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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Antrieb für Arbeitsmaschinen,
bei denen ein im Vergleich zur Taktzeit der Maschine kurzzeitig wirkender und eine
große Kraft erzeugender Energiebedarf erforderlich ist, insbesondere zum Antrieb
von Gesenkpressen, Brechern, Knüppelscheren u. dgl., wobei auf den Arbeitskolben
der Maschine der Förderdruck einer hydraulischen Pumpe mit Akkumulator oder Flüssigkeitsfeder
einwirkt und zwischen dem Arbeitskolben und einem Druckgeberkolben eine zur Vollführung
des Leerweges dienende Flüssigkeitssäule vorhanden ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen hydraulischen
Antrieb der genannten Art so zu gestalten, daß Auffangvorrichtungen und ein Überlastungsschutz
entfallen können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die diese Flüssigkeitssäule
enthaltende Zuführungsleitung eine solche Länge und einen solchen Durchmesser aufweist,
daß die kinetische Energie der darin enthaltenen Flüssigkeitssäule am Ende des Leerweges
der zur Ausführung des Arbeitsweges nötigen Arbeitsenergie entspricht.
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Es ist bereits bekannt, bei Arbeitsmaschinen die Arbeitsenergie als
kinetische Energie in einer beweglichen Masse, z. B. einem Schwungrad zu speichern.
Die Energiespeichermasse ist ein starrer Körper, dessen Geschwindigkeit erheblich
über derjenigen des Arbeitskolbens liegt, der sich langsam bewegen soll, damit er
nicht als Hammer wirkt. Die Geschwindigkeit der Energiespeichermasse soll dagegen
so groß wie möglich sein, damit die Masse nicht zu groß wird. Bisher haben sich
nur die mit Schwungrädern ausgestatteten Maschinen durchgesetzt. Hierbei sind jedoch
die hohen Werkstückberührungszeiten bei diesen Maschinen sehr nachteilig, so daß
solche Maschinen z. B. als Gesenkpressen ungeeignet sind. Aus diesem Grunde versucht
man die Schwungräder durch geradlinig bewegte starre Massen zu ersetzen. Ein sicheres
Auffangen dieser Massen in den Endlagen ist hierbei eine nur mit verhältnismäßig
großem Aufwand zu meisternde Schwierigkeit. Bei Einbau zu kleiner Gesenke oder,
wenn zwischen der Energiespeichermasse und dem Arbeitskolben ein Druckflüssigkeitskissen
geschaltet ist, ist es infolge Versagens des als Überlastungsschutz dienenden Sicherheitsventils
möglich, daß sich der Druck im Druckflüssigkeitskissen nicht aufbaut. Für diesen
Fall muß eine absolut sichere Auffangvorrichtung der mit hoher Geschwindigkeit bewegten
Masse vorhanden sein. Es ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung einer Stoßwirkung
während des Krafthubes von Pressen bekannt, bei welchem ein Kraftglied und ein Stoßglied
durch ein druckübertragendes Flüssigkeitsmittel miteinander verbunden sind. Hierbei
wird die feste Masse durch Dampfdruck aus einem Kanal beschleunigt, d. h. die statische
Energie des Dampfes wird in kinetische Energie der Masse umgewandelt. Anschließend
wird die Masse durch den Verformungswiderstand des Werkstückes abgebremst, was bedeutet,
daß ihre kinetische Energie in statische Druckenergie in dem Druckflüssigkeitsraum
für den Antrieb des Bären umgewandelt wird. Es findet also eine zweimalige Energieumwandlung
statt, wobei die feste Masse als Träger der kinetischen Energie fungiert. Bei den
bei der Presse vorgesehenen Leitungen handelt es sich um übliche Verbindungsleitungen.
Der Druck in den Arbeitszylindern entspricht stets dem Druck im Speicher bzw. im
Druckübersetzer abzüglich der Rohrreibungs- und Drosselverluste in den Verbindungsleitungen.
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In der Hydraulik ist es bereits bekannt, bei Förderpumpen (hydraulische
Widder) die kinetische Energie von strömenden Flüssigkeitssäulen mittels des Flüssigkeitsstoßprinzips
auszunutzen. Dabei wird eine strömende Flüssigkeitssäule bei Erreichen einer bestimmten
Geschwindigkeit durch Schließen eines geschwindigkeitsabhängig gesteuerten Stoßventils
plötzlich abgestoppt, wobei durch den Staudruck ein Teil der abgestoppten Flüssigkeit
auf eine Förderhöhe von mehrfacher Größe der Fallhöhe des Flüssigkeitsstromes gefördert
wird.
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Durch die Erfindung erhält man einen Energieumwandler für Arbeitsmaschinen
der genannten Art, bei dem die Verwendung einer starren Masse als Speichermittel
für die kinetische Energie und die damit verbundenen Nachteile ausgeschaltet sind.
Der erfindungsgemäße vorgesehene hydrokinetische Energieumwandler ist einfach im
Aufbau und arbeitet zuverlässig.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Zylinder
für den Arbeitskolben der Maschine und der hydraulischen Antriebsvorrichtung ein
die strömende Flüssigkeitssäule aufnehmendes langes Rohr und ein an sich bekannter
Druckgeberkolben angeordnet. Hierbei soll die lichte Querschnittsfläche des Rohres
im Verhältnis sowohl zu der Fläche des Arbeitskolbens als auch zu der wirksamen
Fläche des Druckgeberkolbens gering sein. Die Rohrlänge ist von der bereitzustellenden
kinetischen Energie abhängig. Wenn man der Flüssigkeit etwa eine doppelt so hohe
Geschwindigkeit, wie diese bei festen Massen üblich ist, geben will, so ist das
lichte Rohrvolumen 1,96 mal so groß wie das Volumen der vergleichbaren festen Masse.
Eine entsprechend große Rohrlänge läßt sich jedoch leicht unterbringen, ohne daß
die gesamte Vorrichtung sperrig wird. Der mit der Flüssigkeitssäule verbundene Zylinderraum
des Druckgeberkolbens steht zweckmäßig mit einem Flüssigkeitsbehälter zur Ergänzung
der Leckflüssigkeit in Verbindung.
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In der Förderleitung zwischen der Pumpe und dem Druckgeberkolben sind
zweckmäßig ein Absperrorgan und zu diesem parallel geschaltet ein Rückschlagventil
vorgesehen, wobei die betreffende Leitung mit dem Pumpensammelbehälter über ein
weiteres Absperrorgan verbunden sein kann. Der Druckgeberkolben weist vorteilhaft
zur Rückbewegung einen weiteren Kolben auf, dessen Zylinderraum über eine Rückschlagdrossel
mit dem hydraulischen Antriebsaggregat (Pumpe bzw. Speicher) verbunden ist. Man
kann aber auch den weiteren Kolben des Druckgeberkolbens abgesetzt ausbilden und
den Zylinderraum des größeren abgesetzten Kolbenteils über ein Absperrorgan mit
dem Pumpensammelbehälter verbinden. Bei dem hydrokinetischen Energieumwandler können
im übrigen die Arbeitsmaschine und das hydraulische Antriebsaggregat beliebig ausgebildet
sein.
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Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
nachstehend erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform eines hydrokinetischen Energieumwandlers
für eine Arbeitsmaschine in einfacher Ausführung schematisch; das Ausführungsbeispiel
der F i g. 2 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform
der
F i g. 1, wobei jedoch der Druckgeberkolber zweistufig ausgebildet ist.
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Die als Presse dargestellte Arbeitsmaschine weise einen in einem Rahmen
1 beweglichen Holm 2 auf; der mittels des Arbeitskolbens 3 bewegt wird. De] Rückzug
kann durch die Rückzugskolben 5 erfolgen; deren Zylinder 6 über die Leitungen 7
und 8 mit einem Behälter 9 in offener Verbindung stehen. Dieser a1; Druckspeicher
ausgebildete Behälter 9 kann entweder ein Akkumulator oder eine Flüssigkeitsfeder
sein. Irr ersteren Fall befindet sich neben der Flüssigkeit eir Luftkissen in dem
Behälter, während in dem zweiter. Fall der Behälter vollständig von der Flüssigkeit
ausgefüllt ist. Der Zylinderraum 4 des Arbeitskolbens 3 ist über ein Rohr 10 mit
einem Zylinder 11 verbunden, in dem sich ein Druckgeberkoiben 12 bewegen kann. Der
Zylinder 11 kann über ein Absperrorgan 13 mit einem Behälter 14 zur Ergänzung der
Leckflüssigkeit in Verbindung gebracht werden. Von dem Zylinderraum 15 geht über
eine Rückschlagdrossel 16 eine Leitung 17 zu dem Behälter 9. Die Drosselung bei
16 erfolgt in Richtung von dem Behälter 9 zu dem Raum 15. Der Zylinderraum 19 des
Druckgeberkolbens steht über die Leitung 20 und ein Absperrorgan 21 oder das Rückschlagventil
22 mit dem Behälter9 in Verbindung. Eine weitere Verbindung ist über das Absperrorgan
23 mit dem Sammelbehälter 24 der Pumpe 25 gegeben. Von der Pumpe 25 führt über ein
Absperrorgan 26 eine Leitung zu dem Sammelbehälter 24 und eine weitere Leitung über
das Rückschlagventil 27 zu dem Behälter 9.
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Die Ausführungsform der F i g. 2 entspricht im wesentlichen derjenigen
der F i g. 1. Bei dem Druckgeberkolben 12 ist zusätzlich ein weiterer Zylinderraum
28 vorgesehen, der über die Leitung 29 und die Absperrorgane 30 und 21 mit dem Behälter
9 und über die Leitung 29 und das Absperrorgan 33 mit dem Sammelbehälter 24 verbunden
ist. Ferner besteht eine Verbindung von dem Zylinderraum 28 über die Leitung 29
und das Absperrorgan 30 und die Leitung20 zu dem Zylinderraum 19.
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Die Wirkungsweise des hydraulischen Antriebs ist wie folgt: In der
Ruhestellung befindet sich der Arbeitskolben 3 in der oberen Stellung. Die Pumpe
erhält in üblicher Weise den Druck im Behälter 9 aufrecht, indem sie so lange über
das Rückschlagventil 27 in den Behälter 9 pumpt, bis der Höchstdruck erreicht ist.
Sie schaltet dann auf Umlauf über das Absperrorgan 26, bis der Mindestdruck unterschritten
wird. Die Bewegung des Holmes 2 wird durch Öffnen des Absperrorgans 21 eingeleitet.
Der Zylinderraum 19 erhält Druck. Dadurch wirkt auf den Druckgeberkolben 12 eine
Kraft, die gleich dem Druck im Behälter 9 ist, multipliziert mit der Querschnittsfläche
des Kolbenendes 31, abzüglich der Querschnittsfläche des Kolbenendes 32. Der im
Zylinderraum 11 hierdurch entstehende Druck ist infolge des großen Querschnitts
der Kolbenscheibe 12 nur ein kleiner Bruchteil des Druckes im Behälter 9. Der Druck
im Zylinderraum 4
ergibt sich aus der Rückzugskraft und den Eigengewichten
der beweglichen Teile der Maschine. Beschleunigungskräfte an den Teilen 2,3 und
12 können vernachlässigt werden, weil sie mit geringer Geschwindigkeit laufen. Dies
folgt zwangläufig aus der im Verhältnis zu den Querschnittsflächen der Kolben 3
und 12
sehr geringen lichten Querschnittsfläche des Rohres 10. Der Druck im
Raum 4 ist nur ein sehr geringer Bruchteil des Druckes im Raum 11. Der Druckunterschied
zwischen den beiden Räumen beschleunigt die Flüssigkeitssäule im Rohr 10. Gleichzeitig
bewegt sich der Kolben 3. Kurz nachdem der Leerhub des Kolbens 3 beendet ist, hat
die Flüssigkeitssäule im Rohr 10
ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht. Der
Energieinhalt hat zu diesem Zeitpunkt den Betrag der erforderlichen Arbeitsenergie
der Maschine, wenn man annimmt, daß die geringe kinetische Energie der Teile 2 und
3 ausreicht, um die Reibungsverluste zu überwinden. Sobald der Arbeitswiderstand
auftritt, wird der Kolben 3 gebremst und die Flüssigkeitssäule im Rohr 10 verzögert.
Sie erzeugt dadurch auf dem Kolben 3 die dem Arbeitswiderstand entsprechende Preßkraft.
Wenn z. B. Wasser als Flüssigkeit im Rohr 10 verwendet wird, ist nach den Gesetzen
der Hydraulik der höchste erreichbare Preßdruck im Raum 4 gleich 14,5mal
der Geschwindigkeit in m/sec der Flüssigkeitssäule im Rohr 10, und zwar in kg/cma.
Je nach der Energiemenge, die von der Maschine abgenommen wird, kommt die Flüssigkeitssäule
im Rohr 10 zum Stillstand, oder sie bewegt sich mit mehr oder weniger großer Geschwindigkeit
in entgegengesetzter Richtung von dem Raum 4 zu dem Raum 11. Kurz vorher, während
die Flüssigkeitssäule noch in umgekehrter Richtung läuft, wird das Absperrorgan
21 geschlossen, so daß im Raum 11 ein Vakuum entsteht; dadurch kann sich
die durch die Restenergie erzeugte Rückwärtsbewegung der Flüssigkeitssäule voll
entfalten. Die Flüssigkeit schießt in den Raum 11 und treibt den Druckgeberkolben
12 zurück. Die Druckflüssigkeit aus dem Raum 19 wird über das Rückschlagventil
22 in den Behälter 9 zurückgedrückt, und so wird die Restenergie zum größten Teil
zurückgenommen. Der maximal mögliche hydraulische Verlust bei diesem Vorgang tritt
dann ein, wenn der zum Zurückschieben des Kolbens 12 erforderliche Druck im Raum
11 nicht erreicht wird. Wenn man z. B. den Maximaldruck im Raum 4 mit 300 atü und
den Maximaldruck im Raum 11 mit 25 atü festgelegt hat, so ist dieser Verlust gleich
d. h. außer den Reibungsverlusten im Rohr 10, die natürlich erheblich höher
liegen, treten nennenswerte Verluste nicht auf. Nach Abschluß des Rücklaufvorganges
wird das Absperrorgan 23 geöffnet, und der Kolben 12
wird durch den Druck
im Raum 15 in die Ausgangsstellung zurückgeführt. Gleichzeitig geht der Kolben
3 durch die Rückzugskraft der Kolben 5 in die Ausgangsstellung zurück. Die Rückzugsgeschwindigkeit
des Kolbens 12 kann durch die Rückschlagdrossel 16 geregelt werden. Nach Beendigung
des Rückhubes wird das Absperrorgan 13 kurzzeitig geöffnet, damit eventuell aufgetretene
Leckverluste durch Nachsaugen ausgeglichen werden können.
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Bei der Anordnung nach F i g. 2 verläuft der Vorgang prinzipiell in
gleicher Weise; es wird hier jedoch für den ersten Teil des Hubes über das Absperrorgan
30 im Zylinderraum 28 Gegendruck gegeben. Dadurch ist die Beschleunigung der Flüssigkeitssäule
im ersten Teil des Hubes geringer als bei der Anordnung nach F i g. 1. Im zweiten
Teil des Hubes verbindet man den Zylinderraum 28 über das Absperrorgan 33 mit dem
Sammelbehälter 24. Dabei ist die Beschleunigung größer als in der Anordnung nach
F i g. 1, weil in F i g. 2 der Zylinderraum 19 größer ausgeführt ist als
in F i g. 1. Eine in üblicher Weise durchzuführende Berechnung zeigt, daß die hydraulischen
Reibungsverluste im Rohr 10 im Falle der Ausführung nach
F i g.
2 erheblich geringer sind. Ferner läßt sich bei dieser Ausführung eine Abstufung
der Arbeitsenergie gut dadurch erreichen, daß man den Zeitpunkt, zu dem man den
Zylinderraum 28 mit dem Sammelbehälter 24 verbindet, variabel gestaltet.