DE19748758B4

DE19748758B4 - Motorischer Stellantrieb

Info

Publication number: DE19748758B4
Application number: DE1997148758
Authority: DE
Inventors: Walter Rieder
Original assignee: Techno Alpin Gmbh/srl; Techno Alpin Srl GmbH
Current assignee: TECHNOALPIN AG, IT
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2017-11-06
Also published as: DE19748758A1; ATA157898A; AT410361B

Abstract

Motorischer Stellantrieb, vorzugsweise Schieber- oder Ventilantrieb, mit einem von einer hydraulischen Antriebseinheit bzw. von einem hydraulischen Antriebselement (9, 11, 12, 13) bewegten Stellglied (5, 2) zum Schalten oder Steuern eines von dem Stellantrieb betätigten Funktionselementes, vorzugsweise eines Schiebers oder Ventils, wobei im Antriebsstrang zwischen dem Antriebselement (13) und dem Schaltelement (5, 2) oder parallel zum Antriebsstrang zumindest ein Kraftspeicher mit wenigstens einem Federelement (21) vorgesehen ist, welches unter Abgabe seiner Federenergie eine Bewegung des Stellgliedes (5, 2) in einer ersten Stellrichtung (A) bewirkt,
mit einer ersten Kolben-Zylinder-Anordnung (3, 4) mit einem in einem ersten Zylinder (3) axial beweglichen Kolben (4), wobei der erste Kolben (4) eine erste Kammer (14) mit veränderbaren Volumen in dem ersten Zylinder (3) für eine hydraulische Flüssigkeit bildet,
mit einer hydraulischen Pumpe (7, 8), die durch das Antriebselement (9, 11, 12, 13) betätigbar ist und wenigstens eine Pumpenkammer bildende zweite Kammer (15) aufweist, die...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Beispielsweise zur Steuerung der Wasserzufuhr an Schneekanonen werden Ventile oder Schieber verwendet, die unmittelbar an der jeweiligen Schneekanone im freien Gelände Frostschutz im Boden vorgesehen sind, allerdings in der Regel weitab von einer Zentrale zum Warten und/oder Steuerung der Schneekanonen einer Skiabfahrt.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 197 05 846 A1 ist ein motorischer Stellantrieb mit einem motonschen Antriebselement und mit einem von diesem Antriebselement bewegten Stellglied zum Schalten und/oder Steuern eines von dem Stellantrieb betätigten Funktionselementes, beispielsweise eines Schiebers oder Ventils bekannt. Im Antriebsstrang zwischen dem Antriebselement und dem Schaltelement oder parallel zu diesem Antriebsstrang ist ein von einer Feder gebildeter Kraftspeicher vorgesehen. Die Feder führt beim Auslösen des Kraftspeichers eine Betätigung des Schaltelementes unter Abgabe der gespeicherten Federenergie aus. Der Kraftspeicher weist weiterhin eine Kolbenzylinderanordnung auf, durch die der Kraftspeicher hydraulisch in seinem geladenen Zustand fixierbar ist und die eine erste, eine hydraulische Flüssigkeit aufnehmende und in einem Zylinder der Kolbenzylinderanordnung gebildete Hydraulikkammer, deren Volumen durch den beweglichen Kolben veränderbar ist, eine zweite in ihrem Volumen ebenfalls veränderbare und die hydraulische Flüssigkeit aufnehmende Hydraulikkammer sowie eine Hydraulikverbindung zwischen diesen beiden Kammern besitzt. Die Hydraulikverbindung enthält wenigstens ein Hydraulikventil, welches von einem elektrischen Betätigungselement betätigbar ist. Die Kolben-Zylinder-Anordnung ist so am Kraftspeicher vorgesehen, daß beim Spannen des Federelementes eine Vergrößerung des Volumens der ersten Hydraulikkammer und beim Entspannen des Federelementes eine Verkleinerung des Volumens der ersten Hydraulikkammer erfolgen, so daß durch Sperren des Hydraulikventils das hydraulische Fixieren des geladenen Kraftspeichers und durch Öffnen des Hydraulikventils ein Auslösen des Kraftspeichers möglich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stellantrieb aufzuzeigen, der eine motorische Steuerung eines Funktionselementes, insbesondere auch eines Schiebers oder eines Ventils mit hoher Betriebssicherheit ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Motorischer Stellantrieb entsprechend dem Patentansanspruch 1 ausgebildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb ist das Stellglied zwischen wenigstens einer ersten Stell-Position und wenigstens einer zweiten Stell-Position bewegbar und durch das wenigstens eine Federelement in die ersten Position vorgespannt. Durch die Hydraulik-Pumpe, die von dem Antriebbelement angetrieben wird, ist dann das Stellglied durch Beaufschlagung der ersten Kammer der ersten Kolben-Zylinder-Einheit mit zusätzlicher hydraulischer Flüssigkeit aus der ersten Position gegen die Wirkung des wenigstens einen Federelementes in die zweite Position bewegbar, oder aber durch einen Antrieb des Antriebselementes in entgegengesetztem Sinne durch Abführen von hydraulischer Flüssigkeit aus der ersten Kammer unter Entspannen des Federelementes wiederum in die erste Position zurückbewegbar. Im Normalbetrieb ist die zweite Verbindung durch die Steuerventilanordnung geschlossen.

Durch die zweite, über die Steuerventileinrichtung gesteuerte Verbindung kann die erste Kammer beispielsweise im Notfall in den Speicher- oder Aufnahmeraum für die hydraulische Flüssigkeit entlastet werden, so daß dann auch ohne das Antriebselement ein Zurückbewegen des Stellgliedes in die erste Position erreicht wird, und zwar durch die Federkraft.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur, die in vereinfachter prinzipieller Darstellung einen Stellantrieb gemäß der Erfindung zeigt, näher erläutert.

Der in der Figur dargestellte Stellantrieb dient zum Öffnen und Schließen eines Ventils, von dem lediglich der Schließkegel 2 gezeigt ist und welches zur Steuerung der Wasserversorgung einer ebenfalls nicht dargestellten Schneekanone dient, d.h. zum Anschalten und Abschalten dieser Wasserversorgung. Das Ventil ist in der Nähe der Schneekanone frostsicher im Boden installiert.
Der Stellantrieb 1 besteht aus einem äußeren Zylinder 3, der ortsfest montiert ist und in welchem ein Kolben in Zylinderlängsrichtung L verschiebbar geführt ist. An der einen Seite des Kolbens 4 ist eine achsgleich mit der Zylinderachse L angeordnete Kolbenstange 5 befestigt, die durch den bei der Darstellung der Figur am unteren Ende des Zylinders 3 vorgesehenen Zylinderdeckel 6 abgedichtet hindurchgeführt ist. An der der Kolbenstange 5 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 4 ist eine als Hohlzylinder mit kreisförmigen Innen- und Außenquerschnitt ausgebildete Kolbenstange bzw. ein Hilfszylinder 7 vorgesehen, der ebenfalls achsgleich mit der Zylinderlängsachse L liegt und in dem axial ein Hilfs- oder Servokolben 8 verschiebbar geführt ist. Bei der für die Figur gewählten Darstellung greift an der oberen Stirnfläche des Servokolbens 8 das untere Ende einer Gewindespindel 9 an, die achsgleich mit der Längsachse L liegt und in einem Lager 10, welches an dem, dem Kolben 4 abgewandten, oberen Ende des Hilfszylinders 7 vorgesehen ist, in Richtung der Längsachse L verschiebbar geführt ist. In das Gewinde der Gewindespindel 9 greift das Innengewinde eines Zahnrades 11 ein, welches ebenfalls am Lager 10 drehbar gelagert ist und welches über ein Ritzel 12 von einem Elektromotor 13 angetrieben wird, der über einen Tragarm am Lager 10 befestigt ist.
Der Zylinder 3 besitzt an seinem in der Figur oberen Ende einen weiteren Deckel 17, durch den der Hilfszylinder 7 abgedichtet hindurchgeführt ist, und zwar derart, daß eine Relativbewegung zwischen dem Zylinder 3 und dem Kolben 4 mit der Kolbenstange 5 und dem Hilfszylinder 7 möglich ist. Im Inneren des Zylinders 3 sind insgesamt drei Kammern gebildet, und zwar die Kammer 14 zwischen der Unterseite des Kolbens 4 und dem unteren Zylinderdeckel 6, die Kammer 15 innerhalb des Hilfszylinders zwischen der Unterseite des Servokolbens 8 und der Oberseite des Kolbens 4 und die ringartige Kammer 16 zwischen der Innenfläche des Zylinders 3 und der Außenfläche des Hilfszylinders 7, die bei der Darstellung der Figur unten durch die Oberseite des Kolbens 4 und oben durch den Zylinderdeckel 17 begrenzt ist.
Im Kolben 4 befindet sich ein Durchlaß 18, der die Kammer 14 und 15 ständig verbindet. Weiterhin ist eine Leitung oder Verbindung 19 mit einem Magnetventil 20 vorgesehen, über die bei geöffnetem Magnetventil 20 eine Verbindung zwischen der Kammer 14 und der Kammer 16 möglich ist. In der Kammer 16 befindet sich eine Druckfeder 21, die sich zwischen der Oberseite des Kolbens 4 und dem oberen Zylinderdeckel 17 abstützt und dadurch den Kolben 4 für eine Bewegung nach unten, d.h. in Richtung auf den unteren Zylinderdeckel 6 vorspannt, wie dies mit dem Pfeil A in der Figur angedeutet ist.
Die Arbeitsweise der Stelleinrichtung läßt sich, wie folgt, beschreiben:
Im normalen Betrieb sind bei geschlossenem Magnetventil 20 die Kammern 14 und 15 mit einer hydraulischen Flüssigkeit, d.h. z.B. mit einem Hydrauliköl ausgefüllt, wobei sich auch in der Kammer 16 ein Vorrat an hydraulischer Flüssigkeit befindet.
Durch Bewegen des Servokolbens 8 auf den Kolben 4 zu (Verkleinerung des Volumens der Kammer 15) bzw. durch Bewegen des Kolbens 8 vom Kolben 4 weg (Vergrößerung des Volumens der Kammer 15) wird hydraulische Flüssigkeit durch den Durchlaß 18 aus der Kammer 15 in die Kammer 14 verdrängt bzw. aus dieser abgeführt, was ein axiales Verschieben des Kolbens 4 zur Folge hat, und zwar gegenläufig zur Bewegung des Kolbens 8. Wegen der größeren wirksamen Kolbenringfläche des Kolbens 4 ist hierbei der Bewegungshub des Kolbens 4 aber kleiner als der Bewegungshub des Kolbens 8.
In einer oberen Stellung des Kolbens 8 ist soviel an hydraulischer Flüssigkeit aus der Kammer 14 in die Kammer 15 gelangt, daß über die Feder 21 der Schließkegel 2 bzw. das Ventil in der geschlossenen Stellung gehalten wird (erste Stell-Position). Zum Öffnen des Ventils wird der Kolben 8 durch entsprechenden Antrieb über den Motor 13 und die Spindel 9 auf dem Kolben 4 zu bewegt, wodurch hydraulische Flüssigkeit aus der Kammer 15 durch den Durchlaß 18 in die Kammer 14 verdrängt wird, was zu einer Vergrößerung des Volumens der Kammer 14 und damit zu einer Bewegung des Kolbens 4 und der Kolbenstange 5 entgegen dem Pfeil A und entgegen der Wirkung der Feder 21 und damit auch zu einem Öffnen des Schließkegels 2 bzw. des Ventils führt (zweite Stell-Position). Durch entsprechendes Bewegen des Servokolbens 8 ist somit ein Öffnen und Schließen des Ventils durch den hydraulischen Antrieb möglich.
Im Störfall, beispielsweise bei einem Ausfall des Elektromotors 13 oder der Stromversorgung für diesen Elektromotor, ist dennoch ein Schließen des Schließkegels 2 bzw. des Ventils möglich, und zwar dadurch, daß das Magnetventil 20 öffnet und so eine Entlastung oder Verbindung der Kammer 14 zur Kammer 16 bewirkt, womit über die sich entspannende Feder 21 eine Bewegung der Kolbenstange 5 in Richtung des Pfeiles A erfolgt und damit der Schließkegel 2 bzw. das Ventil geschlossen wird.
Bei jeder axialen Bewegung des Kolbens 4 bzw. der Kolbenstange 5 werden auch das Lager 10 und der an diesem Lager vorgesehene Antrieb mit dem Elektromotor 14 axial mit bewegt. Das Magnetventil 20 ist vorzugsweise so ausgeführt, daß es im Ruhezustand geöffnet und durch einen Haltestromkreis solange geschlossen ist, solange auch die Versorgungsspannung für den Elektromotor 13 zur Verfügung steht.
Nach einem Notabschalten kann der Stellantrieb 1 wieder in den Normalzustand gebracht werden, und zwar dadurch, daß bei weiterhin geöffnetem Magnetventil 20 und bei durch die Feder 21 geschlossenem Schließkegel 2 bzw. Ventil zunächst durch Nach-Oben-Bewegen des Kolbens 8 aus der Kammer 14 hydraulische Flüssigkeit in die sich vergrößernde Kammer 15 angesaugt wird, wobei über die Verbindung 19 hydraulische Flüssigkeit aus der Kammer 16 in die Kammer 14 nachfließt. Hat der Kolben 8 die Position erreicht, die der normalen Schließposition entspricht, wird das Magnetventil 20 geschlossen.
Nun kann durch Nach-Unten-Bewegen des Kolbens 8 und durch das hierbei auftretende Verdrängen der hydraulischen Flüssigkeit aus der Kammer 15 in die Kammer 14 das Ventil geöffnet werden, und zwar durch Bewegen des Kolbens 4 und der Kolbenstange 5 entgegen dem Pfeil A und entgegen der Feder 21.

1: Stellantrieb
2: Schließkegel (Ventil)
3: Zylinder
4: Kolben
5: Kolbenstange
6: Zylinderdeckel
7: Hilfszylinder
8: Servokolben
9: Gewindestange
10: Lager
11: Zahnrad
12: Ritzel
13: Elektromotor
14, 15, 16: Kammer
17: Ventildeckel
18: Durchlaß
19: Verbindungsleitung
20: Magnetventil
21: Feder

Claims

Motorischer Stellantrieb, vorzugsweise Schieber- oder Ventilantrieb, mit einem von einer hydraulischen Antriebseinheit bzw. von einem hydraulischen Antriebselement (9, 11, 12, 13) bewegten Stellglied (5, 2) zum Schalten oder Steuern eines von dem Stellantrieb betätigten Funktionselementes, vorzugsweise eines Schiebers oder Ventils, wobei im Antriebsstrang zwischen dem Antriebselement (13) und dem Schaltelement (5, 2) oder parallel zum Antriebsstrang zumindest ein Kraftspeicher mit wenigstens einem Federelement (21) vorgesehen ist, welches unter Abgabe seiner Federenergie eine Bewegung des Stellgliedes (5, 2) in einer ersten Stellrichtung (A) bewirkt, mit einer ersten Kolben-Zylinder-Anordnung (3, 4) mit einem in einem ersten Zylinder (3) axial beweglichen Kolben (4), wobei der erste Kolben (4) eine erste Kammer (14) mit veränderbaren Volumen in dem ersten Zylinder (3) für eine hydraulische Flüssigkeit bildet, mit einer hydraulischen Pumpe (7, 8), die durch das Antriebselement (9, 11, 12, 13) betätigbar ist und wenigstens eine Pumpenkammer bildende zweite Kammer (15) aufweist, die über eine erste Verbindung (18) mit der ersten Kammer (14) verbunden ist, um bei einer Betätigung des Antriebselementes (9, 11, 12, 13) in einem Sinne durch Zuführung von hydraulischer Flüssigkeit in die erste Kammer (14) das Stellglied (5, 2) gegen die Wirkung des wenigstens einen Federelementes (21) und entgegen der ersten Stellrichtung (A) zu bewegen und bei einer Betätigung des Antriebselementes (9, 11, 12, 13) im entgegengesetzten Sinne durch Abführen von hydraulischer Flüssigkeit aus der ersten Kammer (14) eine Bewegung des Stellgliedes (5, 2) durch das sich entspannende wenigstens eine Federelement (21) in der ersten Stellrichtung (A) zu bewirken, sowie mit einer zweiten Verbindung (19) zwischen der ersten Kammer (14) und einem Vorrats- oder Speicherraum (16) für die hydraulische Flüssigkeit, wobei in der zweiten Verbindung (19) wenigstens eine elektrisch betätigbare Ventilanordnung (20) vorgesehen ist, welche im normalen Betrieb die zweite Verbindung (19) sperrt und für eine Entlastung der ersten Kammer (14) bzw. für eine Bewegung des Stellgliedes (5, 2) in der ersten Stellrichtung (A) geöffnet werden kann, wobei die hydraulische Pumpe von einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit mit einem zweiten Zylinder (7) und einem zweiten Kolben (8) gebildet ist, welcher im zweiten Zylinder (7) die zweite Kammer (15) mit veränderbarem Volumen bildet.
Motorischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (21) auf den ersten Kolben (4) einwirkt, um das mit diesem verbundene Stellglied (5, 2) in der ersten Stellrichtung (A) zu bewegen.
Motorischer Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (5, 2) zwischen einer ersten Stellposition und wenigstens einer zweiten Stellposition bewegbar ist.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (5, 2) in der ersten Stellrichtung (A) in die erste Stellposition und in der zweiten Stellrichtung in die zweite Stellposition bewegbar ist.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Kolben (8) durch das Antriebselement (9, 11, 12, 13) in Achsrichtung (L) des zweiten Zylinders (7) verschiebbar ist.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er von einer Spindel (9) gebildet ist, die von einem Elektromotor (13) in ihrer Achsrichtung verschiebbar ist.
Motorischer Stellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (9) die Kolbenstange des zweiten Kolbens (8) bildet.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied von einer ersten Kolbenstange (5) der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (3, 4) gebildet ist.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zylinder (7) mit seiner Zylinderachse achsgleich mit der Achse (L) des ersten Kolbens (4) angeordnet und mit einem Ende am ersten Kolben (4) kolbenstangenartig befestigt ist, und zwar vorzugsweise an der dem Stellglied (5) abgewandten Seite des ersten Kolbens (4).
Motorischer Stellantrieb ach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zylinder (7) von dem ersten Zylinder (3) konzentrisch mit Abstand umschlossen ist, und daß zwischen dem ersten Zylinder (3) und dem zweiten Zylinder (7) eine als Ringraum ausgebildete dritte Kammer (16) vorgesehen ist, die den Vorrats- oder Speicherraum bildet.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Federelement (21) eine Druckfeder ist.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das wenigstens eine Federelement (21) mit einem Ende an dem ersten Kolben (4) und mit dem anderen Ende an dem ersten Zylinder (3) oder einem Zylinderdeckel (17) dieses Zylinders abstützt.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Federelement (21) in einer Ringkammer untergebracht ist, die zwischen dem außenliegenden ersten Zylinder (3) und dem innenliegenden zweiten Zylinder (7) gebildet ist.
Motorischer Stellantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Federelement (21) in der dritten Kammer (16) untergebracht ist.
Motorischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung (20) in der zweiten Verbindung (19) elektrisch ansteuerbar ist, und zwar in der Form, daß die Ventilanordnung (20) den zweiten Durchlaß (19) bei Anliegen eines Ruhestroms oder einer elektrischen Spannung gesperrt ist.