AT507088B1 - Verfahren und vorrichtung zur aktiven unterdrückung von druckschwingungen in einem hydrauliksystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur aktiven unterdrückung von druckschwingungen in einem hydrauliksystem Download PDF

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AT507088B1 AT0189708A AT18972008A AT507088B1 AT 507088 B1 AT507088 B1 AT 507088B1 AT 0189708 A AT0189708 A AT 0189708A AT 18972008 A AT18972008 A AT 18972008A AT 507088 B1 AT507088 B1 AT 507088B1
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Description

österreichisches Patentamt AT507 088 B1 2010-02-15
Beschreibung
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR AKTIVEN UNTERDRÜCKUNG VON DRUCKSCHWINGUNGEN IN EINEM HYDRAULIKSYSTEM
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Unterdrückung von Druckschwingungen oder Druckpulsationen in einem Hydrauliksystem einer Kaltoder Warmwalzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage für Eisen-, Stahl- oder Aluminiumwerkstoffe.
[0002] Es ist bekannt, dass periodisch auftretende Druckschwingungen oder aperiodische Druckpulsationen in Hydrauliksystemen verschiedene Probleme verursachen, beispielsweise übermäßige Geräuschentwicklung, Reduktion der Lebensdauer von Komponenten, Störung von Regelkreisen etc. Druckschwingungen bzw. -pulsationen können entweder im Hydrauliksystem intern hervorgerufen werden, z.B. durch die Ungleichförmigkeit der Fördermenge von Pumpen oder durch die Ansteuerung von Ventilen usw., aber auch extern verursacht werden, z.B. durch periodische Lastschwankungen bei Hydraulikzylindern oder -motoren. Es ist weiters bekannt, dass es insbesondere bei Hydrauliksystemen mit hoher Dynamik, beispielsweise bestehend aus einem stetigen Hydraulikventil (z.B. ein elektrisch angesteuertes Proportional- oder Servoventil) und einem Hydraulikzylinder oder -motor, zu starken Druckschwingungen im Hydrauliksystem kommen kann.
[0003] Es hat sich gezeigt, dass es auch in den Hydrauliksystemen moderner Walzstraßen oder Bandbehandlungsanlagen - z.B. bei der hydraulischen Walzenanstellung - zu starken Druckschwingungen kommen kann, welche zu einer Reduktion der Lebensdauer von Komponenten, aber auch zu erheblichen Schäden an den Gerüsten einer Walzstraße und/oder zu Defekten am Walzgut führen können. Dies wird vor allem dadurch bedingt, dass auf der einen Seite -bedingt durch höhere Walzkräfte oder -geschwindigkeiten - immer schneller reagierende Hydrauliksysteme (höhere Dynamik) verwendet werden und auf der anderen Seite - bedingt durch höhere Anforderungen an die Reaktionszeit und Wirtschaftlichkeit - die Dämpfung in den Hydrauliksystemen (z.B. die viskose Dämpfung in den Dichtungen von Zylindern) reduziert wird.
[0004] Aus der DE 4 302 977 A1 ist eine Vorrichtung zur aktiven Unterdrückung von Druckschwingungen in einem Hydraulikaggregat bekannt, welche einen Drucksensor, eine Regeleinrichtung mit zugeordnetem Verstärker und einen Volumen-Kompensator aufweist. Konkrete Vorschriften für das durchzuführende Verfahren bzw. weitergehende Hinweise für eine vorteilhafte Anwendung der Vorrichtung in einem Hydrauliksystem einer Walzstraße bzw. Bandbehandlungsanlage können der Offenbarung allerdings nicht entnommen werden.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Unterdrückung von Druckschwingungen oder Druckpulsationen in einem Hydrauliksystem einer Kaltoder Warmwalzstraße bzw. einer Bandbehandlungsanlage zu schaffen, mit denen auftretende Druckschwingungen bzw. -pulsationen mittels einer einfachen und kostengünstigen Vorrichtung besonders effektiv unterdrückt werden können.
[0006] Im Folgenden wird nicht mehr zwischen periodisch auftretenden Druckschwingungen und aperiodisch auftretenden Druckpulsationen unterschieden; beide Schwingungstypen werden pauschal als Druckschwingungen bezeichnet.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem folgende Verfahrensschritte in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden: [0008] a) Erfassung eines Drucksignals mittels eines Druckaufnehmers durch permanentes Messen eines Drucks im Hydrauliksystem; [0009] b) Ermittlung eines Wechselanteils des Drucksignals; [0010] c) Ermittlung zumindest einer zeitlich veränderlichen Stellgröße in Echtzeit mit Hilfe eines Reglers unter Berücksichtigung wenigstens eines Sollwerts und des Wechselanteils; 1/8 österreichisches Patentamt AT507 088 B1 2010-02-15 [0011] d) Beaufschlagung mindestens eines Aktuators mit der Stellgröße, wobei der Aktuator ein mit der Stellgröße korrespondierendes und mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehendes Volumen verändert, wodurch die Druckschwingungen im Hydrauliksystem unterdrückt werden.
[0012] Hierbei wird ein Drucksignal mittels eines Druckaufnehmers (z.B. mit einer piezoelektrischen, piezoresistiven oder DMS (Dehn-Mess-Streifen) Messzelle) durch permanentes Messen eines Drucks in einem Hydrauliksystem einer Kalt- oder Warmwalzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage für Eisen-, Stahl- oder Aluminiumwerkstoffe erfasst. Unter einem Hydrauliksystem versteht man einen Abschnitt (typischerweise ein hydraulischer Kreis bzw. eine hydraulische Achse) einer Hydraulikanlage, welche hydraulisch miteinander in Verbindung steht, beispielsweise der Bereich zwischen einem Hydraulikventil und einem Hydraulikzylinder inkl. der Hydraulikleitungen bzw. -schlauche. Anschließend wird aus dem Drucksignal ein Wechselanteil ermittelt, d.h. es wird der Gleichanteil des Drucksignals entfernt, und einem Regler zugeführt. Die Ermittlung des Wechselanteils kann entweder durch einen elektronischen Filterbaustein oder durch einen digitalen Filter erfolgen (z.B. Entfernung des Gleichanteils mittels eines Betrachtungsfensters engl, „sliding window", bestehend aus n Messwerten des Drucksignals (Filterordnung n); selbstverständlich kann die Entfernung des DC Anteils aber auch erst im Algorithmus des Reglers erfolgen); alternativ kann die Ermittlung des Wechselanteils auch mittels eines piezoelektrischen Druckaufnehmers und eines Ladungsverstärkers, der entweder dem Druckaufnehmer nachgeschaltet oder in den Druckaufnehmer integriert ist, erfolgen. Der Regler ermittelt unter Berücksichtigung wenigstens eines Sollwerts und des Wechselanteils des Drucksignals mindestens eine zeitlich veränderliche Stellgröße, welche zur Beaufschlagung mindestens eines Aktuators mit veränderlichem Volumen verwendet wird. Durch die Beaufschlagung mit der Stellgröße gibt der Aktuator ein Volumen frei, welches mit der Stellgröße korrespondiert. Mit anderen Worten wird über den Aktuator das Volumen des Hydrauliksystems verändert, wodurch die mit der Druckschwingung einhergehende Volumenstromschwingung zumindest teilweise kompensiert und in Folge auch die Druckschwingung unterdrückt wird. Eine Stellgröße von Null kann beispielsweise einem mittleren Volumen, d.h. einer neutralen oder nicht ausgelenkten Stellung des Aktuators, entsprechen; selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass eine Stellgröße von Null mit einem minimalen Volumen korrespondiert; eine maximale Stellgröße kann dann beispielsweise mit einem max. Volumen einhergehen. Die Übertragung des Stellgrößensignals vom Regler zum Aktuator kann kabelgeführt oder kabellos (z.B. über Funk) erfolgen.
[0013] Es ist vorteilhaft, den Wechselanteil des Drucksignals entweder einer Hochpass- oder Bandpassfilterung zu unterziehen. Mittels einer Hochpassfilterung ist die gezielte Entkopplung der Unterdrückung von Druckschwingungen von im System gegebenenfalls vorhandenen weiteren Regelkreisen, z.B. einer Positions- oder Kraftregelung eines Hydraulikzylinders, möglich. Eine Bandpassfilterung ermöglicht eine gezielte Unterdrückung von bestimmten Frequenzbereichen der Druckschwingungen (welche z.B. mit einer Eigenfrequenz des Walzgerüsts bzw. eines Subsystems zusammenfallen, oder eine hohe Amplitude bzw. Intensität aufweisen); selbstverständlich ist die Verwendung von adaptiven Bandpassfiltern - welche z.B. selbsttätig ein Frequenzband mit hoher Amplitude isolieren - möglich.
[0014] Ist eine vollständige Auslöschung der auftretenden Druckschwingungen gewünscht, so verwendet der Regler bei der Ermittlung der Stellgröße den Sollwert Null.
[0015] Da jeder reale Aktuator eine Phasenverschiebung im Übertragungsverhalten aufweist, ist es möglich, die zeitlich veränderliche Stellgröße einem Lead/Lag Glied zuzuführen und dabei gezielt die Phasenlage zu verändern. Eilt z.B. der Frequenzgang eines Aktuators bei einer bestimmten Frequenz f um 30° nach, so kann mittels eines Lead Glieds, welche bei f eine Phasenverschiebung von 30° aufweist, die Phasenverschiebung des Aktuators bei f vollständig kompensiert werden.
[0016] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass die zeitlich veränderliche Stellgröße nach einer Verstärkung dem Aktuator zugeführt wird. Dadurch ist es 2/8 österreichisches Patentamt AT507 088B1 2010-02-15 möglich, den Signalverarbeitungsteil im Regler vom Leistungsteil zu trennen, wodurch sich hohe Leistungen am Aktuator mit hoher Regelgenauigkeit verbinden lassen.
[0017] Da die Druckschwingungen in Hydrauliksystemen der Anstellzylinder einen direkten Einfluss auf die Qualität des Walzguts haben und daher besonders störend sind, ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren auf ein Hydrauliksystem eines Anstellzylinders eines Walzgerüsts anzuwenden.
[0018] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, aus dem Wechselanteil verschiedene Frequenzbänder zu filtern, diese Frequenzbänder mindestens einem Regler zur Ermittelung von zeitlich veränderlichen Stellgrößen zuzuführen, dann die Stellgrößen wenigstens einem Aktuator zuzuführen, der ein mit der Stellgröße korrespondierendes und mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehendes Volumen verändert, wodurch die Druckschwingungen im Hydrauliksystem unterdrückt werden. Dadurch ist es möglich nicht nur einen Frequenzanteil der Druckschwingungen zu unterdrücken, sondern mehrere - z.B. ganzzahlige Harmonische einer Grundschwingung - Frequenzanteile gleichzeitig zu unterdrücken.
[0019] Um eine möglichst unmittelbare Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermöglichen, welche die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe löst, ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung aufweist: wenigstens einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Druckaufnehmer zur Erfassung eines Drucksignals, ein Glied zur Ermittlung eines Wechselanteils des Drucksignals, dem das Drucksignal zuführbar ist, wenigstens eine Regelvorrichtung, dem der Wechselanteil und ein Sollwert zuführbar sind und mit dessen Hilfe zumindest eine Stellgröße ermittelbar ist und wenigstens einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Aktuator mit veränderlichem Volumen, dem die Stellgröße zuführbar ist.
[0020] Besonders robuste und hochdynamische Aktuatoren, welche zudem auch noch hohe Kräfte aufbringen können, lassen sich erzielen, wenn der Aktuator als piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktuator ausgeführt ist. Piezoelektrische Aktuatoren sind dem Fachmann geläufig; magnetostriktive Aktuatoren, wie z.B. Aktuatoren aus dem Material Terfenol-D ® der Fa. Etrema, weisen hervorragende dynamische Eigenschaften auf und können ebenfalls mit Vorteil eingesetzt werden.
[0021] In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist ein Aktuator mit einem Druckaufnehmer zur Erfassung eines Drucksignals ausgestattet. In einer Ausführungsform befindet sich ein Druckaufnehmer in einem als Hohlzylinder ausgebildeten Aktuator. Durch diese speziellen Anordnungen werden kompakte Baueinheiten aus Aktuator und Druckaufnehmer geschaffen, welche nur einmal elektrisch angeschlossen werden müssen.
[0022] In besonders vorteilhafter Weise lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein Hydrauliksystem einer Walzanlage, zumindest bestehend aus einem Hydraulikventil, einem Hydraulikzylinder und einer Hydraulikleitung bzw. einem -schlauch, integrieren, wenn die Vorrichtung mit dem Hydraulikventil und dem Hydraulikzylinder einer Walzenanstellung des Walzgerüsts in Verbindung steht. Der Einbau ist dann besonders kompakt, wenn die Vorrichtung in eine Zwischenplatte des Hydraulikventils eingebaut wird.
[0023] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen: [0024] Fig. 1 Schema einer Regelstrecke zur aktiven Unterdrückung von Druckschwin gungen in einem Hydrauliksystem einer Walzstraße [0025] Fig. 2 Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Unterdrückung von
Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Walzstraße [0026] Fig. 3 und 4 Schemen eines Aktuators mit integrierter Messeinrichtung [0027] Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Regelstrecke zur Unterdrückung von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Walzstraße. Über einen Druckaufnehmer 1 wird eine Drucksignal 2 in einem Hydrauliksystem 10 erfasst, das Drucksignal 2 wird einem 3/8 österreichisches Patentamt AT507 088 B1 2010-02-15
Hochpassfilter 3 (Details zur elektronischen Schaltung siehe z.B. S. 35 in P. Horowitz, W. Hill. The Art of Electronics, Cambridge University Press, Second edition, 1989) zugeführt, welcher den Wechselanteil des Drucksignals 2' bestimmt und einem Regler 4 zuführt. Dieser Regler 4 errechnet in Echtzeit mittels eines Regelgesetzes unter Berücksichtigung des Wechselanteils 2' und einer Sollgröße 5 eine zeitlich veränderliche Stellgröße 6, welche einem Lead/Lag Glied 7 zugeführt wird. Durch das Lead/Lag Glied 7 wird die Phasenlage der Stellgröße 6 verändert, wodurch die Phasenverschiebung eines Aktuators 9 zumindest teilweise kompensiert wird. Im Anschluss an das Lead/Lag Glied 7 wird das phasenverschobene Stellgrößensignal mittels eines Verstärkers 8 bzgl. der Spannungsamplitude und Stromstärke verstärkt und anschließend dem Aktuator 9 zugeführt. Durch den Aktuator 9 wird ein der Stellgröße korrespondierendes und mit dem Hydrauliksystem 10 verbundenes Volumen verändert, welches die mit den Druckschwingungen einhergehenden Volumenstromschwingungen zumindest teilweise kompensiert, wodurch auch die Druckschwingungen kompensiert werden.
[0028] In Fig. 2 ist eine schematische Vorrichtung zur Unterdrückung von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem eines Gerüsts zum Walzen von Eisen- oder Stahlwerkstoffen dargestellt. Ein Drucksignal 2 wird mittels eines Druckaufnehmers 1 durch permanentes Messen eines Drucks in einem Hydrauliksystem 10 zur Anstellung einer Walze 14 zum Walzen eines Walzguts 15 aus Eisen- oder Stahlwerkstoffen erfasst, wobei das Hydrauliksystem aus einem Hydraulikventil 11, einem Hydraulikzylinder 12 und einer Hydraulikleitung 13 besteht. Dabei kann sich der Druckaufnehmer 1 entweder im Abschnitt zwischen einem piezoelektrischen Aktuator 9' und dem Hydraulikzylinder 12 (wie gezeichnet) oder im Abschnitt zwischen dem Hydraulikventil 11 und dem Aktuator 9' befinden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mehrere Druckaufnehmer zwischen dem piezoelektrischen Aktuator 9' und dem Hydraulikzylinder 12 oder zwischen dem Hydraulikventil 11 und dem Aktuator 9 angeordnet sind. Das Drucksignal 2 wird an einen digitalen Regler 4 übertragen, welcher ein Frequenzband des Wechselanteils bestimmt und unter Berücksichtigung eines Sollwerts 5 und unter Zuhilfenahme eines Regelalgorithmus eine zeitlich veränderliche Stellgröße 6 errechnet. Die Stellgröße wird nach einer Verstärkung in einem nicht dargestellten Verstärker dem piezoelektrischen Aktuator 9' zugeführt, welcher ein mit der Stellgröße 6 korrespondierendes und mit der Hydraulikleitung 13 in Verbindung stehendes Volumen freigibt, sodass die mit den Druckschwingungen einhergehenden Volumenstromschwingungen zumindest teilweise kompensiert werden, wodurch auch die Druckschwingungen kompensiert werden.
[0029] In den Fig. 3 und 4 sind schematische Darstellungen eines magnetostriktiven Aktuators 9" mit einem integrierten Druckaufnehmers 1 gezeigt. In Fig. 3 ist der Aktuator 9" als Hohlzylinder ausgebildet, der Druckaufnehmer 1 ist in einen Hohlraum des Aktuators 9" integriert, welcher gegenüber einem Hydrauliksystem 10 mittels eines Kolbens 16, einer Dichtung 17 und einem Gehäuse abgedichtet ist. In Fig. 4 ist der Druckaufnehmer 1 in den Aktuator 9" integriert, wodurch der Einbau der Baugruppe, bestehend aus Druckaufnehmer 1 und Aktuator 9", nochmals vereinfacht wird. In beiden Fig. 3 und 4 wird der Aktuator 9" über eine elektrische Leitung 18 versorgt; eine elektrische Leitung 19 versorgt den Druckaufnehmer 1 und überträgt die Messdaten an einen Filter bzw. einen Regler mit integriertem Filter.
[0030] Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren oder die Vorrichtung in beliebigen Hydrauliksystemen der Mobil- oder Industriehydraulik eingesetzt werden. 4/8

Claims (12)

  1. österreichisches Patentamt AT507 088 B1 2010-02-15 BEZUGSZEICHENLISTE 1 Druckaufnehmer 2 Drucksignal 2' Wechselanteil des Drucksignals 3 Bandpassfilter 4 Regler 5 Sollgröße 6 Stellgröße 7 Lead/Lag Glied 8 Verstärker 9 Aktuator 9' Piezoelektrischer Aktuator 9" Magnetostriktiver Aktuator 10 Hydrauliksystem 11 Hydraulikventil 12 Hydraulikzylinder 13 Hydraulikleitung 14 Walze 15 Walzgut 16 Kolben 17 Dichtung 18 Elektrische Leitung 19 Elektrische Leitung Patentansprüche 1. Verfahren zur aktiven Unterdrückung von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Kalt- oder Warmwalzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage für Eisen-, Stahloder Aluminiumwerkstoffe, umfassend folgende Verfahrensschritte in der genannten Reihenfolge: a) Erfassung eines Drucksignals mittels eines Druckaufnehmers durch permanentes Messen eines Drucks im Hydrauliksystem; b) Ermittlung eines Wechselanteils des Drucksignals; c) Ermittlung zumindest einer zeitlich veränderlichen Stellgröße in Echtzeit mit Hilfe eines Reglers unter Berücksichtigung wenigstens eines Sollwerts und des Wechselanteils; d) Beaufschlagung mindestens eines Aktuators mit der Stellgröße, wobei der Aktuator ein mit der Stellgröße korrespondierendes und mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehendes Volumen verändert, wodurch die Druckschwingungen im Hydrauliksystem unterdrückt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselanteil entweder einer Hochpass- oder Bandpassfilterung unterzogen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler bei der Ermittlung der Stellgröße den Sollwert Null verwendet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich veränderliche Stellgröße einem Lead/Lag Glied zugeführt und dabei die Phasen läge verändert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich veränderliche Stellgröße nach einer Verstärkung dem Aktuator zugeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf ein Hydrauliksystem eines Anstellzylinders eines Walzgerüsts angewendet wird. 5/8 österreichisches Patentamt AT507 088B1 2010-02-15
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Wechselanteil verschiedene Frequenzbänder gefiltert werden, diese Frequenzbänder mindestens einem Regler zur Ermittelung von zeitlich veränderlichen Stellgrößen zugeführt werden, die Stellgrößen wenigstens einem Aktuator zugeführt werden, der ein der Stellgröße korrespondierendes und mit dem Flydrauliksystem in Verbindung stehendes Volumen verändert, wodurch die Druckschwingungen im Hydrauliksystem unterdrückt werden.
  8. 8. Vorrichtung zur aktiven Unterdrückung von Druckschwingungen in einem Hydrauliksystem einer Kalt- oder Warmwalzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage für Eisen-, Stahloder Aluminiumwerkstoffe, aufweisend wenigstens einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Druckaufnehmer zur Erfassung eines Drucksignals, ein Glied zur Ermittlung eines Wechselanteils des Drucksignals, dem das Drucksignal zuführbar ist, wenigstens eine Regelvorrichtung, dem der Wechselanteil und ein Sollwert zuführbar sind und mit dessen Hilfe zumindest eine Steilgröße ermittelbar ist und wenigstens einen mit dem Hydrauliksystem in Verbindung stehenden Aktuator mit veränderlichem Volumen, dem die Stellgröße zuführbar ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktuator ausgeführt ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator mit einem Druckaufnehmer zur Erfassung eines Drucksignals ausgestattet ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Druckaufnehmer in einem als Hohlzylinder ausgebildeten Aktuator befindet.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einem Hydraulikventil und einem Hydraulikzylinder einer Anstellung eines Walzgerüsts einer Walzstraße in Verbindung steht. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 6/8
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