Innovative Lösungen für mobile Anwendungen

Leistung gesteigert, Energieverbrauch verringert

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Wie lassen sich Betriebskosten und Energieverbrauch mobiler Maschinen und Anlagen senken? Wie kann ihre Produktivität gesteigert werden? Mit diesen Fragen befasst sich das Parker Mobile Systems Center. Erfahrene Ingenieure entwickeln hier zukunftsfähige Lösungen und neue Systemtechnologien – wie zum Beispiel das Intelligent-Flow-Control-System.

Der Autor Dr.-Ing. Manfred Mager ist Mobile Systems Manager bei der Parker Hannifin GmbH, Kaarst

Mit insgesamt acht Mobile Systems Centern in Europa, Amerika und Asien verfügt Parker Hannifin über ein globales Netzwerk für die Optimierung mobiler Maschinen. In Deutschland hat das Team seinen Sitz in Kaarst und ist Bestandteil der Parker Vertriebs- und Servicezentrale. Mobile Maschinen und Anlagen werden gemäß den Kundenanforderungen optimiert. Komponenten und Systeme werden so eingesetzt, dass beispielsweise der Energieverbrauch gesenkt, die Betriebs- und Aufbaukosten reduziert, Stillstandzeiten minimiert oder die Produktivität erhöht werden.
Das Produktsortiment von Parker für mobile Anwendungen umfasst neben klassischen Hydraulikkomponenten auch die Technologiebereiche Kälte-Klimatechnik, Elektromechanik, Filtration, Verbindungstechnik, Pneumatik, Prozesssteuerung sowie Dichtungstechnik. Dank dieser technologischen Breite können die Parker-Systemingenieure die jeweils bestgeeigneten Technologien nutzen. Entscheidend sind dabei die Vorstellungen und Anforderungen des Anwenders.
Jedes Mobile Systems Center arbeitet dabei eigenständig mit seinen Kunden vor Ort oder gemeinsam mit weiteren Mobile Systems Centern zusammen. Bereits in der Projektplanungsphase erhalten die Systemingenieure direkte Unterstützung von Spezialisten aus den unterschiedlichen Produktbereichen. Dies beschleunigt die Entwicklung von Lösungen, die überdies direkt im Center installiert, erprobt und weiter optimiert werden können.
Innovative Systemtechnologie: Intelligent-Flow-Control-System
Neben konkreten Anwenderprojekten werden in den Mobile Systems Centern auch neuartige Systemtechnologien entwickelt und erprobt, um zukunftsfähige Lösungen für bestimmte Märkte oder Anwendungen anbieten zu können und so weitere Geschäftsfelder zu erschließen. Ein Beispiel für eine solche Systemtechnologie ist das Intelligent-Flow-Control-System (IFC-System), bei dem die Vorteile zweier Standardsysteme kombiniert werden.
Die Arbeitshydraulik eines Baggerladers verwendet im einfachsten Fall eine Open-Center-Hydraulik mit Konstantpumpe. Open-Center-Systeme (OC-Systeme) zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau und gute dynamische Eigenschaften aus. Allerdings zeigen sie, je nach Betriebszustand, hohe Energieverluste. Aus diesem Grund werden bei Fahrzeugen in höheren Leistungsklassen Load-Sensing-Systeme (LS-Systeme) mit Verstellpumpe eingesetzt. Die Verstellpumpe passt den Förderstromverbrauch dem jeweils aktuellen Bedarf an – die Energieverluste werden so deutlich reduziert. Allerdings ist die Systemstabilität von LS-Systemen niedriger als die von OC-Systemen – ein klarer Nachteil, wenn hohe Dynamik gefragt ist.
Eine wesentliche Ursache für die ungünstigeren dynamischen Eigenschaften von LS-Systemen ist die lange Signalkette zwischen dem Steuergerät des Bedieners und dem Schwenkwinkelregler der Pumpe. Wenn der Bediener über den Joystick die Bewegung einer Funktion einleitet, wird dieses Signal zunächst elektrisch oder hydraulisch an das entsprechende Wegeventil weitergegeben. Im Hydraulikventil wird durch das Signal der Schieberkolben proportional verstellt. Dadurch ändert sich das Lastsignal, welches über die LS-Leitung hydraulisch an die Pumpe übermittelt wird. Das LS-Signal bewirkt dann, dass der Förderstrom der Pumpe über einen hydraulischen Schwenkwinkelregler an den Bedarf des Verbrauchers angepasst wird.
Um eine ausreichende Systemstabilität zu erzielen, müssen in diese lange Signalkette häufig noch Dämpfungselemente integriert werden. Hierdurch wird das Ansprechverhalten der einzelnen Funktionen reduziert, was in ungünstigen Situationen das Arbeiten mit der Maschine erschwert und somit die Produktivität reduziert.
Das von Parker entwickelte IFC-System verbindet die energetischen Vorteile eines hydraulischen LS-Systems mit den kürzeren Reaktionszeiten und der Systemstabilität eines OC-Systems mit Konstantpumpe. Beim IFC-System erfolgt die Einstellung des Schwenkwinkels nicht mehr über das hydraulische LS-Signal, sondern direkt über ein elektronisches Signal vom Steuergerät. Dies bewirkt eine deutlich kürzere Signalkette zwischen dem Joystick des Bedieners und der Schwenkwinkeleinstellung der Pumpe. So sprechen die Funktionen schneller an. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips: Die Ventilsteuerung ist von der Pumpenverstellwinkelregelung hydraulisch entkoppelt – und das erhöht die Gesamtsystemstabilität. Das IFC-Prinzip kann sowohl für Open-Center- als auch für Close-Center-Ventile eingesetzt werden.
Intelligent-Flow-Control-Technologie im Praxistest
Um die Vorteile des Intelligent Flow Controls in der Praxis zu erproben, führte das Team eines Parker Mobile Systems Centers einen Praxistest unter realen Arbeitsbedingungen durch. Dafür wurde ein Baggerlader mit dieser Technologie ausgerüstet. Die Frontschaufel erhielt ein Open-Center-IFC; im Heckbagger wurde ein Close-Center-IFC installiert. Beide Funktionseinheiten wurden von einer einzigen Verstellpumpe versorgt. Für den Aufbau des IFC in diesem Radlader wurden ausschließlich Standardkomponenten aus dem Parker Hydraulikkatalog verwendet. Die elektronische Steuerung wurde mit Elementen aus dem Parker-Iqan-System realisiert.
Um das IFC-System qualitativ und quantitativ zu bewerten, wurde der mit IFC-Technik bestückte Baggerlader mit einem baugleichen Modell mit Standardhydraulik verglichen. Beide Geräte mussten typische Aufgaben wie das Ausheben eines Grabens und das Beladen eines Lkw erfüllen. Als Bewertungskriterien wurden das Gewicht des bewegten Erdreichs, die Zeit, die Arbeitszyklenanzahl sowie der Kraftstoffverbrauch gemessen.
Dabei wurde deutlich, dass der Einsatz eines IFC-Systems die Leistung steigert und gleichzeitig den Energieverbrauch verringert. Überdies funktionierte der Bagger präziser und schneller. Beim Ausheben des Grabens schaffte der Bagger mit IFC-Technik in derselben Zeit 16,24 % mehr Lademenge als der Baggerlader mit Standardhydraulik und bei gleichem Energieverbrauch fiel die Lademenge um 21,45 % höher aus. Beim Beladen eines Lkw zeigten sich ähnliche Werte: 15,04 % mehr Lademenge in derselben Zeit und sogar 24,40 % mehr Lademenge bei gleichem Verbrauch.
Über eine SAE-J1939-Schnittstelle kann die Steuerung des IFC mit der Regelung des Antriebsmotors verbunden werden. Das ermöglicht es, Algorithmen zu implementieren, die die Motordrehzahl, den Pumpenschwenkwinkel und die Ventilstellungen entsprechend dem von den Steuergeräten angeforderten Volumenstroms optimal einzustellen. Bezogen auf den gesamten Antriebsstrang wird so ein maximaler Wirkungsgrad erzielt.
Parker Hannifin; Tel: 02131 4016-0; E-Mail: parker.germany@parker.com
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