DE1902347A1 - Einrichtung zum Verhindern von Kavitation in einem hydraulischen Antrieb - Google Patents

Description

"Einrichtung zum Verhindern von Kavitation in einem

hydraulischen Antrieb"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Verhindern von Kavitation in einem hydraulischen, mit Einlaß und Auslaß versehenen Antrieb, bei welchem beim Beschicken des Einlasses mit dem Druckmittel die hydraulische Flüssigkeit aus dem Austritt austritt. Ein Beispiel für einen solchen hydraulischen Antrieb ist eine doppeltwirkende hydraulische Win-« de, deren Kolbenstange durch die dem Einlaß zugeführte Druckflüssigkeit mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus dem Zylinder vorgetrieben wird. Unter manchen Betriebsbedingungen können äußere Kräfte auftreten, welche die Kolbenstange in ihrer Vortriebsrichtung mit einer größeren Geschwindigkeit als der Vortriebsgeschwindigkeit herauszuziehen suchen. Das kann beispielsweise geschehen, wenn die hydraulische Winde dem ^l Zweck dient, den Schüttgutbehälter eines Lastwagens hoehzukip— pen, um ihn zu entleeren. Dabei stemmt sich die hydraulische Winde anfänglich gegen das _AG£wJti5ht. de_s_

st Schüttgutbehälters,

Sobald jedoch der Schwerpunkt der Last über die Schwenkachse des Schüttgutbehälters hinwegkippt, kehrt sich die Last um, . und der Schüttgutbehälter übt dann einen Zug auf die Winde aus, der in derselben Richtung wirkt, in der das Druckmittel auf den Kolben der Winde wirkt. Entsprechende Betriebszustände können bei zahlreichen anderen hydraulischen Antrieben auftreten. Das kann dann dazu führen, daß die Erscheinung der Kavitation auftritt, die plötzliche, unbeherrschbare Stöße oder Schwingungen zur Folge hat, was zu ernsten Schäden und anderen unerwünschten Folgen führen kann. Insbesondere können infolge übermäßig schneller Bewegungen und infolge von Stoßbelastungen Teile des hydraulischen Antriebes beschädigt werden.

Diese Kavitationserscheiriungeii müssen also vermieden werden. Bisher hat man zu diesem Zweck ein Steuerventil o.dgl. verwendet, welches das Druckmittel vom einen Ende der hydraulischen Winde zum anderen zurückführt und dadurch die Menge des dem Einlaß zugeführten hydraulischen Mittels vergrößert. Damit ließ sich aber die Kavitation nicht immer in besiegender Weise verhindern. Es können nämlich Umstände eintreten, unter denen dieses Steuerventil unwirksam ist. Denn es steuert nicht die Vortriebsgeschwindigkeit der hydraulischen Winde und den sich aus dieser Vortriebsgeschwindigkeit ergebenden Stoß, der auftritt, wenn die Winde ihre Endstellung erreicht. Dann kann möglicherweise ein Schaden eintreten.

Das bekannte Steuerventil, das das hydraulische Druckmittel zwischen den Enden des Windenzylinders mit einer Geschwindigkeit überträgt, welche Kavitationserscheinungen zu verhindern vermag, fällt unter Umständen übermäßig umfangreich und kostspielig aus, so daß in Grenzfällen die Größe und die Kosten eines solchen Steuerventils nicht tragbar sind. Das kann zutreffen, wenn auf die Winde sehr große Zugkräfte wirken, welche die Kolbenstange mit übermäßiger Geschwindigkeit aus dem Zylinder herausziehen, so daß das Antriebsmittel den Kolben nicht einzuholen vermag. In denjenigen Fällen, in denen der wirksame Zylinderquerschnitt auf der einen Seite des Kolbens sehr viel größer ist als auf der anderen Seite

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des Kolbens, tritt das hydraulische Mittel am Auslaß mit einer Strömungsgeschwindigkeit aus, die nicht ausreicht, um das dem Einlaß zugeführte Druckmittel wirksam zu ergänzen. Aus diesen und aus anderen Gründen vermag das übliche Steuerventil, wenigstens wenn es praktisch brauchbare Abmessungen haben soll, nicht stets zu gewährleisten, daß durch Kavitation bedingte Stoßbelastungen unterbleiben, die den hydraulischen Antrieb beschädigen*

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Einrichtung zum Verhindern der Kavitation und ihrer schädlichen Wirkungen zu schaffen.

Gelöst ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Drosselventil, das mit dem Auslaß in Reihe geschaltet und durch ein Stellglied verstellbar ist, das auf eine Druckänderung im Einlaß derart anspricht, daß das Drosselventil bei Druckzunahme im Sinne einer Vergrößerung des Drosselquerschnitts und bei Druckabnahme im Sinne einer Verkleinerung des Drosselquerschnitts verstellbar ist.

Es wird also durch das Drosselventil selbsttätig die Strömungsgeschwindigkeit begrenzt, mit der das hydraulische Mittel aus dem hydraulischen Antrieb austritt. Diese Austrittsgeschwindigkeit wird der Strömungsgeschwindigkeit angepaßt, «it der das Druckmittel den Einlaß des Antriebs jeweils zuströmt. Die Größe des verstellbaren Drosselquerschnitts am Auslaß des Antriebs wird durch das Drosselventil bestimmt, das sich in Abhängigkeit von dem Druck verstellt, mit welchem der Einlaß des Antriebs gespeist wird. Das Drosselventil verringert also den Drosselquerschnitt des Auslasses, wenn der Druck des dem Einlaß zugeführten Druckmittels sinkt. Dadurch wird ein angemessenes Gleichgewicht zwischen den Flüssigkeitsdrücken aufrechterhalten, die in dem hydraulischen Antrieb wirken, gleichgültig, wie groß die äußeren auf den hydraulischen Antrieb wirkenden Kräfte sind. Auch verhindert die Einrichtung nach der Erfindung, daß eine stoßweise Belastung der hydraulischen Winde am Hubende dynamische Wirkungen hervorruft.

Auch zeichnet sich die Einrichtung nach der Erfindung durch gedrängte Bauart und große Zuverlässigkeit beim Verhin-

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dem der Kavitation in hydraulischen Antrieben aus.

Die Erfindung sei nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Diese zeigt einen Lastwagen mit kippbarem Schüttgutbehälter, mit einer hydraulischen Winde für diesen und einen Längsschnitt durch das Drosselventil zum Verhindern von Kavi— tationserscheinungen nach der Erfindung.

Im Zylinder 11 der hydraulischen Winde ist ein Kolben 12 verschiebbar, dessen Kolbenstange 13 in Achsenrichtung aus dem Zylinder heraus vorgetrieben oder zurückgezogen werden kann. Die hydraulische Winde dient zum Kippen des Schüttgutbehälters 14 eines Lastwagens 15. Jedoch ist die Erfindung keineswegs auf dieses Anwendungsbeispiel beschränkt. Die Winde ist nur zur Erläuterung eines bezeichnenden Falls gewählt, in welchem Einrichtungen zum Verhindern der Kavitation erwünscht sind. Diese kann indessen auch bei anderen hydraulischen Antrieben und insbesondere bei anderen hydraulischen Motoren auftreten.

Der Schüttgutbehälter 14 ist am Fahrgestell 16 des Lastwagens um einen Zapfen 17 kippbar, der vom hinteren Ende des Fahrzeugs aus betrachtet weiter vorn liegt. Die hydraulische Winde befindet sich vor dem Zapfen 17. Sie ist dort zwischen dem Schüttgutbehälter 14 und dem Fahrgestell l6 derart eingefügt, daß der Kolben 12 bei seinem Vortrieb das vordere Ende des Schüttgutbehälters anhebt, um das Schüttgut hinten zu entladen.

Wenn das geschieht, dann muß sich die hydraulische Winde zunächst gegen das Gewicht des Schüttgutbehälters 14 und der darin befindlichen Last stemmen· Beim Anheben des Schüttgut— behälters bewegt sich jedoch der gemeinsame Schwerpunkt dieses Behälters und seines Inhalts rückwärts und geht schließlich über den Zapfen 17 hinweg. Wenn das geschehen ist, übt das Gewicht des Schüttgutbehälters und der Last einen Zug auf die Kolbenstange 13 des Zylinders 11 aus. Dieser Zug kann zu Kavitationserscheinungen führen. Das ist insbesondere zu befürchten, wenn keine Vorkehrungen dagegen getroffen sind und wenn die vom Schüttgutbehälter auf die Kolbenstange 13 ausge-

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übte Kraft so groß ist, daß sie die Kolbenstange 13 in der •Vortriebsrichtung mit so großer Geschwindigkeit herauszieht, daß das dem Kopfende des Zylinders zugeführte Antriebsmittel den Kolben nicht einholen kann.

Um diese Wirkung zu verhindern, ist ein Antikavitationsventil 18 in den Strömungsweg eingeschaltet, der zwischen dem Zylinder 11 und der Pumpe 19 o.dgl, verläuft. Dieses Anti-, kavitationsventil 18 ist ein Drosselventil, das den Austritt des hydraulischen Mittels aus dem Stangenende des Zylinders 11 um so stärker einschränkt, je mehr der Druck des Druckmittels im Kopfende des Zylinders sinkt.

Zu diesem Zweck hat der Ventilkörper 21 des Ventils 18 vier hydraulische Mündungen 22, 23, 2k und 26. Die Mündung ist mit dem Kopfende des Zylinders 11 durch eine Leitung 27 verbunden, während die Mündung 26 mit dem Stangenende des Zylinders durch eine zweite Leitung 28 in Verbindung steht. Die Mündungen 22 und 2k sind mit einem Umsteuerventil 29 durch besondere Leitungen 31 und 32 verbunden. Dieses Umsteuerventil 29 kann man von Hand umschalten, um die Kolbenstange der hydraulischen Winde entweder vorzutreiben oder zurückzuziehen, wenn man den Schüttgutbehälter Ik anheben oder senken will. ']

Das Umsteuerventil 29 hat eine Druckleitung 32, die das hydraulische Druckmittel, z.B. Öl, von einer Pumpe 19 erhält. Außerdem hat das Umsteuerventil 29 eine Abflußleitung 33, die zum Vorratsbehälter 34 zurückführt. Nimmt das Umsteuerventil 29 eine erste Stellung ein, dann beschickt es die Mündung 22 des Ventils 18 mit dem unter hohem Druck stehenden Druckmittel, während es die Mündung 2k auf Abfluß schaltet und mit dem Be· hälter 3% verbindet. Das hat zur Folge, daß die Kolbenstange ^r 13 vorgetrieben wird. "'

Nimmt das Umsteuerventil 29 eine zweite Schaltβteilung ein, dann leitet es das hydraulische Druckmittel der Steuer·» V"' mündung 2k zu und schaltet die Mündung 22 auf Abfluß. Dadurch wird die Kolbenstange 13 zurückgezogen. In einer drittem ·'·*'" Schaltstellung blockiert das Umsteuerventil 29 die beiden l· ■> Mündungen 22 und 2k, wodurch die Kolbenstange 13 in ihrer /'' jeweiligen Stellung gesperrt wird. Schließlich kann das Um*

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steuerventil 29 eine vierte Schaltstellung einnehmen, in der es die Leitungen 31 und 32 miteinander verbindet. Dann findet ein Austausch des hydraulischen Mittels vom Kopfende zum Stangenende des Zylinders 11 statt.

Damit das hydraulische Mittel beim Vortrieb zum Kopfende des Zylinders 11 fließen kann und beim Rückzug der Kolbenstange austreten kann, verbindet ein ständig offener Durchlaß 36 innerhalb des Ventilgehäuses 21 die Mündungen 22 und 23.

Um den Drosselquerschnitt für die Strömung zu schaffen, die vom Stangenende des Zylinders 11 zum Umsteuerventil 29 strömt, hat das Ventilgehäuse 21 eine abgestufte Bohrung 37, in deren Achsenrichtung sich ein Schieberkolben 38 verschieben kann. Außerdem hat das Gehäuse 21- einen Kanal 39, der die Mündung 26 eit einer Ringnut 41 der Bohrung 37 verbindet. Ein weiterer Kanal 42 in Gehäuse 21 verbindet die Mündung 24 mit einer Ringnut 43 des Schieberkolbens 38. Neben dieser Ringnut 43 hat der Schieberkolben einen Abschnitt 44, der von der Ringnut 4i der Bohrung 37 umgeben ist. Außerdem hat der Schie-» berkolben einen durch die Ringnut 43 verjüngten Abschnitt 46. Verschiebt sich der Schieberkolben 38 in Achsenrichtung in entsprechender Weise, dann drosselt die Kante 47 seines Abschnitts 44 die Verbindung zwischen den Kanälen 42 und 39. Verschiebt sich der Schieberkolben 38 in der entgegengesetzten Richtung, dann wird diese Verbindung entdrosselt. Damit sich der Drosselquerschnitt zwischen den Kanälen 42 und 39 bei einer Verschiebung des Schieberkolbens 38 nicht allzu schroff ändert, hat die Kante 47 radiale Nuten 48.

Wenn die Kolbenstange 13 vorgetrieben wird, dann drosselt die Kante 47 also mehr oder weniger den Strömungsweg zwischen de» Stangenende des Zylinders 11 und dem Unisteuerschieber 29, wobei die Größe des Drosselquerschnitts von der axialen Stellung des Schieberkolbens 38 abhängt. Diese axiale Stellung wiederun wird durch den hydraulischen Druck im Kopfende des Zylinders 11 bestimmt. Die jeweilige Stellung des Sehieberkolbens 38 hängt nämlich von dem Druck ab, der in. Kanal 36 herrscht, der ja mit dem Kopfende des Zylinders Ii in Verbindung steht.

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Zu diesem Zweck ragt das Ende 49 des Schieberkolbens 38 in eine Kammer 5i am Ende der Bohrung 37 und trägt dort einen Federteller 52. Zwischen diesem und der rechten Wandung der Kammer 5i ist eine Druckfeder 53 eingespannt, die den Schieberkolben 38 in der Kammer 51 umgibt. Diese Druckfeder sucht den Schieberkolben 38 mit Bezug auf die Zeichnung nach links zu verschieben und somit die Verbindung zwischen den Kanälen 39 und 42 abzuschließen. Solange keine Gegenkraft auf den Schieberkolben 38 wirkt, ist daher der am Stangenende des Zylinders IJL vorgesehene Auslaß verschlossen. Um nun eine solche Gegenkraft zu schaffen, verbindet ein Kanal ^h die Kammer 51 der Bohrung 37 mit dem Kanal 36, der seinerseits mit dem Kopfende des Zylinders 11 verbunden ist. Der im Kopfende des Zylinders Ii herrschende Flüssigkeitsdruck wird daher auf die Kammer 51 übertragen und wirkt dort auf die Ringstirnfläche eines Abschnitts 55 des Steuerkolbens, der sich neben dem einen Ende der Kammer 51 befindet. Damit sich der Schieberkolben nach rechts verschieben kann, steht die an seinem reohten Ende befindliche Kammer durch einen axialen Kanal 56 des Schieberkolbens mit der Ringnut 43 in Verbindung. Dadurch ist verhindert, daß rechts vom Schieberkolben 38, also an dem der Feder 43 entgegengesetzten Ende des Schieberkolbens, Flüssigkeit eingesperrt bleiben kann.

Will man die Kolbenstange 13 vortreiben, so schaltet man das Umsteuerventil 29 in die Lage, in der die Mündung 22 an die Druckleitung 32 der Pumpe 19 eingeschlossen ist. Die Druckflüssigkeit fließt durch den Kanal 36, die Mündung 23 und die Leituug 27 zum Kopfende des Zylinders und schiebt den Kolben 12 vor. Dabei tritt das Druckmittel aus dem Stangenende des Zylinders 11 aus und fließt durch die Leitung 28, die Mündung 26 und den Kanal 39 und von dort durch den Drosselquerschnitt an der Kante 47 in den Kanal 42 und durch die Mündung 24 zurück zum Vorratsbehälter 34 über das Umsteuerventil 29.

Die Große des Drosselquerschnitts an der Kante 47 wird durch die axiale Stellung des Schieberkolbens 38 bestimmt und diese Stellung hängt wiederum von dem Druck ab, der i* Kopfende des Zylinders 11 herrscht. Wenn dort der Druck wächst,

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dann wird dieser wachsende Druck auf die Kammer 51 übertragen und wirkt auf den Abschnitt 55 des Schieberkolbens und verschiebt diesen derart, daß der Drosselquerschnitt an der Kante 47 vergrößert wird. Das führt aber dazu, daß die Strömungsgeschwindigkeit wächst, mit der das Druckmittel aus dem Stangenende des Zylinders austritt. Wenn aber umgekehrt der im Kopfende des Zylinders 11 herrschende Druck sinkt, etwa weil die Kolbenstange 13 aus dem Zylinder 11 entsprechend schnell herausgezogen wird, so daß das hydraulische Mittel im Kopfende den vollen Druck nicht aufrechtzuerhalten vermag, dann wird der Druckabfall auf die Kammer 51 übertragen und läßt die Feder 53 den Kolbenschieber 58 nach links verschieben, wodurch der Drosselquerschnitt an der Kante 47 verringert wird. Das verhindert eine zu hohe Laufgeschwindigkeit des Kolbens 12 und verhindert dadurch eine Kavitationswirkung«

Wären keine weiteren Einrichtungen getroffen, dann würde das Drosselventil den Strömungskanal blockieren, der zum Stan— genende des Zylinders führt, wenn man das Umsteuerventil 29 in die Lage bringt, die dem Bückzug der Kolbenstange 13 dient. Damit in diesem Falle das Stangenende des Zylinders 11 mit dem von der Pumpe 19 gelieferten Druckmittel beschickt werden kann, ist ein Rückschlagventil 57 vorgesehen, das die Kanäle 39 und 42 unmittelbar verbindet, also zur Drosselkante 47 parallel geschaltet ist. Dieses Rückschlagventil begrenzt aber die unmittelbare Verbindung der beiden Kanäle 42 und 39 auf diejenige Strömungsrichtung, die zum Kanal 39 und der Leitung 28 führt. Der Verschlußkörper 58 des Ruckschiagven^ tils 57 legt sich unter der Kraft einer Feder 62 an einen im Kanal 6l vorgesehenen Ventilsitz 59 an. Da sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Verschlußkörper 28 quer durch den Kanal 39 erstreckt, hat dieser eine Erweiterung 63» damit er durch den Ventilkörper nicht versperrt werden kann. Eine unmittelbare Strömung vom Kanal 39 zum Kanal 42 ist daher beim Vortrieb der Kolbenstange 13 verhindert. Nur beim Rückzug der Kolbenstange öffnet sich das Rückschlagventil 25 und läßt das Strömungsmittel von der Mündung 24 aus zur Mün-

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dung 26 und von dieser zum Stangenende des Zylinders strömen.

Während des Rückzuges der Kolbenstange 13 ist bei» vor« liegenden Beispiel keine Kavitation zu befürchten, weil der Schüttgutbehälter Ik dabei entleert ist und auf die Kolben« stange nur Kit seinem vergleichsweise geringen Eigengewicht wirkt. Bei Anwendungsfällen der Erfindung aber, bei denen eine Kavitation nicht nur bei» Vortrieb sondern auch beim Rückzug des Antriebes verhindert werden muß, können entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, um auch den zum Kopf» ende des Zylinders führenden Strömungsweg zu drosseln.

Die Erfindung ist also auf das beschriebene Ausführungsbeispiel nicht beschränkt, sondern kann in mannigfacher Hinsicht abgeändert werden, ohne daß dadurch der Schutzbereich der Erfindung verlassen würde.

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Claims (5)

1. Patentanmeldung: "Einrichtung zum Verhindern von Kavitation

   in einem hydraulischen Antrieb"

   PATENTANSPRÜCHE

   1» Einrichtung zum Verhindern von Kavitation in einem hydraulischen, mit Einlaß und Auslaß versehenen Antrieb, bei welchem beim Beschicken des Einlasses mit dem Druckmittel die hy— draulische Flüssigkeit aus dem Auslaß austritt, gekennzeichnet durch ein Drosselventil (41, 44, 47), das mit dem Auslaß (28) in Reihe geschaltet und durch ein Stellglied (55) verstellbar ist, das auf eine Druckänderung im Einlaß (27) derart anspricht, daß das Drosselventil bei Druckzunahme im Sinne einer Vergrößerung des Drosselquerschnitts und bei Druckabnahme im Sinne einer Verringerung des Drosselquerschnitts verstellbar ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper 21 des Drosselventils eine mit dem Einlaß (27) des hydraulischen Antriebes in Verbindung stehende Kammer (51) hat, deren Druck entgegen der Kraft einer Feder (53) auf einen ersten Abschnitt (55) des beweglichen Drosselventilkörpers (38) wirkt, der einen zweiten, den Drosselquerschnitt bildenden Abschnitt (44) hat»
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den hydraulischen Antrieb um einen Zylinder (il) »it doppeltwirkendem Kolben (l2) handelt, dessen Kolben« stange (l3) aus dem Zylinder austritt, wobei der Zylinder an

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   Patentanwälte Dipl.-lng. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-4ng. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

   seinen Enden mit Ein- und Auslaß (27, 28) versehen ist, die durch ein Umsteuerventil (29) wechselweise auf Druck (19) und Abfluß (3*i) umschaltbar sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil als Kolbenschieber (21, 38) ausgebildet ist, dessen Schieberkolben (38) mit einer Steuerkante (48) eine an den Auslaß (28) angeschlossene Steuermündung (41) unter dem Einfluß der auf ihn wirkenden Feder (53) drosselt, aber- durch den in der Kammer (5l) herrschenden Druck entgegen der Feder verschiebbar ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsteuerventil bei seiner ersten Einstellung bewirkt, daß der Kolben (12) die hydraulische Flüssigkeit durch das Drosselventil (¹Ii, 44, 47) drückt und bei seiner anderen Einstellung das mit dem Drosselventil verbundene Ende des Zylinders (li) mit der Druckleitung (32) verbindet, und daß der den Zylinder (ll) mit dem Drosselventil verbindende Kanal

   (28) durch ein Rückschlagventil (57) mit dem Umsteuerventil

   (29) verbunden ist, wobei sich dieses Rückschlagventil in Richtung auf den Verbindungskanal (28) öffnet.

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