EP4065360A1 - Elektrohydrostatisches system mit drucksensor - Google Patents

Elektrohydrostatisches system mit drucksensor

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EP4065360A1
EP4065360A1 EP20811548.5A EP20811548A EP4065360A1 EP 4065360 A1 EP4065360 A1 EP 4065360A1 EP 20811548 A EP20811548 A EP 20811548A EP 4065360 A1 EP4065360 A1 EP 4065360A1
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EP
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hydraulic
fluid
electrohydrostatic
cylinder
pressure
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EP20811548.5A
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Sascha DANY
Sven Müller
Kohlhaas REINER
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Moog GmbH
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Publication date
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    • F15B7/00Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • F15B7/005With rotary or crank input
    • F15B7/006Rotary pump input

Definitions

  • the present invention relates to an electrohydrostatic system for controlling the set-up speed of a hydraulic cylinder, for example in a powder press, forging press and / or a forming press.
  • FIGS. 2 and 3 show two systems known in the prior art for safeguarding the set-up speed.
  • the constant pressure system includes a constant pressure source 15 for supplying hydraulic pressure. Furthermore, the constant pressure system in FIG. 3 includes directional control valve 18 for controlling the function of the hydraulic cylinder 10, for example the retraction and extension.
  • the safe set-up speed is secured via one or more fixed orifices 13, with or without set-up valves 14, 17.
  • the fixed orifices 13 bridge one or two simple or redundant safety valves 16 (load holding and / or pressure build-up valves).
  • the fixed apertures 13 are set for the maximum pressure occurring in the system and / or for the suspended load on the hydraulic cylinder.
  • a maximum pressure in the system is throttled through a fixed orifice 13 (parallel to the pressure build-up valve 16 behind the pump 15) before a pressure boost can occur due to unequal areas in the hydraulic cylinder.
  • several directional control valves must be bypassed.
  • the safety valve 16 which is connected between the directional valve 18 and the pump 15, must be bypassed.
  • the safety valve 16 separates the pressure build-up of the pump 15 from the constant pressure system in order to prevent a pressure build-up in the system.
  • a second safety valve 16 is between the hanging load on the ring side or the piston side of the hydraulic cylinder 10 and the directional control valve 18 are introduced.
  • the safety valve 16 secures the hydraulic cylinder from falling down due to the suspended load. To move the hydraulic cylinder, it is necessary to bypass these two safety valves or to open them accordingly. In setup mode and the necessary bridging of the safety valve 16, the safe setup speed must continue to be guaranteed. The movement of the hydraulic cylinder must not exceed a speed of 10 mm / s, for example.
  • the first safety valve 16 for securing the hydraulic pressure in the constant pressure system is bypassed via the parallel branch with the setting valve 17 or without the setting valve 17 and the fixed diaphragm 13.
  • the fixed diaphragm 13 is designed in such a way that, at a maximum pressure of the pump 15, the volume flow which runs over the fixed diaphragm 13 does not reach a speed higher than, for example, 10 mm / s at the hydraulic cylinder.
  • the fixed orifice 13 is therefore designed for the maximum pressure of the pump 15.
  • the volume flow can be provided via the setting valve 17 and the fixed orifice 13 and directed via the directional control valve 18.
  • the suspended load on the ring side or piston side of the hydraulic cylinder can move the hydraulic cylinder.
  • the suspended load and the hydraulic cylinder surface together create a certain pressure on the load side of the hydraulic cylinder.
  • the volume flow passes through the set-up valve 14 and the fixed orifice 13.
  • the fixed orifice 13 is designed in such a way that when the pressure is applied on the ring side due to the suspended load, the volume flow does not reach a speed higher than 10 mm / s.
  • the pump 15, which is secured via the safety valve 16 in front of the directional valve 18, via the setting valve 17 and the fixed panel 13, and the suspended load, which is protected via the safety valve 16, the setting valve 14 and the fixed panel 13, are the two sources can provide the energy and thus a pressure build-up for the constant pressure system.
  • the set-up speed can be safeguarded via a "Safe Limited Speed” (SLS) function in the motor control device 20 and the drive motor of the motor-pump unit 15 or, on the other hand, via a fixed panel 13, with or without additional Set-up valve 14.
  • SLS Safe Limited Speed
  • the energy is applied again, as already shown in FIG was achieved via safety valves and fixed panels, is connected in this system in the Motor control device 20 achieved by the function "Safe Torque Off” (STO).
  • STO Safe Torque Off
  • the motor control device cannot provide power to the motor-pump unit 15 for generating hydraulic power in the hydraulic system. In order to still be able to move the hydraulic cylinder, a volume flow must be fed to the system.
  • the volume flow can only be realized in that the motor control device 20 has a function which limits the speed of the motor pump unit 15 to a predetermined value, for example to a value for a speed of 10 mm / s.
  • This function corresponds to the above-mentioned SLS function.
  • the SLS function represents a special function in the engine control device 20. Rather, a safety-relevant engine control device 20 is required.
  • the SLS function is expensive and requires computing capacity.
  • the motor control device can make a certain computing power available, which is limited by the built-in hardware. A large part of the computing power that can be made available is reserved for the SLS function. Conversely, a necessary regulation can no longer be provided by the motor control device and further components are necessary, which increases the complexity of the control and also increases the costs
  • a protection according to the protection shown in FIG. 2 takes place for the second energy impression by means of the hanging load.
  • the suspended load acts on the second cylinder chamber 12.
  • the safety valve 16 or the safety valves 16, which shut off the hydraulic cylinder 10, so that the volume flow passes through the adjustment valve 14 and the fixed diaphragm 13, are safeguarded.
  • the fixed panel 13 is set to the pressure of the hanging load A possible lowering of the hydraulic cylinder above the hanging load is thus set via the fixed panel 13.
  • the hydraulic cylinder is moved by the SLS function, as well as via the fixed panel 13. For this movement, the fixed panel must 13 can no longer be interpreted. This is only designed for movement through the hanging load.
  • the fixed diaphragm would have to be designed in such a way that the pressure on the fixed diaphragm would correspond to the maximum pressure of the motor-pump unit.
  • the motor-pump unit has a pressure of 350 bar.
  • the fixed diaphragm would have to be designed for a very high pressure level and thus a very high energy level, the suspended load being in a pressure range of 10 bar to 20 bar. Due to the necessary design for a higher pressure, extreme losses would be generated in the system, for example, and thus energy would be destroyed.
  • a first aspect of the present invention comprises an electrohydrostatic system according to the invention with a hydraulic cylinder.
  • the hydraulic cylinder has a first cylinder chamber and a second cylinder chamber.
  • the electrohydrostatic system comprises a fluid-hydraulic supply device for providing a hydraulic fluid and a fluid-hydraulic motor-pump unit.
  • the fluid-hydraulic motor-pump unit is set up to provide a fluid-hydraulic volume flow for moving the hydraulic cylinder.
  • the electrohydrostatic system also includes an engine control device.
  • the motor control device is set up to provide a nominal current for an electrical drive of the fluid-hydraulic motor-pump unit.
  • the electrohydrostatic system is connected to at least one fluid-hydraulic safety valve, which is connected on a first valve side to one of the cylinder chambers or the second cylinder chamber of the hydraulic cylinder and on a second valve side to the fluid-hydraulic motor-pump unit. Furthermore, the electrohydrostatic system has a bypass connection with a fixed panel for bridging the at least one fluid-hydraulic safety valve. The bypass connection is connected to the first valve side and to the second valve side of the at least one fluid-hydraulic safety valve.
  • the electrohydrostatic system also has a pressure sensor.
  • the pressure sensor is connected to one of the cylinder chambers of the hydraulic cylinder, for example to the second cylinder chamber, and is set up to detect a fluid-hydraulic pressure at one of the cylinder chambers and, according to the detected fluid-hydraulic pressure, a release signal for the To provide a motor control device for providing the nominal current for the electrical drive of the fluid-hydraulic motor-pump unit.
  • the present invention is thus based on the knowledge that the motor control device for controlling the motor pump unit only needs the STO function, which prevents the introduction of energy into the system.
  • the SLS function of the motor control device is no longer required in the inventive embodiment of the electrohydrostatic system, whereby the set-up speed is not detected / monitored via the motor control device either.
  • the suspended load is secured by at least one safety valve and a fixed panel.
  • a pressure sensor is advantageously provided, for example on the ring side, which determines the pressure on the ring side for further processing.
  • the pressure on the fixed diaphragm is advantageously detected via the pressure sensor.
  • the suspended load is thus also secured via the fixed panel, in addition to a certain pressure.
  • the minimum that is secured includes the pressure (energy) impressed by the suspended load and a corresponding reserve, for example 20 bar. Accordingly, the evaluation of the pressure sensor must be set to the selected pressure.
  • this can include an increase in the speed of the hydraulic cylinder above a specified value, whereby the energy input into the motor-pump unit is switched off via the STO function of the motor control device.
  • the electrohydrostatic system comprises, in particular, a first safety device which is set up to receive an electrical signal corresponding to a detected fluid-hydraulic pressure from the pressure sensor and to provide a release signal for the motor control device for providing the rated current for the electrical drive of the fluid-hydraulic motor-pump unit.
  • the pressure can advantageously be detected via the pressure sensor.
  • the pressure sensor is monitored by the first safety device.
  • the first safety device can be designed as a safety PLC (programmable logic controller), in particular as a safety controller.
  • the pressure sensor or the value the determined pressure is read out via the first safety device, which monitors whether the system is still in safe setup mode.
  • the motor control device can also be addressed via the safety device, in particular the STO function can be controlled.
  • the hydraulic cylinder is designed as a differential cylinder, synchronous cylinder, multi-surface cylinder or as a separate cylinder arrangement.
  • different hydraulic cylinders can be addressed accordingly by the electrohydrostatic system according to the invention.
  • the fluid-hydraulic supply device comprises a pressure accumulator, a safety valve, a fluid source, at least one check valve and a fluid reservoir.
  • the fluid for the motor-pump unit is partially made available via the fluid-hydraulic supply device.
  • the pressure accumulator represents a storage device for pressurized fluid which can be discharged into the system.
  • the fluid reservoir represents a tank for the auxiliary unit, from which the fluid source can also be supplied.
  • a safe torque off safety function is provided via the motor control device.
  • the motor control device can be designed as a frequency converter.
  • the frequency converter can be designed as a converter which generates an alternating voltage of variable frequency and amplitude from an alternating voltage for the direct supply of the motor-pump unit.
  • the Safe Torque Off (STO) function is a drive-integrated safety function in the frequency converter.
  • the STO function ensures that no more torque-generating energy can act on a motor, in particular on the motor-pump unit, and that unwanted start-up is prevented.
  • the STO function is a device to avoid unexpected start-ups in accordance with EN 60204-1 section 5.4.
  • the impulses of a drive can be safely deleted via the STO function.
  • the drive is secured torque-free. This state can be monitored internally.
  • the pressure sensor is designed as a pressure sensor with increased functional safety.
  • the pressure sensor with increased functional safety is specially designed for use in safety circuits / safety functions in the context of the functional safety of machines and systems up to PL d-Kat 3 (according to ISO 13849 ) designed pressure sensor.
  • the pressure sensor with increased functional safety is designed with two channels, each channel consisting of a sensor element and evaluation electronics. Due to the redundant design, the pressure sensor generates increased functional Safety two separate, independent, pressure-proportional output signals. The output signal is thus available in redundant form.
  • a signal fails, a second signal is still available for processing, whereby the failure of a signal already initializes error handling.
  • the safety function and error handling can be checked by evaluating and comparing the two analog output signals in a first safety device.
  • the first safety device and the pressure sensor with increased functional safety are used to indirectly check whether the set-up speed of the hydraulic cylinder is exceeded or not. If the pressure rises above a certain value, a control signal is provided to the frequency converter via the first safety device in order to switch off the motor-pump unit.
  • a redundant arrangement with two parallel simple pressure sensors can be provided, which map the requirement for a pressure sensor with increased functional safety. These thus represent a pressure sensor arrangement with increased functional safety.
  • Usual or available pressure sensors can be used as pressure sensors for the pressure sensor arrangement.
  • the resistance of the fixed diaphragm has at least one value which is determined in the hydraulic cylinder by the pressure generated by a suspended load on the hydraulic cylinder.
  • the suspended load is thus also secured via the fixed panel. The safe set-up speed is guaranteed.
  • the fixed diaphragm can be designed for the pressure generated by the suspended load, plus a certain pressure.
  • the resistance of the fixed panel is set to a pressure for providing a set-up speed of the hydraulic cylinder in a range of 5 to 40 mm / s, preferably 10 mm / s.
  • This set pressure means that set-up speeds are rated as "safe" according to standardization guaranteed affordable.
  • the pressure sensor is connected to the second cylinder chamber of the hydraulic cylinder. This arrangement may be necessary depending on the cylinder arrangement, as shown above, the maximum pressure of the individual cylinder chambers, the area ratios on the cylinders, and energetic limitations in the set-up mode.
  • a fluid-hydraulic setup valve is switched in the bypass connection.
  • the setup mode can advantageously be switched on or off via this setup valve.
  • this set-up valve secures the cylinder against falling off due to its own weight and the force of attraction when the motor-pump unit is switched off.
  • a pressure limiting valve is switched in the bypass connection.
  • the setting valve can be replaced via the pressure limiting valve in combination with a check valve.
  • the pressure limiting valve can be used to set the direction of movement for which the set-up speed is to be set.
  • the pressure limiting valve can be selectively overpressured.
  • a check valve is connected in parallel to the pressure limiting valve.
  • a set-up valve can be replaced / saved via the check valve in combination with the pressure limiting valve.
  • the check valve in combination with the throttle valve enables load holding and the limited set-up speed during the extension of the hydraulic cylinder. During the retraction of the hydraulic cylinder, the pressure relief valve is bypassed via the branch of the check valve and the limited set-up speed is also achieved
  • the electrohydrostatic system comprises a second safety device comprising a path measuring system and / or a mechanical safety device.
  • the second safety device in combination with the first safety device, forms a redundant safety device. Should one of the two safety devices show a defect, the remaining safety device can guarantee the full safety of the system.
  • the second safety device can alternatively also be designed as a second hydraulic safety valve. In particular, the second safety device can correspond to the first safety device.
  • the path measuring system can provide information about the actual speed of the hydraulic cylinder. The speed determined via the distance measuring system can then be used to limit the same via the motor control device and the motor pump unit.
  • the determined pressure in combination with the defined resistance of the fixed diaphragm to the volume flow and thus the speed of the hydraulic cylinder is determined.
  • the displacement signal is used to determine the speed of the hydraulic cylinder, taking time into account.
  • a mechanical brake and / or a clamping device can be provided, for example, as mechanical safety.
  • the first cylinder chamber of the hydraulic cylinder is connected to the fluid-hydraulic motor-pump unit and the second cylinder chamber of the hydraulic cylinder is connected to the at least one fluid-hydraulic safety valve.
  • the first cylinder chamber of the hydraulic cylinder is with the connected to at least one fluid-hydraulic safety valve and the second cylinder chamber of the hydraulic cylinder with the fluid-hydraulic motor-pump unit.
  • a second aspect of the present invention comprises the use of the electrohydrostatic system according to the invention for controlling the set-up speed of a hydraulic cylinder in a powder press, forging press and / or forming press.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrohydrostatic system according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an electrohydrostatic system according to a second embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an electrohydrostatic system according to a third embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an electrohydrostatic system according to a fourth embodiment
  • 7 shows a schematic representation of an electrohydrostatic system according to a fifth embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an electrohydrostatic system according to a sixth embodiment
  • the electrohydrostatic system 1 has a hydraulic cylinder 10 with a first cylinder chamber 11 and a second cylinder chamber 12. Furthermore, the electrohydrostatic system 1 has a motor-pump unit 15 for supplying pressure and a supply device 90 for supplying fluid. In the embodiment shown in FIG. 1, the motor-pump unit 15 is connected to the first cylinder chamber 11 of the hydraulic cylinder 10 and the supply device 90 via a check valve 93 at a first connection. At a second connection, the motor-pump unit 15 has a connection to a safety valve 16, which is also connected to the second cylinder chamber 12 of the hydraulic cylinder 10.
  • the supply device 90 comprises a safety valve 91, a fluid source 92, a check valve 93, a pressure accumulator 95 and a fluid reservoir 96.
  • the electrohydrostatic system 1 has a motor control device 20, which can be designed as a frequency converter.
  • the electrohydrostatic system 1 has a pressure sensor 60, in particular a pressure sensor with increased functional safety.
  • the pressure sensor 60 provides a pressure value determined on the fixed panel 13 of a first safety device 30, preferably a safety PLC as a safety controller 30.
  • the first safety device 30 is electrically coupled to the motor control device 20 and forms an electrical signal from the safety device 30 in response to a to receive increased pressure corresponding to a setup speed outside of the requirement.
  • the frequency converter 20 preferably has a “safe torque off” (STO) function for switching off the torque of the motor-pump unit in order to set the set-up speed in accordance with the requirements.
  • STO safety torque off
  • the present invention is characterized by the pressure sensor with increased functional safety.
  • two pressure sensors of a simple design can be used in redundant combination, in which an evaluation of the signals provided is implemented analogously to the pressure sensor with increased functional safety.
  • a simple pressure sensor without a redundant design can be used and evaluated.
  • the pressure sensor (s) 60 in the embodiment, as well as in the alternative embodiment as shown above, can be introduced into the electrohydrostatic system 1 on the first cylinder chamber 11 and / or the second cylinder chamber 12 of the hydraulic cylinder 10.
  • the hydraulic cylinder 10 can be used as a differential cylinder, as a synchronous cylinder Multi-surface cylinders or can be used as an exploded cylinder arrangement.
  • An unintentional build-up of pressure in the electrohydrostatic system 1 can be safeguarded via the STO safety function of the frequency converter 20 and the motor-pump unit 15.
  • the safety against a drop in the suspended load can be ensured by means of one or a plurality of safety-relevant valves 16.
  • the setting of the safe speed in the setup process takes place via the fixed screen 13.
  • the fixed screen 13 represents a bypass of the safety valve 16 and is connected to the second cylinder chamber 12 of the hydraulic cylinder 10 and the motor-pump unit 15 or the supply device 90.
  • the fixed panel 13 has a connection to the pressure sensor 60 with increased functional safety.
  • the fixed screen 13 is designed without an additional set-up valve.
  • the pressure difference for which the fixed screen 13 is designed is set by the pressure sensor 60 with increased functional safety as an upper limit in the set-up mode. If this specified pressure value is exceeded, the first safety device 30 triggers the STO safety function of the frequency converter 20. When the STO safety function is triggered, the safe setup speed is not exceeded.
  • a safe set-up speed can be achieved, although pressure differences occur in the hydraulic chambers due to unequal areas or other reasons. Thus, no pressure limiting device is overpressed and the maximum
  • Set-up speed limited The set-up speed is specified by the speed and / or the delivery volume of the variable-speed motor pump unit 15, whereby the maximum set-up speed can be freely determined by the resistor and the pressure sensor 60 with increased functional reliability between the pressure of the suspended load and the maximum pressure of the pressure relief valves .
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an electrohydrostatic system 1 according to a second embodiment.
  • the electrohydrostatic system 1 is extended by a setting valve 14 in the bypass connection of the safety valve 16 or the safety valves 16 with reference to the embodiment of FIG. 1.
  • the setting valve 14 is between the fixed diaphragm 13 and the second cylinder chamber 12 of the hydraulic cylinder 10 introduced.
  • the pressure sensor 60 with increased functionality determines the pressure on the fixed panel 13 via the setting valve 14.
  • the setting mode can be switched on and off via the setting valve 14.
  • the hydraulic cylinder can be prevented from sagging due to its own weight in the event of a failure of the motor-pump unit 15.
  • Electrohydrostatic system 1 expanded by a pressure limiting valve 70 in the bypass connection of the safety valve 16 or the safety valves 16 with reference to the embodiment of FIG. 1.
  • the pressure limiting valve 70 is placed between the fixed orifice 13 and the second cylinder chamber 12 of the hydraulic cylinder 10.
  • the pressure sensor 60 with increased functionality determines the pressure at the fixed orifice 13 via the pressure limiting valve 70.
  • the pressure limiting valve 70 serves as a load-holding valve to prevent the piston of the hydraulic cylinder 10 from dropping to be avoided by its own weight.
  • the pressure limiting valve 70 can be set up in the extending direction of the hydraulic cylinder 10.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of an electrohydrostatic system 1 according to a fourth embodiment.
  • the electrohydrostatic system 1 is expanded to include a pressure limiting valve 80 in the bypass connection of the safety valve 16 or the safety valves 16 with reference to the embodiment of FIG. 1.
  • the pressure limiting valve 80 is inserted between the fixed orifice 13 and the second cylinder chamber 12 of the hydraulic cylinder 10.
  • the pressure sensor 60 with increased functionality determines the pressure at the fixed orifice 13 via the pressure limiting valve 80.
  • a check valve 81 is provided in a bypass connection to the pressure limiting valve 80.
  • the pressure limiting valve 80 serves as a load holding valve in order to prevent the piston of the hydraulic cylinder 10 from sinking under its own weight.
  • the function of the setting valve 14 is replaced by the pressure holding valve 80 in combination with the check valve 81.
  • the pressure relief valve 80 is adjusted to the suspended load
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of an electrohydrostatic system 1 according to a fifth embodiment.
  • the pressure sensor 60 is connected with increased functional safety to the cylinder chamber of the hydraulic cylinder 10, which has no connection to the safety valve 16.
  • the exact position of the pressure sensor 60 with increased functionality can be selected as a function of the overall system and thus the alignment and type of hydraulic cylinder, further axes that can overpress this axis and / or the acting weight. This enables a safe set-up speed to be provided for each system in an efficient and flexible manner.
  • the electrohydrostatic system 1 additionally has a second safety device 50.
  • the second safety device 50 can be a distance measuring system and / or a mechanical safety device include. Redundant security can be provided by the second safety device 50 in combination with the first safety device 30. A defect in one of the two safety devices 30, 50 can be compensated for by the other functional safety device 30, 50, whereby full safety is guaranteed.
  • the second safety device 50 can also be designed as a second hydraulic safety valve 16.
  • the path measuring system supplies information about the actual speed of movement of the hydraulic cylinder 10 with increased functional safety.
  • the determined actual speed of movement can be used to limit the same via the frequency converter 20 in combination with the motor-pump unit 15.
  • the path signal is derived over time.
  • the mechanical safety can be set up using a mechanical brake and / or clamping device. This increases the safety of the electrohydrostatic system 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrohydrostatisches System mit einem Hydraulikzylinder umfassend eine erste Zylinderkammer und eine zweite Zylinderkammer. Weiterhin weist das elektrohydrostatische System eine fluidhydraulische Versorgungseinrichtung zum Bereitstellen eines hydraulischen Fluides, eine fluidhydraulische Motorpumpeneinheit, eingerichtet einen fluidhydraulischen Volumenstrom zum Bewegen des Hydraulikzylinders bereitzustellen auf. Eine Motorsteuervorrichtung ist eingerichtet einen Nennstrom für einen elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit bereitzustellen. Zudem weist das elektrohydrostatische System wenigstens ein fluidhydraulisches Sicherheitsventil auf, welches an einer ersten Ventilseite mit einer der Zylinderkammern des Hydraulikzylinders und an einer zweiten Ventilseite mit der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit verbunden ist. Über eine Bypassverbindung mit einer Festblende kann das fluidhydraulische Sicherheitsventil überbrückt werden, wobei die Bypassverbindung mit der ersten Ventilseite und mit der zweiten Ventilseite des wenigstens einen fluidhydraulischen Sicherheitsventils verbunden ist. Zudem weist das elektrohydrostatische System einen Drucksensor auf, welcher mit einer der Zylinderkammern des Hydraulikzylinders verbunden ist. Der Drucksensor ist eingerichtet einen fluidhydraulischen Druck an einer der Zylinderkammern zu detektieren und entsprechend dem detektierten fluidhydraulischen Druck ein Freigabesignal für die Motorsteuervorrichtung zum Bereitstellen des Nennstroms für den elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit bereitzustellen.

Description

Elektrohydrostatisches System mit Drucksensor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrohydrostatisches System zum Steuern der Einrichtgeschwindigkeit eines Hydraulikzylinders beispielsweise in einer Pulverpresse, Schmiedepresse und/oder einer Umformpresse.
Systeme zum Steuern der Einrichtgeschwindigkeit von Hydraulikzylindern in Pressen sind im Stand der Technik bekannt In den Figuren 2 und 3 werden zwei im Stand der Technik bekannte Systeme zum Absichern der Einrichtgeschwindigkeit dargestellt.
In der Figur 3 ist ein klassisches Hydrauliksystem, insbesondere eine Konstantdrucksystem dargestellt. Das Konstantdrucksystem umfasst zur Versorgung für hydraulischen Druck eine Konstantdruckquelle 15. Weiterhin umfasst das Konstantdrucksystem der Figur 3 Wegeventil 18 zur Steuerung der Funktion des Hydraulikzylinders 10, beispielsweise das Einfahren und Ausfahren. Die sichere Einrichtgeschwindkeitwird über ein oder mehrere Festblenden 13, mit oder ohne Einrichtventil 14, 17 abgesichert Die Festblenden 13 überbrücken ein oder zwei einfach oder redundant ausgeführte Sicherheitsventile 16 (Lasthalte- und/oder Druckaufbauventile). Eingestellt sind die Festblenden 13 für den maximalen im System auftretenden Druck und/oder auf die hängende Last am Hydraulikzylinder. Hierbei wird ein maximaler Druck im System über eine Festblende 13 (parallel zum Druckaufbauventile 16 hinter der Pumpe 15) abgedrosselt, bevor eine Druckübersetzung aufgrund von ungleichen Flächen im Hydraulikzylinder auftreten kann. Um die sichere Einrichtgeschwindigkeit in dem Konstantdrucksystem zu gewährleisten, müssen mehrere Wegeventile umgangen werden. Zunächst muss das Sicherheitsventil 16, welches zwischen dem Wegeventil 18 und der Pumpe 15 geschaltet ist umgangen werden. Das Sicherheitsventil 16 trennt den Druckaufbau der Pumpe 15 von dem Konstantdrucksystem, um einen Druckaufbau in dem System zu unterbinden. Ein zweites Sicherheitsventil 16 ist zwischen der hängenden Last auf der Ringseite oder der Kolbenseite des Hydraulikzylinders 10 und dem Wegeventil 18 eingebracht. Das Sicherheitsventil 16 sichert den Hydraulikzylinder vor dem herunterfallen durch die hängende Last ab. Für eine Bewegung des Hydraulikzylinders ist es notwendig, diese beiden Sicherheitsventile zu überbrücken oder entsprechend zu öffnen. Bei Einrichtbetrieb und dem dafür notwendigen Überbrücken des Sicherheitsventils 16 muss die sichere Einrichtgeschwindkeit weiterhin gewährleistet werden. Dabei darf die Bewegung des Hydraulikzylinder eine Geschwindigkeit von beispielsweise 10 mm/s nicht überschreiten.
Hierzu wird das erste Sicherheitsventil 16 zum Absichern des Hydraulikdrucks in dem Konstantdrucksystem über den parallelen Zweig mit dem Einrichtventil 17 oder ohne Einrichtventil 17 und der Festblende 13 umgangen. Die Festblende 13 ist derart ausgelegt, dass bei einem maximalen Druck der Pumpe 15 der Volumenstrom, welcher über die Festblende 13 verläuft, keine höhere Geschwindigkeit als beispielsweise 10 mm/s am Hydraulikzylinder erreicht. Somit ist die Festblende 13 auf den maximalen Druck der Pumpe 15 ausgelegt Für das Verfahren des Hydraulikzylinders kann der Volumenstrom über das Einrichtventil 17 und der Festblende 13 bereitgestellt und über das Wegeventil 18 gelenkt werden.
In einem weiteren Fall kann die hängende Last an der Ringseite oder Kolbenseite des Hydraulikzylinders den Hydraulikzylinder bewegen. Die hängende Last und die Hydraulikzylinderfläche zusammen erzeugen einen bestimmten Druck auf der Lastseite des Hydraulikzylinders. Durch das Schließen des Sicherheitsventils 16 verläuft der Volumenstrom über das Einrichtventil 14 und die Festblende 13. Die Festblende 13 ist derart ausgebildet, dass bei dem anliegenden Druck auf der Ringseite durch die hängende Last, der Volumenstrom keine höhere Geschwindigkeit als 10 mm/s erreicht.
Somit sind die Pumpe 15, welche über das Sicherheitsventil 16 vor dem Wegeventil 18, über das Einrichtventil 17 und die Festblende 13 abgesichert ist und die hängende Last, welche über das Sicherheitsventil 16, Einrichtventil 14 und die Festblende 13 abgesichert ist, die zwei Quellen, die Energie und somit einen Druckaufbau für das Konstantdrucksystem bereitstellen können.
In dem in der Figur 2 dargestellten elektrohydrostatisches Aktuator System kann eine Absicherung der Einrichtgeschwindigkeit dahingehend über eine „Safe Limited Speed" (SLS) - Funktion in der Motorsteuervorrichtung 20 und dem Antriebsmotor der Motorpumpeneinheit 15 oder zum anderen über ein Festblende 13, mit oder ohne zusätzlichen Einrichtventil 14 eingestellt werden. In dem dargestellten elektrohydrostatischen Aktuator System erfolgt die Energieeinprägung wieder, wie bereits zu Figur 3 dargestellt, über zwei Energiearten. Über die Motorpumpeneinheit 15 erfolgt der Druckaufbau. Die Sicherheit gegen Druckaufbau im Fehlerfall durch die Pumpe 15, welche in dem Konstantdrucksystem über Sicherheitsventile und Festblenden erzielt wurde, wird in diesem System in der angeschlossenen Motorsteuervorrichtung 20 durch die Funktion „Safe Torque Off' (STO) erzielt. Durch diese Funktion kann die Motorsteuervorrichtung keine Energie für die Motorpumpeneinheit 15 zum Erzeugen von hydraulischer Leistung in dem Hydrauliksystem bereitstellen. Um den Hydraulikzylinder trotzdem Verfahren zu können, muss ein Volumenstrom dem System zugeführt werden. Der Volumenstrom kann dabei nur realisiert werden, indem die Motorsteuervorrichtung 20 eine Funktion aufweist, die die Drehzahl der Motorpumpeneinheit 15 auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, beispielsweise auf einen Wert für eine Geschwindigkeit von 10 mm/s. Diese Funktion entspricht der o.g. SLS - Funktion. Die SLS - Funktion stellt eine Sonderfunktion in der Motorsteuervorrichtung 20 dar. Vielmehr wird eine sicherheitsrelevante Motorsteuervorrichtung 20 benötigt. Die SLS - Funktion ist kostenintensiv und beansprucht Rechenkapazität. Die Motorsteuervorrichtung kann eine bestimmte Rechenleistung zur Verfügung stellen, welche durch die verbaute Hardware begrenzt ist Ein großer Teil der zur Verfügung stellbaren Rechenleistung wird für die SLS - Funktion reserviert. Im Umkehrschluss kann eine notwendige Regelung nicht mehr durch die Motorsteuervorrichtung bereitgestellt werden und weitere Komponenten sind notwendig, was die Komplexität der Steuerung, sowie zusätzlich die Kosten erhöht
In dem weiteren Fall erfolgt für die zweite Energieeinprägung mittels der hängenden Last eine Absicherung gemäß der in Figur 2 dargestellten Absicherung. Die hängende Last wirkt hierbei auf der zweiten Zylinderkammer 12. Die Absicherung erfolgt über das Sicherheitsventil 16 oder die Sicherheitsventile 16, welche entsprechend den Hydraulikzylinder 10 absperren, womit der Volumenstrom über das Einrichtventil 14 und der Festblende 13 verläuft. Die Festblende 13 ist auf den Druck der hängenden Last eingestellt Ein mögliches Absinken des Hydraulikzylinders über die hängende Last wird somit über die Festblende 13 eingestellt Ein Bewegen des Hydraulikzylinders erfolgt durch die SLS - Funktion, sowie über die Festblende 13. Für diese Bewegung muss die Festblende 13 nicht mehr ausgelegt werden. Diese ist nur für die Bewegung durch die hängende Last ausgelegt.
Nachteilig bei den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Systemen ist, dass in dem elektrohydrostatisches Aktuator System die SLS - Funktion notwendig ist, welche Kostenintensiv ist und die einen Großteil der durch die Motorsteuervorrichtung zur Verfügung gestellte Rechenleistung reserviert, womit weiteren Funktionen nur begrenzt oder nicht ausgeführt werden können. Das Konzept des klassischen Hydrauliksystems kann nicht für ein elektrohydrostatisches System, wie es in der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist eingesetzt werden, da die Energieeinprägung in das System durch die Pumpe 15 erfolgt. Um das klassische Hydrauliksystem elektrohydrostatisch auszulegen, müssten umfangreiche Änderungen vorgenommen werden, welche das System ineffizient und kostenintensiv gestalten. Für so eine Auslegung müsste beispielsweise in dem Zweig von der Pumpe zur Kolbenkammer 11 des Hydraulikzylinder 10 ein entsprechendes Sicherheitsventil und ein entsprechendes Umgehungsventil mit einer Festblende vorgesehen werden. Dies hat den technischen Nachteil, dass sich eine große Kolbenfläche ergibt, womit die Ventile entsprechend groß ausgelegt werden müssen und somit sehr teuer sind und die entsprechende Anpassung wirtschaftlich nicht rentabel ist. Die Festblende müsste derart ausgelegt werden, dass der Druck an der Festblende dem maximalen Druck der Motorpumpeneinheit entsprechen würde. In der Regel weist die Motorpumpeneinheit einen Druck von 350 bar auf. Diesbezüglich müsste die Festblende auf ein sehr hohes Druckniveau und somit auf ein sehr hohes energetisches Niveau ausgelegt werden, wobei die hängende Last in einem Druckbereich von 10 bar bis 20 bar liegt. Durch die notwendige Auslegung auf einen höheren Druck, würden beispielsweise extreme Verluste in dem System erzeugt und somit Energie vernichtet.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Mechanismus zum Bereitstellen einer gesicherten Einrichtgeschwindigkeit. Ausgehend vom aufgezeigten Stand der Technik und dem sich daraus ergebenden Bedarf, hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt, eine Lösung zu schaffen, die die im Stand der Technik bekannten Nachteile zu mindestens teilweise überwindet
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein erfindungsgemäßes elektrohydrostatisches System mit einem Hydraulikzylinder. Der Hydraulikzylinder weist eine erste Zylinderkammer und eine zweite Zylinderkammer auf. Weiterhin umfasst das elektrohydrostatische System eine fluidhydraulische Versorgungseinrichtung zum Bereitstellen eines hydraulischen Fluides und eine fluidhydraulische Motorpumpeneinheit. Die fluidhydraulische Motorpumpeneinheit ist eingerichtet, um einen fluidhydraulischen Volumenstrom zum Bewegen des Hydraulikzylinders bereitzustellen. Zudem umfasst das elektrohydrostatische System eine Motorsteuervorrichtung. Die Motorsteuervorrichtung ist eingerichtet, um einen Nennstrom für einen elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit bereitzustellen. Ferner ist das elektrohydrostatische System wenigstens mit einem fluidhydraulischen Sicherheitsventil verbunden, welches an einer ersten Ventilseite mit einer der Zylinderkammern bzw. der zweiten Zylinderkammer des Hydraulikzylinders und an einer zweiten Ventilseite mit der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit verbunden ist. Weiterhin weist das elektrohydrostatische System eine Bypassverbindung mit einer Festblende zum Überbrücken des wenigstens eines fluidhydraulischen Sicherheitsventils auf. Dabei ist die Bypassverbindung mit der ersten Ventilseite und mit der zweiten Ventilseite des wenigstens eines fluidhydraulischen Sicherheitsventils verbunden. Ferner weist das elektrohydrostatische System einen Drucksensor auf. Der Drucksensor ist mit einer der Zylinderkammern des Hydraulikzylinders, beispielsweise mit der zweiten Zylinderkammer verbunden und eingerichtet einen fluidhydraulischen Druck an einer der Zylinderkammern zu detektieren und entsprechend dem detektierten fluidhydraulischen Druck ein Freigabesignal für die Motorsteuervorrichtung zum Bereitstellen des Nennstroms für den elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit bereitzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Kenntnis zugrunde, dass die Motorsteuervorrichtung zum Ansteuern der Motorpumpeneinheit nur die STO - Funktion benötigt, welche die Einbringung von Energie in das System verhindert Die SLS - Funktion der Motorsteuervorrichtung wird in der erfinderischen Ausgestaltung des elektrohydrostatischen Systems nicht mehr benötigt, womit die Einrichtgeschwindigkeit auch nicht über die Motorsteuervorrichtung detektiert/überwacht wird. Zudem ist die hängende Last über wenigstens ein Sicherheitsventil und eine Festblende abgesichert. In vorteilhafter Weise ist ein Drucksensor, beispielsweise auf der Ringseite vorgesehen, welcher den Druck an der Ringseite zur weiteren Verarbeitung ermittelt Über den Drucksensor wird in vorteilhafter Weise der Druck an der Festblende detektiert. Steigt der Druck an der Ringseite über den Druck, für den die Festblende ausgelegt an, wird ein entsprechendes Signal ausgewertet und über die Motorsteuervorrichtung erfolgt eine entsprechende Ansteuerung der Motorpumpeneinheit Das elektrohydrostatische System kann in Folge des detektierten Druckanstiegs angehalten werden. In der erfinderischen Ausgestaltung ist somit über die Festblende auch die hängende Last abgesichert, zuzüglich zu einem bestimmten Druck. Beispielsweise umfasst das Mindestmaß, welches abgesichert ist, den Druck (Energie) der über die hängende Last eingeprägt und eine entsprechende Reserve, beispielsweise 20 bar. Dementsprechend muss die Auswertung des Drucksensors auf den gewählten Druck eingestellt sein. Steigt der Druck an der Festblende über einen entsprechenden Wert, kann das einen Anstieg der Geschwindigkeit des Hydraulikzylinders über einen festgelegten Wert beinhalten, wodurch die Energieeinbringung in die Motorpumpeneinheit über die STO - Funktion der Motorsteuervorrichtung abgeschaltet wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
In einer Ausführungsform umfasst das elektrohydrostatische System insbesondere eine erste Sicherheitsvorrichtung, welche eingerichtet ist ein elektrisches Signal entsprechend einem detektierten fluidhydraulischen Druck von dem Drucksensor zu empfangen und ein Freigabesignal für die Motorsteuervorrichtung zum Bereitstellen des Nennstroms für den elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit bereitzustellen. In vorteilhafter Weise kann der Druck über den Drucksensor detektiert werden. Der Drucksensor wird durch die erste Sicherheitsvorrichtung überwacht In einer Ausführungsform kann die erste Sicherheitsvorrichtung als eine Sicherheits-SPS (speicherprogrammierbare Steuerung), insbesondere als eine Sicherheitssteuerung ausgebildet sein. Der Drucksensor bzw. der Wert des ermittelten Druckes wird über die erste Sicherheitsvorrichtung ausgelesen, welche überwacht, ob sich das System noch im sicheren Einrichtbetrieb befindet. Über die Sicherheitsvorrichtung kann ferner die Motorsteuervorrichtung angesprochen werden, insbesondere kann die STO-Funktion gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Hydraulikzylinder als ein Differentialzylinder, Gleichgangzylinder, Mehrflächenzylinder oder als eine aufgelöste Zylinderanordnung ausgebildet In vorteilhafter Weise können durch das erfindungsgemäße elektrohydrostatische System unterschiedliche Hydraulikzylinder entsprechend angesprochen werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die fluidhydraulische Versorgungseinrichtung, einen Druckspeicher, ein Sicherheitsventil, eine Fluidquelle, wenigstens ein Rückschlagventil und eine Fluidreservoir. Über die fluidhydraulische Versorgungseinrichtung wird teilweise das Fluid für die Motorpumpeneinheit zur Verfügung gestellt Der Druckspeicher stellt eine Speichervorrichtung von unter Druck befindlichem Fluid dar, welches in das System abgegeben werden kann. Das Fluidreservoir stellt einen Tank für des Hilfsaggregats dar, aus dem auch die Fluidquelle versorgt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird über die Motorsteuervorrichtung eine Safe Torque Off - Sicherheitsfunktion bereitstellt Die Motorsteuervorrichtung kann als ein Frequenzumrichter ausgebildet sein. Der Frequenzumrichter kann als ein Stromrichter ausgebildet sein, der aus einer Wechselspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung für die direkte Versorgung der Motorpumpeneinheit generiert. Die Safe Torque Off (STO) - Funktion ist eine in den Frequenzumrichter antriebsintegrierte Sicherheitsfunktion. Über die STO - Funktion wird gewährleistet, dass an einem Motor, insbesondere an der Motorpumpeneinheit keine drehmomentbildende Energie mehr wirken kann und ein ungewollter Anlauf verhindert wird. Die STO - Funktion ist eine Einrichtung zur Vermeidung von unerwartetem Anlauf nach EN 60204-1 Abs. 5.4. Über die STO - Funktion können die Impulse eines Antriebes sicher gelöscht werden. Der Antrieb ist gesichert drehmomentfrei. Dieser Zustand kann intern überwacht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensor als ein Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit ausgebildet Der Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit ist ein speziell für den Einsatz in Sicherheitskreisen / Sicherheitsfunktionen im Rahmen der funktionalen Sicherheit von Maschinen und Anlagen bis PL d-Kat 3 (gemäß ISO 13849) konzipierter Drucksensor. Der Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit ist zweikanalig ausgelegt, wobei jeder Kanal aus einem Sensorelement und einer Auswerteelektronik besteht. Aufgrund der redundanten Auslegung erzeugt der Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit zwei separate, voneinander unabhängige, druckproportionale Ausgangssignale. Das Ausgangssignal steht somit in redundanter Form zur Verfügung. Sollte ein Signal ausfallen, steht immer noch ein zweites Signal zur Verarbeitung zur Verfügung, wobei der Ausfall eines Signals bereits eine Fehlerbehandlung initialisiert Eine Prüfung der Sicherheitsfunktion, sowie die Fehlerbehandlung kann durch Auswertung und Vergleich der beiden analogen Ausgangssignale in einer ersten Sicherheitsvorrichtung erfolgen. Über die erste Sicherheitsvorrichtung und über den Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit wird indirekt geprüft, ob die Einrichtgeschwindigkeit des Hydraulikzylinders überschritten wird oder nicht. Steigt der Druck über einen bestimmten Wert, wird über die erste Sicherheitsvorrichtung eine Steuersignal an den Frequenzumrichter zum Abschalten der Motorpumpeneinheit bereitgestellt.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine redundante Anordnung mit zwei parallelen einfachen Drucksensoren vorgesehen werden, welche die Anforderung an einen Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit abbilden. Diese stellen somit eine Drucksensoranordnung mit erhöhter fünktionaler Sicherheit dar. Als Drucksensoren für die Drucksensoranordnung können gewöhnliche bzw. verfügbare Drucksensoren verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Widerstand der Festblende wenigstens einen Wert auf, welcher in dem Hydraulikzylinder durch eine hängende Last an dem Hydraulikzylinders erzeugten Druck bestimmt wird. In der erfinderischen Ausgestaltung ist somit über die Festblende auch die hängende Last abgesichert. Die sichere Einrichtgeschwindigkeit wird gewährleistet. Die Festblende kann auf den durch die hängende Last erzeugten Druck, zuzüglich zu einem bestimmten Druck ausgelegt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Widerstand der Festblende auf einen Druck für das Bereitstellen einer Einrichtgeschwindigkeit des Hydraulikzylinders in einem Bereich von 5 bis 40 mm/s bevorzugt von 10 mm/s eingestellt Durch diesen eingestellten Druck sind gemäß der Normung als „sicher" bewertete Einrichtgeschwindigkeiten gewähr leistbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensor mit der zweiten Zylinderkammer des Hydraulikzylinders verbunden. Diese Anordnung kann je nach Zylinderanordnung, wie oben dargestellt, Maximaldruck der einzelnen Zylinderkammern, Flächenverhältnissen an den Zylindern, sowie energetischen Begrenzungen im Einrichtbetrieb notwendig sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist in der Bypassverbindung ein fluidhydraulisches Einrichtventil geschaltet In vorteilhafter Weise lässt sich über dieses Einrichtventil der Einrichtbetrieb einschalten bzw. ausschalten. Zudem sichert dieses Einrichtventil den Zylinder gegen ein Abfallen aufgrund des Eigengewichtes und der Anziehungskraft ab, wenn die Motorpumpeneinheit ausgeschaltet wird. In einer weiteren Ausführungsform ist in der Bypassverbindung ein Druckbegrenzungsventil geschaltet Über das Druckbegrenzungsventil in Kombination mit einem Rückschlagventil kann das Einrichtventil ersetzt werden. Zudem kann über das Druckbegrenzungsventil eingestellt werden, für welche Bewegungsrichtung die Einrichtgeschwindigkeit einzustellen ist Das Druckbegrenzungsventil kann in der Ausgestaltung als ein Lasthalteventil eingesetzt werden, um eine Bewegung des Zylinders durch das Eigengewicht und die Anziehungskraft abzuschalten. In einer weiteren Ausgestaltung kann das Druckbegrenzungsventil gezielt überdrückt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zu dem Druckbegrenzungsventil ein Rückschlagventil geschaltet Über das Rückschlagventil in Kombination mit dem Druckbegrenzungsventil kann ein Einrichtventil ersetzt/eingespart werden. Zudem ermöglicht das Rückschlagventil während des Ausfahrens des Hydraulikzylinder in Kombination mit dem Drosselventil die Lasthaltung und die begrenzte Einrichtgeschwindkeit. Während des Einfahrens des Hydraulikzylinders wird über den Zweig des Rückschlagventils das Druckbegrenzungsventil umgangen und ebenfalls die begrenzte Einrichtgeschwindigkeit erzielt
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das elektrohydrostatische System eine zweite Sicherheitsvorrichtung umfassend ein Wegemesssystem und/oder eine mechanische Sicherheit. Die zweite Sicherheitsvorrichtung bildet in Kombination mit der ersten Sicherheitsvorrichtung eine redundante Sicherheitsvorrichtung aus. Sollte eine der beiden Sicherheitsvorrichtungen einen Defekt aufweisen, kann die verbleibende Sicherheitsvorrichtung die volle Sicherheit des Systems gewährleisten. Die zweite Sicherheitsvorrichtung kann alternativ auch als ein zweites hydraulisches Sicherheitsventil ausgebildet sein. Insbesondere kann die zweite Sicherheitsvorrichtung der ersten Sicherheitsvorrichtung entsprechen. Das Wegemesssystem kann alternativ zum Drucksensor eine Information über die tatsächliche Geschwindigkeit des Hydraulikzylinder bereitstellen. Die über das Wegemesssystem ermittelte Geschwindigkeit kann dann zum Begrenzen derselben über die Motorsteuervorrichtung und die Motorpumpeneinheit verwendet werden. Bei dem Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit wird über den ermittelten Druck in Kombination mit dem definierten Widerstand der Festblende auf den Volumenstrom und somit die Geschwindigkeit des Hydraulikzylinders ermittelt. Bei dem Wegemesssystem wird über das Wegsignal unter Berücksichtigung der Zeit die Geschwindigkeit des Hydraulikzylinders ermittelt Als mechanische Sicherheit kann beispielsweise eine mechanische Bremse und/oder eine Klemmvorrichtung vorgesehen sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Zylinderkammer des Hydraulikzylinders mit der fluidhydraulische Motorpumpeneinheit verbunden und die zweite Zylinderkammer des Hydraulikzylinders mit dem wenigstens einem fluidhydraulischen Sicherheitsventil. In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Zylinderkammer des Hydraulikzylinders mit dem wenigstens einem fluidhydraulischen Sicherheitsventil verbunden und die zweite Zylinderkammer des Hydraulikzylinders mit der fluidhydraulische Motorpumpeneinheit. Die genaue Position zum Einbringen des Drucksensors in das System ist abhängig von der Ausgestaltung des Gesamtsystems. Insbesondere von der Ausrichtung und der Art des eingesetzten Hydraulikzylinders, sowie weiteren Achsen die die eingesetzte Achse Überdrücken können und/oder die Gewichtskraft.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Verwendung des erfindungsgemäßen elektrohydrostatischen Systems zum Steuern der Einrichtgeschwindigkeit eines Hydraulikzylinders in einer Pulverpresse, Schmiedepresse und/oder Umformpresse.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen erläutert, wobei daraufhingewiesen wird, dass durch diese Beispiele Abwandlungen beziehungsweise Ergänzungen, wie sie sich für den Fachmann unmittelbar ergeben, mit umfasst sind. Darüber hinaus stellen diese bevorzugten Ausführungsbeispiele keine Beschränkung der Erfindung in der Art dar, dass Abwandlungen und Ergänzungen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche, und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Dabei zeigen:
Fig 1 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig 2 eine schematische Darstellung eines im Stand der Technik bekannten elektrohydrostatischen Systems;
Fig 3 eine schematische Darstellung eines im Stand der Technik bekannten klassisches Hydrauliksystems;
Fig 4 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig 5 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer dritten Ausführungsform;
Fig 6 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer vierten Ausführungsform; Fig.7 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer fünften Ausführungsform;
Fig, 8 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer sechsten Ausführungsform;
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das elektrohydrostatische System 1 weist einen Hydraulikzylinder 10 mit einer ersten Zylinderkammer 11 und einer zweiten Zylinderkammer 12 auf. Weiterhin weist das elektrohydrostatische System 1 eine Motorpumpeneinheit 15 zur Druckversorgung und eine Versorgungseinrichtung 90 zur Fluidversorgung auf. Die Motorpumpeneinheit 15 ist an einem ersten Anschluss in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform mit der ersten Zylinderkammer 11 des Hydraulikzylinders 10 und der Versorgungseinrichtung 90 über ein Rückschlagventil 93 verbunden. An einem zweiten Anschluss weist die Motorpumpeneinheit 15 eine Verbindung zu einem Sicherheitsventil 16 auf, das weiterhin mit der zweiten Zylinderkammer 12 des Hydraulikzylinders 10 verbunden ist Die Versorgungseinrichtung 90 umfasst ein Sicherheitsventil 91, eine Fluidquelle 92, ein Rückschlagventil 93, einen Druckspeicher 95 und ein Fluidreservoir 96. Ferner weist das elektrohydrostatische System 1 Motorsteuervorrichtung 20 auf, welche als ein Frequenzumrichter ausgebildet sein kann. Zudem weist das elektrohydrostatische System 1 einen Drucksensor 60, insbesondere einen Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit auf. Der Drucksensor 60 stellt einen an demr Festblende 13 ermittelten Druckwert einer ersten Sicherheitsvorrichtung 30, vorzugsweise eine Sicherheits-SPS als eine Sicherheitssteuerung 30 bereit Die erste Sicherheitsvorrichtung 30 ist mit der Motorsteuervorrichtung 20 elektrisch gekoppelt und ausgebildet ein elektrisches Signal von der Sicherheitsvorrichtung 30 als Antwort auf einen erhöhten Druck, der einer Einrichtgeschwindigkeit außerhalb der Anforderung entspricht, zu empfangen. Vorzugsweise weist der Frequenzumrichter 20 eine „Safe torque off' (STO) - Funktion für das Abschalten des Drehmomentes der Motorpumpeneinheit auf, um die Einrichtgeschwindigkeit gemäß den Anforderungen einzustellen. Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch den Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit Alternativ können zwei Drucksensoren einfacher Bauart in redundanter Kombination eingesetzt werden, bei der eine Auswertung der bereitgestellten Signale sinngemäß dem Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit implementiert ist. Alternativ kann ein Drucksensore einfacher Bauart ohne redundante Ausführung eingesetzt und ausgewertet werden. Der/Die Drucksensoren 60 in den Ausführungsform, sowie in der alternativen Ausführungsform wie oben dargestellt, können auf der ersten Zylinderkammer 11 und/oder der zweiten Zylinderkammer 12 des Hydraulikzylinders 10 in das elektrohydrostatischen Systems 1 eingebracht werden. Der Hydraulikzylinder 10 kann als ein Differentialzylinder, als ein Gleichgangzylinder, ein Mehrflächenzylinder oder als eine aufgelöste Zylinderanordnung verwendet werden. Ein unbeabsichtigter Druckaufbau im elektrohydrostatischen System 1 kann über die STO - Sicherheitsfunktion des Frequenzumrichters 20 und der Motorpumpeneinheit 15 abgesichert werden. Die Sicherheit gegen ein Absinken der hängenden Last kann über ein oder eine Vielzahl an sicherheitsrelevanten Ventilen 16 abgesichert werden. Die Einstellung der sicheren Geschwindigkeit im Einrichtvorgang erfolgt über die Festblende 13. Die Festblende 13 stellt einen Bypass des Sicherheitsventils 16 dar und ist mit der zweiten Zylinderkammer 12 des Hydraulikzylinders 10 und der Motorpumpeneinheit 15 bzw. der Versorgungseinrichtung 90 verbunden. Weiterhin weist die Festblende 13 eine Verbindung zu dem Drucksensor 60 mit erhöhter funktionaler Sicherheit auf. In der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Festblende 13 ohne zusätzliches Einrichtventil ausgeführt Die Druckdifferenz, auf welche die Festblende 13 ausgelegt ist, wird durch den Drucksensor 60 mit erhöhter funktionaler Sicherheit als Obergrenze im Einrichtbetrieb festgelegt. Wird dieser festgelegt Druckwert überschritten, löst die erste Sicherheitsvorrichtung 30 die STO - Sicherheitsfunktion des Frequenzumrichters 20 aus. Durch das Auslösen der STO - Sicherheitsfunktion wird die sichere Einrichtgeschwindigkeit nicht überschritten. Mit der erfinderischen Ausgestaltung kann eine sichere Einrichtgeschwindigkeit realisiert werden, obwohl aufgrund von ungleichen Flächen oder anderen Gründen auftretende Druckunterschiede auf den Hydraulikkammern herrschen. Somit wird keine Druckbegrenzungsvorrichtung überdrückt und die maximale
Einrichtgeschwindigkeit begrenzt Die Einrichtgeschwindigkeit wird von der Drehzahl und/oder dem Fördervolumen der drehzahlvariablen Motropumpeneinheit 15 vorgegeben, wobei die maximale Einrichtgeschwindigkeit durch den Widerstand und den Drucksensor 60 mit erhöhter funktionaler Sicherheit zwischen dem Druck der hängenden Last und dem maximalen Druck der Druckbegrenzungsventile frei festgelegt werden kann.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der Fig. 4 ist das elektrohydrostatische System 1 um ein Einrichtventil 14 in der Bypassverbindung des Sicherheitsventils 16 oder der Sicherheitsventile 16 mit Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1 erweitert Das Einrichtventil 14 ist zwischen der Festblende 13 und der zweiten Zylinderkammer 12 des Hydraulikzylinders 10 eingebracht Der Drucksensor 60 mit erhöhter Funktionalität ermittelt den Druck an der Festblende 13 über das Einrichtventil 14. Über das Einrichtventil 14 lässt sich der Einrichtbetrieb einschalten bzw. ausschalten. Zudem kann ein Absacken des Hydraulikzylinders durch das eigene Gewicht bei einem Ausfall der Motorpumpeneinheit 15 unterbunden werden.
Fig 5 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der Figur 5 ist das elektrohydrostatische System 1 um ein Druckbegrenzungsventil 70 in der Bypassverbindung des Sicherheitsventils 16 oder der Sicherheitsventile 16 mit Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1 erweitert. Das Druckbegrenzungsventil 70 ist zwischen der Festblende 13 und der zweiten Zylinderkammer 12 des Hydraulikzylinders 10 eingebracht Der Drucksensor 60 mit erhöhter Funktionalität ermittelt den Druck an der Festblende 13 über das Druckbegrenzungsventil 70. Das Druckbegrenzungsventil 70 dient als Lasthalteventil, um ein Absinken des Kolbens des Hydraulikzylinders 10 durch das Eigengewicht zu vermeiden. Durch das
Druckbegrenzungsventil 70 ist ein Einrichten in ausfahrender Richtung des Hydraulikzylinders 10 möglich.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer vierten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der Figur 6 ist das elektrohydrostatische System 1 um ein Druckbegrenzungsventil 80 in der Bypassverbindung des Sicherheitsventils 16 oder der Sicherheitsventile 16 mit Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1 erweitert. Das Druckbegrenzungsventil 80 ist zwischen der Festblende 13 und der zweiten Zylinderkammer 12 des Hydraulikzylinders 10 eingebracht Der Drucksensor 60 mit erhöhter Funktionalität ermittelt den Druck an der Festblende 13 über das Druckbegrenzungsventil 80. Zusätzlich ist in einer Bypassverbindung zu dem Druckbegrenzungsventil 80 ein Rückschlagventil 81 vorgesehen. Das Druckbegrenzungsventil 80 dient als Lasthalteventil, um ein Absinken des Kolbens des Hydraulikzylinders 10 durch das Eigengewicht zu vermeiden. Durch das Druckhalteventil 80 in Kombination mit dem Rückschlagventil 81 wird die Funktion des Einrichtventils 14 ersetzt. Das Druckbegrenzungsventil 80 ist auf die hängende Last eingestellt
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer fünften Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der Figur 7 ist der Drucksensor 60 mit erhöhter fünktionaler Sicherheit mit der Zylinderkammer des Hydraulikzylinders 10 verbunden, die keine Verbindung zu dem Sicherheitsventil 16 aufweist. Die genaue Position des Drucksensors 60 mit erhöhter Funktionalität kann in Abhängigkeit vom Gesamtsystem und somit der Ausrichtung und der Art der Hydraulikzylinder, weitere Achsen, die diese Achse Überdrücken können und/oder der einwirkenden Gewichtskraft gewählt werden. So kann effizient und auf flexible Weise eine sichere Einrichtgeschwindigkeit für jedes System bereitgestellt werden.
Fig 8 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der Figur 8 weist das elektrohydrostatische System 1 ergänzend eine zweite Sicherheitsvorrichtung 50 auf. Die zweite Sicherheitsvorrichtung 50 kann eine Wegemesssystem und/oder eine mechanische Sicherheit umfassen. Durch die zweite Sicherheitsvorrichtung 50 kann in Kombination mit der ersten Sicherheitsvorrichtung 30 eine redundante Sicherheit bereitgestellt werden. Ein Defekt einer der beiden Sicherheitsvorrichtungen 30, 50 kann durch die andere funktionstüchtige Sicherheitsvorrichtung 30, 50 kompensiert werden, wodurch die volle Sicherheit gewährleistet ist. Alternativ kann die zweite Sicherheitsvorrichtung 50 auch als ein zweites hydraulisches Sicherheitsventil 16 ausgebildet sein. Das Wegemesssystem liefert alternativ zu dem Drucksensor 60 mit erhöhter funktionaler Sicherheit Informationen über die tatsächliche Bewegungsgeschwindigkeit des Hydraulikzylinders 10. Die ermittelte tatsächliche Bewegungsgeschwindigkeit kann zum Begrenzen derselben über den Frequenzumrichter 20 in Kombination mit der Motorpumpeneinheit 15 verwendet werden. Für das Ermitteln der tatsächlichen Bewegungsgeschwindigkeit erfolgt die Ableitung des Wegsignals über die Zeit Die mechanische Sicherheit kann über eine mechanische Bremse und/oder Klemmvorrichtung eingerichtet werden. Dies erhöht die Sicherheit des elektrohydrostatischen Systems 1.
Bezugszeichenliste
1 Elektrohydrostatisches System
10 Hydraulikzylinder
11 erste Zylinderkammer
12 zweite Zylinderkammer
13 Festblende
14 Einrichtventil
15 Motorpumpeneinheit
16 Sicherheitsventil
17 Einrichtventil
18 Wegeventil 20 Motorsteuervorrichtung 30 erste Sicherheitsvorrichtung 50 zweite Sicherheitsvorrichtung 60 Drucksensor 70 Druckbegrenzungsventil 80 Druckbegrenzungsventil 81 Rückschlagventil
90 Versorgungseinrichtung
91 Sicherheitsventil
92 Fluidquelle
93 Rückschlagventil
94 Druckbegrenzungsventil
95 Druckspeicher
96 Fluidreservoir

Claims

Patentansprüche
1. Elektrohydrostatisches System (1) umfassend:
- einen Hydraulikzylinder (10) mit einer ersten Zylinderkammer (11) und einer zweiten Zylinderkammer (12);
- eine fluidhydraulische Versorgungseinrichtung (90) zum Bereitstellen eines hydraulischen Fluides;
- eine fluidhydraulische Motorpumpeneinheit (15), eingerichtet einen fluidhydraulischen Volumenstrom zum Bewegen des Hydraulikzylinders (10) bereitzustellen;
- eine Motorsteuervorrichtung (20), eingerichtet einen Nennstrom für einen elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit (15) bereitzustellen;
- wenigstens ein fluidhydraulisches Sicherheitsventil (16), welches an einer ersten Ventilseite mit einer der Zylinderkammern (11, 12) des Hydraulikzylinders (10) und an einer zweiten Ventilseite mit der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit (15) verbunden ist;
- eine Bypassverbindung mit einer Festblende (13) zum Überbrücken des wenigstens eines fluidhydraulischen Sicherheitsventils (16), wobei die Bypassverbindung mit der ersten Ventilseite und mit der zweiten Ventilseite des wenigstens eines fluidhydraulischen Sicherheitsventils (16) verbunden ist;
- einen Drucksensor (60), welcher mit einer der Zylinderkammern (11, 12) des Hydraulikzylinders (12) verbunden ist und eingerichtet einen fluidhydraulischen Druck an einer der Zylinderkammern (11, 12) zu detektieren und entsprechend dem detektierten fluidhydraulischen Druck ein Freigabesignal für die Motorsteuervorrichtung (20) zum Bereitstellen des Nennstroms für den elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit (15) bereitzustellen.
2. Elektrohydrostatisches System nach dem unmittelbar vorhergehenden Anspruch, wobei das elektrohydrostatische System (1) insbesondere eine erste Sicherheitsvorrichtung (30) umfasst, welche eingerichtet ist, ein elektrisches Signal entsprechend einem detektierten fluidhydraulischen Druck von dem Drucksensor (60) zu empfangen und ein Freigabesignal für die Motorsteuervorrichtung (20) zum Bereitstellen des Nennstroms für den elektrischen Antrieb der fluidhydraulischen Motorpumpeneinheit (15) bereitzustellen.
3. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei der Hydraulikzylinder (10) als ein Differentialzylinder, Gleichgangzylinder, Mehrflächenzylinder oder eine aufgelöste Zylinderanordnung ausgebildet ist
4. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die fluidhydraulische Versorgungseinrichtung (90) einen Druckspeicher (95) ein Sicherheitsventil (91), eine Fluidquelle (92), wenigstens ein Rückschlagventil (93) und eine Fluidreservoir (96) umfasst.
5. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Motorsteuervorrichtung (20) eine Safe Torque Off - Sicherheitsfunktion bereitstellt
6. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Drucksensor (60) als ein Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit ausgebildet ist.
7. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Widerstand des Festblende (13) wenigstens einen Wert aufweist, welcher in dem Hydraulikzylinder (10) durch eine hängende Last an dem Hydraulikzylinders (10) erzeugten Druck bestimmt wird.
8. Elektrohydrostatisches System nach Anspruch 7, wobei der Widerstand der Festblende (13) auf einen Druck für das Bereitstellen einer Einrichtgeschwindigkeit des Hydraulikzylinders (10) in einem Bereich von 5 bis 40 mm/s bevorzugt von 10 mm/s eingestellt ist.
9. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei der Drucksensor (60) mit der zweiten Zylinderkammer (12) des Hydraulikzylinders (10) verbunden ist.
10. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei in der Bypassverbindung ein fluidhydraulisches Einrichtventil (14) geschaltet ist
11. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei in der Bypassverbindung ein Druckbegrenzungsventil (70, 80) geschaltet ist.
12. Elektrohydrostatisches System nach Anspruch 11, wobei parallel zu dem Druckbegrenzungsventil (70, 80) ein Rückschlagventil (81) geschaltet ist.
13. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei das elektrohydrostatische System eine zweite Sicherheitsvorrichtung (50) umfassend ein Wegemesssystem und/oder eine mechanische Sicherheit umfasst
14. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste Zylinderkammer (11) des Hydraulikzylinders (10) mit der fluidhydraulische Motorpumpeneinheit (15) verbunden ist und die zweite
Zylinderkammer (12) des Hydraulikzylinders (10) mit dem wenigstens einem fluidhydraulischen Sicherheitsventil (16) verbunden ist.
15. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei die erste Zylinderkammer (11) des Hydraulikzylinders (10) mit dem wenigstens einem fluidhydraulischen Sicherheitsventil (16) und die zweite Zylinderkammer (12) des Hydraulikzylinders (10) mit der fluidhydraulische Motorpumpeneinheit (15) verbunden ist 16. Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14 zum
Steuern der Einrichtgeschwindigkeit in einer Pulverpresse, Schmiedepresse und/oder Umformpresse.
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