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Antriebseinheit für Hebezeuge Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit
für Hebezeuge mit einem leistungsmäßig gering dimensionierten, durchlaufenden Antriebsmotor,
z. B. Brennkraftmaschine oder Elektromotor, und einen: hydraulischen Akkumulator,
bei der die potentielle-Energie der gehobenen Lasst zurückgewonnen wird.
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Hydraulische Antriebe mit Akkumulator sind bekannt, so daß hier auf
die Vorzüge, welche die Verwendung eines Akkumulators mit sich bringt, nicht eingegangen
zu werden braucht. Bei den bekannten Antrieben wird mit Hilfe einer von einem durchlaufenden
Motor angetriebenen Pumpe der Akkumulator dauernd unter Druck gehalten. Bei Betätigung
des Triebwerkes, z. B. des Hubwerkes, wird der hydraulische Triebwerksmotor aus
dem Akkumulator gespeist. Das Arbeitsmittel fließt dann von dem Triebwerksmotor
in einen Behälter, aus dem es die den Akkumulator füllende Pumpe wieder ansaugt.
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Es ist im Hebezeugbau bei elektromechanischen Hubwerken ferner bekannt,
die in einer gehobenen Last enthaltene potentielle Energie zurückzugewinnen. Das
geschieht auf die Weise, daß beim Senken die Last den Elektromotor als Generator
antreibt und dieser dem Netz Strom zurückgibt.
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Der Erfindung obliegt die Aufgabe, die bekannten hydraulischen Hebezeugantriebe
mit Akkumulator energetisch zu verbessern. Die bekannten Antriebe sind nämlich in,
dieser Hinsicht insofern ungünstig, als bei ihnen immer die volle Leistung aus dem
Akkumu.lator entnommen wird, gleichgültig ob nur der leere Haken, eine kleine Last
oder die Vollast bewegt und ob im Hub- oder Senksinne gefahren wird. Auch wird bei
diesen bekannten hydraulischen Antrieben die potentielle Energie der gehobenen Last
nicht zurückgewonnen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß zwei getrennte: Systeme
(Akkumulatorsystem - Triebwerlcssystem) an einem hydraulischen Hauptmotor angeschlossen
sind und eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche den hydrautischen Hauptmotor
in Abhängigkeit von seiner Drehzahl als Motor oder Pumpe schaltet und regelt. Nach
der Erfindung setzt sich hierbei das Akkumulatorsystem im wesentlichen aus einem
Antriebsmotor, einer Pumpe, einem Akkumulator und einem Arbeitsmittelbehälter zusammen
und ist hydraulisch mit dem Hauptmotor verbunden. Demgegenüber ist erfindungsgemäß
das Triebwerkssystem mechanisch an den. hydraulischen Hauptmotor angeschlossen und
besteht je nach: Anzahl der Einzeltriebwerke im wesentlichen aus einem oder mehreren
hydraulischen Kreisläufen, von denen jeder wenigstens eine Pumpe. und einen das
Triebwerk antreibenden Hydraulikmotor einschließt.
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Ein anderer Erfindungsgedanke ist die Verwendung von hydraulischen
Motoren, die auch als Pumpen arbeiten können, und von Pumpen, die auch als Motoren
arbeiten können, für das Triebwerkssystem. Die Pumpe bzw. Pumpen sind erfindungsgemäß
als regelbare Pumpen ausgebildet.
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Ein weiteres Kennzeichen besteht darin, daß bei einer Mehrzahl Triebwerke
die Pumpen des Triebwerkssystems über eine gemeinsame Vorgelegewelle mit dem hydraulischen
Hauptmotor verbunden sind.
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Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal ist die Regeleinrichtung
für den hydraulischen, Hauptmotor als Fliehkraftregler ausgebildet.
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Gegenüber den bekannten hydraulischen Hebezeugantrieben mit Akkumulator
weist die erfindungsgemäße Antriebseinheit den Vorteil auf, daß bei ihr jeweils
nur die Energie dem Akkumulator entnommen \vird, welche für die zu verrichtende
Arbeit gerade erforderlich ist. Bei negativen Belastungen des Triebwerkssystems
(z. B. beim Lastsenken; Abwärtsfahren; Berga.hdrehen bei Kranen auf Schiffen, die
häufig infolge des Seeganges schräg liegen) wird die potentielle Energie, die bei
den. bekannten Antrieben nutzlos verlorengeht, zurückgewonnen und zusätzlich in
dein Akkumulator gespeichert. Ein weiterer Vorzug der erfindungsgemäßen Antriebseinheit
besteht darin, da.ß sich die einzelnen Triebwerke einsfach und sichrer regeln lassen,
insbesondere ist diese Regelung im Gegensatz zu den üblichen hydraulischen Antrieben
mit Akkumulator nicht von, der Füllung des Akkuinulators und von der Größe, der
Belastung des einzelnen Triebwerkes sowie von der Art dieser Belastung (positiv
- negativ) abhängig.
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In der "Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
veranschaulicht, und zwar zeigt diese die Antriebseinheit in der Verwendung bei
einem Wippdrehkran.
Nach der Erfindung ist an dem hydraulischen
Hauptmotor 1, der als Axialkolbeneinheit ausgebildet ist, das Akkumulatorsystem
hydraulisch und das Triebwerkssystem mechanisch angeschlossen. Das Akkumulatorsystem
besteht im wesentlichen aus einem Antriebsmotor in Form eines Dieselmotors 2, einer
Pumpe 3, einem Arbeitsmittelbehälter 4 und einem Akkumulator 5. Der Dieselmotor
2 ist leistungsmäßig gering dimensioniert, z. B. 10% der Voll leistung, die erforderlich
ist, wenn alle Triebwerke gleichzeitig tätig und. mit Nennlast belastet sind. Der
Dieselmotor 2, der mit konstanter Leistung gefahren wird, treibt die Pumpe 3 an.
Diese saugt das Arbeit, mittel in Form von Öl über die Leitung 6 aus dem Behälter
4 an und fördert es über die Leitung 7 in den Akkumulator 5. Eine Leitung 8, die
an die Leitung 7 angeschlossen ist, verbindet einerseits den Akkumulator 5 mit dem
hydraulischen Hauptmotor 1 und andererseits letzteren direkt mit der Speisepumpe
3. Der Rückstrom vom Hauptmotor 1 zum Arbeitsmittelbehälter 3 erfolgt über die Leitung
9. Um die Füllung des Akkumulators bzw. den Druck in ihm zu begrenzen, z. B. auf
100 at, ist in: die Leitung 7 ein Umschaltventil 10 eingebaut. Es wird über eine
Fühlleitung 11 vom Akkumulatordruck gesteuert und sperrt, sobald der Druck auf 100
at angestiegen, ist, die Leitung 7 zwischen ihm und. dem Akkumulator 5 und öffnet
einen Durchfluß zur Leitung 47, so: daß die Pumpe im toten Kreislauf 6, 7, 10, 47
fördern kann.
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Das Triebwerkssystem besteht im wesentlichen aus vier Kreisläufen,
von denen, der erste demn. Hubwerk. der zweite dem Wippwerk, der dritte dem Drehwerk
und der vierte dem Fahrwerk zugeordnet ist. Der Hubwerkskreislauf besteht aus den
Rohrleitungen 12 und 13, von denen an erstere der Ansaugstutzen 14 und an letztere
der Ansaugstutzen 15 angeschweißt ist. Im Hubwerkskreislauf liegt die regelbare
Pumpe 16 und der Hubwerksmotor 17. Die Hubwerkspumpe 16 kann stufenlos von Null
auf maximale Fördermenge geregelt werden und fördert je nach Einstellung entweder
in Leitung 12, wobei sie aus Leitung 13 Arbeitsmittel ansaugt, oder in Leitung 13,
wobei sie aus Leitung 12 ansaugt. Eventuelle Leckverluste werden durch Nachsaugen
aus Leitung 14 oder Leitung 15 ausgeglichen. Der Hubwerksmotor 17 treibt über ein
nicht dargestelltes Untersetzungsgetriebe die Hubtrommel an.
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Der Wippwerkskreislauf wird gebildet von einer Leitung 18 mit Ansaugstutzen.
20 und einer Leitung 19 mit Ansaugstutzen 21, zwischen welche die regelbare Wippwerkspumpe
22 und der Wippwerksmotor 23 geschaltet sind.
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Der Drehwerkskreislauf umfaßt die, Leitungen 24 und 25 mit Ansaugstutzen
26 und 27, die regelbare Drehwerkspumpe 28 und, den Drehwerksmotor 29.
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Der Fahrwerkskreislauf besteht aus der Leitung 30 mit Ansaugstutzen
32 und der Leitung 31 mit Ansaugstutzen 33, in. welche die regelbare Fahrwerkspumpe
34 und der Fahrwerksmotor 35 eingeschaltet sind. Die hydraulischen Motoren von Wippwerk,
Drehwerk und Fahrwerk treiben in der üblichen Weise die ihnen zugeordneten Triebwerke
an.
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Die Pumpen aller vier Kreisläufe sind zu einem Block zusammengefaßt
und in einem Behälter 36 angeordnet, der gleichzeitig als Arbeitsmittelbehälter
für alle vier Triebwerke dient, aus dem über die Nachsaugstutzen 14 oder 15, 20
oder 21, 26 oder 27 und 32 oder 33 Arbeitsmittel nachgesaugt wird.
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Das von den vier vorbeschriebenen Kreisläufen gebildete Triebwerkssystem
ist erfindungsgemäß mechanisch mit dem hydraulischen Hauptmotor 1 verbunden, und
zwar wird diese Verbindung durch die Vorgelegewelle 37, die Kegelradvorgelege 38,
39, 40, 41 und die Wellen 42, 43, 44 und 45 hergestellt. Hierbei ist die Vorgelegewelle
37 all die Welle des hydraulischen Hauptmotors 1 angekuppelt, und die Wellen 42
bis 45 sind an die Wellen der Pumpen 16, 22, 28, 34 angeschlossen.
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Auf der Vorgelegewelle 37 ist ein Schwungrad 46 angeordnet. Es hat
die Aufgabe, indem es ein bestimmtes Moment aufrechterhält, den hydraulischen Hauptmotor
1 nicht außer Tritt kommen zu lassen, wenn z. B. mehrere Triebwerke gleichzeitig
mit hoher Beschleunigung angefahren werden.
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Gemäß der Erfindung wird der hydraulische Hauptmotor 1 von einer Regeleinrichtung
in Abhängigkeit von seiner Drehzahl als Motor oder Pumpe geschaltet und. geregelt.
Diese Regeleinrichtung ist im vorliegenden Beispiel als Fliehkraftregler 48 ausgebildet.
Dieser wird vom hydraulischen Hauptmotor 1 über die Vorgelegewelle 37, das Kegelradpaar
49, die Welle 50 und das Kegelradpaar 51 angetrieben. Das Schaltgestänge, mit dessen
Hilfe der Fliehkraftregler 48 den verstellbaren Teil des Hauptmotors 1 verstellt
und damit letzteren schaltet und regelt, besteht aus einem an der Reglermuffe befestigten
Hebel 52, einer an diesem gelenkig angeschlossenen Stange 53; einem in einem ortsfesten,
Drehpunkt gelagerten Winkelhebel 54 und einer Stange 55, deren eines Ende drehbeweglich
an dem Winkelhebel 54 angreift und deren anderes Ende mit dem schwenkbaren Körper
des Motors 1 drehbeweglich verbunden ist.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist folgende:
Beim Betrieb der Anlage hält der mit konstanter Leistung durchlaufende Dieselmotor
2 unter Vermittlung der Speisepumpe 3 den Akkumulator auf einem bestimmten Füllungsgrad,
der z. B. 100 at Druck entspricht. Durch Betätigung von, Hand über eine Steuertra.nsinission
wird der hydraulische 1-Iauptmotor 1 in Motorfunktion gebracht, cl. h. von 0 nach
l1 verstellt, wobei der unter Druck stehende Akkumulator ihn speist. In der Stellung
M läuft der Motor 1 mit Nenndrehzahl, z. B. 1000 U/min, und treibt über die
Vorgelegewelle 37, die Kegelradvorgelege 38, 39, 40, 41 und die Wellen 42, 43, 44,
45 die regelbaren Triebwerkspumpen 16, 22, 28 und 34 an. Durch entsprechende Betätigung,
d. h. Verstellung, der ihm zugeordneten Regelpumpe kann jedes einzelne Triebwerk
nun in die eine oder andere Bewegungsrichtung und stufenlos von Null auf maximale
Geschwindigkeit gefahren werden.
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Wird mit einem Triebwerk gefahren, so wird im Gegensatz zu den bekannten
hydraulischen Hebezeugantrieben hier dein Akkumulator 5 immer nur die Energie entnommen,
die für die Vollbringung einer licstiminten Arbeitsleistung gerade erforderlich
ist, cl. h. z. B. beim Heften der Vellast viel, bei einer Teillast ein Bruchteil
und bei leerem Haken ein Minimum. Im einzelnen geschieht das so: Der Fliehkraftregler
48 ist derart berechnet und eingestellt und der hydraulische Ha.uptniotor 1 so gewählt,
daß ersterer, wenn alle Triebwerke Vollast haben und mit Maximalgeschwindigkeit
fahren, den hydraulischen. Hauptmotor 1 auf Nenndrehzahl, beispielsgemäß also auf
1000 U/min (das entspricht der Stellung dl) einstellt. Wird nun die Summe aus den
vier Einzeltriebwerkslasten kleiner, z. B. etwa dadurch, daß Fahrwerk und Drehwerk
stillgesetzt werden oder die Last gesenkt oder eine kleinere Last angehoben wird,
so nimmt der hydraulische Hauptmotor 1, der ja mit den Triebwerken
mechanisch
über die Vorgelegewelle 37, die Vorgelege 38 bis 41 und die Wellen 42 his 45 fest
verbunden ist, eine höhere Drehzahl an. Diese höhere Drehzahl wird sofort über die
Vorgelegewelle 37, Kegelradpaar 49, Welle 50 und Kegelradpaar 51 auf den Regler
48 übertragen. Dadurch schwenken dessen Gewichtsarme aus und verstellen unter Vermittlung
der Reglermuffe und des an ihr befestigten Hebels 52, der Stange 53, des Winkelhebels
54 und der Stange 55 im Verhältnis der größeren. Drehzahl den schwenkbaren Teil
des Motors 1 von M aus in Richtung O, d. h. der Regler verringert die Schluckfähigkeit
des Hauptmotors 1 im Verhältnis der kleiner gewordenen Triebwerkslast. Die kleinere:
Schluckfähigkeit bedingt wiederum eine kleinere Arbeitsmittelentnahme aus der Rohrleitung
8 und damit aus dem Akkumulator 5. Die Lastabnahme im Triebwerkssystem hatte also
unter Vermittlung des den hydraulischen Hauptmotor 1 steuernden Reglers 48 sofort
eine kleinere Energieentnahme: im Akkumulatorsystem zur Folge. Steigt die Gesamtlast
im Triebwerkssystem wieder an, so wird durch einen Regelvorgang - jetzt in entgegengesetzte
Richtung - die Arbeitsmittelentnahme aus dem Akkumulator 5 wieder entsprechend erhöht.
Der Regelvorgang erfolgt dabei immer vollkommen automatisch und währt, weil der
Belastungszustand des Triebwerkssystems sich fast ständig ändert, so lange, wie
die ganze Antriebseinheit in Betrieb ist.
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Die vorteilhafte Zurückgewinnung der potentiellen Energie bei negativen
Belastungen sei am Beispiel des Hubwerkes erläutert.
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Schaltet der Kranführer die Huhwerkspumpe 16 in Richtung »Senken«,
d. h. daß sie aus der Leitung 12 Öl ansaugt und in die Leitung 13 hineindrückt,
so treibt die am Haken hängende Last den Hubmotor 17 als Pumpe an. Dieser drückt
über Leitung 12 der Pumpe 16 Öl zu und treibt sie somit als Motoren. Wenn die anderen
drei Triebwerke stillstehen (das sei der einfacheren Erklärung wegen angenommen),
hat nun der hydraulische Hauptmotor nichts zu leisten (von den Eigenverlusten sei
abgesehen). Er wird vielmehr von der als Motor arbeitenden Hubwerkspumpe 16 über
Welle 42, Vorgelege 38 und. Vorgelegewelle 37 sogar noch unterstützt. Der Hauptmotor
1 kommt dadurch auf höhere Drehzahl, und wenn diese eine bestimmte Höhe, beispielsweise
1050 U/min, erreicht, schaltet der von dieser Drehzahl beeinflußte Regler 48 mittels
der Steuertransmission 52 bis 55 den Hauptmotor 1 auf Pumpenfunktion um und regelt
dann in Abhängigkeit von der 1050 U/min übersteigenden Drehzahl die Fördermenge,
indem er den schwenkbaren Teil des Motors 1 von O aus entsprechend in Richtung nach
P hin verstellt. Der nun als Pumpe arbeitende Hauptmotor 1 saugt aus dem Arbeitsmittelbehälter
4 über Leitung 9 Öl an und drückt dieses über Leitung 8 in den Akkumulator 5, und
zwar zusätzlich zu der Ölmenge, welche die Akkumulatorspeisepumpe 3 in den Akkumulator
5 pumpt. Im Gegensatz zu den bekannten hydraulischen Hebezeugantrieben wird also
hier die beim Senken frei werdende potentielle Energie in nutzbringender Weise zur
zusätzlichen Füllung des Akkumulators verwendet.
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Wenn sich durch entsprechende vorhergehende Schaltung der Hubwerkspumpe
16 durch den Kranführer der Belastungszustand umkehrt (von negativen auf positiven),
so schaltet der Regler 48 den hydraulischen Hauptmotor 1 wieder auf Motorfunktion
(beim Unterschreiten von: 1050 U/min) um. Seine Arbeitsweise ist dann wieder so,
wie oben erläutert. Treten bei den anderen Triebwerken negative Belastungen auf,
so wird in genau derselben Weise die potentielle Energie zurückgewonnen. Wenn einmal,
was selten vorkommt, durch lang andauerndes gleichzeitiges Arbeiten mit mehreren
Triebwerken der Akkumulator 5 leer geworden ist, die Pumpe 3 mit der Füllung also
nicht folgen konnte, so kann im Gegensatz zu den: üblichen hydraulischen Triebwerken
mit Akkumulator mit der vorliegenden. Antriebseinheit noch weiter gefahren werden,
wenn auch nur je nach Leistungsbedarf infolge des gering dimensionierten Dieselmotors
2 mit einer mehr oder weniger kleinen Geschwindigkeit. Ermöglicht wird dies dadurch,
daß die Leitung 8 nicht am Akkumulator 5, sondern an dessen Speiseleitung 7 angeschlossen
ist, wodurch die Pumpe 3 an dem Akkumulator 5, wenn dieser leer ist, vorbei direkt
dien hydraulischen Hauptmotor 1 speisen kann.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit kann noch verschiedentlich abgeändert
und ergänzt werden.
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So ist es z. B. möglich, das Triebwerkssystem, das im vorliegenden.
Beispiel im wesentlichen aus mehreren hydraulischen Kreisläufen besteht, durch ein
elektromechanisches System, das an die Welle des hydraulischen Hauptmotors 1 angeschlossen
würde, zu ersetzen. Fernr kann in vorteilhafter Weise: als Regeleinrichtung zum
Schalten und Regeln des hydraulischen Hauptmotors der bekannte Motordrücker verwendet
werden.
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Es empfiehlt sich auch noch, das Akkumulatorsystem durch eine Leitung,
die vom Akkumulator 5 in den Arbeitsmittelbehälter 4 führt und in welche ein auf
den zulässigen Akkumulatorhöehstdruck eingestelltes Überdruckventil eingebaut ist,
zu ergänzen. Dadurch wird ein Abfließen des Öles aus dem Akkumulator 5 in den Arbeitsmittelbehälter
4 ermöglicht für den Fall, wo der Akkumulator seine Maximalfüllung erreicht hat,
ihm aber durch eine vorherrschende, negative Belastung im Triebwerkssystem von dem
hydraulischen Hauptmotor 1 Arbeitsmittel über die Leitungen 8 und 7 zugeführt wird.