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Mit regelbaren Pumpenantrieben Energie sparen bei hydraulischen Maschinen

17.07.2008
In hydraulischen Antrieben schlummern Energieeinsparpotenziale. Deshalb wird in der Hydraulikbranche die Entwicklung regelbarer Pumpenantriebe vorangetrieben. Einer der ersten großen Erfolge bei stationären Arbeitsmaschinen ist die Anwendung der Verdrängersteuerung mit Verstellpumpen in der Kunststoffverarbeitung. Weitere Erfolge bei der Energieeinsparungs werden von drehzahlvariablen Antrieben mit Konstantpumpe erwartet.

Die Hydraulikbranche gibt Gas. Sie will mit geregelten Pumpenantrieben Marktanteile im Maschinenbau gewinnen. Diese Antriebe funktionieren nach dem Prinzip des Gaspedals im Automobil – mit dem Unterschied, dass die Maschinensteuerung das Gasgeben „vorausdenkend“ übernimmt. So kann der Pumpendruck hochgefahren werden, bevor die Maschinenbewegung stattfinden soll. Das ermöglicht, den Wirkungsgrad hydraulischer Antriebe zu erhöhen.

Auf diesem Prinzip ruhen daher die Hoffnungen von Herstellern für hydraulische Antriebe. Es kann das altbewährte Konstantdrucksystem mit Ventilsteuerung ersetzen. Dieses System hat oft einen nicht optimalen Wirkungsgrad. „Die Verlustleistung ist hoch“, räumt Theo Schmitz, Product Units Manager Systems bei der Parker Hannifin GmbH & Co. KG, Kaarst, ein.

So wird die Leistung der Pumpe, der man bei gleichbleibendem Ölvolumenstrom einen konstanten Ausgangsdruck aufzwingt, nur teilweise in Bewegung umgesetzt. Dafür ist weniger Energie erforderlich, als die Pumpe zur Verfügung stellt. Die Pumpenleistung wird funktions- und lastorientiert reduziert: einerseits über den nicht benötigten Volumenstrom, der durch ein Druckbegrenzungsventil zum Tank zurückgelangt. Andererseits arbeitet die Ventilsteuerung mit Strömungswiderständen. Sie drosselt den für die Maschinenbewegung nötigen Volumenstrom.

Oft fehlen Vergleichdaten zur Energie- und Kostenbetrachtung

„Bei der klassischen Ventilsteuerung wird die Leistungsanpassung durch Vernichten von bereits erzeugter hydraulischer Energie erreicht“, bemerkt Michael Knobloch, Marketingleiter bei der Hawe Hydraulik GmbH & Co., München. Dennoch ist das Konstantdrucksystem mit Ventilsteuerung weit verbreitet. Bei stationären Arbeitsmaschinen schätzt Dr. Johannes Grobe, Leiter des Anwendungszentrums Systemtechnik Industriehydraulik bei der Bosch Rexroth AG, Lohr am Main, den Anteil auf deutlich über 50%.

Die Gründe dafür sieht Grobe in der robusten Technik sowie dem hohen Leistungsvermögen hinsichtlich Dynamik und Genauigkeit. Außerdem sind die Investitionskosten für Maschinenbauer attraktiv. All das macht eine transparente Kostenbetrachtung nicht einfach. So vermisst der Rexroth-Manager „eine Abwägung gegen die Betriebskosten in vielen Anwendungsbranchen.“ – auch aufgrund oft fehlender Vergleichsdaten.

In der Industriehydraulik schlummern energetische Einsparreserven. Um sie zur Erhöhung des Wirkungsgrads nutzen zu können, ist es erforderlich, den Bewegungszyklus der Maschinen „unter die Lupe“ zu nehmen. Dabei rät Harald Branz, Vertriebsleiter bei der Voith Turbo H + L Hydraulic GmbH & Co. KG (VTHL), Rutesheim, zur Zusammenarbeit mit Spezialisten für hydraulische Antriebstechnik. Nur so erreiche man ein besseres Ergebnis – und die Sicherheit, dass sich der dafür nötige Mehraufwand lohne.

Dieser Mehraufwand resultiert aus den reduzierten Vorgaben zur Auslegung der klassischen Ventilsteuerung. Man orientiert sich lediglich an den maximalen Belastungsfällen. Das heißt: Die Pumpe stellt konstant die Energie zur Verfügung, die für die Maschinenbewegung bei maximaler Last und Geschwindigkeit notwendig ist. Dadurch nimmt man eine hohe Verlustleistung in Kauf, insbesondere im Teillast- und Standby-Betrieb.

Pumpenseitig nur soviel Energie erzeugen, wie erforderlich ist.

„Die Herausforderung besteht darin, pumpenseitig nur so viel hydraulische Energie zu erzeugen, wie zum jeweiligen Zeitpunkt benötigt wird“, erläutert Hawe-Manager Knobloch. Der Fokus ist dabei auf regelbare Pumpenantriebe gerichtet, die in Abhängigkeit vom Belastungs- und Geschwindigkeitsprofil direkt Druck und Volumenstrom verstellen. Das Verdrängungsvolumen wird mechanisch reguliert. Das Ergebnis ist ein verbesserter Wirkungsgrad bei dynamischer Maschinenbewegung.

Jedoch könne man solche Verbesserungen auch mit einer „intelligenten Ventilsteuerung“ erreichen, entgegnet VTHL-Manager Branz. Die Energieversorgung übernehmen dabei Hydraulikspeicher – integriert in Hochdruck-/Niederdruck-Kreisläufe, zwischen denen mit Hilfe der Ventile geschaltet wird. Aus energetischer Sicht sei das Ergebnis laut Branz „äußerst gut“.

Viele Pressen sind mit Verdrängersteuerung ausgerüstet

In der Regel findet man die Ventilschaltung mit Hydraulikspeichern für Mehrdruck-Kreisläufe in Stanz- und Stanz-Nibbel-Maschinen zur Blechbearbeitung. Dagegen wird bei Zerspanungsmaschinen aufgrund der eher kleinen Antriebsleitung pro Maschinenachse meist auf die klassische Drosselsteuerung gesetzt. Damit lassen sich Energieeinsparpotenziale in der Druckbereitstellung erschließen.

Bei Tiefziehpressen ist jedoch die Achsleistung höher. „Bei vielen Pressen gehört die Verdrängersteuerung mit Verstellpumpe zur bevorzugten Antriebsvariante“, stellt Rexroth-Manager Grobe fest. „Mit einer Verstellpumpe lässt sich kostengünstig eine hohe Antriebsleistung erreichen. Investitions- und Betriebskosten stehen dabei in einem besonders günstigen Verhältnis.“

Größte Umstellung auf Verstellpumpen bei Spritzgießmaschinen

Der größte Wechsel bei stationären Arbeitsmaschinen fand jedoch in der Kunststoffverarbeitung statt, insbesondere bei Spritzgießmaschinen. Deren hydraulische Maschinenachsen werden heute meist von Verstellpumpen angetrieben. Das zeigen Branchenlieferungen: „Bei Spritzgießmaschinen hat sich ein Umdenken eingestellt“, berichtet Parker-Manager Schmitz. Es ist wesentlich für die heutigen Stückzahlen in der Stationärhydraulik verantwortlich.

So schätzt Schmitz das Zahlenverhältnis zu Konstantpumpen bei typischen Antriebsfunktionen „auf fifty-fifty“: auf 50% Verstellpumpen und 50% Konstantpumpen, bei denen das Verdrängungsvolumen pro Umdrehung gleichbleibend ist. Dazu kommen Pumpenaggregate für Aufgaben wie Kühlen, Filtern und Werkstückspannung. Zusammen mit den Stückzahlen für die Mobilhydraulik fertigt zum Beispiel Parker Hannifin in Europa etwa 25 000 Verstell- und 500 000 Konstantpumpen im Jahr.

Pumpenlieferungen für Spritzgießmaschinen ermöglicht Serienfertigung

Von den Stückzahlen her bieten Spritzgießmaschinen laut Schmitz „sehr viel Absatzpotenzial“. Schließlich stellten sie für die Stationärhydraulik einen der größten Märkte dar. Dazu kommt der hohe Anteil gleichartiger Maschinen. Er ermöglicht, Verstellpumpen als Serienprodukte für Spritzgießmaschinen auszulegen.

So wird der Wechsel bei Spritzgießmaschinen vom Parker-Manager „als ein großer Erfolg der Regelpumpen“ bewertet. Anfangs sah es jedoch anders aus, erinnert sich Schmitz: „Man hielt es nicht für möglich, dass Regelpumpen für die vielen Stellprozesse der Maschinen unterschiedliche Volumenströme erzeugen können“ – für das Plastifizieren, das Einspritzen sowie das Öffnen und Schließen der Form. Diese Prozesse halten die Verstellmechanik der Pumpen ständig in Bewegung. Daher wurde den Regelpumpen keine lange Lebensdauer prognostiziert.

Regelung über Pumpendrehzahl bewirkt weitere Verbesserungen

Inzwischen haben sich die Ansichten im Maschinenbau geändert. „Die Regelpumpe ist wirklich akzeptiert“, registriert Schmitz. So ist sich der Parker-Manager sicher, dass „die Erfolge der regelbaren Pumpenantriebe anhalten“ werden.

Diese Sicherheit resultiert aus der Möglichkeit, die Regelung von Druck und Volumenstrom nicht nur über das Verdrängungsvolumen, sondern auch über die Pumpendrehzahl vornehmen zu können. Dadurch lässt sich das Betriebsverhalten der Verstellpumpen verbessern, vor allem im Standby-Betrieb.

Wird der Volumenstrom nur über das Verdrängungsvolumen der Pumpen geregelt, ist die Verlustleistung relativ hoch. Außerdem stören die Betriebsgeräusche, zum Beispiel bei Axialkolbenpumpen. „Eine Anpassung der Drehzahl, speziell im Standby-Betrieb, löst diese Probleme“, ist Rexroth-Manager Grobe optimistisch.

Drehzahlgeregelte Pumpenantriebe reduzieren Geräuschemissionen

Vorteilhafte Ergebnisse werden somit von regelbaren Pumpenantrieben aus drehzahlvariablen E-Motoren und Verstell- oder Konstantpumpen erwartet. In dieser Kombination ergibt sich laut Grobe eine deutliche Geräuschreduzierung. Zudem sei eine Energieeinsparung bis zu 30% möglich.

Dennoch bleibt für den Rexroth-Manager die Anwendung drehzahlvariabler Pumpen „eine Frage der Aufwand-Nutzen-Betrachtung“. Die Antwort darauf erfolgte bisher überwiegend auf Basis der Geräuschemissionen. Auch derzeit fällt meist noch die Entscheidung aus diesem Grund.

Energieeinsparpotenzial rückt immer mehr ins Rampenlicht

„Jetzt zeigen wir die damit verbundenen Energieeinsparpotenziale als weiteren Vorteil auf“, berichtet Grobe. Dabei kann die Kombination mit Konstantpumpe am meisten punkten. Ferner stellen inzwischen kostengünstige Frequenzumrichter und E-Motoren einen großen Drehzahlbereich der Pumpe zur Verfügung. Somit kann laut Branz „die Pumpengröße minimiert werden“.

Josef Kraus | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/136989/

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