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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Druckpulsen mit hoher Pulsfrequenz und hohem Schubvolumen zur Prüfung eines Prüfteils. Solche Vorrichtungen werden beispielsweise beim Prüfen der Druckwechselfestigkeit hydraulischer Komponenten, insbesondere bei Kraftstoffeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, benötigt. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Druckwechselfestigkeit hydraulischer Komponenten.
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Fluiddrücke in Einspritzanlagen von Verbrennungsmotoren wurden zur Verbesserung der Kraftstoffzerstäubung in der Vergangenheit immer wieder erhöht. Heute sind Drücke von bis zu 2.000 bar Stand der Technik und ein Ende der Entwicklung durch weitere Drucksteigerung ist derzeit nicht absehbar. Die Bauteile, welche diesen Drücken ausgesetzt sind, müssen auf ihre Druckfestigkeit hin getestet werden, auch in Stichproben einer laufenden Produktion. Hierzu wurden Anlagen entwickelt, die in Dauerbelastungstests mit hydraulischen Druckpulsen auf den Innenraum der Bauteile einwirken. Wünschenswert ist die Erzeugung von möglichst hochfrequenten Druckpulsen, um die Testzeiten kurz zu halten. Mit steigenden Drücken kommt die Kompressibilität von Fluiden immer mehr zum Tragen, was zur Folge hat, dass relevante Volumenströme in das Bauteil hinein und wieder heraus pulsieren. Aus den Bauteilvolumina und den immer höher gewünschten Pulsfrequenzen und Druckamplituden resultiert ein mittlerer Volumenstrom, welcher eine Antriebsleistung der Druckpulserzeuger im Bereich mehrerer hundert Kilowatt erfordert.
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Die Erzeugung von hohem Druck erfolgt im Stand der Technik unter anderem mittels hydraulischer Druckübersetzer, wie dies in der
DE 20 2011 109 048 U1 gezeigt ist. Diese können zwar Drücke bis weit über 10.000 bar erzeugen, erreichen jedoch keine hohen Frequenzen oder Volumenströme und sind beim Einsatz als Druckpulserzeuger aufgrund hydraulischer Verluste energetisch besonders ineffizient, auch weil sie während der Expansionsphase des Druckpulses keine Energie rückgewinnen können.
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Eine andere Variante der Druckpulserzeugung im Stand der Technik ist die Nutzung von linear oszillierenden Resonanzschwingsystemen, die energetisch sehr effizient sind und deutlich höhere Frequenzen zulassen, wie dies beispielsweise in der
DE 103 08 094 A1 gezeigt ist. Allerdings sind die möglichen Amplituden hierbei begrenzt, was bei voluminösen Bauteilen aufgrund der Kompressibilität der Fluide die erreichbaren Drücke beschränkt. Zudem ist der Betrieb derartiger Resonanzsysteme in Gebäuden nur begrenzt möglich, da sich die Schwingungen auf das Gebäude übertragen und hier zu gefährlichen Resonanzschwingungen der Gebäudestruktur führen können. Die Baustruktur der Systeme selbst ist notwendigerweise großräumig, unterliegt aber höchsten Belastungen und muss daher entsprechend aufwändig versteift werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung, die Verwendung einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Druckpulsen mit hoher Pulsfrequenz und hohem Schubvolumen zur Prüfung eines Prüfteils mittels eines Prüffluids, das hohe Frequenzen, große pulsierende Volumenströme bei gleichzeitig geringem energetischem Aufwand ermöglicht und möglichst geringe Schwingungsenergie nach außen abgibt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Ausgestaltung der Antriebsvorrichtungen als rotatorische Systeme ermöglicht die Verwendung größerer Hubamplituden und damit kleinerer druckbeaufschlagter Kolbenflächen. Dadurch und durch die Aufteilung der Druckerzeugung auf mindestens zwei Kolbenpumpen werden die strukturbelastenden Kräfte aus der Erzeugung der Druckpulse begrenzt. Die Begrenzung des Energieeinsatzes für die gesamte Vorrichtung wird durch die gezielte Nutzung von Resonanz erreicht, sowie durch die Rückführung von Energie aus dem komprimierten Fluid nach dem Apex des Druckpulses. Der Antrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt rein mechanisch und rotatorisch, um eine geringe Dämpfung der Resonanz durch Reibung zu erhalten. Die Begrenzung der Schwingungsanregung nach außen – zum Beispiel in das Gebäude –, sowie die kompakte Struktur der Anlage wird durch die Erzeugung torsionaler – anstatt der aus dem Stand der Technik bekannten linear-oszillierenden – Resonanzschwingungen zwischen den Schwungrädern der Kolbenpumpen und den an diese jeweils elastisch gekoppelte Resonanz-Schwungräder mit derselben, stetigen Drehrichtung, jedoch zyklisch variierender Winkelgeschwindigkeit erreicht. Es ist dies somit kein hin- und herdrehendes, in Resonanz befindliches Unruhpendel. Die Reaktionskräfte auf die Resonanzschwingungen müssen sich somit nichtmehr im Maschinenfundament und damit auch im Gebäude abstützen, sondern werden über die elastische Koppelung der Schwungräder nur noch zwischen deren Trägheitsmomenten ausgetauscht. Mittels des Phasenverschiebungsmotors besteht die Möglichkeit, eine Phasenverschiebung der Antriebsvorrichtungen der Kolbenpumpen zueinander einzustellen und diese zu variieren. Dadurch kann das System für ein breites Spektrum von Prüfteilvolumina auf Erzielung von Resonanz und höchster Druckamplituden bei hohen Frequenzen abgestimmt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem gemeinsamen Antriebsmotor und der ersten Antriebsvorrichtung ein erstes Kegelradgetriebe und/oder zwischen dem Antriebsmotor und der zweiten Antriebsvorrichtung ein zweites Kegelradgetriebe angeordnet ist. Dadurch können die beiden Antriebsvorrichtungen in einer parallelen Ausrichtung zueinander oder – falls gewünscht – in einem beliebigen Winkel zueinander gebracht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Phasenverschiebungsmotor über ein Planetengetriebe oder ein Zykloidgetriebe, die insbesondere hoch übersetzt und/oder in eine Richtung selbsthemmend sind, mit der ersten Antriebsvorrichtung im Bereich des ersten Kegelradgetriebes verbunden ist. Dadurch kann in einfacher Weise der Phasenverschiebungsmotor mit der ersten Antriebsvorrichtung verbunden werden, so dass er seine Kraft effektiv und effizient auf die erste Antriebsvorrichtung übertragen kann. Er ist kein weiterer Antriebsmotor, sondern dient lediglich der Phasenverschiebung durch das Planeten- oder Zykloidgetriebe und trägt nichts zum Antrieb der Kolbenpumpen bei. Er läuft zwar mit gleicher Drehzahl wie die erste Antriebswelle mit, verschiebt aber die Phase wenn er vorübergehend schneller oder langsamer als diese läuft.
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Diese Aufgabe wird alternativ auch durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Der Unterschied der Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 4 zu der oben gemäß Anspruch 1 aufgeführten besteht darin, dass anstatt eines gemeinsamen Antriebsmotors für die Antriebsvorrichtungen in Verbindung mit einem Phasenverschiebungsmotor zwei separate Antriebsmotoren für die Antriebsvorrichtungen verwendet werden. Um dieselben Effekte und Vorteile wie oben zu Anspruch 1 beschrieben zu erhalten, sind der erste Antriebsmotor und der zweite Antriebsmotor derart elektronisch miteinander gekoppelt, dass deren Phasenwinkel zueinander variierbar ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Antriebsvorrichtung und/oder die zweite Antriebvorrichtung als Schubkurbelgetriebe, Kurbelschleifentrieb oder Nocken mit Stößeln ausgebildet ist. Diese Ausgestaltungen lassen eine einfache und robuste sowie sicher arbeitende Verwirklichung der Antriebsvorrichtungen zu.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Antriebsvorrichtung eine erste Antriebswelle und die zweite Antriebsvorrichtung eine zweite Antriebswelle aufweisen, die parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei diese bevorzugt gegenläufige Drehrichtungen aufweisen. Durch die parallele Ausrichtung der beiden Antriebswellen zueinander wird Bauraum eingespart. Durch die gegenläufige Drehrichtung heben sich die Kräfte der Vorrichtung nach außen im Wesentlichen gegeneinander auf.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Resonanz-Schwungrad und das zweite Resonanz-Schwungrad Zusatzgewichte aufweisen, die in ihrem Abstand zur Drehachse des jeweiligen Resonanz-Schwungrades veränderbar sind. Dadurch wird die Einregelung der Resonanzfrequenz aufgrund der mit der Veränderung des Abstandes der Zusatzgewichte zur Drehachse einhergehenden Änderung des Trägheitsmoments – zusätzlich zur Variation der Drehfrequenz – ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der gemeinsame Antriebsmotor und/oder der erste Antriebsmotor und/oder der zweite Antriebsmotor und/oder der Phasenverschiebungsmotor ein Elektromotor ist. Solche Motoren sind äußerst effizient und gut zu bedienen, so dass eine einfache und sichere Regelung der Drehfrequenzen der Antriebsvorrichtungen erreicht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der gemeinsame Antriebsmotor und/oder der zweite Antriebsmotor einen Freilauf aufweist. Dadurch wird Energie aus der Expansionsphase der Druckpulse besonders effizient in das Schwungrad beziehungsweise die Schwungräder zurückgeführt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Schwungrad zusammen mit dem zweiten Schwungrad als ein gemeinsames Schwungrad ausgebildet ist und mit einem aus dem ersten Resonanz-Schwungrad und dem zweiten Resonanz-Schwungrad gebildeten gemeinsamen Resonanz-Schwungrad elastisch gekoppelt ist. Dadurch wird ein Bauteil eingespart und der Bauraum der Vorrichtung verkleinert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem ersten Arbeitsraum und dem Prüfteilanschluss und/oder dem zweiten Arbeitsraum und dem Prüfteilanschluss ein Vorratsbehälteranschluss angeordnet ist, der über eine Leitung mit einem Vorratsbehälter für das Prüffluid verbunden ist, wobei bevorzugt innerhalb der Leitung eine Hydraulikpumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe, angeordnet ist. Dadurch wird eine Vereinfachung beim Befüllen eines Prüfteils und beim Vorspannen der Vorrichtung auf den mittleren Pulsationsdruck erreicht. Als Hydraulikpumpe wird bevorzugt eine Hochdruckpumpe, beispielsweise ein Druckübersetzer, verwendet. Aus dem Vorratsbehälter kann dann in sehr einfacher Weise das Prüffluid entnommen und auch etwaige Leckagen im Betrieb ausgeglichen werden.
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Die Aufgabe wird auch durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung der Druckwechselfestigkeit von Prüfteilen, insbesondere hydraulischer Komponenten, beispielsweise bei Kraftstoffeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, gelöst.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Durch den Betrieb der beiden Kolbenpumpen am Anfang der Prüfung mit einem Phasenwinkel von 180° zueinander laufen die Kolben so, dass das addierte Volumen der beiden Arbeitsräume, in denen sich Prüffluid befindet, nahezu konstant sind. Dadurch wird ein leichter Start der Vorrichtung ermöglicht, was noch durch die Verwendung von mindestens zweier Kolbenpumpen konstanten Hubes mit rotatorischem Antrieb unterstützt wird. Man erhält damit am Start der Prüfung Druckamplituden von nahezu null. Durch die Veränderung des Phasenwinkels zwischen den beiden Kolbenpumpen bis der Phasenwinkel 0° beträgt, erhält man eine maximale Druckschwankung, da die größte Veränderung des addierten Volumens der beiden Arbeitsräume, in denen sich Prüffluid befindet, erzielt wird. Alternativ zur Einstellung des Phasenwinkels von 0° kann auch ein vorgebbarer Wert zwischen 0° und 180° eingestellt werden, bei dem eine gewünschte Druckamplitude erzeugt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch die Druckamplitude im Betrieb durch ein Regelsystem konstant gehalten werden, welches auf die Phasenlage der Pumpenplunger wirkt. Aufgrund der Möglichkeit der Phasenverschiebung der Pumpenantriebe zueinander kann ein breites Spektrum von Druckamplituden und damit Volumina von Prüfteilen abgedeckt werden und es kann eine Abstimmung zur Erzielung von Resonanz und höchster Druckamplituden bei hohen Frequenzen erfolgen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der vorgebbare Phasenwinkel während des Dauerbetriebs variiert wird. Dadurch ist es möglich, das Prüfteil auch unter Druckschwankungen zu prüfen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch Nachregelung des Phasenwinkels im Betrieb die durch innere oder äußere Einflüsse veränderte Druckamplitude konstant gehalten wird. Dadurch können zum Beispiel Temperatur- oder sonstige Einflüsse, die die Druckamplitude verändern würden, ausgeglichen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass nach der Einstellung des vorgebbaren Phasenwinkels eine Einregelung der Drehfrequenz und des Trägheitsmoments des gemeinsamen Schwungrades beziehungsweise der Trägheitsmomente des ersten Resonanz-Schwungrades und des zweiten Resonanz-Schwungrades so erfolgt, dass der Betrieb der Vorrichtung dann an dem Punkt der niedrigsten Antriebsleistung erfolgt. Dadurch kann die Vorrichtung besonders energiesparend betrieben werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines bevorzugten, in den Figuren beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Plungerpumpen, die einen gemeinsamen Antriebsmotor aufweisen, und
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2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs der 1, in dem der Phasenverschiebungsmotor angebracht ist.
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1 zeigt eine stark abstrahierte und vereinfachte Darstellung einer prinzipiellen Anordnung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann und das für die Prüfung eines Prüfteils in Form einer hydraulischen Komponente mit einem Prüffluid mittels Druckpulsen mit hoher Pulsfrequenz und hohem Schubvolumen verwendet werden kann. In 2 ist der rechte untere Teil der 1 im Bereich eines Phasenverschiebungsmotors 3 dargestellt.
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Es wird zuerst der Aufbau der Vorrichtung beschrieben und im Anschluss daran deren Funktionsweise. Bei der Beschreibung der Vorrichtung wird zuerst nur auf den rechten Teil mit einer ersten Antriebsvorrichtung 5 eingegangen, bevor dann kurz auf eine in weiten Teilen hiermit übereinstimmende zweite Antriebsvorrichtung 5' auf der linken Seite der 1 eingegangen wird.
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Ein gemeinsamer Antriebsmotor 1 treibt über einen ersten Hauptantrieb 1a ein erstes Kegelradgetriebe 2 an. Dabei erfolgt eine Umlenkung um 90°. Auf der Abtriebsseite befindet sich ein erstes Antriebsrad 2a für den Antrieb einer ersten Antriebswelle 5a – in der Form einer Kurbelwelle – der ersten Antriebsvorrichtung 5. Das erstes Antriebsrad 2a ist auf der ersten Antriebswelle 5a gelagert, nicht aber mit dieser verbunden – und damit relativ zu dieser drehbar.
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Das erste Antriebsrad 2a ist mit einem Planetengetriebe 4 – das ein Sonnenrad 4a, einen Planetenrad-Träger 4b, ein Planetenrad 4c und ein Planetengetriebe-Hohlrad 4d aufweist – fest über dessen Planetengetriebe-Hohlrad 4d verbunden. Das Sonnenrad 4a wird von dem Phasenverschiebungsmotor 3 angetrieben; dieser Antrieb liegt auf der durch die erste Antriebswelle 5a definierten ersten Drehachse 8a.
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An dem dem ersten Antriebsrad 2a abgewandten Ende der ersten Antriebswelle 5a ist eine erstes Schwungrad 6 angebracht. Beabstandet zum ersten Schwungrad 6 ist ebenfalls auf der ersten Drehachse 8a ein erstes Resonanz-Schwungrad 8 angeordnet. Das erste Resonanz-Schwungrad 8 ist mit dem ersten Schwungrad 6 durch eine sich ebenfalls entlang der ersten Drehachse 8a erstreckende erste Torsionsvorrichtung 7 – im Ausführungsbeispiel in der Form eines Torsionsfederstabs – verbunden. An dem ersten Resonanz-Schwungrad 8 sind zwei erste Zusatzgewichte 9a, 9b so angebracht, dass sie entlang eines Durchmessers des ersten Resonanz-Schwungrads 8 bewegt werden können und an unterschiedlich weit von der ersten Drehachse 8a entfernten Punkten an dem ersten Resonanz-Schwungrad 8 festgelegt werden können.
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An der ersten Antriebswelle 5 ist ein erster Schubkurbeltrieb 5b angeordnet, der mit einem ersten Pleuel 10c einer ersten Kolbenpumpe 10 – die im Ausführungsbeispiel als Plungerpumpe ausgeführt ist – verbunden ist. Das erste Pleuel 10c ist mit einem ersten Plunger 10b verbunden, der in einem ersten Plunger-Zylinder 10a hin und her läuft und somit zwischen seinen beiden Totpunkten einen ersten Arbeitsraum definiert.
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Spiegelverkehrt zu der ersten Antriebsvorrichtung 5 ist eine zweite Antriebsvorrichtung 5' angeordnet. Die Bezugszeichen der zweiten Antriebsvorrichtung 5' mit allen zu ihrem Antrieb nötigen und durch diese bewegten beziehungsweise mit dieser verbundenen Teile sind jeweils wie die gleichen Teile der oben beschriebenen ersten Antriebsvorrichtung 5 bezeichnet und mit einem Strich versehen. Im Folgenden wird deshalb nur kurz auf diese Teile eingegangen und auf die beiden wesentlichen Unterschiede zur ersten Antriebsvorrichtung 5 näher eingegangen.
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Der gemeinsame Antriebsmotor 1 treibt einen ersten Hauptantrieb 1a' an, der über ein zweites Kegelradgetriebe 2' die Kraft um 90° umlenkt und über ein zweites Antriebsrad 2a' eine zweite Antriebswelle 5a' – die im Ausführungsbeispiel ebenfalls als eine Kurbelwelle ausgebildet – der zweiten Antriebsvorrichtung 5' antreibt. Abweichend von der Ausgestaltung des ersten Kegelradgetriebes 2 fehlt beim zweiten Kegelradgetriebe 2' ein Planetengetriebe 4 samt zugehörendem Phasenverschiebungsmotor 3.
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An dem Ende der zweiten Antriebswelle 5a', die dem zweiten Kegelradgetriebe 2' abgewandt ist, ist ein zweites Schwungrad 6' angebracht. Dieses ist über eine zweite Torsionsvorrichtung 7' mit einem zweiten Resonanz-Schwungrad 8' verbunden, die sich beide entlang der zweiten Drehachse 8a' der zweiten Antriebswelle 5a' erstrecken. An dem zweiten Resonanz-Schwungrad 8' sind zwei zweite Zusatzgewichte 9a', 9b'; diese können entsprechend der Ausführung der ersten Zusatzgewichte 9a, 9b am ersten Resonanz-Schwungrad 8, auch bezüglich der zweiten Drehachse 8a bewegt werden.
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Über einen zweiten Schubkurbeltrieb 5a', der an der zweiten Antriebsvorrichtung 5' angeordnet ist, wird ein zweite Kolbenpumpe 10' über ein zweites Pleuel 10c' bedient. Ein mit dem zweiten Pleuel 10c' verbundener zweiter Plunger 10b' bewegt sich in einem zweiten Plunger-Zylinder 10a' und definiert über seine beiden Totpunkte einen zweiten Arbeitsraum.
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Der erste Arbeitsraum und der zweite Arbeitsraum sind im Bereich der oberen Totpunkte der beiden Plunger 10b, 10b' miteinander verbunden. Aus der jeweiligen Stellung der beiden Plunger 10b, 10b' ergibt sich zu jedem Zeitpunkt ein addiertes Volumen 11 der beiden Arbeitsräume. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass sich die beiden Plunger 10b, 10b' entlang derselben Achse bewegen; sie können auch zu einem Winkel zueinander angeordnet sein, dann wird der Bauraum der gesamten Vorrichtung verkleinert. Es können auch mehr als zwei Antriebsvorrichtungen 5, 5' mit jeweils zugeordneten Plungern 10b, 10b' verwendet werden.
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Im Bereich zwischen den beiden Arbeitsräumen – mit geringem Abstand zu diesen – ist ein Prüfteilanschluss 12 zum Anbringen eines Prüfteils 13 vorhanden. Das gesamte addierte Volumen 11 der Arbeitsräume sowie der Raum zwischen diesen und dem Prüfteilanschluss 12 ist mit einem Prüffluid 14 gefüllt – falls das Prüfteil 13 – wie im Ausführungsbeispiel dargestellt – ein Volumen, das mit dem Prüfteilanschluss 12 verbunden ist, aufweist, so ist dieses Volumen mit dem Prüffluid 14 gefüllt. Als Prüffluid kommen beispielsweise Hydrauliköle oder auch Kraftstoffe und andere, dem Fachmann bekannte Fluide zur Prüfung der Druckwechselfestigkeit hydraulischer Komponenten in Frage.
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Zwischen den beiden Arbeitsräumen und dem Prüfteilanschluss 12 ist ein Vorratsbehälteranschluss 18 ausgebildet. Von diesem geht eine Leitung 17 über eine Hydraulikpumpe 16 – im Ausführungsbeispiel eine Hochdruckpumpe – zu einem Vorratsbehälter 15, der – wie die gesamte Leitung 17 mit Prüffluid 14 gefüllt ist. Zum Befüllen von Prüfteilen 13 und der Arbeitsräume der beiden Kolbenpumpen 10, 10', sowie zum Vorspannen der Anlage auf den mittleren Pulsationsdruck wird vorteilhafterweise die Hydraulikpumpe 16 aus dem Stand der Technik, z. B. ein Druckübersetzer, verwendet. Diese entnimmt die hydraulische Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 15 und gleicht damit auch etwaige Leckagen im Betrieb aus.
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Die beiden Drehachsen 8a, 8a' liegen im Ausführungsbeispiel – dies ist bevorzugt aber nicht zwingend – parallel zueinander. Die beiden Motoren 1, 3 sind bevorzugt – ohne dass dies zwingend ist – als Elektromotoren ausgebildet.
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Die in den Figuren dargestellten Lagerungen werden hier nicht näher beschrieben, da sie dem Fachmann bekannt und nicht erfindungswesentlich sind.
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Im Folgenden wird die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorrichtung zuerst im Allgemeinen beschrieben und zum Schluss das erfindungsgemäße Verfahren bei der Prüfung der Druckwechselfestigkeit hydraulischer Komponenten beschrieben.
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Die beiden Antriebswellen 5a. 5a' werden über die beiden Kegelradgetriebe 2, 2' so angetrieben, dass sie um parallele Drehachsen 8a, 8a' rotieren, wobei die Rotationsrichtungen Z, Z' entgegengesetzt zueinander sind. Durch die torsionale Anbindung der beiden Resonanz-Schwungräder 8, 8' an die beiden Antriebsvorrichtungen 5, 5' liegt ein Resonanzschwingsystem vor. Es werden aber nicht nur die Vorteile der Resonanzschwingsysteme – nämlich hohe Frequenzen und hohe Volumenströme bei energetischer Effizienz – erzielt, sondern gleichzeitig auch hohe Drücke erzeugt.
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Die Erzielung von Resonanzen wird aber nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt durch lineare Bewegungen erreicht, sondern durch Rotation der Antriebsvorrichtungen 5, 5'. Die strukturbelastenden Kräfte aus der Erzeugung der Druckpulse werden durch die bei rotatorischen Systemen mögliche Verwendung größerer Hubamplituden und damit möglicher kleinerer druckbeaufschlagter Kolbenflächen begrenzt. Dies wird noch verstärkt durch die Aufteilung der Druckerzeugung auf mindestens zwei Plunger 10b, 10b'.
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Die Begrenzung des Energieeinsatzes für das System wird durch die gezielte Nutzung von Resonanz erreicht, sowie durch die Rückführung von Energie aus dem komprimierten Prüffluid 14 nach dem Apex des Druckpulses. Der Antrieb der Plunger 10b, 10b' erfolgt rein mechanisch, rotatorisch, um eine möglichst geringe Dämpfung der Resonanz durch Reibung zu erzielen. Die Einregelung der Resonanzfrequenz wird zusätzlich zur Möglichkeit der Variation der Drehfrequenz durch im Betrieb radial verschiebbare Massen, die Zusatzgewichte 9a, 9b, 9a', 9b' auf den Resonanz-Schwungrädern 8, 8' ermöglicht. Dadurch wird das gesamte Trägheitsmoment der Resonanz-Schwungräder 8, 8' verändert und somit auch die Resonanzfrequenz der gesamten Vorrichtung. Durch eine Anordnung der Zusatzgewichte auf einem gemeinsamen Durchmesser des jeweiligen Resonanz-Schwungrades 8, 8' werden Unwuchten vermieden, die zu Schwingungen der Vorrichtung mit Übertragung auf das Gebäude, sowie einer höheren Belastung der Vorrichtung – insbesondere deren Lager – führen würden.
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Die Vorrichtung weist die Möglichkeit auf, eine Phasenverschiebung der beiden Pumpenantriebe zueinander und eine Variation der Trägheitsmomente der Resonanz-Schwungräder 8, 8' vorzunehmen, somit kann das System für ein breites Spektrum von Prüfteilevolumina auf Erzielung von Resonanz und höchster Druckamplituden bei hohen Frequenzen abgestimmt werden. Des Weiteren kann die Druckamplitude im Betrieb durch ein Regelsystem konstant gehalten werden, das auf den Phasenwinkel der Plunger 10b, 10b' wirkt.
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Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Plungern 10b, 10b' wird durch den Phasenverschiebungsmotor 3 samt Planetengetriebe 4 auf der Seite der ersten Antriebsvorrichtung 5 erreicht. Dies geschieht durch aufbringen eines zusätzlichen Drehmoments durch den Phasenverschiebungsmotor 3 auf das Sonnenrad 4a und somit auf die Winkelstellung der ersten Antriebswelle 5a zu ihrem Antriebsrad 2a. Dies führt zu einer Änderung des Phasenwinkels zwischen den beiden Antriebswellen 5, 5a'. Da dieses Vorgehen dem Fachmann prinzipiell bekannt ist, wird darauf nicht näher eingegangen. Für die Erfindung wichtig ist nur, dass diese Phasenverschiebung zwischen den beiden Plungern 10b, 10b' erfolgt. Im Ausführungsbeispiel ist dies stufenlos möglich, wobei der Phasenwinkel zwischen den beiden Plungern 10b, 10b' von 0° bis 360° einstellbar ist – zwingend nötig ist allerdings nur eine Einstellmöglichkeit bis 180°.
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Die Prüfung des Prüfteils 13 erfolgt wie nachstehend beschrieben:
Zuerst wird das Prüfteil 13 an den Prüfteilanschluss 12 angeschlossen (diese Aktion ist dem Fachmann bekannt). Die beiden Plunger 10b, 10b' sind in ihrer Phasenlage so zueinander ausgerichtet, dass sie einen Phasenwinkel von 180° zueinander aufweisen (dies ist in 1 dargestellt). Dies bedeutet, dass sich der erste Plunger 10b in seinem unteren Totpunkt und der zweite Plunger 10b' in seinem oberen Totpunkt befindet; oder die beiden Plunger befinden sich in entsprechenden Zwischenpositionen, wobei das addierte Volumen der beiden Arbeitsräume der beiden Kolbenpumpen 10, 10' konstant ist und dem maximalen Arbeitsraum einer der Kolbenpumpen 10, 10' entspricht – ein zusätzliches Volumen zwischen den beiden oberen Totpunkten der beiden Plunger 10b, 10b' wird außer Acht gelassen.
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Danach wird das gesamte Volumen in den beiden Kolbenpumpen 10, 10', zwischen den Plungern 10b, 10b', das zusätzliche Volumen bis zum Prüfteileanschluss 12 und das Volumen im Prüfteil 13 mit Prüffluid 14 aufgefüllt.
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Während des Anlaufvorgangs bewegen sich die beiden Plunger 10, 10' mit der selben Geschwindigkeit immer so, dass das addierte Volumen 11 der Arbeitsräume konstant bleibt. Dadurch kann die für Resonanzschwingung erforderliche Drehfrequenz mit möglichst geringer Energie aufgebaut werden. Nachdem dies erreicht ist, wird der Phasenwinkel zwischen den zwei Plungern 10b, 10b' langsam stufenlos verändert, bis dieser 0° beträgt. Dann ist die maximal mögliche Änderung des addierten Volumens 11 während einer Umdrehung jeder Antriebswelle 5a, 5a' erreicht: Wenn sich beide Plunger 10b, 10b' in ihrem jeweiligen unteren Totpunkt befinden, ist das addierte Volumen 11 der Arbeitsräume maximal, in den oberen Totpunkten hingegen minimal. Im zweiten Fall ist dieses beinahe null. Somit erhält man sehr hohe Druckpulse und große Volumenströme zur Prüfung des angeschlossenen Prüfteils 13. Bei 0° Phasenunterschied oder einem Phasenunterschied welcher der gewünschten Pulsamplitude entspricht, wird dann der Dauerbetrieb der Vorrichtung vorgenommen und die Prüfung mit hoher Frequenz und im Resonanzpunkt der elastisch gekoppelten Resonanz-Schwungräder 8, 8' in Kombination mit den Schwungrädern 6, 6' durchgeführt.
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Die Begrenzung der Schwingungsanregung nach außen (z. B. in ein Gebäude, in dem die Vorrichtung steht), sowie die kompakte Struktur der Vorrichtung wird durch die Erzeugung von torsionalen (anstatt linear oszillierenden) Resonanzschwingungen der beiden Schwungräder 6, 6' der beiden Kolbenpumpen 10, 10' zwischen an diese jeweils elastisch gekoppelte Resonanz-Schwungräder 8, 8' mit gegenläufig stetigen Drehrichtungen Z, Z', – gleichlaufende Drehrichtungen wären auch möglich, aufgrund der Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels mit Kegelradgetrieben 2, 2' jedoch nur durch konstruktiven Mehraufwand realisierbar – jedoch zyklisch variierender Winkelgeschwindigkeit erreicht. Dadurch entfällt eine nach dem Stand der Technik nötige linear hin- und herschwingende Masse zur Resonanzerzeugung. Die Reaktionskräfte auf die Resonanzschwingungen müssen sich somit nicht mehr im Maschinenfundament und damit auch im Gebäude abstützen, sondern werden über die elastische Koppelung der beiden Resonanz-Schwungräder 8, 8' in Verbindung mit den beiden Schwungrädern 6, 6' nur noch zwischen deren Trägheitsmomenten ausgetauscht.
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In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung nach dem Anspruch 1 dargestellt. Die in Anspruch 4 ausgeführte alternative Ausgestaltung ergibt sich aus der obigen Erläuterung zu Anspruch 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- gemeinsamer Antriebsmotor
- 1a
- erster Hauptantrieb
- 1a'
- zweiter Hauptantrieb
- 2
- erstes Kegelradgetriebe
- 2'
- zweites Kegelradgetriebe
- 2a
- erstes Antriebsrad
- 2a'
- zweites Antriebsrad
- 3
- Phasenverschiebungsmotor
- 4
- Planetengetriebe
- 4a
- Sonnenrad
- 4b
- Planetenrad-Träger
- 4c
- Planetenrad
- 4d
- Planetengetriebe-Hohlrad
- 5
- erste Antriebsvorrichtung
- 5'
- zweite Antriebsvorrichtung
- 5a
- erste Antriebswelle
- 5a'
- zweite Antriebswelle
- 5b
- erster Schubkurbeltrieb
- 5b'
- zweiter Schubkurbeltrieb
- 6
- erstes Schwungrad
- 6'
- zweites Schwungrad
- 7
- erste Torsionsvorrichtung
- 7'
- zweite Torsionsvorrichtung
- 8
- erstes Resonanz-Schwungrad
- 8'
- zweites Resonanz-Schwungrad
- 8a
- erste Drehachse
- 8a'
- zweite Drehachse
- 9a, 9b
- erste Zusatzgewichte
- 9a', 9b'
- zweite Zusatzgewichte
- 10
- erste Kolbenpumpe
- 10'
- zweite Kolbenpumpe
- 10a
- erster Plunger-Zylinder
- 10a'
- zweiter Plunger-Zylinder
- 10b
- erster Plunger
- 10b'
- zweiter Plunger
- 10c
- erstes Pleuel
- 10c'
- zweites Pleuel
- 11
- addiertes Volumen der Arbeitsräume
- 12
- Prüfteilanschluss
- 13
- Prüfteil
- 14
- Prüffluid
- 15
- Vorratsbehälter
- 16
- Hydraulikpumpe
- 17
- Leitung
- 18
- Vorratsbehälteranschluss
- Z, Z'
- Drehrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011109048 U1 [0003]
- DE 10308094 A1 [0004]
