Wie Hydraulik mit 1,2 Tonnen jongliert

06.11.2020 | Geschrieben von Michael Pyper

Im letzten Blogbeitrag stellten wir das inverse Pendel bereits vor. Es beweist die Leistungsfähigkeit der AX in Verbindung mit einem Synchronmotor im geschlossenen Regelkreis. Die ventillose direkte AX-Antriebstechnologie verbindet hohe Kraft und Leistungsdichte der Hydraulik mit Präzision und Energieeffizienz der elektrischen Antriebstechnik.

Das inverse Pendel – eine Zusammenfassung

Im Erklärfilm veranschaulichen wir, wie leicht unsere Hydraulik mit 1,2 Tonnen jongliert. Am Anfang positionieren wir den „Schlitten" sehr langsam und genau, worauf das hochdynamische Aufschwingen und feinfühlige Balancieren folgt. Ein manueller «Stopp» lässt das Pendel nach unten fallen. Unmittelbar darauf wird es mühelos aufgefangen und aufgerichtet.

Im zweiten Teil lassen wir das Pendel "tanzen" – in dieser Phase kann sehr viel Bremsenergie rekuperiert werden. Zur Verdeutlichung zeigen wir diesen Abschnitt in Zeitlupe.

Drosselverlusten den Garaus gemacht

Hydraulik bietet auch heute noch viele Vorteile, die sich mit keiner elektromechanischen Lösung erzielen lassen. Vor allem wenn es darum geht, höchste Kräfte aus geringem Bauraum zu erzielen, führt kein Weg an der Hydraulik vorbei. Unbestritten ist allerdings auch der gravierendste Nachteil: Die schlechte Energieeffizienz. Verantwortlich sind dafür im Wesentlichen Drosselverluste an den Steuer-/Regelventilen und die Wirkungsgrade herkömmlicher Komponenten.

Linearachsen im geschlossenen Kreis sind immer dann die richtige Wahl, wenn schnelle und präzise Regelungen gefordert sind und Energie rekuperiert werden soll. Hierbei können diese Subsysteme flexibel und dezentral in Maschinen und Anlagen platziert werden. Die bekannten weiteren Vorteile der klassischen Hydraulik wie Überlastschutz, Wärmeabfuhr, Dämpfung oder Nothaltfunktionen bleiben erhalten und können durch bewährte Komponenten einfach und sicher umgesetzt werden.

Klingt einfach, ist aber in der Praxis nicht ganz trivial. Die Zuverlässigkeit und Performance vieler heutiger Pumpen ist nicht in allen Betriebspunkten optimal. Vor allem bei hohen Kräften und geringen Geschwindigkeiten oder beim Reversieren gelangen sie schnell an ihre Grenzen. Das können unsere neuartigen AX-Pumpen wesentlich besser!

Optimal für variable Drehzahlen

Mit ihren 24 Kolben weist die AX-Pumpe geringste Pulsationen auf und kann problemlos mit höchster Zuverlässigkeit in allen vier Quadranten gefahren werden. Eine Minimaldrehzahl muss aufgrund der hydrostatischen Schmierung und der sich kompensierenden Kräfte nicht mehr beachtet werden und den gefürchteten Stick-Slip-Effekt konventioneller Pumpen gibt es nicht mehr. Mit einem Wirkungsgrad von bis zu 94 Prozent spielt sie in derselben Liga wie beste E-Motoren und Getriebe. Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems aus Umrichter, Servomotor, AX-Pumpe und Zylinder liegt bei bis zu 82 Prozent. Bei der Rückgewinnung potenzieller Energie aus Senk- und Bremsvorgängen ist sogar ein Wirkungsgrad von bis zu 84 Prozent möglich. Und leise sind die Einheiten der AX-Baureihe auch noch.

Die Entwicklung eines solchen Systems erfordert einen leistungsfähigen Prüfstand, mit dem wir neue Regelstrategien und Systemarchitekturen für hydraulische Systeme in Verbindung mit der entsprechenden Elektronik entwickeln und testen können. Den anschaulichsten Beweis für die Leistungsfähigkeit von Linearachsen mit AX-Pumpen liefert das inverse Pendel. Außerdem ist klar zu erkennen, wie sich die Nachteile herkömmlicher Hydraulik mit dem Einsatz der neuen AX-Pumpengeneration eliminieren lassen. Die Ergebnisse sind überragend und es bieten sich viele Möglichkeiten, diese Leistungsfähigkeit und die gewonnenen Erkenntnisse auf andere Applikationen zu übertragen.

Für Entwicklung und Demonstration

Das „inverse Pendel“ gilt als Benchmark der Steuerungs- und Regeltechnik. Wie ein Jongleur muss ein Pendel in seinem instabilen höchsten Punkt balanciert werden. 1,2 Tonnen Masse packen wir auf den von der Linearachse zu bewegenden Schlitten, der das Pendel in die Höhe bringt und dort kühlerlos im Dauerbetrieb über Stunden hält.

Die nur zwölf Kilogramm schwere AX24 hat eine Verdrängung von 24 Kubikzentimetern. Ihre Antriebsdrehzahl kann variabel zwischen Null und 3500U/min variieren. Dabei sorgt sie für ein maximales Drehmoment von 150 Newtonmetern, was immerhin dem Motor eines Kleinwagens entspricht.

Der gesamte Prüfstand wiegt mehr als fünf Tonnen. Die Länge über alles beträgt fast sechs Meter. Das Pendel selbst besteht aus einer ein Meter langen Stange, an deren Ende eine Scheibe mit zwei Kilogramm Masse befestigt ist. Der Prüfstand ist beweglich und nicht fest mit dem Hallenboden verbunden. Die Regelung des inversen Pendels zeigt eindrücklich die Performance des kühlerlosen, hydraulischen Antriebssystems.

Ohne die speziell für drehzahlvariable Anwendungen entwickelte AX-Pumpe wäre der Direktantrieb des Pendels nicht möglich. Mit ihrer optimalen Zuverlässigkeit in allen Betriebspunkten – insbesondere bei hoher Kraft mit geringer Geschwindigkeit und beim Reversieren – ist die Performance des elektrischen Antriebs vollständig 1:1 nutzbar.

Wie bereits beschrieben, gibt es eine minimale Drehzahlgrenze konventioneller Pumpen bei den AX-Pumpen nicht mehr. Das beweist auch der Blick unter Livebedingungen durch ein ausgefrästes Fenster in die Kupplungsglocke der AX-Pumpe. Das erste Video zeigt diesen Blick während der exakten Positionierung des 1,2 Tonnen schweren Pendelschlittens, kurz bevor dann das hochdynamische Aufschwingen startet.

Elektronik und Software

Die eingesetzte Elektronik mit der entsprechenden Software setzt die Befehle der Maschinensteuerung um und übernimmt die Ansteuerung des Inverters der Motor Pumpeneinheit. Dadurch kann eine solche Linearachse im geschlossenen Kreis besonders einfach und flexibel als Subsystem in eine Maschine integriert werden, ohne dass dazu hydraulische Kenntnisse notwendig sind. Die Beachtung von Minimaldrehzahlen und anderen Einschränkungen heutiger Hydraulik entfallen. Dadurch kann die Linearachse von Bucher Hydraulics mit Kenntnissen der elektrischen Antriebstechnik einfach, sicher und problemlos in Betrieb genommen werden.