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Hydraulischer Schwenkantrieb für Klappenventile Die Erfindung betrifft
einen hydraulischen Schwenkantrieb für Klappenventile in Rohrleitungen, der einen
doppelseitig beaufschlagten Kolben aufweist, an dem zwischen den Kolbenendflächen
ein Hebel angreift, der starr mit der Abtriebsachse verbunden ist.
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Bei einem bekannten Schwenkantrieb der genannten Art ist in dem Kolben
ein Drehgelenk mit Klauen angeordnet, in die der Hebel längsverschieblich eingreift.
Ein derartiger Antrieb erzeugt zwar in den Endlagen ein hohes Drehmoment, wie es
beim Öffnen einer Klappe wünschenswert ist, da die Klappe, insbesondere nach längeren
Stillstandszeiten, für das Losreißen aus den Dichtungen erhebliche Kraft bedarf.
Das abgegebene Drehmoment sinkt bei diesem bekannten Antrieb dann jedoch relativ
steil ab und erreicht in der Mittelstellung der Klappe etwa die Hälfte des Anfangsmomentes
Es
sind weiter Zahnstangenantriebe für Klappenventile bekannt; derartige Zahnstangenantriebe
geben über den gesamten Verstellweg im wesentlichen ein konstantes Drehmoment ab.
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Weiter sind als hydraulische Schwenkantriebe Antriebe mit Zwillungszylindern
bekannt. Diese Antriebe haben etwa in der Mittelstellung des Antriebes das höchste
Drehmoment.
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Es hat sich gezeigt, daß der typische Drehmomentenbedarf bei Klappeilventilen,
bedingt durch die dynamische Belastung der Klappe durch die durchströmende Flüssigkeit
im Öffnungsbereich zwischen 15 und 250 Offenstellung liegt. Das für diesen Bereich
benötigte Drehmoment kann erheblich über dem Drehmoment liegen-, das zu Beginn der
Öffnungsbewegung der Klappe erforderlich ist. Das Drehmoment fällt nach Durchfahren
des öffnung bereiches zwischen 15 und 250 im allgemeinen stark ab.
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Diesem Drehmomentenverlauf ist keiner der bekannten Schwenkantriebe
besonders günstig angepaßte Bei dem beschriebenen bekannten Antrieb, der am Beginn
der Öffnungsbewegung die größte Drehmomentenreserve aufweist, ist diese Reserve
im Bereich des größten Drehmomentbedarfs, also im Öffnungsbereich zwischen 15 und
250 nur noch sehr gering, Der Antrieb mit geradliniger Kennlinie hat über den größten
Schwenkbereich, nämlich zwischen etwa 25 und 900 Öffnungsbewegung unnötig hohe Drehmomentenreserven.
Der Antrieb mit Zwillungszylindern erreicht sein Drehmomentenmaximum in Bereichen,
in denen der Drehmomentenbedarf der Klappe bereits erheblich abgesunken ist. Auch
diese Antriebe haben damit über den größten Bereich des Antriebes eine unnötig hohe
Drehmomentreserve.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwenkantrieb zu schaffen, dessen
Drehmomentenabgabe weitgehend dem jeweiligen Drehmomentenbedarf der Klappe angepaßt
ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Schwenkantrieb der eingangs
erwahnten Art dadurch gelöst, daß der Hebel in einem festen Abstand von der Abtriebsachse
einen drehbar gelagerten Bolzen aufweist, der in ein Langloch im Kolben eingreift,
das in der Schwenkebene des Hebels unter einem spitzen Winkel zur Kolbenquerachse
liegt. Das Langloch kann dabei geradlinig ausgebildet sein. Zur weitergehenden Anpassung
des abgegebenen Drehmomentes an das erforderliche Drehmoment kann das Langloch aber
auch entsprechend gekrümmt ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist der Winkel des Langloches so gewählt, daß im Schwenkbereich
von etwa 15 - 250 Offenstellung die Berührungsfläche zwischen Langloch und Bolzen
im wesentlichen parallel zur Hebellängsachse liegt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein Schaubild, in dem die Drehmomentenkennlinien der
bekannten Antriebe sowie des erfindungsgemäßen Antriebes über einer typischen Drehmomentenbedarfskennlinie
eines üblichen Klappenventiles aufgetragen sind.
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Fig, 2 zeigt schematisch einen Schwenkantrieb gemäß der Erfindung
im Längsschnitt.
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Fig. 3 zeigt die kinematischen Zusammenhänge in einem Schwenkantrieb
gemäß der Erfindung.
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In dem Schaubild nach Fig. 1 sind leistungsgleiche Kennlinien der
verschiedenen besprochenen Antriebe aufgetragen, d.h.
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Kennlinien, die sich bei gleichem Hubraum und gleichem Druck ergeben,
wobei die mechanischen Wirkungsgrade berücksichtigt sind.
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Die durch Schraffur unterstrichene Kennlinie 2 zeigt den typischen
Drehmomentenbedarf eines Klappenventiles über seinen Drehwinkel von 90°. Die Fläche
unterhalb der Kennlinie 2 stellt somit den Arbeitsbedarf über den gesamten Öffnungsvorgang
der Klappe dar, ie aus der Kennlinie 2 ersichtlich, steigt der Drehmomentenbedarf
der Klappe zunächstSan und erreicht durch die auf die Klappe wirkenden dynamischen
Kräfte im Öffnungsbereich von etwa 200 Offenstellung sein Maximum. Der Drehmomentenbedarf
fällt dann bis zur vollen Öffnung stark abO Dieser Drehmomentenbedarf ist bei bekannten
Konstruktionen von Schwenkantrieben bisher nur unvollständig berücksichtigt0 Die
Kennlinie 4 ist die Kennlinie eines bekannten Zahnstangenantriebes. Diese Kennlinie
verläuft linear und zeigt im kritischen Öffnungsbereich von 200 nur eine geringe
Drehmomentenreserve, während über den Bereich zwischen 30 und 900 Offenstellung
ein erheblicher Drehmomentenüberschuß vorhanden ist.
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Die Kennlinie 6 ist die Kennlinie des bekannten Schwenkantriebes mit
doppelseitig beaufschlagbarem Kolben, in den zwischen den Kolbenendflächen ein Hebel
eingreift, der sich in Längsrichtung relativ zu einem Schwenkgelenk im Kolben über
die Offnungsbewegung axial verschiebt0 Dieser Antrieb ergibt zwar hohe Endlagemomente,
hat jedoch im kritischen Bereich nur unzureichende Drehmomentenreserven.
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Die Kennlinie 8 ist die Kennlinie eines Schwenkantriebes mit Zwillingszylindern.
Dieser Schwenkantrieb hat von den hier betrachteten Antrieben die geringsten Endlagendrehmomente,
so daß im Schließbereich nur unzureichende Drehmomentenreserven zur Verfügung stehen.
Die Kennlinie ist allerdings über den Öffnungsbereich bis etwa 300 der Drehmomentenbedarfskurve
relativ günstig angepaßt. Die maximalen Drehmomentenreserven stehen hier aber im
Bereich relativ geringen Drehmomentenbedarf s zur Verfügung.
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Die Kennlinie 10 ist die Kennlinie des erfindungsgemäßen Schwenkantriebes,
der im nachstehenden im einzelnen beschrieben wird. Wie aus der Kennlinie ersichtlich,
liegt das Anfangsdrehmoment mit guter Reserve über dem Anfangsdrehmomentbedarf der
Klappe. Das Drehmoment steigt bis etwa zum Öffnungsbereich von 200 und fällt dann
in guter Anpassung an die Drehmomentenbedarfskurve 2 ab. Die Kennlinie 10 ist damit
im Vergleich zu den Kennlinien bekannter Antriebe weitgehend ideal dem jeweiligen
Bedarf angepaßt, da dieser Antrieb nahezu über den gesamten Bereich konstante Drehmomentenreserven
hat.
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Ein erfindungsgemäß ausgebildeter hydraulischer Schwenkantrieb für
Klappenventile ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. In einem Zylindergehäuse 2
ist axial verschieblich ein Kolben 4 mit zwei Kolbenköpfen 6, 8 angeordnet, die
an den Enden eines Verbindungsteiles 10 angeordnet sind. Der Zylinder 2 hat an den
Enden je eine Anschlußbohrung 12, 14, die in bekannter Weise an ein Umscheltventil
angeschlossen sind, mit dem die Zylinderräume vor den Kolben 6, 8 verwechselweise
mit Druckflüssigkeit beaufschlagt werden. Die Kobenköpfe 6, 8 sind in üblicher Weise
geen
die Innenwandung des Zylinders 2 abgedichtet. In einem Ansatz 16 des Zylindergehäuses
2 ist eine Abtriebswelle 18 schwenkbar gelagert, die in bekannter Weise mit der
anzutreibenden Klappe verbindbar ist. Fest mit der Abtriebswelle 18 verbunden sind
zwei in Achsrichtung der AbUriebswelle 18 hintereinanderliegende Hebelarme 20 vorgesehen,
die den torzugsweise rechteckig oder quadratisch ausgebildeten Verbindungsteil 10
des Antriebskolbens 4 seitlich übergreifen. Die freien Enden der Hebelarme 20 sind
durch einen drehbar gelagerten Bolzen 22 miteinander verbunden, dessen Drehlager
in dem Kopf 24 der Hebelarme 20 angeordnet ist. Der drehbare Verbindungsbolzen greift
durch ein im Verbindungsteil 10 des Kolbens 4 angeordnetes Langloch 26, das, wie
in der Zeichnung dargestellt, unter einem spitzen Winkel zur Querachse des Kolbens
4 angeordnet ist. Die Schräglage des Langloches ist so gewählt, daß das der Abtriebsachse
18 zugewandte Ende des Langloches dem gegenüberliegenden Ende in Öffnungsrichtung
vorgestellt ist0 Die Wirkungsweise des unter Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Antriebes
soll nun anhand der Fig. 3 im einzelnen erörtert werden.
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In Fig. 3 ist der Schwenkbereich der Abtriebsachse 18 zwischen der
Winkelstellung 00, die der Schließstellung des zu betätigenden Klappenventils entspricht
und der Winkelstellung 900, die der Stellung des Klappeaventils bei voll geöffneter
Klappe entspricht, eingezeichnet. Dieser 90° Schwenkbereich liegt symmetrisch zur
Mittelachse des Antriebes. Die Neigung des Langloches 26 zur Querachse des Kolbens
4 beträgt 450 minus 200 also 25° wie aus der voll ausgezogenen Darstellung des Langloches
26 ersichtlich. Es sind weiter die Lagen des Langloches
und des
in diesem abrollenden Bolzens 22 in den Stellung 0° und 90° in gestrichelten Linien
dargestellt.
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Beim Öffnen des Ventiles wird die Kolbenfläche 6 mit Druck beaufschlagt.
Es entsteht eine Kolbenkraft P, die über die dieser Kolbenfläche zugewandten Fläche
des Langloches 26 auf den Bolzen 22 übertragen wird. Dabei ergibt sich das eingezeichnete
Kräftediagramm mit der Querkraft Q und der resultierenden R, die immer senkrecht
zu der landung des Langloches an der äeweiligen Berührungsfläche wirkt. Bei einem
Langloch mit parallelen Seitenwänden ändert sich die Richtung und Größe der resultierenden
R nicht. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Abstand L20° zwischen der resultierenden
R und der parallel hierzu liegenden Ebene durch den Mittelpunkt der Abtriebsachse
18 in der 20°-Offenstellung am größten. Dieser Abstand entspricht dem Hebelarm,
auf dem die Kraft vom Kolben -auf die Abtriebsachse übertragen wird. Das Drehmoment
ist also in dieser Stellung am größten. In der Schließstellung entspricht dieser
Hebelarm dem Abstand Lgo und in der Offenstellung dem Abstand LgoOo Es tritt also
während der Öffnungsbewegung, ausgehend von dem in der Stellung 00 abgegebenen Drehmoment,
zunächst ein Ansteigen des Drehmomentes auf 1 das dann zur Offenstellung hin stark
abfällt, bis es in der Offenstellung einen Wert erreicht hat, der etwa 30% des Ausgangsdrehmomentes
trägt.
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Wie aus dem Vorstehenden leicht ersichtlich, kann durch die Wahl des
Winkels, unter dem das Langloch 26 zur Querachse des Kolbens 4 liegt, der Winkel,
unter dem für den Antrieb das maximale Drehmoment zur Verfügung steht, leicht entsprechend
dem
maximalen Drehmomentenbedarf der Klappe angepaßt werden0 Bei einem Langloch mit
parallelen Wänden empfiehlt es sich, den Winkel zwischen der Langlochrichtung und
der Kolbenquerachse nicht viel größer als 250 zu wählen, da anderenfalls in der
Offenendlage eine Hemmung auftreten kann. Dieser Nachteil eines Langloches mit parallelen
Wänden kann dadurch behoben werden, daß das Langloch über seine gesamte Länge oder
aber nur in seinem der Abtriebsachse 18 zugewandten Ende gekrümmt ausgeführt wird.
Durch eine solche Krümmung ändert sich die Richtung der Resultierenden entsprechend
dem Krümmungsradius, so daß auch in der Offenendlage keine Hemmung auftritt, wenn
der Winkel, bei dem das maximale Drehmoment zu übertragen ist, beispielsweise zwischen
15 und 20° liegt, das Langloch in diesem Winkelbereich also unter einem Winkel zur
Querachse anzuordnen ist, der größer als 250 ist.
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Wie aus diesem Beispiel ersichtlich, läßt sich durch entsprechende
Wahl des Krümmungsverlaufes des Langloches das auf die Abtriebsachse 18 übertragene
Drehmoment weitgehend dem Widerstandsmoment der angetriebenen Klappe anpassen.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist noch darin zu sehen, daß
bei einer symmetrischen Ausbildung des Antriebes lediglich durch Lage und Form des
Langloches in die der Bolzen 22 am Ende des Schwenkarmes 20 eingreift, eine unsymmetrische
Drehmomentenabgabe erreichbar und eine Anpassung des abgegebenen Drehmomentes an
den jeweiligen Drehmomentenbedarf möglich ist.
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So ließe sich durch eine entsprechende Krümmung des der Abtriebsachse
zugewandten Endabschnittes des Langloches, die zu einer Verkleinerung des Neigungswinkels
in diesem Bereich führt
beispielsweise auch erreichen, daß das
abgegebene Drehmoment w zum Ende der Öffnungsbewegung hin wieder ansteigt oder von
einem bestimmten Öffnungswinkel an konstant bleibt, wenn dies erwünscht sein sollte.