DE1102486B - Druckluftbetriebener Kolbenwuchtmotor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen druckluftbetriebenen Kolbenwuchtmotor, insbesondere zur Schwingungserzeugung für Vorrichtungen zum Gewinnen und/oder Verladen von Kohle u. dgl., mit einem frei fliegenden, hin- und hergehenden, als doppeltwirkender Stufenkolben ausgebildeten Wuchtkolben, dessen Kolbenflächen kleineren Durchmessers über die ganze Hublänge in Pufferräume eintauchen und der über Arbeitsräume an den Ringflächen größeren Durchmessers angetrieben wird, welche über einen Steuerschieber abwechselnd mit dem Druckluftnetz bzw. mit dem Auslaß verbunden werden. Bei einer Vorrichtung dieser bekannten Gattung ist der Schieber als Drehschieber ausgebildet, der den Bewegungen des Stufenkolbens bei veränderter Belastung des Motors wegen seiner Massenträgheit nur verhältnismäßig langsam zu folgen vermag. Infolgedessen tritt gerade dann eine Phasenverschiebung zwischen Drehschieber und Kolben im Sinne eines ungünstigen Druck-Weg-Diagramms ein, wenn der Motor bei plötzlicher Belastung mehr Arbeit ao leisten soll. Das günstigste Druck-Weg-Diagramm für die Arbeitsräume wird erreicht, wenn die Phasenlage zwischen Steuerung und Kolben derart eingespielt ist, daß kurz vor Erreichen der Totlagen des Kolbens der Drucklufteinlaß geöffnet wird. Wird der Motor plötz-Hch belastet, so sinkt seine Frequenz schlagartig ab. Diesem Vorgang kann sich der Drehschieber dieser bekannten Vorrichtung nicht so schnell anpassen. Das Zeitverhalten dieses Drehschiebers läßt sich auch nicht dadurch wesentlich verbessern, daß die Düsen vergrößert werden, welche das den Drehschieber antreibende Schaufelrad beaufschlagen, weil dann ein zu hoher Luftverbrauch für die Steuerung auftreten würde. Soll nämlich die Frequenz des Motors bei Leerlauf und unter Last konstant gehalten werden, dann muß der dem Motor zugeführte Luftdruck entsprechend geändert werden. Dies hat zur Folge, daß auch das durch die Düsen auf den Drehschieber einwirkende Antriebsmoment verändert wird, wodurch sich die Phasenlage zwischen Drehschieber und KoI-ben ebenfalls in gewissen Grenzen verändert. Bei einer anderen bekannten Vorrichtung, deren Steuerung ebenfalls mit Druckluft betrieben wird, welche nach Arbeitsleistung ins Freie entweicht, ist der Steuerschieber beim Arbeiten der Vorrichtung zeitweise sich selbst überlassen. Diese Vorrichtung ist als Rammhammer ausgebildet, bei welchem die Druckluft nach Abschluß von Kanälen durch einen Hilfsschieber aus den Betätigungszylindern für den Steuerschieber entweicht. Aus diesem Grunde ist die Steuerung auch senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rammzylinders angeordnet, so daß dieser sich nicht durch aufhebende Beschleunigungskräfte selbsttätig verschieben kann, nachdem er dem Steuerimpuls ausgesetzt wurde. NachDruckluftbetriebener Kolbenwuditmotor

Anmelder:

Gewerkschaft Eisenhütte Westfalia,
Wethmar bei Lünen

Dipl.-Ing. Helmut Herrmann, Altlünen bei Lünen,
ist als Erfinder genannt worden

teilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung ferner, daß ein besonderer Hilfsschieber verwendet werden muß, um das ungünstige Zeitverhalten der Steuerung auszugleichen. Hierdurch wird die Steuerung außerordentlich träge, so daß sie für einen Kolbenwuchtmotor unbrauchbar ist.

Die Erfindung sieht eine Verbesserung gegenüber diesen bekannten Vorrichtungen dadurch vor, daß der Steuerschieber als frei fliegender Kolbenschieber ausgebildet ist, der an seinen Enden Kolben aufweist, deren Endflächen über Leitungen ständig durch den Druck in den Pufferräumen des Wuchtkolbens beaufschlagt sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß zum Antrieb des Steuerschiebers keine zusätzliche Druckluft verbraucht wird. Bei konstanter Frequenz und wechselnder Belastung ändern sich die Antriebskräfte und damit auch die Phasenlage des Steuerschiebers gegenüber dem Wuchtkolben nicht. Bei steigender Motorfrequenz nehmen die Antriebskräfte für den Steuerschieber nach einer Exponentialkurve stetig zu, was durch die Ausbildung der über den ganzen Kolbenhub wirkenden Pufferräume bedingt ist. Die durch die Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der Erkenntnis, daß der Kolbenweg gegenüber dem Zylinder sehr stark frequenzabhängig ist und durch die Masse des Kolbens, dessen Geschwindigkeit durch die Charakteristik der Luftpuff er bestimmt wird. Bei konstantem Anfangsdruck in den Fufferräumen gehört zu jedem Kolbenhub eine ganz bestimmte Frequenz, wobei der Kolbenhub und der Enddruck in den Pufferräumen mit wachsender Frequenz zunehmen. Dabei ist ein hohes Verdichtungsverhältnis notwendig, um die Wuchtenergie des Kolbens aufzufangen. Dies zu er-

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reichen, ist aber nur möglich, wenn in den Pufferräumen stets mit derselben Gasmenge gearbeitet wird und nicht bei jedem Kolbenhub ein Gaswechsel eintritt. Bei derselben Gasmenge, bei der nur kleine Undichtigkeitsverluste über Rückschlagventile gedeckt werden, ist die Anfangstemperatur bei der Verdichtung weit unter der Umgebungstemperatur, so daß die Endtemperatur immer noch unter dem Flammpunkt des Schmieröls liegt. Würde man bei jedem Kolbenhub Frischluft ansaugen, wie es bei Kompressoren der Fall ist, so könnte nur ein wesentlich geringeres und für die vorliegenden Zwecke ungeeignetes Verdichtungsverhältnis erzielt werden, während andererseits untragbar hohe Endtemperaturen der Luft auftreten würden. Demgegenüber läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Kolbenwuchtmotor eine Frequenz von etwa 1500 l/min bei einem Verdichtungsverhältnis von etwa 1 : 34 erreichen, aber nur, weil Pufferräume vorhanden sind, die über den ganzen Kolbenhub wirksam sind, in denen also kein Gaswechsel stattfindet. Auf diese Weise läßt sich für jede Frequenz die günstigste Phasenlage erreichen. Auch das Zeitverhalten der erfmdungsgemäßen Steuerung ist wesentlich günstiger, weil die Antriebskräfte für die Steuerung genügend groß bemessen werden können.

Bei einem anderen bekannten, stoßend arbeitenden Druckluftwerkzeug läßt sich demgegenüber ein günstiges Arbeitsdiagramm nicht erzielen, weil der Auslaß durch den Kolben selbst gesteuert wird. Infolgedessen kann die Druckluft nicht über den ganzen Arbeitshub auf den Kolben einwirken. Bei zu spätem Umsteuern des Steuerschiebers entsteht ein Kurzschluß zwischen dem Druckluftrohr und den durch den Kolben gesteuerten Auslaßschlitzen, wodurch der Luftverbrauch wesentlich heraufgesetzt wird. Dieser Luftverbrauch steigt mit der Motorfrequenz, weil die Antriebskräfte zur Verstellung der Steuerung anwachsen müssen. Hierfür sind jedoch bei der bekannten Vorrichtung keine Vorkehrungen getroffen. Ein Luft- und damit Energieverlust tritt bei dieser bekannten Vorrichtung zusätzlich dadurch ein, daß die zum Betätigen des Steuerschiebers benötigte Druckluft ins Freie entweicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung der Wirkungsweise des Kolbenwuchtmotors gemäß der Erfindung, die nur zur Erläuterung dient,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer praktischen Ausführungsmöglichkeit für einen Kolbenwuchtmotor gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung schwingt der Kolben 10 des Kolbenwuchtmotors in dem Gehäuse 11 frei hin und her. Er weist einen im Durchmesser größeren Teil in der Mitte und zwei zu beiden Seiten des mittleren Teiles angeordnete Teile geringeren Durchmessers auf. Die Kolbenteile geringeren Durchmessers arbeiten in Luftpufferräumen 12 und 13, während die Enden des größeren Kolbenteiles in Arbeitsräumen 14 und 15 beweglich sind. Der mittlere Kolbenteil ist in der Mitte eingeschnürt und mit einer Bohrung 16 versehen, die eine Längsbohrung 17 kreuzt, deren Enden in den Luftpufferräumen 12 und 13 münden. Diebeiden Enden der Leitung 17 sind durch Rückschlagventile 18 und 19 verschließbar. Über dem Gehäuse 11 ist ein Schiebergehäuse 20 angeordnet. In diesem ist ein Schieber 21 hin- und herbeweglich. Bei seiner Hin- und Herbewegung stößt der Schieber 21 jeweils an Anschlägen 22 aus Gummi oder ähnlich elastischem Material an. Das Schiebergehäuse weist in der Mitte einen Lufteintrittsstutzen 23 sowie zwei Luftauslaßstutzen 24 und 25 an den beiden Enden auf. Fernerhin ist das Gehäuse 20 über eine Leitung 26 mit dem Arbeitsraum 14 des Kolbens 10 und über eine Leitung 27 mit dem Arbeitsraum 15 verbunden. Die Bohrung 16, 17 in dem Wuchtkolben 10 steht über eine Leitung 28 ebenfalls mit dem Schiebergehäuse 20 und somit mit der Zuleitung 23 in Verbindung.

Der Schieber 21 ist in der Mitte eingeschnürt, um einen Ringraum im Gehäuse 20 frei zu lassen, durch den die Druckluft hindurchströmen kann. An seinen beiden flachen Seiten sind Kolben 29 und 30 vorgesehen, die in entsprechenden Zylindern arbeiten. Der Druckraum über dem Kolben 29 steht über eine Leitung 31 in Verbindung mit dem Luftpufferraum 13, während der Druckraum über dem Kolben 30 über eine Leitung 32 mit dem Luftpufferraum 12 verbunden ist.

Die Wirkungsweise einer solchen Einrichtung ist folgende:

Über die Leitung 23 tritt die Druckluft zunächst dauernd über die Leitung 28 sowie die Bohrungen 16 und 17 in die Luftpufferräume 12 und 13 ein. Hierbei öffnen sich die entsprechenden Rückschlagventile 18 und 19.

In der dargestellten Lage geht die über die Leitung 23 eintretende Druckluft außerdem über die Leitung 26 in den Arbeitsraum 14. Hier verschiebt sie den Kolben 10 nach rechts, so daß die Luft in dem Luftpufferraum 13 bei Schließung des Rückschlagventils 19 verdichtet wird. Gleichzeitig füllt sich der Luftpufferraum 12 entsprechend seiner Volumenvergrößerung mit Luft unter Leitungsdruck auf. Die Luft aus dem Arbeitsraum 15 entweicht über die Leitung 27 und die Leitung25 aus dem Schiebergehäuse ins Freie. Der Druck in dem Luftpufferraum 13 pflanzt sich über die Leitung 31 auf den Kolben 29 fort und drückt in einem bestimmten Augenblick den Schieberkolben 21 nach rechts. Hierdurch erfolgt eine Umsteuerung der Arbeitsräume. Arbeitsraum 15 erhält Leitungsdruck, während Arbeitsraum 14 über den Stutzen 24 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Der Kolben 10 bewegt sich nach links, komprimiert die Luft im Luftpufferraum 12 und drückt über dieLeitung32 in einem bestimmten Punkt den Schieber wiederum nach links. Die Umsteuerung wiederholt sich in schneller Folge.

Bei der praktischen Durchführung dieses Betriebsprinzips muß berücksichtigt werden, daß die Leitungen 31 und 32 verhältnismäßig lang sind und komprimierbare Luft enthalten. Bei den zu verlangenden hohen Frequenzen ist das ungeeignet, und es muß ein Weg gefunden werden, die Trägheit der Einrichtung soweit wie möglich zu reduzieren. Entweder müssen die Luftleitungen 31 und 32 durch entsprechende Anordnung des Schiebers sehr kurz gehalten werden, oder es müssen entsprechend einem weiteren Erfindungsvorschlag Flüssigkeitssäulen eingeschaltet werden und eine Regelung vorhanden sein, wie sie nachstehend an Hand der Fig. 2 erläutert wird.

In der Fig. 2 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile mit der gleichen Wirkungsweise wie in Fig. 1. Die Leitungen 31 und 32 gemäß Fig. 1 sind in Fig. 2 mit Flüssigkeit gefüllt. Die Luftpufferräume 12 und 13 sind über fliegende Kolben 33 und 34 mit den Flüssigkeitssäulen in den Leitungen 31 und 32 verbunden. Der Druck in dem Luftpufferraum 12 wirkt also auf den Kolben 33, schiebt ihn abwärts und damit die Flüssigkeitssäule vor dem Kolben 30 vorwärts, so daß der Kolben 30 den Schieber 21 nach links bewegen kann. Entsprechend wirkt der Luftpufferraum 13 über

den Kolben 34 auf die Flüssigkeitssäule in der Leitung 31 und damit auf den Kolben 29 ein.

Um einen etwaigen Flüssigkeitsverlust auszugleichen, ist ein Behälter 35 vorgesehen, der über Rückschlagventile 36 und 37 mit den Leitungen 31 und 32 in Verbindung steht. Sobald in diesen Flüssigkeitssäulen ein Unterdruck herrscht, strömt Flüssigkeit aus dem Behälter nach.

Um auf der anderen Seite einen Überschuß an Flüssigkeit in den Behälter 35 zurückzuleiten, sind Leitungen 38 und 39 vorgesehen, die ebenfalls in den Behälter münden und die mit den Gehäusen der Kolben 33 und 34 so in Verbindung stehen, daß sie von den Kolben in völlig zurückgeschobener Lage freigegeben werden, d. h. in derjenigen Lage, in der der Luftpufferraum den geringsten Druck aufweist.

An Stelle der direkten Zuleitung 28 zu den Luftpufferräumen 12 und 13 über die Bohrungen 16 und 17 ist die Leitung 28 in der Fig. 2 über einen Regler 40 geleitet. Dieser besteht aus einem Kolbenschieber 41, der sich an einer Feder 42 abstützt. Die Leitung 28 führt in eine Einschnürung des Kolbenschiebers 41 und von hier aus über eine Leitung 43 zur Bohrung 16,17. Von der Leitung 43 ist eine Leitung 44 abgezweigt, die die der Feder 42 gegenüberliegende Stirnseite des Schiebers 41 beaufschlagt. Infolge der Ausbildung dieses Reglers ist der in den Luftpuffern 12 und 13 herrschende Luftdruck abhängig von dem Druck, den die Feder 42 auf den Schieber 41 ausübt. Je höher der Druck in der Zuleitung 28, desto größer der Druck in der Leitung 44, der sich so einstellt, daß er dem Federdruck entspricht, da der Schieber 41 die Zuleitung 43 mehr oder weniger abdrosselt. Praktisch wird der Druck der Feder 42 so eingestellt, daß der Druck in den Luftpuffern 12 und 13 etwas unter dem Leitungsdruck liegt und damit praktisch konstant gehalten werden kann.

Die Einstellung der gewünschten Schwingungszahl des Kolbenwuchtmotors erfolgt durch Regelung der dem Motor zugeführten Luftmenge. Als Regelgröße wird der Enddruck in den Luftpufferräumen verwendet. Ändert sich der Enddruck in den Luftpufferräumen, dann ändert sich auch die Schwingungszahl. Diese soll aber konstant gehalten werden. Zu diesem Zweck ist in der Leitung 23 ein Regelventil angeordnet. Es besteht aus einer Drosselscheibe 45, die durch eine Feder 46 hochgedrückt wird, so daß die Leitung 23 ihren größten Durchlaß besitzt. An den Luftpufferraum 13 ist ein Rückschlagventil 47 angeschlossen, welches über eine Leitung 48 zu einem Kolben 49 führt. Der Kolben 49 ist an der Drosselscheibe 45 angeordnet und drückt diese in Schließlage, sofern die Leitung 48 Druck erhält. Die Leitung 48 weist über dem Kolben 49 eine kleine einstellbare Drosselöffnung 50 auf. Der Druck im Luftpufferraum 13 teilt sich über das Rückschlagventil 47 der Leitung 48 dem Kolben 49 mit, der seinerseits die Leitung 23 entsprechend der gewünschten Schwingungszahl bzw. der Spannung der Feder 46 freigibt. Dabei entweicht aus der einstellbaren Drosselöffnung 50 jeweils etwas Druckmittel, so daß der Kolben 49 ständig unter dem im Luftpufferraum 13 herrschenden Druckeinfluß steht.

Wird der Kolbenwuchtmotor mit der Druckleitung verbunden und läuft er nicht von selbst an, so wird je nach der Stellung des Kolbens 10 bzw. des Schiebers 21 einer der Dreiwegehähne 51 und 52 geöffnet. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem Kolben 33 bzw. 34 und dem Luftpufferraum 12 bzw. 13 unterbrochen und der entsprechende Arbeitsraum des Kolbens 33 oder 34 mit der Atmosphäre verbunden. Wird

z. B. der Dreiwegehahn 51 geöffnet, so wirkt auf den Kolben 34 der Druck aus dem Luftpufferraum 13 und schiebt den Kolben 34 über die Flüssigkeit der Kolben und den Schieber 21 widerstandslos in die der gezeichneten entgegengesetzten Lage.

Der Kolbenwuchtmotor gemäß der Erfindung ist also in seiner Schwingungszahl leicht und in weiten Grenzen einstellbar, außerdem behält er eine einmal eingestellte Schwingungszahl auch bei Druckschwankungen im Leitungsnetz selbsttätig bei.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Druckluftbetriebener Kolbenwuchtmotor, insbesondere zur Schwingungserzeugung für Vorrichtungen zum Gewinnen und/oder Verladen von Kohle od. dgl., mit einem frei fliegenden, hin- und hergehenden, als doppeltwirkender Stufenkolben ausgebildeten Wuchtkolben, dessen Kolbenflächen kleineren Durchmessers über die ganze Hublänge in Pufferräume eintauchen und der über Arbeitsräume an den Ringflächen größeren Durchmessers angetrieben wird, welche über einen Steuerschieber abwechselnd mit dem Druckluftnetz bzw. mit dem Auslaß verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber als frei fliegender Kolbenschieber (21) ausgebildet ist, der an seinen Enden Kolben (29, 30) aufweist, deren Endflächen über Leitungen (31, 32) ständig durch den Druck in den Pufferräumen (13,12) des Wuchtkolbens (10) beaufschlagt sind.

2. Kolbenwuchtmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragung von den Luftpufferräumen (12, 13) auf die Betätigungskolben (29, 30) des Steuerschiebers (21) durch Flüssigkeit erfolgt, die von den Pufferräumen (12, 13) durch fliegende Kolben (33, 34) oder Membrannen getrennt ist.

3. Kolbenwuchtmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit unmittelbar auf die Betätigungskolben (29, 30) des Steuerschiebers (21) einwirkt.

4. Kolbenwuchtmotor nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fliegenden Kolben (33, 34), die den Druck in den Pufferräumen (12,13) auf die Flüssigkeit übertragen, je eine Öffnung steuern, durch die ein Flüssigkeitsüberschuß in einen Reservebehälter (35) gedrückt wird.

5. Kolbenwuchtmotor nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkeitsverluste über Saugventile (36, 37) ergänzt werden.

6. Kolbenwuchtmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der den Pufferräumen (12,13) zugeführte Luftdruck durch einen selbsttätigen Druckregler (40) konstant gehalten wird.

7. Kolbenwuchtmotor nach den Ansprüchen t bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Einstellung einer bestimmten Schwingungszahl des Motors die dem Motor über den Steuerschieber zugeführte Luftmenge durch ein Regelventil (45) eingestellt wird, welches unter der Einwirkung des Luftdruckes in einem der Pufferräume (13) verstellt wird.

8. Kolbenwuchtmotor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder des die Luftzufuhr regelnden Ventils (45)

über eine mit einem Rückschlagventil (47) sowie einer einstellbaren Drosselofinung. (SO) versehene Druckleitung (48) mit einem Pufferraum verbunden ist.

9. Kolbenwuchtmotor nach den Ansprüchen 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet,

daß der Steuerschieber (21) durch elastische Anschläge (22) in seinen Endlagen abgefangen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 257 223, 488 483, 495, 619 434, 636 238, 810 678.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen