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Steuergerät für hydraulische Hubzylinder zum Heben und Senken eines
Gerätes Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für hydraulische Hubzylinder zum
lieben und Senken eines Gerätes, insbesondere eines Planierschildes oder der Ladeschaufel
einer Baumaschine, das ein rasches Senken des Gerätes durch Überführen der Flüssigkeit
von der Abflußleitung über eine Verbindungsleitung in die Zuströmleitung ermöglicht,
wobei in der Verbindungeleitung ein federbelastes, durch die Druckverhältnisse selbsttätig
arbeitendes Absperrventil und in der AWflußleitung eine Drosselbohrung vorgesehen
ist.
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Bei Arbeitsmaschinen, insbesondere für die Bauwirtschaft, werden die
Arbeitsgeräte durch hydraulische Hubzylinder
gehoben, auf den Boden
abgesenkt und von dort in die Arbeitstellung gedrückt. Hierbei ist die Zeit für
den Senkvorgang eine Leerlaufzeit, die den Arbeitsablauf verlängert. Liegt der Drehpunkt
dieser llubmechanik unterhalb des Angriffspunktes der Hubzylinder, so wird dieser
beim Heben aui der Stangenseite und beim Senken auf der Deckelseite mit dem Förderol
der Hydraulikpumpe beschickt.
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Da die wirksame Kolbenfläche auf der Stangenseite des Hubzylinders
bei üblichen Ausführungen nur ca. 75 * der Deckelseitenfläche beträgt, ist bei konstanter
Fördermenge der Eydraulikpumpe die Geschwindigkeit beim Senken auch um diesen Betrag
kleiner, als die Hubgeschwindigkeit. Der Senkvorgang dauert daher länger.
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Es sind Ausführungen bekannt, bei denen das Eigengewicht des Arbeitsgerätes
für den Senkvorgang ausgenutzt wird.
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Dabei ist ein Drosselrückschlagventil in die Leitung zur Stangenseite
eingesetzt, welches die Senkgeschwindigkeit durch die Größe der Drossel bestimmt.
Das Rückschlagventil öffnet beim Heben zum freien Durchgang und schließt bei umgekehrter
Strömungsrichtung beim Senken und Drücken, wobei die ausströmende Flüssigkeit über
die Drossel zurückfließt. Durch den Druckabfall an der Droseel in Strömungsrichtung
gesehen, wird dieses Steuerorgan über eine Feder selbsttätig geöffnet und geschlossen.
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Der Nachteil dieser Einrichtung beeteht in erster Linie darin, daß
der konstante Drosselquerschnitt auch beim Drücken des Arbeitsgerätes einen großen
Widerstand ergibt, 5. daß die. Hydraulikpumpe zusätzlich gegen diesen Widerstand
arbeiten mnß. Ein weiterer, noch schwerwiegenderer Nachteil besteht darii, daß die
Förderpumpe den Raum des Hubzylinders auf der Deckelseite nicht auffüllen kann und
sich damit auf der Deckelseite ein Herlraum bildet, der nach Abschluß des Senkvorgangs
erst aufgefüllt werden muß, bis das Drücken beginnen kann, was einen zusätzlichen
Zeitverlust bedeutet. Ei sind weitere Ausführungen bekant, bei denen eil Überführen
der Flüssigkeit von der Abflußleitung über eine Verbindungsleitung in die Zuströmleitung
ermöglicht ist, wobei in der Verbindungsleitung ein federbelasteten, durch die Druckverhältnisse
selbsttätig arbeitendes Absperrventil und in der Abflußleitung eine Drossel vorgesehen
ist. Damit kann ein Teil der aus der Stangenseite verdrängten Flässigkeit zur Verbinderung
der Hohlraumbildung auf die Deckelseite tiegeleitet werden. ierbei ist noch ein
zweites Rückschlagventil in der Verhindungsleitung notwendig, daß nach Abschluß
den Senkvorgangs in dem Augenblick, in dem das Gerät auf den Boden aufschlägt und
der Flüssigkeitsstrom von der Stangenseite aufhörtdie Verbindungsleitung abschließt.
Anschlißend beginnt der Drückvorgang durch Zufluß der Hydraulikflüssigkeit auf die
Deckelseite des Hubzylinders. Auf der Stangenseite
wird entsprechend
der wirksamen Kolbenfläche nur noch 75 ffi der Pumpenfördermenge über die Leitung
und die Drossel am Drosselrückschlagventil verdrängt. Der Durchflußwiderstand an
der Dressel ist aber sehr hoch, so daß auf der Stangenseite ein entsprechender Druck
wirksam ist, der durch einen zusätzlichen Druck auf die Deckelseite ausgeglichen
und von der Förderpumpe aufgebracht werden muß. Die Drossel ist sehr klein, weil
durch sie die Absenkgeschwindigkeit bestimmt wird. Dabei fließt die unter dem Gewichtsdruck
stehende verdrängte Flüssigkeit über die Drossel und die Verbindungsleitung zur
Deckelseite. Es sind außerdem Ausführungen bekannt, bei denen die Vielzahl von Steuerorganen
dadurch verringert wird, daß auf das Dresselrückschlagventil verzichtet wird und
dafür nur eine einfache Drossel vorgesehen ist. Damit wird aber zusätzlich auch
beim Heben die Drosselbohrung der Drossel wirksam, so daß die Förderpumpe bei allen
Arbeitsgängen gegen diesen erhöhten Druck arbeiten muß. Bei dieser Einiachauefihrung
miß schein bei Heben über das doppelte des Gewichtsdruckes aufgebracht werden, wenn
die Senkgeschwindigkeit gleich der Hubgeschwindigkeit sein soll. Bei einer um 50
* höheren Senkgeschwindigkeit als der Hubgeschwindigkeit müßte beim Heben bereits
über das Vierfache des Gewichtsdruckes aufgebracht werden. Die feste Drossel als
Ersatz des Drosselrückschlagventils ist also kaum ier den vorliegenden Zweck geeignet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Steuergerät
für hydraulische Hubzylinder zum Heben und Senken eines Gerätes zu schaffen, bei
dem die Drosselwirkung nur beim Senkvorgang zur Begrenzung der Senkgeschwindigkeit
des Gerätes wirksam ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drosselbohrung
in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in ihrer Größe veränderbar ist. Dabei
ist das Absperrventil mit einem den Durchlaßquerschnitt der Drosselbohrung verändernden
Glied versehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Hydraulikkreises
eines Planiergerätes mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät zum schnellen Senken
in Schnellsenksteliung, Fig. 2 das Steuergerät in Stellung "drucken" Fig. 3 das
Steuergerät in Stellung "heben".
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Steuergerätes saugt die
Pumpe 1 die Hydraulikflüssigkeit über die Leitung 2 aus dem Ölvorratsbehälter 3
und fördert sie in die Druckleitung 4. Das Viervegeventil 5 ist in dieser Stellung
auf Senken und Drücken geatellt und hat die Druckleitung 4 mit der Leitung 6 verbunden,
die zur Deckelseite des Hubzylinders 7 führt. Der Kolben 8 des Hubzylinders 7 bewegt
sich unter der Gewichtslast des Planiergerätes 10, welches an der Kolbenstange 9
angelenkt ist, abwärts und verdrängt die Flüssigkeit an der Stangenseite des Kolbens
8 über die Leitung 11. In der Leitung 11 befindet sich das Steuergerät 12. Die Leitung
11 ist auf der Seite des Viervegeventils 5 am Anschluß 14 betestigt, In dieser Schaltstellung
ist Wie Leistung 11 über das Viertegeventil 5 mit der Rücklaufleitung 15 verbunden,
die in den Ölvorratebehälter 3 führt. Im Steuergerät 12 ist der Steuerkolben 16
gegen die Kraft der Feder 17 in seine Schnellsenkstellung verschoben. Die vom Kolben
8 verdrängte Flüssigkeit fließt zur Teil aus der mittleren Ringnut 19 in die Ringnut
18 über die Drosselstelle -21 am Steuerkolben 16 vorbei und zum anderen Teil in
die Ringnut 20, von wo sie über das Rückschlagventil 22 in die Leitung 23 und damit
über die Leitung 6 an die Deckelseite des Hubzylinders 7 gelangt. Die in der Ringnut
18 überströmende Flüssigkeit fließt über den
Anschluß 14 in die
Leitung 11 und wird über das Vierwegeventil 5 in die Rücklaufleitung 15 geleitet.
Der Druck, der durch das Gewicht des Planiergerätes 10 im llubsylinder 7 auf der
Stangenseite entsteht, wird durch die Drosselstelle 21 und den Durchgang durch das
Rückschlagventil 22 gehalten. Nach dem Schnellsenken wird das Planiergerät 10 am
Boden aufgefangen und der Flüssigkeitsstrom in der Leitung 11 von der Stangenseite
aus hört auf, wobei der durch das Gewicht des Planiergerätes 10 hervorgerufene Druck
auf Null absinkt. Die Pulpe 1 fördert aber über die Leitung 6 weiter Flissigkeit
in die Deckelseite des Hubzylinders 7, wo der Druck sofort ansteigen kann, weil
die Flüssigkeit aus der Deckelseite über die Leitung 23 das Rückschlagventil 22
sofort schließt, se daß keine Flüssigkeit in die Ringnut 20 übertreten kann. Die
Feder 17 schiebt den Steuerkolben 16 in seine Ausgangslage zurück und der Vorgang
Drücken beginnt, der in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 ist die Strömungsrichtung
der Flüssigkeit beim Driicken durch Pfeile dargestellt. Durch den Druck in der Leitung
23 und 29 wird das Kugelventil 2b geöffnet, so daß die Deckelseite, die nunmehr
unter Druck steht, mit dem Raum 27 an der Rückseite des Steuerkolbens 16 in Verbindung
steEt.- Da die Flüssigkeit nur über die
Mini-Drossel 26 abfließen
kann, wird der Druck im Raum 27 gehalten. Durch diesen Druck und die Feder 17 wird
der Steuerkolben 16 in seine Endlage gebracht, so daß die Drosselung der durchströmenden
Flüssigkeit an der Drosselstelle 21 aufgehoben ist. In Fig. 3 ist die Stellung Heben
dargestellt. Die Strömungirichtung ist wieder durch Pieile gekennzeichnet. Beim
Heben ist mindestens der Druck, der der Gevichtslast des Gerätes entspricht, wirksam.
Das Bückgehlagventil 22 iat hier nicht in Funktion und kann geöffnet oder geschlossen
sein. Der Druck im Raum 27 ist höher als der an der Deckelseite des Hubzylinders
7. Der gleiche Druck herrscht auch in der Leitung 29, so daß das Kugelventil 28
geschlossen ist. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des Steuergerätes sind erhebliche
Vorteile verbunden. Beim Heben und Senken ist ein drosseifreier Durchgang in den
Hubzylinder gegeben, weil der Umschbltvorgang nicht durch eine Strömungsumkehr wie
beim normalen Drosselrückschlagventil, sondern durch eine kurzzeitig überhöhte Strömungsgeschwindigkeit
eingeleitet wird, so daß ein normaler Druckabfall ohne Drossel in Strömungsrichtung
ausreicht. Diese kurzzeitige Druckerhöhung tritt durch eine kurzzeitig überhöhte
Fallgeschwindigkeit des Planiergerätes ein. Der Druck setzt sich über die Leitung
24 bis in den Raum 25 an der Stdirnseite des
Steuerkolbens 16 fort
und verschiebt diesen gegen die Kraft der Feder 17. Gleichzeitig wird dabei der
Drosselquerschnitt an der Drosselstelle 21 wieder kleiner, wodurch die Senkengeschwindigkeit
auf die gewünschte Größe abfällt. Diese selbsttätige Drucksteuerung wird an Hand
von einfachen Zahlenbeispielen dargestellt. Bei einer doppelten Strömungsgeschwindigkeit
fällt der Druck zwischen zwei Meßpunkten ungefahr um das Vierfache. Die Hubgeschwindigkeit
beträgt normal 0,3 bis 0,4 m/s. Nimmt man an, daß unter den oben angegebenen Werten
für eine Druckdifferenz vom 4-fachen des normalen Druckgefälles ein Umschalten sicher
erfolgt, so wäre dies bei einer Fallgeschwindigkeit von 0,7 m/s. Der Vorgang ist
aber kein freier Fall, da die Reibung der Kolben und die Strömungswiderstände den
freien Fall hemmen, Es wird daher angenommen, daß für die Fallbeschleunigung nur
noch die Hälfte des freien Falls auftritt, also 0,5 m/s2. Daraus ergibt sich die
Zeit bis zur Erreichung der Geschwindigkeit von 0,7 m/s. t = 0,7 / 5 = 0,14 sec.
Der Fallweg wird dabei H = b / 2 . t² = 5 / 2 . 0,0196 = 4,9 cm. Die geringe Fallhöhe
erlaubt es ohne weiteres, diere Wirkung auszunutzen.
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Die großzügige Abschätzung des Widerstandes als die Hälfte des Eigengewichtes
und die Vereinfachung eines konstanten Widerstandes ohne Berücksichtigung, daß dieses
ein Anlauivorgang ist, läßt erwarten, daß die Fallhöhe wesentlich kleiner als die
nach der Schätzung erreichnete ist.
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Der Steuerkolben 16 ist zwischen den beiden Ringnuten 18 und 19 konisch,
so daß bei einer Verschiebung des Steuerkolbens 16 der Drosselquerschnitt an der
Drosselstelle 21 schnell abnimmt, wodurch die Senkgeschwindigkeit des Planiergerätes
sofort verringert wird. Das Steuergerät kann direkt am Hubzylinder 7 untergebracht
sein. Meistens werden für die Hubeinrichtungen zwei Hubzylinder vorgesehen, so daß
zwei solcher Steuergeräte benötigt werden. Es besteht aber die Möglichkeit, das
Steuergerät vor der Verzweigung der zu den Stangenseiten führenden Leitungen der
Hubzylinder unterzubringen, womit man mit einem Steuergerät auskommen wird. Es werden
neuerdings immer mehr Hubzylinder verwenet, bei denen im Kolben Ventile untergebracht
sind, die beim Anschlag des Kolben auf der Deckel-oder Stangenseite aufgestoßen
werden und der Flüssigkeit den Durchgang von einer Kolbenseite zur anderen freigeben.
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Die nach Beendigung des Hubvorgangs ankommende Flüssigkeit ist aber
um ein 1/ größer als die während dos Drückens. Die feste Drossel bei den bekannten
Einrichtungen erzeugt dabei sehr hohe Druckdifferenzen, welche die Vorteile dieser
Ventile im Kolben des Hubzylinders unwirksam machen. Besonders schlecht wird es,
wenn zwei Steuereinrichtungen direkt auf den Rubsylindern verwendet werden, weil
durch unvermeidliche Verwindungen der Traggerüste des Arbeitsgerätes wie z. B. I
bei Verwendung einem Schwenkschildes bei Planiereinrichtungen, besonders auch bei
zusätzlichen Tilt-Einrichtungen, unterschiedliche Geschwindigkeiten und damit unterschiedlich
hohe
Drücke auftreten. In diesem Falle fließt die ganze Fördernenge der Puppe über den
Hubzylinder, dessen Kolben zuerst am Deckel der Stangenseite angekommen ist. Die
nur für die Hälfte der verdrängten Flüssigkeit bestimmte Steuereinrichtung wird
von einer Menge durchflossen, die 2,67 nal größer ist, als die beim Drücken. Die
dabei auftretenden Drücke sind riesig. Da beide Hubzylinder diesen Druck bekommen,
wird die Seite des Traggeristes, auf der das Arbeitsgerät den Boden noch nicht berührt
hat, durch seinen Hubzylinder übermäßig belastet und verwendet das Traggerüst, so
daß dieses die absolute Höchstbelastung des Traggerätes ergeben kann. Dieser Mangel
wird durch den Erfindungsgegenstand vermeiden. Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen
Steuergerätes vor der Verzweigung der Leitungen, die nach den beiden Stangenseiten
führen, ist eine Verbindung des Raumes 27 unterhalb des Steuerkolbens 16 mit der
Deckelseite über das Kugelventil 28 nicht erforderlich.
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Die Durchflußwiderstände bei den bisher bekannten Ausführungen erreichen
dabei Drücke von über 50 at, während diese bei der vorliegenden Erfindung unter
10 at liegen. Der Mengenverlust beim Drücken.iber das Kugelventil 28 von der Deckelseite
des Hubzylinders 7 in den Raum 27 und von dort über die Mini-Drossel 26 in den Rücklauf
zum Öllvorratsbehälter 3 beträgt nur ca. 1 % der Pumpenfördermenge, was also ohne
Bedeutung ist.