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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Pumpvorrichtung
zur Förderung
breiiger Massen sowie eine Steuerung einer derartigen Pumpvorrichtung.
Derartige Steuerungen finden insbesondere bei der Förderung
von Beton Anwendung.
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Pumpvorrichtungen
zur Förderung
von Beton weisen in der Praxis mindestens zwei Hauptförderzylinder
auf, die die breiige Masse in eine nachgeordnete Förderleitung
fördern.
Da in der Regel eine möglichst
kontinuierliche Förderung
des Betons gewünscht
ist, werden die Hauptförderzylinder
annähernd
im Gegentakt betrieben, so daß stets
einer der Hauptförderzylinder
Beton in die den beiden Hauptförderzylindern
nachgeordnete Förderleitung
fördert. Die
nachgeordnete Förderleitung
kann beispielsweise der mit einem Hubmast verbundene Schlauch sein,
mit dem der Beton zum Einsatzort auf der Baustelle geführt wird.
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Das
Hauptproblem bei derartigen Pumpvorrichtungen liegt in der mangelnden
Kontinuität
des Förderstroms.
Trotz des Einsatzes mehrerer Hauptförderzylinder fehlt es in der
Praxis derzeit an Vorrichtungen, die einen kontinuierlichen Förderstrom
erzeugen. Dies liegt im wesentlichen daran, daß diese Betonpumpvorrichtungen
zwischen den Hauptförderzylindern
und der Förderleitung
ein schaltbares Schiebersystem vorsehen, daß zum einen die Verbindung
des fördernden
Hauptförderzylinders
mit der Förderleitung
erzeugt und zum anderen einen saugenden Hauptförderzylinder derart freigibt,
daß dieser
aus einem Reservoir Beton für
den nächsten Pumphub
entnehmen kann. Das Schalten dieses Schiebersystems führt bei
dem in der Praxis bekannten Betonpumpvorrichtungen zu Unterbrechungen des
Förderstroms,
so daß keine
kontinuierliche Förderung
breiiger Massen besteht.
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Bei
der Steuerung derartiger Betonpumpen wird auf Positionssignale zurückgegriffen,
die von Positionssensoren erzeugt werden, die die Endstellung eines
Kolbens eines einen Förderkolben
eines Hauptförderzylinders
antreibenden Hydraulikzylinders erfassen. Bei sogenannter Ein-Kreis-Hydraulik muß beispielsweise
zunächst
festgestellt werden, ob der fördernde
Haupförderzylinder
seinen Förderhub beendet
hat, bevor die Schaltbewegung eines Schiebersystems begonnen werden
kann. Ferner wird das Erreichen der Endposition des Kolbens des
Hydraulikzylinders erfaßt,
der für
die Schaltbewegung des Schiebersystems verwendet wird, um nach Beendigung
der Schaltbewegung des Schiebersystems den Förderhub des nächsten Hauptförderzylinders
zu starten.
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Ferner
ist es beispielsweise bei Zwei-Kreis-Hydrauliken bekannt, das Schaltsignal
für den
Start der Pumpenzylinder bereits während der Schaltbewegung des
Schiebersystems auszulösen, also
nicht von dem Erreichen einer Endstellung des Kolbens des Schiebersystem-Hauptzylinders
abhängig
zu machen. Damit läuft
die Pumpbewegung eines Hauptförderzylinders
häufig
gleichzeitig mit dem Schalten des Schiebersystems ab.
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Mit
den Schaltsignalen, welche die Zylinder in ihren Endstellungen auslösen, werden
die wesentlich größeren Hauptventile
geschaltet, die den Ölstrom
der Haupt-Hydraulikpumpe wechselweise auf einen der beiden Hauptförderzylinder
leiten. Alternativ erfolgt diese Umkehr der Zylinderbewegung durch abwechselndes
Schwenken der regelbaren Hydraulikpumpe über den Nullpunkt nach einer
der beiden Seiten. Dadurch entfällt
das große
Hydraulikventil. Das Schiebersystem wird im Falle der Zwei-Kreis-Hydraulik
meist von einer separaten, kleinen Hydraulikpumpe aus einem Hydraulikspeicher
angetrieben. Dies ist möglich,
weil die kleine Hydraulikpumpe in den langen Pausen zwischen den
Schaltvorgängen des
Schiebersystems (ca. 90% des Taktes) den Speicher auflädt. Ein
solches System wird Zwei-Kreis-Hydraulik genannt, weil für das Schiebersystem
ein separater Ölkreis
vorhanden ist.
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Ein
Signal für
das erfolgte Durchschalten des Schiebersystems kann hier entfallen.
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Im
Gegensatz dazu wird bei der sogenannten Ein-Kreis-Hydraulik dieselbe
Hydraulikpumpe abwechselnd für
den Antrieb der Pumpenzylinder oder des Schiebersystems verwendet.
Dabei ist ein Signal in der Endstellung des Schiebers zur Umschaltung auf
den nächsten
Pumpzylinder erforderlich.
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Diese
Steuervorgänge
für die
Antriebshydraulik von diskontinuierlich arbeitenden Pumpen können in
einfacher Weise und ohne Verwendung elektronischer Regelsysteme
in erfahrungsgemäß betriebssicherer
Weise realisiert werden.
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Die
die Endstellung signalisierenden Positionssensoren sind meist kleine
Wegeventile (Vorsteuerventile). Ihre Betätigung erfolgt durch die Kolben der
Hydraulikzylinder nach Überfahren
einer Steuerbohrung in der Zylinderwand. Alternativ werden Endstellungen
auch von mechanisch betätigten,
elektrischen Schaltern oder von kapazitiven oder induktiven Sensoren
erfaßt
und in einfacher Weise auf Magnetventile übertragen.
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Eine
Steuerung für
eine kontinuierlich fördernde
Pumpe ist wesentlich umfangreicher und komplizierter als diejenige
der bekannten diskontinuierlichen Pumpen. Bei kontinuierlichen Pumpen
ist zum Beispiel der Start der Betonpumpvorrichtung aus einer ungeordneten
(chaotischen) Anfangssituation, bei der alle Hauptzylinder und Steuergeräte ohne
sinnvolle Zuordnung zueinander stehen können mit den bisher üblichen
Techniken nicht in betriebssicherer Weise möglich. Derartige Zustände liegen
beispielsweise nach jeder größeren Reparatur
oder beim ersten Start einer neuen Maschine vor.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Steuerung für
eine Pumpvorrichtung zur Förderung
breiiger Massen zu schaffen, bei der ein zuverlässiger Start auch bei einer
hinsichtlich der Stellung sämtlicher
oder einiger Bauelemente der Pumpe unvorhergesehenen Anfangssituation
erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Steuerung
gemäß Anspruch 14
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, eine Ablaufsteuerung einzusetzen,
deren Ablaufplan eine taktfeste Abfolge der Betätigung von mindestens zwei
Stellgliedern der Pumpvorrichtung festlegt. Dabei wird unter einer
taktfesten Abfolge ein festes Verhältnis der Betätigung eines
jeden Stellgliedes zu den Taktsignalen eines Takts verstanden. So wird
beispielsweise das eine Stellglied stets nach Ablauf von 1,25 Taktsignalen
nach Start des Ablaufplans betätigt,
während
beispielsweise ein weiteres Stellglied nach Ablauf von 2,39 Taktsignalen
nach Beginn des Ablaufplans betätigt
wird. Es ist nicht zwingend notwendig, daß das Betätigen bei Erreichen eines bestimmten,
vollen Taktsignals erfolgt. Taktfest bedeutet vielmehr, daß verschiedene
Prozesse nacheinander oder parallel zueinander ablaufen und der
Beginn eines Prozesses nicht von der Messung einer Zustandsgröße abhängt, sondern durch
das Fortschreiten des Ablaufplans fest vorgegeben ist. Die Erfindung
löst sich
somit von dem in der Praxis eingesetzten Gedanken, das Betätigen von
Stellgliedern ausschließlich
von der Position einzelner Antriebsglieder abhängig zu machen, die durch die
Stellglieder geschaltet werden, wie beispielsweise die Stellung
eines Kolbens der Hauptförderzylinder
oder die Stellung eines Kolbens des Schiebersystems. Vielmehr wird
erfindungsgemäß ein fester
Ablauf der Betätigung
von Stellgliedern vorgeschlagen, deren Abfolge ausschließlich von
dem Start des Ablaufplans abhängt,
deren Verhältnis
zueinander jedoch bezogen auf den Takt stets gleich bleibt, so daß beispielsweise
das eine Stellglied stets nach Ablauf von 2,75 Taktsignalen nach
dem Betätigen
eines ersten Stellglieds betätigt
wird. Der Takt kann vorzugsweise angepaßt werden. So kann die Abfolge
der Taktsignale in einer ersten Betriebssituation beispielsweise
in Sekundenabstand erfolgen, während
in einer anderen Betriebssituation die Taktsignale alle 0,5 Sekunden
erfolgen.
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Indem
das Betätigen
der Stellglieder nunmehr von dem Durchlaufen eines Ablaufplans abhängen kann
und – mit
Ausnahme des Startsignals – unabhängig von
einer Zustandserfassung des Systems sein kann, wird eine funktionssichere
Steuerung vorgeschlagen, die beispielsweise beim Einschalten einer
Betonpumpe alle Hydroventile der Betonpumpe in eine zueinander passende
Stellung bringt, so daß sich
alle Antriebe für
ein möglicherweise
vorgesehenes Schiebersystem einschließlich der Absperrschieber und
der Antriebe für
die Kolben der Hauptförderzylinder
in einer zueinander passenden Richtung bewegen bzw. in ihrer Stellung
verbleiben, solange diese zu den ablaufenden Vorgängen paßt. Außerdem wird
im dann folgenden Pumpbetrieb die sichere Funktion auch bei kurzfristigen
Veränderungen
des Förderstroms
und auch nach einem Stillstand erreicht.
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Die
Erfindung macht es möglich,
die Steuerungsaufgaben für
eine kontinuierliche Betonpumpe sicher zu bewältigen. Bei kontinuierlichen
Betonpumpen ist eine Vielzahl von Steuerungs- und Antriebsvorgängen zu
koordinieren. So müssen
bei einer bestimmten Konstruktion einer kontinuierlichen Betonpumpe
beispielsweise innerhalb von ca. 0,6 Sekunden ca. 12 Steuervorgänge durchgeführt werden,
die sich weitgehend zeitlich überlappen.
Eine derartige Steuerung wäre
mit den herkömmlichen,
nicht taktfesten Steuerungen nicht in betriebssicherer Weise zu
realisieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird derselbe Ablaufplan wiederholt durchlaufen. Alternativ können mehrere,
beispielsweise zwei oder drei unterschiedliche Ablaufpläne vorgesehen
sein, die nacheinander durchlaufen werden, wobei der Beginn des
Ablaufs eines jeden Ablaufplans durch ein Startsignal ausgelöst wird.
Vorzugsweise wird nach Durchlaufen aller vorge sehener unterschiedlicher Ablaufpläne der Durchlauf
dieser Ablaufpläne
mit dem ersten Ablaufplan wieder begonnen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Beginn des Ablaufs des (eines) Ablaufplans durch ein Startsignal
ausgelöst,
das vorzugsweise von einem Positionssensor zur unmittelbaren oder mittelbaren
Ermittlung einer Position eines Kolbens eines Hauptförderzylinders
erzeugt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Takt für
das Durchlaufen des Ablaufplans an die aktuelle Fördergeschwindigkeit
der breiigen Masse in der Förderleitung
angepaßt.
Dabei wird die aktuelle Fördergeschwindigkeit
beispielsweise mittels eines Durchfluß-Meßgeräts in der Förderleitung einer Haupt-Hydraulikpumpe
ermittelt, welches über
elektrische oder elektronische Meßwerte einen Elektromotor oder
einen Hydromotor in seiner Geschwindigkeit regelt, der das Durchlaufen
des Ablaufplans bewirkt.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerte
Pumpvorrichtung zur Förderung
breiiger Massen weist vorzugsweise neben den Hauptförderzylindern
ein schaltbares Schiebersystem auf, das in einem ersten Schaltzustand
eine Verbindung zwischen dem Auslaß eines ersten Hauptförderzylinders und
einer Förderleitung
und in einem zweiten Schaltzustand eine Verbindung zwischen dem
Auslaß eines
zweiten Hauptförderzylinders
und der Förderleitung
schafft, durch die die breiige Masse in Strömungsrichtung durch die Förderleitung
strömen kann.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäß betriebene Pumpvorrichtung
ferner einen Ausgleichszylinder auf, der in die Förderleitung
geförderte
breiige Masse aufnehmen kann und während des Schaltens des Schiebersystems
den Förderstrom
aufrechterhalten kann, indem er breiige Masse wieder in die Förderleitung
abgibt. Dieser Ausgleichszylinder ist vorzugsweise stromabwärts des
Schiebersystems vorgesehen. Ferner weist die erfindungsgemäß betriebene
Pumpvorrichtung vorzugsweise ein in Strömungsrichtung vor dem Ausgleichszylinders
vorgesehenes Absperrventil in der Förderleitung auf. Mittels dieses
Absperrventils kann die Förderleitung während des
Schaltens des Schiebersystems verschlossen werden, so daß das Ausbringen
von breiiger Masse aus dem Ausgleichszylinder in die Förderleitung
während
des Schaltens des Schiebersystems keinen Rückfluß breiiger Masse in Richtung
auf das Schiebersystem erlaubt. Ferner erlaubt das Vorsehen des
in Strömungsrichtung
vor dem Ausgleichszylinder in der Förderleitung vorgesehene Absperrventils
die Möglichkeit
eines Schaltens des Absperrventils bei Gleichdruck. Die Erfindung
ist allerdings nicht auf die Anwendung mit derartigen Pumpvorrichtungen
beschränkt
sondern kann auch bei herkömmlichen
Pumpvorrichtungen für
breiige Massen eingesetzt werden und insbesondere für solche
Vorrichtungen zu kontinuierlichen Förderung, wie sie beispielsweise
in
DE 42 08 754 A1 oder
EP 1 003 969 B1 beschrieben
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird zumindest eines der Stellglieder aus der Gruppe der die nachfolgend
aufgezählten
Antriebsglieder schaltenden Stellglieder durch das Durchlaufen des
Ablaufsplans geschaltet: Antrieb der Hauptförderzylinder, Antrieb eines
schaltbaren Schiebersystems der Pumpvorrichtung, Absperrventil der
Pumpvorrichtung, Antrieb eines Ausgleichszylinders der Pumpvorrichtung.
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Die
Erfindung erlaubt es, den Start des Pumphubes des Ausgleichszylinders
und das gleichzeitige Schließen
des Absperrventils taktfest durchzuführen. Ebenso kann der Wechsel
der Pumpfunktion der beiden Hauptförderzylinder taktfest erfolgen. Auch
die Reduzierung des Sicherheitsdrucks einer Hydraulikpumpe für das Vorkomprimieren,
das Umschalten eines Schiebersystems, das Hochkomprimieren auf den
aktuellen Förderdruck
und das Öffnen des
Absperrschiebers können
taktfest zueinander erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Steuerung elektronisch nach Art einer speicherprogrammierbaren
Steuerung oder anderer elektrischer oder elektronischer Steuerungen,
die das Betätigen
der Stellsignale in der erfindungsgemäßen taktfesten Abfolge bewirken.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Rotation einer Nockenwelle mit Nocken zum Schalten mit
mindestens zwei Stellgliedern der Pumpvorrichtung durch das Startsignal
ausgelöst. Der
Einsatz einer Nockenwelle mit Nocken zum Schalten von mindestens
zwei Stellgliedern der Pumpvorrichtung erlaubt eine taktfeste Zuordnung der
Betätigung
der Stellglieder zueinander, da die Nocken der Nockenwelle in einem
festen Verhältnis zueinander
stehen, erlaubt es jedoch gleichzeitig, die Taktfrequenz frei zu
wählen,
so daß der
zeitliche Ablauf des Ablaufplans beschleunigt oder verlangsamt werden
kann, ohne daß die
Abfolge der Betätigung der
Stellglieder im Verhältnis
zum Takt verändert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Nockenwelle nach Durchlaufen des für das gemäß Ablaufplan vorgesehene Schalten
der Stellglieder notwendigen Rotationswinkel angehalten bzw. das
Durchlaufen des Ablaufplans bei einer SPS beendet. Dabei wird die
Erkenntnis genutzt, daß es während des
Pumpens und Saugens der Hauptförderzylinder
einer Betonpumpe einen Zeitraum gibt, in dem keine Schaltvorgänge erfolgen.
In dieser Phase müssen
lediglich die aktuellen Stellungen aller Hydroventile beibehalten
werden. Erfindungsgemäß wird der
Durchlauf des Ablaufplans während
eines Teils dieser Phase unter Beibehaltung der aktuellen Signale
beendet. Vorzugsweise erfolgt das Stillsetzen durch den Ablaufplan
selbst, so daß dieser
sich selbst stillsetzt.
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Wird
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ein Ablaufplan oder eine Abfolge von Ablaufplänen wiederholt durchlaufen,
so ist es von Vorteil, das System zu stabilisieren, indem alle Stellglieder
mit Ablauf des Ablaufplans eine in dem Ablaufplan vorgesehene Ruhestellung
einnehmen und ein weiteres Betätigen
der Stellglieder erst mit dem Start des Durchlauf des nächsten Ablaufplans
erfolgt, der durch ein Startsignal begonnen wird. Die Stellglieder der
Pumpvorrichtung haben mit vollständigem Durchlauf
des Ablaufplans somit eine fest vorgesehene Stellung, so daß der Start
des nachfolgenden Durchlaufs eines Ablaufplans nicht von einer chaotischen
Ausgangslage ausgeht, sondern einer fest vorgegebenen. Unabhängig von
der Ausgangslage, aus der das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern einer
Pumpvorrichtung gestartet wird, ist spätestens nach dem ersten Durchlauf
eines Ablaufplans eine eindeutig festgelegte Konfiguration der Pumpvorrichtung
erreicht.
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Bei
einer kontinuierlichen Betonpumpe mit mindestens zwei Hauptzylindern
ohne Ausgleichszylinder kann das Startsignal kurz vor Erreichen
der hinteren Stellung eines Kolbens des Hauptzylinders, beispielsweise
am Ende eines schnellen Saugvorgangs, insbesondere etwa 50 mm vor
der Endstellung, erfolgen. Bei einer kontinuierlichen Pumpe mit Ausgleichszylinder
laufen beide Hauptförderzylinder in
der Regel synchron im Gegentakt. Das heißt, daß ein Zylinder die vordere
Endstellung und der andere gleichzeitig die hintere Endstellung
erreicht. Deshalb kann hier das Startsignal für den Start des Signalgenerators
von dem Hauptförderzylinder
in der vorderen oder hinteren Endstellung abgegeben werden. Insbesondere
kann vorgesehen sein, daß die
Synchronisierung der Pumpe mit dem Ablaufplan bei jedem einzelnen
Pumphub unmittelbar vor dem Beginn der Schaltvorgänge, insbesondere
der beispielsweise 12 Schaltvorgänge,
erfolgt. Aus demselben Grund kann die Anpassung der Laufgeschwindigkeit
des Ablaufplans an die aktuelle Pumpgeschwindigkeit mit relativ
geringer Genauigkeit und damit wirtschaftlich erfolgen.
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Die
Nockenwelle kann beispielsweise nach Durchlaufen eines Rotationswinkels
von 180° angehalten
werden. Die im Rotationswinkel 0 bis 180° angeordneten Nocken dienen
der Betätigung
von Stellgliedern. Die Anordnung der einzelnen Nocken in diesem
Winkelbereich und ihre konkrete Ausgestaltung sind durch den Ablaufplan
vorgegeben. In dem Winkelbereich 180° bis 360° kann eine andere Nockenanordnung
vorgesehen sein, wenn nach Durchlaufen des ersten Ablaufplans ein
zweiter Ablaufplan durchlaufen werden soll.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Anhalten der Nockenwelle durch ein Signal ausgelöst. Vorzugsweise
weist die Nockenwelle einen Nocken auf, der eine Schaltkupplung
betätigt,
mittels der die Nockenwelle von ihrem Antrieb getrennt wird. Insbesondere
bevorzugt weist der Antrieb ein Untersetzungsgetriebe auf.
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Zum
Stillsetzen und Wiederstarten des Ablaufplans beim Einsatz einer
Nockenwelle kann eine Schaltkupplung verwendet werden, die vorzugsweise im
sehr langsam drehenden Bereich, also in der Nähe der Nockenwelle selbst sitzt.
Der Vorteil der Schaltkupplung und ihrer beschriebenen Anordnung ist,
daß der
Antriebsmotor und ein möglicherweise vorgesehenes
Untersetzungsgetriebe für
die Nockenwelle selbst nicht abgebremst werden müssen, sondern in der Pausenphase
des Ablaufplans weiterlaufen können.
Wegen der sehr geringen kinetischen Energie kommt die Nockenwelle
punktgenau zum Stillstand, wenn sie selbst abschaltet. Entsprechendes
gilt für
den Wiederstart.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Startsignal erzeugt, wenn ein Positionssensor ermittelt,
daß ein
Kolben eines Hauptförderzylinders seine
Endstellung erreicht.
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Die
Nockenwelle kann durch einen Antriebsmotor angetrieben werden, dessen
Drehzahl an den Volumenstrom der Hydraulikpumpe der Pumpvorrichtung
angepaßt
wird, wie er von einem Meßfühler erfaßt wird.
Dadurch kann die Taktfrequenz in Abhängigkeit der aktuellen Fördergeschwindigkeit
angepaßt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
läuft der
jeweils saugende Hauptförderzylinder
mit einer höheren
Kolbengeschwindigkeit als der pumpende Hauptförderzylinder, so daß nach Abschluß des Saugvorgangs
die Saugöffnung
geschlossen, ein Verdichtungshub durchgeführt und die Verbindung zur Förderleitung
geöffnet
werden kann, bevor der pumpende Hauptförderzylinder seine Endstellung
erreicht. Der Ablauf des nachfolgenden Ablaufplans wird durch das
Positionssignal kurz vor Ende des Saughubs gestartet und betätigt mindestens
eines der Stellglieder für
eine der nachfolgenden Funktionen: Saugöffnung schließen, Vorkompression
des angesaugten Betons, Hochkomprimieren auf den aktuellen Förderdruck, Öffnen der
Verbindung zur Förderleitung,
Umschalten der Haupt-Hydraulikpumpe auf den neuen Pumphub, Sperren
der Verbindung des anderen Zylinders zur Förderleitung, Beginn seines
Saughubs und Öffnen
seiner Saugöffnung.
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Die
erfindungsgemäße Steuerung
einer Pumpvorrichtung zur Förderung
breiiger Massen, die mindestens zwei Hauptförderzylinder zum Fördern der
breiigen Masse aufweist, weist eine Nockenwelle auf, bei der zumindest
ein Nocken einem Schaltstück für ein Schalten
eines Stellglieds der Pumpvorrichtung zugeordnet ist. Der erfindungsgemäße Einsatz einer
Nockenwelle zum Schalten der Stellglieder der Pumpvorrichtung erlaubt
es, einen Ablaufplan zu durchlaufen, der eine taktfeste Abfolge
der Betätigung
von Stellgliedern der Pumpvorrichtung festlegt. Hierdurch wird der
erfindungsgemäße Erfolg
erzielt, daß nach
Start des Durchlauf des Ablaufplans die Stellglieder in fest vorgegebener
Weise im Verhältnis zueinander
betätigt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist zumindest ein Nocken einem Schaltstück für ein Schalten eines Stellglieds
aus der Gruppe der die nachfolgend aufgestellten Antriebsglieder
schaltenden Stellglieder vorgesehen: Antrieb der Hauptförderzylinder, Antrieb
eines schaltbaren Schiebersystems der Pumpvorrichtung, Absperrventil
der Pumpvorrichtung und/oder Antrieb eines Ausgleichszylinders der Pumpvorrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Steuerung
kann einen Positionssensor zu unmittelbaren oder mittelbaren Ermittlung
zumindest einer Position eines Hauptförderzylinders aufweisen. Dieser
Positionssensor kann beispielsweise zum Erzeugen eines Startsignals
für den
Durchlauf des Ablaufplans eingesetzt werden.
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Die
Nockenwelle ist vorzugsweise über
eine Schaltkupplung mit einem Antrieb verbunden. Durch Trennen der
Kupplung kann die Rotation der Nockenwelle auf einfache Weise rasch
beendet werden, so daß hierdurch
nach Durchlauf des Ablaufplans kein weiterer Start eines Durchlaufs
eines Ablaufsplans erfolgt, bis die Schaltkupplung die Nockenwelle
erneut mit dem Antrieb verbindet.
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Insbesondere
bevorzugt weist der Antrieb ein Untersetzungsgetriebe auf. Dadurch
kann der Antrieb an das Hydrauliksystem der Pumpvorrichtung gekoppelt
sein. Durch die Wahl der entsprechenden Untersetzung kann die Rotation
der Nockenwelle in einem festen Verhältnis zum Ölfluß in der Hydraulikleitung stehen.
Insbesondere bevorzugt ist ein Hydromotor zum Antrieb der Nockenwelle
im Ölfluß einer
Haupt-Hydraulikpumpe zum Antrieb der Förderzylinder oder im Rücklauf installiert.
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Vorstehend
ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Steuerung
zur Vereinfachung der Darstellung im wesentlichen anhand einer Betonpumpe
erläutert worden.
Die Erfindung kann jedoch zum Steuern von Pumpvorrichtungen jeglicher
breiiger Massen, insbesondere auch solchen der Lebensmittelindustrie
eingesetzt werden.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung in einer
geschnittenen Draufsicht;
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2 den
schematischen Aufbau eines Absperrventils der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung
in einer geschnittenen Ansicht;
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3 das
Absperrventil gemäß 2 in
einer entlang der Linie A-B der 2 geschnittenen Ansicht;
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4 das
Absperrventil gemäß 2 in
geschlossener Stellung und
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5 den
Schaltplan der erfindungsgemäßen Steuerung
in einer schematischen Darstellung.
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Die
erfindungsgemäße Pumpvorrichtung weist
zwei Hauptförderzylinder 1, 2,
ein sich an diese anschließendes
Schiebersystem 3, einen sich an das Schiebersystem anschließenden ersten
Abschnitt 4 einer Förderleitung 5,
ein in dem ersten Abschnitt angeordnetes Absperrventil 6,
einen sich and den ersten Abschnitt 4 anschließenden Ausgleichszylinder 7 und
einen sich an den Ausgleichszylinder 7 anschließenden zweiten
Abschnitt 8 der Förderleitung 5 auf.
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Das
Schiebersystem 3 weist ein Gehäuse 10 auf, das einen
Förderraum 11 definiert.
In dem Förderraum 11 ist
eine verschwenkbare Rohrweiche 12 angeordnet. Die Rohrweiche 12 wird über eine
nicht dargestellte Schwenkwelle mit einem hydraulischen Zylinder 13 verschwenkt.
Sie kann zwischen einem ersten Schaltzustand, in dem sie eine Verbindung zwischen
dem Auslaß des
ersten Hauptförderzylinders 1 und
dem Abschnitt 4 schafft, und einem zweiten Schaltzustand,
in dem sie eine Verbindung zwischen dem Auslaß des zweiten Hauptförderzylinders 2 und
dem Abschnitt 4 schafft, bewegt werden. An den Förderraum 11 angeschlossen
ist ein nicht dargestellter Vorfüllbehälter.
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Das
Absperrventil 6 weist ein Gehäuse 20 und einem in
dem Gehäuse
angeordneten Ventilkörper 21 mit
einem Durchgangskanal 23 auf. Mittels eines hydraulischen
Zylinders 22 kann der Ventilkörper zwischen einer Stellung,
in der der Durchgangskanal 23 mit zwei einander gegenüberliegenden
Durch flußöffnungen 24, 25 ausgerichtet
ist (vgl. 2), und der dargestellten, die
Durchflußöffnung 24 verschließenden Stellung
(vgl. 4) geschaltet werden.
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Der
Ausgleichszylinder 7 weist einen Rohrbogen 30 auf.
An seinem stromaufwärtigen
Ende 31 weist der Rohrbogen 30 einen größeren Querschnitt als
das Ende 32 des Abschnitts 4 auf, über das
er geschoben werden kann. An seinem stromabwärtigen Ende 33 weist
der Rohrbogen 30 einen geringeren Querschnitt als das Ende 34 des
Abschnitts 8 auf, in das er geschoben werden kann. Zwischen
dem Rohrbogen 30 und den Abschnitten 4 und 8 sind
Dichtungen 35, 36 angeordnet. Ein Zylinder 37 kann
den Rohrbogen 30 verschieben.
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Die 2 und 3 zeigen
das Absperrventil 6 in einer geöffneten Stellung. Ein Schneidring 26 wird über einen
kautschuk-elastischen Ring 27 auf einem Rohrabschluß 28 abgestützt. 2 zeigt
ferner, daß das
Gehäuse
des Absperrventils im die Durchflußöffnung 24 des Absperrventil
umgebenden Bereich kugelzonenförmig
ausgebildet ist und der schwenkbarer Ventilkörper 21 korrespondierend
kugelzonenförmig
ausgebildet ist, nämlich
im Bereich 29. Die dem Ventilkörper 21 zugewandte
Fläche
des Schneidrings 26 des Automatikrings ist kugelzonenförmig ausgebildet
ist. In der Ansicht der 3 ist zu erkennen, daß das Gehäuse 20 abgeflacht
ausgebildet werden kann, um Einbauraum zu sparen.
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4 zeigt
das Absperrventil 6 geschlossen. Der kugelzonenförmig ausgebildete
Bereich 29 wurde vor die Durchflußöffnung 24 geschwenkt.
Im Zusammenwirken mit dem durch den kautschuk-elastischen Ring 27 an
den Ventilkörper 21 gedrückten Schneidring 26 dichtet
der Ventilkörper 21 die
Durchflußöffnung 24 ab.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung
zu Beginn des Pumphubs des Hauptförderzylinders 1. Die
Rohrweiche 12 wird durch den Zylinder 13 in Richtung
auf die Auslaßöffnung des
Hauptförderzylinders 1 bewegt.
Dieser hat, wie die Pfeile A zeigen, seinen Pumphub bereits begonnen.
Durch die teilweise Überdeckung
der Einlaßöffnung der Rohrweiche 12 und
der Auslaßöffnung des
Hauptförderzylinders 1 wird
bereits Beton aus dem Hauptförderzylinder 1 gegen
den Schneidring der Rohrweiche 12 mit reduzierter Kraft
vorkomprimiert.
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Das
Absperrventil 6 ist zu diesem Zeitpunkt geschlossen, so
daß durch
den in den Abschnitt 4 gepumpten Beton der Druck im Abschnitt 4 erhöht wird. Nach
Erreichen der Endstellung des Schwenkrohres wird auf aktuelles Druckniveau
komprimiert. Wenn der Druck auf beiden Seiten des Absperrventils 6 gleich
groß ist, öffnet der
Zylinder 22 durch Schwenken des Ventilkörpers 21 das Absperrventil 6.
Dies erfolgt ohne Überwindung
großer
Reibungskräfte,
da der Beton auf beiden Seiten des Absperrventils 6 den gleichen
Druck aufweist.
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Der
Hauptförderzylinder 1 pumpt
nun durch die mittlerweile in einer Schaltstellung, in der sie eine Verbindung
zwischen dem Auslaß des
ersten Hauptförderzylinders 1 und
dem Abschnitt 4 über
den vollen Querschnitt des Auslaß schafft, angelangte Rohrweiche
Beton durch den Abschnitt 4 und den Ausgleichszylinder 7 in
den Abschnitt 8.
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Der
Rohrbogen 30 wird während
dieses Pumpens durch den Zylinder 37 und den auf ihn wirkenden
Betondruck nach außen
(in der 1 nach links) geschoben. Hierdurch
wird das Volumen der Förderleitung
erhöht.
Der sich "verlängernde" Rohrbogen 30 speichert
Beton.
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Erreicht
der Hauptförderzylinder
das Ende seines Pumphubs, so wird das Absperrventil 6 geschlossen.
Durch Zurückziehen
des Rohrbogens 30 (Pfeil B) wird der in dem Rohrbogen 30 gespeicherte Beton
in den Abschnitt 8 gepumpt, wodurch der Druck in der Förderleitung
aufrechterhalten wird. Eine Rückströmung in
den Abschnitt 4 wird durch das geschlossene Absperrventil 6 verhindert.
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Unmittelbar
nach Schließen
des Absperrventils beginnt der Hauptförderzylinder 1 seinen Saughub.
Dadurch wird der in der Rohrweiche 12 und dem Abschnitt 4 bis
zum Absperrventil 6 befindliche Beton entspannt. Dann wird
die Rohrweiche 12 durch den Zylinder 13 in Richtung
auf ihre andere Schaltstellung bewegt. Dabei ist durch die Entspannung
der Druckunterschied zwischen dem Beton in der Rohrweiche 12 und
in der Förderkammer 11 weitgehend
aufgehoben. Dann kann die Rohrweiche besonders leicht bewegt werden.
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In 1 ist
ferner ersichtlich, daß der
Hauptförderzylinder 2 seinen
Saughub durchführt
(Pfeil C). Bei diesem saugt er Beton aus der Förderraum 11. Der Beton
strömt
aus dem nicht dargestellten Vorfüllbehälter in
den Förderraum 11 nach.
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5 zeigt,
daß die
Pumpvorrichtung eine Nockenwelle 100 mit Nockenscheiben 112, 113, 114, 115, 116 aufweist.
Die Nockenwelle 100 ist über eine Kupplung 108 mit
einem Motor 111 verbunden.
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5 zeigt
die Pumpvorrichtung in einer Lage, bei der der Hauptförderzylinder 1 noch
pumpt (der Zylinder 101 befindet sich kurz vor seiner einen Endstellung
und der Zylinder 102 des saugenden Hauptförderzylinders 2 befindet
sich kurz vor seiner anderen Endstellung). Beide Zylinder 101 und 102 sind über eine
sie verbindende Leitung 103 synchronisiert.
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Wenn
der Kolben 101 die Steuerbohrung 104 an der Zylinderwand überfahrt,
wechselt das in der 5 linke Schaltventil 105 gegen
die Feder vom rechten in das linke Schaltbild. Dadurch wird die
Leitung 201 mit dem Speicherdruck (Symbol 106)
beaufschlagt. Überall
dort wo ein dem Symbol 106 gleiches Symbol in der 5 dargestellt
ist, ist das jeweilige Ventil an einen Hydrospeicher angeschlossen,
der ohne nennenswerten Druckabfall die verschiedensten Schaltvorgänge antreiben
kann. Der Energiespeicher im Hydrospeicher ist beispielsweise komprimierter
Stickstoff.
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Auf
der Saugseite des Kupplungszylinders 107 erzeugt der Speicherdruck
eine hohe Federkraft in Richtung des Öffnens der Kupplung. Die größere Kolbenfläche ist
zum Tank hin drucklos, also entlastet. Der Weg, den das Öl von der
Kolbenseite des Kupplungszylinders 107 bis zum Tank (Symbol 202 oder
in der Darstellung der 5 auch teilweise als Symbol 203 verwendet)
nimmt, führt über das
Abschaltventil 109 durch das rechte Bild des Schaltventils 105,
dann durch das linke Bild des rechten Schaltventils 110 über das
Ventil 112a für
den Start und Stopp der Nockenwelle 100.
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Auf
der Nockenwelle 100 sitzen zumindest die Nockscheiben 112 bis 116,
wobei in anderen Anordnungen auch weitere Nocken vorgesehen sein können, um
andere Vorgänge,
beispielsweise eine Vorkomprimierung der geförderten Massen während des
Schaltens des Schiebersystems 3 und unmittelbar danach
(Hochkomprimieren) steuern zu können.
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Da
das Ventil 112a auf dem Nocken 112 steht, ist
die Kolbenseite des Kupplungszylinders 107 mit dem Tank
verbunden. Nachdem das Schaltventil 105 durch den Zylinder 101 in
dessen Endstellung in das linke Bild schaltet, wirkt der Speicherdruck 106 nun
auf die Kolbenfläche
des Kupplungszylinders 107. Die Kupplung 108 wird
geschlossen, da die Kolbenfläche
größer ist
als die mit demselben Druck beaufschlagte Ringfläche auf der Gegenseite. Dadurch läuft die
Nockenwelle 100 in die mit dem Pfeil dargestellte Richtung 117 an.
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Die
Nockenscheibe 112 weist zwei sehr kurze Nocken im Abstand
vom 180° auf.
Deshalb bleibt die Nockenwelle 100 durch ihr selbst erzeugtes Stopp-Signal (siehe weiter
unter) jeweils nach 180° stehen.
Für eine
maximale Fördermenge
hat sich als Laufzeit für
180° das
Zeitintervall von 0,7 Sekunden als vorteilhaft erwiesen. Die Zeit
von einem Start bis zum nächsten
Start der Nockenwelle 100 beträgt bei der so gewählten Höchstfördermenge
jedoch 1,8 Sekunden. Daraus ergibt sich jeweils eine Stillstandzeit der
Nockenwelle 100 von 1,1 Sekunden. In dieser Zeit bleiben,
weil die Nockenwelle 100 still steht, alle von ihr gesteuerten
Schaltventile in ihrer Position – und damit auch die von diesen
Signalgliedern angesteuerten Stellglieder, wie beispielsweise größere Wegeventile,
die die Antriebsglieder, zum Beispiel Hydraulikzylinder und Hydromotoren
steuern, in ihren Positionen. Selbstverständlich können anstelle der vorgenannten
Zeiten auch andere Ablaufgeschwindigkeiten gewählt werden.
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In
dieser Stillstandszeit der Nockenwelle pumpt ein Förderzylinder,
während
der andere saugt. Außerdem
erfolgt die Ausholbewegung des Ausgleichzylinders 7, 118,
das heißt
dieser entnimmt Fördermedium
aus der Förderleitung 5,
welches er während
der Stillstandzeit der Förderzylinder
beim Schaltvorgang des Schiebersystems 3 wieder in die Förderleitung
fördert.
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Der
Motor 111 kann dauernd laufen. Er treibt die eine Seite
der Kupplung mit einer Drehzahl an, die an die effektive Fördermenge
der Haupthydraulikpumpe 119 ständig angepaßt ist.
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Nach
dem Start der Nockenwelle 100 laufen zumindest folgende
Funktionen ab:
Die Nockenscheibe 112 bringt das Schaltventil 112a in
dessen rechtes Bild. Dadurch sichert sie ca. 0,7 Sekunden lang den
Befehl für
das Laufen der Nockenwelle 100. Zuvor wurde das Signal
bereits für den
Start der Nockenwelle 100 durch das Ventil 105 gegeben.
Es erlischt jedoch, wenn der Kolben des Zylinders 101 beim
nachfolgenden Hub seine vordere Stellung verläßt. Dann wirkt das Signal zum
Lauf der Nockenwelle 100 durch das Ventil 112a weiter.
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Die
Nockenscheibe 113 steuert beim Anlaufen der Nockenwelle 100 durch
das Ventil 113a das Umschalten des Haupt-Wegeventils 120 für den neuen
Pumphub, welcher aber zunächst
noch verzögert werden
soll. Zunächst
müssen
die Entlastungs- und Vorkompressionsvorgänge – hier aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt – gemeinsam
mit dem Umschalten des Schiebersystems 3 mit der Rohrweiche 3 erfolgen.
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Der
Start der Bewegung der Rohrweiche 3 erfolgt erst nach dem
Schließen
des Absperrschiebers 6 und wird ebenfalls durch die Nockenscheibe 113 gesteuert,
die in Verbindung mit dem Schaltventil 113b das Wegeventil 122 umsteuert.
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Die
Nockenscheibe 114 steuert nach Start der Nockenwelle 100 über das
Schaltventil 114a und über
das Stellglied (Wegeventil) 123 den Absperrschieber 124 in
dessen Schließrichtung.
Ebenfalls schaltet das Anlaufen der Nockenwelle 100 mittels der
Nockenscheibe 115 über
das Schaltventil 115a und das Wegeventil 125 den
Start des Pumphubs des Ausgleichszylinders 118 (siehe weiter
unter).
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Die
Nockenscheibe 116 steuert über ihr Schaltventil 116a das
Zwei-Wege-Sitzventil 127 in dessen
Schließrichtung.
Auf diese Weise erhält
das große
Wegeventil 120 kein Drucköl von der Hauptpumpe 119.
Stattdessen treibt die Hauptpumpe nun den Antriebszylinder 118a des
Ausgleichszylinders 118 an. Wie bereits beschrieben, wurde
der Pumphub des Zylinders 118a durch Umschalten des Wegeventils 125 in
dessen linkes Schaltbild gestartet.
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Die
kleine Hydraulikpumpe 128 ist eine so genannte Nullhub-Pumpe.
Derartige Pumpen regeln sich bei vollem Druck bei Erreichen eines
Höchstdrucks
fast auf den Förderstrom
0 zurück,
hier beispielsweise in den kurzen Wartezeiten zwischen dem Ausholhub
und dem Pumphub des Ausgleichszylinders 118. Es bleibt
damit eine nach links gerichtete Höchstkraft des Hydraulikzylinders
bestehen. Gemeinsam mit der ebenfalls nach links gerichteten Kraft des
Ausgleichszylinders 118, die durch den herrschenden Betondruck
verursacht wird, entsteht eine größere Kraft als die nach rechts
treibende Kraft des Zylinders 118a. Dies gilt auch für den vorherigen Ausholhub,
der gegen die Antriebskraft der Kolbenseite des Zylinders 118 erfolgt.
Nach Umschalten des Wegeventils 125 sofort nach dem Start
der Nockenwelle 100 in das linke Schaltbild des Wegeventils 125 fällt die
nach links gerichtete Kraft des Zylinders 118a weg. Dadurch
führt der
Zylinder 118a den Pumphub (nach rechts) durch. Am Ende
des Ausgleichshubs schaltet der Zylinder 118a punktgenau
(stellungsabhängige
Steuerung) das Ventil 126 in dessen linkes Schaltbild.
Dadurch öffnet
das Sitz-Ventil 127 den Weg von der Pumpe 119 zum
Wegeventil 120 wodurch der neue Pumphub beginnt.
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Kurz
vorher wird der Absperrschieber 124 geöffnet, wobei das Ventil 114a wieder
in seinem rechten Bild steht (und der Rollenstößel ausgefahren ist). Beim
Start des neuen Pumphubs sind seit dem Start demnach ca. 0,5 Sekunden
vergangen. Die Nockenwelle 100 läuft bei Höchstmenge der Pumpe ca. 0,7
Sekunden, wobei sie einen Drehwinkel von 180° durchläuft. Sie setzt sich selbst
dadurch still, daß nun der
andere Nocken der Nockenscheibe 112 das Schaltventil 112a wieder
gegen die Feder in dessen linkes Bild drückt.
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Nach
dem Start des neuen Pumphubs 0,5 Sekunden nach dem Start der Nockenwelle 100 bis zu
ihrem Stillstand nach ca. 0,7 Sekunden erfolgen unter anderem noch
folgende weitere Steuerungsvorgänge
durch die Nockenwelle 100:
- – Das Schaltventil 116a wird
in die in 5 dargestellte Stellung zurückgeschaltet.
Dies muß erfolgen,
bevor das Wegeventil 126 durch den Beginn des Ausholvorgangs
in sein rechtes Bild wechselt (Federkraft bei Gleichdruck).
- – Das
Wegeventil 125 wird in die in der 5 dargestellte
Position zurückgeschaltet,
wodurch der Ausholhub des Ausgleichszylinders 118 nach links
beginnt. Dies erfolgt durch die Nockenscheibe 115. Ferner
werden Funktionen der nicht dargestellten Kompressionsvorgänge während der Laufzeit
von 0,7 Sekunden der Nockenwelle 100 hin- und wieder zurückgeschaltet.
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Während des
Stillstands der Nockenwelle 100 wird von dem Hauptförderzylinder 2 gepumpt und
durch den anderen Hauptförderzylinder 1 gesaugt. Über einen
großen
Teil dieser Stillstandszeit von ca. 1,1 Sekunden holt der Ausgleichszylinder 118 aus,
das heißt
er entnimmt Fördermedium
aus der Förderleitung 4.