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Die Erfindung betrifft ein Vorspannmodul und ein sekundärgeregeltes hydraulisches Antriebssystem mit einem derartigen Vorspannmodul.
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Eine Sekundärregelung ist ein energiesparendes Antriebskonzept mit hoher Dynamik zum Aufbau von Drehzahl-, Positions- und Drehmomentregelungen mit Energierückgewinnung. Der Grundaufbau eines derartigen sekundärgeregelten Antriebskonzeptes, das beispielsweise zum Antrieb einer Winde oder einer sonstigen Funktionseinheit genutzt werden kann, ist in dem Aufsatz „Untersuchung hydraulischer Systeme“ in der Fachzeitschrift o+p 1-2/2011 ,beschrieben. Demgemäß hat ein sekundärgeregelter Antrieb eine vorzugsweise als Verstellpumpe ausgeführte Primäreinheit, die vorzugsweise druckgeregelt ist und die ein Hochdrucknetz speist, an dem die Sekundäreinheiten arbeiten, die beispielsweise als hydrostatische Axialkolbeneinheiten ausgeführt sind. Die Leistungsentnahme aus dem und die Leistungsrückgabe an das Hochdrucknetz erfolgen drosselfrei und bedarfsgerecht durch Anpassung des Hubvolumens der Axialkolbeneinheiten an den jeweiligen Belastungsfall. Dabei können mehrere als Motor oder Pumpe arbeitende Einheiten parallel geschaltet werden, wobei ein Vierquadrantenbetrieb möglich ist, wobei die Einheiten zur Drehzahl- oder Drehmomentumkehr über „Null“ verschwenkbar sein können. Zwischen den Primär- und Sekundäreinheiten kann bei Bedarf ein Hochdruckspeicher (Energiespeicher) angeordnet werden, durch den Volumenspitzen abgedeckt werden und der des Weiteren zur Speicherung der Energie dient, die von der Sekundäreinheit bei Pumpenbetrieb in das hydraulische Netz zurückgespeist wird, wenn keine weiteren Verbraucher vorhanden sind. Zusammen mit der druckgeregelten Primäreinheit und dem Betriebszustand der Sekundäreinheit bestimmen der Ladezustand des Speichers und sein Vorspanndruck den eingeprägten Hochdruck des Systems. Der Niederdruckzweig ist über eine Speisepumpe auf einen Mindestdruck (Speisedruck) vorgespannt. Zur Energiespeicherung kann niederdruckseitig ebenfalls ein Energiespeicher vorgesehen werden.
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Ein Nachteil derartiger Antriebssysteme ist, dass zur Vorspannung des Niederdruckzweigs ein erheblicher vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich ist.
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Bei Marine- und Offshoreanwendungen sind häufig eine Vielzahl von Windenantrieben auf jeder Offshoreplattform oder jedem Schiff angeordnet. Prinzipiell existieren hierfür zwei prinzipielle Möglichkeiten. Zum einen können die einzelnen Windenantriebe jeweils in einem geschlossenen Kreislauf mit jeweils einer Pumpe und jeweils einem Hydromotor betrieben werden. Eine derartige Lösung ist äußerst aufwendig, da eine Vielzahl von Pumpen und die entsprechende Verrohrung für die geschlossenen Kreisläufe der Windenantriebe vorgesehen werden müssen.
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Zur Verringerung des vorrichtungstechnischen Aufwandes ist es bekannt, derartige Windenantriebe in einem offenen hydraulischen Kreislauf anzuordnen, wobei die Druckmittelversorgung über eine zentrale Pumpe erfolgt, die dann die an das Konstantdrucknetz des Schiffes beziehungsweise der Plattform angeschlossenen Sekundäreinheiten mit Druckmittel versorgt. Eine derartige Lösung kann relativ einfach an die zentrale Druckmittelversorgung des Schiffes oder der Offshoreplattform angeschlossen werden. Das Prinzip der Sekundärregelung wird natürlich auch abseits von Schiffen an Land und für andere hydraulischen Verbraucher als Winden angewandt. Problematisch ist jedoch jeweils die Vorspannung des Niederdruckzweigs, da hierfür ein eigener Speisedruckkreis vorgesehen werden muss.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Vorspannmodul sowie ein sekundärgeregeltes hydraulisches System mit eine derartigen Vorspannmodul zu schaffen, wobei eine Vorspannung des Niederdruckzweiges mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Vorspannmodul durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf das sekundärgeregelte hydraulische System durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruchs 11 gelöst. Der Niederdruckkreis kann in den meisten Fällen eine Standardrücklaufleitung sein, wie sie im Zusammenhang mit Konstantdruckkreisläufen verwendet wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Vorspannmodul für ein sekundärgeregeltes hydraulisches System, vorzugsweise ein Antriebssystem, hat einen Druckkanal (Hochdruckleitung) und einen Niederdruckkanal (Niederdruckleitung) wobei letzterer auf einen Speisedruck vorgespannt ist. Erfindungsgemäß ist in einem Vorspannkanal zwischen dem Druckkanal und dem Niederdruckkanal ein Stromventil vorgesehen, über das ein vorbestimmter Volumenstrom von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite strömt, wobei der Druckabfall am Stromventil so gewählt ist, dass sich niederdruckseitig der gewünschte Speisedruck einstellt.
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Die Druckmittelströmung über das Stromventil von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hat des Weiteren den Vorteil, dass frisches Druckmittel in den Niederdruckzweig strömt, so dass sichergestellt ist, dass sich die Temperatur des Druckmittels beim Durchströmen der Sekundäreinheit nicht übermäßig erhöht. Ein derartiges Vorspannmodul lässt sich ohne weiteres als „Plug-and-Play“-Lösung in bestehende Antriebskonzepte integrieren, so dass beispielsweise auch eine Installation an einer zentralen Druckmittelversorgung eines Schiffes oder einer Offshoreplattform auf einfach Weise ermöglicht wird, wobei keine zusätzliche Speisedruckversorgung, beispielsweise Speisedruckpumpen mit der zugehörigen Regelung und Verrohrung vorgesehen werden müssen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dem Stromventil ein Sperrventil vorgeschaltet, das zum Aufbau des Speisedrucks aufgesteuert werden muss.
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Ein derartiges Sperrventil kann beispielsweise ein entsperrbares Rückschlagventil oder ein Wegesitzventil mit einer Sperr- und einer Durchgangsstellung sein.
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Das Stromventil zur Begrenzung der Druckmittelströmung zwischen dem Druckkanal und dem Niederdruckkanal kann als einstellbare Blende / Drossel oder als Stromregelventil ausgeführt sein.
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Bei der zweiten Alternative wird es bevorzugt, wenn dem Stromregelventil ein Druckaufnehmer und ein Temperatursensor zugeordnet sind, so dass das Stromregelventil in Abhängigkeit von dem Druck und der Temperatur im Niederdruckzweig regelbar ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich das Druckmittel im Niederdruckzweig nicht übermäßig erwärmt und des Weiteren der erforderliche Speisedruck vorhanden ist. Der besondere Vorteil der zweiten Alternative ist darin zu sehen, dass die exakt die Druckmittelmenge der Niederdruckseite zugeführt wird, die notwendig ist, um dort den Druck auf dem gewünschten Niveau und die Temperatur in einem günstigen Bereich und so Energieverluste gering zu halten. Bei der ersten Alternative ist dagegen wird die Druckmittelmenge gemäß der maximalen Leistung eingestellt, so dass immer dann, wenn nicht die maximale Leistung erbracht wird, Energieverluste auftreten.
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Zum Abdecken von Volumenstromspitzen und zur Speicherung von Energie kann im Niederdruckzweig und/oder im Hochdruckzweig jeweils ein Energiespeicher vorgesehen werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, in einer vom Druckkanal abzweigenden und zur Sekundäreinheit führenden Steuerleitung einen Filter vorzusehen.
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Der Druck im Niederdruckzweig kann über ein Niederdruck-Druckbegrenzungsventil begrenzt werden.
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Das Vorspannmodul kann des Weiteren mit einer Sekundäreinheit und/oder einem elektronischen Steuergerät zur Ansteuerung der Primär- und Sekundäreinheiten sowie der funktionsrelevanten Ventileinrichtungen, beispielsweise des Stromregelventils ausgeführt sein.
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Das erfindungsgemäße sekundärgeregelte hydraulische System hat, wie eingangs ausgeführt, eine Primäreinheit, die mit einer Sekundäreinheit zum Antrieb einer Funktionseinheit, beispielsweise einer Winde, über einen Druckkanal in Druckmittelverbindung steht, wobei die Sekundäreinheit über einen Niederdruckkanal mit einem Tank oder einer sonstigen Druckmittelsenke verbunden ist. Das sekundärgeregelte System hat des Weiteren ein Vorspannmodul im Sinne der vorstehenden Ausführungen.
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Dabei kann die Sekundäreinheit, das heißt der Hydromotor auch in das Vorspannmodul integriert sein, so dass dieses im Prinzip den Motor, das Steuergerät und die zur Ansteuerung erforderlichen Ventile aufweist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 ein Schaltschema eines mit einem erfindungsgemäßen Vorspannmodul ausgeführten sekundärgeregelten hydraulischen Systems/Antriebs, wobei ein Speisedruck durch einen konstanten Spülstrom von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite eingestellt wird und
- 2 eine Variante, bei der die Einstellung des Speisedrucks über einen einstellbaren Spülstrom erfolgt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines sekundär geregelten Windenantriebs 1 erläutert, der beispielsweise auf einer Offshoreplattform oder einem Schiff installiert ist. Dieses hat beispielsweise eine zentrale Druckmittelversorgung 2, an die der Windenantrieb angeschlossen ist. Die Druckmittelversorgung 2 hat zumindest eine druckgeregelte Verstellpumpe 4, die Druckmittel aus einem Tank T ansaugt. Der Druckanschluss der Verstellpumpe 4 ist an eine zentrale Druckleitung 6 angeschlossen, über die, wie in 1 angedeutet, die einzelnen hydraulischen Verbraucher, beispielsweise der Windenantrieb 1 und gegebenenfalls weitere Windenantriebe oder Verbraucher mit Druckmittel versorgt werden. Das von diesen Verbrauchern zurückströmende Druckmittel fließt über eine Ringtankleitung 8 zurück zum Tank T.
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Von der zentralen Druckleitung 6 der Druckmittelversorgung 2 zweigt einen Druckkanal 10 ab, über den der Windenantrieb 1 mit Druckmittel versorgt wird. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat dieser ein strichpunktiert angedeutetes Vorspannmodul 12, in dem die zur Betätigung der Winde erforderlichen Ventileinrichtungen angeordnet sind - auf diese wird in der Folge näher eingegangen. An das Vorspannmodul 12 ist die Sekundäreinheit - konkret eine Axialkolbeneinheit angeschlossen, die sowohl als Motor als auch als Pumpe arbeiten kann, so dass ein Vierquadrantenbetrieb möglich ist, wobei die Einheiten zur Drehzahl- oder Drehmomentumkehr über „Null“ geschwenkt werden müssen. Die Verstellung des Schwenkwinkels der im Folgenden als Hydromotor 14 bezeichneten Axialkolbeneinheit erfolgt über eine in 1 nicht näher gezeigte Stelleinrichtung, die über eine Steuerleitung 66 aus dem Vorspannmodul mit Druckmittel versorgt wird. Der Aufbau und die Ansteuerung derartiger Axialkolbeneinheiten sind bekannt, so dass weitere diesbezügliche Erläuterungen entbehrlich sind.
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Eine Antriebswelle des Hydromotors 14 treibt eine Winde 18 an, über die beispielsweise eine Last 20 angehoben oder abgesenkt werden kann (Windenseil dichtholen, Windenseil fieren). Die Winde 18 besitzt eine nicht näher dargestellte Bremse, die mit einem Bremslüftungszylinder 16 gelüftet werden kann. Der Druckkanal 10 ist mit einem Anschluss des Hydromotors 14 verbunden. Ein zur Ringtankleitung 8 führender Niederdruckkanal 22 steht in Druckmittelverbindung mit dem anderen Anschluss des Hydromotors 14. Der hier verwendete Begriff „Kanal“ deckt jedwede Druckmittelleitung ab.
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Zwischen dem Druckkanal 10 und dem Niederdruckkanal 22 ist gemäß der Darstellung in 1 ein Bypasskanal 24 vorgesehen, in dem ein Druckbegrenzungsventil 26 angeordnet ist, das den maximalen Druck in der Druckleitung 10 auf beispielsweise 320 bar begrenzt und bei Überschreiten dieses Maximaldruckes eine Druckmittelverbindung vom Druckkanal 10 zum Niederdruckkanal 22 aufsteuert. In Druckaufbaurichtung gesehen stromaufwärts der Bypassleitung 24 ist ein optionales Rückschlagventil 28 angeordnet, über das eine Rückströmung von Druckmittel in Richtung zur zentralen Druckversorgung verhindert wird. In dem Fall, in dem eine Rückströmung von Druckmittel (Energie-Feedback) in die zentrale Druckleitung 6 ermöglicht sein soll, kann auf dieses Rückschlagventil 28 verzichtet werden. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die aus dem Windenantrieb zurückgewonnene Energie für den Antrieb von anderen hydraulischen Verbrauchern genutzt werden kann, die an die Druckleitung 6 angeschlossen sind. In diesem Fall kann der Bypasskanal 24 mit dem Druckbegrenzungsventil 26 aus dem Modul 12 entfernt werden und zentral im Hydrauliksystem angeordnet sein.
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In der Druckleitung 10 ist des Weiteren ein Druckspeicher 30 angeordnet, dessen Druck über einen Druckaufnehmer 32 überwacht wird. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 zweigt stromaufwärts des Rückschlagventils 28 vom Druckkanal 10 ein Vorspannkanal 34 ab, der in den Niederdruckkanal 22 einmündet und somit hydraulisch gesehen parallel zum Bypasskanal 24 verläuft. In diesem Vorspannkanal 34 ist ein Stromventil angeordnet, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel als einstellbare Drossel/Blende 36 ausgeführt ist, deren Querschnitt zum Ermöglichen einer Druckmittelströmung - im Folgenden Spülstrom genannt - von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite einstellbar ist. Der Querschnitt ist so eingestellt, dass sich niederdruckseitig im Niederdruckkanal 22 ein Speisedruck einstellt, der für den optimalen Betrieb des Windenantriebs 1 erforderlich ist. Dieser Speisedruck kann beispielsweise bei 16 bar liegen. Durch den Spülstrom wird auch eine Überhitzung des Hydraulikmotors 14 verhindert.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Speisedruck im Niederdruckkanal 22 von einem Niederdruck-Druckbegrenzungsventil 38 begrenzt, das - wie in 1 angedeutet - mit der Druckdifferenz im Niederdruckkanal 22 und in einer im Folgenden noch näher erläuterten Leckageleitung 40 beaufschlagt ist. Dem entsprechend ist das Niederdruck-Druckbegrenzungsventil 38 auf einen Druck von beispielsweise 16 bar eingestellt. Stromabwärts (zum Tank T hin) ist im Niederdruckkanal 22 oder im Bereich der Ringtankleitung 8 ein Vorspannventil 42 vorgesehen, das beispielsweise als federvorgespanntes Rückschlagventil ausgeführt ist und das bei Überschreiten eines Drucks von beispielsweise 6 bar die Druckmittelverbindung zum Tank T öffnet. Befindet sich das Rückschlagventil 42 in der zwischen dem Tank und den Abzweigen zu den einzelnen hydraulischen Verbrauchern, so ist die durch das Rückschlagventil 8 erzeugte Vorspannung für alle Abzweigungen wirksam. Ein Rückschlagventil 8 kann auch so eingefügt sein, dass es für mehrere, aber nicht für alle Abzweigungen wirksam ist.
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Dem Stromventil 36 ist ein entsperrbares Rückschlagventil 44 zugeordnet, das im gesperrten Zustand eine Druckmittelströmung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite sperrt. Das Entsperren erfolgt über eine Entsperrleitung 46, die - wie im Folgenden noch erläutert wird - mit dem Pumpendruck beaufschlagt ist.
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Bei geöffnetem Rückschlagventil 44 strömt über das Stromventil 36 ein Spülstrom, der beispielsweise 25 bis 30 % des maximalen Druckmittelvolumenstroms entspricht, der zum Betrieb der Winde 18 erforderlich ist. Durch diesen Spülstrom wird ständig frisches, nicht durch den Hydromotor 14 erhitztes Druckmittel zur Niederdruckseite geführt, so dass dort eine ständige Spülung erfolgt, die auch dazu führt, dass eine übermäßige Erwärmung des Druckmittels beim Windenbetrieb nicht vorkommt.
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Dies ist ein erheblicher Unterschied zu herkömmlichen Lösungen, bei denen der Speisedruck im Niederdruckzweig über eine eigene Speisepumpe ausgebildet werden muss, wobei ein Druckmittelaustausch nicht oder nur in geringem Maße erfolgt, so dass sich das Druckmittel bei hoher Windenbelastung erheblich erwärmen kann. Des Weiteren ist bei der üblicherweise vorhandenen zentralen Druckmittelversorgung 2 eines Schiffes ein derartiges Speisedrucknetz nicht vorgesehen, so dass der vorrichtungstechnische Aufwand zur Installation der zusätzlichen Speisepumpe und der zugehörigen Verrohrung erheblich ist.
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Im Niederdruckkanal 22 ist ein Niederdruckspeicher 48 vorgesehen, dessen Druck ebenfalls über einen Druckaufnehmer 50 überwacht wird. Des Weiteren wird über einen Temperatursensor 52 die Temperatur des Druckmittels im Niederdruckzweig überwacht, so dass die Ansteuerung der beschriebenen Ventilelemente auch in Abhängigkeit von diesem Druck- und Temperatursignalen erfolgen kann. Diese Ansteuerung erfolgt beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 über eine zentrale Steuereinheit oder ein Steuergerät, das in 1 mit dem Bezugszeichen 54 angedeutet ist.
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Die Ansteuerung des Bremslüftzylinders 16 zur Lüftung der Bremse der Winde 18 erfolgt über ein von dem Steuergerät 54 angesteuertes Bremslüftventil 56, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel als 3/2-Wege-Sitzventil ausgeführt ist. Das Vorsehen einer Bremse und die für das Lüften der Bremse vorgesehenen Komponenten sind typisch für Windenantriebe und optional.
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Ein Eingangsanschluss P des Bremslüftventils 56 ist über eine Leitung 58 mit dem Druckkanal 10 verbunden. Ein Ausgangsanschluss A des Bremslüftventils 56 führt über eine Bremsleitung 60 zu dem Bremslüftzylinder 16. Der Druck in der Bremsleitung 60 und damit in dem Bremslüftzylinder 16 wird über einen weiteren Druckaufnehmer 62 überwacht. Anhand des erfassten Drucks kann festgestellt werden, ob die Bremse gelüftet ist oder nicht. Die vorgenannte Entsperrleitung 46 zweigt von der Leitung 60 ab, so dass das Rückschlagventil 44 immer dann entsperrt ist, wenn die Bremse gelüftet ist.
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Das Bremslüftventil 56 hat des Weiteren einen Tankanschluss T, der über einen Kanal 64 mit dem Niederdruckkanal 22 verbunden ist. In seiner federvorgespannten, mit (a) gekennzeichneten Grundstellung verbindet das Bremslüftventil 56 die Bremsleitung 60 mit dem Kanal 64, so dass der Bremslüftzylinder 16 druckentlastet ist - die Bremse ist wirksam. Der Eingangsanschluss P ist leckagefrei abgesperrt. Das Bremslüftventil 56 kann über das Steuergerät 54 in seine Position (B) umgeschaltet werden, in der der Ausgangsanschluss A mit dem Druckanschluss P verbunden ist. Dabei wird die Bremsleitung 60 über die Leitung 58 mit der Druckleitung 10 verbunden, so dass der Bremslüftzylinder 16 ausfährt und die Bremse lüftet. Der Tankanschluss T ist in der Schaltstellung (b) leckagefrei abgesperrt. Der prinzipielle Aufbau und die Funktion einer derartigen Stelleinrichtung und deren Ansteuerung sind per se bekannt, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
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Von der Leitung 58 zweigt die Steuerleitung 66 ab, über die die Stelleinrichtung des Hydromotors 14 mit Druckmittel versorgt wird. Es kann ein Schwenkwinkelaufnehmer vorgesehen werden, über den der Schwenkwinkel des Hydromotors 14 erfasst und ein entsprechendes Steuersignal an das Steuergerät 54 gemeldet wird. In der Steuerleitung 66 ist eine Filtereinheit 68 vorgesehen, über die das Druckmittel gefiltert wird. Der Druckverlust über der Filtereinheit 68 wird überwacht, so dass bei einem durch das Zusetzen des Filters ansteigenden Druckverlust über einen Schalter 70 der Filtereinheit 68 ein Signal an das Steuergerät 54 abgegeben wird, gemäß dem der eigentliche Filter ausgewechselt oder gereinigt werden muss.
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Das beschriebene Vorspannmodul 12 enthält somit alle für den Betrieb des Windenantriebs 1 erforderlichen Ventileinheiten und Funktionselemente und kann mit geringem vorrichtungstechnischem und regelungstechnischem Aufwand in eine bestehende zentrale Druckmittelversorgung 2 integriert werden.
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Das erfindungsgemäße sekundärgeregelte hydraulische System mit dem beschriebenen Vorspannmodul 12 weist somit einen in seinem Hubvolumen verstellbaren Hydromotor 14 auf. Des Weiteren sollten installiert sein, eine Einrichtung zum Lösen einer nicht dargestellten Bremse, mit der die Winde in einer vorbestimmten Position gehalten wird und eine Steuereinheit zur Regelung des Hubvolumens des Motors. Das Vorspannmodul 12 ist - wie vorstehend erläutert - ausgelegt, um niederdruckseitig den erforderlichen Speisedruck aufzubauen.
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Sowohl die Hochdruckseite als auch die Niederdruckseite sind über Druckbegrenzungsventile abgesichert. Das sekundärgeregelte System hat des Weiteren Einrichtungen zum Kühlen und Spülen, so dass eine Verschmutzung des Druckmittels sowie der davon durchströmten Komponenten und eine übermäßige Erwärmung des Druckmittels verhindert wird. Alle erforderlichen Sicherheitsfunktionen zum Betrieb der Winde sind vorhanden. Der Druck, die Temperatur, der Schwenkwinkel, die Drehgeschwindigkeit der Winde etc. können - je nach Anforderung - über geeignete Sensoren erfasst werden.
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Das Steuergerät 54 ist zur Ansteuerung des Windenantriebs 1 mit Softwarefunktionen ausgeführt, die die herkömmlichen Windenfunktionen ermöglichen. Diese sind beispielsweise das Dichtholen (Hauling) und das Fieren (Pay-Out) der Winde 18, die Beaufschlagung der Last 20 bzw. des Windenseils mit einer konstanten Spannung (Mooring), die Realisierung eines Überlastschutzes und eine Freilauffunktion. Des Weiteren soll eine High Speed-Fier- oder Dichtholfunktion realisiert sein, die beispielsweise bei nicht angehängter Last eingestellt wird (Empty-Hook -Mode) Des Weiteren soll eine lastabhängige Regelung ermöglicht werden.
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All dies lässt sich bei dem erfindungsgemäßen System mit vergleichsweise geringem Aufwand installieren.
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Beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 54 oder die Steuereinheit zentral angeordnet. 2 zeigt eine Variante, bei der das Steuergerät 54 in das Vorspannmodul 12 integriert ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 gehört zu dem Vorspannmodul 12 auch der Hydromotor 14 mit der Winde 18 nebst dem Bremslüftzylinder 16 und den zu dessen Betrieb erforderlichen Ventilelementen. Der Grundaufbau des in 2 dargestellten Windenantriebs 1 entspricht - abgesehen von der erhöhten Funktionalität des Vorspannmoduls 12 - demjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß 1, so dass hier nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen wird und im Übrigen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden kann.
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Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Windenantrieb, im vorliegenden Fall das Vorspannmodul 12 an die zentrale Druckmittelversorgung angeschlossen, die einen Konstantdruck bereitstellt. Diese zentrale Druckmittelversorgung ist in 2 der Einfachheit halber nicht mehr dargestellt. Die Druckmittelversorgung des Hydromotors 14 und dessen Verstellung und des Bremslüftzylinders 16 erfolgt in der gleichen Weise wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass auf eine Beschreibung verzichtet wird. Die einander entsprechenden Bauelemente sind in 1 und in 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie beim zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel erfolgt die Absicherung des Hochdruckzweigs über das Druckbegrenzungsventil 26 in dem Bypasskanal 24. Die Begrenzung des Druckes im Niederdruckkanal 22 erfolgt über das Niederdruck-Druckbegrenzungsventil 38. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 erstreckt sich parallel zu diesem Bypasskanal 24 eine Nachsaugleitung 72, in der ein Nachsaugventil 74 vorgesehen ist, so dass bei einem Druckabfall in dem Druckkanal 10, der beispielsweise durch ein schnelles Absenken der Last 20 aufgrund ihres Gewichtes verursacht sein kann, zur Vermeidung von Kavitation Druckmittel aus dem Niederdruckzweig in den Hochdruckzweig nachgesaugt werden kann.
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Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel zweigt der Vorspannkanal 34 stromaufwärts des Rückschlagventils 28 vom Druckkanal 10 ab. Das Stromventil ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Stromregelventil 74 mit stetig verstellbarem Drosselquerschnitt ausgeführt. Druck und Temperatur werden wiederum über den Druckaufnehmer 50 beziehungsweise den Temperatursensor 52 erfasst und an das Steuergerät 54 gemeldet, das dann den Drosselquerschnitt des Stromregelventils 74 entsprechend ansteuert. Über dieses Stromregelventil 74 kann der Spülstrom variabel so eingestellt werden, dass sich im Niederdruckzweig, das heißt, im Niederdruckkanal 22 der gewünschte Vorspann-/Speisedruck einstellt, wobei das Druckmittel in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten werden kann. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Stromregelventil 74 so ausgelegt, dass es sich vom maximalen Drosselquerschnitt ausgehend vollständig schließen lässt, so dass dann entsprechend der Spülstrom gleich null ist. Da damit jedoch keine leckagefreie Absperrung möglich ist, wird dem Stromregelventil 74 wiederum ein Sperrventil vorgeschaltet. Dies ist bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als 2/2-Wegesitzventil 76 ausgeführt, das über eine Feder in eine Sperrstellung vorgespannt ist und sich mittels eines Elektromagneten (angesteuert über das Steuergerät 24) in eine Öffnungsstellung verstellen lässt.
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Der in 2 dargestellte Windenantrieb 1 ist somit modular ausgeführt und lässt sich sehr einfach an die bestehende Konstantdruckversorgung eines Schiffes, einer Offshore-Plattform oder einer sonstigen Anlage anschließen. Die Vorteile des vorbeschriebenen modularen Konzeptes bestehen zum einen darin, dass eine Plug-and-Play-Lösung bereitgestellt wird, die lediglich über die hydraulischen Schnittstellen Druckanschluss, Tankanschluss und gegebenenfalls eines Steueranschlusses an eine bestehende zentrale Druckmittelversorgung eines Schiffes oder dergleichen anschließbar ist. Die elektrischen Schnittstellen sind äußerst einfach ausgeführt und lassen sich beispielsweise über eine Busschnittstelle an das Hauptsteuersystem anschließen.
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Die modulare Lösung ist des Weiteren sehr kostengünstig ausgeführt, da der Hydromotor, die Hydraulikkomponenten, die Steuerung und die Software modular zu einer Einheit zusammengefügt werden können. Dies führt zu einem äußerst kompakten Design, das sich bei geringem Platzbedarf installieren lässt. Durch die optimale Abstimmung an die jeweilige Winde kann deren Wirkungsgrad verbessert werden, wobei über eine entsprechende Programmierung des Steuergerätes eine Vielzahl von Funktionsweisen realisierbar sind. Aufgrund der integralen, an die jeweilige Winde angepassten Ausführung, ist der Energieverbrauch des modularen Systems optimiert. Je nachdem, ob das beschriebene Rückschlagventil 28 vorgesehen ist, kann ein Energie-Feedback zur Zentralversorgung vorgesehen werden oder nicht.
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Aufgrund der optimal aufeinander abgestimmten hydraulischen Komponenten des Moduls und der lokalen Intelligenz, die mit dem integrierten Steuergerät 54 bereitgestellt werden kann, kann das schiffsseitige Steuersystem vergleichsweise einfach ausgestaltet werden, wobei sämtliche Sicherheitsfunktionen in das Modul integriert sind. Der modulare Aufbau verringert des Weiteren den Verrohrungsaufwand, so dass sich die Kosten weiter senken lassen. Auch die bei herkömmlichen Lösungen erforderliche Vielzahl von Anschlusskomponenten für die Sicherheitsfunktionen und die Ansteuerung der Funktionselemente ist bei der modularen Lösung minimiert, da alle erforderlichen Anschlüsse in das Modul integriert sind.
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Das erfindungsgemäße System lässt sich daher besonders vorteilhaft bei Windenantrieben einsetzen, bei denen Anforderungen an die Performance und die Windenleistung bestehen, die mit herkömmlichen Windensteuerungen nicht realisierbar sind.
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Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich auch bei Winden realisieren, die über mehrere Motoren angetrieben werden.
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Offenbart sind ein Vorspannmodul und ein sekundär geregeltes hydraulisches System, das mit einem derartigen Vorspannmodul ausgeführt ist. Über das Vorspannmodul lässt sich ohne Speisepumpe ein Speisedruck im Niederdruckzweig im System aufbauen.
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Die gezeigten Beispiele sind hydraulische Windenantriebe. Der Vorspannmodul kann jedoch für alle sekundärgeregelten hydrostatischen Antriebe genutzt werden, die an eine zentrale Druckleitung angeschlossen sind. Durch Weglassen des Rückschlagventils 28 und durch Anschließen des Druckbegrenzungsventils 26 an die zentrale Druckleitung kann das System noch effizienter gemacht werden. In diesem Fall kann durch die Sekundäreinheiten zurückgewonnene Energie von jedem anderen hydraulischen Verbraucher, der an die zentrale Druckleitung angeschlossen ist, genutzt oder zumindest in einem zentralen Hydrospeicher, der an die zentrale Druckleitung angeschlossen ist, gespeichert werden. Das eröffnet neue Möglichkeiten, sekundärgeregelte hydrostatische Einheiten zur Energierückgewinnung in Systemen mit vielen an die zentrale Druckleitung angeschlossenen hydraulischen Verbrauchern. Dadurch kann die Ölmenge, die für das Vorspannen des Hydromotors notwendig ist stark reduziert werden. Ein lokales Spülen zur Einhaltung der Temperatur erscheint nicht unbedingt notwendig. Dann kann auch die Messungen der Temperatur zentral anstelle lokal erfolgen. Es erscheint nur eine lokale Messung des Drucks mit Hilfe eines Druckaufnehmers 50 notwendig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenantrieb
- 2
- zentrale Druckmittelversorgung (Konstantdruck)
- 4
- Verstellpumpe
- 6
- zentrale Druckleitung
- 8
- Ringtankleitung
- 10
- Druckkanal
- 12
- Vorspannmodul
- 14
- Hydromotor
- 16
- Bremslüftzylinder
- 18
- Winde
- 20
- Last
- 22
- Niederdruckkanal
- 24
- Bypasskanal
- 26
- Druckbegrenzungsventil
- 28
- Rückschlagventil
- 30
- Druckspeicher
- 32
- Druckaufnehmer
- 34
- Vorspannkanal
- 36
- Drossel/Blende
- 38
- Niederdruck-Druckbegrenzungsventil
- 40
- Leckageleitung
- 42
- Vorspannventil
- 44
- entsperrbares Rückschlagventil
- 46
- Entsperrleitung
- 48
- Niederdruckspeicher
- 50
- Druckaufnehmer
- 52
- Temperatursensor
- 54
- Steuergerät
- 56
- Bremslüftventil
- 58
- Leitung
- 60
- Bremsleitung
- 62
- Druckaufnehmer
- 64
- Kanal
- 66
- Steuerleitung
- 68
- Filtereinheit
- 70
- Schalter
- 72
- Nachsaugleitung
- 74
- Stromregelventil
- 76
- Wegesitzventil
