Grundlagen der Hydraulik und Elektrohydraulik Lehrbuch

Grundlagen der Hydraulik und Elektrohydraulik Lehrbuch

Bestell-Nr.: 574180 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: 11.01.2013, Frank Ebel Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2013 Internet: www.festo-didactic.com E-Mail: did@de.festo.com 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.

Inhalt Vorwort 9 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage 10 1.1 Hydraulik Was versteht man darunter? 10 1.2 Stationär-Hydraulik 10 1.3 Mobil-Hydraulik 11 1.4 Eigenschaften der Hydraulik 12 2 Physikalische Grundlagen der Hydraulik 14 2.1 Druck 14 2.2 Druckfortpflanzung 17 2.3 Kraftübersetzung 18 2.4 Wegübersetzung 19 2.5 Druckübersetzung 20 2.6 Volumenstrom 21 2.7 Kontinuitätsgleichung 21 2.8 Druckmessung 22 2.9 Temperaturmessung 23 2.10 Volumenstrommessung 23 2.11 Strömungsarten 24 2.12 Reibung, Wärme, Druckabfall 26 2.13 Energie und Leistung 30 2.13.1 Energie 30 2.13.2 Leistung 33 2.14 Kavitation 36 2.15 Drosselstellen 37 3 Druckflüssigkeiten 39 3.1 Aufgaben von Druckflüssigkeiten 39 3.2 Arten von Druckflüssigkeiten 40 3.3 Eigenschaften und Anforderungen 41 3.4 Viskosität 42 4 Bestandteile des Energieversorgungsteils 46 4.1 Antrieb 46 4.2 Pumpe 47 4.3 Kupplung 54 4.4 Behälter 54 4.5 Filter 56 4.5.1 Rücklauffilter 58 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180 3

Inhalt 4.5.2 Saugfilter 58 4.5.3 Druckfilter 59 4.5.4 Anordnung der Filter 59 4.5.5 Nebenstromfilterung 62 4.5.6 Verschmutzungsanzeigen 62 4.5.7 Bestimmung des Differenzdrucks eines Druckfilters 63 4.6 Kühler 64 4.7 Heizung 65 4.8 Hydrospeicher 66 4.8.1 Aufbau und Wirkungsweise 66 4.8.2 Kolbenspeicher 68 4.8.3 Membranspeicher 69 4.8.4 Blasenspeicher 70 4.8.5 Sicherheitsvorschriften 71 4.8.6 Sicherheitseinrichtungen 72 5 Antriebe 73 5.1 Hydrozylinder 73 5.1.1 Einfachwirkende Zylinder 73 5.1.2 Doppeltwirkende Zylinder 74 5.1.3 Endlagendämpfung 77 5.1.4 Dichtungen 78 5.1.5 Befestigungsarten 79 5.1.6 Entlüftung 79 5.1.7 Kenndaten 79 5.1.8 Knicksicherheit 81 5.1.9 Auswahl eines Zylinders 83 5.2 Hydromotoren 84 6 Kennwerte und Bauarten hydraulischer Ventile 87 6.1 Kennwerte von Ventilen 87 6.2 Betätigungskraft 88 6.3 Bauart 88 6.3.1 Sitzventile 89 6.3.2 Schieberventile 90 6.4 Schaltüberdeckung 91 6.5 Steuerkanten 93 7 Druckventile 94 7.1 Druckbegrenzungsventile 94 7.2 Druckreduzierventile 96 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180

Inhalt 8 Wegeventile 99 8.1 Aufgaben 99 8.2 Elektrisch betätigte Wegeventile 99 8.2.1 Energieausfall und Kabelbruch bei elektrisch betätigten Wegeventilen 100 8.3 Bauarten und hydraulische Leistungsdaten 101 8.3.1 Bauarten von Wegeventilen 101 8.3.2 Anschlussarten für Wegeventile 103 8.3.3 Leistungsdaten von 4/3-Wege-Magnetventilen 104 8.3.4 Betätigungsarten von Wegeventilen 104 8.4 2/2-Wegeventile 105 8.4.1 2/2-Wege-Stößelventil 106 8.5 3/2-Wegeventile 107 8.5.1 Direkt gesteuertes 3/2-Wege-Magnetventil, mit Federrückstellung 108 8.6 4/2-Wegeventile 109 8.6.1 Übergangsstellungen 110 8.6.2 4/2-Wege-Handhebelventil, mit Federrückstellung 110 8.6.3 Direkt gesteuertes 4/2-Wege-Magnetimpulsventil, mit Raste 111 8.7 4/3-Wegeventile 112 8.7.1 4/3-Wege-Magnetventil, federzentriert, Sperrmittelstellung 113 8.7.2 Einfluss der Mittelstellung 115 8.8 Vorsteuerung eines Wegeventils 116 8.8.1 Vorgesteuertes 4/3-Wege-Magnetventil 116 8.8.2 Vergleich vorgesteuerter und direkt gesteuerter Magnetventile 118 9 Sperrventile 119 9.1 Rückschlagventil 119 9.2 Entsperrbares Rückschlagventil 120 9.3 Entsperrbares Doppelrückschlagventil 122 10 Stromventile 123 10.1 Drossel- und Blendenventile 123 10.2 Drosselrückschlagventil 126 10.3 Stromregelventile 127 11 Proportionalventile 132 11.1 Aufbau und Funktion eines Proportionalmagneten 132 11.1.1 Aufbau eines Proportionalmagneten 132 11.1.2 Funktion eines Proportionalmagneten 132 11.1.3 Betätigung von Druck-, Drossel- und Wegeventilen 133 11.1.4 Lageregelung des Ankers 134 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180 5

Inhalt 11.2 Aufbau und Funktion von Proportional-Druckventilen 135 11.2.1 Druckbegrenzungsventil 135 11.2.2 Druckreduzierventil 136 11.3 Aufbau und Funktion von Proportional-Drosselventilen und -Wegeventilen 137 11.3.1 Proportional-Drosselventile 137 11.3.2 Direkt gesteuertes Proportional-Wegeventil 137 11.3.3 Vorgesteuertes Proportional-Wegeventil 138 11.3.4 Vor- und Nachteile vorgesteuerter Proportionalventile 139 11.4 Bauformen von Proportionalventile 140 12 Zubehör 141 12.1 Schlauchleitungen und Rohrleitungen 141 12.1.1 Schlauchleitungen 142 12.1.2 Rohrleitungen 147 12.2 Anschlussplatten 149 12.3 Entlüftungsventile 150 12.4 Druckmessgeräte 151 12.4.1 Druckmessgerät mit Rohrfedermesswerk 151 12.4.2 Druckmessgerät mit Kapsel- oder Plattenfedermesswerk 152 12.4.3 Kolben-Druckmessgerät 152 12.5 Drucksensoren 153 12.6 Volumenstrommessgeräte 153 12.6.1 Durchflussmessgerät 153 13 Grundlagen der Elektrotechnik 155 13.1 Gleichstrom und Wechselstrom 155 13.2 Ohmsches Gesetz 156 13.2.1 Elektrischer Leiter 156 13.2.2 Elektrischer Widerstand 156 13.2.3 Quellenspannung 156 13.3 Elektrische Leistung 157 13.4 Funktion eines Elektromagneten 158 13.4.1 Aufbau eines Elektromagneten 158 13.4.2 Anwendungen von Elektromagneten 158 13.4.3 Induktiver Widerstand bei Wechselspannung 159 13.4.4 Induktiver Widerstand bei Gleichspannung 159 13.5 Funktion eines elektrischen Kondensators 159 13.6 Funktion einer Diode 160 13.7 Messungen im elektrischen Stromkreis 161 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180

Inhalt 13.7.1 Definition: Messen 161 13.7.2 Sicherheitshinweise 161 13.7.3 Vorgehensweise beim Messen im elektrischen Stromkreis 162 13.7.4 Spannungsmessung 162 13.7.5 Strommessung 162 13.7.6 Widerstandsmessung 163 13.7.7 Fehlerquellen beim Messen im elektrischen Stromkreis 164 14 Elektrische Bauelemente 165 14.1 Netzteil 165 14.2 Elektrische Eingabeelemente 165 14.2.1 Schließer 166 14.2.2 Öffner 166 14.2.3 Wechsler 166 14.3 Sensoren 167 14.3.1 Grenztaster 167 14.3.2 Näherungsschalter 167 14.3.3 Druckschalter 171 14.4 Relais und Schütz 172 14.4.1 Relais 173 14.4.2 Schütz 174 14.5 Speicherprogrammierbare Steuerung 175 14.5.1 Aufbau und Funktion einer SPS 176 14.6 Gesamtaufbau des Signalsteuerteils 176 14.7 Elektromagnete 177 14.8 Funkenlöschung bei Magnetventilen 179 15 Arbeitsablaufbeschreibungen von Arbeitsmaschinen und Fertigungsanlagen 180 15.1 Funktionsdiagramme 180 15.1.1 Geltungsbereich des Funktionsdiagramms 180 15.1.2 Weg-Schritt-Diagramm 181 15.2 Ablaufbeschreibung durch GRAFCET nach DIN EN 60848 182 15.2.1 Das Grundprinzip eines GRAFCET 182 15.2.2 Schritte 182 15.2.3 Übergangsbedingung 183 15.2.4 Aktionen 184 15.2.5 Ablaufauswahl 187 15.2.6 Rückführungen und Sprünge 188 15.2.7 Strukturierung von GRAFCETs 188 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180 7

Inhalt 16 Aufbau von Schaltplänen 189 16.1 Hydraulischer Schaltplan 189 16.1.1 Anordnung der Schaltzeichen im hydraulischen Schaltplan 189 16.1.2 Stellung von Zylindern und Wegeventilen 191 16.1.3 Kennzeichnungsschlüssel für Bauelemente 191 16.1.4 Technische Informationen 193 16.2 Elektrischer Schaltplan 194 16.2.1 Stromlaufplan einer elektrohydraulischen Steuerung 195 16.2.2 Kennzeichnung von Bauelementen 196 16.2.3 Schaltgliedertabellen von Relais und Schützen 197 16.2.4 Betätigte Kontakte und Sensoren 198 16.3 Klemmenanschlussplan 198 16.3.1 Aufbau eines Klemmenanschlussplans 201 16.3.2 Verdrahtung einer elektrohydraulischen Steuerung 203 17 Sicherheitsmaßnahmen bei elektrohydraulischen Steuerungen 204 17.1 Gefahren und Schutzmaßnahmen 204 17.2 Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen 205 17.2.1 Wirkung des elektrischen Stromes 205 17.2.2 Elektrischer Widerstand des Menschen 206 17.2.3 Einflussgrößen auf die Unfallgefahr 207 17.3 Schutzmaßnahmen gegen Unfälle durch elektrischen Strom 208 17.3.1 Schutz gegen direktes Berühren 208 17.3.2 Erdung 208 17.3.3 Schutzkleinspannung 208 17.4 Bedienfeld und Meldeeinrichtungen 209 17.4.1 Hauptschalter 209 17.4.2 NOT-HALT 209 17.4.3 Bedienelemente einer elektrohydraulischen Steuerung 210 17.5 Schutz elektrischer Betriebsmittel gegen Umwelteinflüsse 212 17.5.1 Kennzeichnung der Schutzart 213 17.6 Sicherheitsgrundsätze für elektrohydraulische Anlagen 214 17.6.1 Aufbau einer elektrohydraulischen Anlage 214 17.6.2 Inbetriebnahme einer elektrohydraulischen Anlage 215 17.6.3 Reparatur und Wartung einer elektrohydraulischen Anlage 215 18 Schaltzeichen 216 18.1 Schaltzeichen für hydraulische Bauelemente 216 18.1.1 Schaltzeichen für Hydropumpen und Hydromotoren 216 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180

Inhalt 18.1.2 Schaltzeichen für Ventile 217 18.1.3 Schaltzeichen für Wegeventile 217 18.1.4 Schaltzeichen für Betätigungsarten 219 18.1.5 Schaltzeichen für Druckventile 220 18.1.6 Schaltzeichen für Stromventile 220 18.1.7 Schaltzeichen für Sperrventile 221 18.1.8 Schaltzeichen für Zylinder 221 18.1.9 Schaltzeichen für weitere Bauelemente 222 18.1.10 Messgeräte 223 18.2 Schaltzeichen für elektrische Bauelemente 223 18.2.1 Schaltzeichen für Grundfunktionen 223 18.2.2 Schaltzeichen für elektromechanische Antriebe 225 18.2.3 Schaltzeichen für Relais und Schütze 226 18.2.4 Schaltzeichen für Sensoren 226 Normen 227 Stichwortverzeichnis 228 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180 9

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 did@de.festo.com oder Festo Didactic GmbH & Co. KG, Postfach 10 07 10, 73707 Esslingen zu richten. Die Verfasser 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG 574180

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 574180 11

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 574180

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 574180 13

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 574180