AT15555U1 - Hydraulik für eine Gleisbaumaschine mit einem Fluidtank - Google Patents

Abstract

Hydraulik für eine Gleisbaumaschine mit einem Fluidtank (1), mit Hydraulikantrieben (2), mit Versorgungsleitungen (12), mit Förderpumpen (P1, P2), mit Rücklaufleitungen (3, 4), mit Ventilen (S1) und wenigstens einem Kühler, wobei der Fluidtank (1) als Zweikammersystem mit einer Rücklaufkammer (13) und mit einer Versorgungskammer (14) ausgebildet ist, wobei beide Kammern (13, 14) über einen Überlauf (19) miteinander verbunden sind und wobei dem Fluidtank (1) ein äußerer Ölkreislauf zugeordnet ist, der über eine Fördereinrichtung (P1) Hydraulikfluid aus der Rücklaufkammer (13) über einen Hydraulikfluidkühler (K1) in die Versorgungskammer (14) fördert. Zwischen Fördereinrichtung (P1) und Hydraulikfluidkühler (K1) ist ein Schaltventil (S1) zur Umgehung der Rücklaufkammer (13) vorgesehen ist, womit ein Hydraulikfluidrückfluss (17) von Fahrmotoren der Gleisbaumaschine unter Umgehung der Rücklaufkammer (13) direkt über den Ölkühler (K1) in die Versorgungskammer (14) einbringbar ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweikammer-Fluidtank insbesondere für Hydrauliköl für eine Gleisbaumaschine zur effektiveren Kühlung des Hydrauliköls und zur Grobpartikel-abscheidung in der Hydraulikanlage der Gleisbaumaschine. Die Erfindung dient ebenfalls der Lärmpegelreduktion der Lüfter und der Senkung des Energieverbrauches des Ölkühlkreises und der Erhöhung der Lebensdauer der Hydraulikkomponenten.

[0002] Gleisbaumaschinen werden mit den verschiedensten Hydraulikkomponenten zur Krafterzeugung, zur Steuerung der Ölflüsse und zur Kraftübertragung ausgestattet. Dazu zählen Hydraulikzylinder, Hydraulikventile, Servoventile, Proportionalventile, Mengenteiler, Hydraulikmotoren und Hydraulikpumpen. Vibrationsantriebe und Hydraulikmotoren von Gleisbaumaschinen erhitzen das eingesetzte Hydrauliköl besonders. Die Lebensdauer der verwendeten Dichtungen und Komponenten einer Hydraulikanlage sind vom Wassergehalt des Hydrauliköls, der Temperatur, der Viskosität und der Verschmutzung abhängig. Durch die hohen üblichen Systemdrücke bei Gleisbaumaschinen von 150-350 bar kommt es zum Abrieb der Hydraulikschläuche, der Dichtungen und der anderen Komponenten. Nach der Installation der Leitungen verbleiben oftmals Metallspäne und andere Partikel im Hydrauliköl. Werden diese durch das System geleitet so schädigen sie dieses. Der Verschmutzungsgrad von Hydraulikanlagen wird durch die ISO 4406 klassifiziert. Als zulässiger Arbeitstemperaturbereich für Hydrauliköle gilt der Bereich 60-80°C. Bei zu niedrigen Temperaturen können Schäden an den Pumpen durch die erhöhte Viskosität auftreten. Zu kaltes Öl kann nur schwer durch die eingesetzten Filter gedrückt oder gesaugt werden. Die Viskositäten der verschiedenen Hydrauliköle muss nach der Art der Anwendung gewählt werden. Die Viskositäten sind in der IS06743 und in der DIN51524 angegeben. Die Größe der eingesetzten Tanks bei Gleisbaumaschinen liegt zwischen 10001 und 20001. Üblicherweise werden die Volumina der Hydrauliktanks nach dem ca. 1-2-fachen des gesamten Volumens des sich im Umlauf befindlichen Öls ausgelegt. Um das Öl sauber zu halten gibt es verschiedene Arten von Filtern wie Ansaugfilter, Rücklauffilter, Druckfilter und Nebenfilter. Diese werden so ausgelegt, dass sich die je nach Anwendung und eingesetzter Komponenten notwendige Ölreinheit einstellt. Insbesondere Servoventile und Proportionalventile die oft bei Gleisbaumaschinen eingesetzt werden reagieren auf Unreinheiten im Öl empfindlich. Sie sind auch hinsichtlich ihrer Funktion und Lebensdauer durch zu hohe oder zu niedrige Öltemperaturen besonders negativ betroffen. Zur Kühlung des Öls werden Ölkühler eingesetzt. Die Wirksamkeit des Ölkühlers hängt wesentlich von der Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und durchfließendem Öl ab. Bei Gleisbaumaschinen ist es üblich das rückfließende Öl eines Verbrauchers über den Ölkühler zu führen. Die einzelnen Verbraucher erzeugen unterschiedliche Verlustleistungen. Dynamisch arbeitende Ventile zum Beispiel können je nach Druck und Frequenz beträchtliche Verlustleistungen (bis ca. 50% der zugeführten Leistung) in Erwärmung umsetzen. Andere Verbraucher wie z.B. langsam bewegte Zylinder erzeugen dahingegen nur geringe Verlustleistungen. Fluidtanks der beschriebenen Art kommen vor allem bei so genannten offenen Hydrauliksystemen zur Anwendung. Aber auch bei geschlossenen Kreisläufen muss ein Teil des Fluids zur Kühlung des geschlossenen Kreislaufs zu- und abgeführt werden. Die Zuführung eines Anteils von kühlem Öl zum geschlossenen Kreislauf wird über so genannte Speisepumpen bewerkstelligt. Gleisbaumaschinen arbeiten vor allem wegen des dichten Zugbetriebes in den Nachtstunden und am Wochenende. Die Lärmabstrah-lung der Gleisbaumaschinen stellt für die Bahnen wegen der Beschwerden durch die Anrainer ein großes Problem dar. Daher werden von den Eisenbahnen große Anstrengungen zur Reduktion der Lärmemission unternommen. Aus Kostengründen und Gründen des Umweltschutzes wird eine Erniedrigung des Energieverbrauches angestrebt. Die Ölkühler sind eine der lautesten Lärmquellen von Gleisbaumaschinen.

[0003] Der Einsatz von verschiedenen Filtern im Hydraulikkreis bzw. direkt auf dem Hydrauliktank aufgebaut findet breite Anwendung. Zur Erwärmung zu kalten Hydrauliköls werden elektrische Heizungen oder Wärmetauscher eingesetzt.

[0004] Ausgehend von einem Stand der Technik der vorgeschilderten Art liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung bzw. Ausführung eines Fluidtanks zu schaffen mit der das erhitzte Fluid, insbesondere Hydrauliköl einer komplexen Hydraulikanlage effizient gekühlt werden kann, welche außerdem energieeffizient arbeitet und zudem die Abscheidung von Verschmutzungsanteilen unterstützt. Durch die Erfindung soll sowohl die Effizienz der Kühlung erhöht werden als auch der Lärmpegel und der Energieverbrach erniedrigt werden.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Fluidtank als Zweikammersystem mit einer Rücklaufkammer und mit einer Versorgungskammer ausgebildet ist, dass beide Kammern über einen Überlauf miteinander verbunden sind und dass dem Fluidtank ein äußerer Ölkreislauf zugeordnet ist, der über eine Fördereinrichtung Hydraulikfluid aus der Rücklaufkammer über einen Hydraulikfluidkühler in die Versorgungskammer fördert.

[0006] Erfindungsgemäß ist der Fluidtank wenigstens als Zweikammer-Fluidtank ausgebildet, wobei das von diversen Verbrauchern rücklaufende, „heiße" Fluid, insbesondere ein Öl, in die Rücklaufkammer geleitet wird. Die Rücklaufkammer dient dabei auch einer Vorabscheidung etwaiger zurückgeführter Grobpartikel, die sich in der Tankkammer absetzen. Im mittleren bis oberen Bereich der Rücklaufkammer wird das heiße Öl über eine regelbare Ölkühlkreislaufpumpe angesaugt und über einen Ölkühler in die Versorgungskammer umgepumpt. Durch den damit erzielbaren hohen Temperaturunterschied zwischen heißem und kühlem Öl wird eine hohe Wirksamkeit des Ölkühlkreislaufes bewirkt. Bei periodischen Arbeiten, wie bei Gleisstopfprozessen fällt der heiße Ölrücklauf zyklisch an. Mit der Erfindung muss das Kühlsystem nicht auf die maximale Kühlleistung ausgelegt werden, wie das der Fall ist, wenn das rücklaufende Öl unmittelbar gekühlt wird. Das Kühlsystem kann vielmehr auf die über den gesamten Zyklus gemittelte Kühlleistung ausgelegt werden, wobei die Rücklaufkammer als Pufferspeicher dient. Dies bringt den Vorteil einer hoch effizienten Kühlung und einer Reduktion des Energieverbrauches und des Lärmpegels. Über den Überlauf kann bereits gekühltes Öl aus der Versorgungskammer in die Rücklaufkammer zurückgeleitet werden, womit das heiße Öl in der Rücklaufkammer bereits vorgekühlt werden kann. Es ist auch denkbar, dass ein Übermaß an anfallendem heißem Öl dem bereits gekühlten Öl zugeleitet wird. Das gekühlte Öl wird von Pumpeinrichtungen aus der Versorgungskammer entnommen und diversen Verbrauchern zugeleitet.

[0007] Zwecks Optimierung der Kühlleistung können den Kammern zur Erfassung der Hydraulikfluidtemperaturen Temperatursensoren und zur Erfassung der Hydraulikfluidfüllstände Füllstandsensoren zugeordnet sein und kann die Fördermenge der Fördereinrichtung und die Fördermenge einer dem Hydraulikfluidkühler zugeordneten Lüftereinrichtung in abhängig von diesen Messwerten gesteuert sein. Die Temperaturen und die Füllhöhen des Fluids in beiden Tankkammern werden gemessen. Zwischen beiden Tankkammern befindet sich ein Überlauf. Die Menge an über den Überlauf überlaufenden Fluids hängt von der Anzahl der aktiven Verbraucher ab. Sind viele Verbraucher aktiv bewirkt dies einen höheren Fluidstand in der Rücklaufkammer und niedrigeren Ölstand in der Versorgungskammer. Mit Hilfe der Fördereinrichtung für den Fluidkreislauf wird dann gegebenenfalls mehr heißes Fluid aus der Rücklaufkammer abgesaugt und gekühlt in die Versorgungskammer übergeleitet. Am effizientesten läuft die Kühlung, wenn das Kühlsystem auf die über den gesamten Arbeitszyklus gemittelte Kühlleistung ausgelegt ist und Spitzenlasten über die beiden Tanks aufgefangen werden.

[0008] Abhängig von der Füllhöhendifferenz und der Öltemperatur des heißen Öles wird erfin-dungsgemäß die Förderleistung der Pumpe durch Drehzahlerhöhung erhöht. Dadurch steigt zum einen die Wirksamkeit der Kühlung und zum anderen nimmt die Füllhöhendifferenz ab damit die Menge des heißen Öles welches von der heißen Rücklaufkammer in die kalte Rücklaufkammer fließt verringert wird. Der Luftdurchsatz durch den Kühler wird durch die Drehzahl des Lüfters bestimmt. Abhängig vom heißen Öl in der ersten Kammer wird die Drehzahl des Lüfters proportional zur Öltemperatur erhöht. Es ist natürlich auch möglich nur den Lüfter oder nur die Pumpe zu regeln. Auch der ungesteuerte Betrieb, dass beide Pumpe und Lüfter immer mit voller Drehzahl laufen ist möglich.

[0009] Damit zu kaltes Öl auf Betriebstemperatur (>60°C) gebracht werden kann, empfiehlt es sich, wenn dem Fluidtank eine Heizung zugeordnet ist und wenn eine Regel- und/oder Steuereinheit, welche in Abhängigkeit von der Öltemperatur den gesamten Tankinhalt solange über den Ölkühlerkreislauf umwälzt, bis eine gewünschte Hydraulikfluidbetriebstemperatur erreicht ist. Dazu wird entweder im Tank oder im Ölkreislauf eine elektrische Heizung oder ein Wärmetauscher eingebaut. Abhängig von der Öltemperatur der Rücklaufkammer wird die Heizung aktiviert (T< 60°C) bzw. deaktiviert (T>60°C), wobei der vorhandene Ölkreislauf benutzt wird, das Öl in Umlauf zu bringen und dabei den gesamten Tankinhalt durchmischend zu erwärmen.

[0010] Ist nicht die volle Kühlleistung erforderlich, bzw. liegt ein kontinuierlicher Ölrückstrom vor, wie beispielsweise bei einer Überstellfahrt, so kann es von Vorteil sein, wenn zwischen Fördereinrichtung und Hydraulikfluidkühler ein Schaltventil zur Umgehung der Rücklaufkammer vorgesehen ist, womit ein Hydraulikfluidrückfluss von Fahrmotoren der Gleisbaumaschine im Falle der Überstellfahrt unter Umgehung der Rücklaufkammer direkt über den Ölkühler in die Rücklaufkammer einbringbar ist.

[0011] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0012] Fig. 1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Hydraulik, [0013] Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der von Öltemperatur und Füllstand abhängigen Fördermenge der Ölkreislaufpumpe [0014] Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der von der Öltemperatur abhängigen Lüfterdreh zahl.

[0015] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zweikammer-Fluidtank 1 insbesondere für Hydrauliköl für eine Gleisbaumaschine zur Kühlung K1, V1, M1 und Grobpartikelabscheidung 18 des Hydrauliköls einer Hydraulikanlage. Der Fluidtank 1 besteht aus zwei Kammern, einer Rücklaufkammer 13 und einer Versorgungskammer 14. Mit der Pumpe P2 wird das Fluid aus der kühlen Versorgungskammer 14 über eine Leitung 12 angesaugt und zu den Verbraucherkreisen 2 gefördert.

[0016] Von den Verbrauchern 2, die das Öl auf Grund ihrer hohen Verlustleistung besonders aufheizen, wird das Rücköl über eine Leitung 3 in die „heiße" Rücklaufkammer 13 geführt und „kaltes" Rücköl der Verbraucher mit geringer Verlustleistung über eine Leitung 4 in die „kalte" Versorgungskammer 14. Die Ölstandshöhen der Kammern werden über Füllstandsgeber L1, L2 gemessen. Die Füllstandsgeber L1, L2 werden an die Regeleinrichtung 15 angeschlossen. Die Temperatur der beiden Kammern 13, 14 wird über Temperaturaufnehmer T1, T2 gemessen. Auch diese Temperaturaufnehmer T1, T2 werden an die Regeleinrichtung 15 angeschlossen.

[0017] Aus dem mittleren bis oberen Bereich 6 des heißen Öles der Rücklaufkammer 13 wird über eine Fördereinrichtung, eine Pumpe P1, das zu kühlende Öl angesaugt 5 und über ein Schaltventil S1, einen Filter F1 und einen Hydraulikfluidkühler K1 in die „kalte" Versorgungskammer 14 rückgeführt. Der Hydraulikfluidkühler wird mit einem Ventilator V1 mit Umgebungsluft mit der Umgebungstemperatur Tu angeströmt. Der Ventilator V1 wird mit einem Motor M1 angetrieben. An die Regeleinrichtung 15 ist ein weiteres elektrisches Signal 16, welches Überstellfahrt signalisiert (z.B. geschlossener Kreislauf bei reinem hydrostatischen Fährbetrieb), angeschlossen. Wenn das Signal 16 aktiv ist, wird das Schaltventil S1 aktiviert. Dann wird die Fördereinrichtung P1 deaktiviert und das von den Fahrantrieben über die Leitung 17 fließende erhitzte Öl 17 wird direkt gekühlt. Dies hat den Vorteil, dass eine möglichst große Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur Tu und der Öltemperatur Töl auftritt. Je höher die Temperaturdifferenz und der Olstrom QP durch den Hydraulikfluidkühler K1 ist, desto höher ist die Kühlleistung eines luftangeströmten Ölkühlers. Zwischen beiden Tankkammern 13, 14 befindet sich ein Überlauf 19. Im Gleichgewichtszustand sind die Füllhöhen h in beiden Kammern gleich 8. In diesem Falle sind keine oder wenige Verbraucher aktiv. Es wird durch die Pumpe P2 kaum Öl in die Verbraucherkreise 2 gepumpt. Sind viele Verbraucher 2 aktiv dann erhöht sich auf Grund des kleineren Füllvolumens der Kammer 13 der Ölstand 10 gegenüber dem Ölstand 11 in der Kammer 14. Es kommt zu einem Überlauf 9 von der „heißen" Rücklaufkammer 13 in die „kalte" Versorgungskammer 14. Um diesen Überlauf 9 zu reduzieren, da ja der Eintritt von heißem Öl in Kammer 14 unerwünscht ist, wird durch die Steuerung 15 die Förderleistung QP der Ölpumpe P1 erhöht. Dies geschieht zusätzlich in Abhängigkeit von der Öltemperatur T1. Auf Grund des Gewichts der Grobpartikel 18 sinkt ein großer Teil derselben bereits in der Rücklaufkammer 13 ab. Dies ist ein weiterer Vorteil der Erfindung. Dadurch gelangen weniger Partikel in die Kammer 14. Zu kaltes Öl kann über eine von der Steuer- und Regeleinheit 15 angesteuerte Heizung H im Kreis gepumpt und dabei durchmischend erwärmt werden.

[0018] Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Ölpumpenfördermenge QP und der Ölstandsdifferenz Ah zwischen beiden Kammern 13, 14. Die Ölstandsdifferenz Ah wird über Differenzbildung der beiden Ölstandsgeber T1, T2 durch die Regelung 15 ermittelt. In das Diagramm sind Kurven mit dem Parameter Öltemperatur (60°C, 65°C, 70°C, 75°C und 80°C) T1 eingetragen. Unter 60°C wird die Pumpe deaktiviert (minimal gewünschte Öltemperatur z.B. 65°C). Beträgt die Ölstandsdifferenz beispielsweise Ah1 und die Öltemperatur 65°C, dann würde die Pumpe durch die Regeleinrichtung 15 so angesteuert werden, dass sie eine Ölfördermenge von QP65 haben würde. Bei der gleichen Ölstandsdifferenz von Ah1 aber einer höheren Temperatur von z.B. 80°C würde sich die Fördermenge entsprechend auf QP8o erhöhen.

[0019] Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Öltemperatur T1 in der „heißen" Kammer 13 gemessen und der Drehzahl nL des Ventilators V1 des Ölkühlers K1. Das Diagramm zeigt, dass unterhalb einer Öltemperatur von 60°C der Ventilator ausgeschaltet ist (nL = OU/min). Bei einer Öltemperatur von 80°C hingegen würde er mit seiner maximalen Drehzahl nLmax laufen. Beträgt die Öltemperatur T1 hingegen beispielsweise 75°C dann würde der Ventilator mit der entsprechenden Drehzahl nL75 laufen. Die Steuerung der Ölpumpe P1 und des Ventilators V1, sowie des Umschaltventils S1 (vom Arbeiten der Maschine auf das Fahren 16, 17) wird durch das Regelgerät 15 entsprechend den Diagrammen in Fig. 2 und 3 dargestellt durchgeführt. Im Fährbetrieb einer Gleisbaumaschine sind die Arbeitsantriebe deaktiviert und nur der Fahrantrieb ist hydraulisch aktiv. Die Regelung der Ölpumpe P1 und des Ventilatormotors V1 wird durchgeführt, weil sich dadurch der Energieverbrauch erniedrigt und sich der Lärmpegel reduziert.

Claims (3)

1. Ansprüche

   1. Hydraulik für eine Gleisbaumaschine mit einem Fluidtank (1), mit Hydraulikantrieben (2), mit Versorgungsleitungen (12), mit Förderpumpen (P1, P2), mit Rücklaufleitungen (3, 4), mit Ventilen (S1) und wenigstens einem Kühler, wobei der Fluidtank (1) als Zweikammersystem mit einer Rücklaufkammer (13) und mit einer Versorgungskammer (14) ausgebildet ist, wobei beide Kammern (13, 14) über einen Überlauf (19) miteinander verbunden sind und wobei dem Fluidtank (1) ein äußerer Ölkreislauf zugeordnet ist, der über eine Fördereinrichtung (P1) Hydraulikfluid aus der Rücklaufkammer (13) über einen Hydraulikfluidkühler (K1) in die Versorgungskammer (14) fördert, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Fördereinrichtung (P1) und Hydraulikfluidkühler (K1) ein Schaltventil (S1) zur Umgehung der Rücklaufkammer (13) vorgesehen ist, womit ein Hydraulikfluidrückfluss (17) von Fahrmotoren der Gleisbaumaschine unter Umgehung der Rücklaufkammer (13) direkt über den Ölkühler (K1) in die Versorgungskammer (14) einbringbar ist.
2. 2. Hydraulik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Kammern (13, 14) zur Erfassung der Hydraulikfluidtemperaturen Temperatursensoren (T1, T2) und zur Erfassung der Hydraulikfluidfüllstände Füllstandsensoren (L1, L2) zugeordnet sind und die Fördermenge (QP) der Fördereinrichtung (P1) und die Fördermenge einer dem Hydraulikfluidkühler (K1) zugeordneten Lüftereinrichtung (V1) abhängig von diesen Messwerten gesteuert ist.
3. 3. Hydraulik nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine dem Fluidtank (1) zugeordnete Heizung (H) und eine Regel- und/oder Steuereinheit (15), welche abhängig von der Öltemperatur (T1) den gesamten Tankinhalt (1) solange über den Ölkühlerkreislauf (P1, S1, F1, K1) umwälzt, bis eine gewünschte Hydraulikfluidbetriebstemperatur erreicht ist.