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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer hydropneumatischen Druckvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Hydropneumatische Vorrichtungen zur Drückübersetzung sind bereits in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt geworden.
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Derartige Vorrichtungen weisen regelmäßig einen Arbeitskolben und einen Übersetzerkolben zur Druckübersetzung auf den Arbeitskolben auf, wobei der Übersetzerkolben in eine Hydraulikflüssigkeit eintaucht.
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Außerdem ist häufig ein Speicherkolben vorgesehen, der eine schnelle Eilbewegung des Arbeitskolbens durch Verdrängen von Hydraulikflüssigkeit vor einem Krafthub bereit stellen kann.
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Bei einer Ausführungsform ist zwischen dem Übersetzerkolben und dem Speicherkolben eine Druckfeder eingebaut. Diese übernimmt in einer Doppelfunktion die Rückstellung des Übersetzerkolbens, wenn auf den Übersetzerkolben kein Betriebsdruck mehr wirkt und beaufschlagt den Speicherkolben ständig mit einem Federdruck, so dass das dahinter liegende Hydraulikflüssigkeitsvolumen in einem Speicherraum ebenso unter dem entsprechendem Druck steht. Eine pneumatische Druckbeaufschlagung des Hydraulikflüssigkeitsvolumens von Seiten des Speicherkolbens kann dadurch entfallen. Da für eine Rückstellung des Übersetzerkolbens keine Druckluft erforderlich ist, wird der Luftverbrauch gesenkt.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird keine Druckfeder zwischen Übersetzerkolben und Speicherkolben eingesetzt, sondern eine pneumatische Rückstellung des Übersetzerkolbens und pneumatische Druckbeauschlagung des Speicherkolbens realisiert. Dazu wird ein Übersetzerkolben Rückhubraum mit einem reduziertem pneumatischen Druck beaufschlagt. In Anlehnung an die Funktion der mechanischen Druckfeder kann dieser Druck auch als „Luftfeder“ bezeichnet werden. Der gleiche „Luftfederdruck“ wirkt bei einer Ausführungsform auch auf den Speicherkolben und hält den Hydraulikspeicher unter Vorspannung. Wie bei der mechanischen Druckfeder wirkt der „Luftfederdruck“ permanent auf Übersetzerkolben und Speicherkolben, wobei im Gegensatz zur mechanischen Feder der Druck unabhängig vom Bewegungszustand der Kolben immer konstant bleibt.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer hydropneumatischen Vorrichtung zur Druckübersetzung vergleichsweise effektiver zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1gelöst.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung geht zunächst von einem Verfahren zum Betreiben einer hydropneumatischen Vorrichtung zur Druckübersetzung mit einem Arbeitskolben und einem Übersetzerkolben zur Druckübersetzung auf den Arbeitskolben aus. Der Übersetzerkolben weist einen Arbeitshubraum für den Krafthub und einen Rückhubraum für den Rückhub auf. Der Arbeitshubraum ist für den Krafthub mit einem Betriebsdruck beaufschlagt. Der wesentliche Aspekt der Erfindung liegt nun darin, dass der Rückhubraum bei Ablauf von Kraft- und Rückhub zwischen einem Niedrigdruck, der zumindest im Bereich von Atmosphärendruck oder bei Atmosphärendruck liegt und einem Zwischendruck geschaltet wird, der zwischen dem Niedrigdruck und dem Betriebsdruck liegt. Der Niedrigdruck wird vorzugsweise beim Krafthub angelegt. Würde beim Krafthub ein gleicher Zwischendruck beibehalten, wirkt dieser einem pneumatischen Vorhubdruck entgegen und reduziert damit die Kolbenkraft des Übersetzerkolbens. Wird hingegen beim Krafthub der Rückhubraum des Übersetzerkolbens auf Niedrigdruck umgeschaltet, kann insgesamt die Presskraft am Arbeitskolben während des Krafthubs gegenüber einer Steuerung ohne Reduzieren des Drucks im Rückhubraum des Übersetzerkolbens deutlich gesteigert werden. Wird z.B. auf Atmosphärendruck geschaltet, kann eine Hubkraftsteigerung von 10 % bis 20 % realisiert werden, wenn man von einem Zwischendruck von z.B. 0,8 bar über Atmosphärendruck ausgeht.
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Durch die Möglichkeit, dass der Druck im Rückhubraum des Übersetzerkolbens vollkommen weggeschalten wird, kann überdies auf eine Sekundärentlüftung des „Luftfederraums“, also des Rückhubraums des Übersetzerkolbens verzichtet werden.
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Im Vergleich zu einer Ausführungsvariante, bei der der Übersetzerkolbenrückhubraum mit vollem Betriebsdruck im Rückhub beaufschlagt wird, ist der Luftverbrauch immer noch erheblich reduziert.
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Vorzugsweise liegt der Zwischendruck in einem Bereich von 0,5 bis 2 bar über Atmosphärendruck, insbesondere bei 0,8 bar über Atmosphärendruck. Ein solcher Druck gewährleistet eine sichere Rückstellung des Übersetzerkolbens, wobei bei komplettem Wegschalten dieses Zwischendrucks für den Vorwärtshub, also dem Krafthub, bei einer dadurch entstehenden Druckdifferenz von 0,8 bar ein immer noch akzeptabler Luftverbrauch realisiert ist.
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Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass ein Steuerraum eines Speicherkolbens für eine Eilbewegung des Arbeitskolbens durch Verdrängen von Hydraulikflüssigkeit vor einem Krafthub mittels der Druckbeaufschlagungsmittel im Regelbetriebsfall immer auf einem konstanten gleichen erhöhten Druckniveau über dem Zwischendruck gelegt wird. Durch diese Maßnahme ist nicht nur ein schneller Eilhub möglich, da ein vergleichsweise hoher Druck im Steuerraum des Speicherkolbens anliegt, sondern darüber hinaus ist eine gleichbleibende Druckbeaufschlagung der Hydraulikflüssigkeit im Speicherraum, auf den der Speicherkolben wirkt, gewährleistet. Damit wird ein Eintrag von Luft in die Hydraulikflüssigkeit reduziert bzw. eine ggf. auftretende Ölleckage verringert, wodurch längere Wartungszyklen möglich sind. Vorzugsweise liegt der Steuerraum auf Betriebsdruck, womit eine maximale Eilhubgeschwindigkeit als auch eine Druckbeaufschlagung der Hydraulikflüssigkeit mit vergleichsweise hohem Druckniveau realisiert ist.
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Bei dieser Ausgestaltung ist es allerdings bevorzugt, wenn die Druckbeaufschlagungsmittel eine mechanische Umschaltmöglichkeit vorsehen, mittels derer der Anwender z.B. im Wartungsfall den pneumatischen Betriebsdruck auf den Speicherkolben auf den Zwischendruck manuell umschalten kann, um eine Entlüftungsphase einzuleiten. Wird nach dem Entlüftungsvorgang der Eilhub das erste Mal gefahren, so wird vorzugsweise ein entsprechendes Umschaltventil automatisch in die Ausgangsstellung zurück gestellt, so dass der Speicherkolben wieder mit dem Betriebsdruck beaufschlagt ist. Damit kann eine Fehlbetätigung des Anwenders während eines regelmäßigen Hubbetriebs aufgrund der automatischen Rückstellung vermieden werden.
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Bei einer integrierten Unterbringung des Übersetzerkolbens und des Arbeitskolbens in einem Gehäuse kann bei einer Druckbeaufschlagung des Speicherkolbens mit Betriebsdruck eine Rückstellung des Arbeitskolbens durch Anlegen des gleichen Drucks in einem Rückhubraum des Arbeitskolbens ausgeführt werden, wenn wie in vielen Ausführungsformen der Arbeitskolben in das dazwischenliegende Hydraulikflüssigkeitsreservoir mit einer deutlich kleineren Fläche eindringt, als die Rückhub-Fläche des Arbeitskolbens auf die der Betriebsdruck wirkt. Durch die Flächenübersetzung ist ein Rückhub des Speicherkolbens sichergestellt.
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Es gibt jedoch auch Ausführungsformen, bei welchen eine derartige Flächenübersetzung nicht vorhanden ist. Für diesen Fall ist es bevorzugt, dass über die Druckbeaufschlagungsmittel zwischen dem Betriebsdruck bei der Eilbewegung und dem Zwischendruck bei einer Rückbewegung im Steuerraum des Speicherkolbens geschaltet werden kann, und einen sicheren Rückhub des Speicherkolbens zu gewährleisten.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist an der Vorrichtung zum Anschluss nach außen ein Druckluftanschluss an einen Eilhubraum und ein Druckluftanschluss an einen Rückhubraum des Arbeitskolbens bereit gestellt. Weitere Anschlüsse nach außen sind vorzugsweise nicht erforderlich. Alle verbleibenden erforderlichen Verbindungsleitungen und Anschlüsse sind vorteilhafterweise integriert an der Vorrichtung realisiert. Beispielsweise ist, um die komplexen, steuerungstechnisch erforderlichen pneumatischen Verbindungen an der Vorrichtung realisieren zu können, ein einziger Ventilblock vorgesehen, der an der Vorrichtung angebracht, z.B. angeflanscht werden kann. An diesem Ventilblock sind dann z.B. lediglich zwei Anschlüsse vorzunehmen. Damit lassen sich Anschlussfehler minimieren.
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Auch denkbar ist eine Anordnung, bei welcher lediglich ein Druckluftanschluss an der Vorrichtung anzuschließen ist. Um einen Vorhub und Rückhub dann realisieren zu können, ist vorzugsweise ein elektrisch schaltbares Ventil vorgesehen.
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Figurenbeschreibung
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Die Erfindung ist anhand der einzigen Figur nachstehend unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
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1 zeigt eine hydropneumatische Vorrichtung
1 zur Druckübersetzung gemäß der
DE 42 23 411 A1 , von welcher die Erfindung ausgeht, nachfolgend auch als Druckübersetzer
1 bezeichnet. Der Druckübersetzer
1 weist ein Gehäuse
2 auf, in welchem ein Arbeitskolben
3 verschieblich und radial dichtend angeordnet ist. Am Arbeitskolben
3, der sich in
1 in einer Ausgangslage befindet, ist eine nach außen durch das Gehäuse
2 ragende Kolbenstange
4 ausgebildet. Außerdem weist der Arbeitskolben
3 einen Hilfskolben
5 auf, welcher ebenfalls radial abgedichtet im Gehäuse
2 gemeinsam mit dem Arbeitskolben
3 bewegbar ist.
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Durch den Hilfskolben 5 werden zwei Pneumatikräume 6 und 7 voneinander getrennt. Bei einem entsprechenden Druck im Pneumatikraum 6 wird der Arbeitskolben 3 nach unten in Richtung gemäß Pfeil P1 geschoben.
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Der Arbeitskolben 3 begrenzt radial abdichtend einen Arbeitsraum 8, der mit einem oberhalb liegenden Speicherraum 9 über eine Engstelle hydraulisch verbunden ist. Der mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte Speicherraum 9 wird durch einen verschieblich bewegbaren Speicherkolben 10 beaufschlagt. Der Speicherkolben 10 ist gegenüber einem Mantelrohr 11 radial abgedichtet und axial verschiebbar, wobei das Mantelrohr 11 einen oberhalb des Speicherkolbens 10 liegenden Steuerraum 12 umfänglich umschließt. Der Steuerraum 12 ist pneumatisch mit Druck beaufschlagbar. Um zwischen dem Steuerraum 12 und dem Speicherraum 9 eine Gas-Flüssigkeit-Trennung zu optimieren, ist auf der Mantelfläche des Speicherkolbens 10 eine Ringnut 10a und eine mit dieser verbundene weitere Ringnut 10b vorgesehen, die miteinander über eine Querbohrung verbunden sind. Die innere Ringnut 10b ist an einer Innenwandung einer durch den Speicherkolben 10 zentrisch verlaufenden Innenbohrung ausgestaltet.
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Zur Abdichtung von durch die Bewegung von Kolbenabschnitten des Druckübersetzers 1 Abschnitten sind weitere nicht näher erläuterte Dichtungen vorhanden, z.B. umlaufende Dichtungen auf der Mantelfläche bzw. der Innenwandung der zentrischen Bohrung des Speicherkolbens 10.
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Das Mantelrohr 11 wird im Bereich des Speicherraums 9 von einem Gehäuseteil 13 des Gehäuses 2 und im Bereich des Steuerraums 12 von einer Trennwand 14 verschlossen. Zwischen dem Steuerraum 12 und einen weiteren Pneumatikraum 15, der durch ein weiteres Mantelrohr 16 umgegeben ist, ist eine ortsfeste Trennwand 14 positioniert, durch welche ein bewegbarer Tauchkolben 18 eines Antriebskolbens bzw. Übersetzerkolbens 17 radial abgedichtet durchführt. Der Tauchkolben 18 ist fest am Übersetzerkolben 17 zentrisch angeordnet und erstreckt sich von diesem einseitig nach unten, wobei der Tauchkolben 18 einen deutlich geringeren Außendurchmesser als der Übersetzerkolben 17 aufweist. Der Tauchkolben 18 ist entgegen dem hydraulischen Druck im Arbeitsraum 8 verschiebbar.
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Der Tauchkolben 18 greift durch die Trennwand 14 und den Speicherkolben 10 und ragt in der Ausgangslage, wie in 1 gezeigt, mit seinem freien Ende in den Speicherraum 9. Der Übersetzerkolben 17 bzw. damit der Tauchkolben 18 sind pneumatisch durch Druckbeaufschlagung eines an den Übersetzerkolben angrenzenden Antriebsraumes 19 angetrieben bewegbar. Dadurch kann z.B. für einen Hochdruckarbeitsgang der Antriebsraum 19 so druckbeaufschlagt werden, dass der Tauchkolben 18 unter einer Hubbewegung in einen Verengungsabschnitt bzw. in eine vom Speicherraum 9 zum Arbeitsraum 8 führende Verbindungsbohrung 20 eintaucht. Durch Eintauchen des vorderen Abschnitts des Tauchkolbens 18 in die Verbindungsbohrung 20 wird mit Hilfe einer Radialdichtung 21 die Verbindung zwischen dem Speicherraum 9 und dem Arbeitsraum 8 unterbrochen. Bei der weiteren in Richtung des Pfeils P1 Hubbewegung des Tauchkolbens 18 taucht dieser weiter in den Arbeitsraum 8 ein, womit aufgrund des relativ kleinen Tauchkolbendurchmessers ein vergleichsweise hoher Arbeitsdruck im Arbeitsraum 8 erzeugt wird. Dieser Druck entspricht dem Übersetzungsverhältnis der Arbeitsflächen des Übersetzerkolbens 17 zum Tauchkolben 18, ausgehend von dem auf den Übersetzerkolben 17 wirkenden pneumatischen Druck. Auf diese Weise kann mit dem Arbeitskolben 3 eine hohe Kraft an der Kolbenstange 4 erzeugt werden.
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Für den Rückhub des Tauchkolbens 18 wird ein vergleichsweise abgebauter pneumatischer Druck im Antriebsraum 19 notwendig. Dadurch kann der Übersetzerkolben mit dem Tauchkolben 18 in die gemäß 1 dargestellte Ausgangslage zurück gebracht werden. Dabei wird aus dem Arbeitsraum 8 Hydraulikflüssigkeit in dem Speicherraum 9 aufgrund der Rückbewegung des Arbeitskolbens 3 verdrängt. Der Arbeitskolben 3 wird dabei ebenfalls angetrieben durch den Hilfskolben 5 bzw. einen geeigneten herrschenden pneumatischem Druck im Pneumatikraum 7 ebenfalls in die Ausgangslage gemäß 1 bewegt.
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Grundsätzlich kann die Anordnung an einer hydropneumatischen Vorrichtung zur Druckübersetzung mit baulich verbundenem Arbeits- und Übersetzerteil realisiert werden, wie dies 1 zeigt, als auch an Systemen, bei denen die beiden Funktionen baulich getrennt bzw. durch Hochdruckleitungen miteinander verbunden sind.
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Für die Rückstellung des Übersetzerkolbens 17 kann die notwendige Kraft durch einen in den Übersetzerkolben-Rückhubraum bzw. Pneumatikraum 15 eingeleiteten pneumatischen Druck realisiert werden. Dazu ist der Druckübersetzer mit einer Luftfeder bzw. einer LuftfederSteuerung versehen. Da für die Rückstellung des Übersetzerkolbens 17 nicht der volle pneumatische Betriebsdruck erforderlich ist, wird der pneumatische Druck im Pneumatikraum 15 bzw. ein sogenannter Luftfederdruck über z.B. einen Druckregler (nicht dargestellt) erfindungsgemäß reduziert. Dadurch kann der gesamte Luftverbrauch des Druckübersetzers 1 gegenüber bekannten Vorrichtungen drastisch reduziert werden.
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Für eine pneumatische Versorgung des Druckreglers wird vorteilhafterweise insbesondere kein zusätzlicher Pneumatikanschluss benötigt, da der Druckregler beispielsweise über eine ODER-Steuerung, gespeist aus Vor- und Rückhubanschluss pneumatisch versorgt wird.
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Prinzipiell kann je nach Ausführung der Steuerung der gleiche pneumatische bzw. Luftfederdruck wie im Übersetzerkolben-Rückhubraum bzw. Pneumatikraum 15 auch auf den Speicherkolben 10 wirken, wodurch ein Hydraulikspeicher bzw. die im Speicherraum 9 untergebrachte Hydraulikflüssigkeit unter reduzierter Vorspannung gehalten wird. Alternativ kann der Speicherkolben 10 auch mit vollem Betriebsdruck beaufschlagt und damit unter erhöhter Vorspannung gehalten werden.
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Die nicht gezeigte vorgeschlagene Pneumatik-Steuerung kann bei Beaufschlagung des Speicherkolbens 10 mit vergleichsweise reduziertem pneumatischen Druck bzw. Luftfederdruck das Nachströmen der Hydraulikflüssigkeit aus dem Speicherraum 9 in den Arbeitsraum 8 unterstützen. Dazu können die Druckbeaufschlagungsmittel (nicht gezeigt) bzw. kann die Pneumatik-Steuerung so gestaltet sein, dass der Speicherkolben 10 über eine entsprechende Ventilschaltung während des Eilhubs und des Krafthubs mit einem vergleichsweise hohen pneumatischem Druck bzw. einem maximalen Betriebsdruck beaufschlagt wird und damit unter erhöhter Vorspannung gehalten werden kann.
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Diese Umschaltung kann bei dauerhafter Beaufschlagung des Speicherkolbens 10 mit vollem Betriebsdruck entfallen.
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Auch kann beim erfindungsgemäßen Schaltungskonzept die Luftfederwirkung im Übersetzerkolben-Rückhubraum bzw. im Pneumatikraum 15 während des Krafthubs weggeschaltet werden. Dadurch kann die verfügbare Presskraft am Druckübersetzer 1 mit Luftfedersteuerung maximal genutzt werden.
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Damit lassen sich deutliche Krafthubsteigerungen gegenüber mechanischen Federkraftanordnungen als auch gegenüber Luftfederanordnungen ohne Luftfeder-Wegschaltung während des Krafthubes realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckübersetzer
- 2
- Gehäuse
- 3
- Arbeitskolben
- 4
- Kolbenstange
- 5
- Hilfskolben
- 6
- Pneumatikraum
- 7
- Pneumatikraum
- 8
- Arbeitsraum
- 9
- Speicherraum
- 10
- Speicherkolben
- 10a
- Ringnut
- 10b
- Ringnut
- 11
- Mantelrohr
- 12
- Steuerraum
- 13
- Gehäuseteil
- 14
- Trennwand
- 15
- Pneumatikraum
- 16
- Mantelrohr
- 17
- Übersetzerkolben
- 18
- Tauchkolben
- 19
- Antriebsraum
- 20
- Verbindungsbohrung
