EP2954215A1 - Hydraulisches mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer schaltung - Google Patents

Hydraulisches mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer schaltung

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Publication number
EP2954215A1
EP2954215A1 EP14705278.1A EP14705278A EP2954215A1 EP 2954215 A1 EP2954215 A1 EP 2954215A1 EP 14705278 A EP14705278 A EP 14705278A EP 2954215 A1 EP2954215 A1 EP 2954215A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydraulic
pressure
consumer
valve
consumers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14705278.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philip Nagel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP2954215A1 publication Critical patent/EP2954215A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators
    • F15B1/024—Installations or systems with accumulators used as a supplementary power source, e.g. to store energy in idle periods to balance pump load
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    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/88—Control measures for saving energy

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic multi-user system, in particular a constant-pressure system or load-sensing system with energy-efficient hydraulic circuit for reducing energy losses according to the first claim.
  • a general aim is to reduce the above-mentioned systemic energy losses in multi-consumer systems and thus the required energy intake, in particular to counteract increasingly stringent emissions standards and rising raw material prices for ' fuel.
  • the following concepts are known:
  • a hydraulic source delivers a constant volume flow (constant pump) into a circuit to which the consumers are connected depressurized back into the tank
  • a constant-current system open-center systems
  • a hydraulic source delivers a constant volume flow (constant pump) into a circuit to which the consumers are connected depressurized back into the tank
  • the non-pressurized circuit to the tank is partially or completely closed, the inlet to the consumer partially or fully opened
  • Pressure relief valve limited system pressure. A valve to the consumers is opened, so that the maximum pressure on the pressure of the consumer is reduced. The system works with a volume flow and a pressure surplus.
  • variable-pressure systems In constant-pressure systems ("closed-center systems", [1-4]), a source with variable volume flow (variable displacement pumps) is regulated so that a constant system pressure is always present. is ensured.
  • the pressure is preset via a pump controller.
  • the pump controller ensures a system pressure below the pressure of the pressure relief valve, independent of the volume flow.
  • the pump When no consumer is actuated, the pump only delivers as much volume flow in order to compensate for any leakage and losses while maintaining the required pressure. If a consumer is activated, the flow rate of the pump increases, whereby the pressure of the pump is reduced via a valve to the pressure of the consumer.
  • the system operting at a pressure excess, but advantageously not with an additional volume of excess electricity.
  • Load-sensing systems are derived from constant-pressure systems, where, however, the control pressure of the pump (setpoint specification) is not constant .
  • Pump controller with fixed target specification is given, but by another hydraulic signal circuit .- The highest consumer pressure is identified, and reported to the pump, which is adjustable in their performance accordingly. This reduces systemic losses. The system works with the lowest possible variable and thus an energy-optimized pressure surplus and without excess flow. , .
  • Load-sensing systems allow precise adjustment of the variable displacement pump and thus of the total pressure, which is based on the highest load of the consumers in the hydraulic system.
  • a first approach is to divide consumers into several consumer groups with similar load profiles (multi-loop systems). Ideally, each consumer is operated only with a source adapted to it (positive displacement control). Each group is fed by one and each with its own hydraulic source adapted to its load profile. The difference in the energy needs of consumers per source and thus the . generated energy surplus are thus significantly reduced, the expenditure on equipment by additional groups and thus sources adversely increased.
  • hydraulic medium preferably hydraulic oil
  • the object of the invention is to provide a hydraulic multi-user system without additional sensors and with further reduced energy requirement and energy loss.
  • proposal to produce which is characterized by a simple apparatus and does not have the aforementioned disadvantages.
  • the solution of the task provides, an energy-efficient hydraulic circuit in addition to a Mehrckerersystem described above, preferably a constant-pressure system, more preferably a load-sensing system, in which the feed pressures as possible all connected to a source consumers as close as possible maximum required consumer supply pressure of the most heavily loaded consumer are raised.
  • a constant-pressure system preferably a load-sensing system
  • the feed pressures as possible all connected to a source consumers as close as possible maximum required consumer supply pressure of the most heavily loaded consumer are raised.
  • An increase in a consumer feed pressure instead of a throttling of unused pressures in the hydraulic medium in that the consumer a memory or buffer is connected in series, which is converted to another pressure reduction in usable power.
  • a system comprises at least two, preferably three or four consumers.
  • the system pressure is always greater than the maximum consumer pressure required and exceeds the consumer feed pressure of each .
  • a consumer pressure is the pressure that must be applied to a consumer in order to make it suitable for the provision of the respective intended consumer service.
  • the . Consumer pressures change with the activation of the consumer continuously during operation.
  • this maximum consumer pressure of the system forms the maximum consumer feed pressure, ⁇ as this pressure, in contrast to the consumer feed pressure of the other consumer, rather preferably not raised.
  • the property of the highest loaded consumer can change among the consumers of the system.
  • the system pressure in a constant-pressure system is not adjusted according to the maximum required consumer supply pressure.
  • the loss pressure is associated with a power loss.
  • the loss pressure is mainly due to the control valves, which passes through the hydraulic medium before and after passing through the consumer as well as other hydraulic components and resistors such. preferably on upstream pressure compensators.
  • the loss pressures generated by throttling bridge only significantly lower pressure differences compared to the conventional constant-pressure system.
  • An essential feature of the invention is that an existing power surplus (system power minus the consumer power) after leaving the consumer. is not throttled by a pre- or downstream valve by pressure release, ie, as a loss of energy to the hydraulic medium, is transmitted, but is redirected by a hydraulic circuit in a hydraulic accumulator.
  • the hydraulic accumulator is connected in series with the low-load consumers.
  • the memory serves as a buffer; 'The stored energy can be called up again at a later date.
  • the pressure in the memory is the memory pressure.
  • the hydraulic Mehrckerersystem thus comprises a hydraulic source for a flow rate of a hydraulic medium and at least two consumers with control valve, which are connected via a respective feed line and a return line to the source.
  • the system comprises at least one energy-efficient hydraulic circuit with at least one hydraulic pressure accumulator.
  • the latter is connected hydraulically with at least one return line between the consumer and the source, wherein the diversion into the store via a valve control preferably takes place with at least one diverter valve or at least one shut-off valve. A possible return flow from the reservoir back into the return line is preferably avoided via check valves.
  • the accumulator pressure raises the level of the consumer pressure without changing the amount.
  • the consumer feed pressure of such a series circuit is summed up by the consumer pressure and the accumulator pressure; he rises with the accumulator pressure.
  • the consumer feed pressures are increased by the storage pressures and passed to the consumer past residual pressures in the memory 'instead of relaxing by throttling. Power loss is stored in the memory and is therefore available for further utilization.
  • the consumer supply pressures of all consumers are after an increase in the lower consumer supply pressures by the accumulator pressure at a level, so that the required pressure losses and thus power losses are kept as low as possible by the control valves.
  • the hydraulic multi-user system with energy-efficient hydraulic circuit thus comprises a hydraulic source and at least two consumers with control valve, which are connected via a feed line and a return line to the source.
  • the source preferably comprises a hydraulic pump with a tank or another hydraulic pressure source for generating a preferably constant hydraulic medium volume flow (system volume flow Q Sys t) at constant or variable system pressure p Sys t.
  • the control valves are preferably in the form of controllable throttles in front of and behind the consumers Arranged feed lines and ' return lines and are used in particular a reduction of the system pressure on each required for a consumer power consumer pressure.
  • a consumer has its own control valve.
  • the energy-efficient hydraulic circuit comprises at least one hydraulic accumulator (or buffer) for the intermediate storage of pressurized hydraulic medium.
  • the accumulator has a hydraulic connection, preferably a continuous hydraulic line connection to at least one return line, upstream of each return line of each consumer.
  • at least one return line means are provided for the diversion of hydraulic medium in the memory.
  • the reservoir is a hydraulic accumulator which serves as another hydraulic source for at least one other consumer.
  • the diversion means preferably comprise at least one valve.
  • One embodiment provides for an energy efficient hydraulic circuit which is applied to each of the consumers Detects loss pressures and a memory or buffer between the return lines of the consumer switches back and forth so that the consumer leaving the flow rates are passed with the highest-ever .Leverustrate in the memory.
  • means are provided which compares the consumer pressures of all consumers in the system and removes the consumer with the highest consumer pressure (not the consumer supply pressure) from the series connection. The memory is charged until the sum of the accumulator pressure and the consumer pressure of the series connections less losses reaches the system pressure.
  • the hydraulic circuit comprises means for diverting H. hydraulic medium in the return line from the consumer to the source, which does not uselessly relieve a still biased hydraulic medium leaving the consumer, but redirects it into the hydraulic accumulator and / or to another consumer.
  • no throttle valves are provided for complete relaxation in the return line.
  • Hydraulic accumulator preferably comprises a closed rigid volume with a connection for the hydraulic medium, which is introduced into these and presses against a gas cushion and this compresses.
  • Memory is filled by an introduction of hydraulic medium until it settles in the memory with the accumulator pressure an equilibrium state.
  • the in the memory (or buffer) biased under pressure accumulator hydraulic medium forms retrievable and thus advantageously usable energy.
  • the reservoir is used for further use as a hydraulic source.
  • a prerequisite for this is that the accumulator pressure exceeds the consumer pressure required for further use.
  • energy recovery takes place in the system.
  • the following preferred energy uses are proposed:
  • the object is thus achieved by a robust hydraulic circuit which caches an amount of energy leaving the consumer for later use, wherein the circuit works hydraulically self-sufficient. and advantageously without additional control technology or sensors.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a conventional multi-user system
  • 2 a to c are each a graphical representation (pressure P over volume flow Q) of the power losses of a constant-pressure system (a), a load-sensing system (b) and a load-sensing system with energy-efficient hydraulic Circuit (c),
  • FIG. 5 shows by way of example a schematic representation of a multi-user system with memory as well.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a multi-user system with memory and 3/2-way valve on each consumer.
  • Fig.l is a conventional load sensor system as Mehrskeersystem according to the aforementioned prior art again.
  • it comprises three hydraulic piston drives as consumers 1, 2 and 3, each with a control valve 4, 5 and 6, a hydraulic source 7 for a volume flow of a hydraulic medium with tank 8, pump 9 and pump drive 10 as ever a supply line 11 from the source to the consumers and one return line 12 from the consumer in the tank.
  • control pressure of the pump (target specification) is not specified by a constant pump controller with fixed target specification, but is controlled by a further hydraulic signal circuit 13 with pressure relief valve 14 and return 15 in the tank.
  • the illustrated load-sensor system has check valves 20 between the inlets of the consumers 1 to 3, which forwards the maximum consumer pressure retrieved by the consumers hydraulically via a pressure relief valve line 33 to the overpressure valve 14 and thus the system pressure provided by the source via a Actuator 21 for controlling the pump forwards.
  • the consumer pressure is preferably tapped in front of the respective consumers upstream individual pressure compensators 22, 23 and 24 and / or on the control valves 4, 5 and 6.
  • the necessary connection lines are shown in Fig.l dashed lines.
  • FIGS. 2a to c illustrate graphically the integral performances in a constant-pressure system (a), a load-sensing system (b) and a load-sensing system with energy-efficient hydraulic circuit (c) in a representation of the pressure p via the volume flow Q.
  • the output is calculated from the product of the pressure and the volume flow.
  • the maximum possible The volume flow and pressure of the source are indicated in the diagrams with Q max or p max (basic data of the hydraulic source).
  • Q max or p max basic data of the hydraulic source.
  • three consumer services 16, 17 and 18 are shown in the diagrams, the required pressures change continuously during operation and must be covered by the pump performance.
  • the system volume flow Q syst is specified and the system pressure p syst of the hydraulic source in the example of a constant-pressure system (FIG. 2 a) fixed or set to a load-sensing system (FIGS. 2 b and c) is set variably.
  • the power loss 19 is calculated from the system power (product of system volume flow and system pressure) minus the respective load power applied. Even if the power loss - as shown in Fig.2b - can be minimized by a maximum of the pressure requested by the consumer readjustment of the system pressure, there is a power loss through the less loaded consumer, which is usually delivered in conventional systems as heat input into the hydraulic medium ,
  • the supply of the consumer is realized by the pump as in the aforementioned constant-pressure system or load-sensing system.
  • the return line has means, which instead of a return to the tank, a diversion of the hydraulic medium after leaving the consumer in a memory, when the pressure in the memory is less than the pressure of the recycled hydraulic medium.
  • the accumulator pressure thus assumes the function of a backpressure at the outlet of the consumer, whereby the load pressure at the input of the consumers can be increased by an amount resulting from the accumulator pressure, which otherwise leads to an increased power loss due to their load pressures.
  • the pressure difference applied by the consumers remains the same. A large part of the power loss will be is advantageously converted into stored power 25 (see Fig. 2c).
  • the return of the hydraulic medium from the load-sensing system is in the return line 12 after leaving the control valve (4, 5 or 6) in a 3/2-way valve .26 (diverter valve) passed, in which the hydraulic medium either the memory 27th or with the tank 8 is directed.
  • the hydraulic medium must always take the way through the diverter valve after leaving a consumer.
  • a diverter valve is provided for each consumer, which is preferably connected to a common memory. If the pressure of the hydraulic medium in the area in front of the 3/2-way valve is higher than the internal pressure of the reservoir Ps pe ic h e r , preferably the memory is connected in series with the consumer.
  • a check valve 28 is provided as a safety valve '.
  • a circuit gem. 4 in which as means for the diversion of hydraulic medium in the memory by a 2/2-way valve 29 (shut-off valve) is realized and the memory preferably always. hydraulically connected to the return line 12.
  • the branching from the return line takes place before the arrangement of the 2/2-way valve.
  • the shut-off valve is preferably closed when the pressure applied in the hydraulic medium in the return line 12 is greater than the accumulator pressure. It is preferably opened only when the aforementioned switching condition is no longer met, ie the memory is not fillable.
  • the 2/2-way valve prevents unimpeded drainage of prestressed hydraulic fluid in the tank 8.
  • a check valve 28 is provided as a safety valve.
  • differential cylinders are operated in the hydraulic drive system, two piston surfaces act against each other. These piston surfaces may differ, for example due to a piston rod arranged only on one side. In this case, one of the piston surface is reduced around the piston cross section, whereby the accumulator pressure due to a Kolben lake- This is not equal to 1 effective to the pump acting depending on the direction of movement of the piston is increased or decreased. This can be taken into account in the setting, in particular, of the means for deflecting, in particular the deflecting valves according to the aforementioned formula (1). Following the deflection into the memory only in a direction of movement of the piston, a fixed adjustment of the deflection is proposed with consideration. If both directions of movement of the piston are used in a memory charging, depending on the direction of movement is an adjustment via a switchable. Back pressure ⁇ z. B. above. an additional valve circuit proposed on the opposite valve spool side.
  • the means for the diversion of hydraulic medium in the memory as the.
  • Shut-off valves and deflection valves are advantageously controlled only hydraulically and regulated. Additional sensors or electronic control of these means are basically not required and preferably not available.
  • FIG. 5 shows schematically a load-sensing system with upstream individual pressure car of conventional design (see Fig.l),., Supplied by a memory 27, which can be fed via the return line 12 as in the aforementioned manner.
  • the means for diverting hydraulic medium into the reservoir or buffer e.g. Circuits with 3/2 or 2/2-way valves which can be used for this purpose (compare FIGS. 3 and 4) are shown in the schematic
  • Fig.5 Via a drain line 30, the hydraulic medium stored in the memory is led into an optional return valve 31 and passed to a consumer, in the example of the pump drive 10 as needed and / or above a certain pressure.
  • a check valve 32 prevents a direct forwarding into the tank 8 when a pressure difference, which can preferably be set, is exceeded.
  • the check valves 20 and the overpressure valve line 33 load-sensing line, load-signaling line
  • the consumer pressures raised by the accumulator pressure It is not the consumer pressures compared alone or out, but the respective applied maximum consumer pressure of the maximum loaded consumer against the lower consumer pressures plus the accumulator pressure.
  • FIG. 6 discloses the embodiment shown in FIG. 5, in which each of the three consumers 1 to 3 is equipped with one respective own 3/2-way valve 26 in the return lines 12 shown in FIG. Each 3/2-way valve is switched via a hydraulic adjustment.
  • abovementioned formula (1) for the 3/2-way valve required pressures are the consumer demanded maximum consumer pressure, which is tapped hydraulically on the pressure relief valve line 33, the. at the drain line 30 tapped storage pressure and the consumer per consumer between the respective control valve 4-6 and the check valves 20, tillgeriffenen consumer pressure.
  • another embodiment provides a tapping, not shown in the figures, of the system pressure Ps ys t mentioned in formula (1) at the feed line 11 between the pump 9 and the individual pressure compensators 22 to 24.
  • Possible power flow streams in the hydraulic circuit from the pump 9 of the source to the consumer 1-3 and back to the tank 8 of the source of the embodiment illustrated in Fig. 6 are as follows. Starting from the pump 9, the hydraulic medium is conducted through the feed line 11 to the three consumers 1 to 3, whereby, after branching into three consumer paths, there is one individual pressure balance 22 to 24 and one control pressure each. he valve 4 to 6 happens. In the consumer, a relaxation of the hydraulic medium takes place by a pressure difference in the amount of the consumer pressure. From the consumer forwarding via the return line 12 via the control valves 4-6 to the respective consumer assigned 3/2-Wegeven- valves 26 takes place in the directional valves, a check of the switching condition in accordance with. Formula (1) in the aforementioned manner.

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Abstract

Hydraulisches Mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung, umfassend eine hydraulische Quelle (7) für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums sowie mindestens zwei Verbraucher (1,2,3) mit Steuerventil (4,5,6), die über je eine Speiseleitung (11) und je eine Rücklaufleitung (12) an die Quelle angeschlossen sind. Aufgabe der Erfindung ist es, ein hydraulisches Mehrverbrauchersystem ohne zusätzliche Sensoren und mit weiter reduzierten Energiebedarf und Verlustenergieerzeugung vorzuschlagen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens ein hydraulischer Speicher (27) oder Puffer vorgesehen ist, der Speicher oder Puffer eine hydraulische Verbindung mit mindestens einer Rücklaufleitung aufweist sowie mindestens eine Rücklaufleitung Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer aufweist.

Description

Hydraulisches Mehrverbrauchersystem mit energieef izienter hydraulischer Schaltung
Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Mehrverbrauchersystem, insbesondere ein Konstant-Druck-System oder Load-Sen- sing-System mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung zur Verminderung der Energieverluste gemäß dem ersten Patentanspruch .
Auf dem Gebiet der hydraulischen Antriebstechnik für mobile und stationäre Maschinen sind Mehrverbrauchersysteme, bei denen mehrere Verbraucher (rotatorisch, translatorisch) mit einer geringeren Anzahl hydraulischer Quellen (Hydraulikpumpen, Speicher) versorgt werden, üblich (vgl. [1-4]). Üblicherweise sind mehrere Verbraucher stets an eine gemeinsame Quelle angeschlossen und werden durch diese versorgt. Die Belastung und damit der Bedarf an hydraulischer Leistung der einzelnen Verbraucher ist nicht nur von deren Maximalkraft, sondern auch von dem jeweiligen Einsatz abhängig. Sie variiert laufend. Die einzelnen Verbraucher, die an einer hydraulischen Quelle angeschlossen sind, unterscheiden sich in der Regel in ihrer jeweiligen Belastung von denen der anderen Verbraucher. Eine hydraulische Quelle muss jedoch stets einen maximal für den am stärksten belasteten Verbraucher erforderlichen Druck vorhalten, d.h. es wird stets ein Energieüberschuss erzeugt, der von den niederbelasteten Verbrauchern nicht benötigt wird. Es werden laufend Energieverluste erzeugt-. Dies liegt darin begründet, dass die Quelle das hydraulische Medium (in der Regel Hy- drauliköl) physikalisch nur mit einem Potential (Druck) fördern kann. ■
Bei. einer direkter hydraulischen Verbindung mehrerer Verbraucher an eine gemeinsame hydraulische Quelle würde das hydraulische Medium den Weg des geringsten Widerstands folgend zunächst nur die niedriger belasteten Verbraucher antreiben. Als Maßnahmen zur Vermeidung oder zum Kontrollieren unterschiedli-
BESTÄTlGUNGSe^DPfE eher parallel betriebener Verbraucher dieses Effekts sind an jedem Verbraucher regelbare hydraulische Widerstände (Steuerventile) vorgesehen, die den einheitlichen Druck der hydraulischen Quelle auf den jeweils am Verbraucher erforderlichen Druck drosselt. Bei einer Drosselung eines Drucks entstehen stets Energieverluste, und zwar an allen am Markt erhältlichen und nachfolgend genannten hydraulischen Schaltungen (z.B.
Closed-Center, Open-Center, Load-Sensing mit vor- oder nachgeschalteten Druckwaagen, Summenstromregelung) .
Ein allgemeines Bestreben liegt darin, die vorgenannten systembedingten Energieverluste an Mehrverbrauchersystemen und damit die erforderliche Energieaufnahme zu reduzieren, um insbesondere auch schärfer werdenden Abgasnormen und steigenden Rohstoffpreisen für ' Kraftstoff entgegenzuwirken. Hierzu sind folgende Konzepte bekannt:
Bei einem Konstant-Strom-System („Open-Center-Systeme" , [1]) fördert eine hydraulische Quelle einen konstanten Volumenstrom (Konstantpumpe) in einen Kreislauf, an den die Verbraucher angeschlossen sind. Ohne Betätigung eines Verbrauchers fließt dieser Volumenstrom im Kreislauf drucklos zurück in den Tank. Sobald ein Verbraucher aktiviert wird, wird der drucklose Kreislauf zum Tank hin teilweise oder ganz verschlossen, der Zulauf zum Verbraucher teilweise oder ganz geöffnet. Im Hydraulikkreis stellt sich nun ein Systemdruck oberhalb des höchstbelasteten Verbrauchers oder maximal der durch ein
Druckbegrenzungsventil begrenzte Systemdruck ein. Ein Ventil zu den Verbrauchern wird geöffnet, so dass der maximale Druck auf den Druck des Verbrauchers reduziert wird. Das System arbeitet mit einem Volumenstrom- und einem Drucküberschuss.
Bei Konstant-Druck-Systemen („Closed-Center-Systeme" , [1-4]) wird eine Quelle mit verstellbarem Volumenstrom (Verstellpumpen) so geregelt, dass stets ein konstanter Systemdruck si- chergestellt wird. Der Druck wird dabei über einen Pumpenregler vorgegeben.. Der Pumpenregler stellt unabhängig vom Volumenstrom einen Systemdruck unterhalb des Drucks des Druckbegrenzungsventils sicher. Bei Betätigung keines Verbrauchers fördert die Pumpe nur so viel Volumenstrom, um ggf. Leckage-, Verluste auszugleichen und hält dabei den geforderten Druck aufrecht. Wird ein Verbraucher aktiviert, steigt der Volumenstrom der Pumpe, wobei der Druck der Pumpe über ein Ventil auf den Druck des Verbrauchers reduziert wird. Das System' arbeitet mit einem Drucküberschuss, aber in vorteilhafter Weise nicht zusätzlich mit einem Volumenstromüberschuss .
Von Konstant-Druck-Systemen abgeleitet sind Load-Sensing^Sy- steme (vgl. [1-4]), bei denen jedoch der Regeldruck der Pumpe (Soll-Vorgabe) nicht durch einen konstanten .Pumpenregler mit fester Soll-Vorgabe vorgegeben ist, sondern durch eine weitere hydraulische Signalschaltung .- Dabei wird der höchste Verbraucherdruck identifiziert, und an die Pumpe gemeldet, die entsprechend in ihrer Leistung regelbar ist. Somit werden die systembedingten Verluste reduziert. Das System arbeitet mit einem möglichst niedrigen veränderlichen und damit einem energieoptimierten Drucküberschuss und ohne Volumenstromüberschuss . . ,
Load-Sensing Systeme ermöglichen eine exakte Einstellung der Verstellpumpe und damit des Gesamtdrucks, die sich an die höchste Last der sich im Hydrauliksystem befindenden Verbraucher orientiert.
STinunenstrom-Regel-Systeme („Flow-Matching" vgl. [2], [4]). nutzen wie die vorgenannten Load-Sensing-Systemen eine Sensorik, wobei der Volumenstrombedarf eines Verbrauchers direkt durch · Messung des Maschinenbediener-Wunsches mit einem Sensor gemessen wird. Somit kann der Druck der Arbeitspumpe weiter abgesenkt werden. Die systembedingten Energieverluste an den Ven- tilen vor den Verbrauchern werden dadurch jedoch nicht 'reduziert.
Basierend auf den vorgenannten Konzepten gibt es folgende Ansätze, die systembedingten Verluste durch Drosselung (Druckreduktion) an niederbelasteten Verbrauchern zu reduzieren:
Ein erster Ansatz besteht darin, die Verbraucher in mehrere Verbrauchergruppen mit ähnlichem Belastungsprofil zu unterteilen (Mehr-Kreis-Systeme). Idealerweise wird jeder Verbraucher nur mit einer auf ihn angepasste Quelle betrieben (Verdrängersteuerung) . Jede Gruppe wird durch eine und jeweils eine eigene, in ihrer Leistung an das jeweilige Belastungsprofil angepasste hydraulische Quelle gespeist. Der Unterschied des Energiebedarfs von Verbrauchern pro Quelle und damit der. erzeugte Energieüberschuss werden damit signifikant reduziert, der apparative Aufwand durch zusätzliche Gruppen und damit Quellen nachteilig erhöht..
Ferner besteht weiterer ein Ansatz in einer Reihenschaltung von Verbrauchern, bei dem ein zweiter Verbraucher hinter einen ersten Verbraucher geschaltet werden kann, um diesen mit Hydraulikmedium (vorzugsweise Hydrauliköl) zu versorgen.. Das Hydraulikmedium wird seriell durch mehrere Verbraucher geleitet und stufenweise entspannt (Verbundprinzip) .
Alle vorgenannten Konzepte und Ansätze sorgen zwar für einen Lastdruckangleich gegenüber der hydraulischen Quelle, jedoch erfolgt dies durch Ventile, die Energieüberschüsse, in Wärme umsetzen und nicht mehr nutzbare Verlustenergie in das Hydraulikmedium eintragen.
Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein hydraulisches Mehrverbrauchersystem ohne zusätzliche Sensoren und mit weiter reduzierten Energiebedarf und Verlustenergieer- zeugung vorzuschlagen, das sich durch einen einfachen apparativen Aufwand auszeichnet und die vorgenannten Nachteile nicht aufweist .
Die Aufgabe wird durch kennzeichnende Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
Die Lösung der Aufgabe sieht, eine .energieeffiziente hydraulische Schaltung in Ergänzung eines eingangs beschriebenen Mehrverbrauchersystem, vorzugsweise eines Konstant-Druck-Systems , weiter bevorzugt eines Load-Sensing-Systems vor, bei dem die Speisedrücke möglichst aller an eine Quelle angeschlossenen Verbraucher möglichst nahe dem maximal erforderlichen Verbraucherspeisedruck des jeweils höchstbelasteten Verbrauchers angehoben werden. Dazu werden vorzugsweise auch Verbraucherspeisedrücke und der Druck, der durch die hydraulische Quelle vorgegeben wird (Systemdruck), aufeinander angepasst. Eine Anhe- bung eines Verbraucherspeisedrucks, erfolgt anstelle einer Drosselung von nicht genutzter Drücke im Hydraulikmedium dadurch, dass dem Verbraucher ein Speicher oder Puffer in Reihe geschaltet wird, der eine weitere Druckreduzierung in nutzbare Leistung gewandelt wird. Ein System umfasst mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier Verbraucher.
Der Systemdruck ist stets größer als der maximale der jeweils erforderlichen Verbraucherdrücke und übersteigt den Verbrau- cherspeisedruck jedes . Ein Verbraucherdruck ist der Druck, der an einen Verbraucher anliegen muss, um diesen für die Bereitstellung der jeweilig vorgesehen Verbraucherleistung zu ertüchtigen. Die . Verbraucherdrücke ändern sich mit der Ansteuerung des Verbrauchers laufend im Betrieb.
Vorzugsweise bildet dieser maximale Verbraucherdruck des Systems den maximalen Verbraucherspeisedruck,■ da dieser Druck im Gegensatz zu den Verbraucherspeisedrücken der anderen Verbrau- eher vorzugsweise nicht angehoben wird. Die Eigenschaft des höchstbelasteten Verbrauchers kann dabei unter den Verbrauchern des Systems wechseln. Der Systemdruck wird bei einem Konstant-Druck-System im Gegensatz zu einem Load-Sensing-Sy- stem nicht bedarfsgerecht nach dem maximal erforderlichen Verbraucherspeisedruck nachgeregelt.
Während des Durchlaufs des Hydraulikmediums durch den Verbraucher, in der Regel ein hydraulischer Kolben oder eine andere hydraulische Arbeitsmäschine erfolgt ein Druckabbau, in Summe in Höhe des Verbraucherdrucks. Der Druckunterschied zwischen Systemdruck und Verbraucherdruck ist der .Verlustdruck. Mit dem Verlustdruck geht eine Verlustleistung einher. Der Verlustdruck entsteht überwiegend an den Steuerventilen, die das Hydraulikmedium vor und nach dem Durchlauf durch den Verbraucher durchläuft sowie an weiteren hydraulischen Komponenten und Widerständen wie z.B. an vorzugsweise vorgeschalteten Druckwaagen. Bei einem Load-Sensing-System mit bedarfsgeregeltem Systemdruck überbrücken die durch Drosselung erzeugten Verlustdrücke im Vergleich zum herkömmlichen Konstant-Druck-System nur wesentlich geringere Druckunterschiede.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass ein vorhandener Leistungsüberschuss (Systemleistung abzüglich der Verbraucherleistung) nach Verlassen des Verbrauchers . nicht durch ein vor- oder nachgeschaltetes Ventil durch Druckentspannung gedrosselt wird, d.h. als Verlustenergie auf das Hydraulikmedium, übertragen wird, sondern durch eine hydraulische Schaltung in einen hydraulischen Speicher umgeleitet wird. Der hydraulische Speicher ist zu den nieder belasteten Verbrauchern in Reihe geschaltet. Der Speicher dient als Puffer; 'die gespeicherte Energie lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt wieder abrufen. Der Druck im Speicher ist der Speicherdruck. Das hydraulische Mehrverbrauchersystem umfasst folglich eine hydraulische Quelle für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums und mindestens zwei Verbraucher mit Steuerventil, die über je eine Speiseleitung und je eine Rücklaufleitung an die Quelle angeschlossen sind. Weiterhin umfasst das System mindestens eine energieeffiziente hydraulische Schaltung mit mindestens einen hydraulischen Druckspeicher. Jener ist hydraulisch mit mindestens einer Rücklaufleitung zwischen Verbraucher und Quelle angeschlossen, wobei die Abzweigung in den Speicher über eine Ventilsteuerung vorzugsweise mit mindestens einem Umlenkventil oder mindestens einem Absperrventil erfolgt. Ein möglicher Rückfluss aus dem Speicher zurück in die Rücklaufleitung wird vorzugsweise über Rückschlagventile vermieden.
Durch den Speicherdruck wird das Niveau des Verbraucherdrucks angehoben, ohne jenen im Betrag zu verändern. Der Verbraucherspeisedrück einer solchen Reihenschaltung .summiert sich aus dem Verbraucherdruck und dem Speicherdruck; er steigt mit dem Speicherdruck. Um die Drosselung des Systemdrucks auf die Verbraucherspeisedrücke und damit die Verlustleistung zu reduzieren, werden die Verbraucherspeisedrücke um die Speicherdrücke erhöht und die nach dem Verbraucher anliegende Restdrücke in den Speicher geleitet' anstelle diese durch Drosselung zu entspannen. Verlustleistung wird im Speicher gespeichert und steht somit einer weiteren Verwertung zur Verfügung. Idealerweise liegen die Verbraucherspeisedrücke aller Verbraucher nach einer Anhebung der niedrigeren Verbraucherspeisedrücke durch den Speicherdruck auf einem Niveau, sodass , die erforderlichen Druckverluste und damit Verlustleistungen durch die Steuerventile möglichst gering gehalten werden.
Die Summe aus Verbraucherdruck und dem Speicherdruck übersteigen aber nicht den Verbraucherspeisedrück des höchstbelasteten Verbrauchers (maximaler Verbraucherspeisedrück)., der nicht in Reihe mit dem Speicher geschaltet wurde und an dem sich der Systemdruck; eines Load-Sensing-Systems eingestellt.
Das hydraulische Mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung umfasst folglich eine hydraulische Quelle sowie mindestens zwei Verbraucher mit Steuerventil, die über je eine Speiseleitung und je eine Rücklaufleitung an die Quelle verbunden sind. Die. Quelle umfasst hierzu vorzugsweise eine Hydraulikpumpe mit Tank oder eine andere hydraulische Druckquelle zur Erzeugung eines bevorzugt konstanten Hydraulikmedium-Volumenstroms (Systemvolumenstrom QSyst ) bei konstanten oder veränderlichen Systemdruck pSyst · Die Steuerventile sind vorzugsweise als steuerbare Drosseln vor und hinter den Verbrauchern in den Speiseleitungen und 'Rücklaufleitungen angeordnet und dienen insbesondere eine Reduzierung des Systemdrucks auf den jeweils für eine Verbraucherleistung erforderlichen Verbraucherdruck. Vorzugsweise weist ein Verbraucher ein eigenes Steuerventil auf.
Die energieeffiziente hydraulische Schaltung umfasst in der konkreten Ausführung mindestens einen hydraulischen Speicher (oder Puffer) für die Zwischenspeicherung von unter Druck stehendem Hydraulikmedium. Der Speicher weist hierzu eine hydraulische Verbindung, vorzugsweise eine durchgehende hydraulische Leitungsverbindung zu mindestens einer Rücklaufleitung, vor^ zugsweise jeder Rücklaufleitung eines jeden Verbrauchers auf. Ferner sind .für die Speisung der Speicher in mindestens einer Rücklaufleitung Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher vorgesehen. Der Speicher ist ein hydraulischer Druckspeicher, der als eine weitere hydraulische Quelle für mindestens einen weiteren Verbraucher dient. Die Mittel zur Umleitung umfassen vorzugsweise mindestens ein Ventil.
Eine Ausführung sieht eine energieeffiziente hydraulische Schaltung vor, die die jeweils an den Verbrauchern anliegenden Verlustdrücke erfasst und einen Speicher oder Puffer zwischen den Rücklaufleitungen der Verbraucher so hin- und herschaltet, dass die die Verbraucher verlassenden Volumenströme mit den jeweils -höchsten anliegenden .Verlustdrücken in den Speicher geleitet werden. Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen., die die Verbraucherdrücke aller Verbraucher im System vergleicht und den Verbraucher mit dem jeweils höchsten Verbraucherdruck (nicht . Verbraucherspeisedruck) aus der Reihenschaltung herausnimmt. Der Speicher wird solange geladen, bis die Summe aus Speicherdruck und Verbraucherdruck der Reihenschaltungen abzüglich Verluste den Systemdruck erreicht.
Es ist ein Angleich der maximalen Verbraucherspeisedrücke auf den Verbraucherdruck des maximal belasteten Verbrauchers erforderlich, um einen parallelen Betrieb aller Verbraucher zu ermöglichen. Somit müssen die Drücke der niedriger belasteten Verbraucher auf den höchsten Verbraucherdruck angehoben werden. Wesentlich ist, dass ein Angleich der unterschiedlichen Verbraucherdrücke nicht allein durch vorgeschaltete Drosselventile, sondern über eine Anhebung.des Druckniveaus durch den in Reihe nachgeschalteten gemeinsamen Speicher realisiert wird. Damit erfolgt eine Addition des Speicherdrucks und der Verbraucherdrücke der geringer belasteten Verbraucher auf das Niveau des jeweils höchsten anliegenden Verbraucherdrucks (des höchstbelasteten Verbrauchers) . Somit steigt der Verbraucherdruck eines Verbrauchers um einen sich aus dem Speicherdruck ergebenden Betrag.
Die hydraulische Schaltung umfasst hierzu Mittel zur Umleitung von H.ydraulikmedium in der Rücklaufleitung vom Verbraucher zur Quelle, die ein den Verbraucher verlassendes noch vorgespanntes Hydraulikmedium nicht nutzlos entspannt, sondern in den - hydraulischen Speicher und/oder zu einem weiteren Verbraucher umlenkt. Optional sind in der Rücklaufleitung keine Drosselventile zur vollständigen Entspannung vorgesehen. Der . hydraulische Speicher umfasst vorzugsweise ein abgeschlossenes starres Volumen mit einem Anschluss für das Hydraulikmedium, das in diesen eingeleitet wird und in diesen gegen ein Gaspolster drückt und dieses komprimiert. Der. Speicher wird solange durch eine Einleitung von Hydraulikmedium gefüllt, bis sich im Speicher mit dem Speicherdruck ein Gleichgewichtszustand einstellt.
Das im Speicher (oder Puffer) unter Speicherdruck vorgespannte Hydraulikmedium bildet abrufbare und damit in vorteilhafter Weise nutzbare Energie. Der Speicher dient für die weitere Nutzung als hydraulische Quelle.. Eine Voraussetzung hierfür ist, dass der Speicherdruck den für die weitere Nutzung erforderlichen Verbraucherdruck übersteigt. Vorzugsweise erfolgt eine Energierückspeisung in das System. Hierzu werden die folgenden bevorzugten Energienutzungen vorgeschlagen:
1. Direkte Einspeisung in einen Verbraucher vorzugsweise des gleichen Verbrauchersystems mit reduziertem Leistungsbedarf. Hierdurch erfolgt vorzugsweise eine Reihenschaltung zweier Verbraucher, wobei durch den hydraulischen Speicher ein Zeitversatz zwischen den Betrieb der Verbraucher realisierbar wird. Grundsätzlich umfasst dies auch eine
. wiederholte Speisung eines Verbrauchers,
2. Einspeisung in einen hydraulischen Motor zur Entlastung , . des. Antriebs der . hydraulischen Quelle,
3. Einspeisung in sonstige Aktoren oder hydraulischer Komponenten wie z.B. Steuerelemente, Widerstände oder Ventile des Verbrauchersystems und/oder
4. als hydraulische Quelle eines weiteren Verbrauchersystems mit . einem geringerem Betriebsdruck.
Die Aufgabe wird folglich durch eine robuste hydraulische Schaltung gelöst, die einen den Verbraucher verlassenden Energiebetrag für eine spätere Nutzung zwischenspeichert, wobei die Schaltung hydraulisch autark arbeitet. und in vorteilhafter Weise ohne zusätzliche Steuerungstechnik oder sowie Sensoren auskommt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Figuren näher erläutert . Es zeigen
Fig.l eine schematische Darstellung eines konventionelles Mehrverbrauchersystems,
Fig.2a bis c je eine graphische Darstellung (Druck P über Volumenstrom Q) der Verlustleistungen eines Konstant-Druck-Sy- stems (a) , eines Load-Sensing-Systems (b) und eines Load-Sen- sing System mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung (c),
Fig.3 einen hydraülischen Schaltungsbaustein zur Lastdruck-. Steigerung im Rücklauf mittels 3/2-Wegeventil,
Fig.4 einen hydraulischen Schaltungsbaustein zur Lastdrucksteigerung im Rücklauf mittels 2/2-Wegeventil,
Fig .5.beispielhaft eine schematische Darstellung eines Mehrverbrauchersystems mit Speicher sowie .
Fig.6 beispielhaft eine schematische Darstellung eines Mehrverbrauchersystems mit Speicher und 3/2-Wegeventil an jedem Verbraucher.
Fig.l gibt ein konventionelles Load-Sensor-System als Mehrverbrauchersystem gemäß des eingangs genannten Stands der Technik wieder. Es umfasst im Beispiel drei hydraulische Kolbenantriebe als Verbraucher 1, 2 und 3 mit je einem Steuerventil 4, 5 und 6, eine hydraulische Quelle 7 für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums mit Tank 8, Pumpe 9 und Pumpenantrieb 10 so- wie je eine Speiseleitung 11 von der Quelle zu den Verbrauchern und je eine Rücklaufleitung 12 vom Verbraucher in den Tank.
Der Regeldruck der Pumpe (Soll-Vorgabe) ist nicht durch einen konstanten Pumpenregler mit fester Soll-Vorgabe vorgegeben ist, sondern wird durch eine weitere hydraulische Signalschaltung 13 mit Überdruckventil 14 und Rücklauf 15 in den Tank geregelt.
Ferner weist das dargestellte Load-Sensor-System Rückschlagventile 20 zwischen den Einlässen der Verbraucher 1 bis 3 auf, die den jeweils von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Verbraucherdruck hydraulisch über eine Überdruckventilleitung 33 an das Überdruckventil 14 weiterleitet und damit den von der Quelle bereitgestellten Systemdruck über einen Aktor 21 zur Ansteuerung der Pumpe weiterleitet. Der Verbraucherdruck wird vorzugsweise vor den jeweiligen Verbrauchern vorgeschalteten Individualdruckwaagen 22, 23 und 24 und/oder an den Steuerventilen 4, 5 und 6 abgegriffen. Die hierfür erforderlichen Verbindungsleitungen sind in Fig.l gestrichelt dargestellt.
Bei einem Konstant-Druck-System entfällt die vorgenannte bedarfsgerechte Nachregelung des Systemdrucks, d.h. die in Fig.l (wie auch in Fig.5 und 6) gestrichelt dargestellten Leitungen sowie die Rückschlagventile entfallen bei sonst unveränderter Schaltung.
Fig.2a bis c verdeutlichen graphisch der integralen Leistungen in einem Konstant-Druck-System (a)_, einem Load-Sensing-System (b) und eines Load-Sensing System mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung (c) in einer Darstellung des Drucks p über den Volumenstrom Q. Die Leistung berechnet sich aus dem Produkt aus dem Druck und dem Volumenstrom. Der maximal mögli- che Volumenstrom und Druck der Quelle wird in den Diagrammen mit Qmax bzw. pmax angegeben (Eckdaten der hydraulischen Quelle) . Ferner sind in den Diagrammen drei Verbraucherleistungen 16, 17 und 18 dargestellt, deren erforderliche Drücke sich im Betrieb laufend ändern und dabei von der Pumpenleistung abgedeckt werden müssen. Entsprechend der erforderlichen Verbraucherleistungen werden der Systemvolumenstrom Qsyst vorgegeben und der Systemdruck psyst der hydraulischen Quelle im Beispiel eines Konstant-Druck-Systems (Fig.2a) fest oder eines Load- Sensing-Systems (Fig.2b und c) geregelt veränderlich eingestellt. Die Verlustleistung 19 berechnet sich aus der Systemleistung (Produkt aus Systemvolumenström und Systemdruck) abzüglich der jeweils anliegenden Verbraucherleistungen. Auch wenn die Verlustleistung - wie in Fig.2b dargestellt - durch ein von der von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Druck abhängenden Nachregelung des Systemdrucks minimierbar ist, entsteht eine Verlustleistung durch die weniger belasteten Verbraucher, die in herkömmlichen Systemen meist als Wärmeeintrag in das Hydraulikmedium abgegeben wird.
Im Rahmen der Erfindung wird die Versorgung der Verbraucher durch die Pumpe wie im vorgenannten Konstant-Druck-System oder Load-Sensing-Systems realisiert. Die Rücklaufleitung weist jedoch Mittel auf, -die anstelle einer Rückführung in den Tank eine Umleitung des Hydraulikmediums nach Verlassen, der Verbraucher in einen Speicher zulässt, wenn der Druck im Speicher kleiner ist als der Druck des zurückgeführten Hydraulikmediums. Der Speicherdruck übernimmt damit die Funktion eines Gegendrucks am Auslass des Verbrauchers, womit der Lastdruck am Eingang der Verbraucher um einen sich aus dem Speicherdruck ergebenden Betrag anheben lässt, die aufgrund ihrer Lastdrücke zu ansonsten einer erhöhten Verlustleistung führen. Der durch die Verbraucher anliegende Druckunterschied, bleibt durch die Maßnahme gleich. Ein großer Teil der Verlustleistung wird da- gegen in vorteilhafter Weise in gespeicherte Leistung 25 umgewandelt (vgl. Fig.2c) .
Fig.3 zeigt die dafür erforderliche Schaltungsergänzung. Der Rücklauf des Hydraulikmediums aus dem Load-Sensing-System wird im Bereich der Rücklaufleitung 12 nach Verlassen des Steuerventils (4, 5 oder 6) in ein 3/2-Wegeventil .26 (Umlenkventil) geleitet, in dem das Hydraulikmedium entweder den Speicher 27 oder mit dem Tank 8 gelenkt wird. Das Hydraulikmedium muss nach Verlassen eines Verbrauchers in jeden Fall den Weg durch das Umlenkventil nehmen. Vorzugsweise ist für jeden Verbraucher ein Umlenkventil vorgesehen, das vorzugsweise mit einem gemeinsamen Speicher verbunden ist. Wenn der Druck des Hydraulikmediums im Bereich vor dem 3/2-Wegeventils höher als der Innendruck des Speichers Pspeicher ist,, wird vorzugsweise der Speicher in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet. Zur Vermeidung einer Speicherentladung durch einen Reflux des Speichermedium zurück in das Umlenkventil wird ein Rückschlagventil 28 als Sicherheitsventil' vorgesehen .
Alternativ wird eine Schaltung gem. Fig.4 vorgeschlagen, bei dem als Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher durch ein 2 /2-Wegeventil 29 (Absperrventil) realisiert wird und der Speicher vorzugsweise stets . hydraulisch mit der Rücklaufleitung 12 verbunden ist. Die Abzweigung von der Rücklaufleitung erfolgt vor der Anordnung des 2/2-Wegeventils . Das Hydraulikmedium muss nach Verlassen eines Verbrauchers nur bei einer Weiterleitung in den Tank 8 das Absperrventil passieren . Das Absperrventil wird vorzugsweise dann geschlossen, wenn der im Hydraulikmedium in der Rücklaufleitung 12 anliegende Druck größer dem Speicherdruck ist. Es wird vorzugsweise erst dann geöffnet, wenn die vorgenannte Schaltbedingung nicht mehr erfüllt wird, d.h. der Speicher nicht weiter füllbar ist. Dabei verhindert das 2/2-Wegeventil einen ungehinderten Ablauf von vorgespanntem Hydraulikmediums in den Tank 8. Zur Vermeidung einer Speicherentladung durch einen Reflux des Speichermedium zurück in die Rücklaufleitung 12 wird ein Rückschlagventil 28 als Sicherheitsventil vorgesehen.
Nur wenn die maximale Verbraucherleistung stets nur von einem Verbraucher abgerufen wird und die Verbraucherleistungen der anderen Verbraucher des Mehrverbrauchersystems übersteigt, ist eine Speisung des Speichers dieses Verbrauchers mit maximaler Verbraucherleistung insbesondere bei einen den Systemdruck nachregelndes Load-Sensing Systems nicht zu erwarten; Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher sind für diesen Verbraucher optional nicht vorgesehen.
In den Schaltungsausführungen gem. Fig.3 und 4 werden das Umlenkventil 26 bzw. Schaltventil 29 vorzugsweise hydraulisch angesteuert, wobei der am Verbraucher abgebaute Druck pi (=
Verbraucherdruck) zuzüglich dem Speicherdruck pspeicher dem Systemdruck psyst (= Load-Sensing-Druck PLS gem. Fig.3 und 4) entgegenstehen. Alle genannten Drücke werden -dem Mittel zur Umleitung, von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer vorzugsweise hydraulisch zugeführt. Grundsätzlich gilt als notwendige Schaltbedingung für eine Umlenkung von Hydraulikmedium in den Speicher, dass die Summe aus dem am Verbraucher' abgebaute Druck pi und dem Speicherdrucks Pspeicher kleiner dem Systemdruck Psyst (alternativ - wie in Fig.6 dargestellt - des von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Verbraucherdrucks ist:
Pi + Pspeicher < Psyst . (1)
Werden im hydraulischen Antriebssystem Differentialzylinder betrieben, wirken zwei Kolbenflächen gegeneinander. Diese Kol- behflächen können sich unterscheiden, beispielsweise aufgrund einer nur einseitig angeordneten Kolbenstange. Dabei verringert sich eine der Kolbenfläche um den Kolbenquerschnitt, womit der Speicherdruck aufgrund eines Kolbenflächenverhältnis- ses ungleich 1 effektiv zur Pumpe wirkend je nach Bewegungsrichtung des Kolbens erhöht oder erniedrigt wird. Dies ist in der Einstellung insbesondere der Mittel zur Umlenkung, insbesondere der Umlenkventile gemäß vorgenannter Formel (1) über berücksichtigbar. Folgt die Umlenkung in den Speicher nur in eine Bewegungsrichtung des Kolbens, wird eine Festeinstellung der Umlenkmittel mit Berücksichtigung vorgeschlagen. Werden bei einer Speicheraufladung beide Bewegungsrichtungen des Kolbens genutzt, wird je nach Bewegungsrichtung eine Anpassung über einen zuschaltbaren . Gegendruck■ z . B . über. eine zusätzliche Ventilschaltung auf der gegenüberliegenden Ventilschieberseite vorgeschlagen.
Die Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher wie die .dargestellten Absperrventile und Umlenkventile werden in vorteilhafter Weise nur hydraulisch angesteuert und geregelt. Zusätzliche Sensoren oder eine elektronische Ansteuerung dieser Mittel sind grundsätzlich nicht erforderlich und vorzugsweise nicht vorhanden.
Fig.5 zeigt schematisch ein Load-Sensing-System mit vorgeschalteten Individualdruckwagen herkömmlicher Bauart (vgl. Fig.l), .ergänzt durch einen Speicher 27, der wie in vorgenannter Weise über die Rücklaufleitung 12 speisbar ist. Die Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer, wie z.B. Schaltungen mit hierfür einsetzbaren 3/2- oder 2/2- Wegeventile (vgl. Fig.3 und 4) , sind in der schematischen
Fig.5 nicht explizit dargestellt, aber vorgesehen. Über eine Abflussleitung 30 wird das im Speicher gespeicherte Hydraulikmedium in die zu einem optionalen Rücklaufventil 31 geleitet und je nach Bedarf und/oder oberhalb eines bestimmten Drucks zu einem Verbraucher, im Beispiel der Pumpenantrieb 10 geleitet. Ein Rückschlagventil 32 verhindert bei Überschreitung einer bevorzugt einstellbaren Druckdifferenz eine direkte Weiterleitung in den Tank 8. Abweichend zu der in Fig.l darge- stellten Ausführung werden bei der in Fig.5 dargestellten Ver- schaltung der Rückschlagventilen 20 und der Überdruckventilleitung 33 (Load-Sensing-Leitung, Last-Melde-Leitung) aufgrund der schaltbaren Reihenschaltung von Speicher und Verbraucher die durch den Speicherdruck angehobenen Verbraucherdrücke berücksichtigt. Es werden nicht die Verbraucherdrücke allein gegeneinander verglichen bzw. geführt, sondern der jeweils anliegende maximale Verbraucherdruck des maximal belasteten Verbrauchers gegenüber den geringeren Verbraucherdrücken zuzüglich des Speicherdrucks.
Fig.6 offenbart die in Fig.5 dargestellte Ausführung, bei der jeder der drei Verbraucher 1 bis 3 mit je einem in Fig.3 dargestellten eigenen 3/2-Wegeventil 26 in den Rücklaufleitungen 12 ausgestattet ist. Dabei wird jedes 3/2-Wegeventil über eine hydraulische Verstellung geschaltet. Die für die Realisierung der Schaltbedingung gem. vorgenannter Formel (1) für das 3/2- Wegeventil erforderlichen Drücke sind der von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Verbraucherdruck, der hydraulisch an der Überdruckventilleitung 33 abgegriffen wird, der. an der Ablauf- leitung 30 abgegriffene Speicherdruck sowie der je Verbraucher zwischen dem jeweiligen Steuerventil 4-6 und den Rückschlagventilen 20, abgegeriffenen Verbraucherdruck. Anstelle zum maximalen Verbraucherdruck sieht eine weitere Ausführung einen in den Figuren nicht dargestellten Abgriff des in Formel (1) genannten Systemdrucks Psyst an der Speiseleitung 11 zwischen Pumpe 9 und den Individualdruckwaagen 22 bis 24 vor.
Mögliche Leistungsflussströme im hydraulischen Kreislauf von- der Pumpe 9 der Quelle zum Verbraucher 1-3 und zurück zur Tank 8 der Quelle der in Fig.6 dargestellten Ausführung verlaufen wie folgt. Von der Pumpe 9 ausgehend wird das Hydraulikmedium durch die Speiseleitung 11 zu den drei Verbrauchern 1 bis 3 geleitet, wobei es nach einer Verzweigung in drei Verbraucherpfade je eine Individualdruckwaage 22 bis 24 und je ein Steu- erventil 4 bis 6 passiert. Im Verbraucher erfolgt eine Entspannung des Hydraulikmediums um eine Druckdifferenz im Betrag des Verbraucherdrucks. Von dem Verbraucher erfolgt eine Weiterleitung über die Rücklaufleitung 12 über die Steuerventile 4-6 zu den jeweils einem Verbraucher zugeordneten 3/2-Wegeven- tilen 26. In den Wegeventilen erfolgt eine Überprüfung der Schaltbedingung gem. Formel (1) in vorgenannter Weise. Danach folgt entweder eine Weiterleitung über eine Einleitung in die Ablaufleitung 30 zum Speicher 27 oder direkt zu einem weiteren. Verbraucher wie z.B. einer Pumpe, Kolben oder einen anderen hydraulischen Antrieb, oder eine Zurückleitung über einen weiteren Abschnitt der "Rücklaufleitung 12 zurück in den Tank 8 (insbesondere im Falle des höchstbelasteten Verbrauchers) , in der die Pumpe 9 Hydrauliköl aufnimmt.
Mit Hilfe vorgenannter Schaltungen können die systembedingten Energieverluste aller angesprochener am Markt erhältlicher Lösungen reduziert werden und somit eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz herbeiführen. Dabei. werden nur einfache, günstige Standardkomponenten eingesetzt. Die Schaltentscheidung wird an jedem Verbraucher unabhängig von den restlichen Verbraucher getroffen, so dass keine komplexe Sensorik und Steuerschaltung nötwendig, ist.
Literatur:
[1] Finzel, R. : Elektrohydraulische Steuerungssysteme für mobile Arbeitsmaschinen; Dissertation TU Dresden 2010
[2] Djurovic, M.: Energiesparende Antriebssysteme für die Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen, Elektrohydrauli- sches Load-Sensing; Dissertation TU Dresden 2007
[3] Will. D. et al.: Hydraulik: Grundlagen, Komponenten,
Schaltungen; http : //www . amazon . de/Hydraulik-Komponenten- Schaltungen-Dieter-Will/dp/3642172423/ref=pd_sim_sbs_b_l
[4] Fedde , T . : Elektrohydraulische Bedarfsstromsysteme am Beispiel eines Traktors; Dissertation, TU Braunschweig 2008; https : //www . tu- braunschweig . de/imn/institut /f oerderverein/veroef f entlichun gen
Bezugszeichenliste :
1 Verbraucher 1
2 Verbraucher 2
3 Verbraucher 3
4 Steuerventil für Verbraucher 1
5 Steuerventil für Verbraucher 2
6 Steuerventil für Verbraucher 3
7 hydraulische Quelle
8 Tank
9 Pumpe
10 Pumpenantrieb
11 Speiseleitung
12 Rücklaufleitung
13 hydraulische Signalschaltung
14 Überdruckventil
15 Rücklauf
16 Verbraucherleistung des Verbrauchers 1
17 Verbraucherleistung des Verbrauchers 2
18 Verbraucherleistung des Verbrauchers 3
19 Verlustleistung
20 Rückschlagventil
21 Aktor
22 Individualdruckwaage für Verbraucher 1
23 Individualdruckwaage für Verbraucher 2
24 Individualdruckwaage für Verbraucher 3
25 Verlustleistung
26 3/2-Wegeventil
27 Speicher
28 Rückschlagventil
29 2/2- egeventil
30 Ablaufleitung
31 Rücklaufventil
32 Rückschlagventil
33 Überdruckventilleitung

Claims

Patentansprüche
1.. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem mit .energieeffizienter hydraulischer Schaltung, umfassend
a) eine hydraulische Quelle (7) für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums,
b) mindestens zwei Verbraucher (1,2,3) mit Steuerventil
(4,5,6), die über je eine Speiseleitung (11) und je eine Rücklaufleitung (12) an die Quelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass
c) mindestens ein hydraulischer Speicher (27) oder Puffer vorgesehen ist,
d) der Speicher oder Puffer eine hydraulische Verbindung mit mindestens einer Rücklaufleitung aufweist sowie e) mindestens eine Rücklaufleitung Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer aufweist.
2. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (27) oder Puffer eine weitere hydraulische Quelle für mindestens einen weiteren Verbraucher ist.
3. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mindestens ein Ventil (26, 29) umfassen.
4. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Umlenkventil (26) ist und die hydraulische Verbindung bildet.
5. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 3, da- . durch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Absperrventil
. ' (29) der hydraulischen Verbindung nachgeschaltet ist. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach, einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Speicher oder Puffer und der hydraulischen Verbindung ein Rückschlagventil vorgesehen ist.
EP14705278.1A 2013-02-05 2014-02-03 Hydraulisches mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer schaltung Withdrawn EP2954215A1 (de)

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PCT/EP2014/000266 WO2014121910A1 (de) 2013-02-05 2014-02-03 Hydraulisches mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer schaltung

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