DE3831172A1 - Verfahren und vorrichtung zur (momenten-) ansteuerung eines hydraulischen antriebs, insbesondere eines schwenkantriebes fuer einen hydraulikbagger od. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Momentansteuerung, also zum Ansteuern eines in einem Hydraulikkreis mit lastunabhängig gesteuerter Antriebsanordnung (Load-Sensing-System oder kurz LS-System) angeordneten hydraulischen Antriebes, insbesondere eines Schwenkantriebes für einen Bagger od. dgl.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung bzw. Einrichtung zum momentenmäßigen Ansteuern eines in einem Hydraulikkreis mit lastabhängig gesteuerter Antriebsanordnung angeordneten, eine Hydraulikpumpe aufweisenden, hydraulischen Antriebes für wenigstens zwei Verbraucher eines hydraulisch zu betätigenden Gerätes, insbesondere eines Schwenkantriebes für einen Bagger, Kran, od. dgl., von denen wenigstens ein Verbraucher ein Sonderverbraucher ist, der in wenigstens einer Betriebsphase eine Leistungsanforderung mit einer im Verhältnis zu dem (den) anderen Verbraucher(n) verminderten Durchflußmenge bei relativ hohem Druck aufweist, mit einer LS-Steuer- bzw. Regeleinrichtung, mittels welcher die von den einzelnen Verbrauchern jeweils benötigte, sich jeweils aus dem Öldruck und der Durchflußmenge bestimmende Leistung zu messen und über einen Steuerschieber od. dgl. als jeweilige Soll-Leistung als Steuergröße an den LS-Regler des Hydrauliksystems derart zu signalisieren ist, daß dieses jeweils nur die (insgesamt) erforderlich (Hydraulik-)Leistung erzeugt.

Für hydraulische Antriebssysteme von Baggern, Kranen u. dgl., die jeweils wenigstens einen, normalerweise aber mehrere Verbraucher (z. B. Dreh- oder Schwenkantrieb, Zusatzantriebe für ein Greifer-Drehen, Fräseinsätze, Hydrohammer-Betrieb etc.) aufweisen (und überdies für bestimmte Aufgaben wie bspw. den Schließdruck für einen Greifer besondere Anforderungen stellen), ist es an sich bekannt, zur Erhöhung der Effizienz ein - wie oben bereits kurz beschrieben - Load-Sensing-System (LS-System) vorzusehen, mit dem grundsätzlich zu erreichen ist, daß der Hydraulikantrieb (nach entsprechender Abfrage des Verbrauchers/ der Verbraucher, der/die sich gerade in Betrieb befindet/befinden) jeweils nur diejenige Leistung abgibt, die von dem gerade in Betrieb befindlichen Verbraucher/den gerade in Betrieb befindlichen Verbrauchern benötigt wird.

Dieses LS-System hat sich bei Verbrauchern wie bspw. Hubantrieben zum Anheben und Absenken einer Last u. dgl. an sich bestens bewährt.

Weist ein Gerät wie bspw. ein Bagger aber - wie dieses der Regelfall ist - mehrere Verbraucher auf, von denen (wenigstens) ein Verbraucher ein vor- und nachstehend als Sonderverbraucher bezeichneter Verbraucher ist, wie er unmittelbar nachfolgend sogleich definiert wird, so bleibt das LS-System bzgl. diesen/dieser Verbraucher weitgehend bzw. völlig ineffizient.

Ein derartiger Sonderverbraucher ist bspw. das Schwenkwerk bzw. der Schwenkantrieb eines Baggers oder Kran. Denn bei einem derartigen Schwenkantrieb sind die Last- und Leistungsverhältnisse bekanntlich und ersichtlich bspw. verglichen mit einem Hubantrieb völlig anders, da beim Schwenken eines Baggers aus dem Stand zunächst einmal zwecks (Massen-)Beschleunigung zur Erzielung eines hinreichend großen (Dreh-)-Momentes ein relativ hoher Druck von bspw. 300 bar erforderlich ist bzw. gewünscht wird, während die Durchflußmenge zunächst (extrem) klein ist, also bspw. nur wenige Liter beträgt (da die Bewegung zunächst sehr klein ist), während sie bspw. für ein Hubwerk das Hundertfache und mehr betragen kann.

Das hat bisher zur Folge, daß bei Verwendung des an sich außerordentlich vorteilhaften LS-Systems bzgl. derartiger Sonderverbraucher Kraftstoff vergeudet wird, da das Hydrauliksystem auch an diese Sonderverbraucher eine Durchflußmenge je Zeiteinheit liefert, die den übrigen Verbrauchern entspricht. Diese unnötige Förderung von Hydrauliköl, die an den entsprechenden Sonderverbraucher abgeleitet werden muß, führt darüber hinaus zu einer unnötigen Erwärmung mit den bekannten Nachteilen.

Es kommt hinzu, daß die Kapazität des gesamten Hydrauliksystems entsprechend groß dimensioniert werden muß, da auch den Sonderverbrauchern während des Betriebes eine entsprechend große Durchflußmenge zugeführt wird (auch wenn diese nicht "verwertet" werden kann).

Im übrigen ist bei Parallelbetrieb mehrerer Verbraucher, hier also wenigstens eines Normalverbrauchers und eines Sonderverbrauchers, die Lastunabhängigkeit nicht gewährleistet, d. h. also eine gegenseitige Beeinflußung.

Es wäre zwar denkbar, für derartige Sonderverbraucher gesonderte Hydraulikantriebe einzusetzen, doch wäre dieses ersichtlich mit einem nicht vertretbaren Aufwand verbunden, der sich allein in dem Investitionsaufwand erschöpft, sondern auch entsprechenden Platzbedarf hat, entsprechende Wartungs- und Reparaturarbeiten erfordert etc. etc.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren und Vorrichtungen der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß es bei Geräten mit wenigstens einem Sonderverbraucher in obigem Sinne zu einer (beachtlichen) Kraftstoffersparnis, zu einer geringeren Erwärmung des Hydrauliköls und dabei gleichsam zu einer Nutung der beim Stand der Technik aufgetretenen Verluste kommt, wobei die Lastunabhängigkeit bei Parallelbetrieb mehrerer Verbraucher (einschließlich Sonderverbraucher) gewährleistet sein und außerdem sichergestellt sein soll, daß es im LS-Steuerkreislauf bis zu der eingestellten maximalen Schwenkdruckhöhe nicht zu einer Verfälschung kommt.

Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet, während der vorrichtungsmäßige Teil der obigen Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden - wie die Erfindung insgesamt - nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung, welche im wesentlichen einen als Schwenkmotor für einen Hydraulikbagger eingesetzten Hydraulikantrieb, eine darunter angeordnete Schwenksektion (nachstehend auch mit Anschlußbauteil bezeichnet), eine unter dieser angeordnete Zwischenplatte sowie eine unter der Zwischenplatte angeordnete Grund- oder Anschlußplatte und - lediglich gestrichelt angedeutet - den betreffenden Bagger zeigt;

Fig. 2 die zwischen dem Anschlußbauteil (Schwenksektion) und der Grund- oder Anschlußplatte gemäß Fig. 1 angeordnete Zwischenplatte in Richtung des Teiles II in Fig. 4 gesehen;

Fig. 3 die Zwischenplatte gemäß Fig. 2 in Richtung des Pfeiles III in Fig. 2 gesehen;

Fig. 4 die Zwischenplatte gemäß den Fig. 2 und 3 in Richtung des Pfeiles IV in Fig. 2 gesehen;

Fig. 5 ein Schaltschema der Zwischenplatte gemäß den Fig. 2 bis 4; und

Fig. 6 eine etwas idealisierte Kurvendarstellung, welche die Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit und/oder der Durchflußmenge vom Schwenkwinkel zeigt.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen bei einem angedeuteten Hydraulikbagger 1 als Schwenkmotor vorgesehenen Hydraulikantrieb 2, der u. a. eine Axialkolben-Regelpumpe 3 aufweist und mit zwei Leitungen 4 und 5 mit einem Anschlußbauteil (Schwenksektion) 6 verbunden ist, welche über eine erfindungsgemäß vorgesehene Zwischenplatte 7 mit einer Grund- oder Anschlußplatte 8 am Bagger 1 befestigt ist.

Die Leitung 4 liegt (ebenso wie die Leitung 5) im Signalweg vom Verbraucher und führt (s. Fig. 1) zu einem im Anschlußbauteil 6 angeordneten Steuerschieber 9. Dabei ist die Leitung 4 gemäß dem Pfeilsymbol 10 über den (geöffneten) Steuerschieber 9 mit einer Leitung 11 verbunden, die zu einem ersten Druckminderventil 12 führt, welches in der Zwischenplatte 7 angeordnet ist. Darüber hinaus weist die Zwischenplatte 7 noch ein zweites Druckminderventil 13 auf, welches in entsprechender Weise mit der Leitung 5 bzw. der ihr nachgeordneten Leitung 14 verbunden bzw. zu verbinden ist, wobei die Leitungen 11 und 14 jeweils in eine Leitung 15 münden, bei der es sich um eine Sammelleitung für die LS-Signale handelt. Diese Leitung 15 führt zu dem nicht dargestellten LS-Regler.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bzw. der vorgesehenen Anwendung ist bspw. das Druckminderventil 12 dem Betrieb "Schwenken nach links" und das Druckminderventil 13 den Betrieb "Schwenken nach rechts" zugeordnet.

Wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert werden soll (die Kurvendarstellung ist ersichtlich vereinfacht bzw. idealisiert, entspricht jedoch tatsächlich den tatsächlichen Verhältnissen), nimmt die Drehgeschwindigkeit v _rot mit zunehmendem Schwenkwinkel ϕ von Null an linear zu, bis der Wert

erreicht ist.

Weiterhin ist aus Fig. 6 erkennbar, daß die jeweils erforderliche Durchflußmenge Q proportional zur Drehgeschwindigkeit v _rot ist, daß also zunächst - wenn die Schwenkmasse von der Drehgeschwindigkeit Null beschleunigt wird - nur sehr wenig Hydrauliköl (allerdings bei einem möglichst hohen Druck) benötigt wird, und daß die Durchflußmenge mit steigender Drehgeschwindigkeit erst ansteigt, bis der Wert Q _max erreicht ist.

Die beim Stand der Technik einem derartigen Sonderverbrauch zugeführte, für den Betrieb überflüssige Hydraulikölmenge entspricht mithin dem schraffierten dreieckigen Feld. Sie benötigt beim Stand der Technik unnötigen Kraftstoff, führt zu einer Erwärmung des Hydrauliköls und zu weiteren Nachteilen (s. o.).

Erfindungsgemäß wird nun angestrebt und erreicht, daß dem im Sinne der obigen Definition einen Sonderverbraucher darstellenden Schwenkungen jeweils nur so viel Durchflußmenge Q zur Verfügung gestellt wird, wie dieser tatsächlich verbraucht bzw. aufnimmt, wobei darüber hinaus aber - wie dieses den praktischen Anforderungen entspricht - der Druck bei relativ kleiner Durchflußmenge entsprechend groß ist, um ein hinreichend großes Antriebsmoment zu Beschleunigungszwecken zu erzielen.

Dieses wird letztlich dadurch erreicht, daß in dem von dem Sonderverbraucher (Schwenkwerk) über den Steuerschieber 9 zum LS-Regler führenden Signalweg 4, 10, 11, 15 bzw. 5, 14, 15, das jeweilige Signal bei Erreichen des am LS-Regler eingestellten Druckes durch das Druckminderventil 12 bzw. 13 so verändert ("verfälscht") wird, daß der dem Sonderverbraucher zugeführte bzw. zur Verfügung gestellte Druck erhöht und die dem Sonderverbraucher zugeführte Hydraulik-Festmenge Q auf diejenige Soll-Menge reduziert wird, die der Sonderverbraucher jeweils gerade aufnehmen kann.

Zu diesem Zweck sind zwischen dem Steuerschieber 9 und dem LS-Regler (zu dem die Ladung 15 führt) die bereits erwähnten Druckminderventile 12 bzw. 13 angeordnet, und zwar in der zwischen dem Hydraulikantrieb 2 und dem Bagger 1 angeordneten Zwischenplatte 7.

Der Signalweg erfolgt mithin rückwärts vom Verbraucher über die Leitung 4 (bzw. 5) über das LS-Steuergerät 6 zur Zwischenplatte 7 (genauer gesagt das Druckminderventil 12 bzw. 13) zur Sammelleitung 15 für das LS-Signal, die zum LS-Regler führt.

Die Signalverarbeitung erfolgt solange unverändert, d. h. ungedrosselt bzw. "unverfälscht", wie das Druckminderventil 12 bzw. 13 voll geöffnet ist. Erst wenn das Druckminderventil 12 bzw. 13 durch Erreichen des eingestellten Druckniveaus geschlossen wird, erfolgt dann eine "Verfälschung" des Signales, die zur Eröffnung des Drucks der Pumpe 3 gegenüber dem LS-Druck führt, wodurch die als Axialkolben-Regelpumpe ausgebildete Pumpe 3 auf das Durchflußvolumen zurückgeschwenkt wird, welches der betreffenden (Sonder-)Verbraucher jeweils tatsächlich in dem jewweiligen Anschwenkmoment aufnehmen kann.

Die Druckminderventile 12 bzw. 13 besitzen hierfür jeweils einen als Stößel 12′ ausgebildeten Schieber, der gegen die Kraft einer Feder bzw. Federanordnung 16 wirkt, wobei bei einer Nennweite der Leitungen des LS-Systems von 8 mm die Federkonstante c eine Steifigkeit von nur 6 kp/mm aufweist, also relativ weich ist.

Falls einmal ein Verbraucher einen höheren Lastdruck hat als der Systemdruck (s. Leitung 15), so muß dieses höhere, vom betreffenden Verbraucher angeforderte Drucksignal auf das Steuergerät bzw. eine in diesem befindliche Druckwaage rückwärts hineingegeben werden, um eine lastdruckunabhängige Verteilung des Ölvolumens zu gewährleisten. Zu diesem Zwecke ist dem Druckminderventil 12 bzw. 13 in der aus Fig. 1 erkennbaren Weise ein Rückschlagventil 17 zugeordnet, wie dieses auch aus dem Schaltschema gemäß Fig. 5 erkennbar ist. Dabei kommt das Lastdrucksignal vom Verbraucher bei 11 an und geht über das Druckminderventil 12 bzw. 13. Wird das Druckniveau nicht erreicht, ist der Durchgang frei, wie dieses in Fig. 5 angedeutet ist. Nach Erreichen des Druckniveaus wird das Druckminderventil 12 bzw. 13 geschlossen und erhöht die Druckdifferenz, die vorgegeben ist, durch den Steuerschieber und schwenkt damit die Pumpe wieder zurück.

Bei höheren Lastdrucksignalen von parallel eingeschalteten Verbrauchern muß das Signal eingegeben werden, damit es auf der bereits erwähnten Druckwaage verarbeitet werden kann, also durch die Leitung 18 bzw. 19. Das Druckminderventil könnte man mithin auch als Differenzdruckventil bezeichnen.

Es ist erkennbar, daß erfindungsgemäß eine ganz erhebliche Kraftstoffersparnis zu erzielen ist, da die Beschleunigungsphasen beispielsweise bei einem Schwenkwerk bzw. einem Schwenkantrieb ja keineswegs selten sind. Vielmehr ist der Beharrungsbetrieb bei erreichter Endgeschwindigkeit kurz und es kommt häufig fünf- oder sechsmal je Minute zu einem derartigen Schwenkvorgang (= Beschleunigungsvorgang).

Das hat, wie oben zumindest implizit bereits dargelegt worden ist, eine entsprechend geringere Hydraulikölerwärmung zur Folge, da die Sonderverbraucher jeweils nur so viel Hydrauliköl erhalten, wie sie jeweils auch tatsächlich aufnehmen können.

I. ü. ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise und Ausgestaltung der beachtliche Vorteil, daß dasjenige, was beim Stand der Technik als Verlust verbucht werden mußte, hier nutzbringend verwendet werden kann, daß also die Gesamtkapazität einer derartigen Einrichtung entsprechend kleiner gehalten werden kann, weil der/die Sonderverbraucher nicht unnötigerweise mit Hydrauliköl beliefert zu werden brauchen, welches sie überhaupt nicht benötigen.

Nicht zuletzt ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung eine völlige Lastunabhängigkeit verschiedener Verbraucher bei Parallelbetrieb gewährleistet, wobei nicht zuletzt auch sichergestellt ist, daß die durch den LS-Steuerkreislauf vorgegebene bzw. eingestellte Schwenkdruckhöhe so lange nicht "verfälscht" wird, bis der maximale Schwenkdruck erreicht ist.

Bezugszeichenliste
(List of reference numerals)

 1 Bagger
 2 Hydraulikantrieb
 3 (Axialkolben-Regel-)Pumpe
 4 Leitung
 5 Leitung
 6 Anschlußbauteil (Schwenksektion)
 7 Zwischenplatte
 8 Anschlußplatte
 9 Steuerschieber
10 Pfeil
11 Leitung
12 Druckminderventil (erstes) 12′ Stößel
13 Druckminderventil (zweites)
14 Leitung
15 Leitung
16 Feder(anordnung)
17 Rückschlagventil
18 Leitung
19 Leitung

Claims (12)

1. Verfahren zum momentenmäßigen Ansteuern eines in einem Hydraulikkreis mit lastunabhängig gesteuerter Antriebsanordnung (LS-System) angeordneten hydraulischen Antriebes, insbesondere eines Schwenkantriebes (= Sonderverbraucher) für Bagger od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß in einer von einem Sonderverbraucher über ein Steuerorgan wie einen Steuerschieber (9) od. dgl. zum LS-Regler führenden Signalweg (4, 10, 11, 15 bzw. 5, 14, 15) das jeweilige Signal bei Erreichen des am LS-Regler eingestellten Druckes so verändert wird, daß der dem Sonderverbraucher zugeführte bzw. zur Verfügung gestellte Druck erhöht und die dem Sonderverbraucher zugeführte Hydraulikflüssigkeitsmenge auf diejenige Soll-Menge reduziert wird, die der Sonderverbraucher jeweils aufnehmen kann.

2. Vorrichtung zum momentenmäßigen Ansteuern eines in einem Hydraulikkreis mit lastunabhängig gesteuerter Antriebsanordnung angeordneten, eine Hydraulikpumpe aufweisenden Hydraulikantriebes für wenigstens zwei Verbraucher, von denen wenigstens einer ein Sonderverbraucher eines hydraulisch zu betätigenden Gerätes, insbesondere ein Schwenkantrieb für einen Bagger od. dgl. ist, der in wenigstens einer Betriebsphase eine Leistungsanforderung mit einer im Verhältnis zu anderen Verbrauchern verminderten Durchflußmenge bei relativ hohem Druck aufweist, mit einer LS-Regel- bzw. Steuereinrichtung, mittels welcher dem Hydrauliksystem die von den einzelnen Verbrauchern jeweils benötigte Leistung (Öldruck, Ölmenge) zu messen und über einen Steuerschieber od. dgl. als jeweilige Soll-Leistung als Steuergröße an den LS-Regler des Hydrauliksystems derart zu signalisieren ist, daß dieses jeweils nur die (insgesamt) erforderliche Hydraulikleistung erzeugt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuerschieber (9) od. dgl. und dem LS-Regler wenigstens eine Druckmindereinrichtung (12, 13) angeordnet ist, mittels derer bei Erreichen des durch den LS-Regler eingestellten Druckniveaus das LS-Signal dahingehend zu ändern ist, daß der dem Sonderverbraucher zugeführte Druck gegenüber dem LS-Druck erhöht und die dem Sonderverbraucher zugeführte Hydraulikflüssigkeitsmenge auf diejenige (Soll-)Menge reduziert wird, die er Sonderverbraucher jeweils aufnehmen kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmindereinrichtung (12, 13) in einer zwischen dem Hydraulikantrieb (2) und dem betreffenden Gerät (1) angeordneten Zwischenplatte (7) od. dgl. angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zwischenplatte (7) od. dgl. und dem Hydraulikantrieb (2) ein den Steuerschieber (9) od. dgl. enthaltendes Anschlußbauteil (8) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Druckmindereinrichtungen (12, 13) vorgesehen sind, wobei die eine Druckmindereinrichtung (12) dem Sonderverbraucher eine erste Bewegung (z. B. Schwenken nach links) erteilt und die andere Druckmindereinrichtung (13) eine zweite Bewegung (z. B. Schwenken nach rechts).

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmindereinrichtung ein Druckminderventil (12, 13) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Druckminderventil(e) (12, 13) jeweils eine Federanordnung (16) mit einer relativ weichen Federkennzahl aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (16) eines Druckminderventils (12, 13) bei einer Nennweite der Leitungen des LS-Systems von ca. 6 bis 10 mm Durchmesser ca. 3 bis 12 kp/mm beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkennzahl eines Druckminderventils (12, 13) bei einer Nennweite von 8 mm Durchmesser ca. 6 kp/mm beträgt.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmindereinrichtung(en) (12, 13) (jeweils) ein Rückschlagventil (17) aufweist (aufweisen).

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmindereinrichtung(en) (12, 13) eigengesteuert ist (sind).

12. Verwendung eines Druckminderventils als Steuermittel für ein hydraulisches System mit LS-Steuerung.