This paper presents an original concept valve characterized by two independent actuating mechanisms controlling the metering area, the first one is realized with a rotating actuator, the second one with translating one.
The working principle of state of art proportional valves is based on the linear motion of a spool or a poppet, the edges of the moving part are coupled with the edges of the body in such way that a proper metering area is obtained.
The valve hereinafter presented has a two moving parts: a rotating sleeve and a translating spool, the flow area is determined according to the mutual position between the holes on the sleeve and the edges on the spool. The metering area is then related both to the movement of the spool similarly to a traditional spool valve, and to the rotary movement of the sleeve controlled by a torque motor, a DC motor o a rotary coil, as a function of force, speed and precision requested by the application.
The metering area is the result of two actuators position, and the resulting control is linearly depending by two PWM signals, both controlled by a microcontroller. The set of values available to control the actual metering area is then composed by a 10 or 12 bit data, used to generate the PWM duty cycle of the coil current control connected to the spool, plus the 10 or 12 bit data, used to generate the PWM duty cycle of the rotary motor coil current control connected to the cylinder, resulting in a 1024 or 4096 per 1024 or 4096 bi-dimensional control area, as a function of the chosen microcontroller. The metering control precision is virtually quadratic in respect to the traditional valve spool position control method.
Another big advantage is the flexibility, as an unique valve design can be used for several application due to the possibility to realize different Functions of Area with the two combined controls and without the need for special spool design and costly notches adjusting.
The valve design can be realized allowing:
1. AND-logical control of the two actuators, in relation to the metering area, enabling a highly safe normally closed valve,
2. OR-logical control, enabling a very fast valve,
3. Or different type of controls, like following controls, where the metering area can be obtained with different combination of relative position of the two actuators.
Moreover the new design of the valve allow special positions in order to assure the functionality (emergency closing or opening of the metering area) even in case of failure or blocking of one of the two actuators.
From the functional safety point of view The valve can assure a limited functionality, thus presenting a fail operational characteristic, or even a fully functionality, with limited precision, due to the control of only one of the actuators, thus presenting a fault tolerance to the faults.
From the functional safety point of view The valve can assure a limited functionality, thus presenting a fail operational characteristic, or even a fully functionality, with limited precision, due to the control of only one of the actuators, thus presenting a fault tolerance to the faults.
Besides, the valve respects two of the most important principles of the design for safety: redundancy and diversity, offering the functionality normally obtained using two valves, with a limited space and weight.
The paper will show the valve design, highlighting the peculiar characteristics of the mechanical solution, and finally a functional safety analysis will be drawn out.
In the paper the control strategies and the opportunities offered by the new design will be discussed, with the aid of some example, focusing on control precision and valve configuration. As an example, the advantages of some X-by-Wire application will be discussed, especially for steer by wire, and brake by wire, where the main function can’t be lost due to a single fault.
The paper will also show the different actuators characteristics, comparing force and dynamic performance.

Underwater manipulators are widely used in ocean development. Nowadays, oil hydraulic cylinders and motors are the main drives of underwater manipulators. Although the oil hydraulic components and technologies are relatively mature, there are still some disadvantages:
1. Susceptible to underwater environment, especially the pollution of piston rods and hydraulic motor shafts and the water and oil leakage from each other;
2. Not up to extreme miniaturization and light weight;
3. Poor bio-imitability and controllability.
So the water hydraulic artificial muscle is proposed to overcome the above shortcomings. Compared with hydraulic cylinders and motors, the water hydraulic muscle has many advantages such as high ratio of output force and own mass, fast response, good bio-imitability and controllability, compatible with the underwater environment, and so on. It is needed to improve the strength of the water hydraulic artificial muscle for the application in underwater manipulator. As well, the pressure of the water hydraulic artificial muscle is increased to match the pressure range of water hydraulic components.
In this paper, the geometric construction and processing technique of high-strength artificial muscles are studied. The materials of the rubber hose, rayon mesh and end fitting were selected at first. Secondly, the structure and crimping process of end fittings are provided. And the main parameters of the rayon mesh are optimized through experiments. Due to the difference between work media employed in the water hydraulic artificial muscle and pneumatic artificial muscle, the driving processes and characteristics are different. Aiming to analyze the drive characteristics, a test system is designed for the water hydraulic artificial muscle. The theoretical relationship among the amount of contraction, pressure and output drawing force of the water hydraulic artificial muscle is tested and verified. These contribute to improvements of designs and researches on the water hydraulic artificial muscle control systems. Furthermore, the underwater manipulator which is facile, small-size, light-weight and compatible with the marine environment will be shown in front of the public.

Beitrag zur Innovation der hochdynamischen Messtechnik in der Ölhydraulik

Das schwingungsfähige hydraulische Antriebssystem enthält bekanntlich auch mechanische und elektrische Teilsysteme. Die dynamischen mechanischen und elektrischen Komponenten lassen sich gut durch lineare Dipole beschreiben. Zusätzlich fällt das sehr gute Marktangebot an hochdynamischen mechanischen und elektrischen Messgeräten zu den kohärenten Paaren von Drehmoment und Drehzahl (Kraft und Geschwindigkeit) sowie Spannung und Strom am Markt auf.

Dieses breite Sensorangebot hat bei elektrischen Antrieben zu einem bemerkenswerten Fortschritt von Beobachterkonzepten geführt. So kann beispielsweise für Windkraftanlagen mit maximaler Leistung von 5,3 MW der Prototyp bei Neuentwicklungen eingespart werden, weil das Zusammenspiel von dynamischen Spannungs- und Strommessungen eine Praxiserprobung schon am Modell ermöglicht.

Dagegen wird die vorausschauende theoretische Beurteilung des Betriebsverhaltens Hydraulischer Anlagen nicht nur durch den physikalisch bedingt komplizierten Zusammenhang zwischen den kohärenten dynamischen Größen Druck und Volumenstrom erschwert. Hinzu kommt noch, dass kein einziger praxisrelevanter hochdynamischer Volumenstromsensor preiswert am Markt angeboten wird und damit der kohärente dynamische Volumenstrom praktisch gar nicht gemessen werden kann. Messtechnisch gesehen „hinkt“ die Ölhydraulik somit eigentlich nur auf einem Bein.

Im Vortrag wird deshalb das verbesserte erprobte Konzept eines hochdynamischen kombinierten Druck-, Volumenstrom- und Temperatursensors vorgestellt. Der Sensoraufbau ohne bewegte Teile ist denkbar einfach. Ein Montagering mit Messfühlern kann direkt vor oder nach jeder hydraulischen Komponente über einen Flansch eingebaut werden. Der in beide Strömungsrichtungen symmetrische nahezu hydraulisch verlustfreie Messsteg mit den Fühlern sitzt diagonal im Montagering. An diesem befinden sich nur drei Heizdrähte (dynamischeTemperaturmessung, Richtungserkennung, das Hitzdrahtanemometerprinzip misst das diagonal gemittelte dynamische Gechwindigkeitsprofil) und ein Dünnschichtfilm (dynamische Druckmessung). Der Montagering, der Messsteg und die Flansche sind den Baugrößen zugeordnet. Dagegen sind die Verschraubung der Schnittstelle und die Elektronik nur in einer einzigen Ausführung erforderlich.

Das neu vorgestellte Konzept wurde bewusst nicht patentiert, um der schnellen Einführung des dringend benötigten dynamischen Volumenstromsensors und der hier empfohlenen Zusammenarbeit während der abschließenden Entwicklung keine unnötigen Hürden in den Weg zu stellen.

Die Einsatzvielfalt für die extensive Messgröße „dynamischer Volumenstrom“ ist naturgemäß sehr groß, aber in der Hydraulik noch kaum erprobt. Für elektrische Systeme sind dagegen viele Auswertungsverfahren dynamischer Ströme bekannt. In Anlehnung an diese Erfahrungen wird im Vortrag eine kurze systematische Übersicht von Einsatzmöglichkeiten in der Ölhydraulik im Haupt- und Leckölstrom gegeben.

So gehören Parameterbestimmungen im Onlinebetrieb sicher zu den wichtigsten hydraulischen Anwendungsmöglichkeiten. Aber auch das zeitsynchrone Auswerten hydraulischer und mechanischer Größen, die dynamische Temperaturmessung, die Bestimmung von Viskosität, von Kompressibilität, die Messung von Druck- und Volumenstößen, Flüssigkeitsschallbeurteilungen, das Darstellen von Umsteuervorgängen in Pumpen und Motoren, die Beurteilung des Kavitationsbeginns, das Generieren von p-V-Diagrammen, die Onlinemessung von Schallimpedanzen, von Pumpen - Quellpulsationen und von Fasenverschiebungen zwischen Druck- und Volumenstrompulsationen sowie das Condition Monitoring gehören zu den Einsatzmöglichkeiten

Abschließend werden in einem Leistungsheft die noch zu lösenden Entwicklungsaufgaben so erläutert, dass sich konkrete Berührungspunkte der Zusammenarbeit zwischen potentiellen Sensorherstellern, Anwendern und Forschungseinrichtungen ableiten lassen.