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Die
Erfindung betrifft einen Regler, der insbesondere in einem Hydrauliksystem
für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn,
z. B. eine Papier- oder Kartonmaschine, verwendbar ist.
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In
Papiermaschinen wird verbreitet Hydraulik als Betätigungs-
und Steuerungsmittel eingesetzt; insbesondere werden Stellglieder
hydraulisch angetrieben, mit denen große Kräfte
mit hoher Genauigkeit eingestellt und ausgeübt werden können.
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In
der Regel wird ein Arbeitsfluid, z. B. Hydrauliköl verwendet,
das von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird. Die Einleitung des
unter Druck stehenden Hydrauliköls in ein hydraulisches
Stellglied, wie z. B. einen Hydraulikzylinder oder einen Hydraulikmotor
wird typischerweise durch ein proportionales Steuerventil oder Proportionalventil
gesteuert, das elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben
sein kann.
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Ein
solches Steuerventil hat einen verschieb- oder verlagerbaren Steuerschieber
oder Steuerkolben, der in Antwort auf seine Lage in einem zugehörigen
Ventilgehäuse einen Solldruck am Ausgang einstellen kann,
indem der Druck von der Pumpe gelieferten Hydrauliköls
heruntergeregelt wird. Die Beweglichkeit des Steuerkolbens im Ventilgehäuse
erfordert zwingend ein gewisses Spiel oder Spaltmaß zwischen
Steuerkolben und Ventilgehäuse, so dass eine innere Leckage
des Steuerventils unvermeidbar ist. Das Spaltmaß darf nicht
zu eng gewählt werden, denn sonst würde das Ventil
zu anfällig gegen Verschmutzungen im Hydrauliköl.
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In
letzter Zeit wurden alternative Druckregler entwickelt, die in dieser
Anmeldung durchgängig als digitalhydraulische Druckregler
bezeichnet werden sollen. Werden solche digitalhydraulischen Druckregler
als Druckminderer eingesetzt, werden diese in der vorliegenden Anmeldung
durchgehend als digitalhydraulische Druckminderer bezeichnet.
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Die
Arbeitsweise der digitalhydraulischen Druckregler bzw. Druckminderer
ist beispielsweise in der Zeitschrift Fluid Nr. 7–8,
2008 Seiten 12, 13 beschrieben. Der verbesserten Lesbarkeit
dieser Anmeldung halber wird die Arbeitsweise digitalhydraulischer
Druckregler nochmals kurz zusammengefasst dargestellt:
Ein
digitalhydraulischer Druckregler besteht im einfachen Fall aus einer
Reihe parallel geschalteter Ventile, die lediglich AUF/ZU Funktion
besitzen; also einfache EIN/AUS-Schaltventile sind, die einen Durchfluss
zulassen oder unterbrechen und in dieser Anmeldung durchgängig
als Ventile bezeichnet werden können. Die Ventile sind
alle mit einer gemeinsamen Zuführleitung einerseits und
mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung andererseits verbunden. Die
Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile,
d. h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Natürlich
können auch andere Antriebsformen gewählt werden.
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Durch
Anschluss oder Einbau von Drosselelementen bzw. durch die Ventile
selbst ist dafür gesorgt, dass die Ventile unterschiedliche
Durchflüsse haben, wenn sie geöffnet sind. Wenn
beispielsweise vier Ventile vorgesehen sind, so können
die Durchflussraten Q in den einzelnen, jeweils von dem zugehörigen
Ventil wahlweise freigebbaren Durchlässen im Verhältnis
von 1:2:4:8 zueinander stehen; bei einer größeren
Anzahl von Ventilen wird diese Reihe entsprechend fortgesetzt.
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Durch Öffnen
und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen,
die auf der Basis von mathematischen Modellen von einem Rechner
bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine sehr rasche
und präzise Druckeinstellung in der Ausgangsleitung bzw.
in dem daran angeschlossenen Stellglied erreicht werden. Dies wird
erreicht, indem die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten proportionalen
Steuerventils durch eine digital erstellte (angenäherte)
Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von
Nichtlinearitäten und/oder Hysterese des analogen Proportionalventils eine
stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt,
einen Regelpunkt schnell und (nahezu) überschwingungsfrei
anzufahren.
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In
den Druckreglern der genannten Art sind mehrere Ventile (nachfolgend
als Ventilelemente bezeichnet, die eine Schaltventilfunktion und
eine starre Drosselfunktion haben) unabhängig voneinander
betätigbar. Die Darstellung der Regelkurve erfolgt durch Schalten
geeigneter Kombinationen der Ventilelemente zur gleichen Zeit. Wenn
ein einzelnes Ventilelement nicht mehr funktioniert, nimmt die Genauigkeit der
Regelung zwar ab, die Regelungsfunktion bleibt aber erhalten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen digitalhydraulischen Regler vorzuschlagen
der mit einfachen Mittels eine hohe Regelungspräzision
auch bei Ausfall eines Ventilelements sicherstellt.
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Diese
Aufgabe wird mit einem digitalhydraulischen Regler mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Es
wurde gefunden, dass Ventilelemente mit geringen Durchflüssen,
also den kleinen Strömungsquerschnitten, für die
Präzision der Regelung von ausschlaggebender Bedeutung
sind und dass diese Ventilelemente auch jene Ventilelemente sind,
die mit am häufigsten betätigt werden.
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Dies
wurde als besonderes Beispiel bei der Regelung der Linienlast in
einem mit Hydraulikzylindern betätigten Walzenspalt eines
Kalanders untersucht und die Aussage, dass die Ventilelemente mit den
geringen Durchflüssen, also den kleinen Strömungsquerschnitten,
für die Präzision der dieser Regelung von ausschlaggebender
Bedeutung sind, wurde bestätigt.
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Erfindungsgemäß hat
ein digitalhydraulischer Regler mindestens zwei Ventilelementreihen, von
denen die eine Ventilelementreihe eine Versorgungsleitung mit einem
Reglerausgang verbinden kann und die andere Ventilelementreihe den
Reglerausgang mit einer Auslassleitung verbinden kann. Die Ventilelemente
jeder Ventilelementreihe sind parallel angeschlossen und einzeln
oder in verschiedenen Kombinationen miteinander gleichzeitig schaltbar.
Mindestens einige der Ventilelemente einer Ventilelementreihe haben
einen jeweils anderen Strömungsquerschnitt. Erfindungsgemäß ist
mindestens das Ventilelement jeder Ventilelementreihe, das den kleinsten
Strömungsquerschnitt hat, in der Ventilelementreihe doppelt
vorhanden.
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Auf
diese Weise ist sichergestellt, dass im Fall des Versagens des Ventilelements
mit dem kleinsten Strömungsquerschnitt durch Redundanz dieser
Funktion eine gleichbleibende Regelungsqualität erhalten
bleibt.
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Die
getroffene Anordnung hat zudem den Vorteil, dass erfahrungsgemäß auch
nominell baugleiche Ventilelemente tatsächlich geringfügig
verschiedene Strömungsquerschnitte haben bzw. verschiedene
Durchflüsse durchlassen. Diese Unterschiede können
in einem digitalhydraulischen Regler dahingehend genutzt werden,
dass bei der Festlegung einer zu schaltenden Kombination von Ventilelementen
für einen Reglereingriff, das geeignetere der beiden Ventilelemente
kleinsten Durchflusses gewählt wird. Damit lässt
sich die Regelung noch weiter verfeinern.
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Vorzugsweise
sind die Ventilelemente aus einem elektromagnetischen Schaltventil
und einer an dem Ventil vorgesehenen Drossel zusammengesetzt. Die
Drosseln können durch einfache Bohrungen hergestellt sein
und können dann mit immer gleichen Ventilen kombiniert
werden. Auf diese Weise sind die Elemente, die bewegte Teile haben
und damit störanfälliger sind, immer gleich. Dies
Macht sowohl den Aufbau preiswerter und vereinfacht die Bevorratung
von Ersatzteilen.
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Vorzugsweise
sind innerhalb einer Ventilelementreihe die Ventilelemente mit verschiedenen Strömungsquerschnitte
so zusammengestellt, dass sie einen von Ventilelement zu Ventilelement
stufenweise zunehmenden Strömungsquerschnitt haben. Vorzugsweise
ist der Strömungsquerschnitt von Stufe zu Stufe verdoppelt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Strömungsquerschnitte
eine binäre Reihe, in der kleinste Strömungsquerschnitt
1 beträgt und die anderen Strömungsquerschnitte
2, 4, 8 und 16 usw. betragen.
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Vorzugsweise
ist der erfindungsgemäße digitalhydraulische Regler
so gestaltet dass Schaltventile und Drosseln zum Einsatz mit Flüssigkeiten,
insbesondere für Hydrauliköl, ausgelegt und geeignet sind;
alternativ können Schaltventile und Drosseln zum Einsatz
mit Gasen, insbesondere für Druckluft, ausgelegt und geeignet
sein. Dabei können die Schaltventile elektromagnetisch
angetriebene Ventile sein.
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In
Anwendung der Erfindung kann der Regler mit einem Steuergerät
verbunden sein, das die Schaltventile oder die Schaltventilkombinationen zum Öffnen
ansteuert, wobei das Steuergerät den Regler als Druckregler
oder als Durchflussregler steuern kann.
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Die
Erfindung ist auf eine Systemeinheit mit einem Differentialzylinder
und einem digitalhydraulischen Regler anwendbar, in der der Regler
vier Ventilelementreihen hat, von denen zwei mit ihrem gemeinsamen
Reglerausgang mit einer zylinderseitigen Druckkammer des Differentialzylinders
verbunden sind, während die beiden anderen Ventilelementreihen
mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit einer kolbenstangenseitigen
Druckkammer des Differentialzylinders verbunden sind. In dieser
Systemeinheit kann in einer vom Reglerausgang zur zylinderseitigen
Druckkammer führenden Leitung ein Durchflusssensor angeordnet
sein. In dieser Ausgestaltung kann der Durchflusssensor als Positionssensor
verwendet werden, wie später beschrieben wird.
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Besondere
Vorteile zeigt dann eine Anordnung mit zwei solchen Systemeinheiten,
in der jeder Differentialzylinder an einem Lagerpunkt einer an ihren
beiden Enden gelagerten Walze angreift, wobei das Steuergerät
die Signale der Durchflusssensoren als Positionsinformation des
jeweiligen Walzenendes auswertet und die Bewegung der beiden Differentialzylinder
auf der Grundlage dieser Positionsinformation synchronisiert.
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Verschiedene
Anwendungen des erfindungsgemäßen Reglers werden
nachfolgend erläutert.
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In
der Regel wird zur Steuerung der von einem Differentialzylinder,
d. h. einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder mit zwei jeweils
von einer Kolbenseite begrenzten Kammern, erzeugten Kraft lediglich
der Druck in einer Kammer des Zylinders eingestellt, während
in der anderen Kammer Umgebungsdruck bzw. der Druck im Vorratstank
(Tankdruck) herrscht.
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Wenn
der Zylinder „drücken” soll (z. B. die Kolbenstange
ausgefahren werden soll), wird der Druck in der kolbenseitigen Kammer
erhöht. Wenn andernfalls der Zylinder „ziehen” soll
(z. B. die Kolbenstange eingezogen werden soll), wird der Druck in
der stangenseitigen Kammer erhöht.
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Im
Falle eines Lastwechsels von Drücken zu Ziehen oder umgekehrt,
durchläuft die Regelung zwingend einen Zustand (toten Bereich)
in dem keine Kraft vom Zylinder ausgeübt wird, wobei in
diesem Zustand beide Kammern Tankdruck haben. In diesem Zustand
sind beide Kammern mit dem Tank verbunden und der Kolben ist gewissermaßen
lose oder frei.
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Wenn
zudem ein großer Bereich von Kräften abzudecken
ist, ist es schwierig, entsprechend feinfühlige Regelungen
bereitzustellen, die eine genaue Regelung kleiner Kräfte
sicherstellen.
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Mit
der Präzision einer digitalhydraulischen Druckregelung
ist es möglich, beide Kammern des Differentialzylinders
gleichzeitig mit Druck zu beaufschlagen und den Druck in den Kammern
unabhängig voneinander zu regeln. Auf diese Weise ist es möglich,
auch sehr kleine Kräfte, die der Hydraulikzylinder ausüben
soll, einzustellen, indem beide Druckkammern auf einem hohen Druckniveau
entsprechend eingestellte Druckdifferenzen haben, also die Krafteinstellung
durch Gegendruck in der gegen die gewünschte Kraft arbeitenden
Druckkammer erfolgt bzw. unterstützt wird.
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Hinzu
kommt noch der Vorteil, dass die Präzision der digitalhydraulischen
Regelung besser ist, wenn der Eingangsdruck in den Regler und der
Ausgangsdruck aus dem Regler ähnlich groß sind,
d. h. wenn das Druckgefälle über den Regler klein
ist. Dies bedeutet, dass der Druck in beiden Kammern in der Nähe
des Versorgungsdrucks (Eingangsdruck des Reglers) gehalten werden
kann, so dass das ein Ventilelement innerhalb von dessen minimaler Öffnungszeit
durchströmendes Volumen klein wird, und somit gerade die
feinfühlige Regelung im Bereich kleiner Änderungen
verbessert ist. Um diesen positiven Effekt zu verstärken,
kann das Steuergerät so ausgelegt werden, dass die Drücke
so wählt, dass der höhere der beiden Kammerdrücke
nur geringfügig unter dem Versorgungsdruck liegt. Dadurch
wird unabhängig von den zu erzeugenden Kräfte
stets im Bereich bester Regelungspräzision geregelt.
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Durch
die gleichzeitige Druckregelung in beiden Druckkammern ist ferner
der Wechsel zwischen Drücken und Ziehen im Differentialzylinder
erheblich besser steuerbar; es genügt, wenn lediglich durch Änderung
des Drucks in einer Druckkammer die Gegenkraft passend erhöht
oder vermindert wird, um so die Kraft der anderen Druckkammer zu überschreiten oder
zu unterschreiten. Dadurch ergibt sich kein unkontrollierter Zustand
mehr in dem beide Druckkammern mit dem Tank verbunden sind.
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Eine
typische Anwendung der digitalhydraulischen Regelungstechnik ist
die Steuerung von Pressdrücken von Walzen und Regelung
von Druckverläufen in einem Walzenspalt in Maschinenquerrichtung
CD (CD = cross machine direction).
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Diese
digitalhydraulische Technik kann auch verwendet werden um die Blende
einer Stoffauflaufdüse (Schlitzdüse) in einer
Papier- oder Kartonmaschine einzustellen. Üblicherweis
erfolgt die Einstellung der Blende, die in CD-Richtung einen gleichmäßigen
Stoffaustritt aus dem Düsenschlitz eines Stoffauflaufs
sicherstellen soll, mittels elektrischen Spindelantrieben. Diese
mit Schrittmotoren und einem passenden Getriebe ausgerüsteten
Stellantriebe sind dicht an dicht (etwa alle 75 bis 150 mm) entlang der
Blende angebracht und die Einstellung der Schlitzbreite der Schlitzdüse
erfolgt durch lokales (geringfügiges) Verbiegen der Unterkante
der Blende in Richtung auf die Unterkante der Schlitzdüse.
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Durch
die Präzision der Regelung, die mit der digitalhydraulischen
Technik der eingangs geschilderten Art erreicht wird und weil diese
Hydraulik einen einmal eingestellten Druck in einem Volumen einschließt
und ohne weiteren Aufwand dann aufrecht erhält, ist es
möglich, die Blendenverstellung mittels Differentialzylindern
zu bewerkstelligen anstatt die bisher üblichen Spindelantriebe
zu verwenden. Auf diese Weise lässt sich eine in der Konstruktion
einfache und wartungsarme Blendenverstellung realisieren.
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In
dieser Lösung ist jeweils anstelle eines Spindeltriebs
in einem üblichen Stoffauflaufkasten ein Differentialzylinder
vorgesehen, dessen Kolbenstange mit einem Weg- bzw. Positionssensor
verbunden ist, um einen genauen Einstellwert für die Kolbenstellung
zu erhalten. Als Positionssensoren können verschiedene
Sensortypen verwendet werden; für die an einem Stoffauflauf
herrschenden Umgebungsbedingungen ist ein sogenannter LVDT-Sensor (LVDT
= Linear Variabler Differential Transformator) wegen seiner Robustheit
besonders geeignet. Andere Sensortypen können verwendet
werden. Für eine Regelung kann ferner auch eine Kraft als
Rückkopplungsgröße verwendet werden.
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Je
nach Anforderungen an die Stellgeschwindigkeit und Stellgenauigkeit
kann ein einfacher digitalhydraulischer Regler mit zweimal zwei
bis drei Ventilelementen (Schaltventile mit Drossel) vorgesehen
werden, der die Drücke in den beiden Druckkammern unter
Rückkopplung der tatsächlichen Stellung so einstellt,
dass die Blende die gewünschte Schlitzbreite einstellt.
Es ist möglich, jeden Differentialzylinder mit seinen eigenen
Ventilelementen auszurüsten.
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Wenn
die geforderten Stellzeiten dies zulassen, können aber
auch Lösungen gewählt werden, in denen beispielsweise
in einer Art Multiplexverfahren nur ein Regler vorhanden ist, der
die Drücke für zwei Druckkammern in zwei zentralen
Druckleitungen einstellen kann. Die einzelnen Differentialzylinder
werden in diesem Multiplexverfahren nacheinander einzeln mit den
zentralen Druckleitungen verbunden und die Solldrücke in
den beiden Kammern dieses Differentialzylinders werden dann von
dem zentralen Druckregler eingestellt. Dabei kann der individuelle Positionssensor
eine Größe für die Einstellung liefern.
Dann werden die beiden Kammern verschlossen und damit auch von den
zentralen Leitungen getrennt. Auf diese Weise genügen zwei
einfache Schaltventile für jeden Differentialzylinder und
es kann mit sehr wenigen Leitungen ausgekommen werden.
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Es
sind auch Mischformen möglich, in denen Gruppen von Differentialzylindern
im Multiplexverfahren einzeln oder auch gemeinsam in Überlagerung einer
mechanischen (Vor)Einstellung verstellt werden können.
Natürlich kann auch jedem Differentialzylinder ein eigener
Regler zugeordnet sein.
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Für
die Druckversorgung genügt wegen der geringen Häufigkeit
der Einstellung und wegen der kurzen Stellwege eine sehr kleine
Pumpe, die zweckmäßigerweise mit einem Druckspeicher
gekoppelt ist, so dass ein in etwa konstanter Eingangsdruck an dem
Regler oder den Reglern ausreichend ist.
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In 1 ist
eine Anordnung eines solchen Differentialzylinders zur Blendenverstellung
schematisch mit nur einem Zylinder gezeigt.
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Der
Differentialzylinder 1 hat zwei Druckkammern 11 und 12.
Die Kolbenstange des Zylinders 1 ist fest mit einer Blende 6 gekoppelt
und der Zylinder 1 ist wirksam, um die Blende 6 in 1 auf-
und abwärts zu verstellen.
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Leitungen 21 und 22 sind
mit den zugehörigen Druckkammern 11 und 12 verbunden
und an einen Druckregler 2 angeschlossen, der ein digitalhydraulischer
Regler ist, der zuvor ausführlich beschrieben worden ist.
Ein Steuergerät 3 empfängt als Informationen
ein Positionssignal x, das von einem Positionssensor (nicht dargestellt)
abgegeben wird, und die beiden Drücke in den Kammern 11 und 12.
Weitere Einflussgrößen auf die gewünschten
Kammerdrücke bzw. die Sollposition der Kolbenstange (bzw. der
Blende) können sich aus Berechnungen, anderen Vorgaben
oder Messgrößen etc. ergeben. Diesen Vorgaben
des Steuergeräts 3 folgend stellt der Druckregler 2 dann
die gewünschten Drücke in den Kammern 11 und 12 ein.
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Ferner
sind in 1 noch eine Versorgungseinheit 4 mit
Pumpe und Tank für das Arbeitsfluid vorgesehen und Bezugszeichen 5 zeigt
einen Druckspeicher.
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Als
Arbeitsfluid kommt hier neben üblichen Hydraulikflüssigkeiten
auch Wasser und/oder wässrige Emulsionen in Betracht, was
einfach zu handhabe ist, und kein Umweltrisiko darstellt. Weil nur
geringe Bewegungen ausgeführt werden und im Druckregler nur
ein/aus-Schaltventile verwendet werden, ist die Schmierfähigkeit
von Hydrauliköl nicht unbedingt erforderlich.
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2 zeigt
eine Anordnung zur Erfassung der Kolbenstellung von Differentialzylindern 1 in
einem Hydrauliksystem mit digitalen Druckreglern 2.
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Eine
Pumpe 10 liefert über einen Durchflussmesser 51,
der den von der Pumpe 10 dem System zugeführten
Volumenstrom an Arbeitsfluid misst, Arbeitsfluid zu zwei Druckreglern 2,
die jeweils mit einem Differentialzylinder 1 verbunden
sind. Der Lieferdruck der Pumpe 10 und ggf. die Temperatur werden an
der Messstelle 14 erfasst. Durchflussmesser 52 erfassen
den Zustrom an Arbeitsfluid in die zylinderseitige Druckkammer des
jeweiligen Zylinders 1. Die Messstellen 19 liefern
Messwerte der Drücke und ggf. Temperaturen in den Druckleitungen
zu den Zylindern 1. Durch die verlustfreie Arbeitsweise
der digitalhydraulischen Druckregler 2 entspricht die von den
Durchflussmessern 52 erfasste Menge an Arbeitsfluid den
tatsächlich in den jeweiligen zylinderseitigen Druckkammern
vorliegenden Füllmenge, die ein verlässliches
Maß für die Kolbenstellung ist.
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Das
Bewegen von schweren Lasten, wie z. B. Walzen in einer Papiermaschine,
mit zwei Hydraulikzylindern 1 ist stets auch ein Synchronisationsproblem
der Bewegung der beiden Kolbenstangen. Das Ergebnis der Durchflussmessungen
ist ein Positionssensor für die Kolbenstellung, wobei die
Durchflussmesser 52 genau messen sollten. Vorzugsweise
werden dazu Zahnradsysteme verwendet, die relativ genau sind. Zudem
liefert die Durchflussmessung mit dem Durchflussmesser 51 in
der Versorgungsleitung einen weiteren Messwert, der zur Plausibilitätsprüfung
der Ergebnisse der Durchflussmesser 52 für die Druckkammern
herangezogen werden kann.
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Durch
die indirekte Messung kann der Absolutwert für die Kolbenstellung
auch leicht fehlerbehaftet sein, es können aber den beiden
Messwerten (jeder für einen Zylinder 1), die gleichzeitig
erfasst werden und dabei den gleichen äußeren
Einflüssen ausgesetzt sind, Hinweise darauf entnommen werden, wie
synchron sich die beiden Kolben bewegen, oder ob die Bewegungen
unzulässig stark voneinander abweichen. Diese Erkenntnisse
können dazu verwendet werden, die Synchronisation gegebenenfalls mit
geeigneten Maßnahmen zu verbessern. Ferner kann aus den Messwerten
auch auf Fehlfunktionen im Hydrauliksystem geschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Fluid Nr.
7–8, 2008 Seiten 12, 13 [0006]