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Fernsteuerbare hydraulische Anlage Die Erfindung betrifft eine hydraulische
Anlage mit einem fernsteuerbaren Magnetventil und einer Pumpe, die ein hydraulisches
Druckmittel über ein Rückschlagventil einem Stellmotor zuführt.
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Es ist bei ferngesteuerten hydraulischen Anlagen bekannt, die hydraulische
Einheit, z. B. einen hydraulischen Stellmotor, von einer Pumpe aus über ein Rückschlagventil
mit Druckmittel zu beaufschlagen und über ein fernsteuerbares Zweiwege-Magnetventil
wieder zu entlasten. Diese Art der Fernsteuerung ist aber nur bei verhältnismäßig
niedrigen Leitungsdrücken anwendbar, da bei höheren Drücken, beispielsweise solchen
in der Größenordnung von 300 bis 700 at, das Magnetventil nicht mehr dicht schließt.
Für ferngesteuerte hydraulische Anlagen, die bei höheren Drücken arbeiten, ist deshalb
bislang die Verwendung besonderer fernsteuerbarer Hochdruckventile erforderlich
geworden. Solche fernsteuerbaren Hochdruckventile, die in zahlreichen verschiedenen
Typen bekannt sind und im allgemeinen Dreiwege- oder Vierwege-Ventile enthalten,
sind jedoch kompliziert und teuer, und außerdem gewährleisten sie infolge der schwierig
zu bewältigenden Dichtungsprobleme auch nicht immer einen sicheren Betrieb.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Anlage
zu schaffen, die auch bei höheren und höchsten Leitungsdrücken einwandfrei ferngesteuert
werden kann und die dazu nur einfache und zuverlässige Bauteile benötigt.
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Dieses Ziel erreicht die Erfindung dadurch, daß parallel zum Stellmotor
der hydraulischen Anlage ein an sich bekanntes Druckminderventil geschaltet ist,
in dessen Steuerzylinderraum ein einerseits vom Druckmittel und andererseits von
einer einstellbaren Feder beaufschlagter Steuerkolben - angeordnet ist, der mit
einem daran befestigten Schaft ein Kugelventil kleineren Querschnitts als der Steuerkolben
betätigt, das den Druckmittelzustrom zum Steuerzylinderraum regelt, wobei über den
Steuerzylinderraum der Rückstrom des Druckmittels vom Motor durch das Magnetventil
gesteuert wird, das bei Betätigung den Steuerzylinderraum mit dem Ablauf verbindet.
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Bei dem Vorschlag der Erfindung gelingt mithin die Steuerung der Anlage
mit einem üblichen Zweiwege-Magnetventil, und zwar dadurch, daß diesem Magnetventil
ein Druckminderventil von an sich bekannter Bauart vorgeschaltet ist, das sich entsprechend
der Betätigung des Magnetventils öffnet oder schließt. Das Magnetventil kommt niemals
mit dem von der Pumpe erzeugten hohen Leitungsdruck in Berührung, sondern nur mit
dem wesentlich niedrigeren Steuerdruck im Steuerzylinderraum des Druckminderventils,
der durch die einstellbare Feder des Steuerkolbens (unabhängig vom maximalen Leitungsdruck)
auf einen bestimmten, maximalen Wert begrenzt ist. Der abzusperrende hohe Leitungsdruck
liegt bei geschlossenem Magnetventil vollständig vor dem Kugelventil des Druckminderventils,
so daß dieses Kugelventil positiv (d. h. durch den Leitungsdruck) in den geschlossenen
Zustand gedrückt wird, sobald sich im Steuerzylinderraum durch Zufuhr von Druckmittel
ein Steuerdruck aufgebaut hat, der die Federbelastung des Steuerkolbens übersteigt
und damit den Steuerkolben zurückschieben kann. Nach Öffnung des Magnetventils sinkt
dieser Steuerdruck stark (normalerweise bis auf den Wert Null) ab, so daß die Feder
den Steuerkolben wieder vorschieben kann, wobei das Kugelventil durch den Kolbenschaft
entgegen dem Leitungsdruck geöffnet wird und den Auslaßweg für den Leitungsdruck
freigibt.
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Dadurch, daß das Magnetventil nur einen bestimmten, begrenzten Steuerdruck
zu regeln braucht, wobei dieser Steuerdruck das Öffnen bzw. Schließen des als eigentliches
Hochdruck-Sperrorgan wirkenden Druckminderventils bewirkt, ergibt sich eine ausgesprochen
vorteilhafte Fernsteuerung. Es bestehen nämlich keinerlei Dichtungsprobleme, weil
das Magnetventil den Steuerdruck auf jeden Fall bewältigen kann und weil die Sperrung
des hohen Leitungsdruckes allein an einem positiv beaufschlagten Kugelventil erfolgt,
das mit ansteigendem Leitungsdruck
stets nur noch fester gegen
seinen Sitz gedrückt wird. Die einzelnen Bauteile besitzen außerdem einen sehr einfachen,
nicht störungsanfälligen Aufbau und eine äußerst zuverlässige Arbeitsweise, wobei
noch besonders zu betonen ist, daß die Zuverlässigkeit in keiner Weise von der Einhaltung
besonders enger Toleranzen bei der Herstellung des' Steuerzylinderraumes oder des
Kugelventils oder des Magnetventils abhängt. Damit eröffnet die Erfindung, insgesamt
gesehen, die Möglichkeit, hydraulische Hochdruckanlagen mit einem so niedrigen Aufwand
fernzusteuern, wie dies bislang bei vergleichbarer Zuverlässigkeit nicht erreicht
worden ist.
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Die Erfindung kann zur Fernsteuerung eines einfach wirkenden hydraulischen
Motors benutzt werden, sie läßt sich ebensogut aber auch für einen umsteuerbaren
Motor, beispielsweise einen Zylinder mit doppeltwirkendem Kolben verwenden, wobei
in jedem Fall für die Bewegung des Motors nur eine Betätigung von elektrischen Schaltern
für die Pumpe bzw. das Magnetventil erforderlich ist. Sofern dabei eine Anlage mehr
als ein Druckminderventil und mehr als ein Magnetventil enthält, sind diese Ventile
zweckmäßig in einem gemeinsamen Gehäuse zu einem eigenständigen Steuergerät zusammengefaßt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei stellt dar F i g. 1 den Querschnitt des
Steuerteils einer (im übrigen nur schematisch gezeigten) hydraulischen Anlage mit
einem einfach wirkenden Motor und F i g. 2 schematisch die Anwendung der Erfindung
bei einer hydraulischen Anlage mit einem zweifach wirkenden Motor.
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Die in F i g. 1 gezeigte hydraulische Anlage enthält einen einfach
wirkenden hydraulischen Motor RS, bei dem der Kolben 10 durch eine beim Arbeitshub
komprimierte Feder 11 zurückbewegt wird. Der Zylinder 13 dieses Motors ist mittels
einer Leitung 12 sowie einer weiteren Leitung 14, in die ein Rückschlagventil 15
eingebaut ist, mit einer Pumpe P für hydraulisches Druckmittel verbunden.
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Die Pumpe P wird in üblicher Weise elektrisch angetrieben, wobei die
Stromzufuhr über einen Leitungsanschluß L erfolgt und durch einen vorzugsweise handbetätigten,
normalerweise offenen Ein-Aus-Schalter 22 gesteuert werden kann. Von dem Leitungsanschluß
L aus - gesteuert durch einen zweiten elektrischen Schalter 21, der ebenfalls ein
einfacher, vorzugsweise handbetätigter und normalerweise offener Ein-Aus-Schalter
sein kann - wird weiterhin noch die Solenoidspule 17 eines Magnetventils 20 mit
Strom versorgt.
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Das Magnetventil 20 ist mittels einer Gewindemutter 26 an eine Platte
24 angeschraubt, die ihrerseits an dem Gehäuse 25 eines Druckminderventils 34 befestigt
ist. Zwischen dem Gehäuse 25 und der Mutter 26 liegt ein Dichtring 27. Die Spule
17 des Magnetventils 20 umgibt einen Anker 23, der sich zwischen einer unteren Endstellung
(die in der Zeichnung dargestellt ist) und einer oberen Endstellung hin und her
bewegt. Am unteren Ende des Ankers 23 ist ein Ventilkörper 28 angebracht, der in
der dargestellten Stellung gerade gegen einen in einer Kammer 31 des Gehäuses 25
gebildeten Ventilsitz 30 anliegt und dadurch eine Auslaßleitung 32, die zu einem
Druckmittel-Vorratsbehälter führen kann, absperrt. Das Druckminderventil besitzt
eine Sackbohrung 35 großen Durchmessers, in der sich ein federbelasteter Betätigungskolben
37 hin und her bewegt. Dieser Kolben 37 ist mit einem O-Ring 39 gegen die Bohrung
35 abgedichtet und trägt an seinem einen Ende einen Schaft 38. Auf das andere Ende
des Kolbens 37 wirkt eine Feder 40 ein, deren Druckkraft durch eine in die Deckplatte
43 des Gehäuses 25 eingeschraubte Stellschraube 41 einstellbar ist. Die Schraube
41 drückt dabei über einen Endblock 42 gegen die Feder 40.
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Das innere Ende der Bohrung 35 bildet eine Niederdruckkammer 45, die
über eine Bohrung 46 mit der Kammer 31 in Verbindung steht und die daher beim Öffnen
des Ventilkörpers 28 des Magnetventils 20 über die Auslaßleitung 32 mit dem Druckmittel-Vorratsbehälter
verbunden wird.
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Axial zur Bohrung 35 ist eine kleine Bohrung 48 angebracht, in die
ein Stopfen 49 eingeschraubt ist. Dieser Stopfen 49 besitzt einen axial verlaufenden
Kanal 50, in den der Kolbenschaft 38 hineinragt. Der Durchmesser des Schaftes 38
ist kleiner als der der Bohrung 50, damit Flüssigkeit hindurchfließen kann. Auf
der dem Kolben 37 abgewendeten Seite ist der Stopfen 49 zu einem Ventilsitz 51 ausgebildet,
gegen den sich ein Schließkörper in Form einer Ventilkugel 52 legen kann. Die Kugel
52 wird durch eine Feder 53 in die Schließstellung gedrückt.
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Das innere Ende der Bohrung 48 bildet eine Hochdruckkammer 55, die
über eine Bohrung 56 mit der Hochdruckleitung 14 in Verbindung steht. Das durch
die Pumpe P dem Motor RS zugeführte Druckmittel wird daher auch in die Hochdruckkammer
55 des Druckminderventils 34 eingespeist.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der vorangehend beschriebenen Anlage
sei von einem Betriebszustand ausgegangen, bei dem der Ventilkörper 28 geschlossen
ist und bei dem die Pumpe P durch Betätigung des Schalters 22 gerade mit der Förderung
von Druckmittel begonnen hat. Weiterhin sei als Beispiel eine solche Einstellung
der Feder 40 durch die Stellschraube 41 angenommen, daß der Kolben 37 in der Kammer
45 eine Kraft von ungefähr 21 at ausübt. Mithin hält der Kolben 37 mittels seines
Schaftes 38 das Kugelventil 52 so lange von seinem Sitz 51 abgehoben, wie der Druck
in der Kammer 45 kleiner als 21 at ist. Deshalb strömt das von der Pumpe P geförderte
Druckmittel nicht nur über die Leitung 12 in den Zylinder 13 ein, sondern auch über
die Bohrung 50 des Stopfens 49 in die Kammer 45. Dabei stellt sich in der Kammer
45 ein stetig zunehmender Druck ein, der aber beträchtlich geringer ist als der
Druck der Pumpe P, und zwar proportional in dem gleichen Verhältnis geringer, in
dem die Fläche des Ventilsitzes 51 geringer ist als die Fläche des Kolbens 37.
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Sobald der Druck der Pumpe P auf einen solchen Wert angestiegen ist,
daß der proportionale Druck in der Kammer 45 den eingestellten Wert von 21 at übersteigt,
wird die Feder 40 überwunden. Dadurch gelangt die Ventilkugel 52 in die geschlossene
Stellung, in der sie durch den hohen Druck der Pumpe P fest gegen ihren Sitz 51
gedrückt wird. Der Druck in der Kammer 45 steigt dann also nicht mehr proportional
dem Druck der Pumpe P weiter an, sondern bleibt konstant bei 21 at stehen. Mit anderen
Worten, es wird dann in der Kammer 45 ein bestimmtes Druckmittelvolumen bei dem
eingestellten Maximaldruck eingeschlossen.
Wenn nunmehr der Schalter
22 geöffnet wird, hört die Förderung des Druckmittels auf. Damit hört auch die Bewegung
des Kolbens 10 auf, und das Rückschlagventil 15 hält den Kolben 10 in seiner
Stellung. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, daß während der Anfangsphase
des Betriebs nahezu das gesamte von der Pumpe geförderte Druckmittel normalerweise
in die Kammer 45 strömt, da dort der geringere Gegendruck zu überwinden ist. Nach
dem Schließen der Ventilkugel 52 hingegen bewirkt das gesamte geförderte
Druckmittel die Bewegung des Kolbens 10.
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Nach Beendigung des gewünschten Hubes wird der Kolben 10 wieder in
seine Ausgangslage zurückgebracht, indem der Druck in der Kammer 45 abgelassen wird.
Dies geschieht durch Betätigung des Schalters 21. Dadurch öffnet sich das Magnetventil
20, so daß dessen Ventilkörper 28 die Auslaßleitung 32 freigibt. Daraufhin fällt
der Druck in der Kammer 45 auf den Wert Null ab, so daß die Feder 40 in die Lage
kommt, den Kolben 37 in die Kammer 45 zu schieben und damit - unabhängig von dem
durch die Pumpe P in der Hochdruckkammer 55 erzeugten Druck - mittels des Kolbenschaftes
38 die Ventilkugel 52 von ihrem Sitz 51 abzuheben. Das Druckmittel im Zylinder 13
kann dann über das Druckminderventil 34 und die Auslaßleitung 32 abströmen.
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Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines einfach wirkenden
hydraulischen Motors beschränkt, sondern läßt sich auch in anderen Anordnungen einsetzen.
Dies ist am Beispiel der Fernsteuerung eines doppeltwirkenden hydraulischen Motors
schematisch in F i g. 2 dargestellt.
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In der Anlage gemäß F i g. 2 sind drei Druckminderventile V 1, V 2
und V 3 vorgesehen, von denen jedes dem Ventil 34 gemäß F i g. 1 entspricht. Diese
Ventile sind zweckmäßig in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Den Ventilen V
1 und V 2 ist jeweils ein MagnetventilS1 bzw. S2 (entsprechend dem Magnetventil
20 in F i g. 1) zugeordnet, während das Ventil V 3 kein Magnetventil besitzt.
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Der zu steuernde Motor RD enthält einen doppeltwirkenden Zylinder
61 und einen Kolben 62. Von seinen beiden Zylinderräumen gehen je eine Leitung C
1 bzw. C 2 aus, die an die Pumpenleitung 66 bzw. an die Niederdruckkammer des Ventils
V 3 angeschlossen sind. .
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Das Ventil V 3 ist ein Druckventil, das sich unterhalb eines bestimmten
Druckes, beispielsweise unterhalb 56 at, öffnet und oberhalb dieses Druckes schließt.
Es dient für den Rückhub des Kolbens 62. In der Leitung C 2 zwischen dem Zylinder
61 und dem Ventil V3 befindet sich ein Überdruckventil U3, das das Ventil V3 geschlossen
hält und das sich beispielsweise bei 70 bis 100 at öffnet.
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Das Haupt-Überdruckventil U4 liegt in der Pumpenleitung 66. Es öffnet
sich bei einem geeigneten Druck.
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Zwei weitere überdruckventile U1 und U2, die z. B. auf etwa 25 at
eingestellt sind, sind zwischen die Ventile V 1 bzw. V 2 und ihre zugehörigen Magnetventile
S1 bzw. S2 geschaltet. Sie sollen eine Überlastung der Magnetventile verhindern
und überschüssiges Druckmittel direkt in den Auslaß wegleiten.
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In der Leitung C 1 zwischen dem Zylinder 61 und der Pumpenleitung
befindet sich ein Rückschlagventil R, das zur Absperrung des Lastdruckes im Zylinder
dient und zugleich den Maximaldruck für den Kolben-Rückhub bestimmt. Es ist in dem
gewählten Beispiel auf ungefähr 35 at eingestellt. Zweckmäßig ist das Rückschlagventil,
ebenso wie die vorgenannten überdruckventile U1 bis U4, mit in das gemeinsame Ventilgehäuse
eingebaut.
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Die Ventile V IL und V 2 sind so eingestellt, daß sie beide bei 21
at schließen.
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Das Ventil V 1 dient als Entlastungsventil bei belastetem Motor RD
(d. h. bei ausgefahrenem Kolben 62) und wird durch das MagnetventilS1 betätigt.
Mithin ist das MagnetventilS1 (und damit auch das Ventil V 1) offen, wenn der Kolben
62 des Motors RD zurückgezogen wird.
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Das Ventil V2, das durch das Magnetventil S2 betätigt wird, verbindet
die Pumpe direkt mit der Auslaßleitung. Das Magnetventil S2 ist geschlossen, wenn
der Kolben 62 ausgefahren oder zurückgezogen wird, es ist aber offen bei nicht arbeitendem
Kolben, um das Druckmittel im Leerlauf zum Tank zurückzuleiten. Das Ventil V2 ermöglicht
damit einen kontinuierlichen Betrieb der Pumpe, d. h., es vermeidet ein Abschalten
der Pumpe, wenn der Motor RD nicht bewegt werden soll.
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Die vorangehend genannten Zahlen für die verschiedenen Drücke sind
zur Veranschaulichung gedacht. Sie können ohne weiteres auch abgeändert werden.
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Es ist zu erkennen, daß die Anlage gemäß F i g. 2 mit der Anlage gemäß
F i g. 1 den Gedanken gemeinsam hat, ein parallel zum Stellmotor in die Hochdruckleitung
eingeschaltetes Druckminderventil, das als Entlastungsventil dient, mittels eines
ferngesteuerten Magnetventils zu regeln. Das Magnetventil bestimmt dabei einen (durch
einen federbelasteten Kolben eingestellten) Steuerdruck im Steuerzylinderraum des
Druckminderventils, indem es im geschlossenen Zustand den Steuerdruck aufbaut und
dadurch das Druckminderventil geschlossen hält, im geöffneten Zustand aber den Steuerdruck
freigibt, wobei das Druckminderventil durch den federbelasteten Kolben geöffnet
wird. Dies führt zu dem besonderen Vorteil, daß das Druckminderventil bei geschlossenem
Magnetventil positiv gegen den Hochdruck gesperrt ist (d. h. daß die Ventilkugel
52 durch den Hochdruck fest gegen ihren Sitz gepreßt ist), so daß das Magnetventil
in jedem Fall nur gegen den im Steuerzylinderraum des Druckminderventils herrschenden,
geringeren Steuerdruck zu sperren braucht.