertstrom I_x = 0 oder < I_Schwelle ₁ vorhanden - abhängig.von der Querschnittsdimensionierung in den Verbindungen 33 kann Q_v bei I=0 auch bewusst geringer dimensioniert sein. Dieses erfindungsgemäße Verhalten ist dann erforderlich, wenn die sichere Stellung der Stelleinrichtung bei Sollwert-Stromausfall, z.B. bei einem einfachwirkenden Zylinder, die ausgefahrene Stellung ist und diese Sicherheitsbewegung evtl. in einer geringeren Stellgeschwindigkeit erfolgen muß oder die Stelleinrichtung stromlos unter Arbeits-Druck bleiben muss.
Bei der Forderung: Sichere Stellung der Verstelleinrichtung ist bei eingefahrenem Zylinder, z.B. durch äußere Krafteinwirkung, muss die Kennlinie des erfindungsgemäßen Proportionalventils invers zu der Kennlinie nach 2a sein, das zeigt die 2b. Bei ‚stromlos‘ oder Sollwertstrom I_x< I_Schwelle ₁ ist bei dieser Ausführung Z→T voll geöffnet und P→Z geschlossen. Der proportionale Bereich liegt wieder zwischen I_Schwelle ₁ und I_Schwelle _2, jedoch bei entgegengesetzter Neigung der Proportionalkennlinie, so dass bei I_max Z→T auch voll geöffnet ist. Das inverse Verhalten zu dem gezeigten Ventil nach 1 kann bei dieser Konstruktion durch Tauschen der Anschlüsse T und P erreicht werden, d.h. Der T-Anschluss wird zum P-Anschluss und der T-Anschluss zum P-Anschluss. Unabhängig davon haben beide Ventil-Versionen in beiden Endstellungen die grundsätzlich gleiche hydraulische Funktion.
Das in Fg. 1 gezeigte Proportionalventil mit statisch gelagerter Gegen-Feder 23 zum Proportionalmagneten 1 ist für Durchfluss- und/oder Druckregelungen konzipiert. Es ist bekannt, durch dynamische Lagerung der Gegen-Feder am Stellorgan der Verstelleinrichtung selbst, dadurch eine Kraftrückführung zu erhalten mittels der eine wegabhängige Regelung der Verstelleinrichtung mit dem ansonsten gleichen Proportionalventil ermöglicht wird.
Ein Schaltbildausschnitt aus einem Hydrauliksystem einer solchen Anordnung mit Kraftrückführung zum Proportionalventil ist beispielhaft in 3 gezeigt. Eine hydraulische Arbeitsmaschine, in diesem Fall ein Hydraulikmotor 50, mit variablem Schluckvolumen v_g das über einen damit gekoppelten Stellzylinder 51, als mechanisch- hydraulisches Stellsystem am Hydraulikmotor 50, verstellt wird. Der Hydraulikmotor 50 ist mit den hydraulischen Arbeitsanschlüsse A und B ausgeführt. Der Stellzylinder 51 mit einem hydraulischen Anschluss 51.1 kolbenstangenseitig und einem Anschluss 51.2 zylinderbodenseitig ausgeführt. Der Arbeitsanschluss Z eines Proportionalventils 52,ist mit dem Anschluss 51.2 verbunden, ein Druckversorgungsanschluss P sowie ein Tankanschluss T sind mit dem übergeordneten Hydrauliksystem (nicht dargestellt) analog verbunden. Unter Umgehung des Proportionalventils 52 ist der Anschluss 51.1 ständig mit dem Druckversorgungsanschluss P verbunden, allgemein als Tauchkolbenschaltung bekannt, d.h. Stellbewegungen am Stellzylinder 51werden durch Fluid-Zu- oder Abfluss am Anschluss 51.2 bewirkt - angesteuert durch das Proportionalventil 52. Eine Rückstellfeder 53 am Proportionalventil 52 hat ein dynamisches Widerlager 54. Dieses Widerlager 54 ist mit dem Stellsystem des Hydraulikmotors 50 mech. dermaßen gekoppelt, dass der Hub des Feder-Widerlagers 54 gleich dem Stellweg des Stellzylinders 51 ist und somit die momentane Kraft der Rückstellfeder 53, im übertragenen Sinne, ein Maß für die momentane Position des Stellzylinders 51 und somit dem Schluckvolumen v_g des Hydraulikmotors 50 ist. Mit dieser Anordnung ist eine proportionale Beziehung zwischen Sollwertstrom I_x (Magnetkraft) und Schluckvolumen v_g (Kraft der Feder 53), ohne äußeren elektronischen Regelalgorithmus, vorhanden, auch als mechanisch-hydraulische Regelung bezeichnet. Bei Federkraft = (I_Soll-)Magnetkraft bleibt das gewählte Schluckvolumen v_g konstant, hierbei regelt das Ventil im Regelbereich zwischen den Symbolen b-c eventuelle Störeinflüsse aus. Bei Stromausfall fällt die Magnetkraft weg und die Rückstellfeder 53 bewegt den Ventilschieber 21 (1) in die Schaltposition gemäß dem Symbol a. In der Folge wird der Stellzylinder 51 ausgefahren, evtl. mit hoher oder gedrosselter Geschwindigkeit, je nach Dimensionierung der Drossel 33.1.
Das Betriebsverhalten eines Hydrauliksystems mit dem erfindungsgemäßen Proportionalventil in einer beispielhaften Anordnung gemäß 3 kann mittels qualitativer Kennlinien wie in den 4a/b dargestellt, gezeigt werden.
Wobei die 4a dem Schaltplan 3 entspricht, d.h. bei Sollwertstrom I_x < I_Schwelle ₁ oder bei Strom = 0 befindet sich der Hydraulikmotor in der geforderten, für diese Anlage gefahrlosen Schluckmengenstellung v_g = min., dieselbe Schluckmengeneinstellung ergibt sich bei Sollwertsstrom I_x > = I_Schwelle ₂ _bis I_max. Also in beiden Endstellungen des Proportionalventils ist die hydraulische Grundfunktion erfindungsgemäß dieselbe.
Der Proportionalbereich im Normalbetrieb entspricht der geneigten Kennlinie von I_Schwelle ₁ bis I_Schwelle _2. Eine Wiederinbetriebnahme der Verstellung nach Stromausfall oder bei Neustart erfolgt mit Sollwertstrom I_x >= I_Schwelle ₂.
Wird eine stromlose Sicherheitsstellung bei v_g = max. realisiert, ergibt sich eine inverse Kennlinie nach 4b, auch hier sind beide Endstellungen des Proportionalventils mit hydraulisch gleicher Grundfunktion ausgeführt.
Die vorgestellten Beispiele der Erfindung sind mit Druckfedern, statisch oder dynamisch gelagert, in Wirk-Verbindung mit drückend arbeitenden Proportionalmagneten ausgeführt. Der Erfindungsgedanke ist aber auch bei alternativen Konstruktionen mit statisch/dyn. gelagerten Zugfedern in Wirk-verbindung mit ziehend arbeitenden Proportionalmagneten gleich vorteilhaft ausführbar.
Alternativ zum Proportionalmagneten kann das Proportionalventil auch mit variablem Steuerdruck beaufschlagt und damit verstellt werden. Der Sollwertdruck erzeugt eine Sollwertkraft am Ventilschieber die mit der Istwert-Federkraft verglichen wird und somit den ventilinternen Regelabgleich ermöglicht. Ein Hydrauliksymbol ist in 5 dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10354230 [0003]
DE 102013226566 [0004]
DE 3728206 [0005]
DE 19724870 [0006]

Claims

Vorzugsweise elektrisch ansteuerbares Proportionalventil mit zwei Endstellungen, bestromt/unbestromt (Steuerdruck max./min.), in Hydrauliksystemen, vorzugsweise zur Ansteuerung einer Stell- oder Regelfunktion über vorzugsweise einen nachgeschalteten mechanisch-hydraulischen Stellzylinder (51), dadurch gekennzeichnet, dass ein Proportionalventil (2) mit hydraulisch funktionsgleichen Endstellungen (a, c) ausgeführt ist.
Proportionalventil mit zwei Endstellungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Endstellungen (a, c) ein Tankanschluss (T) geschlossen und ein Versorgungs-Anschluss (P) zu einem Arbeitsanschluss (Z) geöffnet ist.
Proportionalventil mit zwei Endstellungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Endstellungen (a, c)der Versorgungs-Anschluss (P) geschlossen und der Arbeitsanschluss (Z) zum Tankanschluss (T) geöffnet ist.
Proportionalventil mit zwei Endstellungen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass getrennte Strömungswege (a, c) in den Endstellungen vorhanden sind.
Proportionalventil mit zwei Endstellungen gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in der stromlosen Endstellung geöffnete Strömungsweg verengt ist, vorzugsweise durch eine Drossel/Blende (33.1).
Proportionalventil mit zwei Endstellungen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einem Ventilschieber (21) alle Regel- und Schaltfunktionen realisiert sind.
Proportionalventil mit zwei Endstellungen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für das Proportionalventil als Regel- und/oder Steuerdruck vorgegeben ist (Symbol 5).