Effiziente Hydraulik für mobile Arbeitsmaschinen

Um CO2-Emissionen deutlich zu reduzieren, werden auch im Bereich der Hydraulik von mobilen Arbeitsmaschinen zunehmend effiziente Antriebssysteme sowie alternative und hybride Antriebe eingesetzt. Die Aussattung mit batteriegespeisten Elektroantrieben, Brennstoffzellen oder Dieselgeneratoren erfordert effizientere Komponenten und Systeme für die Arbeitsfunktionen.

Damit Betreiber wirtschaftlich arbeiten können, müssen auch elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschinen einige wichtige Kriterien erfüllen. Sie sollen ausreichend lange Betriebszeiten ohne langwieriges Nachladen erreichen sowie – ähnlich wie bisherige Arbeitsmaschinen – zuverlässig und reaktionsschnell bei hohen Leistungen arbeiten. Weiter fordern Betreiber niedrige Geräuschemissionen sowie niedrige Kosten hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Wartung.

Eine ausreichende Betriebszeit kann mit einer groß dimensionierten Energiequelle oder mit einem System mit niedriger Verlustleistung verwirklicht werden. Allerdings ergeben sich daraus hohe Kosten für die Komponenten. Effiziente Komponenten beziehungsweise Systeme einzusetzen kann sich als sinnvoll erweisen. Sie verringern zusätzlich den Bedarf an kostenintensiver Energie. Elektrische Antriebe haben bereits eine hohe Effizienz über ein breites Betriebsfeld. Die heute in mobilen, mit Dieselmotoren angetriebenen Arbeitsmaschinen verwendete Hydraulik arbeitet allerdings nicht ausreichend effizient. Es gilt, deutlich bessere Systeme zu installieren.

Hydrauliksysteme, die sich dem aktuellen Bedarf an Volumen und Druck mit Hilfe von Verstellpumpen anpassen, sogenannte Loadsensing-Systeme (LS-Systeme), erfüllen die Kriterien für elektrifizierte Maschinen nicht optimal. Axialkolben-Verstellpumpen haben zu hohe Lärmemissionen. Letztere werden wegen des nicht mehr vorhandenen Dieselmotor-Geräuschs in elektrifizierten Arbeitsmaschinen besonders hervortreten. Der Wirkungsgrad von LS-Systemen ist über das gesamte Betriebsfeld nicht optimal. Die Regeldifferenz verursacht unnötige Verluste in den meisten Betriebspunkten. Um das LS-System schwingungsfrei zu betreiben, sind mitunter aufwendige Dämpfungen erforderlich. Diese verlängern das Ansprechverhalten erheblich. Folglich ist es nicht zielführend, den Dieselmotor gegen einen Elektromotor auszuwechseln und das vorhandene Hydrauliksystem unverändert zu belassen.

Hydraulikzylinder mit elektromechanischen Linearantrieben zu ersetzen, erweist sich als nicht sinnvoll. Die mechanischen Getriebe sind nicht für die hohen Belastungen einer Baumaschine geeignet. Des Weiteren erfordert jeder elektromechanische Linearantrieb einen E-Motor mit entsprechend hoher Leistung. Die installierte Leistung wird in Summe relativ hoch auch wenn diese niemals gleichzeitig benötigt wird.

Als günstigen Kompromiss zwischen hoher Effizienz und niedrigen Kosten kann man ein optimiertes Hydrauliksystem einsetzen. Für leistungsstarke Funktionen mit hohem Potential zur Energierückgewinnung bieten sich Verdrängersteuerungen im geschlossenen Kreis an. Diese weisen die niedrigsten Verluste auf. Jede Linearfunktion erfordert jedoch eine Kombination aus E-Motor und Pumpe, vergleichbar den elektromechanischen Linearantrieben. Dies ist nicht für alle Funktionen sinnvoll.

Für Arbeitsfunktionen sind Ventilsteuerungen mit Flow-on-Demand eine wirtschaftliche Alternative:

• Hydrauliksteuerblöcke mit getrennten Steuerkanten, wie der Ventilblock LVS12 von Bucher Hydraulics, verringern die Verlustleistung und ermöglichen dynamischere Arbeitsfunktionen. Das erhöht die Effektivität der Arbeitsmaschine.
• In einem elektrischen System mit Gleichstrom-Zwischenkreis können auch Varianten von Elektroantrieben und Hydrauliksystemen jeweils optimal kombiniert werden. Beispielsweise kann die Hydraulikpumpe als Konstantpumpe mit variabler Drehzahl betrieben werden. Dazu ist die Drehzahl des E-Motors passend einzustellen. Das gelingt ohne zusätzlichen Aufwand für den Anwender der Hydraulik mit der FoD-Software von Bucher Hydraulics. Sie berechnet anhand der Ventilansteuerkennlinien die jeweils benötigte, optimale Drehzahl.
• In diesem sogenannten FoD-System ergibt sich immer – abhängig von der aktuellen Last und den Druckverlusten – der niedrigst mögliche Druck an der Pumpe. Durch eine optimierte Systemauslegung können die Druckverluste minimiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die im LS-System notwendige Regeldruckdifferenz entfällt.
• Im FoD-System werden die Ventilöffnung und die Pumpendrehzahl parallel gesteuert. Dadurch ist das Ansprechverhalten sehr schnell und direkt, vergleichbar dem Verhalten elektrischer Fahrantriebe. Die Steuerung arbeitet stabil ohne Schwingungen. Damit kann die Arbeitsmaschine vom Bediener effektiver gefahren werden.
• Das FoD-System hat zusätzlich Vorteile bei geregelten Funktionen, zum Beispiel für Assistenzsteuerungen. Die FoD-Software von Bucher Hydraulics bietet weitere Optionen, die mit einem traditionellen LS-System nicht gegeben sind.

Die Pumpe hat im drehzahlvariablen Betrieb eine besondere Bedeutung, um die speziellen Forderungen eines FoD-Systems zu erfüllen. Sie ist sozusagen das Herz des Systems. Vergleichbar der Effizienz hochwertiger E-Motoren muss sie sich über einen weiten Arbeitsbereich bei 92 bis 94 % Wirkungsgrad betreiben lassen. Das minimiert den Bedarf an kostenintensiver Batteriekapazität und verlängert die erreichbaren Betriebszeiten. Verlustleistungen an der Hydraulikpumpe zu reduzieren, zum Beispiel von 5 auf nur 2,5 kW, trägt wesentlich zu einem energieeffizienten Betrieb der Arbeitsmaschinen bei. Durch die Wirkungsgradkette mit E-Motor und Umrichter wird dieser Effekt zusätzlich verstärkt.

• Als besonders günstig erweisen sich für solche Antriebskombinationen die Hydraulikpumpen der Reihe AX von Bucher Hydraulics. Sie haben ein niedriges und angenehmes Geräuschniveau auch bei hoher Leistung, wie es von Endanwendern erwartet wird.
• Die Pumpen können mit hohem Druck angefahren und bei sehr niedriger Drehzahl betrieben werden ohne vorzeitig und unmäßig zu verschleissen.
• Durch die geringe Leckage und die hohe Anzahl an Kolben, ist bereits bei niedrigen Drehzahlen eine ruckfreie Zylinderbewegung zu verwirklichen. Vorteilhaft ist dies insbesondere bei Positionierarbeiten und langen Auslegern.
• Durch das Konstruktionsprinzip mit konsequenter hydrostatischer Entlastung der Bauteile arbeiten diese Pumpen besonders zuverlässig. Die Hydrauliksysteme von Bucher Hydraulics mit Pumpen AX und der Software Flow-on-Demand erfüllen somit optimal die Forderungen an elektrifizierte Arbeitsmaschinen.