Neues Hydraulik-Design für Pressen

Neues Antriebskonzept macht Hydraulik sparsam und intelligent

Neue, patentierte hydraulische Achsen vereinfachen mit drehzahlvariablen Pumpenantrieben die Konstruktion und Steuerung von Pressen aller Art. Sie senken den Energieverbrauch erheblich und reduzieren die notwendige Ölmenge um bis zu 90 Prozent. Hierfür verlagert man die Steuerungstechnik einer Ventilsteuerung in die Software intelligenter Servoantriebe einer Verdrängersteuerung. Dies  reduziert die Komplexität und eröffnet neue Dimensionen der Flexibilität und des Condition Monitorings.

Der Klimawandel wirkt sich weltweit immer stärker auf das tägliche Leben aus. Regierungen und internationale Organisationen haben deshalb Klimaziele beschlossen, um die CO2-Emissionen von Verbrauchern und Industrie zu begrenzen. Was bei Glühbirnen und Haushaltsgeräten bereits Standard ist, kommt auch in der Industrie immer stärker zu Tragen. Energieeffizienz ist bei den Maschinenanwendern ein entscheidendes Kriterium bei der Auswahl von Maschinen und Anlagen geworden. Sie erwarten einen höheren Ausstoß bei deutlich weniger Strom- und Ressourcenverbrauch. Zahlreiche Unternehmen haben sich außerdem bereits öffentlich dazu verpflichtet, ihre CO2-Emissionen um definierte Mengen zu reduzieren. Diese Ziele können sie nur erreichen, wenn neue Maschinen und Anlagen deutlich energieeffizienter sind. Damit sind Maschinenhersteller herausgefordert, neue Konzepte zu entwickeln.

Kraftdichte der Hydraulik bedarfsgerecht nutzen

Bei großen Anlagen mit sehr hohen Bearbeitungskräften, wie sie in der Umformtechnik benötigt werden, ist die Hydraulik als Hauptantrieb einer der größten Energieverbraucher. Das wurde von den Endanwendern lange Zeit akzeptiert, weil sie stets die maximale Kraft zur Verfügung haben wollten, auch wenn der Prozess sie nicht permanent benötigt. Moderne hydraulische Antriebe erhalten die physikalischen Alleinstellungsmerkmale wie Kraftdichte und Robustheit, reduzieren aber durch eine bedarfsgerechte Verdrängersteuerung den Stromverbrauch deutlich. Die neue, von Bosch Rexroth patentierte hydraulische Achse für Pressen verschiedenster Art, von kleiner bis großer Antriebsleistung verbindet mit ihrem hybriden Konzept die Vorteile der Hydraulik mit denen elektrischer Antriebstechnik. Erste Ausrüstungen nach dem neuen Antriebskonzept haben gezeigt, dass der Energieverbrauch um mehr als 30 Prozent gesenkt, und die benötigte Ölmenge der hydraulischen Installation um bis zu 90 Prozent reduziert werden kann.

Konventionelle Hydrauliksysteme

Konventionelle Hydrauliksysteme bewähren sich seit Jahrzehnten bei Pressen im mittleren und hohen Leistungsbereich als Antriebstechnologie der Wahl. Dabei arbeiten diese Systeme meist mit einem zentralen Hydraulikaggregat mit mehreren Verstellpumpen in Fördermengen-, Druck- oder Leistungsregelung und werden durch direkt am Netz angeschlossene Elektromotoren betrieben. Des Weiteren werden zentrale oder dezentrale Steuerblöcke mit Schalt- und Stetigventiltechnik benötigt, um den oder die Zylinder im Eilgang, Arbeits- oder Pressgang und im sogenannten Rückzug zu steuern.
Ein Nachteil dieses Konzepts sind Leerlaufverluste in den Stillstandzeiten. Auch bei der Steuerung der Zylinder entstehen Drosselverluste durch die Ventilsteuerung. Dadurch findet ein teilweise hoher Wärmeeintrag in das Hydrauliköl statt, der anschließend wieder durch eine entsprechende Kühlung verarbeitet werden muss.

Hydraulische Achse ersetzt Zentralaggregat

Ein neues, patentiertes Hydraulikkonzept ersetzt das bislang übliche zentrale Aggregat mit Ventilsteuerung durch eine patentierte hydraulische Achse mit einer drehzahlgeregelten Verdrängersteuerung und einem geschlossenen, dezentralen Fluidkreislauf. Die hydraulische Achse besteht aus einem Differentialzylinder mit Zylinderkammer für eine kraftvolle Arbeitsbewegung und einer Ringkammer für die schnelle Eilgangbewegung. Ein Hilfszylinder nimmt das Pendelvolumen während der verschiedenen Bewegungen auf und schafft so einen geschlossenen Kreislauf. Ein zentraler Öltank ist nicht mehr notwendig und entfällt komplett.

Neues Hydraulik-Design für Pressen

Patentierte hydraulische Achse von Bosch Rexroth: Drehzahlvariable Pumpenantriebe für den 4-Quadrantenbetrieb bilden je einen Antriebsstrang für einen Differentialzylinder. Ein Hilfszylinder nimmt das Pendelvolumen

 

Bewegungsumkehr durch Wechsel der Drehrichtung

Die Flächenumschaltung für die jeweilige Bewegung erfolgt über zwei Ventile. Während des Pressvorgangs sind die Zylinderflächen groß. Dadurch erreichen die Zylinder hohe Kräfte bei niedriger Geschwindigkeit. Beim Rückzug der Zylinder sind die Flächen in der Ringkammer dagegen klein, um mit niedrigen Kräften die maximale Eilganggeschwindigkeit zu erreichen und so die Nebenzeiten der Pressen zur verringern. Für die Bewegungsumkehr wechseln die Servomotoren die Drehrichtung. Bei Einsatz von verstellbaren Axialkolbenpumpen mit einer durch Null schwenkbaren Schrägscheibe ist es möglich die Bewegungsrichtung auch durch die Schwenkwinkelverstellung zu erreichen.

Neues Hydraulik-Design für Pressen

Flächenumschaltung: Beim Pressvorgang erzeugen große Flächen in der Zylinderkammer viel Kraft mit niedriger Geschwindigkeit. Bei der Rückzugsbewegung wirkt der Förderstrom auf kleine Flächen und erzeugt den Eilgang.

 

Energieeffizienz in der Praxis: Pressen verbrauchen über 30 Prozent weniger

Die hydraulische Achse arbeitet streng bedarfsorientiert. Die Servoantriebsregler verringern bei Teillast die Drehzahlen der Pumpenmotoren auf den niedrigsten möglichen Wert. Bei Stillstandzeiten, beispielweise für das Abkühlen der Werkzeuge, stehen die Motoren und verbrauchen keine Energie. Außerdem stützen Sicherheitsventile in dieser Zeit den Rückzug ab. Je nach Zykluszeiten sind durch drehzahlvariable Pumpenantriebe Energieeinsparungen von mehr als 80 Prozent im Vergleich zu konstant angetriebenen Aggregaten ohne Verstellpumpen möglich. Die ersten Pressen mit hydraulischen Achsen erreichten in der Praxis einen Minderverbrauch von 30 Prozent im Vergleich zu bereits energetisch optimierten konventionellen Hydrauliklösungen.

Neues Hydraulik-Design für Pressen

Bei der Sytronix-Familie bietet Rexroth mehr als einhundert in Leistung und Funktion drehzahlvariable Pumpenantrieben, die sich mit Multi-Ethernet-Schnittstellen in alle gängigen Automationsstrukturen einfügen

 

Über die Einsparungen durch die bedarfsgerechte Drehzahlregelung hinaus, steigern zusätzliche Funktionen die Energieeffizienz der Pressen weiter. Bei der Senkbewegung rekuperieren die Servomotoren die Bremsenergie und speisen sie entweder in einen elektrischen Speicher, stellen ihn über einen Zwischenkreis anderen Verbrauchern, beispielsweise Handlingachsen, zur Verfügung oder führen ihn zurück ins Stromnetz.

Gleichlaufreglung der Hydraulikzylinder über intelligente Software

Die Gleichlaufregelung kann über alle gängigen Echtzeit-Protokolle wie PROFINET, Ethernet IP, EtherCat oder Sercos erfolgen, wenn die Servoantriebsregler entsprechende Multi-Ethernet-Schnittstellen bereitstellen. Änderungen der Bewegungsabläufe werden ausschließlich über die Maschinensteuerung per Softwarekommando an die intelligenten Antriebe übertragen. Mechanische Einstellarbeiten an der hydraulischen Achse sind nicht notwendig. Damit gewinnen Endanwender an Flexibilität durch kurze Umrüstzeiten. Gleichzeitig können sie die Herstellprozesse jedes Bauteils über die Daten der Servoantriebe lückenlos dokumentieren. Das erfüllt die steigenden Ansprüche an die Rückverfolgbarkeit von Produkten.

90 Prozent wenige Hydrauliköl – zentraler Tank entfällt

Durch das neue Konzept der hydraulischen Achse werden die Bewegungen vorrangig über drehzahlvariable Pumpen gesteuert und nicht über die Drosselung des Volumenstroms durch Ventile. Somit wird deutlich weniger Wärme in das Hydrauliköl eingetragen und es kommt nur noch zu geringfügigen Verwirbelungen. Das Ergebnis: Bei den ersten Pressen mit hydraulischen Achsen konnten die Hersteller das Ölvolumen von z.B. 10.000 Liter auf gerade einmal 900 Liter reduzieren. Das spart Platz für den Tank und senkt die Betriebskosten, da bei einem Ölwechsel rund weniger als zehn Prozent der früher eingesetzten Ölmenge gekauft und entsorgt werden muss.

Ein zusätzlicher Vorteil ist die deutlich geringere mittlere Geräuschemission. Sie liegt bei drehzahlvariablen Pumpenantrieben um bis zu 20 dB(A) unter den konstant angetriebenen Pumpen. Bei Stillstand sinkt der Geräuschpegel der Hydraulik auf Null. Durch den Wegfall des Tanks und der aufwändigen Verrohrung für eine hydraulische Leistungsverzeigung entfallen Resonanzkörper für den Körperschall. Der Aufwand für die Geräuschdämmung ist bei dem neuen Konzept deutlich geringer.

Einfachere Hydraulikkonstruktion mit schneller Inbetriebnahme

Für Hersteller von hydraulischen Pressen bringt der Umstieg auf hydraulische Achsen erhebliche Einsparungen bei Konstruktion, Montage und Inbetriebnahme ihrer Maschinen. Tank, Kühlung und Verrohrung entfallen komplett oder zu einem großen Anteil, ebenso wie die Ventiltechnik. Die Varianz verschiedener Bewegungsabläufe verschiebt sich von der Ventiltechnik in die Software der Antriebsregler. Hier hat beispielsweise Bosch Rexroth Best-in-Class-Regler für verschiedene Kraft-/Weg- und Gleichlaufregelungen integriert. Durch die entsprechende Inbetriebnahme-Software benötigen die Techniker nicht einmal vertiefte Hydraulikkenntnisse für die Erstinbetriebnahme. Software-Assistenten schlagen passende Parameter vor. Dadurch verkürzen sich die Inbetriebnahme-Phasen einer hydraulischen Presse deutlich.

Condition Monitoring steigert Verfügbarkeit

Für Endanwender interessant sind die Daten, die die intelligenten Servoantriebe ohnehin sammeln und die durch weitere Sensoren ergänzt werden können. Sie bilden die Basis für Condition Monitoring-Strategien, die die Verfügbarkeit steigern. Aus der Analyse der Daten erkennt die entsprechende Software Verschleiß und Fehler, bevor sie zu einem Stillstand führen. An Stelle von Maschinenausfällen treten damit geplante Wartungsmaßnahmen.

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Über den Autor:

ist Projektingenieur im Branchenvertrieb für Pressen, im Geschäftsbereich Industriehydraulik bei der Bosch Rexroth AG. Nach dem Studium der Mechatronik in 2006 arbeitete er als Simulations- und Applikationsingenieur für elektrohydraulische Systeme, bevor er 2015 in den technischen Vertrieb wechselte. Dort ist er für Pressen der Massivumformung, u.a. auch für die Weiterentwicklung der Antriebslösungen für Schmiede- und Strangpressen zuständig.

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