Einer für Alle - Universal-Hydraulikprüfstand mit Sekundärregelung Neuartiger Prüfstand als Ergebnis gebündelter Kernkompetenzen

Hydraulische Systeme findet man oft als Antriebstechnologie für Bewegungen mit hoher Dynamik und großen Massen, da sie im Vergleich zu elektrischen Antrieben bei gleichem Platzbedarf eine vier- bis fünfmal höhere Leistung erbringen.

Zu finden sind sie in Umformmaschinen wie Pressen, Baumaschinen, landwirtschaftlichen Geräten, Nutzfahrzeugen, Hebebühnen genauso wie in Spannvorrichtungen an CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen.

Ein Betrieb mit niedrigen Drehzahlen und hohen Drehmomenten ist mit Hydraulikantrieben unkompliziert. Der Antrieb bleibt bei Überlastung einfach stehen, während ein elektrischer Antrieb an gleicher Stelle durch Überhitzung Schaden nimmt oder gekühlt werden muss.

Allerdings können die Energiekosten für Hydraulik unter Umständen erheblich höher sein. Die Energiebilanz lässt sich aber durch eine optimale Auslegung des Gesamtsystems positiv beeinflussen. Es gilt also, die Verluste innerhalb des Systems zu identifizieren um den Aufbau zu optimieren.

Die verschiedenen Komponenten müssen perfekt aufeinander abgestimmt und passend dimensioniert werden. Dies ist nur möglich, wenn die Vorgänge innerhalb des Systems im Detail bekannt sind.

Bisher werden Hydraulikprüfstände für spezielle Aufgaben oder Produkte konzipiert. Zwar sind die jeweiligen Komponenten an sich getestet, doch das Zusammenspiel der einzelnen Pumpen und Steuerungen kann erst in der Maschine des Anwenders untersucht werden.

Es ist schwierig, in einer fertigen Anlage genauen Einblick in Zusammenhänge zu nehmen und Ursachen exakt zu lokalisieren. Probleme löst man deshalb bis heute oftmals durch Ausprobieren und den Austausch von Komponenten.

Dies kann durch das neue Konzept des Universalprüfstandes geändert werden. Erst mit dem gezielten Einsatz von geeigneter Messtechnik wird jedoch deutlich, wie beispielsweise die hochdynamischen Vorgänge im Millisekundenbereich genau ablaufen.

Das Ziel des neuen Universalprüfstandes ist es, einen besseren Einblick in hydraulische Vorgänge des gesamten Antriebsstranges, von der Pumpe bis hin zum Verbraucher, zu bekommen.

Einerseits können dadurch Prozesse bei Neuentwicklungen durch eine herstellerneutrale Systembetrachtung optimiert werden, andererseits hilft ein solcher Prüfstand auch bei einer gezielten Fehlersuche und Störungsanalyse bei bestehenden Systemen.

Der Prüfstand besteht aus einem Antriebs- bzw. Prüfbereich. Auf der Antriebsseite arbeiten insgesamt drei sekundärgeregelte Antriebssysteme von Bosch Rexroth mit Drehzahl-/Drehmoment-Regelungselektroniken (HNC100-SEK mit CAN-Busanbindung).

Diese hochdynamischen Axialkolbeneinheiten arbeiten an einem gemeinsamen, geschlossenen Hydraulikdrucknetz mit separatem Hochtank. Eine Zusatzpumpe von ATOS sowie die Prüflinge auf den insgesamt vier Prüfplätzen werden von einem zweiten Hochtank versorgt. Das komplexe Hydrauliksystem mit Schaltschränken, SPS, Frequenzumrichter, Öl-Luft-Kühlsystem und verschiedenen messtechnischen Komponenten wird komplett durch die Regelungssoftware von adt-Rinck gesteuert.

Dies kann direkt vor den Prüflingen hinter einem verfahrbaren Personen-Schutzschild oder aus der separaten Leitwarte heraus erfolgen.

Mit dem Universalprüfstand stellt der Bereich F&E an der IHA, Herstellern und Betreibern hydraulischer Systeme eine Neuheit für eigene hochdynamische Tests von Pumpen im offenen oder geschlossenen Kreis, hydraulische Komponenten und Steuerblöcke zur Verfügung. (Prüfstands-Kenndaten: Leistung bis 160 kW, max. Wellendrehzahlen 2200 bzw. 3200 1/min, Drehmoment bis 750 Nm).

Prinzip sekundärgeregelte Systemprüfanlage

Durch die Sekundärregelung wird die Belastungsenergie regeneriert. Statt die gesamte Antriebsenergie mit der Belastung durch ein Druckventil in Wärme zu wandeln, können bis zu 60% der Belastungsenergie zurückgeführt werden. Es gehen nur die Druck- und Wirkungsgradverluste als Wärme verloren. Das Ergebnis ist ein universell einsetzbarer Systemprüfstand, der zudem noch eine gute Energiebilanz aufweist.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Am Prüfstand können hydraulische Komponenten, Pumpen im offenen oder im geschlossenen Kreis und Steuerblöcke untersucht werden. Mit den sekundärgeregelten Antrieben ist ein Vier-Quadranten-Betrieb möglich, das bedeutet, es können auch Motoren für Fahrantriebe untersucht werden.

Fährt ein Fahrzeug vorwärts bergauf, ist dies eine positive Last, fährt es bergab, ist dies eine negative Last. Das gleiche gilt für die Rückwärtsfahrt. Diese vier Lastfälle entsprechen den vier Quadranten. Am Prüfstand werden diese Lastfälle mittels individueller Fahrprogramme vorgegeben und dann dynamisch abgefahren. Es ist sogar möglich das Drehzahl-/Drehmomentkennfeld von Dieselmotoren zu simulieren.

Betriebsmode Pumpenprüfung offener Kreis

Der Gesamtwirkungsgrad setzt sich aus dem mechanischem und dem hydraulischen Wirkungsgrad zusammen.

Mechanische Verluste resultieren aus Reibung, die hydraulischen Verluste sind Leck- und Drosselverluste. Die Verluste eines hydraulischen Systems sind abhängig vom Durchfluss und den Druckverlusten.

Der volumetrische Wirkungsgrad lässt sich durch Messung der externen Leckage bestimmen. Interne Leckagen findet man durch die Messung der tatsächlichen Fördermenge. Von der geometrischen (theoretischen) Fördermenge werden dazu die externe Leckage und die wirkliche Fördermenge subtrahiert.

Mit Messungen der Drücke an verschiedenen Stellen im System lassen sich die einzelnen Widerstände ermitteln. Ist der Durchfluss bekannt, kann die örtliche Verlustleistung berechnet werden. Die größten Verluste entstehen in hydraulischen Systemen durch Drosselung des Volumenstromes zur Kontrolle der Verbrauchergeschwindigkeit.

Um den Verlusten im Prüfaufbau auf die Spur zu kommen, ist geeignete Messtechnik gefragt. Dazu wird die mechanische Antriebsleistung an der Pumpenwelle gemessen und mit der hydraulischen Leistung verglichen.
Die Antriebsleistung ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl an der Pumpenwelle, die hydraulische Leistung setzt sich aus Volumenstrom und Druck zusammen.

Mit Messung von Drehmoment und Drehzahl wird die mechanische Eingangsleistung an der Pumpenwelle bestimmt. An der Pumpenwelle ist der Drehmoment-Messflansch T40 von HBM fest installiert, die Drehzahl wird aus dem CAN-Signal der HNC100-SEK entnommen.

„Für unsere Anwendung mit den hochdynamischen Sekundäreinheiten ist es optimal, dass jeder der beiden universellen Messverstärker Quantum MX840 von HBM auch einen CAN-Port zur Verfügung stellt. Durch digitale und damit verlustfreie Spiegelung der CAN-Signale der HNC direkt im Industrie-PC können wir auch auf diesem Weg entscheidende und hochdynamische Größen wie Drehzahl, Drehmoment, Schwenkwinkel für aussagekräftige Messergebnisse via Ethernet einem Messtechnik-Laptop zur Verfügung stellen“, erklärt Projektleiter Torsten Sigmund von adt-Rinck. Die Software hierfür wurde von adt-Rinck speziell für diesen Prüfstand entwickelt.

Jeder MX840 stellt insgesamt acht Eingangskanäle für verschiedenste Signalaufnehmer zur Verfügung. Neben der Erfassung von Volumenströmen und dem Drehmoment werden Drücke je nach Erfordernis an verschiedenen Stellen mit bis zu sechs Absolutdruckaufnehmern P8AP und zwei P3ICP gemessen.

HBM-Druckaufnehmer setzt adt-Rinck seit Jahren bei Hydraulikprüfständen ein. Die gesamte Messkette besteht aus den Sensoren, den beiden universellen und mobilen Messverstärkern MX840, sowie der Messwerte-Software catman®Easy und dem Laptop der IHA zur Darstellung der Messgrößen in Echtzeit sowie zur Speicherung und Auswertung der Daten, adt-Rinck adaptierte die Messtechnik an den Prüfstand.

„Die Möglichkeiten der einfach und intuitiv zu bedienenden, zugleich aber leistungsstarkenSoftware für die Messdatenerfassung und Analyse sind sehr umfangreich“, begründet Torsten Sigmund den Einsatz der HBM Messsoftware catman®Easy und EasyMath-Modul.

Der Prüfstand ist von der Blindleistungskompensation bis zum Öl-Luft-Kühlsystem gemessen zwölf Meter lang, viereinhalb Meter hoch und sechseinhalb Meter breit.

Er wiegt knapp 25 Tonnen und enthält mehr als 3000 Liter Hydrauliköl. Ein von adt-Rinck entwickelter verfahrbarer Schutzschild mit 10mm Makrolonscheiben schützt den Bediener, falls sich bei Prototypentests Metallteile lösen sollten oder ein scharfer Ölstrahl austritt. Immerhin wird mit sehr großen Drücken bis zu 400 bar gearbeitet und die Hydraulikantriebe beschleunigen die Wellen von 0 auf 2000 1/min in weniger als 100 ms.

Kunden, die über keine eigenen Prüfmöglichkeiten verfügen, kommen nun mit ihren Komponenten und Systemen zum Prüfstand nach Dresden. Dort wird der Prüf- und Messaufbau individuell montiert. Mit den Online-Messungen wird der genaue Prüfablauf definiert und danach die definierten Messungen durchgeführt.

Hier haben sich nach Angaben von Dierk Peitsmeyer, Leiter der F&E-Abteilung der IHA, insbesondere die komfortablen Berechnungskanäle des MX840 als nützlich erwiesen. Die gesammelten Erfahrungen mit dem neuartigen Universalprüfstand sind sehr gut. Er liefert wiederholbare Ergebnisse, die kundenspezifische Software läuft stabil. Trotzdem fließen neue Ideen kontinuierlich ein und der Prüfstand wird von der IHA ständig weiterentwickelt.

Mobile Messtechnik

Wenn es erforderlich ist, können Messungen auch an Kundenanlagen vor Ort durchgeführt werden, denn im Gegensatz zu dem Prüfstand ist die dazugehörige Messtechnik mobil.

Die sehr kompakten Messboxen MX840 sind nicht fest am Prüfstand installiert und die Messsoftware mit dem Laptop kann schnell zum Kunden mitgenommen werden. Das sind ideale Voraussetzungen für den mobilen Einsatz. Die kleinen und handlichen Druckaufnehmer P8AP und P3ICP erlauben unabhängig von der Einbaulage den Einsatz auch bei beengten Raumverhältnissen. Die Ergebnisse von Druckmessungen - lassen sich über Ethernet schnell auf dem Laptop übertragen und auswerten.

„Wir setzen Messtechnik von HBM bei unseren Prüfständen im In- und Ausland seit über 10 Jahren ein und haben immer die besten Erfahrungen damit gemacht. Die technischen Eigenschaften der Produkte, ihre Zuverlässigkeit und Qualität hat uns überzeugt. Wir legen großen Wert auf Zuverlässigkeit, Genauigkeit, hohe Qualität der Signale, universeller Einsatz, komfortable und leistungsfähige Software. Neben speziellen Produkteigenschaften ist auch die Beratung und Serviceleistung für uns wichtig. Das Gesamtpaket passt bei HBM einfach. Oft ist es bei unseren Projekten auch der ausdrückliche Wunsch unserer Endkunden, dass HBM-Messtechnik eingesetzt werden soll“, erklärt Torsten Sigmund, Projektleiter bei adt-Rinck.