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Hydraulikprüfstand mit Sekundärregelung
Ein möglichst universell einsetzbarer Prüfstand zur Untersuchung von Hydraulikkomponenten und -systemen, der herstellerneutral Pumpen, Motoren, Ventile und Steuerblöcke analysiert? Die Internationale Hydraulik Akademie IHA in Dresden macht’s gemeinsam mit dem Kooperationspartner hansa-Flex möglich.

Prüfstände sind normaler Weise für spezielle Aufgaben oder Produkte konzipiert. So erfordert ein Prüfstand für Pumpen im geschlossen Kreis eine andere Struktur als für Pumpen im offenen Kreis. Die Belastung der Pumpen erfolgt meist mit Druckbegrenzungsventilen oder Drosseln. Hierbei wird die Belastungsenergie in Wärme umgesetzt.

Hydraulikkomponenten wie Ventile oder Steuerungen werden mit den am Prüfstand vorhandenen Pumpen untersucht. Auch hier erfolgt die Belastung mit Druckventilen und entsprechender Wärmeentwicklung. „Untersuchungen mit individuellen Pumpen und Steuerungen sind deshalb nicht möglich“, beschreibt Dierk Peitsmeyer als Leiter Forschung und Entwicklung der IHA die aktuelle Situation.

So untersuchten Pumpenhersteller nur ihre Pumpen und Ventilhersteller ihre Ventile. Die Kombination erfolge erst beim Anwender in der Maschine oder Anlage. Reichlich spät, findet der Entwicklungsleiter. Deshalb habe man diesen Universalprüfstand entwickelt, um individuelle Pumpen zusammen mit den zugehörigen Systemkomponenten untersuchen zu können. Oftmals wird bei diesen Messungen erst deutlich, was wirklich in einem hydraulischem System passiert. Denn Vorgänge in der Hydraulik laufen hochdynamisch im Millisekundenbereich ab und können nur mit dafür geeigneten Messgeräten erfasst werden. „Diese Messgeräte sind aber teuer“, verweist Peitsmeyer darauf, dass sich für eine nur gelegentliche Verwendung die Anschaffung nicht rentiere.

Auch erforderten Bedienung der Messtechnik und Analyse der Messwerte eine gewisse Erfahrung, die bei Herstellern und Betreibern hydraulischer Anlagen auch nicht immer vorhanden sei. So würden oft hydraulische Komponenten bei einer Fehlersuche unnötigerweise ausgetauscht, um mal zu sehen, ob der Fehler dann behoben ist. Dass mit Messungen der tatsächliche Fehler analysiert und gezielt behoben werden könne, sei aber gerade bei immer wiederkehrenden Ausfällen von Interesse.

Für Anwender hydraulischer Systeme der Mobil- und Industriehydraulik biete der Prüfstand dabei folgende Möglichkeiten zur Störungsanalyse, Ermittlung von Optimierungspotenzialen, Systemanalysen oder Unterstützung bei Inbetriebnahmen:

  • herstellerneutrale Analyse von Pumpen, Motoren, Ventilen und Steuerblöcken Optimierung von Prototypen
  • Beratung bei Entwicklungen
  • Erstellung von Gutachten
  • Ermittlung von Kennwerten für Simulationen
  • Verifizieren von Simulationen
  • Unterstützung beim Thema Energieeffizienz

Mit diesem Prüfstand sei besonders die Ermittlung von Verlusten des gesamten Antriebsstrangs von der Pumpe bis zum Verbraucher möglich, betont der Ingenieur. Je nach Anordnung des Drucksensors können die Verluste im System ermittelt werden.

Hydraulische Antriebe haben im Vergleich zu elektrischen Antrieben eine viel höhere Leistungsdichte. Somit konnte das Antriebssystem des Prüfstands kompakt gestaltet werden. Weiterer Vorteil der Hydraulik: ein problemloser Betrieb mit niedriger Drehzahl bei hohem Drehmoment. Bei Überlastung bleibt der Antrieb einfach stehen, ohne dass es zu Wärmeproblemen kommt.

Frequenzgeregelte, elektrische Servomotoren benötigen in diesem Fall eine starke Fremdkühllüftung – Frequenzumrichter sind auch nicht verlustfrei. Sekundärgeregelte hydraulische Antriebe können, wie Servomotoren, in vier Quadranten betrieben werden und damit in beiden Drehrichtungen antreiben oder bremsen. Für schnelle Beschleunigungsvorgänge sind Hydrospeicher im System vorhanden.

Somit wird das elektrische Versorgungsnetz nicht mit Leistungsspitzen belastet. An die Sekundärantriebe können dann Pumpen und Motoren mit maximal M = 700 Nm, n = 2200 1/min oder M = 750 Nm, n = 1450 1/min montiert werden. Zwischen Pumpe und Bremsmotor können Steuerungen oder Komponenten aufgebaut werden. Mittels Drehzahl der Pumpe können der Durchfluss, mit der Höhe und Richtung des Bremsmoments der Lastdruck variiert werden. Maximale Drehmomentgrenzwerte können je nach Anforderung individuell gesetzt werden. Für Pumpen mit geringerer Leistung ist ein Antrieb mit M = 156 Nm, n = 3200 1/min vorhanden. Dieser kann auch als zweite Belastung im Parallelbetrieb genutzt werden.

Prüfmöglichkeiten
Mit dem IHA-Universalprüfstand können Pumpen im offenen oder im geschlossenen Kreis, hydraulische Komponenten und Steuerblöcke untersucht werden. Insbesondere die Untersuchung der Energieeffizienz eines Systems ist möglich. Zur Ermittlung von Verlusten im hydraulischen System wird die Antriebsleistung der Pumpenwelle aus den gemessenen Werten Drehmoment und Drehzahl berechnet und mit der abgegebenen hydraulischen Leistung aus gemessenem Druck und Volumenstrom verglichen. Die Prüfungen müssen nicht zwangsläufig mit den am Prüfstand vorhandenen Pumpen ablaufen, es können auch die Pumpen des Auftraggebers verwendet werden.

Bei der Untersuchung von Verstellpumpen kann der Schwenkwinkel durch Reduzierung der Drehzahl des Bremsmotors variiert werden. Damit ist die Ermittlung des Wirkungsgrades in verschiedenen Betriebspunkten möglich. Dank Sekundärregelung kann auch eine Berg- und Talfahrt simuliert werden. Dies ist für Antriebe mit negativen Lasten erforderlich. Zur Sicherheit vor Überlastungen können maximale Drehzahl und Moment als Grenzwerte für die Sekundärregelung limitiert werden.

Der Universalprüfstand stellt einen Großteil der erforderlichen Infrastruktur einer Hydraulikanlage zur Verfügung wie Hochtanks mit großen Saug-Rücklaufleitungen, Rücklauf- und Nebenstromfilter, Leckölleitungen, variable Antriebe mit Pumpenträgern und Kupplungen, Aufbaufläche für Steuerungen, programmierbare digitale und analoge Signale, Messtechnik für Drehmoment, Drehzahl, Volumenstrom und Druck (andere industrielle Sensoren können verwendet werden), eine zusätzliche elektronisch geregelte Pumpe sowie Sicherheitstechnik. Somit müssen für die Untersuchungen Hersteller oder Anwender nur die eigentlichen Versuchskomponenten zur Verfügung stellen.

Die Hochtanks bieten optimale Saugverhältnisse. Diese können durch gezieltes Drosseln der Saugleitung verändert werden. Die Messtechnik ist mobil und kann deshalb auch zu Messungen an hydraulischen Anlagen vor Ort eingesetzt werden. Als Messtechnik kommen zwei digitale 8-Kanal Universal-Messverstärker zum Einsatz, an die alle gängigen industriellen Sensoren angeschlossen werden können. Eine Auswertesoftware garantiert die aussagekräftige Analyse.

Beispiele aus der Praxis
Ein Unternehmen im Vorrichtungsbau hat bisher immer elektromechanische Antriebe eingesetzt. Die Konstruktion war auf der Suche nach einem kompakteren und einfacheren Antrieb. Hier erwies sich ein hydraulischer Antrieb als ideal. Da im Unternehmen aber keine hydraulischen Kenntnisse vorhanden waren, wurde der Einsatz von Hydraulik als kritisch beurteilt. Daher wandte sich das Unternehmen an die IHA und bat um Beratung. Dank der am Prüfstand simulierten Messergebnisse für diesen Anwendungsprozess konnte sich der Kunde selbst von den Vorteilen der Hydraulik überzeugen.

In einem anderen Fall wurde von einem Anlagenbetreiber eine zu geringe Geschwindigkeit bei hoher Last festgestellt. Zum Heben der maximalen Last sind 270 bar erforderlich, die Pumpe ist auf p max. 285 bar eingestellt. Bei kleinen Lasten wurde die geforderte Geschwindigkeit erreicht. Dabei wurden hohe Druckverluste von 50 bar mittels Messungen an der Anlage in der Verrohrung festgestellt.

Bei 235 bar Lastdruck wäre somit ein Druck an der Pumpe von 285 bar erreicht, bei einer Pumpenfördermenge = 0. Da die Pumpe schon bei etwa 275 bar die Fördermenge reduziert, wird auch der Druckverlust in der Verrohrung geringer. In diesem Fall wird die Fördermenge bis zum Druckverlust <15 bar reduziert. Wegen der Druckverluste in der Verrohrung tritt dieser Effekt schon bei Lastdruck >225 bar auf.  Dies bewirkt die geringe Geschwindigkeit. Nebenbei wurde auch eine hohe Ölerwärmung festgestellt.

Dem Kunden wurde empfohlen, die Verrohrung in größerer Nennweite auszuführen, somit die Nutzleistung der Maschine zu erhöhen und die Ölerwärmung zu reduzieren.
Die Druckeinstellung an der Pumpe konnte wegen der begrenzten Leistung des Antriebsmotors und des maximal zulässigen Drucks nicht erhöht werden. Da Druckverluste nicht nur in Rohrleitungen entstehen, sondern auch in Ventilen und Steuerblöcken, hätten auch falsche Einstellungen in diesem Fall ursächlich sein können. Mit den Messungen konnte die wirkliche Ursache ermittelt werden.

Leistungserhöhung mit Tandemantrieb
Bei Bedarf nach höherer Prüfstandsleistung sei auch eine Erhöhung der Leistung mit Tandemantrieben möglich. Mit den Grenzwerten für das Drehmoment in der Drehzahlregelung wäre es bei Bedarf auch möglich, den Sekundärantrieb mit den Drehzahl-/Drehmomentkennwerten eines Dieselmotors zu betreiben. Entwicklungen dazu sind bei der IHA in Arbeit.

Technik im Detail
Energieeffizienz ermitteln
Sekundärgeregelte Antriebe werden an einem Hochdrucknetz im geschlossenen Kreis betrieben. Durch die Regelung wird der Schwenkwinkel immer dem aktuellen Leistungsbedarf angepasst. Die Sekundärregelung kann in Drehzahl- oder Drehmomentregelung in 4-Quadranten betrieben werden. Das Hochdrucknetz wird mit druckgeregelten Pumpen gespeist, der Druck kann in Abhängigkeit der Speicherfüllung variieren. Bei positiven Lasten (wie Winde heben) wird dem Hochdrucknetz Energie entnommen, bei negativen Lasten (wie Winde senken) wird Energie ins Hochdrucknetz zurückgeführt. Diese zurückgeführte Energie kann von anderen Antrieben genutzt oder in Speichern für spätere Bedarfe gespeichert werden.

Für die sekundärgeregelten Antriebe ist es egal, ob die Leistung von der Pumpe, den Speichern oder einem anderem Sekundärantrieb kommt. Am Drucknetz können mehrere Sekundäreinheiten mit ganz unterschiedlichen Leistungen ohne Drosselverluste parallel betrieben werden. Im geschlossenen und offenen Kreis ist dies so nicht möglich, weil unterschiedliche Lastdrücke gedrosselt werden müssen. Bei der Drosselung entstehen Verluste. Durch die sekundärgeregelten hydraulischen Antriebe im Prüfstand wird die Belastungsenergie regeneriert, also dem Antrieb wieder zugeführt.

Somit müssen nur noch die Wirkungsgradverluste als Wärme abgeführt werden. Statt 100 Prozent der Antriebsenergie mit der Belastung durch ein Druckventil in Wärme umzusetzen, können mit der Sekundärregelung 70 Prozent der Energie regeneriert werden. Bei hohen Verlusten eines ungünstigen Prüfaufbaues ist der Regenerationsgrad geringer, daher wurde für diesen Fall eine größere Hochdruckpumpe als erforderlich verwendet.