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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Schnellschaltsteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine hydrostatische Schnellschaltsteuerung dient dem schnellen und sicheren Schalten einer wichtigen prozessrelevanten, insbesondere sicherheitsrelevanten, technischen Funktion. Ein wichtiger Anwendungsfall ist ein schneller und sicherer Lastabwurf, beispielsweise einer Gas- oder Dampfturbine.
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Hierzu ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen Hydrozylinder der Schnellschaltsteuerung gegen ein starkes Druckäquivalent, beispielsweise eine Feder, hydraulisch zu spannen, indem sein hydrostatischer Arbeits- oder Kolbenraum von einer elektromotorisch drehzahlvariabel angetriebenen Hydromaschine mit Druckmittel beaufschlagt ist. Die Hydromaschine ist aufgrund der elektromotorischen Antriebsart sehr feinfühlig und schnell in ihrer Drehzahl verstellbar, so dass ihr Druckmittelvolumenstrom hin zum und weg vom Arbeitsraum des Hydrozylinders fein und mit hoher Geschwindigkeit steuerbar ist.
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Ergeht ein Signal zum Lastabwurf, so muss der Hydrozylinder von seiner gespannten Ausgangs- in seine Arbeitsstellung bewegt werden. Dies erfolgt über eine schnelle Entlassung des Druckmittels aus dem Arbeits- oder Kolbenraum, indem der Elektromotor stromlos oder sogar in umgekehrte Drehrichtung geschaltet wird und zudem ein zusätzlicher Druckmittelströmungspfad, der ein Vielfaches der Volumenstromkapazität der Hydromaschine hat, über ein Logikventil aufgesteuert wird. So kann die für den Lastabwurf abströmende Menge Druckmittel schnell vervielfacht werden, wodurch der Hydrozylinder über die Feder um ein Vielfaches schneller in seine Arbeitsstellung betätigt wird.
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Gemäß dem Stand der Technik ist das genannte Logikventil dabei über ein elektromagnetisch betätigbares Wegeventil (nicht gezeigt) vorgesteuert. Dieses verbindet einen schließend wirkenden Rückraum eines Ventilkörpers des Logikventils bei vorliegendem Signal mit Niederdruck und ansonsten mit dem (schließend wirkenden) Druck im Arbeitsraum. Dauerhaft öffnend wirkt auf den Ventilkörper der Druck im zusätzlichen Druckmittelströmungspfad.
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Eine Schaltzeit zwischen dem Signal zum Schalten und dem Ende des Schaltvorgangs, in der der Hydrozylinder seine Arbeitsstellung erreicht hat, wird von den einzelnen Schalt- und Reaktionszeiten der genannten Komponenten beeinflusst. Ergeht das Signal, wird der Elektromagnet des Vorsteuerventils (nicht gezeigt) bestromt. In Folge muss sich ein elektromagnetisches Feld ausreichend stark aufbauen, um den Ventilschieber des Vorsteuerventils in Bewegung setzen zu können. Es schließt sich eine notwendige Zeitspanne für den Druckwechsel im Rückraum und das Öffnen des Logikventils an. Dabei wird Druckmittel aus dem Rückraum über das Vorsteuerventil entlassen und der Druck sinkt. Erst dann hebt sich der Ventilkörper des Ventils von seinem Sitz ab und der zusätzliche Druckmittelströmungspfad mit einem mehrfachen der Druckmittelvolumenstromkapazität der Hydromaschine ist aufgesteuert.
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Aufgrund der Wichtigkeit der Schnellschaltsteuerung sind Bestrebungen zur Verkürzung der Schaltzeit ein dauerhaftes Anliegen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schnellschaltsteuerung zu schaffen, die eine verkürzte Schaltzeit hat oder zumindest ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schnellschaltsteuerung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine hydrostatische Schnellschaltsteuerung, insbesondere zur Steuerung oder Notfallsteuerung, beispielsweise eines Lastabwurfs, hat einen, insbesondere mit verschiedenen Geschwindigkeiten oder in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen, insbesondere sprunghaft betätigbaren Hydrozylinder. Dessen Kolben ist von einem Druckäquivalent, insbesondere einer Feder, in Richtung einer Arbeitsstellung belastet oder zumindest belastbar. Gegen das Druckäquivalent, in Richtung einer Ausgangsstellung, ist der Kolben mit Druckmittel beaufschlagbar, insbesondere beaufschlagt. Insbesondere ist die Feder über den Kolben hydraulisch spannbar. Dabei ist ein vom Kolben zumindest abschnittsweise begrenzter, in Richtung der Ausgangsstellung wirksamer Arbeitsraum des Hydrozylinders über einen ersten Druckmittelströmungspfad der Schnellschaltsteuerung mit einem ersten Arbeitsanschluss einer Hydromaschine der Schnellschaltsteuerung, über den insbesondere wahlweise eine Druckmittelquelle und eine Druckmittelsenke ausbildbar ist, fluidisch verbunden oder zumindest verbindbar. Der Arbeitsraum des Hydrozylinders kann somit über den ersten Druckmittelströmungspfad mit Druckmittel beschickt werden, um den Kolben entgegen der Feder in seine Ausgangsstellung zu betätigen, und es kann über den ersten Druckmittelströmungspfad Druckmittel entlassen werden, um den Kolben von der Feder in seine Arbeitsstellung, insbesondere vergleichsweise langsam, zu betätigen. Zudem ist der Arbeitsraum des Hydrozylinders über einen zweiten Druckmittelströmungspfad der Schnellschaltsteuerung mit einer, insbesondere zusätzlichen, Druckmittelsenke der Schnellschaltsteuerung fluidisch verbindbar. Über den zweiten Druckmittelströmungspfad kann somit, alternativ oder ergänzend zum ersten Druckmittelströmungspfad, Druckmittel aus dem Arbeitsraum des Hydrozylinders entlassen werden, um die Geschwindigkeit der Betätigung in die Arbeitsstellung zu ändern, bevorzugt zu erhöhen. Im zweiten Druckmittelströmungspfad ist dabei ein, insbesondere hydraulisch betätigbares, Ventil, insbesondere Logikventil, vorgesehen, dessen Ventilkörper in eine Durchfluss- oder Öffnungsstellung, in welcher der zweite Druckmittelströmungspfad aufgesteuert ist, von einem Druck im zweiten Druckmittelströmungspfad belastet ist. In eine Schließstellung oder Sperrstellung, in welcher der zweite Druckmittelströmungspfad gesperrt ist, ist der Ventilkörper von einem variablen Steuerdruck belastet. Dieser ist insbesondere von einem Signal zum schnellen Betätigen oder Schalten des Kolbens, insbesondere in seine Arbeitsstellung, abhängig. Erfindungsgemäß erfolgt der Abgriff des Steuerdrucks am ersten Druckmittelströmungspfad. Hierfür ist am ersten Druckmittelströmungspfad ein Abgriff des Steuerdrucks angeordnet.
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Auf diese Weise kann der Steuerdruck direkt, ohne zwischengeschaltetes Vorsteuerventil, von der Hydromaschine bereitgestellt werden. In anderen Worten ist das Ventil oder Logikventil direkt von der Hydromaschine gesteuert. Die zuvor genannte Schaltzeit eines Vorsteuerventils entfällt, sodass eine schneller schaltende Schnellschaltsteuerung bereitgestellt oder zumindest zum schnelleren Schalten vorbereitet ist. Durch die verringerte Schaltzeit ist ein Regelverzug minimierbar. So kann auch die Gesamtzeit eines Lastabwurfs verringert werden.
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Vorzugsweise hat das Ventil eine vielfache, insbesondere 5- bis 20-fache, insbesondere etwa 10-fache, Volumenstromkapazität der Hydromaschine.
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Ist das Ventil als Logikventil ausgestaltet, kann es in einer möglichen Variante mit und in einer anderen möglichen Variante ohne Dämpfungszapfen ausgebildet sein. Die Ausbildung mit Dämpfungszapfen hat dabei den Vorteil, dass ein Schließverhalten des Logikventils weniger hart oder aggressiv ist. In Folge ist der zweite Druckmittelströmungspfad allmählicher zusteuerbar, was zu einer verbesserten Regelung führt.
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Eine sehr kurze Schaltzeit ist erreichbar, wenn in einer Weiterbildung die Hydromaschine von einer drehzahlvariablen und/oder drehrichtungsvariablen Elektromaschine angetrieben ist. Deren Schaltzeit ist verglichen mit derjenigen des herkömmlichen Vorsteuerventils bedeutend kleiner. Bevorzugt ist die Elektromaschine ein Schrittmotor oder Servomotor.
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Damit der Steuerdruck immer vom Abgriff bereitstellbar ist, sodass keine zusätzliche Schaltzeit anfällt, sind verschiedene Weiterbildungen vorteilhaft.
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In einer dieser Weiterbildungen ist der Ventilkörper mit dem Abgriff dauerhaft, insbesondere fest, fluidisch verbunden.
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Alternativ oder ergänzend dazu ist in einer Weiterbildung ist der Ventilkörper mit dem Abgriff unabhängig von der Stellung, insbesondere der Durchflussstellung und Schließstellung, des Ventilkörpers fluidisch verbunden.
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Alternativ oder ergänzend dazu ist der Ventilkörper mit dem Abgriff unabhängig von einer Geschwindigkeit oder Betätigungsgeschwindigkeit des Kolbens fluidisch verbunden.
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Alternativ oder ergänzend dazu ist der Ventilkörper mit dem Abgriff frei von Hilfsenergie fluidisch verbunden.
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In einer Weiterbildung ist der Steuerdruck, insbesondere nur, in Abhängigkeit eines ersten Druckmittelvolumenstromes im ersten Druckmittelströmungspfad variabel oder hängt direkt vom ersten Druckmittelvolumenstrom ab. Auf diese Weise ist das Signal zum schnellen Betätigen oder Schalten des Kolbens unmittelbar, also ohne zusätzliche Schaltzeit, aus dem ersten Druckmittelvolumenstrom ableitbar. Mittelbar hängt er dadurch direkt von der Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit der Hydromaschine ab.
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In einer Weiterbildung ist im ersten Druckmittelströmungspfad eine erste konstante oder verstellbare Drosseleinrichtung vorgesehen, wobei der Abgriff zwischen der ersten Drosseleinrichtung und dem ersten Arbeitsanschluss angeordnet ist. Der Steuerdruck ändert sich so in Abhängigkeit des ersten Druckmittelvolumenstroms, da dieser den Druckverlust über die erste Drosseleinrichtung beeinflusst.
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In einer Weiterbildung liegt der Abgriff beim Beschicken des Arbeitsraumes mit Druckmittel über den ersten Druckmittelströmungspfad stromauf der ersten Drosseleinrichtung. Druckmittel staut sich am Abgriff und der Steuerdruck ist somit hoch genug, das Ventil in seiner Schließstellung zu halten.
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In einer Weiterbildung liegt der Abgriff beim Entlassen von Druckmittel aus dem Arbeitsraum über den ersten Druckmittelströmungspfad durch Stromlosschalten der Elektromaschine stromab der ersten Drosseleinrichtung. Ein Druckverlust über die erste Drosseleinrichtung ist niedrig und der Steuerdruck hoch genug, das Ventil in seiner Schließstellung zu halten.
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In einer alternativen Weiterbildung dazu liegt der Abgriff beim Entlassen von Druckmittel aus dem Arbeitsraum über den ersten Druckmittelströmungspfad durch Stromlosschalten der Elektromaschine stromab der ersten Drosseleinrichtung. Ein Druckverlust über die erste Drosseleinrichtung ist ausreichend hoch und der Steuerdruck ausreichend niedrig, dass das Ventil in seine Durchflussstellung betätigt ist. So summieren sich die Volumenstromkapazitäten der Hydromaschine und des Ventils, beziehungsweise die beiden Druckmittelvolumenströme, und die Betätigung des Kolbens in die Arbeitsstellung erfolgt schneller.
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In einer Weiterbildung liegt der Abgriff beim Entlassen von Druckmittel aus dem Arbeitsraum über den ersten Druckmittelströmungspfad durch Bestromen oder Ansteuern der Elektromaschine in eine Drehrichtung, in welcher Druckmittel vom ersten zum zweiten Arbeitsanschluss gefördert wird, stromab der ersten Drosseleinrichtung. Ein Druckverlust über die erste Drosseleinrichtung ist ausreichend hoch und der Steuerdruck ausreichend niedrig, dass das Ventil in seine Durchflussstellung betätigt ist. So summieren sich die Volumenstromkapazitäten der Hydromaschine und des Ventils, beziehungsweise die beiden Druckmittelvolumenströme, und die Betätigung des Kolbens in die Arbeitsstellung erfolgt schneller.
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In einer Weiterbildung ist der Ventilkörper des Ventils in seine Schließstellung von einer Feder belastet.
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Über die Feder und/oder Steuerflächen des Ventilkörpers, an denen der oder die Drücke im zweiten Druckmittelströmungspfad und der Steuerdruck ansteht, ist das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils ausgelegt.
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In einer Weiterbildung ist im zweiten Druckmittelströmungspfad eine zweite konstante oder verstellbare Drosseleinrichtung vorgesehen. Dabei ist die zweite Drosseleinrichtung zwischen dem Arbeitsraum und dem Ventil angeordnet.
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Um eine Verlängerung der Schaltzeit durch hydraulische Elastizität möglichst gering zu halten, ist in einer Weiterbildung ein Steuerdruckmittelpfad vom Abgriff hin zum Ventil, insbesondere einen Rückraum des Ventilkörpers, zumindest abschnittsweise im Wesentlichen starr oder unelastisch. Vorzugsweise ist die so realisiert, indem der Steuerdruckmittelpfad zumindest abschnittsweise als Druckmittelkanal in Vollmaterial ausgebildet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Schnellschaltsteuerung ist in der Zeichnung dargestellt. Anhand der Figur der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.
- 1 zeigt einen Schaltplan einer hydrostatischen Schnellschaltsteuerung 1. Diese hat einen Hydrozylinder 2 mit einem Kolben 4 und einer Kolbenstange 6. Vom Kolben 4, einem Zylindergehäuse des Hydrozylinders 2 und der Kolbenstange 6 ist ein im Ausführungsbeispiel ringförmiger hydrostatischer Arbeitsraum 8 begrenzt. An einem Endabschnitt der Kolbenstange 6 ist ein Schließelement in Form eines Ventilkegels 10 angeordnet, über den eine Fluidleitung, beispielsweise eine Druckmittel-, Gas- oder Dampfleitung, beispielsweise einer Gas- oder Dampfturbine, zu- und aufsteuerbar ist (nicht dargestellt).
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Rückwärtig des Kolbens 4 ist ein entlüfteter Kolbenraum 12 vorgesehen, der gegenüber von einem zusätzlichen Kolben 14 begrenzt ist. Die Kolben 4 und 14 sind dabei über eine Feder elastisch gekoppelt. Die Feder spannt das geschlossene hydraulische System dauerhaft vor.
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An einem vom Ventilkegel 10 distalen Endabschnitt des Hydrozylinders 2 ist von dessen Zylindergehäuse und vom Kolben 14 ein Niederdruckraum 16 begrenzt. Im Hydrozylinder 2 ist auf diese Weise zum einen ein Aktor zum Steuern der genannten Fluidleitung über den Ventilkegel 10 und zum anderen ein Niederdruckhydrospeicher über den vom Kolben 14 begrenzten, federbelasteten Niederdruckraum 16 integriert.
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Der hydrostatische Arbeitsraum 8 ist über einen ersten Druckmittelströmungspfad 18, der im gezeigten Ausführungsbeispiel von einer Druckmittelleitung ausgebildet ist, mit einem ersten Arbeitsanschluss 20 einer Hydromaschine 22 fluidisch verbunden. Diese hat einen zweiten Arbeitsanschluss 24.
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Die Hydromaschine ist mit einer Elektromaschine 26 antriebsgekoppelt. Letztgenannte ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Servomotor ausgestaltet und insbesondere drehzahlvariabel und drehrichtungsvariabel betreibbar.
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Der hydrostatische Arbeitsraum 8 des Hydrozylinders 2 ist über einen zweiten Druckmittelströmungspfad 28 mit seinen Abschnitten 28a, 28b und 28c mit dem Niederdruckraum 16, oder allgemein ausgedrückt, mit einer Druckmittelsenke, fluidisch verbindbar. Im zweiten Druckmittelströmungspfad 28 ist zwischen dessen Abschnitten 28a und 28b zur Auf- und Zusteuerung des zweiten Druckmittelströmungspfades 28 ein Logikventil 30 angeordnet. Dieses kann mit oder ohne Dämpfungszapfen ausgebildet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist es ohne diesen ausgestaltet. Dieses hat einen ersten Arbeitsanschluss 32, der über den Abschnitt 28a mit dem hydrostatischen Arbeitsraum 8 fluidisch verbunden ist. Des Weiteren hat es einen zweiten Arbeitsanschluss 34, der über die Abschnitte 28b, 28c mit dem Niederdruckraum 16 verbunden ist.
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Ein Ventilkörper 36 des Logikventils 30 ist als Stufenkolben ausgebildet.
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Eine Stirnfläche des Stufenkolbens 36 ist mit einem Druck in einem mit dem hydrostatischen Arbeitsraum 8 verbundenen Abschnitt 28a und eine Ringstirnfläche des Stufenkolbens 36 mit einem Druck in einem Abschnitt 28b des zweiten Druckmittelströmungspfades 28 beaufschlagt.
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Beide Flächen, die Stirn- und die Ringstirnfläche, sind in Richtung einer Durchflussstellung des Logikventils 30, insbesondere in Richtung einem Aufsteuern des zweiten Druckmittelströmungspfades 28, wirksam.
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In Richtung einer Schließstellung des Logikventils 30 ist der Ventilkörper 36 mit einem Druckäquivalent einer Feder 38, von im Ausführungsbeispiel 4bar, belastet.
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Der erste Druckmittelströmungspfad 18 ist über eine Verbindungsleitung 40 und ein darin angeordnetes Druckbegrenzungsventil 42 mit dem Abschnitt 28b des zweiten Druckmittelströmungspfades 28 fluidisch verbunden. Dabei ist das Druckbegrenzungsventil 42 derart ausgestaltet, dass es oberhalb eines vorbestimmten Druckwertes, im gezeigten Ausführungsbeispiel oberhalb 275bar, vom ersten Druckmittelströmungspfad 18 zum zweiten Druckmittelströmungspfad 28 öffnet.
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Die Abschnitte 28b, 28c des zweiten Druckmittelströmungspfades 28 sind über einen dritten Druckmittelströmungspfad 44, 46, 48, 50 und 52 mit dem zweiten Arbeitsanschluss 24 der Hydromaschine 22 fluidisch verbindbar.
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Im Abschnitt 50 des dritten Druckmittelströmungspfades ist ein hin zum zweiten Arbeitsanschluss 24 öffnendes Rückschlagventil 54 angeordnet.
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Parallel zum Abschnitt 50 sind die Abschnitte 44 und 52 über einen Abschnitt 56 des dritten Druckmittelströmungspfades fluidisch verbunden, in dem ein Filter 58 und ein hin zum Abschnitt 50 in Reihe geschaltetes und öffnendes Rückschlagventil 60 angeordnet sind. Somit erfolgt eine Filterung des Druckmittels der Schnellschaltanordnung 1 niederdruckseitig.
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Parallel zu den Abschnitten 48 und 56, jedoch in umgekehrter Strömungsrichtung, ist der Abschnitt 52 mit dem Abschnitt 44 über ein in Richtung des Abschnitts 44 öffnendes Rückschlagventil 60 fluidisch verbindbar.
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Der zweite Arbeitsanschluss 24 ist über den Abschnitt 52, das Rückschlagventil 60 und den Abschnitt 28c fluidisch mit dem Niederdruckraum 16 verbindbar. So kann über den zweiten Arbeitsanschluss 24 Druckmittel direkt in den Niederdruckraum 16 des Hydrozylinders 2 gefördert werden.
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Entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils 42 ist parallel zum Druckmittelkanal 40 ein Druckmittelkanal 62 vorgesehen, der den Abschnitt 44 des dritten Druckmittelströmungspfades mit dem ersten Druckmittelströmungspfad 18 fluidisch verbunden. Hierin ist ein in diese Richtung öffnendes Rückschlagventil 64 vorgesehen.
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Die Schnellschaltsteuerung 1 hat eine oder mehrere Wegerfassungseinheiten 66 und 68, mit denen ein Hub und/oder zwei charakteristische Endstellungen des Ventilkegels 10 oder des Kolbens 4 erfassbar sind.
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Die Schnellschaltsteuerung 1 hat eine Druckerfassungseinheit 70, die am ersten Druckmittelströmungspfad 18 angeschlossen ist und eine Druckerfassungseinheit 72, die in Druckmittelverbindung mit dem Niederdruckraum 16 ist. Zudem ist letztgenannte in Druckmittelverbindung mit den Abschnitten 44, 46 und 48 des dritten Druckm ittelström ungspfades.
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Des Weiteren hat die Schnellschaltsteuerung 1 eine Temperaturanzeige 74, um die Betriebstemperatur zu überwachen.
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Beide Druckmittelströmungspfade 18 und 28 entspringen gemäß 1 dem hydrostatischen Arbeitsraum 8. Dabei weisen sie getrennte Ursprünge auf. Alternativ können sie einen gemeinsamen Ursprung am hydrostatischen Arbeitsraum 8 aufweisen.
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Im ersten Druckmittelströmungspfad 18 ist erfindungsgemäß eine Drosselstelle 78 mit im Ausführungsbeispiel konstantem Drosselquerschnitt angeordnet. Zwischen der Drosselstelle 78 und dem ersten Arbeitsanschluss 20 weist der erste Druckmittelströmungspfad 18 zudem erfindungsgemäß einen dauerhaften Abgriff 80 auf, von dem eine Steuerdruckpfad, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen starrer Steuerdruckkanal 82, abzweigt. Letztgenannter ist mit einem Rückraum 84 des Ventilkörpers 36 des Logikventils 30 fluidisch verbunden. Der Rückraum 84 ist zudem von der Feder 38 durchgriffen, die den Ventilkörper 36, wie bereits erwähnt, in seine Schließstellung vorspannt.
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Im zweiten Druckmittelströmungspfad 28, insbesondere dem Abschnitt 28a und/oder 28b zwischen dem hydrostatischen Arbeitsraum 8 und dem ersten Arbeitsanschluss 32 des Logikventils 30, ist eine Drosselstelle 86 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel ebenfalls mit konstantem Querschnitt ausgestaltet ist.
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Die Schnellschaltsteuerung 1 hat die Aufgabe, in Abhängigkeit eines Betriebszustandes einer Turbine, falls notwendig, schnell und sicher einzugreifen und beispielsweise so einen schnellen Lastabwurf zu ermöglichen. Bevorzugt ist die gezeigte Schnellschaltsteuerung für einen Stellantrieb in einer Gas- oder Dampfturbine in Verwendung. Der Hydrozylinder 2 stellt einen Armaturen-Stellzylinder dar.
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Es sind auch noch weitere Nutzungen der Funktion des Hydrozylinders möglich. So kann etwa die Kraft der Feder 76 auch durch eine externe Last erzeugt werden, die bei Bedarf schnell abgesenkt werden soll.
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Zunächst erfolgt ein Spannen des Kolbens 4 entgegen der Feder 76 in eine Ausgangsstellung, in 1 nach unten, bis die Wegerfassungseinheit 66 die Ausgangsstellung detektiert und an eine Steuereinrichtung der Schnellschaltsteuerung (nicht dargestellt) meldet. Das Vorspannen des Kolbens 4 in die Ausgangsstellung erfolgt, indem die Hydromaschine 22, angetrieben von der Elektromaschine 26, Druckmittel vom ersten Arbeitsanschluss 20 über den ersten Druckmittelströmungspfad 18 hin zum hydrostatischen Arbeitsraum 8 fördert. Dadurch wird der Kolben 4 in 1 nach unten verschoben und das Volumen des hydrostatischen Arbeitsraumes 8 vergrößert sich. Dabei wird, wie 1 zu entnehmen ist, die Feder 76 zwischen dem Zylindergehäuse des Hydrozylinders 2 und einem Federteller des Ventilkegels 10 gespannt.
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Die Hydromaschine 22 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Nennvolumenstrom von etwa 30 Liter pro Minute. Mit diesem, oder einem kleineren, Druckmittelvolumenstrom erfolgt das Verschieben des Kolbens 4 und das Spannen der Feder 76.
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Das Logikventil 30, insbesondere dessen Ventilkörper 36, ist durch die Feder 38 in seine Schließstellung vorgespannt. Gleichwirkend lastet im Rückraum des Ventilkörpers 36 der am Abgriff 80 über die Steuerdruckleitung 82 abgegriffene Steuerdruck. Der Druck im Niederdruckraum 16, der über den zweiten Arbeitsanschluss 34 an der Ringstirnfläche des Ventilkörpers 36 ansteht, ist vergleichsweise gering. An der Stirnfläche des Ventilkörpers 36 steht ein vom Druck im hydrostatischen Arbeitsraum 8 abhängiger Druck an. Dieser entspricht etwa dem Druck im ersten Druckmittelströmungspfad 18 und damit im Rückraum. Aufgrund der so überwiegenden Schließkraft, bleibt das Logikventil 30 geschlossen. Der zweite Druckmittelströmungspfad 28a, 28b, 28c ist folglich beim Befüllen des hydrostatischen Arbeitsraumes 8 und dem Spannen der Feder 76 geschlossen.
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Durch die Verschiebung des Kolbens 4 in die Ausgangsstellung und die im entlüfteten Kolbenraum 12 angeordnete Feder wird der Kolben 14 mitverschoben. Dadurch verringert sich das Volumen des Niederdruckraums 16 und Druckmittel wird aus diesem über den Abschnitt 28c des zweiten Druckmittelströmungspfades, sowie die Abschnitte 44, 56 und 52 des dritten Druckmittelströmungspfades hin zum zweiten Arbeitsanschluss 24 der Hydromaschine 22 gefördert.
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Dabei erfolgt die Filterung des Druckmittels am Filter 58.
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Das diesem nachgeschaltete Rückschlagventil 60 hat eine geringere Schließkraft als das Rückschlagventil 54, so dass der Strömungsweg über den Filter bevorzugt ist. Nur wenn der Filter 58 zugesetzt ist, und so eine Öffnungskraft des stärker federbelasteten Rückschlagventils 54 überwunden werden kann, durchströmt das Druckmittel das Rückschlagventil 54 und umgeht somit den Filter 58.
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Ist die Ausgangsstellung erreicht und das Signal der Wegerfassungseinheit 66 an die Steuereinheit (nicht dargestellt) liegt vor, so fährt die Einheit aus Elektromaschine 26 und Hydromaschine 22 den Druckmittelvolumenstrom im ersten Druckmittelströmungspfad 18 soweit zurück, dass lediglich gegebenenfalls auftretende Leckage noch kompensiert wird. Auf diese Weise ist der Kolben 4 von der Einheit aus Elektromaschine 26 und Hydromaschine 22 hydraulisch in der Ausgangsstellung gehalten.
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Für ein langsames Verfahren des Kolbens 4 in die entgegengesetzte Richtung, die beispielsweise einem langsamen Schließen der oben genannten Fluidverbindung entsprechen würde, kann die Hydromaschine 22 in umgekehrter Drehrichtung drehen. Dies kann entweder passiv erfolgen, indem die Elektromaschine 26 im Wesentlichen stromlos geschaltet wird und die Feder 46 den Kolben 4 in 1 nach oben in Richtung der von der Wegerfassungseinheit 68 detektierten Arbeitsstellung drückt. Dabei verkleinert sich der hydrostatische Arbeitsraum 8 und Druckmittel wird über den ersten Druckmittelströmungspfad 18 hin zum ersten Arbeitsanschluss 20 der Hydromaschine 22 „gedrückt“. Um die Geschwindigkeit dieser Bewegung zu erhöhen, kann dabei die Elektromaschine 26 in die entsprechende Drehrichtung unterstützen.
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Beispielsweise in einem Notfall hat der bereits erwähnte Lastabwurf zu erfolgen und die Arbeitsstellung muss bedeutend schneller erreicht werden.
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Hierzu dient der zweite Druckmittelströmungspfad 28a, 28b und 28c mit dem Logikventil 30, über die der hydrostatische Arbeitsraum 8 mit Niederdruckraum 16 fluidisch verbindbar, insbesondere kurzschließbar, ist.
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Können im gezeigten Ausführungsbeispiel über den zur normalbetrieblichen Druckmittelversorgung vorgesehenen Druckmittelströmungspfad 18, selbst bei maximaler Dreh- und Fördergeschwindigkeit der Hydromaschine 22, nur etwa 30 Liter pro Minute aus dem Arbeitsraum 8 abgeführt werden, so erhöht sich der abführbare Druckmittelvolumenstrom im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels dem zweiten Druckmittelströmungspfad 28 über das Logikventil 30 um etwa 300 Liter pro Minute. Die Arbeitsstellung kann also mehr als zehnmal so schnell erreicht werden.
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Erfindungsgemäß ist das Logikventil 30 in seine Öffnungsstellung, in der der zweite Druckmittelströmungspfad 28 vom Arbeitsraum 8 hin zum Niederdruckraum 16 aufgesteuert ist, allein mittels dem am Abgriff 80 abgegriffenen Steuerdruck gesteuert. Der Abgriff des Steuerdrucks, sowie eine Belastung des Ventilkörpers 36 damit in Schließrichtung, sind erfindungsgemäß dauerhaft.
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Zur Bereitstellung des Steuerdrucks kommt erfindungsgemäß kein mit Hilfsenergie zu betätigendes oder zu schaltendes Vorsteuerventil zum Einsatz. An ein solches Vorsteuerventil gebundene Schaltzeiten entfallen somit. So ist eine Schnellschaltsteuerung 1 mit verkürzter Schaltzeit geschaffen.
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Erfindungsgemäß wir dabei ausgenutzt, dass sich der am Abgriff 80 abgegriffene Steuerdruck in Abhängigkeit des Druckverlustes über die Drosselstelle 78 im ersten Druckmittelströmungspfad 18, also in Abhängigkeit des Druckmittelvolumenstroms im ersten Druckmittelströmungspfad 18, ändert.
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Wie bereits weiter oben bei der Beschreibung langsamer Verstellgeschwindigkeiten des Hydrozylinders 2 dargelegt, bleibt das Logikventil 30 unterhalb eines Grenz-Druckmittelvolumenstroms geschlossen. Diese Grenze lässt sich noch variabel gestalten und an besondere Betriebsbedürfnisse anpassen indem die Drosselstelle oder Blende 78 einstellbar ist.
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Ab dem Grenz-Druckmittelvolumenstrom und oberhalb davon stellt sich über die Drosselstelle 78 ein derart starker Druckverlust ein, dass der am Abgriff 80 abgegriffene und über den Steuerdruckkanal 82 in den Rückraum 84 gemeldete Steuerdruck zusammen mit der Kraft der Feder 38 nicht mehr ausreichen, den Ventilkörper 36 geschlossen zu halten. Da aufgrund der Drosselstelle 78 der Druck vor der Drosselstelle 78, im hydrostatischen Arbeitsraum 8 und im Abschnitt 28a des zweiten Druckmittelströmungspfad 28a ausreichend höher ist als hinter der Drosselstelle 78, wird der Ventilkörper 36 von den in dem Abschnitten 28a und 28b des zweiten Druckmittelströmungspfades vom Ventilsitz abgehoben. Ab jetzt strömt Druckmittel mit der maximalen Kapazität von etwa 300 Liter pro Minute aus dem hydrostatischen Arbeitsraum 8 über den zweiten Druckmitteströmungspfad 28 ab. Hinzu kommt der Anteil im ersten Druckmittelströmungspfad 18.
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Ab diesem Zeitpunkt wird der Kolben 4 über die Kraft der Feder 76 mit der gewünschten, bedeutend größeren Geschwindigkeit in seine Arbeitsstellung - im gezeigten Ausführungsbeispiel die Schließstellung des Ventilkegels 10 - bewegt.
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In manchen Anwendungen wird auch eine zusätzliche Sicherheitsfunktion verlangt. Dann kann die Funktion des ersten Druckmittelströmungspfades 18 durch ein Sicherheitsventil zwischen dem Kanal 82 und 28c überbrückt werden. Damit wird das Logikventil 30 zwangsweise geöffnet.
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Da die Kolbenfläche des Niederdruckraums 16 größer ist als die Ringkolbenfläche des sich dabei entleerenden hydrostatischen Arbeitsraums 8, müssen die beiden Kolben 4 und 14 sich voneinander unabhängig bewegen können oder dürfen nur elastisch miteinander gekoppelt sein.
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Offenbart ist eine hydraulische Schnellschaltsteuerung mit einem von einer drehzahlvariabel angetriebenen Hydromaschine mit Druckmittel versorgbaren Hydrozylinder, dessen Kolben hydraulisch gegen eine Feder in eine Ausgangsstellung spannbar ist, wobei zum Spannen ein erster Druckmittelströmungspfad, und zum vielfach schnelleren Entspannen ein dem ersten zuschaltbarer, zweiter Druckmittelströmungspfad vorgesehen ist, der über ein mit Steuerdruck steuerbares Logikventil, mit oder ohne Dämpfungszapfen, auf- und zusteuerbar ist. Erfindungsgemäß ist der Steuerdruck vom ersten Druckmittelströmungspfad abgegriffen, sodass das Logikventil direkt von der Hydromaschine steuerbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydrostatische Schnellschaltsteuerung
- 2
- Hydrozylinder
- 4
- Kolben
- 6
- Kolbenstange
- 8
- Hydrostatischer Arbeitsraum
- 10
- Ventilkegel
- 12
- Kolbenraum
- 14
- Kolben
- 16
- Niederdruckraum
- 18
- Erster Druckmittelströmungspfad
- 20
- Erster Arbeitsanschluss
- 22
- Hydromaschine
- 24
- Zweiter Arbeitsanschluss
- 26
- Elektromaschine
- 28, 28a, 28b, 28c
- Zweiter Druckmittelströmungspfad
- 28c
- Niederdruckbereich
- 30
- Logikventil
- 32
- Erster Arbeitsanschluss
- 34
- Zweiter Arbeitsanschluss
- 36
- Ventilkörper
- 38
- Feder
- 40
- Druckmittelleitung
- 42
- Druckbegrenzungsventil
- 44, 46, 48, 50, 52
- Dritter Druckmittelströmungspfad
- 54
- Rückschlagventil
- 56
- Parallelzweig dritter Druckmittelströmungspfad
- 58
- Filter
- 60
- Rückschlagventil
- 62
- Druckmittelleitung
- 64
- Rückschlagventil
- 66, 68
- Wegerfassungseinheit
- 70, 72
- Druckerfassungseinheit
- 74
- Temperaturanzeige
- 76
- Feder
- 78
- erste Drosselstelle
- 80
- Abgriff
- 82
- Steuerdruckleitung
- 84
- Rückraum
- 86
- zweite Drosselstelle
