DE102019131980A1

DE102019131980A1 - Elektrohydrostatisches System mit Drucksensor

Info

Publication number: DE102019131980A1
Application number: DE102019131980.3A
Authority: DE
Inventors: Sascha Dany; Sven Müller; Rainer Kohlhaas
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-05-27
Also published as: EP4065360A1; US20230026318A1; CN114761221A; EP4065360B1; CN114761221B; WO2021104966A1

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

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 2 und 3 werden zwei im Stand der Technik bekannte Systeme zum Absichern der Einrichtgeschwindigkeit dargestellt.
In der 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 3 Wegeventil 18 zur Steuerung der Funktion des Hydraulikzylinders 10, beispielsweise das Einfahren und Ausfahren. Die sichere Einrichtgeschwindkeit wird 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 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 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 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 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 funktionaler 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 darauf hingewiesen 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:

1 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines im Stand der Technik bekannten elektrohydrostatischen Systems;
3 eine schematische Darstellung eines im Stand der Technik bekannten klassisches Hydrauliksystems;
4 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer dritten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer vierten Ausführungsform;
7 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer fünften Ausführungsform;
8 eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems gemäß einer sechsten Ausführungsform;

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 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 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.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der 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 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.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der 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 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.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer vierten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der 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 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.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer fünften Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der 7 ist der Drucksensor 60 mit erhöhter funktionaler 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.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydrostatischen Systems 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform. In der Ausführungsform gemäß der 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

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.
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.
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.
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.
Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Motorsteuervorrichtung (20) eine Safe Torque Off - Sicherheitsfunktion bereitstellt.
Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Drucksensor (60) als ein Drucksensor mit erhöhter funktionaler Sicherheit ausgebildet ist.
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.
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.
Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei der Drucksensor (60) mit der zweiten Zylinderkammer (12) des Hydraulikzylinders (10) verbunden ist.
Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei in der Bypassverbindung ein fluidhydraulisches Einrichtventil (14) geschaltet ist.
Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei in der Bypassverbindung ein Druckbegrenzungsventil (70, 80) geschaltet ist.
Elektrohydrostatisches System nach Anspruch 11, wobei parallel zu dem Druckbegrenzungsventil (70, 80) ein Rückschlagventil (81) geschaltet ist.
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.
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.
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.
Elektrohydrostatisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14 zum Steuern der Einrichtgeschwindigkeit in einer Pulverpresse, Schmiedepresse und/oder Umformpresse.