DE19613042C2 - Pumpen-Prüfstand mit Energie-Rückgewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von hydraulischen Maschinen, insbesondere Hydraulikpumpen, bei der die Druckseite einer ersten von einem Antriebsmotor angetriebenen Hydraulikpumpe über eine Leitung mit der Saugseite einer zweiten mit einem Fördermengenregler in ihrer Fördermenge einstellbaren hydraulischen Maschine verbunden ist und die Druckseite der zweiten hydraulischen Maschine über eine Leitung mit der Saugseite der Hydraulikpumpe verbunden ist.

Es ist mitunter erforderlich, das Betriebsverhalten von Hydraulikpumpen (im folgenden vereinfachend als Pumpen bezeichnet) außerhalb ihres gewöhnlichen Arbeitsbereiches zu untersuchen. Solche Untersuchungen betreffen beispielsweise die Abhängigkeit der Leistung von der Fördermenge oder die Leckverluste bei großer Belastung und werden bekanntermaßen an extra eingerichteten Prüfständen vorgenommen. Auf diesen Prüfständen ist eine Simulation des realen Betriebes der Pumpe möglich. Dazu werden die Pumpen in bekannter Weise vom Motoren angetrieben und beispielsweise durch Verengung des Querschnittes der Druckleitung belastet. Auf diese Weise kann das Verhalten der Pumpe bei maximaler Fördermenge und bei maximalem Betriebsdruck untersucht werden.

Nachteilig an einer Simulation an einem solchen Prüfstand ist, daß die maximale Leistung der Pumpe von dem Motor aufgebracht werden muß. Da derartige Pumpen eine Nennleistung von mehreren hundert Kilowatt haben sind ebenso starke und aufwendige Antriebsmotoren erforderlich.

Der Betrieb dieser Motoren geht mit einem hohen Energieverbrauch und mit entsprechenden Kosten einher insbesondere wenn sich die Versuche über Stunden hinziehen. Der große bauliche und der große finanzielle Aufwand tragen damit zu einer starken Erhöhung des Verkaufspreises der Pumpen bei.

Ein weiterer Nachteil ist, daß das Hydrauliköl auf der Druckseite mit großem Aufwand gekühlt werden muß, da ein Großteil der von dem System aufgewendeten Energie in Kompressionsarbeit umgesetzt wird, die das Öl erhitzt. Diese Energie ist unnütz verschwendet.

Um die Kosten einer solchen Prüfung dennoch gering zu halten ist es bekannt, die Pumpen an derartigen Prüfständen mit einer kleinen Leistung zu betreiben und aus den ermittelten Daten auf eine höhere Leistung der Pumpen zu extrapolieren. Solche Extrapolationen beschreiben die Realität jedoch nur unzureichend. Insbesondere werden bauliche Mängel, die möglicherweise nur bei einer maximalen Belastung auftreten, nicht entdeckt.

Aus der DE 40 40 919 ist ein Prüfstand für hydraulische Aggregate mit einem geschlossenen Hydrauliksystem bekannt, mit dem die Druckverhältnisse in der Druckleitung zwischen einer Pumpe und einem Aggregat gemessen werden und das Hydraulikmittel vom Aggregat zur Pumpe über eine Saugleitung zurückgeführt wird. Um mittels dieses Prüfstandes die Funktionstüchtigkeit der Pumpe unter Vollast zu testen, bedarf es jedoch der Zufuhr der vollen Pumpleistung.

Aus der Zeitschrift "Ölhydraulik und Pneumatik" 26 (1982), 11 ist ein Prüfstand für Getriebe bekannt. Das Getriebe wird in diesem Falle von einen Ölmotor angetrieben, während die Abtriebswelle des Getriebes seinerseits Pumpen betreibt. Der Ölmotor und die Pumpen sind in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf gekoppelt, so daß die zum Antrieb erforderliche Leistung rückgeführt wird.

Die US 4,798,086 zeigt einen Prüfstand für eine Pumpe bzw. für einen Hydraulikmotor, der über eine Welle mit einer hydraulischen Maschine verbunden ist. Die Pumpe bzw. die hydratilische Maschine fördern jedoch in eine offene Leitung, so daß die Energie verloren geht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, auf einfache und kostengünstige Weise das Betriebsverhalten von Hydraulikpumpen insbesondere unter Vollast zu ermitteln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Der Kern der Erfindung ist, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine erste von einem Motor betriebene Pumpe das Hydraulikmittel insbesondere das Hydrauliköl in einem Kreislauf fördert, in den eine zweite Pumpe insbesondere eine in ihrem Schluckvolumen stufenlos regelbare Pumpe eingebracht ist. Diese zweite Pumpe wird nicht über ihre Antriebswelle sondern über das durch ihre Hydraulik beförderte Hydrauliköl angetrieben und läuft somit als Hydraulikmotor.

Ein derartiger Pumpe-Motor Betrieb wird dadurch ermöglicht, daß die Druckleitung der ersten Pumpe an die Saugseite der zweiten Pumpe und die Druckleitung der zweiten Pumpe die Saugseite der ersten Pumpe angeschlossen wird. Die von dem Antriebsmotor in das System eingebrachte Leistung wird an der Welle der zweiten hydraulisch angetriebenen Pumpe abgegriffen und dem System wieder rückgeführt.

Die Rückführung kann in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung durch einen Umformer wie beispielsweise einen Generator erfolgen, der mit der Welle der zweiten Pumpe angetrieben wird und mit dessen Strom der die erste Pumpe betreibende Motor versorgt wird. Dem Antriebsmotor muß nunmehr lediglich noch die in dem Kreislauf durch Reibungs- und Kompressionsarbeit verbrauchte Energie zusätzlich zugeführt werden.

Die Rückführung erfolgt in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die Welle der zweiten Pumpe direkt mit der Antriebswelle der ersten Pumpe gekoppelt ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die beiden gegeneinander geschalteten Pumpen dieselbe Nenndrehzahl bei gleichem Fördervolumen pro Zeiteinheit aufweisen. Haben die Pumpen unterschiedliche Nenndrehzahlen, ist es möglich die angetriebene Welle der zweiten Pumpe über ein Getriebe mit der Antriebswelle der ersten Pumpe zu koppeln. Wie im ersten Fall muß der Antriebsmotor auch bei dieser Vorrichtung nur noch die Verlustleistung der zu prüfenden Pumpe aufbringen und für eine Rückführung des verloren gegangenen Öles über eine Hilfspumpe sorgen. Solange die erste angetriebene Pumpe nicht belastet wird läuft das System in nahezu verlustfreiem Leerlauf.

Eine Belastung der ersten Pumpe findet statt indem bei der zweiten regelbaren Pumpe das Schluckvolumen im Verhältnis zum Fördervolumen der ersten Pumpe verkleinert wird. Dabei steigt der Druck in der Druckleitung der ersten Pumpe und gleichzeitig die Drehzahl der zweiten Pumpe. Die steigende Drehzahl übt bei verbundenen Wellen ein Moment auf die Antriebswelle der ersten Pumpe aus und wirkt durch die Verbindung der Wellen unterstützend. Durch Veränderung des Fördermengenreglers lassen sich auf diese Weise innerhalb der zulässigen Leistungsgrenze beliebige Betriebszustände der Pumpe mit veränderbaren Betriebsdrücken und Fördermengen simulieren. Zudem läßt sich die Förderrichtung der Pumpen umkehren, so daß die Druckseite zur Saugseite wird. Um die Belastung kontrolliert einstellen zu können ist es vorteilhaft, Manometer in den Druckleitungen vorzusehen. Außerdem ist in den Druckleitungen ein Überdruckventil eingebracht, das bei Erreichen einer einstellbaren Belastungsgrenze anspricht.

Während mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung grundsätzlich auch ungeregelte Pumpen geprüft werden können, sind in einer vorteilhaften Ausführungsform beide Pumpen regelbar. Mit zwei geregelten Pumpen wird eine Umkehr der Pumpe-Motor Funktion ermöglicht, so daß beide Pumpen wechselweise durch die jeweils andere Pumpe belastbar sind. In dieser Ausführungsform wird die gleichzeitige Prüfung beider Pumpen gewährleistet, während der Antriebsmotor wiederum nur die Leistungsverluste aufbringen muß.

Bei einem Belastungstest der ersten Pumpe wird zunächst das Schluckvolumen der zweiten Pumpe soweit verringert, bis die Leckverluste beider Pumpen ausgeglichen sind. Dabei kommt es zu keiner besonderen Druckerhöhung in den Leitungen. Da die an der Welle erforderliche Drehzahl erhalten bleibt, ist weiterhin eine Momentenübertragung gewährleistet. Die in der gekoppelten Welle verbleibende Vorspannung wird vorteilhafterweise durch eine Messung der Torsion in einem Kupplungsglied überwacht. Bei steigender Belastung durch Verringerung des Schluckvolumens kommt es zu einer Erhöhung des Druckes in der Druckleitung, da die zweite Pumpe nur soviel Hydrauliköl aufnehmen kann, wie es der Drehzahl der gekoppelten Welle entspricht. Dabei wird durch die Vorspannung in der Welle weiterhin ein Moment übertragen.

Wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Pumpen-Prüfstandes ist, daß ein Großteil der dem System zugeführten Energie sinnvoll wiederverwendet werden kann und nicht verloren ist. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, daß beide Pumpen mit relativ geringem energetischen Aufwand unter Vollast betrieben werden können, was zu einer erheblichen Reduzierung der Betriebskosten beiträgt. Da das Leistungsvermögen des Antriebsmotors entsprechen verringert werden kann stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Verfügung Hydraulikpumpen zu testen.

Ein Ausführungsbeispiel des Pumpen-Prüfstandes ist in den beiden Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Pumpen-Prüfstand mit zwei über eine Welle direkt gekoppelten Pumpen,

Fig. 2 einen Pumpen-Prüfstand mit zwei über eine Welle und ein Getriebe gekoppelten Pumpen.

In Fig. 1 sind zwei hydraulische Maschinen 1 und 2 dargestellt, die in einem hydraulisch geschlossenen Kreislauf gekoppelt sind. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den hydraulischen Maschinen 1 und 2 um zwei regelbare Hydraulikpumpen 1 und 2 insbesondere um zwei Axial- oder Radialkolbenpumpen, deren Fördermenge bzw. deren Schluckvolumen über jeweils einen Fördermengenregler 3 und 4 einstellbar ist.

Die beiden hydraulischen Maschinen sind derart gekoppelt, daß die Maschine über eine als Druckleitung ausgelegte Hauptleitung 10 in der durch den Pfeil A gekennzeichneten Richtung Hydraulikmittel insbesondere Hydrauliköl auf die Saugseite der hydraulischen Maschine 2 fördert. Über eine als rückführende Saugleitung ausgebildete Hauptleitung 11 ist die Druckseite der hydraulischen Maschine 2 entsprechend mit der Saugseite der hydraulischen Maschine 1 verbunden. Die beiden über die Hauptleitungen 10 und 11 gekoppelten hydraulischen Maschinen 1 bilden somit ein geschlossenes hydraulisches System.

Die Fördermengenregler 3 und 4 der hydraulischen Maschinen 1 und 2 sind so eingestellt, daß die erste hydraulische Maschine 1 als Pumpe 1 und die zweite hydraulische Maschine 2 als Motor insbesondere als Ölmotor arbeitet. Im Folgenden werden die Begriffe "Pumpe" und "Ölmotor" für die jeweilige hydraulische Maschine verwendet um deren Funktion im System zu charakterisieren.

Die Pumpe 1 wird von einem Antriebsmotor 5 insbesondere einem Elektromotor betrieben, der seine Leistung über einen Treibriemen 6 auf ein Schwungrad 7 überträgt, das auf der Antriebswelle 8 der Pumpe 1 gelagert ist. Das von der Pumpe 1 über die Hauptleitung 10 in Förderrichtung A geförderte Hydrauliköl betreibt den Ölmotor 2. Der Ölmotor 2 weist seinerseits eine Welle 12 auf, an der die Leistung entnehmbar ist. Da in diesem besonderen Ausführungsbeispiel die hydraulischen Maschinen baugleich sind handelt es sich bei der angetriebenen Welle 12 um das Pendant zur Antriebswelle 8 der hydraulische Maschine 1.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die angetriebene Welle 12 direkt über eine Kupplung 9 mit der Antriebswelle 8 der Pumpe 1 zu einer einzigen Welle verbunden. Das bedeutet, die vom Ölmotor 2 abgegebene Leistung wird auf direktem Weg auf die Pumpe 1 rückübertragen. Die Belastung der Pumpe 1 wird durch das über den Fördermengenregler 4 des Ölmotors 2 stufenlos einstellbare Schluckvolumen bestimmt. Beim Einsatz zweier geregelter hydraulischer Maschinen 1 und 2 kann wechselweise die eine gegen die andere Maschine getestet werden, da die Funktionen austauschbar sind. Statt einer geregelten Pumpe 1 kann auf diesem Pumpen-Teststand statt dessen ebenso gut eine ungeregelte Pumpe angeschlossen werden, die gegen die geregelte hydraulische Maschine getestet wird.

Zur Sicherung und Überwachung des Systems sind in die Hauptleitungen 10 und 11 einstellbare Überdruckventile 13 und Manometer 14 eingebaut. Um das in den Pumpen verloren gegangene Hydrauliköl in die Hauptleitungen 10 und 11 zurückzuführen, ist eine kleine Hilfspumpe 18 vorgesehen, die aus einem Vorratsbehälter 19 Hydrauliköl über Verbindungsleitungen 15 und 16 zuführt. Die Verbindungs­ leitungen 15 und 16 sind über Rückschlagventile 17 an die Hauptleitungen 10 und 11 angeschlossen. Die Hilfspumpe 18 ist von der Welle des Antriebsmotors 5 betrieben.

Die Hilfspumpe 18 gewährleistet außerdem die Versorgung der hydraulisch steuerbaren Fördermengenregler 3 und 4 mit Hydrauliköl über eine Leitung 20. Beide Fördermengenregler 3 und 4 sind über eine Leitung 21 miteinander verbunden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind über die Hauptleitungen 10 und 11 zwei geregelte hydraulische Maschinen 1 und 22 mit unterschiedlichen Nenndrehzahlen bei gleichem Fördervolumen pro Zeiteinheit miteinander gekoppelt. Um die Unterschiede der Nenndrehzahlen zu kompensieren wird die Leistung der als Ölmotor arbeitenden hydraulische Maschine 22 über deren angetrieben Welle 23 mittels eines zwischen die Wellen 8 und 23 geschalteten Getriebes 24 auf die Antriebswelle 8 übertragen. Das Getriebe ist so ausgelegt, daß das maximale Drehmoment der kleineren Pumpe übertragen wird und daß die Regelung der Fördermengen und Schluckvolumen auf die maximale Leistung der kleineren hydraulischen Maschine 22 abgestimmt ist.

Der Aufbau der Vorrichtung nach Fig. 2 entspricht ansonsten dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Bei beiden Vorrichtungen unterstützt der Ölmotor den Antrieb der Pumpe dadurch, daß er ein Drehmoment auf die gemeinsame Welle überträgt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Prüfung von hydraulischen Maschinen, insbesondere Hydraulikpumpen (1, 2), bei der die Druckseite einer ersten von einem Antriebsmotor (5) angetriebenen Hydraulikpumpe (1) über eine Leitung (10) mit der Saugseite einer zweiten mit einem Fördermengenregler (4) in ihrer Fördermenge einstellbaren hydraulischen Maschinen (2) verbunden ist und die Druckseite der zweiten hydraulischen Maschine (2) über eine Leitung (11) mit der Saugseite der Hydraulikpumpe (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die zweite hydraulische Maschine über den Durchfluß des Hydraulikmittels als Motor betreibbar ist,
• - daß eine Welle (12) der zweiten hydraulischen Maschine (2) mit der Antriebswelle (8) der Hydraulikpumpe (1) verbunden ist,
• - daß die gemeinsame Welle von dem Antriebsmotor (5) betreibbar ist, der im Vergleich zur Leistung der hydraulischen Maschine (1, 2) eine geringere Nennleistung aufweist, mit der er die Leitungsverluste der Vorrichtung aufbringt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand in den Leitungen (10, 11) und damit die Belastung der Hydraulikpumpe (1) über den Fördermengenregler (4) der zweiten hydraulischen Maschine (2) stufenlos einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hydraulikpumpe (1) und die zweite hydraulische Maschine (2) dieselbe Nenndrehzahl bei gleichem Fördervolumen pro Zeiteinheit aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die angetriebene Welle (12) und die Antriebswelle (8) eine gemeinsame Welle bilden.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor über eine Riemenkupplung an der gemeinsamen Welle angreift.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor ein Elektromotor ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikpumpe (1) und die zweite hydraulische Maschine (2) unterschiedliche Nenndrehzahlen bei gleichem Fördervolumen pro Zeiteinheit aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die angetriebene Welle (12) und die Antriebswelle (8) über ein Getriebe (24) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördervolumen beider hydraulischer Maschinen (1, 2) über Fördermengenregler (3, 4) einstellbar ist.