Hydraulik Elektrohydraulik Grundlagen

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1 Renate Aheimer, Christine Löffler, Dieter Merkle, Georg Prede, Klaus Rupp, Dieter Scholz, Burkhard Schrader Hydraulik Elektrohydraulik Grundlagen Lehrbuch 1. Auflage Bestellnummer 55700

2 Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Produkt? Dann senden Sie eine an Autoren und Verlag freuen sich auf Ihre Rückmeldung. Das Werk entstand in Zusammenarbeit mit der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf. Bildungsverlag EINS GmbH Hansestraße 115, Köln ISBN Copyright 2013: Bildungsverlag EINS GmbH, Köln Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen.

3 Inhalt 3 Vorwort 10 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage Hydraulik Was versteht man darunter? Stationär-Hydraulik Mobil-Hydraulik Eigenschaften der Hydraulik 13 2 Physikalische Grundlagen der Hydraulik Druck Druckfortpflanzung Kraftübersetzung Wegübersetzung Druckübersetzung Volumenstrom Kontinuitätsgleichung Druckmessung Temperaturmessung Volumenstrommessung Strömungsarten Reibung, Wärme, Druckabfall Energie und Leistung Energie Leistung Kavitation Drosselstellen 38 3 Druckflüssigkeiten Aufgaben von Druckflüssigkeiten Arten von Druckflüssigkeiten Eigenschaften und Anforderungen Viskosität 43 4 Bestandteile des Energieversorgungsteils Antrieb Pumpe Kupplung Behälter Filter Rücklauffilter 59

4 4 Inhalt Saugfilter Druckfilter Anordnung der Filter Nebenstromfilterung Verschmutzungsanzeigen Bestimmung des Differenzdrucks eines Druckfilters Kühler Heizung Hydrospeicher Aufbau und Wirkungsweise Kolbenspeicher Membranspeicher Blasenspeicher Sicherheitseinrichtungen 73 5 Antriebe Hydrozylinder Einfachwirkende Zylinder Doppeltwirkende Zylinder Endlagendämpfung Dichtungen Befestigungsarten Entlüftung Kenndaten Knicksicherheit Auswahl eines Zylinders Hydromotoren 85 6 Kennwerte und Bauarten hydraulischer Ventile Kennwerte von Ventilen Betätigungskraft Bauart Sitzventile Schieberventile Schaltüberdeckung Steuerkanten 94 7 Druckventile Druckbegrenzungsventile Druckreduzierventile 97

5 Inhalt 5 8 Wegeventile Aufgaben Elektrisch betätigte Wegeventile Energieausfall und Kabelbruch bei elektrisch betätigten Wegeventilen _ Bauarten und hydraulische Leistungsdaten Bauarten von Wegeventilen Anschlussarten für Wegeventile Leistungsdaten von 4/3-Wege-Magnetventilen Betätigungsarten von Wegeventilen /2-Wegeventile /2-Wege-Stößelventil /2-Wegeventile Direkt gesteuertes 3/2-Wege-Magnetventil, mit Federrückstellung /2-Wegeventile Übergangsstellungen /2-Wege-Handhebelventil, mit Federrückstellung Direkt gesteuertes 4/2-Wege-Magnetimpulsventil, mit Raste /3-Wegeventile /3-Wege-Magnetventil, federzentriert, Sperrmittelstellung Einfluss der Mittelstellung Vorsteuerung eines Wegeventils Vorgesteuertes 4/3-Wege-Magnetventil Vergleich vorgesteuerter und direkt gesteuerter Magnetventile Sperrventile Rückschlagventil Entsperrbares Rückschlagventil Entsperrbares Doppelrückschlagventil Stromventile Drossel- und Blendenventile Drosselrückschlagventil Stromregelventile Proportionalventile Aufbau und Funktion eines Proportionalmagneten Aufbau eines Proportionalmagneten Funktion eines Proportionalmagneten Betätigung von Druck-, Drossel- und Wegeventilen Lageregelung des Ankers 135

6 6 Inhalt 11.2 Aufbau und Funktion von Proportional-Druckventilen Druckbegrenzungsventil Druckreduzierventil Aufbau und Funktion von Proportional-Drosselventilen und -Wegeventilen Proportional-Drosselventile Direkt gesteuertes Proportional-Wegeventil Vorgesteuertes Proportional-Wegeventil Vor- und Nachteile vorgesteuerter Proportionalventile Bauformen von Proportionalventile Zubehör Schlauchleitungen und Rohrleitungen Schlauchleitungen Rohrleitungen Anschlussplatten Entlüftungsventile Druckmessgeräte Druckmessgerät mit Rohrfedermesswerk Druckmessgerät mit Kapsel- oder Plattenfedermesswerk Kolben-Druckmessgerät Drucksensoren Volumenstrommessgeräte Durchflussmessgerät Grundlagen der Elektrotechnik Gleichstrom und Wechselstrom Ohmsches Gesetz Elektrischer Leiter Elektrischer Widerstand Quellenspannung Elektrische Leistung Funktion eines Elektromagneten Aufbau eines Elektromagneten Anwendungen von Elektromagneten Induktiver Widerstand bei Wechselspannung Induktiver Widerstand bei Gleichspannung Funktion eines elektrischen Kondensators Funktion einer Diode Messungen im elektrischen Stromkreis 162

7 Inhalt Definition: Messen Sicherheitshinweise Vorgehensweise beim Messen im elektrischen Stromkreis Spannungsmessung Strommessung Widerstandsmessung Fehlerquellen beim Messen im elektrischen Stromkreis Elektrische Bauelemente Netzteil Elektrische Eingabeelemente Schließer Öffner Wechsler Sensoren Grenztaster Näherungsschalter Druckschalter Relais und Schütz Relais Schütz Speicherprogrammierbare Steuerung Aufbau und Funktion einer SPS Gesamtaufbau des Signalsteuerteils Elektromagnete Funkenlöschung bei Magnetventilen Arbeitsablaufbeschreibungen von Arbeitsmaschinen und Fertigungsanlagen Funktionsdiagramme Geltungsbereich des Funktionsdiagramms Weg-Schritt-Diagramm Ablaufbeschreibung durch GRAFCET nach DIN EN Das Grundprinzip eines GRAFCET Schritte Übergangsbedingung Aktionen Ablaufauswahl Rückführungen und Sprünge Strukturierung von GRAFCETs 189

8 8 Inhalt 16 Aufbau von Schaltplänen Hydraulischer Schaltplan Anordnung der Schaltzeichen im hydraulischen Schaltplan Stellung von Zylindern und Wegeventilen Kennzeichnungsschlüssel für Bauelemente Technische Informationen Elektrischer Schaltplan Stromlaufplan einer elektrohydraulischen Steuerung Kennzeichnung von Bauelementen Schaltgliedertabellen von Relais und Schützen Betätigte Kontakte und Sensoren Klemmenanschlussplan Aufbau eines Klemmenanschlussplans Verdrahtung einer elektrohydraulischen Steuerung Sicherheitsmaßnahmen bei elektrohydraulischen Steuerungen Gefahren und Schutzmaßnahmen Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen Wirkung des elektrischen Stromes Elektrischer Widerstand des Menschen Einflussgrößen auf die Unfallgefahr Schutzmaßnahmen gegen Unfälle durch elektrischen Strom Schutz gegen direktes Berühren Erdung Schutzkleinspannung Bedienfeld und Meldeeinrichtungen Hauptschalter NOT-HALT Bedienelemente einer elektrohydraulischen Steuerung Schutz elektrischer Betriebsmittel gegen Umwelteinflüsse Kennzeichnung der Schutzart Sicherheitsgrundsätze für elektrohydraulische Anlagen Aufbau einer elektrohydraulischen Anlage Inbetriebnahme einer elektrohydraulischen Anlage Reparatur und Wartung einer elektrohydraulischen Anlage Schaltzeichen Schaltzeichen für hydraulische Bauelemente Schaltzeichen für Hydropumpen und Hydromotoren 217

9 Inhalt Schaltzeichen für Ventile Schaltzeichen für Wegeventile Schaltzeichen für Betätigungsarten Schaltzeichen für Druckventile Schaltzeichen für Stromventile Schaltzeichen für Sperrventile Schaltzeichen für Zylinder Schaltzeichen für weitere Bauelemente Messgeräte Schaltzeichen für elektrische Bauelemente Schaltzeichen für Grundfunktionen Schaltzeichen für elektromechanische Antriebe Schaltzeichen für Relais und Schütze Schaltzeichen für Sensoren 227 Normen 228 Stichwortverzeichnis 229

10 10 Vorwort Vorwort Hydraulik ist die Lehre vom Strömungsverhalten der Flüssigkeiten. Schwerpunkt dieses Buches ist die Erzeugung von Kräften und Bewegungen durch Flüssigkeiten. Die Flüssigkeit ist hierbei das Übertragungsmedium. Hydraulik und Elektrohydraulik werden in vielen Bereichen der industriellen Automatisierungstechnik erfolgreich eingesetzt. So werden zum Beispiel Holzbearbeitungsmaschinen, Werkzeugmaschinen, verfahrenstechnische Anlagen, Pressen, kunststoffverarbeitende Maschinen oder Förderanlagen weltweit mit elektrohydraulischen Steuerungen betrieben. Aber auch in der Mobilhydraulik, dazu gehören zum Beispiel landwirtschaftliche Fahrzeuge, Straßenbaufahrzeuge oder Kommunalfahrzeuge, finden elektrohydraulische Steuerungen in vielfältiger Weise Anwendung. Zur Einführung in das Thema erläutert das vorliegende Lehrbuch zuerst den Aufbau und die Funktion der Komponenten, die beim Aufbau hydraulischer und elektrohydraulischer Steuerungen verwendet werden. In den folgenden Kapiteln werden Ablaufbeschreibungen, der Aufbau von Schaltplänen und Sicherheitsmaßnahmen beschrieben. Der Wandel in den Anforderungen und die technischen Entwicklungen haben das Aussehen der Steuerungen deutlich verändert. Als Beispiele seien hier nur die Schlagworte Busvernetzung und Proportionalhydraulik genannt. Das enge Zusammenwirken der Fluidtechnik mit Mikroelektronik, Sensorik und Informationstechnik führt zu zahlreichen Innovationen auf dem Gebiet ölhydraulischer Antriebe und Steuerungen. Jede Leserin und jeder Leser dieses Buches sind eingeladen, durch Tipps, Kritik und Anregungen zur Verbesserung des Buches beizutragen. Wir bitten, Hinweise und Anregungen an oder Festo Didactic GmbH & Co. KG, Postfach , Esslingen zu richten. Die Verfasser

11 30 Kapitel 2 Physikalische Grundlagen der Hydraulik Da der Formbeiwert stark von der Reynolds-Zahl abhängig ist, wird ein Korrekturfaktor b entsprechend der Re-Zahl berücksichtigt. Damit gilt für den laminaren Bereich: Δ p = ξ b r v2 2 Re b ,5 3 1,5 1,25 1,15 1,0 Tabell e 2.2: Tabelle für den Korrekturfaktor b T-Stück 90 Bogen Doppelwinkel 90 Winkel Ventil ξ 1,3 0,5 bis 1 2 1,2 5 bis 15 Tabelle 2.3: Tabelle für den Formbeiwert Beispiel Berechnen Sie den Druckabfall Δ p in einem Winkelstück mit der Nennweite 10 mm. Gegeben: Strömungsgeschwindigkeit v = 5 m/s Dichte des Öls r = 850 kg/m 3 Viskosität ν = 100 mm 2 /s bei 15 C Zuerst wird Re berechnet: Re = v d ν = 5 m s 0,01 m 0,0001 m2 s = 500 Faktor aus Tabelle 2.2: b = 1,5 Formbeiwert aus Tabelle 2.3: ξ = 1,2 Δ p = ξ b r v2 2 = 1,2 1,5 850 kg 25 m2 2 m 3 s 2 = N m2 = 0,19 bar

12 60 Kapitel 4 Bestandteile des Energieversorgungsteils Wichtige Kenngrößen Filterfeinheit Zul. Differenzdruck Δ p μm Je nach Bauart des Filterelements bis ca. 0,1 bar Tabelle 4.4: Saugfilter Kenngrößen Diese Filter werden hauptsächlich in Anlagen eingesetzt, bei denen die erforderliche Sauberkeit der Hydraulikflüssigkeit im Behälter nicht gewährleistet ist. Sie schützen lediglich die Pumpe. Weiterhin erschweren sie das Ansaugen der Pumpe infolge eines hohen Druckabfalls oder erhöhten Verschmutzungsgrads des Filters. Aus diesem Grunde können diese Filter nicht feiner gestaltet werden, da sonst durch die Pumpe Unterdruck aufgebaut würde, was Kavitation zur Folge hätte. Damit diese Ansaugschwierigkeiten nicht auftreten, werden die Saugfilter mit Bypass-Ventil ausgerüstet. Der Einbau einer Verschmutzungsanzeige ist erforderlich Druckfilter Diese Filter werden in der Druckleitung einer Hydraulikanlage vor schmutzempfindlichen Geräten eingebaut, z. B. am Druckanschluss der Pumpe, vor Ventilen oder Stromreglern. Da dieser Filter dem maximalen Betriebsdruck ausgesetzt ist, muss er entsprechend stabil sein. Er sollte keinen Bypass haben, jedoch immer eine Verschmutzungsanzeige. Wichtige Kenngrößen Betriebsdruck Durchfluss Filterfeinheit Zul. Differenzdruck Δ p Bis 420 bar Bis 300 l/min 3 5 μm Je nach Bauart des Filterelements bis 200 bar Tabelle 4.5: Druckfilter Kenngrößen Anordnung der Filter Hydraulikfilter können innerhalb der Anlage unterschiedlich angeordnet werden. Man unterscheidet zwischen Hauptstromfilterung : Rücklauf-, Saug- und Druckfilterung Nebenstromfilterung : nur ein Teil des Förderstromes wird gefiltert In den Abbildungen in Tabelle 4.7 sind die verschiedenen Filteranordnungen aufgelistet. Die günstigste Filteranordnung hängt vor allem von der Schmutzempfindlichkeit der zu schützenden Bauelemente, vom Verunreinigungsgrad der Druckflüssigkeit und am Budget ab.

13 Kapitel 4 Bestandteile des Energieversorgungsteils 61 Hydraulikgeräte Filterprinzip Filteranordnung im Kreislauf Axialkolbenmaschine Vollstromfilter Rücklaufleitung und/oder Druckleitung Nennfilterfeinheit in μm 25 Niederdruckleitung 25 Zahnrad-, Radialkolbenmaschinen Vollstromfilter Rücklaufleitung 63 Wege-, Druck-, Strom-, Sperrventile Arbeitszylinder Teilstromfilter (zusätzlich) Saugleitung 63 Mitteltourige Hydromotoren Vollstromfilter Rücklaufleitung 25 Tabelle 4.6: Empfohlene Filterfeinheiten Schaltplan Hauptstromfilterung Rücklauffilter Saugfilter Druckfilter Nebenstromfilterung Vorteile Nachteile Kommentar Preiswert, unproblematisch bei der Wartung Verunreinigungen werden erst beim Verlassen der Komponenten erfasst. Wird häufig eingesetzt Schützt Pumpe vor Verunreinigungen Schlechte Zugänglichkeit, Ansaugprobleme bei feinporigen Filtern Zusätzlich als grober Filter vor der Pumpe einsetzbar Tabelle 4.7: H auptstrom- und Nebenstromfilterung Bei schmutzempfindlichen Ventilen kleinere Porengröße als bei anderen möglich Teuer Druckfestes Gehäuse und Verschmutzungsanzeige notwendig Kleiner Filter als Zusatzfilter möglich Geringeres Schmutzabweisungsvermögen. Nur ein Teil des Förderstroms wird gefiltert.

14 62 Kapitel 4 Bestandteile des Energieversorgungsteils Oberflächenfilter Diese Filter bestehen aus einer dünnen Gewebeschicht, z. B. Metall-, Zellulose- oder Kunststoffgewebe oder Papier. Bei diesen Filtern handelt es sich um Wegwerffilter, die gerne bei Spülvorgängen oder bei der Inbetriebnahme einer Anlage eingesetzt werden. Tiefenfilter Sie können aus zusammengepressten oder mehrfach geschichteten Textil-, Zellulose-, Kunststoff-, Glas- oder Metallfasern bestehen oder einen Sintermetalleinsatz enthalten. Diese Filter haben eine höhere Schmutzaufnahmekapazität bei gleicher Filterfläche. Grundsätzlich haben Filter eine Sternfaltung im Filtermaterial. Damit erhält man eine sehr große Filterfläche bei kleinem Bauvolumen. Bild 4.9: Schematischer Filteraufbau; links: Oberflächenfilter, rechts: Tiefenfilter Aus dem Filtermaterial, der Filterfeinheit sowie dem Filtertyp ergeben sich bestimmte Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten. Diese werden in Tabelle 4.5 und Tabelle 4.7 dargestellt. Jeder Filter bedingt einen Druckverlust. Dabei gelten für die Hauptstromfilterung folgende Richtwerte: Druckfilter Δ p 1 bis 1,5 bar bei Betriebstemperatur Rücklauffilter Δ p 0,5 bar bei Betriebstemperatur Saugfilter Δ p 0,05 bis 0,1 bar bei Betriebstemperatur

15 84 Kapitel 5 Antriebe Auswahl eines Zylinders Beispiel Hebevorrichtung Ein Differenzialzylinder mit einem Kolbendurchmesser von d K = 63 mm und einem Flächenverhältnis ϕ von 2:1 soll 40 kn in 5 s um 500 mm heben. Bild 5.6: Hebevorrichtung Lesen Sie für diesen Kolbendurchmesser d K aus Tabelle 5.5 den Kolbenstangendurchmesser d ST ab. Mittels des Kolbenstangendurchmesser d ST lesen Sie aus dem Knickfestigkeitsschaubild auf der nächsten Seite die maximal mögliche Hublänge ab. Aus Tabelle 5.5 wird für das Flächenverhältnis ϕ = 2:1 der Kolbenstangendurchmesser d ST = 45 mm abgelesen. Aus dem Knickfestigkeitsschaubild (Bild 5.7) wird für 40 kn und einem Kolbenstangendurchmesser d ST = 45 mm eine maximale Hublänge von mm ermittelt. Wäre in der Aufgabe nicht ein Flächenverhältnis von 2:1 gefordert, könnte d ST kleiner gewählt werden. Der Zylinder ist von seinen geometrischen Werten für die Hebevorrichtung geeignet.

16 Kapitel 5 Antriebe 85 F ST N Ø32 Ø50 Ø45 Ø40 Ø Ø25 Ø28 Ø Ø 12 Ø14 Ø16 Ø18 Ø20 Ø mm 6 Bild 5.7: Knickfesti gkeitsschaubild. Der Sicherheitsfaktor v ist bereits eingerechnet. l 5.2 Hydromotoren Hydromotoren wandeln die hydraulische Energie in mechanische Energie um und erzeugen drehende Bewegungen (Rotationsantrieb). Verläuft die Drehbewegung nur in einem bestimmten Winkelbereich, spricht man von Schwenkmotoren. In der Regel haben Hydromotoren den gleichen konstruktiven Aufbau wie Hydropumpen. Sie werden eingeteilt in Konstantmotoren Konstantes Schluckvolumen Verstellmotoren Verstellbares Schluckvolumen

17 86 Kapitel 5 Antriebe Innerhalb dieser Grundtypen gibt es mehrere Bauarten Hydromotor Zahnmotor Flügelzellenmotor Kolbenmotor Außenzahnradmotor innenbeaufschlagt Radialkolbenmotor Innenzahnradmotor außenbeaufschlagt Axialkolbenmotor Zahnringmotor Konstantmotoren Konstant-, Verstellmotoren Bild 5.8: Hydromotoren Übersicht Hydromotoren besitzen die gleichen Kenngrößen wie Pumpen. Allerdings spricht man bei Hydromotoren nicht vom Verdrängungsvolumen, sondern vom Schluckvolumen. Das Schluckvolumen wird von den Hydromotorenherstellern in cm 3 je Umdrehung angegeben und dazu der Drehzahlbereich, in dem der Motor wirtschaftlich arbeitet. Für das Schluckvolumen von Hydromotoren gilt: p = M V und q = n V p Druck [Pa], M Drehmoment [Nm], V Schluckvolumen [cm 3 ], q Volumenstrom [dm 3 /min], n Drehzahl [min 1 ] Aus dem Schluckvolumen und der gewünschten Drehzahl wird der Volumenstrom, den der Motor benötigt, errechnet.

18 Kapitel 5 Antriebe 87 Beispiel Ein Hydromotor mit einem Schluckvolumen V = 12,9 cm 3 wird mit einem Pumpenförderstrom von q = 15 dm 3 /min angetrieben. Bei der sich ergebenden Drehzahl ist das Drehmoment M = 1 Nm. Wie groß ist die Drehzahl n und die angegebene Leistung P? Berechnen Sie das abgegebene Drehmoment, wenn der Motor sehr stark abgebremst wird und sich dadurch ein Druck von 140 bar ( Pa) einstellt! Berechnen der Drehzahl n Aus q = n V folgt n = q V n = 15 dm 3 12,9 cm 3 min = m 3 12, m 3 min = min 1 Berechnen der Leistung P in Watt P = ω M = 2 π n M P = 2 π min 1 1 Nm P = 2 π Nm s = 122 W Berechnen des Drehmoments M bei maximalem Eingangsdruck (p max = Pa) Aus p = M V folgt M = p V M = Pa 12, m 3 = , Nm3 m 2 M = Nm = 180,6 Nm Bei diesen Berechnungen wurden der mechanisch-hydraulische und der volumetrische Wirkungsgrad nicht berücksichtigt.

19 136 Kapitel 11 Proportionalventile 11.2 Aufbau und Funktion von Proportional-Druckventilen Mit einem Proportional-Druckventil kann der Druck in einer hydraulischen Anlage über ein elektrisches Signal verstellt werden Druckbegrenzungsventil Bild 11.4 zeigt ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil. Es besteht aus einer Vorstufe mit Sitzventil und einer Hauptstufe mit einem Steuerschieber. Der Druck am Anschluss P wirkt über die Bohrung im Steuerschieber auf den Vorsteuerkegel. Der Proportionalmagnet übt die elektrisch einstellbare Gegenkraft aus. Ist die Kraft des Proportionalmagneten höher als die vom Druck am Anschluss P ausgeübte Kraft, so bleibt die Vorstufe geschlossen. Die Feder hält den Steuerschieber der Hauptstufe in der unteren Position. Der Durchfluss ist null. Übersteigt die Kraft, die der Druck ausübt, die Schließkraft des Vorsteuerkegels, so öffnet dieser. Es entsteht ein geringer Volumenstrom vom Anschluss P über den Anschluss Y zum Tank. Der Flüssigkeitsstrom verursacht einen Druckabfall über der Drossel im Innern des Steuerschiebers. Dadurch wird der Druck auf der oberen Seite des Steuerschiebers kleiner als der Druck auf seiner Unterseite. Die Druckdifferenz verursacht eine resultierende Kraft. Der Steuerschieber wandert so weit nach oben, bis die Rückstellfeder diese Kraft ausgleicht. Die Steuerkante der Hauptstufe öffnet, sodass Anschluss P und T verbunden werden. Die Druckflüssigkeit fließt über den Anschluss T zum Tank ab. Bild 11.4: Vorgesteuertes Proportional-Druckbegrenzungsventil Schnittbild, Schaltzeichen und Kennlinie