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Die Erfindung betrifft zum Einen eine Verwendung eines Zylinders zum Vibrationsantreiben. Zum Anderen betrifft die Erfindung eine Fluidschaltung zum Vibrationsantreiben umfassend einen Zylinder. Zum Nächsten betrifft die Erfindung ein Ansteuerverfahren für einen vibrationsantreibbaren Zylinder.
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Im Gleisbau werden Gleisbetten aus Schotter oder dergleichen zur Unterlage von Schwellen verwendet. Zur Herstellung und/oder zur Wiederaufbereitung wird der Schotter unter die Schwellen gedrückt („gestopft“), und werden somit die Gleise gehoben. Dabei werden Stopfaggregate verwendet, welche mit einem Stopfwerkzeug, wie einen Stopfpickel, oder einem Stopfwerkzeugpaar in den Schotter einstechen, und welche dann mit einer beispielsweise schwenkenden Bewegung („Beistellen“ bzw. „Zustellen“ bzw. „Einschwenken“) den Schotter unter die jeweilige Schwelle schieben. Ein Vibrieren bzw. Schwingen bzw. Oszillierendes Werkzeugs ist dabei von doppeltem Nutzen, um einerseits ein Eindringen des Werkzeugs in den Schotter zu erleichtern, und andererseits eine verfestigende Verdichtung des Schotters zu erreichen. Ein Vibrationsantrieb, wie ein fluidischer Vibrationsantrieb, dient dabei zum Antreiben zumindest eines Stopfwerkzeugs.
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Die
WO 2014 / 127393 A1 nennt als Stand der Technik, für Stopfwerkzeuge einen Hydraulikzylinder für eine Zustellbewegung und einen Hydraulikzylinder für eine Vibrationsbewegung mechanisch in Reihe zu schalten, wobei daran neben einem hohen Wartungsaufwand auch nachteilig sei, dass eine Amplitudengröße nicht frei einstellbar sei.
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Dieselbe
WO 2014/127393 A1 offenbart gattungsbildend, einen einzelnen Hydraulikzylinder, wie einen Differentialzylinder, mit einem Wegsensor zum Bestimmen der Hydraulikzylinderstellung vorzusehen, wobei der Hydraulikzylinder wegsensorsignalabhängig als Beistellantrieb und als Schwingungsantrieb angesteuert wird, wobei zur Betätigung bevorzugt zumindest ein Servo- oder Proportionalventil vorgesehen wird.
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Diese Konstruktion führt zu hohen Anforderungen an das Regelventil: Beispielsweise bei einem Vibrieren eines Differentialzylinders ist zum Erreichen gleicher Kräfte an beiden Kolbenseiten eine betragsmäßig größere Ventilauslenkung zum Druckbeaufschlagen der Kolbenstangenseite notwendig. Beispielsweise bei gleichzeitigem Vibrieren und überlagerten Kolbenausfahren ist eine fluidmengenmäßig größere Ventilöffnung zum Fluidversorgen der stangenabgewandten Kolbenseite notwendig. Mithin hat die vorstehende Konstruktion nachteilhaft einen Zielkonflikt bzw. eine regelungsseitige Ungleichheit zur Folge.
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Die genannte Konstruktion führt weiters zu einem schlechten Wirkungsgrad. Fluide sind kompressibel. Neben den als „kompressiblen Fluiden“ angesehenen Gasen weisen auch die als „inkompressible Fluide“ bezeichneten Flüssigkeiten eine Elastizität auf; beispielsweise kann man für Mineralöle einen Kompressibilitätsfaktor von 0,7% bis 0,8% pro 100bar annehmen. Hieraus folgt für die vorstehende Konstruktion mit einem einzelnen Hydraulikzylinder in Differentialzylinderbauweise, dass zum Erzeugen der Vibration das gesamte Fluidvolumen in der jeweiligen Zylinderkammer, also das Volumen für die Kolbenausfahrbewegung zusätzlich zu dem Vibrationsvolumen, je Vibrationszyklus einmal unter Energieeinsatz komprimiert (und entspannt) werden muss.
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Die
WO 2016 / 054667 A1 offenbart eine Gleisstopfmaschine mit zwei voneinander unabhängig quer verlagerbaren Stopfaggregaten, welche Beistellzylinder zum Schwenken von Stopfarmen zum Verdichten von Schotter tragen.
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Die
EP 2 902 546 A1 offenbart eine Schotterbettungsverdichtungsvorrichtung, welche an einem Maschinenrahmen ein Stabilisationsaggregat vorsieht, das zum Umgreifen eines Schienenkopfes ausgestattet ist. Durch ein Schwingen des Stabilisationsaggregats mittels eines hydraulischen Zylindervibrators wird ein horizontales Schwingen des Gleises erreicht, was zu einer Setzung des Gleises auf dem Schotterbett führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsantrieb mit einem hohen Wirkungsgrad zu schaffen. Aspekte der Serienfertigung und/oder Aspekte des produktiven Einsatzes, wie eine Herstellbarkeit mit geringem Aufwand, eine Wartbarkeit mit geringem Aufwand und/oder ein geringer Bauraumbedarf, können mit Vorteil Berücksichtigung finden.
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Bezüglich der Verwendung eines Zylinders zum Vibrationsantreiben wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bezüglich der Fluidschaltung zum Vibrationsantreiben wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Bezüglich des Ansteuerverfahrens zum Vibrationsantreiben wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Auch wenn nachstehend einzelne Merkmale beispielsweise redundanzvermeidend nur für die erfindungsgemäße Verwendung, die erfindungsgemäße Fluidschaltung oder das erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren beschrieben sein sollten, sind diese Merkmale dennoch übertragbar.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verwenden eines Mehrflächenzylinders als einen kombinierten Zustellantrieb und Vibrationsantrieb, beispielswiese zum Antreiben eines Stopfpickels, ist vorteilhaft jeder Funktion (wie Zustellbewegung, Vibration in erste Richtung, Vibration in Gegenrichtung und dergleichen) eine Fluidkammer zuordenbar, sodass jede Funktion optimiert, wie wirkungsgradoptimiert, entworfen und/oder angesteuert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass in einen Mehrflächenzylinder als eine einzelne Baugruppe mehrere Funktionen integrierbar sind, sodass einerseits ein Montageaufwand bei der Herstellung und bei der Wartung reduziert werden kann, und andererseits Bauraum gespart bzw. für andere Funktionen, wie eine größere Kolbenfläche und/oder einen längeren Kolbenausfahrweg, verwendet werden kann. Handelt es sich um einen kolbenausfahrenden Zustellantrieb, kann eine hohe Ausfahrkraft erreicht werden.
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Unter einem Mehrflächenzylinder kann ein Fluidzylinder verstanden werden, an dessen Kolben zumindest drei fluidisch wirksame Kolbenflächen vorhanden sind. Die Kolbenflächen können beispielsweise über nicht miteinander fluidisch kommunizierende Zylinderkammern bzw. Fluidkammern druckbeaufschlagbar sein.
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Weiterbildend wird vorgeschlagen, einen Eilgangzylinder als Mehrflächenzylinder zu verwenden. Ein Eilgangzylinder kann beschrieben werden, als dass dieser zumindest eine Kolbenstangen-seitige Ringkolbenfläche, eine entgegen gerichtete bzw. Kolbenstangen-abgewandte Ringkolbenfläche und eine Kolbenstangen-abgewandte Kreiskolbenfläche aufweist, wobei die stangenabgewandten Kolbenflächen baulich getrennt nicht fluidisch kommunizieren.
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Ebenfalls weiterbildend wird vorgeschlagen, einen Tandemzylinder als Mehrflächenzylinder zu verwenden. Ein Tandemzylinder kann beschrieben werden als ein Fluidzylinder, an dessen Kolbenstange in Längsrichtung versetzt zumindest zwei Kolbenböden angeordnet sind, wobei zwei zueinander weisende und hintereinander angeordnete Kolbenflächen baulich getrennt nicht fluidisch kommunizieren.
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Ein bevorzugtes Fluid ist eine Hydraulikflüssigkeit wegen der höheren erreichbaren Drücke, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit für mobile Anwendung wegen der biologischen Abbaubarkeit.
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Weiterbildend wird die Verwendung eines Mehrflächenzylinders vorgeschlagen, wobei dem Zustellantrieb und dem Vibrationsantrieb in Zustellrichtung jeweils zumindest eine Kolbenfläche zugeordnet ist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein anzutreibender Stopfpickel konstruktiv einfach mit hoher Kraft in ein Schotterbett eingetrieben werden. Vorzugsweise sind diese zumindest zwei Kolbenflächen fluidisch separat. Zwei fluidisch separate Kolbenflächen sind, auch hydrostatisch, und vorzugsweise über den gesamten Kolbenhub, mit unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagbar, sie sind nicht fluidisch kommunizierend.
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Vorgeschlagen wird auch eine Verwendung eines Mehrflächenzylinders wie vorstehend, wobei dem Vibrationsantrieb ein vibrierbares Ventil zugeordnet ist, sodass durch ein Vibrationsanregen des Ventils das Vibrationsantreiben steuerungstechnisch einfach und zuverlässig umsetzbar ist. Weiterbilden kann die Verwendung eines dem Zustellantrieb zugeordneten Ventils vorgesehen sein, wobei die Ventile separat bzw. voneinander unabhängig sind, um das Vibrationsantreiben und das Zustellantreiben getrennt optimieren, wie wirkungsgradoptimieren, zu können.
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Unabhängig beanspruchbar vorgeschlagen wird auch, ein Verwenden eines mit einer Zylinderkammer eines Fluidzylinders verbundenen, wie fluidisch kommunizierend verbundenen, Druckspeichers vorgeschlagen. Der fluidisch kommunizierend angeschlossene Druckspeicher kann die Kompression des Fluids in der angeschlossenen Zylinderkammer hemmen, so dass eine das Fluid komprimierende Energie wirkungsgraderhöhend gespart werden kann. Dieser Vorteil wird bei allen Zylinderbauformen, wie beispielsweise einem Plungerzylinder mit externem Vibrationsantrieb oder einem Differentialzylinder mit vibrierender Druckbeaufschlagung, erreicht. Aus gleichem Grund wird ebenfalls unabhängig beanspruchbar vorgeschlagen eine Verwendung eines Druckspeichers, der mit einer Zylinderkammer eines durch einen Kolben in zumindest zwei Zylinderkammern unterteilten Fluidzylinders verbunden, wie fluidisch kommunizierend verbunden, ist.
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Eine Fluidschaltung zum Vibrationsantreiben, wie zum Antreiben eines Stopfpickels, umfasst erfindungsgemäß einen Mehrflächenzylinder, ein erstes Ventil und ein zweites Ventil. Das erste Ventil ist mit ersten beiden entgegenwirkenden bzw. entgegenwirkend angeordneten Kolbenflächen eines Kolbens des Mehrflächenzylinders verbunden, wie kommunizierend verbunden. Dabei kann das erste Ventil über separate Anschlüsse und/oder Leitungen mit den ersten beiden Kolbenflächen verbunden sein. Eine Verbindung, wie eine kommunizierende Verbindung eines Ventils und einer Kolbenfläche kann bedeuten, dass das Ventil ventilstellungsabhängig zum Druckbeaufschlagen (einschließlich eines Unterdruckbeaufschlagens) angeordnet und mit dem Zylinder verbunden ist. Das zweite Ventil ist mit einer dritten Kolbenfläche verbunden, wie kommunizierend verbunden. Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, dass die Kolbenflächen des Mehrflächenzylinders und/oder die Ventile optimiert, wie wirkungsgradoptimiert, ausgelegt sein können.
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Wenn die dritte Kolbenfläche eine druckbeaufschlagt kolbenausfahrend wirkende Kolbenfläche ist, steht durch Druckbeaufschlagen der dritten Kolbenfläche und der gleichwirkend angeordneten Kolbenfläche der ersten beiden Kolbenflächen eine insgesamt hohe Kraft, beispielsweise für ein mit einer Zustellbewegung einhergehendes Eindringen des anzutreibenden Stopfpickels in ein Schotterbett, zur Verfügung.
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Bei einer besonders einfach anzusteuernden Konstruktion weisen die ersten beiden Kolbenflächen jeweils eine zumindest etwa gleich große wirksame Kolbenfläche auf. So wird durch die betragsmäßig gleich großen Flächen beim Kolbenverlagern ein etwa gleich großer Volumenstrom in/aus der jeweiligen Zylinderkammer erreicht.
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Wenn ein Druckspeicher mit der dritten Kolbenfläche kommunizierend verbunden ist, hat dies mehrere Vorteile. Zum Einen kann wirkungsgraderhöhend eine Kompression des Fluids in der zu der dritten Kolbenfläche gehörenden Zylinderkammer durch eine Kompression (beispielsweise einer Gasblase) und/oder Ausgleichsbewegung (beispielsweise eines federvorgespannten Druckspeicherbodens) und/oder dergleichen in/an dem Druckspeicher ersetzt werden. Zum Anderen kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Druckspeichers (beispielsweise eines Gasblasevolumens und/oder eines Druckspeicherbodenverfahrwegs) eine Minimalamplitude und/oder eine Maximalamplitude der Vibrationsbewegung sichergestellt und/oder optimiert, wie wirkungsgradoptimiert und/oder funktionsoptimiert, werden.
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Ist das erste Ventil ein vibrierbares Regelventil, erleichtert dies eine Vibrationsbewegung des Kolbens und damit des anzutreibenden Stopfpickels. Bevorzugte Regelventilbauformen umfassen ein Proportionalventil und/oder ein Servoventil. Vorzugsweise ist das Regelventil mit einer Ansteuereinrichtung zum Vibrationvorgeben verbunden, um eine nach Amplitude und/oder Frequenz und/oder Energie vorgebbare Vibration zu bewirken. Das Regelventil kann also oszillierend beaufschlagt werden. Beispielsweise ist das Regelventil ein elektrisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch ein- und/oder zweistufig vorgesteuertes Ventil.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Fluidschaltung und insbesondere der Mehrflächenzylinder und das erste Ventil dazu geeignet, mit einer Frequenz von bis zu etwa 50 Hz, bevorzugter mit einer Frequenz von bis zu etwa 40 Hz, noch bevorzugter mit einer Frequenz von bis zu etwa 35 Hz, und/oder mit einer Frequenz von etwa 25 bis etwa 40 Hz zu schwingen. Diese Frequenzbereiche sind für ein Verdichten eines Schotterbetts erfahrungsgemäß besonders vorteilhaft geeignet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Hydraulikschaltung und insbesondere der Mehrflächenzylinder und das erste Ventil dazu geeignet, dass der Kolben relativ zum Zylindergehäuse mit einer Amplitude bis etwa 6 mm, bevorzugter bis etwa 3 mm, noch bevorzugter von mindestens etwa 3 mm, und/oder am bevorzugtesten bis etwa 2 mm schwingt. Diese Vibration fördert erfahrungsgemäß ein rasches und effizientes Verdichten eines Schotterbetts.
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Weiterbildend weist die Fluidschaltung eine Messeinrichtung zum Messen des Fluiddrucks im/am Zylinder und/oder im/am ersten Ventil auf. Durch ein Messen des (vibrierenden) Fluiddruckverlaufs kann beispielswiese eine Schotterbettverdichtung geprüft werden.
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Unabhängig beanspruchbar ist eine Fluidschaltung zum Vibrationsantreiben umfassend einen durch einen Kolben in zumindest zwei Zylinderkammern unterteilten Fluidzylinder und zumindest ein zum Druckbeaufschlagen zumindest einer der Kammern angeordneten und/oder fluidisch kommunizierend verbundenen und/oder angeschlossenen Ventil, wie ein vibrierbares Ventil, wobei ein Druckspeicher mit zumindest einer der Zylinderkammern, insbesondere der kolbenflächengrößeren Zylinderkammer, fluidisch kommuniziert. Der fluidisch kommunizierend angeschlossene Druckspeicher kann die Kompression des Fluids in der angeschlossenen Zylinderkammer hemmen, so dass eine das Fluid komprimierende Energie Wirkungsgraderhöhend gespart werden kann. Dieser Vorteil ist also nicht nur bei Mehrflächenzylindern, sondern auch bei Differenzialzylindern und dergleichen erzielbar. Der Druckspeicher kann konstruktiv einfach volumenausgleichend ausgeführt sein. Der Druckspeicher kann mit Vorteil Kolbenflächendifferenz-ausgleichend dimensioniert sein, um eine unsymmetrische Fluidkompression zu hemmen.
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Ein erfindungsgemäßes Ansteuerverfahren zum Vibrationsantreiben, beispielsweise eines Stopfpickels, ist vorgesehen für einen Mehrflächenzylinder, der eine erste Kolbenfläche, eine der ersten Kolbenfläche entgegenwirkend angeordnete, und vorzugsweise fluidisch getrennte, zweite Kolbenfläche und eine zu der zweiten Kolbenfläche gleichwirkend angeordnete, und vorzugsweise fluidisch getrennte, dritte Kolbenfläche aufweist.
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Das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren kann beinhalten, zum Vibrationsantreiben die Kolbenflächen erste Kolbenfläche und zweite Kolbenfläche abwechselnd mit Druck zu beaufschlagen. Der Druck kann ein Unterdruck oder bevorzugt ein Überdruck bezüglich des an der jeweils anderen der beiden Kolbenflächen anliegenden Druckniveaus sein. Dieser Verfahrensschritt bewirkt vorteilhaft einen Kraftauf-und-Abbau zum Verfestigen beispielswiese eines Schotterbetts.
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Das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren kann beinhalten, zum Kolbenausfahren (oder alternativ zum Kolbeneinfahren) die zweite Kolbenfläche und/oder die dritte Kolbenfläche mit Druck zu beaufschlagen. Der Druck kann ein Unterdruck oder bevorzugt ein Überdruck sein, siehe oben. Dieser Verfahrensschritt bewirkt vorteilhaft ein Verlagern eines Ankoppelpunkts der Kolbenstange relativ zum Zylindergehäuse, um beispielsweise ein Eindringen eines anzutreibenden Stopfpickels in ein Schotterbett voranzutreiben.
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Das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren kann beinhalten, zum Vibrationsantreiben die Kolbenflächen erste Kolbenfläche und zweite Kolbenfläche abwechselnd bzw. oszillierendmit Druck zu beaufschlagen, und zum Kolbenausfahren oder Kolbeneinfahren die zweite Kolbenfläche und/oder die dritte Kolbenfläche mit Druck zu beaufschlagen. Zum Druck siehe oben. Dieser Verfahrensschritt bewirkt ein gleichzeitiges bzw. überlagertes Kolbenaus/einfahren und Vibrationsantreiben, sodass beispielsweise ein konstant fortschreitendes Verdichten eines Schotterbetts unter Zeitersparnis möglich wird.
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Weiterbildend kann das Ansteuerverfahren für den Mehrflächenzylinder, wobei die Kolbenflächen erste Kolbenfläche und zweite Kolbenfläche mit einem ersten Ventil bzw. jeweils mit Arbeitsanschlüssen eines ersten Ventils verbunden, wie kommunizierend verbunden, sind, geeignet sein. Dabei kann das Ansteuerungsverfahren bei dem Schritt des Vibrationsantreibens ein Vibrieren bzw. Oszillieren eines Schiebers des Ventils enthalten. Hierdurch kann in steuerungstechnisch einfacher und zuverlässiger Weise eine Vibration nach Amplitude und/oder Frequenz und/oder Energie vorgegeben werden.
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Das Ansteuerverfahren kann zum gleichzeitigen Vibrationsantreiben und Kolbenausfahren enthalten, sowohl die dritte Kolbenfläche mit Druck zu beaufschlagen, als auch das erste Ventil um einen verschobenen Nullpunkt zu vibrieren. Der Verfahrensschritt enthält somit zwei parallele Schritte, welche vorzugsweise voneinander unabhängig vornehmbar sind, wie betragsmäßig unabhängig vornehmbar und/oder voneinander unabhängig beginnbar und endbar sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wobei eine einzelne Zylinderkammer gleichzeitig zum Kolbenverlagern und Vibrationsantreiben mit Druck beaufschlagt wird, ermöglichen die zwei parallelen Schritte beispielsweise ein konstant fortschreitendes Verdichten eines Schotterbetts durch Vornehmen zweier relativ einfacher Steuerungsaktionen.
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Besonders steuerungstechnisch einfach und zuverlässig wird das Ansteuerverfahren für den Mehrflächenzylinder, wobei die Kolbenflächen erste Kolbenfläche und zweite Kolbenfläche jeweils eine gleich große wirksame Kolbenfläche aufweisen, und wobei die Vibration gemäß einer Nullpunkt-symmetrischen Funktion, wie einer solchen Sinusfunktion, vorgegeben wird.
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Ein Ansteuern mit einer Nullpunkt-symmetrischen Funktion, insbesondere Sinusfunktion, ist besonders gleichmäßig und skalierbar.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Teil eines Schaltplans einer erfindungsgemäßen Fluidschaltung zum Vibrationsantreiben beispielsweise eines Stopfpickels gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 einen Teil eines Schaltplans einer erfindungsgemäßen Fluidschaltung zum Vibrationsantreiben beispielsweise eines Stopfpickels gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 3 einen Teil eines Schaltplans einer erfindungsgemäßen Fluidschaltung zum Vibrationsantreiben beispielsweise eines Stopfpickels gemäß einer Variante der zweiten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Eine Fluidschaltung 1 zum Vibrationsantreiben umfasst vorliegend einen als Ganzes mit 2 bezeichneten Mehrflächenzylinder bzw. Mehrflächen-Fluidzylinder, ein Vibrationsventil 4 als erstes Ventil, ein Ausfahrventil 6 als zweites Ventil und einen Druckspeicher 8.
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Der Mehrflächenzylinder 2 ist bei der ersten Ausführungsform ein Eilgangzylinder 10. Er weist ein Zylindergehäuse 12 mit einer je endseitig mit einem Zylinderboden 14 und einem Zylinderdeckel 16 abgeschlossenen Zylinderwand 18 und mit einem dazu konzentrischen und Zylinderboden-festen Stempel 20 auf. Darin ist entlang einer durch die Zylinderwand 18 definierten Längsachse 22 verlagerbar ein Kolben 24 mit einem ringförmigen Kolbenboden 26, einer daran anschließenden hohlzylindrischen Kolbenstange 28 und einem axial endseitigen Kolbenstangenboden 30 aufgenommen.
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Der Eilgangzylinder 10 weist drei zum axialen Kolbenverlagern wirksam angeordnete Kolbenflächen auf, die gemeinsam mit 32 bezeichnet werden. Eine erste Kolbenfläche 34 befindet sich an der Seite der Kolbenstange 28 an dem Kolbenboden 26. Eine zweite Kolbenfläche 36 befindet sich dem Stempel 20 zugewandt innen an dem Kolbenstangenboden 30.
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Eine dritte Kolbenfläche 38 befindet sich an der der Kolbenstange 28 abgewandten Seite an dem Kolbenboden 26.
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Die Kolbenflächen 32 begrenzen jeweils axial eine Kammer 40. Eine erste Kammer 42 wird vorliegend durch die erste Kolbenfläche 34, die Zylinderwand 18, den Zylinderdeckel 16 und die Kolbenstange 28 definiert. Ein Überdruck in der ersten Kammer 42 wirkt auf die erste Kolbenfläche 34 zum Einfahren der Kolbenstange 28. Eine zweite Kammer 44 wird vorliegend durch die zweite Kolbenfläche 36, die Kolbenstange 28 und den Stempel 20 definiert. Ein Überdruck in der zweiten Kammer 44 wirkt auf die zweite Kolbenfläche 36 zum Ausfahren der Kolbenstange 28. Eine dritte Kammer 46 wird vorliegend durch den Kolben 24, die Zylinderwand 18, den Zylinderboden 14 und den Stempel 20 definiert. Ein Überdruck in der dritten Kammer 46 wirkt auf die dritte Kolbenfläche 38 zum Ausfahren der Kolbenstange 28.
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Das Vibrationsventil 4 ist ein vorgebbar vibrierbares Ventil. Es ist als 4/3-Wegeventil mit je zwei Arbeitsanschlüssen 48 und Versorgungsanschlüssen 50 versehen. Beispielsweise ist es ein proportionales Schieberventil, und weist es eine elektrische ansteuerbare Vorsteuereinrichtung auf, welche den (nicht dargestellten) Schieber auslenken kann, wie beispielsweise zu bevorzugt symmetrischen Schwingung um einen einstellbaren Arbeitspunkt / Nullpunkt anregen kann. Ein Arbeitsanschluss 48 des Vibrationsventils 4 kommuniziert fluidisch mit der ersten Kammer 42. Der andere Arbeitsanschluss 48 des Vibrationsventils 4 kommuniziert fluidisch durch den Stempel 20 hindurch mit der zweiten Kammer 44.
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Das Ausfahrventil 6 ist ein schaltbares Ventil, beispielsweise ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil mit zwei Versorgungsanschlüssen 50 und einem Arbeitsanschluss 48, der mit der dritten Kammer 46 fluidisch kommuniziert.
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Der Druckspeicher 8 kommuniziert fluidisch mit der dritten Kammer 46. Beispielsweise zweigt der Druckspeicher 8 von der Leitung zwischen dem Ausfahrventil 6 und dritten Kammer 46 ab.
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Zum Vibrationsantreiben des Kolbens 24 wird das Vibrationsventil 4 vibriert, sodass die Kammern 42 und 44 abwechselnd mit einer Frequenz von bis zu 35 Hz mit Fluiddruck beaufschlagt werden. Zum Beispiel wird in jeder Periode in jeder der Kammern 42, 44 einmal Fluiddruck aufgebaut und abgebaut. Dabei wird der Kolben 24 beispielsweise um eine Amplitude von bis zu 2mm relativ zu dem Zylindergehäuse verlagert. Die Kolbenbewegung pumpt das Fluid zwischen der dritten Kammer 46 und dem Druckspeicher 8 dabei hin und her. Da die Kolbenflächen 34, und 36 gleich groß sind, wird eine symmetrische Schwingung des Scheibers des Vibrationsventils um einen Nullpunkt zum Druckbeaufschlagen der Kammern 42, 44 ermöglicht.
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Zum Ausfahren des Kolbens 24 wird beispielsweise über das Ausfahrventil 6 der dritten Kammer 46 unter Druck Fluid zugeführt, wird über das Vibrationsventil 4 der zweiten Kammer 44 unter Druck Fluid zugeführt, und wird über das Vibrationsventil 4 aus der ersten Kamer 42 Fluid abgeführt.
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Zum gleichzeitigen Ausfahren und Vibrationsantreiben des Kolbens 24 wird über das Ausfahrventil 6 der dritten Kammer 46 unter Druck Fluid zugeführt. Der Nullpunkt des Vibrationsventils und die Amplitude der Schwingung des Schiebers des Vibrationsventils 4 werden so verschoben, dass einerseits in jeder Periode in jeder der Kammern 42, 44 einmal Fluiddruck aufgebaut und abgebaut wird, und dass andererseits verglichen mit dem Volumenstrom in die erste Kammer 42 ein dem Volumenstrom in die dritte Kammer 46 Kolbenwegentsprechender Volumenstromüberschuss in die zweite Kammer 44 strömt.
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Beispielsweise ist das Zylindergehäuse an einen (nicht dargestellten) Maschinenrahmen oder dergleichen gekoppelt, wie fest gelagert, angelenkt und/oder verschwenkbar gelagert, und ist der Kolben an einen (nicht dargestellten) anzutreibenden Stopfpickel gekoppelt, wie fest gelagert, angelenkt und/oder verschwenkbar gelagert. Da die Masse des Zylinderkolbens üblicherweise kleine als die Masse des Zylindergehäuses ist, ist diese Konstruktion energetisch günstig, und hat daher einen hohen Wirkungsgrad.
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Gemäß einer (nicht dargestellten) Variante bilden der Mehrflächenzylinder 2, die Ventile 4 und 6 und der Druckspeicher 8 eine kompakte Baugruppe, sodass Bauraum gespart werden kann, und zur Produktivzeiterhöhung die gesamte Baugruppe gegen eine Ersatzbaugruppe tauschbar ist.
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Gemäß einer (nicht dargestellten) Variante der ersten Ausführungsform ist beispielsweise aus bauraumlichen Erwägungen heraus und/oder bei anderen Massenverhältnissen eine zylindergehäuseseitige Kopplung an den Stopfpickel und eine kolbenstangenseitige Kopplung an den Maschinenrahmen vorgesehen.
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Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform zumindest dadurch, dass der Mehrflächenzylinder 2 ein Tandemzylinder 52 ist. Dieser weist in dem Zylindergehäuse 12 axial etwa mittig zwischen dem Zylinderboden 14 und dem Kolbenstangen-seitigen axialen Ende des Zylindergehäuses 12 einen an der Zylinderwand 18 festgelegten, ringförmigen Zylinderzwischenboden 54 auf, welcher den Zylinder 2 in zwei axial hintereinander angeordnete Zylinderarbeitsräume 56 teilt. Der Kolben 24 umfasst zueinander festgelegt neben dem im Zylinderboden-nahen Zylinderarbeitsraum 56 fluiddicht axial verlagerbaren, scheibenförmigen Kolbenboden 26 und der im Zylinderzwischenboden 54 fluiddicht gelagerten Kolbenstange 28 einen im Zylinderbodenfernen Arbeitsraum 56 fluiddicht axial verlagerbaren Kolbenzwischenboden 58.
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Die Kolbenflächen 32 begrenzen jeweils axial eine Kammer 40. Die erste Kammer 42 wird durch die erste Kolbenfläche 34, die Zylinderwand 18, den Zylinderzwischenboden 54 und die Kolbenstange 28 definiert. Ein Überdruck in einer ersten Kammer 42 wirkt auf die erste Kolbenfläche 34 zum Einfahren der Kolbenstange 28. Die zweite Kolbenfläche 36 befindet sich Zylinder(zwischen)boden-seitig an dem Kolbenzwischenboden 58. Die zweite Kammer 44 wird durch die zweite Kolbenfläche 36, die Zylinderwand 18, die Kolbenstange 28 und Zylinderzwischenboden 54 definiert. Ein Überdruck in der zweiten Kammer 44 wirkt auf die zweite Kolbenfläche 36 zum Ausfahren der Kolbenstange 28. Die dritte Kammer 46 wird durch den Kolben 24, die Zylinderwand 18 und den Zylinderboden 14 definiert. Ein Überdruck in der dritten Kammer 46 wirkt auf die dritte Kolbenfläche 38 zum Ausfahren der Kolbenstange 28. Die Kolbenflächen 34 und 36 sind gleich groß. Ein Raum zwischen dem Kolbenzwischenboden 58 und dem Kolbenstangen-seitigen axialen Ende des Zylindergehäuses 12 ist vorzugsweise entlüftet.
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Die 3 zeigt eine Variante der zweiten Ausführungsform. Eine vierte Kolbenfläche 62 befindet sich Zylinderdeckel-seitig an dem Kolbenzwischenboden 58. Eine vierte Kammer 60 wird durch die vierte Kolbenfläche 62, die Zylinderwand 18, den Zylinderdeckel 16 und die Kolbenstange definiert. Ein Überdruck in der vierten Kammer 60 wirkt auf die vierte Kolbenfläche 62 zum Einfahren der Kolbenstange 28. Das Ausfahrventil 6 ist ein Ein-/Ausfahrventil, wie ein gesteuertes 4/3-Wegeventil. Gegenüber der Grundvariante der zweiten Ausführungsform kann mehr Fluiddruck zum Einfahren auf die Kolbenstange aufgebracht werden, beispielsweise um ein schwereres Anbaugerät einzufahren, oder zum Anheben einer Schiene.
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Die vierte Kammer 60 kommuniziert dabei mit einem Druckspeicher 8, um ein wirkungsgradverbessertes Vibrieren des Kolbens 24 zu ermöglichen.
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Eine nicht dargestellte Untervariante beinhaltet anstelle der Druckspeicher 8 oder diese ergänzend einen zwischen zwei etwa gleich großen Ausgleichskammern verlagerbaren Ausgleichskolben (Ausgleichselement, wie auch Ausgleichsmembran), von denen eine Ausgleichskammer mit der dritten Kammer 46 fluidisch kommuniziert, und von denen die andere Ausgleichskammer mit der vierten Kammer 60 fluidisch kommuniziert. Gegenüber der vorstehenden Lösung mit zwei Druckspeichern 8 verbessert dies nochmals den Wirkungsgrad.
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Offenbart ist also die Verwendung eines Mehrflächenzylinders als kombinierter Zustellantrieb und Vibrationsantrieb zum effizienten Vibrationsantreiben. Ferner wird eine Fluidschaltung zum effizienten Vibrationsantreiben offenbart, wobei die Schaltung einen Mehrflächenzylinder, ein erstes Ventil, das mit ersten beiden entgegenwirkenden Kolbenflächen eines Kolbens des Mehrflächenzylinders verbunden ist, und ein zweites Ventil, das mit einer dritten Kolbenfläche verbunden ist, umfasst. Schließlich wird ein Ansteuerverfahren zum Vibrationsantreiben für einen Mehrflächenzylinder offenbart, der eine erste Kolbenfläche, eine der ersten Kolbenfläche entgegenwirkend angeordnete zweite Kolbenfläche und eine zu der zweiten Kolbenfläche gleichwirkend angeordnete dritte Kolbenfläche aufweist, wobei zum Vibrationsantreiben die Kolbenflächen erste Kolbenfläche und zweite Kolbenfläche abwechselnd mit Druck beaufschlagt werden, und/oder wobei zum Kolbenausfahren die zweite Kolbenfläche und/oder die dritte Kolbenfläche mit Druck beaufschlagt wird / werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014127393 A1 [0003]
- WO 2014/127393 A1 [0004]
- WO 2016054667 A1 [0007]
- EP 2902546 A1 [0008]
