DE10234403B4

DE10234403B4 - Vorrichtung zur aktiven Sicherheits-Endlagen-Dämpfung für bewegte Maschinenteile, insbesondere von Hochgeschwindigkeitsmaschinen und insbesondere für die Vermeidung des Havariefalls, beispielsweise einer Kollision mit der Endlage

Info

Publication number: DE10234403B4
Application number: DE2002134403
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. Morgenthal; Dieter Dr. Pollack; Rüdiger Gnann; Axel Van Spankeren
Original assignee: ARNOLD KARL H MASCH; Karl H Arnold Maschinenfabrik & Co KG GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: ARNOLD KARL H MASCH; Karl H Arnold Maschinenfabrik & Co KG GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: DE10234403A1

Abstract

Vorrichtung zum aktiven Sicherheits-Endlagen-Dämpfen für bewegte Maschinenteile, dadurch gekennzeichnet, dass an der starren Gestellwand (auch Prallwand genannt) (7) oder an der der Gestellwand direkt gegenüberliegenden Seite des bewegten (angetriebenen) Maschinenbauteils (5) mindestens ein Hochdruckbehälter (1), der in seinem von der Aufnahme (3) her gesehenen unteren Teil mit mindestens einem komprimierten Gas gefüllt ist, in einer Aufnahme (3) angeordnet ist, wobei dieser untere Teil unten durch den Fuß des Hochdruckbehälters (1), der sich in der Aufnahme (3) befindet, und oben durch eine Membran begrenzt wird und der obere Teil des Hochdruckbehälters (1) nach oben offen rohrförmig über diese Membran (4) hinausragt und dass sich an der jedem Hochdruckbehälter (1) gegenüberliegenden Seite ein Prallbehälter (6), der mit der Gestellwand (7) oder der dieser Gestellwand (7) gegenüberliegenden Seite des bewegten Maschinenbauteils (5) fest verbunden ist, befindet, dass dieser Prallbehälter (6) eine Größe hat, so dass der obere Teil des Hochdruckbehälters (1) in den...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Sicherheits-Endlagen-Dämpfung für bewegte Maschinenteile, insbesondere von Hochgeschwindigkeitsmaschinen und insbesondere für die Vermeidung des Havariefalls, beispielsweise einer Kollision mit der Endlage, sowie die Verwendung der Vorrichtung.
Die Vorrichtung kann bei allen Bearbeitungs- und Herstellungsprozessen angewendet werden, bei denen hoch automatisierte Maschinen zum Einsatz kommen, wo mit kürzestmöglichen Zykluszeiten bzw. mit hohen Geschwindigkeiten gearbeitet wird und vor Havarie beispielsweise vor Kollision mit der Endlage eine aktive Sicherheits-Endlagen-Dämpfung (Aufprallschutz), als Notbremse wirkend, das Zerstören von Maschinenkomponenten oder des Maschinensystems durch zu hohe Aufprallgeschwindigkeiten verhindert werden soll. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft aber nicht nur, bei Prozessen des Hochgeschwindigkeitsschneidens, -schweißens, -härtens usw., insbesondere mittels hochenergetischer Strahlung, beispielsweise Laserstrahlung, einsetzbar.
Bei fast allen bekannten Herstellungsprozessen wird versucht hochautomatisierte Maschinen mit kürzestmöglichen Zykluszeiten zu realisieren. Dabei spielt die Geschwindigkeit, mit der transportiert und produziert wird, d. h. also Bewegungen ablaufen, eine erhebliche Rolle für deren Wirtschaftlichkeit. Zu bewegende Massen müssen dann beschleunigt bzw. abgebremst werden und bei jedem Richtungswechsel muss Bewegungsenergie aufgenommen bzw. abgegeben werden, ohne dass es zu zerstörerischen Kräften an Anlagen und Komponenten kommt. Dabei gilt: Je höher die Transport- und Produktionsgeschwindigkeit, also die kinetische Energie ist, desto größer sind die Beschleunigungsund Bremskräfte und damit die Maschinenbelastung. Während diese Betriebszustände in der Regel berechenbar sind und durch konstruktive Auslegungen beherrschbar sind, ist für Ausnahmesituationen (beispielsweise notwendiges kurzfristiges schlagartiges Abbremsen zum Stillstand), insbesondere im Havariefall, wenn die Bewegungsumkehr ausfällt und das bewegte Maschinenteil sich ungebremst in Richtung einer Begrenzung (beispielsweise Wand, Schutzgitter usw.) bewegt, besondere Vorsorge zu tragen, da die extrem hohen kinetischen Energien (Massengeschwindigkeiten) insbesondere beim Havarieren zu extrem hohen Schäden an Maschinenkomponenten, am Maschinensystem und möglicherweise an Umgebungseinrichtungen der Maschine führen können. Von Lineardirektantrieben, wie sie neuerdings in Hochgeschwindigkeits- Laserschneidmaschinen eingesetzt werden, ist z.B. bekannt, dass diese beim Havarieren in die Endlagenbereiche der Linearführungen fahren und dabei zerstörerische Wirkungen am Maschinensystem hinterlassen. Bei Hochgeschwindigkeits-Maschinen wird sinnvollerweise der mögliche Verfahrbereich der Achsen verfahrenstechnisch/technologisch vollständig genutzt (Herstellerseitig angebotene Achslängen und Kostenabgrenzung) und damit die bisher verfügbaren Bremswege weiter minimiert. Dabei wären eigentlich auf Grund der zum Einsatz gebrachten höheren Verfahr-Geschwindigkeiten längere Bremswege notwendig. Diese sind aber in den Maschinensystemen minimiert. Weiterhin gegenläufig ist, dass mit den höheren Maschinengeschwindigkeiten die kinetische Energie der Maschinenkomponenten exponential wächst und damit entsprechend höhere Bremskräfte und längere Bremswege notwendig wären. Eine Verlängerung des Gesamtmaschinensystems, so dass das bewegte Maschinenbauteil bis zum Stillstand bzw. fast Stillstand "auslaufen" kann, kommt aus ökonomischer Sicht nicht in Betracht, da der Aufwand sehr hoch (z.B. größere Produktionsräume usw.) und der Nutzen sehr gering wäre (der Havariefall kommt nicht häufig vor, so dass dann der größte Teil der Maschine meist ungenutzt ist.
Ähnliche Zerstörungen sind von servogesteuerten oder gleichstrombetriebenen Spindelführungen bekannt, wenn z. B. das in den Motor integrierte Bremssystern ausfällt und Maschinenkomponenten, wie z.B. Schlitten, mit ihren großen kinetischen Energien (Massengeschwindigkeit), die durch Software und/oder Hardware gesetzten Endlagen überfahren und am Achs- bzw. Spindelende schlagartig zum Stehen kommen.
Herkömmlich wurde durch die bekannten passiven Bremssysteme versucht kinetische Energie durch Federn, Gummipuffer, Bremszylinder und Zylinderdämpfungen in potentielle Energie (Wärme) umzuwandeln, wobei hierbei nachteilig ist, dass Energien nur gespeichert werden (d.h. Umsetzumg in Wärme) und kein ausreichender Schutz, z.B. beim Anfahren/Überfahren von Endlagenbereichen durch eine Endlagendämpfung gegeben ist.
Neuerdings sind verschiedenartige aber ebenfalls ausschließlich passive Dämpfungssysteme entwickelt worden, die nach dem Verdrängungskörperprinzip arbeiten und wo kinetische Energie über Einwirkung auf Kolbenstangen Luft oder Öl verdrängt wird. Die kinetische Energie kann bei den pneumatisch oder hydraulisch arbeitenden passiven Dämpfern auf dem Bremsweg linear oder progressiv abgebaut werden. Bekannt ist weiterhin, dass gegenwärtig mit diesen pneumatisch oder hydraulisch arbeitenden passiven Systemen die kürzestmöglichen Bremszeiten und Bremswege erzielt werden können. Allgemein gilt: Je größer der mögliche Hub, desto geringer sind die Brems- und Stützkräfte.
Bei elektrischen Antriebsmaschinen werden z.B. in Gleichstrom-Antrieben federdruckgebremste Motoren verwendet. Das Sicherheitskonzept beruht darauf, dass vor dem Havariefall, Z.B. bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr, eine Ankerplatte von Bremsfedern beaufschlagt wird. Die Folge ist, dass eine Bremsscheibe zwischen der Verankerungsoberfläche und der Motorschutzwand einrastet. Wird die Spule wieder aktiviert, überwindet die magnetische Anziehung die elastische Reaktion der Federn und die Bremse wird gelöst.
Lineardirektantriebe zeichnen sich durch ihr kompaktes Antriebskonzept aus. Keine weiteren mechanischen Elemente zur Kraftübertragung, wie Getriebe, Zahnriemen, Kupplungen usw. werden benötigt. Durch die hohen Beschleunigungen können höchste Verfahrgeschwindigkeiten erzielt werden. Andererseits werden bei unkontrollierten Bewegungen bzw. bei hohen Bewegungsenergien mit den Hochgeschwindigkeits-Antriebssystemen beispielsweise bei einer eventuellen Kollision mit der Endlage erhebliche Beschädigungen an Maschinen, verbunden mit Produktionsausfall und kostspieligen Reparaturen verursacht, so dass kürzeste Bremszeiten und -wege mit zugleich kleinstmöglichen Bremswegen gefordert werden.

So z. B. wird in der DE 19729288 A1 ein Pralldämpfer zum Abbremsen eines auf ein Hindernis prallendes Fahrzeug beschrieben, wobei die Dämpfung durch zwei teleskopartig ineinander verschiebbare Rohre erreicht werden soll. Das System ist nach außen geschlossen. Das Innenrohr enthält einen unter hohem Druck stehenden Gasraum und einen Teil Flüssigkeit. Im Außenrohr befindet sich ein weiterer Flüssigkeitsraum. Die kinetische Energie beim Aufprall wird durch Verdrängung von Flüssigkeit und Kompression des Gases aufgenommen.

Dieses System ist aber nur bei Aufprallgeschwindigkeiten bis zu 8 km/h einsetzbar. In der US 6,135,434 wird eine Gasdruckfeder beschrieben. Hier handelt es sich ebenfalls um zwei teleskopartig angeordnete Rohre. Der Hauptkolben ist hier, im Gegensatz zu der DE 19729288 fest mit dem Außenrohr verbunden, d.h es gibt keine bewegliche Kolbenstange. Im Dämpfer gibt es zwei getrennte GasVolumen. Der Teil im Innenrohr ist nochmals durch verschiedene konstruktive Maßnahmen geteilt. Ein betriebsbedingter Gasaustausch wird durch mehrere Bohrungen/Querschnitte gewährleistet. Außerdem befindet sich im Innenrohr ein frei beweglicher Kolben. Durch Relativbewegung von Innen- zu Außenrohr kommt es zum Aufbau von unterschiedlichen Druckverhältnissen in den einzelnen Kammern (Unter- und Überdruck) und zu einer Bewegung des freien Kolbens. Durch diese Vorgänge wird eine Dämpfung des eingeleiteten Stoßes erzielt.

In DE 3937032 A1 wird der Aufbau eines speziellen pyrotechnischen Gasgenerators beschrieben, der aus einem Hochdruck- und einem Mitteldruckgehäuse und diese wiederum aus mehreren Kammern bestehen. Ziel ist, durch Zünden einer Sprengkapsel ein Arbeitsgas zu erzeugen, das wiederum einen Kolben verschiebt und dabei einen Schaltvorgang auslöst, wie z.B. das Betätigen des Rückstrammers beim Sicherheitsgurt. Durch verschiedene konstruktive Maßnahmen (spezielle Durchtrittsöffnungen) wird der extrem hohe Druckanstieg nach Zünden der Treibladung geglättet, ein zu schneller Druckabfall verhindert und eine "weichere" und über einen längeren Zeitraum ablaufende Ausdehnung des Gases erreicht.

In DE 29706364 U1 bzw. US 5953976 erfolgt die Dämpfung ähnlich DE 19729288 A1 über ein strömendes Fluid. Durch variable Abströmquerschnitte soll sich der Dämpfungsgrad regulieren lassen. Die Endlagendämpfung des Zylinders erfolgt durch Kombination mit einer Kegelfeder, die gleichzeitig als zusätzliches Ventil dient. Allerdings werden zur Steuerung der Endlagendämpfung zusätzliche Sensoren benötigt, die die Position des Kolbens erfassen und zur Steuerung von Wegeventilen weitergeben. Zur Berechnung dieses speziellen Dämpfungssystems wird ein formelmäßiger Ansatz gegeben.

Nachteilig bei allen bekannten Systemen ist der hohe konstruktive Aufwand und die hohe Masse.

Bei elektrischen Antriebsmaschinen werden z. B. in Gleichstrom-Antrieben federdruckgebremste Motore verwendet. Das Sicherheitskonzept beruht darauf, dass vor dem Havariefall, z. B. bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr, eine Ankerplatte von Bremsfedern gedrückt wird. Die Folge ist, dass eine Bremsscheibe zwischen der Verankerungsoberfläche und der Motorschutzwand einrastet. Wird die Spule wieder aktiviert, überwindet die magnetische Anziehung die elastische Reaktion der Federn und die Bremse wird gelöst.

Lineardirektantriebe zeichnen sich durch ihr kompaktes Antriebskonzept aus, wobei keine weiteren mechanischen Elemente zur Kraftübertragung, wie Getriebe, Zahnriemen, Kupplungen usw. benötigt werden und durch die hohen Beschleunigungen können höchste Verfahrgeschwindigkeiten erzielt werden. Andererseits werden bei unkontrollierten Bewegungen bzw. bei hohen Bewegungsenergien mit den Hochgeschwindigkeits-Antriebssystemen beim Havarieren erhebliche Beschädigungen an Maschinen, verbunden mit Produktionsausfall und kostspieligen Reparaturen verursacht, so dass kürzeste Bremszeiten und -wege mit zugleich kleinstmöglichen Bremskräften gefordert werden.

Allen bekannten Bremssystemen lastet der Mangel an, dass ein kurzfristig notwendiges starkes Abbremsen des bewegten Maschinenbauteils nicht möglich ist, und dass insbesondere bei Fehlfunktionen, z.B. Ausfall von Versorgungsmedien oder Fehlfunktion der NC-Steuerung, in den Achsendiagen keine ausreichende aktive Sicherheits-Endlagen-Dämpfung gewährleistet wird. Das hat zur Folge, dass nachteiligerweise ein kurzfristiges außerplanmäßiges starkes Abbremsen des bewegten Maschinenbauteils nicht möglich ist und somit die Flexibilität des Einsatzes der Anlage eingeschränkt ist. Im Havariefall allerdings ist dies besonders nachteilig, weil dann Zerstörung von Maschinenteilen und Umgebungseinrichtungen der Maschine die Folge sind.

Für den Fall, dass bei einem Gesamtmaschinensystem (ist bisher nicht bekannt, da solche Gesamtmaschinensysteme bisher nicht realisiert sind) „Auslaufzonen" für das bewegte Maschinenteil für den Havariefall vorgesehen sind, so ist bei derartigen Gesamtmaschinensystemen nachteilig, dass diese sehr platzaufwendig und daher unökonomisch und unrentabel sind, da diese "Auslaufzonen", die meist dann den größten Teil des Gesamtmaschinensystems beanspruchen, die meiste Zeit ungenutzt und damit unwirtschaftlich sind.

Darüberhinaus sind zur Sicherheits-Endlagen-Dämpfung aus DE 201 19 207 U1 , DE 41 183 00 A1 und DE 195 14 191 A1 Lösungen bekannt bei denen in begrenztem Umfang expandierendes Gas zur Dämpfungswirkung eingesetzt wird. Bei DE 201 19 207 U1 wird dabei durch das expandierende Gas ein Gegendruck erzeugt, durch den ein komprimiertes pneumatisches Medium in einen Hohlraum durch eine Öffnung gerichtet freigesetzt wird. In DE 41 183 00 A1 wird das expandierende Gas durch einen Aufblasvorgang gerichtet freigesetzt. Desweiteren ist noch aus DE 195 14 191 A1 bekannt im Endbereich von Längsträgern oder in der Seitentüre von Fahrzeugen pyrotechnische Treibsätze einzubauen, die dazu dienen sollen beim Aufprall in den genannten Bereichen eine Gegenkraft zu erzeugen. Bei allen drei Lösungen ist von Nachteil, dass sie einen erhöhten apparativen Aufwand erfordern und dass nicht flexibel auf unterschiedliche Maschinenteilgrößen und -formen einstellbar sind.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur aktiven Sicherheits-Endlagen-Dämpfung für bewegte Maschinenteile, insbesondere von Hochgeschwindigkeitsmaschinen und insbesondere bei Fehlfunktionen anzugeben, die sämtliche Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung der genannten Art vorzu schlagen, mit der bei Fehlfunktionen Maschinenkomponenten bzw. Maschinensysteme vor dem Selbstzerstören geschützt werden, wenn verbotene Endlagenbereiche befahren werden und auf kürzestem Weg, schlagartig die Verfahrgeschwindigkeit bzw. die kinetische Energie (Massegeschwindigkeit) zu reduzieren ist.

Dabei ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung der genannten Art aufzuzeigen, mit dem man in der Lage ist, bewegte Maschinenteile schlagartig ohne zusätzlichen Energieeintrag stark und/oder bis zum Stillstand abzubremsen, ohne dass Beschädigungen und/oder Zerstörungen an dem Maschinenteil, an dem Gesamtmaschinensystem an den Umgebungseinrichtungen und/oder an anderen Anlagen/Einrichtungen entstehen.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 gelöst.

Bei dem Verfahren zum aktiven Sicherheits-Endlagen-Dämpfen für bewegte Maschinenteile, insbesondere von Hochgeschwindigkeitsmaschinen und insbesondere im Havariefall, das bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung abläuft, erfolgt die aktive Sicherheits-Endlagen-Dämpfung durch expandierendes Gas und ohne Einsatz von Zusatzenergie. Dieses Verfahren ist besonders dadurch gekennzeichnet, dass beim Befahren von verbotenen oder gefährlichen Endlagenbereichen die sehr kurz (beispielsweise _ 30 mm sein können), bzw. kurz bevor das bewegte Maschinenteil diese Bereiche erreicht, Gas durch eine oder mehrere parallel ablaufende und keine Zusatzenergie erfordernde mechanische Einwirkungen in einem oder mehreren Gasspeichern gerichtet freigesetzt wird und dadurch schlagartig eine Bremskraft erzeugt wird, die das bzw. die bewegten Maschinenteile auf kürzestem Weg zum Stillstand bringt bzw. so stark abbremst, dass sie zwar erst an der und durch die Endlage (Prallwand) zum Stillstand kommt, und damit Schaden verhindert wird. Dabei ist die Stärke der gerichteten Gasexpansion auf die Geschwindigkeit des bewegten Maschinenbauteils am Beginn der einen oder mehreren parallel ablaufenden und keine Zusatzenergie erfordernden mechanischen Einwirkungen, der Masse des bewegten Maschinenbauteils und die verbleibende Weglänge bis zum gewünschten Stillstand des bewegten Maschinenbauteils abgestimmt. Es ist hierbei von Vorteil, wenn der Gasspeicher ein Hochdruckbehälter ist. Vorzugsweise sollte die Gasfreisetzung durch eine oder mehrere keine Zusatzenergie erfordernde mechanische Einwirkung ausgelöst werden, in dem einer oder mehrere lange spitze Gegenstände aus ausreichend festem Material beispielsweise Schlagbolzen, Nadeln, Nägel und/oder Dorne auf den Gasspeicher trifft, diesen partiell öffnet und so die Gasfreisetzung auslöst.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der oder die langen spitzen Gegenstände fest mit der Endlage (Prallwand) und der oder die Gasspeicher fest mit dem bewegten Maschinenbauteil verbunden ist/sind, oder der oder die langen, spitzen Gegenstände fest mit dem bewegten Maschinenbauteil und der oder die Gasspeicher fest mit der Endlage (Prallwand) verbunden sind und für den Fall dass mehrere mechanische Einwirkungen auf mehrere Gasspeicher erfolgen ist es günstig, wenn dann ein erster Teil der langen, spitzen Gegenstände fest mit der Endlage (Prallwand) und der andere Teil der langen, spitzen Gegenstände fest mit dem bewegten Maschinenbauteil verbunden sind und im Gegenzug dazu für den ersten Teil der langen spitzen Gegenstände die Gasspeicher fest mit dem bewegten Maschinenbauteil und für den anderen Teil der langen spitzen Gegenstände fest mit der Endlage (Prallwand) verbunden sind.

Es hat sich weiterhin gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn in dem einen oder mehreren Gasspeichern komprimiertes Gas und/oder ein oder mehrere reaktionsfähige Stoffe und/oder ein oder mehrere reaktionsfähige Stoffgemische, deren Reaktionsfähigkeit darin besteht bei der mechanischen Einwirkung schlagartig (d.h. < 0,5 ms) allein oder miteinander zu reagieren und ein Gas freizusetzen, enthalten sind. Für den Fall, dass mehrere Gasspeicher eingesetzt werden ist es günstig, wenn diese unterschiedlich gefüllt sind und so diese Gasspeicher ein komprimiertes Gas und/oder einen oder mehrere reaktive Stoffe bzw. Stoffgemische und/oder ein komprimiertes Gas und einen oder mehrere reaktive Stoffe und/oder Stoffgemische enthalten. Dabei sollte die mechanische Einwirkung, die die schlagartige Reaktion und Gasfreisetzung der reaktionsfähigen Stoffe und/oder Stoffgemische bewirkt, durch den oder die langen, spitzen Gegenstände ausgelöst werden. Hierbei könnten mehrere reaktive Stoffgemische verwendet werden, wie sie beispielsweise bei Kaltgasgeneratoren, Hybridgasgeneratoren und/oder pyrotechnischen Generatoren aus der Airbagtechnik bekannt sind.

Für alle 3 Generatorentypen können folgende Grundsätze und Konzentrationsbeispiele dienen (für Hybridgeneratoren vgl. auch Tabelle 1).

1. Kaltgasgeneratoren: Speicher aus Ar/He 94 %/6 % und geringer Pyrotechnischer Zusatz (Heizgase). Speicher reicht meist nicht aus und wird daher nicht mehr so häufig eingesetzt
2. Hybridgeneratoren: Speicher (40 bis 50 %) und Pyrotechnischer Zusatz, wird am häufigsten eingesetzt.
3. Pyrotechn. Generatoren: ACID-Sätze und Kaliumchlorid-Sätze Aminotetracol; Strontiumnitrat (60 %) → O₂; H₂; N₂; H₂O

Tabelle 1:

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der oder die langen, spitzen Gegenstände bei ihrer mechanischen Einwirkung auf den oder die Gasspeicher diesen oder diese an ihrer auf die langen, spitzen Gegenstände gerichteten Seite eine kleine Öffnung, die beispielsweise ein Loch sein kann, in den Gasspeicher schlagen und somit die zielgerichtete Gasexpansion in Richtung der gegenüberliegenden Seite gewährleistet wird, wobei die Öffnungsgröße mit der Dicke des langen, spitzen Gegenstandes variiert wird und Öffnungsgröße auf die benötigte Gasexpansionskraft abgestimmt ist. Hierbei kann günstigerweise die durch die Gasexpansion erzielte Bremskraft des Maschinenbauteils verstärkt und die Zielrichtung der Gasexpansion verbessert werden, wenn das expandierende Gas unmittelbar nach Austritt aus dem Gasspeicher über eine oder mehrere zusätzliche Düsen in Richtung der Gegenseite wirkt, wobei es dabei günstig ist, wenn die eine oder mehrere Düsen mit dem oder den langen, spitzen Gegenständen fest verbunden ist, derart, das zum Zeitpunkt, an dem der lange, spitze Gegenstand die betreffende Wand des Gasspeichers durchstößt, die Düse abdichtend und überdeckend an der durch die Wirkung des langen, spitzen Gegenstandes in der Entstehung befindlichen Öffnung auftrifft, so dass die Gasexpansion ausschließlich durch die Düsenöffnung erfolgt. Hierbei ist es in der Regel so, dass die Membran des Kaltgasbehälters platzt, wenn sie punktuell beschädigt wird.

Bei dem Verfahren, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird, hat sich als besondes vorteilhaft erwiesen, wenn im Störfall oder im Fall der Notwendigkeit der sofortigen starken Abbremsens des bewegten Maschinenbauteils vor bzw. an der Endlage (Prallwand) der oder die Schlagbolzen (8) die auf sie gerichtete Wand des Gasspeichers (1) durchstoßen, dabei sofort das Gas durch die entstehende Öffnung des Gasspeichers (1) expandiert und/oder zunächst der oder die reaktionsfähigen Stoffe und/oder Stoffgemische zur Reaktion gebracht werden, dabei das Gas freigesetzt wird und anschließend das Gas durch die entstehende Öffnung des Gasspeichers (1) expandiert. Dabei befindet sich der lange, spitze Gegenstand (8) in einem Prallbehälter (6), der so groß im Durchmesser ist, dass die über den Gasspeicher (1) hinausgehenden verlängerten Wände des Gasspeichers (1), d.h. in den äußeren Teil des Gasspeichers (1), in dem kein Gas komprimiert war und/oder in dem sich auch keine reaktionsfähigen Stoffe und/oder Stoffgemische befunden haben, in diesen Prallbehälter expandieren, so dass das expandierende Gas aus der Öffnung austritt und innerhalb dieser verlängerten Wände des Prallbehälters (6) zielgerichtet in Richtung der Gegenseite expandiert. Dort trifft das expandierende Gas auf den Boden des Prallbehälters (6) und kann sich dort aber nicht nach allen Seiten ausbreiten, sondern es wird innerhalb des Prallbehälters zurückgestoßen, so dass es dem nachkommenden expandierenden Gas entgegenströmt und so die Bremswirkung insgesamt verstärkt.

Die Vorrichtung zum aktiven Sicherheits-Endlagen-Dämpfen für bewegte Maschinenteile insbesondere von Hochgeschwindigkeitsmaschinen und insbesondere im Fall von Fehlfunktionen ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass an der starren Gestellwand (auch Prallwand genannt) (7) oder an der der Gestellwand direkt gegenüberliegenden Seite des bewegten (angetriebenen) Maschinenbauteils (5) einer oder mehrere Hochdruckbehälter (1), die in ihrem von der Aufnahme (3) her gesehenen unteren Teil mit einem oder mehreren komprimierten Gasen und/oder einer oder mehreren reaktionsfähigen Stoffen und/oder Stoffgemischen (2) gefüllt sind, in einer Aufnahme (3) angeordnet sind. Dabei wird dieser untere Teil unten durch den Fuß des Hochdruckbehälters (1 ), der sich in der Aufnahme (3) befindet, und oben durch eine Membran begrenzt und der obere Teil des Hochdruckbehälters (1) ragt nach oben offen rohrförmig über diese Membran (4) hinaus. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sich an der dem Hochdruckbehälter (1) gegenüberliegenden Seite ein Pralibehälter (6) der mit der Gestellwand (7) oder dieser Gestellwand (7) gegenüberliegenden Seite des bewegten Maschinenbauteils (5) fest verbunden ist, befindet, dass dieser Prallbehälter (6) eine Größe hat, so dass der obere Teil des Hochdruckbehälters (1) in den Prallbehälter (6) hineingleiten kann und, dass sich in dem Prallbehälter (6) ein ausreichend langer, spitzer, stabiler Gegenstand aus Metall befindet, wobei diesbezüglich Nadeln, Nägel, Dorne und/oder Schlagbolzen am günstigsten einzusetzen sind.

Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Ausnahmesituation "Havarie" (Fehlfunktion) die unterschiedlichsten Ursachen haben kann. Der oben beschriebene erfindungsgemäße aktive Sicherheits-Endlagen-Aufprallschutz (Verfahren und Vorrichtung) stellt eine Schutzmaßnahme dar, die in jedem Fall unabhängig ob NC-Steuerungsfehler, plötzlicher Ausfall von Versorgungsmedien, mechanischer Bruch oder Verschleiß U.ä. die Auslöser sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen des aktiven Sicherheits-End lagen-Dämpfers (Aufprallschutz) wird ein ausreichender Schutz für Maschinenkomponenten und -systeme gegeben und Gefahrensituationen werden ohne größere Beschädigungen und Folgeschäden überstanden.

Es wurde überraschenderweise gefunden und es war durch den bekannten Stand der Technik nicht vorbeschrieben, dass mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem damit durchgeführten Verfahren alle gestellten Aufgaben gelöst werden und der umfassende Schutz des Gesamtmaschinensystems und der Umgebungseinrichtungen im Fall von Fehlfunktionen (Havarie) gewährleistet ist.

Wie bereits oben skizziert, besteht der aktive Sicherheits-EndlagenDämpfer (Aufprallschutz) aus einem Hochdruckbehälter als Gasgenerator, der ständig zusätzliche Energie bereit hält und die auch immer verfügbar ist. Es wurde gefunden, dass mit dieser Zusatzenergie bei notwendigen Havarie-Bremsprozessen deutlich höhere Bremskräfte erreicht werden, als bisher von den passiven Systemen bekannt sind. Beim Befahren von verbotenen Endlagenbereichen wird eine Membran durchstochen und schlagartig, wie bei einem Raketenantrieb strömt aus dem Hochdruckbehälter (Kaltgasbehälter) das unter Druck stehende Gas aus und der bevorstehende Aufprall wird nach dem Düse-Prallplattenprinzip, gebremst, gedämpft und gestoppt. Aus dem Hochdruckbehälter (Kaltgasbehälter) kann dabei nur vorgespanntes Gas, z.B. Argon mit 220 bar freigesetzt werden oder ähnlich wie Z.B. von Airbag-Systemen bekannt ist, sogenannte Hybridlösungen zum Einsatz kommen.

An dieser Stelle sei lediglich der Vollständigkeit halber eingefügt, dass auch das Airbag-System im Sinne der hier beanspruchten Definition ein passives System (Element) darstellt, da das aus dem Hochdruckbehälter ausströmende Gas nur den Luftsack aufbläst, der Luftsack nicht bremst, sondern die Bremskraft durch das beim Aufschlagen eines Körpers auf den Luftsack, entweichende Gas erst entsteht.

Bei Hybridlösungen wird beim schlagartigen Freisetzen des vorgespannten Gases aus dem Hochdruckbehälter (Gasspeicher) gleichzeitig durch Gasgeneratorsubstanzen zusätzliches Gas erzeugt. Dadurch wird einerseits eine extrem kurze Reaktionszeit erreicht und andererseits wird die verfügbare Gasausströmmenge und/oder der Druck vergrößert und in dem vorgeschlagenen Verfahren die Wirkung des aktiven SicherheitsEndlagen-Aufprallschutzes erhöht. Das schlagartige Freisetzen des vorgespannten Gases und/oder der zusätzlichen Treibladung erfolgen bei dem mechanischen Zerstören/Durchstechen der Membran, die als Abschluss auf dem Hochdruckbehälter (Kaltgasbehälter) angeordnet ist. Diese zusätzliche, zielgerichtete und verfügbare Bremsenergie ist bei ihrem Einsatz nicht zwangsweise an Medienanschlüsse, an Sensoren, an Schalter, an Nocken oder dergl. gebunden.

Dem oder den Hochdruckbehältern (Gasspeicher) sind gegenüberstehend vorzugsweise Dorne/Nadeln angeordnet, durch die beim Befahren von verbotenen Bereichen, also beim Havarieren, die Membranen der oder die Hochdruckbehälter (Gasspeicher) schlagartig durchstochen werden, das vorgespannte Gas ausströmt und raketentriebartig das sich bewegende Maschinenbauteil auf kürzestem Wege so abgebremst und zum Stillstand gebracht wird, dass an dem Maschinenbauteil und dem Maschinensystem durch die hohen Bremskräfte keine Beschädigungen oder bleibenden Deformationen auftreten.

Dabei können die Dorne/Nadeln oder die Hochdruckbehälter (Kaltgasbehälter) auf dem sich bewegenden Maschinenbauteil oder umgekehrt auf dem feststehenden Gegenlager, z.B. Gestellwand, angebracht sein. Die entstehenden Bremskräfte müssen in jedem Fall durch Widerlager, z.B. Gestellwände oder Prallwände, aufgenommen werden. Die Verteilung und die Einleitung der Bremskräfte auf das sich bewegende Maschinenbauteil und andererseits auf die Widerlager ist konstruktiv so zu unterstützen, dass keine bleibenden und den späteren Maschinenbetrieb störende Verformungen hervorgerufen werden.

Vorteilhaft dabei ist, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung die Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie erfolgt,

– ohne eine zusätzliche Medienversorgung oder Steuerung
– mit kürzesten Bremswegen oder mit solchen kurzen Bremswegen, dass gerade noch keine bleibenden Verformungen an Maschinenbauteilen oder am Maschinensystem verursacht werden und
– nicht nur als Punktlast, sondern vorteilhafterweise als Flächenlast, was z. B. durch die konstruktive AnordnungNerteilung von mehreren Dorn/Hochdruckbehältern, parallel geschaltet, erreicht werden kann.
– Es ist weiterhin sehr vorteilhaft, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung bei dem aktiven Sicherheits-Endlagen-Aufprallschutz die Hauptbestandteile, nämlich Dorn/Hochdruckbehälter, ein geringes Bauvolumen und geringe Massen aufweisen.
– Hochdruckbehälter und/oder Gasgeneratoren so preiswert gefertigt werden, dass diese Verschleißteile darstellen und wenig preisintensiv sind.
– die verwendeten Hochdruckbehälter (Gasgeneratoren) unterschiedliche Gasmengen und -drücke erzeugen bzw. portionsweise arbeiten können.
– das der Auslöseprozess (Durchstechen der Membran) mechanisch voreinstellbar und justierbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung konnten alle Nachteile des Standes der Technik beseitigt und alle gestellten Aufgaben gelöst werden.

Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher beschrieben werden. Dabei werden in den 1 und 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Wirkungsprinzip schematisch skizziert.
Hierbei ist in 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung und in 2 ein Maschinenwagen, an dem die erfindungsgemäße Vorrichtung angebracht ist, schematisch dargestellt, wobei an beiden Figuren erkennbar sein soll, wie auch das beschriebene Verfahren ablaufen soll, bei dem dieser Maschinenwagen trotz großer Masse in kürzerster Zeit zum Stillstand gebracht wird, indem die Freisetzung des komprimierten Gases mechanisch erfolgt.
Ausführungsbeispiel:
Der Wagen 5 einer Hochgeschwindigkeitsschneidmaschine (2) wird, wie im folgenden beschrieben, mittels Hochdruckairbagpatronen 1 (Kaltgasgenerator) im Falle einer Havarie vor einer Kollision mit anderen Maschinenteilen zum Stillstand gebracht. Der Wagen 5 hat eine Masse von 150 kg und fährt mit maximaler Geschwindigkeit von 300 mlmin. Es steht ein Bremsweg von 50 mm zur Verfügung. Seine Antriebe sind die Beschleunigungen bis 4g ausgelegt.
Die Kaltgasgeneratoren 1 (Patronen) sind mit ca. 40 cm³ Argon gefüllt, bei einem Druck von 220 bar (optional auch mit Treibladung, mit der ein wesentlich höherer Druck erzielt werden kann). Als Dorn 8 dient hier eine Stahlspitze.
Bei der Konstruktion ist die Anordnung der Patronen zu berücksichtigen bzw. die Konstruktion muss im Havariefall die Bremskräfte ohne mechanische Schäden aufnehmen können.
In der nachfolgenden Abschätzung wird die Wirksamkeit und Funktionsfähigkeit der vorgeschlagenen Lösung unterstrichen. Bei einer mit Linearmotoren angetriebenen Hochgeschwindigkeitsschneidmaschine, Beschleunigungen > 4g, soll der Schneidwagen mit seiner Masse von m = 150 kg mit einer Geschwindigkeit von v = 300 m/min auf einem Bremsweg von s = 50 mm zum Stehen gebracht werden. Die Bremsung erfolgt mit den Sicherheits-Endlagen-Dämpfern (Aufprallschutz) , die einen Hochdruckbehälter als Gasgenerator beinhalten und jeder eine Energie beinhaltet, die sich aus Vo = 40 cm³ Argon mit einem Druck von p_o = 220 bar ergibt.
Der Aufprallschutz muss die gleiche Energie besitzen wie der abzubremsende Schneidwagen. Konstruktive Maßnahmen verhindern bei zu langsamer Aufprallgeschwindigkeit des Wagens, dass dieser in Richtung gegenüberliegende Endlagenseite beschleunigt wird. Für die Bremskraft F und die Bremszeit t gelten:
F = m v²/2s bzw. t = 2s/v bei konst. Kraft.
Für die Druckverhältnisse der Gasströmung (9) in der Druckkammer gilt F = p·A, wobei A die Fläche darstellt und für das Volumen V = A·s. Das Energiegleichgewicht wird gebildet durch: p_o·V_o = p·V_o bzw. p_o·V_o = F·s.
Durch die Querschnittsfläche Q entweicht beim Abbremsen ständig Gas, was bei hohen Drücken mit Schallgeschwindigkeit c erfolgt. Während der Bremszeit t = 2 s/v soll das gesamte Gas entweichen.
Durch Q·c·t = V = A·s bzw. Q/A = s/c·t = v/2·c wird der Flächenanteil für die Ausströmöffnung aus der Gesamtfläche festgelegt.
Mit m = 150 kg, v = 5 m/s und 2s = 10 cm → F = 150 kg·25 m²/0,1 m·s² = 3750 kp;
P_o = 220 at, V_o = 40 cm" → p_o·V_o = 8800kp·cm"/m2 = 88kpm, F·s = 3750 kp·0,05 m = 188 kpm.
C = 300 m/s v/2c = 5/600 ~ 0,8 %, d. h., dass
bereits mit zwei Druckbehältern die notwendigen Bremskräfte aufgebracht werden kann.

1: Gasspeicher (Hochdruckbehälter)
2: Gasfüllung
3: Aufnahme
4: Membran
5: Angetriebenes Maschinenbauteil
6: Prallbehälter
7: Gestellwand, starr
8: Nadel/Dorn
9: Gasströmung
10: Bewegungsrichtung
D: Durchmesser Membran

Claims

Vorrichtung zum aktiven Sicherheits-Endlagen-Dämpfen für bewegte Maschinenteile, dadurch gekennzeichnet, dass an der starren Gestellwand (auch Prallwand genannt) (7) oder an der der Gestellwand direkt gegenüberliegenden Seite des bewegten (angetriebenen) Maschinenbauteils (5) mindestens ein Hochdruckbehälter (1), der in seinem von der Aufnahme (3) her gesehenen unteren Teil mit mindestens einem komprimierten Gas gefüllt ist, in einer Aufnahme (3) angeordnet ist, wobei dieser untere Teil unten durch den Fuß des Hochdruckbehälters (1), der sich in der Aufnahme (3) befindet, und oben durch eine Membran begrenzt wird und der obere Teil des Hochdruckbehälters (1) nach oben offen rohrförmig über diese Membran (4) hinausragt und dass sich an der jedem Hochdruckbehälter (1) gegenüberliegenden Seite ein Prallbehälter (6), der mit der Gestellwand (7) oder der dieser Gestellwand (7) gegenüberliegenden Seite des bewegten Maschinenbauteils (5) fest verbunden ist, befindet, dass dieser Prallbehälter (6) eine Größe hat, so dass der obere Teil des Hochdruckbehälters (1) in den Prallbehälter (6) hineingleiten kann und, dass in jedem Prallbehälter (6) ein ausreichend langer spitzer stabiler Gegenstand (8) angeordnet ist, der beim Auftreffen auf die Membran (4) diese durchstößt und damit die Gasexpansion realisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Havariefall oder im Fall der Notwendigkeit des sofortigen Abbremsen des bewegten Maschinenbauteils vor der Endlage (Prallwand), wobei vor auch sehr nahe an der Endlage bedeuten kann, der oder die langen stabilen Gegenstände (8) so angeordnet sind, dass sie die auf sie gerichtete Wand des Gasspeichers (1) durchstoßen, dabei sofort das Gas durch die entstehende Öffnung des Gasspeichers (1) expandiert, wobei der lange, spitze Gegenstand (8) sich in dem Prallbehälter (6) befindet, der so groß im Durchmesser ist, dass die über den Gasspeicher (1) hinausgehenden verlängerten Wände des Gasspeichers (1), d. h. der obere Teil des Gasspeichers (1), in dem kein Gas komprimiert war, in diesen Prallbehälter hinein gleiten können, so dass das expandierende Gas aus der Öffnung austritt, innerhalb dieser verlängerten Wände des Prallbehälters (6) zielgerichtet in Richtung der Gegenseite expandiert, dort auf den Boden des Prallbehälters (6) trifft und sich dort aber nicht nach allen Seiten ausbreiten kann, sondern innerhalb des Prallbehälters zurückgestoßen wird, so dem nachkommenden expandierenden Gas entgegenströmt und so die Bremswirkung insgesamt verstärkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verbotenen oder gefährlichen Endlagenbereiche ≤ 30mm sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ausreichend lange, spitze , stabile Gegenstand (8) eine Nadel, ein Nagel, ein Dorn und/oder Schlagbolzen ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das expandierende Gas unmittelbar nach Austritt aus dem Gasspeicher (1) über mindestens eine zusätzliche Düse in Richtung der gegenüberliegenden Seite geblasen wird, wodurch die durch die Gasexpansion erzielte Bremskraft des Maschinenbauteils und die Zielrichtung der Gasexpansion verbessert werden.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbehälter (1) anstelle des komprimierten Gases mit mindestens einem reaktionsfähigen Stoff und/oder Stoffgemisch gefüllt ist, wobei für diesen Fall bei Durchstoßen der Wand des Gasspeichers (1) durch den langen, spitzen, stabilen Gegenstand (8) der mindestens eine reaktionsfähiger Stoff und/oder Stoffgemisch zur Reaktion gebracht wird, dabei das Gas freigesetzt wird und anschließend das Gas durch die entstehende Öffnung des Gasspeichers expandiert.