Elektrohydrostatisches Antriebskonzept für den Maschinenbau

Seit 2000 hat sich der Strompreis für die Industrie verdoppelt. Da sich dieser Trend auch künftig nicht umkehren dürfte, werden Hersteller und Betreiber von Maschinen kontinuierlich an der Energieeffizienz ihrer Anlagen arbeiten. Ein großer Hebel liegt in der Antriebstechnik, die je nach Leistungsklasse elektrohydraulisch oder elektromechanisch ist. Beide Technologien besitzen systembedingte Vor- und Nachteile. Doch welches Konzept eignet sich für die jeweilige Anwendung am besten? Der elektrohydrostatische Antrieb vereint die Vorteile beider Technologien ohne deren Nachteile. Das spart Betriebskosten und steigert die Produktivität beim Aufbau und im Betrieb. Die SMS group, Hersteller von Ringwalzanlagen, entwickelte mit Moog ein neues Antriebskonzept für seine nächste Maschinengeneration. Die bisher gefertigten Maschinen besaßen eine Zentralhydraulik mit großem Ölbehälter und eine aufwendige Verrohrung. Das erforderte zusätzliche Räume im Keller für die Unterbringung der Zentralhydraulik. Die Folge: Aufbau und Inbetriebnahme des Hydrauliksystems inklusive der Verrohrung beim Endkunden waren nur mit großem Zeitaufwand möglich und mit hohen Kosten verbunden.

Das Ringwalzen ist ein flexibles Umformverfahren für die Herstellung von Metallringen. Auf einer Maschine lassen sich nahtlose Ringe mit unterschiedlichsten Durchmessern, Wanddicken und Höhen herstellen. Eingesetzt werden sie in Flansche für den Maschinen- und Anlagenbau, ringgewalzte Zahnradrohlinge für den Getriebebau, Ringe für Kompressoren und Gasturbinen oder besonders große Lagerringe für Baumaschinen. Zur Fertigung größerer Ringe werden Walzmaschinen mit hydraulischer Werkzeugzustellung eingesetzt. Mindestens fünf translatorische Achsen arbeiten gleichzeitig an der Formgebung der Ringe.

Die Antriebslösung basierte auf einer Zentralhydraulik mit Speichern, die speziell im Teillastbetrieb nicht energieeffizient arbeitete. In der Speicherhydraulik arbeiteten die Pumpen ständig gegen hohen Druck. An den translatorischen Walzachsen befand sich eine hochauflösende und dynamische Servohydraulik. Der Energie- beziehungsweise Leistungsfluss wurde über das Servoventil gesteuert und gedrosselt. Dadurch entstanden systembedingt teils erhebliche Drosselverluste, die sich nachteilig auf die Gesamteffizienz der Maschine auswirkten. Der Maschinenzyklus war durch schnelle Eilgangbewegungen ohne Kraft und langsame hochauflösende Zustellbewegungen unter hohen Kräften mit teilweise wechselnden Kraftrichtungen gekennzeichnet. Die Regelungsart wechselte von Position zu Kraftregelung und umgekehrt. Das Konzept ist robust, überlastsicher und hat eine hohe Verfügbarkeit. Diese Eigenschaften sollten beim neuen Maschinenkonzept erhalten bleiben.

Außerdem sollte auf die aufwendige Zentralhydraulik mit den zahlreichen Verbindungselementen vollständig verzichtet werden. Ziel war eine vereinfachte und verkürzte Installation und schnellere Inbetriebnahme der Walzmaschinen vor Ort. Der Geräuschpegel, mögliche Sicherheits- und Umweltgefährdungen sollten reduziert und die Maschine deutlich energieeffizienter werden.

Das elektrohydrostatische Antriebssystem (EAS) von Moog vereint die energetischen Vorteile eines elektromechanischen Antriebs basierend auf dem Prinzip „Power on Demand“ einerseits, und die Vorteile der Hydraulik bei der robusten Kraftübertragung, den günstigen Kosten und der hohen Verfügbarkeit andererseits. Das EHA-Designkonzept verbindet elektrische und hydraulische Komponenten in einem System. Dazu zählen der von einem Servo-Drive geregelte Servomotor, die drehzahlgeregelte Radialkolbenpumpe im Vier-Quadranten-Betrieb sowie ein Steuerblock und ein Hydraulikzylinder. Die Zylindergeschwindigkeit ist proportional zur Motordrehzahl.

Der Hersteller der Ringwalzmaschinen bevorzugte die elektrohydrostatische Lösung, weil sehr hohe Kräfte (> 1 MN) aufzubringen sind. Zudem können extreme Stoßbelastungen auftreten. Dies ist die Domäne hydraulischer Antriebe. Das EAS kann diese Kräfte in seinem hydrostatischen Getriebe umsetzen. Die elektrohydrostatische Pumpeneinheit wird raumsparend direkt auf den Steuerblock geflanscht. Der Steuerblock beinhaltet alle notwendigen Überlast- und Logikfunktionen. Er wird direkt an den Hydraulikzylinder montiert. Servomotor, Pumpe, Steuerblock und Hydraulikzylinder bilden eine Funktionseinheit. Verrohrungen am Zylinder sind auf ein Minimum reduziert.

Die elektrohydrostatischen Funktionseinheiten werden direkt an die Maschinenachsen integriert. Da die Pumpe im Fördervolumen umschaltbar ist, sind Eilbewegungen mit hoher Geschwindigkeit und Arbeitsbewegungen mit niedriger Geschwindigkeit und hoher Kraft leicht umzusetzen. Alle Servo-Drives sind elektrisch über einen gemeinsamen DC-Bus verbunden, der mittels einer rückspeisefähigen Power Supply Unit versorgt wird. Das Konzept spart viel Energi ein: Im Vergleich zu herkömmlichen Ringwalzmaschinen arbeiten die modifizierten Achsen mit einer bis zu 40 Prozent geringeren Energieaufnahme. Die Anschlussleistung wird deutlich reduziert. Hinzu kommt, dass durch das neue Anlagendesign die komplette Maschinen- und Fundamentverrohrung entfällt. Der Aufbau der Maschine ist wesentlich einfacher. Da die Ölmenge von 2500 Liter auf 200 Liter reduziert wurde, entfällt die sonst nötige Aufstellfläche für ein entsprechend großes Hydraulikaggregat. Weil kaum noch Hydrauliköl erforderlich ist, spart das Hilfs- und Betriebsstoffe ein. Zudem ist die Anlage deutlich leiser. Alles in allem steigt die Produktivität. hei

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