Hydraulic stepper drive : conceptual study, design and experiments

Position control by hydraulic drives is recommendable if high forces, very fast response or a very compact solution are required. The convenient technology is closed loop servo or proportional control which provides excellent dynamics and precision if all components, i.e. the hydraulic cylinder, the proportional or servo valve and the position sensor have adequate accuracy and dynamical performance characteristics. But this technology has its downsides, namely, high component costs, high oil cleanliness requirements and bad efficiency. Even though efficiency is not always a critical issue from the energy cost perspective, particularly if that drive consumes low portions of the overall used energy, the cost and installation effort of the hydraulic power supply unit may be critical factors. Quite often, position control requires moving to a new position and holds it for a long period. Leakage of proportional or servo valves needs a permanent oil flow and a corresponding power even in such holding phases. This thesis presents the development and test of a linear, compact hydraulic stepper drive consisting of few, cheap components to avoid expensive position sensors. The basic idea is to transmit very precise quantities of fluid to a hydraulic cylinder in a stepwise fashion and to create in this way well defined motion steps. The first part deals with the practicability of the sensorless concept based on a 220 kN cylinder drive which performs 5 m steps with an accuracy and repeatability of +/- 5 m. Based on this concept a hydraulic stepper converter for an energy efficient control and the capability to recuperate energy was developed. Simulations and experiments showed the improvement potential of the prototype. The weak points are the commercially available check valves and the used guidance system for the pistons. The second part of the thesis is dedicated to the development of a fast check valve and the development of a combined hydrostatic hydrodynamic bearing system based on the elastic deformation of plastics. The theoretical and experimental results show a significant improvement of the energy efficiency, the potential of this drive technology and further improvement potential of the prototype.Positionsgeregelte hydraulische Antriebe werden eingesetzt, wenn eine hohe Kraftdichte, schnelles Ansprechverhalten und ein kompaktes Design gefordert sind. Die dynamischen Anforderungen und hohen Genauigkeiten können zurzeit nur über Servo-Ventile in Kombination mit einer Regelung erreicht werden. Die Nachteile dieser Technologie sind die hohen Kosten der Komponenten, hohe Anforderung an die Ölreinheit und die schlechte Energieeffizienz. Oft sind nicht die Energiekosten selbst der Kostentreiber, sondern die Kosten und der Installationsaufwand der Versorgungseinheit, da Servo- und Proportionalventile aufgrund ihrer Leckage eine kontinuierliche Versorgung mit Hydrauliköl benötigen, auch in solchen Phasen, wo nur eine Position gehalten werden soll. Diese Arbeit gibt einen Überblick über die Entwicklung und Erprobung eines kompakten, linearen, hydraulischen Schrittantriebes bestehend aus wenigen, relativ günstigen Komponenten, um teure Wegsensorik einsparen zu können. Die Idee dahinter ist, dass vordefinierte Volumenstrompulse in einen Hydraulikzylinder geliefert werden, wodurch eine schrittweise Positionierung erfolgen kann. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der praktischen Umsetzbarkeit des Konzeptes anhand eines 220 kN Zylinderantriebes, der in 5 m Schritten sensorlos mit einer Genauigkeit und Wiederholbarkeit von +/- 5 m verstellt wird. Aufbauend auf diesem Konzept wurde ein Schrittkonverter entwickelt für eine energieeffiziente Ansteuerung und Energierekuperation. Anhand von Simulationen und Experimenten wurde das Konzept des Schrittkonverters evaluiert und das Verbesserungspotential identifiziert. Schwachpunkte stellen die derzeit am Markt verfügbaren Rückschlagventile und das verwendete Führungssystem für die schweren Kolben dar.eingereicht von DI Christoph Gradl, MLBTZusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersUniversität Linz, Dissertation, 2017OeBB(VLID)177038