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Vorrichtung zur Synchronisierung von llydraulikzyiinderantrieben Die
Erfindung befaßt sich mit llydraulikantrieben und ihrer Steuerung. In vielen Fällen,
in denen Arbeitszylinder verwendeü werden, wird verlangt, zwei Arbeitszylinderantriebe
so zu schalten, daß das Energieabgabeelement des einen Zylinders jeder Zeit mit
der Bewegung des Energieabgabeelementes des anderen Antriebs synchronisiert ist,
und daß die Bewegungen der Energieabgabeelemente jederzeit ganz durchgeführt werden
und vollständig sind.
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Es sind bisher verschiedene Typen mechanischer Vorrichtungen verwendet
worden, um die Uewegungen der hitl- und herbeweglichen Energieabgabeelemente zweier
llydraulikantriebe in der Weise miteinander zu verbinden, daß, sobald das eine Element
ausgefahren wird, das andere zurückgezogen wird und umgekehrt.
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Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der USA-Patentschritt
3 327 634 beschrieben, die sich mit einem Betonpumpenapparat befaßt, bei dem die
Kolben zweier entgegengesetzt arleitender Energieabgabeantriebe wechselweise mit
Energie beaufselllagt werden, um die gegenwirkend verbundenen Kolben
einer
Doppelzementpumpeneinkleit anzutreiben. Bei dieser Anordnung sind die Energieabgabeelemente
mit langgestreckten Zahnstangen ausgerüstet, deren einander gegenüberliegende Zähne
mit den Zähnen der entgegengesetzten Seiten eines grossen Leerlaufzahurades käninten.
Wenn somit der kolben des einen Antriebs sich in der einen dichtung bewegt, dann
bewegt sich der Kolben des anderen Antriebs in der entgegengesetzten ichtung.
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Mechanische Anordnungen der obengenannten Art sind in den meisten
Fällen ziemlich kostspielig, erfordern einen ziemlich großen Betriebsraum und unterliegen
den iiblichen unerwünsehten Betriebseharakteristiken, die Mechanismen mit mechanisch
bewegten Teilen eigen sind. So kommt es beispielsweise zu Kolbenstangenbrüchen aufgrund
des Druckaufbaus, unerwünschten Stoßkräften durch Teilchen, die sich in den Zähnen
des Zahnrads oder der Zahns tauge festsetzen und anderen negative Erscheinungen,
die es wünschenswert machen, die bestehenden mechanischen Anordnungen zu verbessern.
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Um die vorhandenen Probleme zu lösen wurde versucht, eine geeignete
hydraulische Vorrichtung zu schaffcii, die mit (>1 oder anderen Flüssigkeiten
arbeiten kann und sich anstelle der mechanischen Verbindungselemente, beispielsweise
der Zahnräder, tiebel u.s.w. für die wechselseitige Synchronisierung und Unterstützung
der Kolbenbewegung des einen Kraftantriebs in bezug auf die Koìbenbewegungen des
anderen Antriebs einet, wenn sie als siauptantrieb arbeitet. Diese Versuche haben
jedoch zu keinem Erfolg geführt und nicht die gewünschte Betriebsweise ergeben,
und zwar hauptsächlich aufgrund der Flüssigkeitsleckage, die den ilub des iiilfskoibens
verändert und damit die darauf aufbauende Synchronisierung der Antriebseinheiten.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die obigen Probleme und Schwierigkeiten
auf neuartige, im folgenden beschriebene Weise zu lösen. Sie geht dabei von einer
Vorrichtung zur Synchronisierung zweier hydraulischer Arbeitszylinderantriebe und
zur wechselseitigen Unterstutzung des Betriebs des einen Antriebs durch den anderen
aus, wenn dieser als liauptantrieb arbeitet, wobei die Zylinder jedes Antriebs einen
Kolben als Energieabgabeelement aufweisen. Die Zylinder der Antriebe sind durch
eine Strömungsverbindung zwischen dem einen Satz der lyl inderenden auf Reihenbetrieb
geschaltet, während der andere Satz Zylinderenden in entsprechender Weise mit einer
Einlaß-Auslaßverbindung für die Zufuhr von Strömungsmittel versehen ist, wenri der
An trieb als Hauptantrieb arbeitet und einem Strumungsmittelaustrag, wenn er als
llilfseinheit arbeitet. i>ie Bewegung des Haultkolbens wird hydraulisch durch
eine Ausatzflüssiekeit übetragen, die den Haum der Strömungsverbindung und der angeschlossetien
Zylinderteile ausi'üllt, wobei an den Sinlab-AuslaU-Anscllluberlderl der Lylinder
ein Einwegbypaß zur EntspaIiljung vorgesehen ist, der durch den KoLben so gesteuert
wird, daß er sich offnet und ein Wiederauffüllen der Zusatzflüssigkeit zum Ausgleich
der Leckage ermöglicht und eine vollständige Füllung des Zusatzflüssigkeitsraums
sicherstellt, so daß der llilfskolben immer einen vollen hub ausführt und mit der
Bewegung des Kolbens des Antriebs, der als llaupteinheit arbeite, synchronisiert
ist.
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Somit befaßt sich die Erfindung ganz allgemein mit hydraulischeu Arbeitsbetrieben
und insbesondere mit einer Vorrichtung zur Synchronisierung zweier hydraulischer
Arbeitszylinderantriebe, so daß ihre Energieabgabeelemente in einer konstanten Zeitverhältnis
arbeiten.
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Ganz allgemein soll also eine verbesserte Vorrichtung geschaffen werden,
die sich allgemein verwenden läßt, um zwei Strömungsmittelzylinderantriebe hydraulisch
so miteinander zu verbinden, daß der eine Antrieb bezüglich des anderen wechselweise
eine Hilfsfunktion ausübt. Dies soll hauptsächlich durch Verwendung einer Steuerung
erreicht werden können, bei der eine Zusatzflüssigkeit ständig zugeführt wird, um
die Leckage zu kompensieren, wodurch der Hilfs- oder Servokolben einen vollen Arbeitshub
erreichen und aufrechterhalten kann.
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Des weiteren sollen erfindungsgemäß Synchronisierungseinrichtungen
geschaffen werden, die zuverlässig arbeiten, einen verhältnismäßig kleinen Raum
beanspruchen, sich aus einer geringen Anzahl Einzelteile zusammensetzen, sich einfach
warten lassen und die über lange Betriebsperioden in der vorgesehenen Weise arbeiten.
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Des weiteren sollen hydraulische Synchronisierungseinrichtungen geschaffen
werden, die neuartige Elemente zur Wiaderherstellung und Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsvolumens
zwischen den Kolben der Antriebsvorrichtungen aufweisen, so daß der Raum, der zur
Sicherstellung der vollen und ganz durchgeführten Hubbewegung des Hilfskolbens verlangt
wird, ständig vollständig gefüllt ist. Dabei sollen die erfindungsgemäßen hydraulischen
Synchronisierungseinrichtungen mit einem neuartigen Bypaßabzug oder -austritt für
die Zusatzflüssieit versehen sein, der von dem Kolben der Antriebseinheit gesteuert
wird, eine eingebaute Leckage besitzt und so arbeitet, daß er die Kolbenhube bei
voller und vollständiger Bewegung ständig synchron hält.
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Der erfindungsgemäß zu schaffende Synchronisierungsmechanismus eignet
sich für zwei strömungsmittelbetätigte Zylinder-Kolbenantriebe, bei dem die Zylinder
an den einen Enden durch eine Strömungsverbindung verbunden sind, die den Durchfluß
eines
eine Bewegung übertragenden Strömungsmittels zwischen den entsprechenden Zylindern
ermöglicht, während der eine Antrieb als Hauptantrieb und der andere Antrieb als
Hilfsantrieb betrieben werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiei des Erfindungsgegenstandes ist
in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt.
Die Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Synchronisierungseinrichtung und enthält
weiter ein Schema der Steuergeräte.
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In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die
erfindungsgemäße VOrrichtung für zwei Hydraulikantriebe verwendet, die ganz allgemein
bei A und B gezeigt sind.
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Die Antriebe bestehen aus einem Zylinder lOa und einem Zylinder lOb,
zu denen ein mit einer Kolbenstange 12a verbundener Kolben iia und ein mit einer
Kolbenstange 12b verbundener Kolben ilb gehören. Die Antriebseinheiten sind in üblicher
Weise aufgebaut.
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Erfindungsgemäß sollen nun die hydraulischen Antriebseinheiten synchron
und so betrieben werden, daß die Kolbenstange der einen Einheit sich in zurückgezogener
Lage befindet, wenn diejenige der anderen Einheit ausgefahren ist und umgekehrt.
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Das heißt, der Betrieb soll so sein, daß die Kolben abwechselnd in
entgegengesetzten Richtungen hin- und herbewegt werden. Des weiteren soll sich die
neuartige Vorrichtung dadurch kennzeichnen, daß die Hydraulikantriebe zur wechselseitigen
Betätigung zweier Binrichtungen, beispielsweise zweier Pumpenelemente1benutzt werden
können, wie dies in der USA Patentschrift 3 327 634 beschrieben ist, wo die Antriebe
zum Antrieb zweier Betonpumpen verwendet werden. Bei derartigen Anwendungsfällen
sollen die Antriebe tatsächlich ständig synchron laufen, und die Kolben sollen zu
jeder Zeit vollständige Hube ausführen. Bei den bekannten Vorrichtungen wurde diese
verlangte Betriebsweise dadurch erreicht, daß eine Reihe
.von IIebeln,
Zahnstangenelementen, deren Zähne mit einem gewöhnlichen Zahnrad in Eingriff standen
sowie anderer mechanischer Elemente verwendet wurden. Erfindungsgemäß soll nun eine
hydraulische Synchronisierungsvorrichtung geschaffen werden, die die bei über lange
Zeiträume arbeitenden meehanischen Mechanismen auftretenden Nachteile beseitigt.
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Zu diesem Zweck sind die Zylinder der Antriebe an den einen Enden
durch eine Querverbindung 13 verbunden, die einen StrömungskanaWschaflX, der zum
Austausch einer in der Querverbindung 13 und den sich anschließenden Teilen der
Zylinder, die sich zwischen den Kolben 11a und lib erstrecken, befindlichen Uewegungsübertragungsflüssigkeit
dient.
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An den anderen Enden der Zylinder ist jeder Zylinder nit einem Einlaß-Auslaß-Paßstück
versehen, auf das die Bezugszeichen 14a und 14b hinweisen, so daß der eine Zylinder
mit einer Druckflüssigkeit beaufschlagt werden kann, während aus dem anderen Zylinder
Flüssigkeit entweichen kann.
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Zur Steuerung der Betriebsweise der Antriebe, und zwar so, daß der
eine Antrieb einen Arbeitshub ausführt, während gleichzeitig der andere Antrieb
von einem geleisteten Arbeitshub mit seinem Kolben in die Ausgangslage zurückkehrt,
ist ein Hauptsteuerventil 15 gewöhnlicher Konstruktion vorgesehen.
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Dieses Ventil ist so angeordnet, daß es von eines geeigneten Mechanismus
in Stellungen geschoben wird, in denen die Antriebe wechselweise mit Druck beaufschlagt
werden, wobei dann, wenn der eine Antriebszylinder mit Druckmittel beaufschlagt
wird, der andere Zylinder Druckmittel ausstößt. Geeignete Leitungen 16a und 16b
bilden von dem Ilauptventil zu den entsprechenden Paßstücken 14a und i4b führende
Strömungsverbindungen.
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Des weiteren ist eine passende Druckmittelquelle 17 vorgesehen, die
aus einer geeigneten Pumpe P bestehen kann, deren Druckseite über eine Leitung 15
mit dem Ventil 15 verbunden ist. Die Leitung 18 enthält ein geeignetes Rückschlagventil
19 üblicher Bauart , das den Rückfluß zur Pumpe unterbindet.
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Außerdem ist an das Ventil 15 eine Leitung 20 angesnlossen, die von
dem Ventil zu einem Sumpf oder Steuerungsmittelrückgewinnungsbehälter 21 führt.
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Das Ventil 15 ist so angeordnet, daß es sich dadurch gewöhnliche Antriebseinrichtungen
verschieben läßt, und es ist ein gleichfalls bekannter Steuerkreis vorgesehen, mit
dem das Ventil so verschoben werden kann, daß die Ventilabschnitte 22a oder 22b
wahlweise abwechselnd mit den entsprechenden Leistungen ltwa und lUb in wirksame
Steuerstellungen kommen und auf diese Weise abwechselnd die Zylinder 10a und lOb
mit Druck beaufschlagen und entspannen. Bei der soweit beschriebenen Anordnung wird
dadurch Betätigung des Ventils 13 ein haupt- und ein ililfsbetrieb der Antriebseinheiten
A und B bewirkt. Wenn, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, beispielsweise das
Ventil 15 sich mit seinem Abschnitt 22a in der angezeigten Stellung befindet, wird
das von der Pumpe P gelieferte Druckmittel in das Paßstiick 14b geleitet, so daß
der Kolben llb bis an seine Arbeiisijubglenze getrieben wird.
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Während dieser Bewegung des Kolbens lib wird das in dem Zylinder lOb
vor dem Kolben 11b befindliche Druckmittel durch die Querverbindung 13 in den Zylinder
10a gedrückt, so daß der in diesen Zylinder befindliche Kolben lla in Richtung auf
die Grenze seines Rückzughubs wandert, wie dies dargestellt ist. Der Kolben lib
stellt während dieser Bewegung das liauptelement dar, während der Kolben lla als
Hilfselement fungiert.
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Wird nun das Ventil 15 nach links verschoben, so daß der Ventilabsehnitt
22b in seine Betriebsstellung gelangt, dann wird das Paßstück 14a mit Druckmittel
beaufschlagt, während aus dem Paßstück 14b des Zylinders lOb Druckmittel abströmen
kann. Der Betrieb der Kolben der Antriebe ist nun umgekehrt,
so
daß der Kolben 11a das Hauptelement darstellt, während der Kolben lib das Hilfs-
oder Servoelement ist.
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Aus der obigen Beschreibung läßt sich entnehmen, daß die Hydraulikantriebe
A und B grundsätzlich synchronisiert sind und wechselweise als Haupt- und Hilfseinheiten
arbeiten. Aufgrund von Leckage, Ölaufbau und anderen Einflüssen können sich jedoch
Betriebsbedingungen einstellen, die verhindern, daß die Hilfseinheit einen vollen
Hub vollendet und die dadurch die Synchronisation der Antriebe beeinträchtigen.
Es ist anzunehmen, daß diese Leckage die Strömungsmittelmenge in den Zylinderabschnitten
zwischen den Kolben und die durch die Querverbindung 13 ausgetauschte Strömungsmittelmenge
zur Schaffung der hydraulischen Kopplung zur Übertragung der Bewegung des Hauptkolbens
auf den Hilfskolben vermindert.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird eine 2usatzströmungsmittelquelle
vorgesehen, die zur Kompensation der Leckage dient und gewissermaßen eine eingebaute
Leckage schafft, so daß sichergestellt ist, daß das Volumen der Kupplungsflüssigkeit
in einer Weise aufrechterhalten wird, die ein vollständiges Füllen der Zylinder-
und Querverbindungsräume ermöglicht. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist
an dem einen Ende, das bei 24 gezeigt ist, eine Zweigleitung an einer Stelle auf
der Abstromseite des Rückschlagventils 19 angeschlossen, deren anderes Ende an einem
mit 25 bezeichneten Punkt mit der Querverbindung 13 verbunden ist. Durch die Zweigleitung
23 wird Druckflüssigkeit gefördert, wobei in dieser Leitung zur Begrenzung der Flüssigkeitsmenge
auf annähernd 3,8 liter/min. eine Einschnürung 26 vorgesehen ist.
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Ein auf der Abstromseite der Einschnürung 26 angeordnetes Rückschlagventil
27 verhindert den Rückfluß und begrenzt den Flüssigkeitsstrom zwischen den Zylindern
über die Querverbindung 13, ermöglicht jedoch den Zufluß von Zusatzflüssigkeit,
falls dies erforderlich ist.
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Um sicherzustellen, daß die Zusatzflüssigkeit in den Zylindern und
der Querverbindung auf vollem Volumen gehalten wird, so daß sie die in diesen Teilen
befindlichen Räume vollständig ausfüllt, sind Vorkehrungen getroffen, um jeden Zylinder
über die Paßstücke 14a oder 14b gegebenenfalls zu belüften, wenn der Kolben die
absolute Grenze seines Rückzughubs erreicht. Diese Stellung ist in der Zeichnung
für den Kolben ila in dem Zylinder IOa dargestellt. In dieser Stellung des Kolbens
ist das Zylinderinnere über eine Öffnung 29, die sich neben der Innenfläche des
Kolbens befindet, wenn sich dieser an seiner Bewegungsgrenze aufhält, mit dem Einlaß
einer Bypaßleitung 28 verbunden. Der Innenraum des Zylinders wird somit über das
Paßstück 14a belüftet, das zu diesem Zeitpunkt mit der Abzugs- oder Austragsleitung
in Verbindung steht. Ein Rückschlagventil 30 ermöglicht den Durchtritt des Belüftungsstroms,
verändert jedoch den Rückstrom durch die Bypaßleitung.
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Es ist zu erkennen, daß die Öffnung 29 durch die Stellung des Kolbens
lla gesteuert wird, und daß der Belüftungsvorgang solange nicht stattfinden kann,
bis der Kolben ila die Grenze seines Rückzughubs erreicht hat. Des weiteren ist
zu erkennen, daß der Bypaß während des Belüftungsvorgangs die entgegengesetzten
Flächen des Kolbens lla verbindet. Wenn darüberhinaus Druckflüssigkeit dem Kolben
11a zugeführt wird, um ihn in Richtung eines Arbeitshubs zu bewegen, dann wirkt
diese Druckflüssigkeit auf das Rückschlagventil 30 ein und hält es solange geschlossen,
bis sich der Kolben an der Austrittsöffnung 29 vorbeibewegt hat, woraufhin beide
Seiten des Rückschlagventils unter gleichem Druck stehen und es keine Rolle spielt,
ob das Rückschlagventil nun geöffnet oder geschlossen ist. Ein gleicher in derselben,
oben erläuterten Weise arbeitender Bypaß ist für den Zylinder iOb vorgesehen.
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Aus der obigen Beschreibung und der Zeichnung ergibt sich eindeutig,
daß mit der neuartigen Vorrichtung die gestellte Erfindungsaufgabe gelöst wird.