DE20215838U1

DE20215838U1 - Computerisierte elektrohydraulische Proportional-Steuervorrichtung

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Publication number: DE20215838U1
Application number: DE20215838U
Authority: DE
Original assignee: Hawe Hydraulik GmbH and Co KG
Current assignee: Hawe Hydraulik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2012-10-16
Also published as: EP1413773B1; EP1413773A3; EP1413773A2; DE50302571D1

Abstract

Computerisierte elektrohydraulische Proportional-Steuervorrichtung für wenigstens einen Hydromotor (H), insbesondere für einen Masten (M) eines Kranes oder einer Betonpumpe, mit zwischen einer Pumpe (4) mit Tank (T) und dem Hydromotor (H) angeordneten Proportional-Steuerventilen zum Einstellen der Hydromotor-Bewegungs-Geschwindigkeit und -richtung über mit verstellbaren Steuerkanten variable Ventil-Durchgänge (VA1, VA2, VZ1, VZ2) an der Zulauf- und der Ablaufseite, wobei die Zulauf- und Ablaufsteuerkanten mechanisch entkoppelt sind, und mit einer Computersteuerung (CU), an die zumindest Drucksensoren (9, 10) in den beiden Hydromotor-Arbeitsleitungen (7, 8) und die Proportionalmagneten (13 bis 16) der Proportional-Steuerventile angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Arbeitsleitung (7 bzw. 8) zulaufseitig und ablaufseitig je ein 2/2-Wege-Proportional-Regelsitzventil (VA1, VA2, VZ1, VZ2) vorgesehen ist, das für die Arbeitsleitung (7 bzw. 8) einen variablen Zulauf- bzw. einen variablen Ablaufdurchgang (DA, DZ( aufweist, dass zwischen der Arbeitsleitung (7) bzw. (8) und dem Zulaufdurchgang (DZ) ein in Strömungsrichtung zum Zulaufdurchgang leckagefrei absperrendes Rückschlagventil (19, 19') angeordnet ist,...

Description

Die Erfindung betrifft eine computerisierte elektrohydraulische Proportional-Steuervorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
In der Mobilhydraulik finden computerisierte Steuervorrichtungen mit Mikroprozessoren zunehmend Eingang, deren extreme Leistungsfähigkeit für hochwertige Proportional-Steuervorrichtungen eine Vielzahl außerordentlich präziser und individueller Steuerroutinen realisieren lässt, die mit der herkömmlichen Steuerelektrik kaum möglich sind.
Der Artikel "Elektronic-Hydraulic CAN-Bus Control Systems" der Firma Ultronics LImited, GL 526 RT, Englang, mit der Registiernummer UL/1/1/500/CP/1/99, befasst sich mit hydraulischen Proportional-Steuersystemen, die über ein CAN-Busnetzwerk mit Ventilbetätigungen kommunizieren. Auf der mit "Power Stage" betitelten Seite ist im Querschnitt eine Proportional-Wegesteuerventilanordnung gezeigt, die in eine auf der "System Schematic" betitelten Seite als Blockschaltbild gezeigte, computerisierte elektrohydraulische Proportional-Steuervorrichtung für einen Hydromotor integriert ist. Jeweils ein einer Arbeitsleitung zugeordnetes 3/3-Haupt-Wegesteuerventil mit Druckvorsteuenang wird durch ein zugeordnetes Proportional-Vorsteuerwegeventil verstellt, das an die Computersteuerung angeschlossen ist. In den Arbeitsleitungen sind Drucksensoren enthalten. Ferner sind den Haupt-Wegesteuerventilen an die Computersteuerung angeschlossene Verstellweg-Sensoren zugeordnet. Als Besonderheit ist eine mechanische Entkoppelung der Zulauf- und der Ablaufsteuerkanten vorgesehen, so dass der Zulauf und der Ablauf jeweils für sich extrem feinfühlig individuell steuerbar wären. Allerdings operieren die beiden Proportional-Vorsteuerventile, deren jedes ein Haupt-Wegesteuerventil verstellt, mit demselben Pilotdruck, so dass sie sich gegenseitig beeinflussen und die mechanische Entkopplung der Steuerkanten hydraulisch zumindest teilweise wieder zunichte gemacht ist.
Der Artikel "Klassiker kontra Neuentwicklung ?" der Zeitschrift "fluid", Januar/Februar 2002, S. 26 und 28, 29, diskutiert Entwicklungstendenzen in der Steuerungstechnik von Mobilhydraulik, auch mit von einem Rechner gesteuerten CAN-Buskonzepten zum Ansteuern von Vorsteuerventilen. Es wird bei einer Ventilbaugruppe mit zwei Proportional-Vorsteuerventilen und zwei Haupt-Wegesteuerventilen die mechanische Entkopplung der Zulauf- und Ablaufsteuerkanten diskutiert, die eine sehr saubere und individuelle Zulauf- und Ablaufsteuerung ermöglicht, wenn die Vorsteuerventile nicht durch denselben Steuerdruck die Steuerkanten gleichsinnig verstellten. Obwohl die Steuerkanten mechanisch entkoppelt sind, wirkt dennoch fallweise eine überregelnde hydraulische Koppelung, die eine individuelle Regelung nur des Zulaufs bzw. nur des Ablaufs verwehrt.
Im Besonderen bei Steuervorrichtungen von Masten oder Mast-Drehwerken für Kräne oder Betonpumpen ist ein gesteuertes Abbremsen des Ablaufstroms insbesondere dann erforderlich, wenn eine ziehende oder drückende Last auf einen Mastabschnitt einwirkt, die mit einem Stromregler im Zulauf nicht ausreichend sicher beherrschbar ist, die eine ziehende oder drückende Last die kinematischen Verhältnisse vorübergehend umkehrt. Eine solche Situation kann z.B. eintreten, falls ein Mastabschnitt beim Senken ein Hindernis berührt oder eine extreme Maststellung eine Kraftrichtungsumkehr hervorruft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, insbesondere für einen Masten, die in allen Absperrstellungen leckagefrei dicht ist bei der zur Berücksichtigung schwieriger Lastverhältnisse, die sich auf den Hydromotor gegebenenfalls lastumkehrend auswirken, der Zulauf und der Ablauf unabhängig voneinander und individuell feinfühlig steuerbar sind, wobei die Leistungsfähigkeit moderner Computersteuerungen benutzt wird, um die Steuervorrichtung auf sich ändernde Belastungsfälle einzustellen.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
In den beiden, je einer Arbeitsleitung zugeordneten 2/2-Wege-Proportional-Regelsitzventilen ist nicht nur eine mechanische Entkopplung zwischen jeder Zuiauf- und der Ablauf-Steuerkante gegeben, sondern es entfällt jeglicher gegenseitiger Einfluss der beiden Regelsitzventile aufeinander, da jedes Sitzventil nur nach Maßgabe der Bestromung seines Proportionalmagneten unabhängig von dem anderen arbeitet.
Die Sitzventil-Bauweise vermeidet jegliche Leckage in der Absperrstellung, so dass der Hydromotor keine lastbedingten Nachlauf- oder Gegenbewegungen auszuführen vermag. Dennoch bieten die beiden Proportional-Regelsitzventile die Möglichkeit einer Schwimmstellung, indem die beiden Ablauf-Proportional-Regelsitzventile über die Computersteuerung auf eine selektive Durchgangsstellung eingestellt werden. Die Informationen der Ist-Drucksensoren in den Arbeitsleitungen des Hydromotors werden über die Computersteuerung so verarbeitet, dass für jedes Regelsitzventil die passende Einstellung vorgenommen wird. Die Steuerung ist auch dank der Computersteuerung jederzeit in der Lage, sich an Änderungen der Lastverhältnisse (z.B. Wechsel zwischen ziehender und drückender Last) anzupassen und trotz eines einfachen Aufbaus der Ventilbaugruppe die eingestellte Geschwindigkeit des Hydromotors zu halten.
Um bei großer Fördermenge und/oder hohem Arbeitsdruck mit klein bauenden, kostengünstigen und leichten Proportionalmagneten auskommen zu können, ist es zweckmäßig, in jedem Regel-Sitzventil eine über den Proportionalmagneten gegen Federkraft aktivierbare Druckvorsteuerung vorzusehen. Die Druckvorsteuerung nimmt die eigentliche Regelverstellung des Regelsitzventils in Abhängigkeit von der Bestromung des Proportionalmagneten vor, der deshalb mit geringerer Primärkraft auskommt. Dies hat z.B. bei den Ablauf-Regel-Sitzventilen den Vorteil, dass bei einer Lastumkehr (ziehende Last) der Vorsteuerdruck der Druckvorsteuerung steigt und flankierend zu jederzeit anpassbarer Bestromung des Proportionalmagneten zur Verkleinerung des Ablauf-Ventildurchgangs beiträgt, um die eingestellte Geschwindigkeit des Hydromotors zu halten.
Kostengünstig sind die beiden zulaufseitigen Regelsitzventile und die beiden ablaufseitigen Regelsitzventile jeweils untereinander baugleich, vorzugsweise sogar identisch. Gegebenenfalls sind sogar alle vier Regelsitzventile untereinander baugleich, vorzugsweise sogar identisch. Beide Möglichkeiten verringern auch den steuerungstechnischen Aufwand (z.B. als Nachrichten übertragende Stellsignale) für die Computersteuerung.
Eine einfache Verschaltung ist möglich, falls die Computersteuerung mit einem CAN-Knoten in einem CAN-Bussystem operiert, an den über einen Datenbus die vier Proportionalmagneten parallel angeschlossen sind. Vorzugsweise hat der Datenbus, zu den vier Proportionalmagneten, eine Daisy-Chain-Konfiguration, wofür weniger oder keine hochwertigen Prozessoren erforderlich sind.
Bei einem Hydromotor, der ein Knickzylinder zwischen zwei in einem Gelenk verbundenen Mastabschnitten ist, sollte zweckmäßig auch ein Gelenk-Winkelsensor insbesondere zur Winkelerfassung für eine übergeordnete Mastspitzen-Position, vorgesehen und an die Computersteuerung angeschlossen sein. Die Verstellung der jeweiligen Proportional-Regel-Sitzventile über die Computersteuerung kann dann zusätzlich oder dominierend im Hinblick auf die Mastspitzenposition oder den Winkel zwischen Mastabschnitten erfolgen.
Zweckmäßig ist ferner ein Drucksensor für den Zulaufdruck zu den Zulauf-Proportional-Regelsitzventilen, an die Computersteuerung angeschlossen. Die Computersteuerung kennt dann die Druckdifferenz zwischen der Versorgungsleitung und den Arbeitsleitungen. Mit dieser Information lässt sich die Größe des Ventildurchgangs (im Ablauf und/oder im Zulauf) noch präziser einstellen, um eine ideale lastunabhängige Durchflussverteilung (LUDV) zu erzielen, d.h. eine stufenlose und lastunabhängige Einstellung der Geschwindigkeit des Hydromotors, oder nur präzise einzdrosseln.
Die Vielfalt der Steuerroutinen moderner Prozessoren einer Computersteuerung lässt sich weiter gewinnbringend nutzen, wenn auch ein elektrischer Pumpenantrieb, und gegebenenfalls ein Drucksensor für den Pumpenförderdruck, an einen weiteren CAN-Knoten des Bussystems angeschlossen sind, so dass auch die Antriebssteuerung oder Regelung der Pumpe über das Bussystem durchführbar ist.
Bei einer Ausführungsform kann die Pumpe eine Konstantförderpumpe mit einem elektrischen Beipassventil sein, das aus dem Bussystem gesteuert wird.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Pumpe eine druckkonstante Regelpumpe sein, die elektrisch aus dem Bussystem auf drucklos schaltbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Pumpe eine Regelpumpe mit elektrischer, und aus dem Bussystem gesteuerter Förderstrom- und/oder Förderuck-Einstellung sein.
Eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird anhand der Zeichnung erläutert.
1 ist ein Blockschaltbild einer computerisierten, elektrohydraulischen Proportional-Steuervorrichtung für einen Hydromotor, der beispielsweise ein Knickzylinder eines Masten eines Mobilkrans oder einer Betonpumpe ist.
In 1 dient eine computerisierte, elektrohydraulische Proportional-Steuervorrichtung S zur Geschwindigkeits- und/oder Richtungssteuerung eines Hydromotors H, hier eines Knickzylinders eines Masten M. Der Hydromotor H ist zwischen zwei Abschnitten 1, 3 des Masten M eingeordnet. Die beiden Abschnitte 1, 3 sind in einem Gelenk 2 zumindest schwenkbar miteinander verbunden, so dass sich ein Winkel α zwischen den Abschnitten 1, 3 mittels des Hydromotors H verstellen lässt.
Der Hydromotor H wird aus einer Pumpe 4 gespeist, die durch einen beispielsweise elektrischen Antrieb M angetrieben wird. Von der Pumpe 4 führt eine Druckleitung 5 zu zwei 2/2-Wege-Proportional-Regelsitzventilen VZ1, VZ2. Die Druckleitung 5 setzt sich gegebenenfalls zu weiteren nicht gezeigten Verbrauchern oder Steuervorrichtungen fort. Zu einem Tank T führt eine Rücklaufleitung 6, die von zwei ablaufseitigen 2/2-Wege-Proportional-Regelsitzventilen VA1, VA2 kommt.
Zum Hydromotor N führen zwei Arbeitsleitungen 7, 8 mit je einem an eine Computersteuerung CU angeschlossenen Drucksensor 9, 10 (einen Wandler, der hydraulischen Druck P in ein elektrisches Signal E wandelt). Die Drucksensoren 9, 10 sind beispielsweise mit einem CAN-Knoten CK1 eines CAN-Bussystems verbunden.Gegebenenfalls ist für das Gelenk 2 ein Winkelsensor 11 vorgesehen, der ebenfalls an den CAN-Knoten CK1 angeschlossen ist, und dazu dient, eine übergeordnete Mastspitzen-Position durch Winkelertassung zu ermitteln.
Ein weiterer Drucksensor 11 ist an die Druckleitung 5 angeschlossen und elektrisch mit einem weiteren CAN-Knoten CK2 des Bussystems verbunden, wobei an den CAN-Knoten CK2 auch der elektrische Pumpenantrieb M angeschlossen sein kann.
Die Arbeitsleitung 7 zweigt sich zu dem ablaufseitigen Proportional-Regelsitzventil VA1 und dem zulaufseitigen Proportional-Regelsitzventil VZ1 auf, wobei in dem abzweigenden Ast zum zulaufseitigen Proportional-Regelsitzventil VZ1 ein in Strömungsrichtung zum Proportional-Regelsitzventil VZ1 leckagefrei absperrendes Rückschlagventil 19 angeordnet ist. Analog ist auch für die Arbeitsleitung 8, die sich zu den Proportional-Regelsitzventilen VA2, VZ2 aufzweigt, ein Rückschlagventil 19' vorgesehen.
Jedes Proportional-Regelsitzventil VA1, VA2, VZ1, VZ2 hat einen eigenen Proportionalmagneten 13, 14, 15, 16. Die Proportionalmagneten 13 bis 16 sind parallel an einen Datenbus 20 zum CAN-Knoten CK1 angeschlossen. Gegebenenfalls ist der Datenbus 20 als Daisy-Chain ausgelegt. Mit jedem Proportionalmagneten 13 bis 16 ist eine Druckvorsteuerung 17 gegen die Kraft einer Ventilfeder 18 aktivierbar, so dass der Proportionalmagnet durch Verstellen des Proportional-Regelsitzventils den Vorsteuerdruck einstellt (Servowirkung).
Jedes Proportional-Regelsitzventil VA1, VA2, VZ1, VZ2 definiert einen eigenen Ventildurchgang (DA = Ablaufdurchgang in VA1, VA2; DZ = Zulaufdurchgang in VZ1 und VZ2), dessen Größe durch Verstellen einer nicht hervorgehobenen Steuerkante variabel ist, um den Durchfluss lastunabhängig einzustellen, oder gegebenenfalls eine verstellbare Drosselwirkung zu erzeugen. In der Absperrstellung ist der Ventildurchgang leckagefrei dicht.
Da die Proportional-Regelsitzventile baulich voneinander getrennt sind, sind auch die Zulauf- und Ablauf-Steuerkanten mechanisch entkoppelt, und ist ferner in jedem Proportional-Regelsitzventil ein individueller Vorsteuerdruck der Druckvorsteuerung 17 einstellbar, der durch den Vorsteuerdruck in einem anderen Proportional-Regelsitzventil nicht beeinflussbar ist.
In 1 ist kein Proportionalmagnet 13 bis 16 bestromt. Alle Proportional-RegelsitzventileVZ1, VZ2, VA2, werden von den Ventilfedern 18 in ihren Absperrstellungen gehalten, in denen sie leckagefrei dicht sind. Auch die Rückschlagventile 19, 19' sperren leckagefrei ab. Der Hydromotor H ist hydraulisch blockiert.
Um den Winkel α zu vergrößern, werden der Proportionalmagnet 13 und der Proportionalmagnet 16 bestromt, ggfs. voneinander verschieden und wie in der Computersteuerung Cu berechnet oder gespeichert. Ist der Winkel α zu verkleinern, dann werden der Proportionalmagnet 14 und der Proportionalmagnet 15 bestromt. Zum Abbremsen einer Verstellbewegung zwischen den Mastabschnitten 1, 3 wird die Bestromung des jeweiligen Proportionalmagneten 15 oder 16 individuell verändert, z.B. nach Maßgabe der Information des jeweiligen Drucksensors 9 bzw. 10. Tritt beispielsweise beim Vergrößern des Winkels α eine Lastrichtungsumkehr von einer drückenden zu einer ziehenden Last ein (über den Drucksensor 9 oder über beide Drucksensoren 9, 10 festgestellt), dann wird zum Beibehalten der eingestellten Bewegungsgeschwindigkeit des Hydromotors H entweder die Bestromung des Proportionalmagneten 15, und/oder die Bestromung des Proportionalmagneten 14 entsprechend verringert.

Claims

Computerisierte elektrohydraulische Proportional-Steuervorrichtung für wenigstens einen Hydromotor (H), insbesondere für einen Masten (M) eines Kranes oder einer Betonpumpe, mit zwischen einer Pumpe (4) mit Tank (T) und dem Hydromotor (H) angeordneten Proportional-Steuerventilen zum Einstellen der Hydromotor-Bewegungs-Geschwindigkeit und -richtung über mit verstellbaren Steuerkanten variable Ventil-Durchgänge (VA1, VA2, VZ1, VZ2) an der Zulauf- und der Ablaufseite, wobei die Zulauf- und Ablaufsteuerkanten mechanisch entkoppelt sind, und mit einer Computersteuerung (CU), an die zumindest Drucksensoren (9, 10) in den beiden Hydromotor-Arbeitsleitungen (7, 8) und die Proportionalmagneten (13 bis 16) der Proportional-Steuerventile angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Arbeitsleitung (7 bzw. 8) zulaufseitig und ablaufseitig je ein 2/2-Wege-Proportional-Regelsitzventil (VA1, VA2, VZ1, VZ2) vorgesehen ist, das für die Arbeitsleitung (7 bzw. 8) einen variablen Zulauf- bzw. einen variablen Ablaufdurchgang (DA, DZ( aufweist, dass zwischen der Arbeitsleitung (7) bzw. (8) und dem Zulaufdurchgang (DZ) ein in Strömungsrichtung zum Zulaufdurchgang leckagefrei absperrendes Rückschlagventil (19, 19') angeordnet ist, und dass das zulaufseitige Ventil (VZ1, VZ2) bei nicht bestromtem Proportionalmagneten (13, 14) in einer leckagefreien Zulauf-Absperrstellung und das ablaufseitige Ventil (VA1, VA2) bei nicht bestromtem Proportionalmagneten (15, 16) in einer leckagefreien Ablauf-Absperrstellung gehalten ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventil (VA1, VA2, VZ1, VZ2) eine über den Proportionalmagneten (13 bis 16) gegen Federkraft (18) aktivierbare Druckvorsteuerung (17) aufweist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zulaufseitigen Ventile (VZ1, VZ2) und die beiden ablaufseitigen Ventile (VA1, VA2) jeweils untereinander baugleich, vorzugsweise identisch, ausgebildet sind.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle vier Ventile (VA1, VA2, VZ1, VZ2) baugleich, vorzugsweise identisch, ausgebildet sind.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Computersteuerung (CU) einen CAN-Knoten (CK1) in einem CAN-Bussystem (B) aufweist, und dass die vier Proportionalmagneten (13 bis 16) parallel an einen Datenbus (20) angeschlossen sind, vorzugsweise an einen Datenbus in einer Daisy-Chain-Konfiguration ausgebildeten Datenbus.
Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydromotor (H) ein Knickzylinder zwischen zwei in einem Gelenk (2) verbundenen Mastabschnitten (1, 3) ist, und dass ein Gelenk-Winkelsensor (11), vorzugsweise zur Winkelerfassung für eine übergeordnete Mastspitzen-Position, vorgesehen und an die Computersteuerung (CU) angeschlossen ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Zulaufdruck zu den zulaufseitigen Ventilen (VZ1, VZ2) abgreifender Drucksensor (11) vorgesehen und an die Computersteuerung (CU) angeschlossen ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Pumpenantrieb (M) und ein den Pumpenförderdruck abgreifender Drucksensor (11) an einen weiteren CAN-Knoten (CK2) des CAN-Bussystems (B) angeschlossen sind.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) eine Konstantförderpumpe mit aus dem Bussystem betätigbarem, elektrischen Beipassventil ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) eine druckkonstante Regelpumpe und auf drucklos schaltbar, vorzugsweise aus dem Bussystem elektrisch auf drucklos schaltbar, ausgebildet ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) eine Regelpumpe mit elektrischer, aus dem Bussystem betätigbarer Fördestrom- und/oder Förderdruck-Einstellung ist.