Grundlagen der Hydraulik und Elektrohydraulik Lehrbuch

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1 Grundlagen der Hydraulik und Elektrohydraulik Lehrbuch

2 Bestell-Nr.: Stand: 08/2012 Autoren: Renate Aheimer, Christine Löffler, Dieter Merkle, Georg Prede, Klaus Rupp, Dieter Scholz, Burkhard Schrader Redaktion Frank Ebel Grafik: Doris Schwarzenberger Layout: , Frank Ebel Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 2013 Internet: Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen. Hinweis Soweit in diesem Buch nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen.

3 Inhalt Vorwort 9 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage Hydraulik Was versteht man darunter? Stationär-Hydraulik Mobil-Hydraulik Eigenschaften der Hydraulik 12 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 37 3 Druckflüssigkeiten Aufgaben von Druckflüssigkeiten Arten von Druckflüssigkeiten Eigenschaften und Anforderungen Viskosität 42 4 Bestandteile des Energieversorgungsteils Antrieb Pumpe Kupplung Behälter Filter Rücklauffilter 58 Festo Didactic GmbH & Co. KG

4 Inhalt Saugfilter Druckfilter Anordnung der Filter Nebenstromfilterung Verschmutzungsanzeigen Bestimmung des Differenzdrucks eines Druckfilters Kühler Heizung Hydrospeicher Aufbau und Wirkungsweise Kolbenspeicher Membranspeicher Blasenspeicher Sicherheitsvorschriften Sicherheitseinrichtungen 72 5 Antriebe Hydrozylinder Einfachwirkende Zylinder Doppeltwirkende Zylinder Endlagendämpfung Dichtungen Befestigungsarten Entlüftung Kenndaten Knicksicherheit Auswahl eines Zylinders Hydromotoren 84 6 Kennwerte und Bauarten hydraulischer Ventile Kennwerte von Ventilen Betätigungskraft Bauart Sitzventile Schieberventile Schaltüberdeckung Steuerkanten 93 7 Druckventile Druckbegrenzungsventile Druckreduzierventile 96 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

5 Inhalt 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 134 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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 188 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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 226 Normen 227 Stichwortverzeichnis 228 Festo Didactic GmbH & Co. KG

10 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 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage 1.1 Hydraulik Was versteht man darunter? Hydraulische Anlagen werden in modernen Produktionsanlagen und Fertigungseinrichtungen eingesetzt. Unter Hydraulik versteht man das Erzeugen von Kräften und Bewegungen durch Druckflüssigkeiten. Dabei sind die Druckflüssigkeiten das Energieübertragungsmedium. Den Stellenwert der Hydraulik in der Automatisierungstechnik zeigt die Vielzahl der Einsatzgebiete. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen: Stationär-Hydraulik und Mobil-Hydraulik Die Mobil-Hydraulik bewegt sich z. B. auf Rädern oder Ketten, im Gegensatz zur Stationär-Hydraulik, die fest an einen Ort gebunden ist. Charakteristisches Merkmal der Mobil-Hydraulik ist, dass die Ventile häufig direkt mit der Hand betätigt werden. Dagegen werden bei der Stationär-Hydraulik vorwiegend elektromagnetische Ventile verwendet. Weiterhin gibt es die Bereiche Schiffs-, Bergbau- und Flugzeugtechnik. Die Flugzeughydraulik nimmt eine Sonderstellung ein, weil dort Sicherheitsmaßnahmen von großer Bedeutung sind. Zur Verdeutlichung der Aufgaben, die von Hydraulikanlagen übernommen werden können, sind auf den nächsten Seiten einige typische Anwendungsbeispiele gezeigt. 1.2 Stationär-Hydraulik In der Stationär-Hydraulik sind folgende Anwendungsgebiete von Bedeutung: Fertigungs- und Montagemaschinen Spritzgussmaschinen Transferstraßen Walzstraßen Hub- und Förderzeuge Aufzüge Pressen Ein typisches Einsatzgebiet ist der Werkzeugmaschinenbau. Festo Didactic GmbH & Co. KG

12 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage Bild 1.1: Drehmaschine, Presse mit Hochbehälter Bei modernen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen werden Werkzeuge und Werkstücke hydraulisch gespannt. Vorschübe und Spindelantrieb können ebenfalls hydraulisch ausgeführt werden. 1.3 Mobil-Hydraulik Anwendungsgebiete der Mobil-Hydraulik sind: Baumaschinen Kipper, Greifarme, Ladebühnen Hebe- und Förderzeuge Landwirtschaftliche Maschinen In der Baumaschinenindustrie findet die Hydraulik in vielfältiger Weise Anwendung. Bei einem Bagger z. B. erfolgt neben der Erzeugung aller Arbeitsbewegungen (Heben, Greifen, Schwenken, usw.) auch der Fahrantrieb hydraulisch. Die geradlinigen Arbeitsbewegungen werden durch Linearantriebe (Zylinder) und die Drehbewegungen durch Rotationsantriebe (Motoren, Schwenkantriebe) erzeugt. 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage Bild 1.2: Mobil-Hydraulik, Bagger 1.4 Eigenschaften der Hydraulik Vorteile der Hydraulik Übertragung großer Kräfte bei Einsatz kleiner Bauelemente, d. h. große Leistungsdichte. Exaktes Positionieren. Anfahren aus dem Stillstand unter Höchstlast. Weiches Arbeiten und Umschalten. Gute Steuer- und Regelbarkeit. Nachteile der Hydraulik Verschmutzung der Umgebung durch Lecköl (Brandgefahr, Unfallgefahr). Empfindlich gegen Schmutz. Gefahr durch hohe Drücke (Schneidstrahl). Temperaturabhängigkeit (Viskositätsänderung). Ungünstiger Wirkungsgrad. Günstige Wärmeabfuhr. Gleichmäßige, lastunabhängige Bewegung, da Flüssigkeiten kaum komprimierbar sind. Tabelle 1.1: Hydraulik Vorteile und Nachteile Es gibt neben der Hydraulik weitere Techniken, mit deren Hilfe in der Steuerungstechnik Kräfte, Bewegungen und Signale erzeugt werden: Mechanik Elektrik Pneumatik Festo Didactic GmbH & Co. KG

14 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage Dabei ist zu berücksichtigen, dass jede Technik ihre bevorzugten Einsatzmöglichkeiten hat. In Tabelle 1.2 wird ein Vergleich von typischen Daten der drei am meisten eingesetzten Techniken Elektrik, Pneumatik und Hydraulik durchgeführt. Elektrik Hydraulik Pneumatik Leckagen Verschmutzung Keine Nachteile, außer Energieverlust. Umwelteinflüsse Explosionsgefahr in bestimmten Bereichen, temperaturunempfindlich. Empfindlich bei Temperaturschwankung, Brandgefahr bei Leckagen. Explosionssicher, temperaturempfindlich. Energiespeicherung Schwierig, nur in kleinen Mengen mit Batterien. Begrenzt, mit Hilfe von Gasen. Leicht Energietransport Unbegrenzt, mit Energieverlust. Bis 100 m Strömungsgeschwindigkeit v = 2 bis 6 m/s Bis 1000 m Strömungsgeschwindigkeit v = 20 bis 40 m/s Arbeitsgeschwindigkeit v = 0,5 m/s v = 1,5 m/s Energieversorgungskosten Gering Hoch Sehr hoch Linearbewegung Schwierig und teuer, kleine Kräfte, Regelung der Geschwindigkeit nur mit großem Aufwand. Einfach mit Zylindern, gute Regelbarkeit der Geschwindigkeit, sehr große Kräfte. Einfach mit Zylindern, begrenzte Kräfte, Geschwindigkeit stark lastabhängig. Rotationsbewegung Einfach und leistungsfähig. Einfach, hohe Drehmomente, niedrige Drehzahl. Einfach, nicht leistungs-fähig, hohe Drehzahl. Positioniergenauigkeit Genauigkeit bis ±1 mm und besser erreichbar. Je nach Aufwand können Genauigkeiten von ±1 mm erzielt werden. Ohne Lastwechsel möglich bis 1/10 mm. Steifigkeit Sehr gute Werte durch mechanische Zwischen-glieder erreichbar. Gut, da Öl annähernd inkompressibel ist. Schlecht, Luft ist kompressibel. Kräfte Nicht überlastbar, schlechter Wirkungsgrad durch nachgeschaltete mechanische Glieder, sehr hohe Kräfte realisierbar. Überlastsicher, bei großem Systemdruck bis 600 bar können sehr große Kräfte erzeugt werden. (F < 3000 kn) Überlastsicher, Kräfte begrenzt durch Luftdruck und Zylinderdurchmesser. (F < 30 kn bis 6 bar) Tabelle 1.2: Vergleich Elektrik Hydraulik Pneumatik 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG