DE19840809A1 - Linearer Direktantrieb für einen in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper eines Druckerzeugers für einen Impulsprüfstand zur dynamischen Impulsdruckprüfung fluidischer Bauelemente unter Ausnutzung kapazitiver Energien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen linearen Direktantrieb für einen in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper eines Druckerzeugers für einen Impulsprüfstand zur dynamischen Impulsdruckprüfung fluidischer Bauelemente unter Ausnutzung kapazitiver Energien. DOLLAR A Der Direktantrieb besteht im wesentlichen aus einem Linearmotor (1), dessen linear bewegliches Wirkteil (2) mechanisch wirkverbunden ist mit einem in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper (3) eines hydraulischen Druckerzeugers (4), wobei der Linearmotor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) den mit diesem mechanisch wirkverbunden in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper (3) linear verschiebt, wobei die beiden Druckkammern (5, 6) des hydraulischen Druckerzeugers (4) über Fluidleitungen direkt mit den Prüflingen (9, 10) in Verbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen Direktantrieb für einen in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper eines Druckerzeugers für einen Impulsprüfstand zur dynamischen Impulsdruckprüfung fluidischer Bauelemente unter Ausnutzung kapazitiver Energien, insbesondere der der Prüflinge und der des Prüffluids, wobei die beim Entspannen des Volumens auf der einen Seite des hydraulischen Druckerzeugers in der zugehörigen Druckkammer frei werdende Expansions-Energie durch das Wirken der Teilkomponente Expansionsdruck auf die Wirkfläche des Verdrängerkörpers diesen in Richtung Gegenseite hin beschleunigt und bewegt und wobei auf der Gegenseite die durch Volumenverkleinerung und Druckerhöhung erzeugte Energie gespeichert und den nächstfolgenden Impulsdruck in den Prüflingen auf der Gegenseite des Verdrängerkörpers aufzubauen hilft, wobei das mit dem Verdrängerkörper kraftschlüssig verbundene Wirkteil eines Linearmotors zum einen den durch Reibung eingetretenen Energieverlust durch Energieeinspeisung, Fortsetzen der Hubbewegung, bis zum Erreichen des Impulsdruckes ausgleicht und zum anderen anschließend durch Anhalten und bedarfsweises Nachregeln den geforderten Impulsdruck über einen beliebigen Zeitraum auf einem vorgegebenen Sollwert hält, bis der gleiche Vorgang, beginnend aber von der anderen Seite des Verdrängerkörpers, erneut erfolgen und zyklisch sich wiederho­ len kann, wobei der Verdrängerkörper des Druckerzeugers in beiden Bewegungsrichtungen aktiv wirkt.

Den in DE 40 34 500 C1, DE 42 41 199 C1 und DE 43 25 636 A1 aufgeführten Prüfvorrichtungen zum Impulsdruckprüfen von z. B. hydraulischen Schläuchen einschließlich deren Armaturen, ist als Antrieb ein offener hydraulischer Kreislauf für die Primärseite eines hydraulischen Druck­ übersetzers gemeinsam. Zur Erzeugung entsprechender Prüfdrücke kommen vorzugsweise Druckübersetzer zur Anwendung, bei denen die Sekundärseite mit den Prüflingen verbunden ist, während die Primärseite über Proportionalwege- oder Servoventile mit einem hydrauli­ schen Antriebsaggregat in Verbindung steht.

Nachteilig bei diesen Lösungen ist der erhebliche Energieverlust einerseits infolge der mit Ste­ tigventilen gesteuerten Primärseite der Prüfvorrichtung, andererseits durch die vorgenommene Energieumwandlung von elektrischer in hydrostatische Energie innerhalb des hydraulischen Antriebsaggregates.

Weiterhin tritt als wesentlicher Mangel in Erscheinung, daß der Expansionsvolumenstrom, welcher zyklisch beim Entspannen der Prüflinge und des Prüffluids anfällt, ungenutzt als Ver­ lust in den Tank zurückfließt.

Aus DE 195 17 305 C1 ist eine Prüfvorrichtung zum Impulsdruckprüfen von z. B. hydraulischen Schläuchen einschließlich deren Armaturen bekannt, wobei die Antriebspumpe für den Primär­ kreis im geschlossenen hydraulischen Kreislauf arbeitet und Fluid in die Primärkammern eines Druckübersetzer zum einen einspeist und zum anderen entnimmt. Die Antriebspumpe im Pri­ märkreis ist hier eine Verstellpumpe, die durch einen Elektromotor bei gleichbleibender Dreh­ richtung angetrieben wird. Beim Entspannen des Prüfdruckes im Sekundärkreis soll durch Betätigen der Verstelleinrichtung der Antriebspumpe ein Rückfluß der Energie ins elektrische Netz oder deren Speicherung in einer Schwungmasse, die fest mit der Antriebswelle gekoppelt ist, erfolgen.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß der Stellvorgang der Pumpenregeleinrichtung zyklisch mit der eingestellten Impulsfrequenz erfolgen muß, was einen erhöhten Energieaufwand infolge des über ein Stetigventil fließenden Steuerölstromes und einen zusätzlichen Verschleiß der Stell­ einrichtung der Pumpe zur Folge hat. Zum Betreiben des hier ebenfalls verwendeten Druck­ übersetzers muß ebenfalls eine Energieumwandlung von elektrischer in hydrostatische Energie erfolgen.

Weiterhin nachteilig ist das Prinzip der Energierückgewinnung. Es wird kaum möglich sein, auch bei relativ geringen Prüffrequenzen, über die über Null gestellte Pumpe, die dann während des extrem kurzzeitig fließenden Expansionsvolumenstromes zum Motor wird, Energie, über die außerdem nun vom Elektromotor zur Turbine gewordenen Antriebseinrichtung der Primär­ seite, ins elektrische Netz einzuspeisen. Desweiteren ist der Pulsationsvorgang ein zyklischer Vorgang und die gegebenenfalls ins Energienetz zurückgespeiste Energie muß für einen neuen Druckimpuls wieder aus dem Netz entnommen und abermals mit Verlusten gewandelt werden. Ferner erscheint als ungünstig, daß der Rückhub des Druckübersetzers, bezogen auf den Prüf­ druckhub, ein Leerhub ist.

Weiterhin ist unter dem Aktenzeichen 197 30 237.8 eine Schaltungsanordnung zur dynami­ schen Impulsprüfung fluidischer Bauelemente unter Ausnutzung kapazitiver Energien bekannt.

Diese Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur dynamischen Impulsdruckprüfung flui­ discher Bauelemente unter Ausnutzung kapazitiver Energien, insbesondere der der Prüflinge und der des Prüffluids, wobei der Sekundärteil der Schaltungsanordnung einem hydraulischen Pendel entspricht, in dem die hydraulische Kapazität beim Entspannen der beidseitig des hy­ draulischen Pendels angeordneten Prüflinge sowie des Prüffluids ausgenutzt wird und daraus resultierend ein hydraulischer Strom von der einen Seite des hydraulischen Pendels durch Ver­ schieben eines Verdrängerkörpers auf die andere Seite dieses hydraulischen Pendels geleitet wird, um den Prüfdruck in den Prüflingen auf der anderen Seite des hydraulischen Pendels hel­ fen aufzubauen und umgekehrt, wobei lediglich durch die Primärseite der Schaltungsanordnung die durch Reibverluste im hydraulischen Pendel nicht mehr zur Verfügung stehende Energie ausgeglichen werden muß. Als Steuerorgan dient ein Proportional-Wegeventil oder Servo-Wege­ ventil, welches in seiner Mittelstellung die beiden Primärkammern des hydraulischen Pendels miteinander verbindet.

Nachteilig dabei ist, daß auch hier zum Betreiben des hydraulischen Pendels ein hydraulisches Antriebsaggregat benötigt wird, und somit elektrische Energie in hydrostatische Energie ge­ wandelt werden muß.

Nachteilig ist außerdem, daß bei Stetigventilen, auch wenn sie 100%ig geöffnet sind, prinzip­ bedingt Druckverluste an den Steuerkanten auftreten, was zu weiteren Energieverlusten führt. Dieser Sachverhalt fällt vor allem für den Zeitraum ins Gewicht, in welchem das Stetigventil als Regelventil zur Aufrechterhaltung des Impulsdruckes und damit um seinen Nullpunkt arbeitet. Weiterhin ist nachteilig, daß wegen der symmetrischen Ausführung des doppeltwirkenden Druckübersetzers und der starren mechanischen Kopplung der darin befindlichen Druckkolben der zufließende bzw. abfließende Kompressionsstrom bzw. Expansionsstrom gleich groß sind und so auf beiden Seiten nur gleichartige Druckverläufe p(t) realisierbar sind, bei denen der Druckanstieg die gleiche Zeitspanne benötigt wie auf der gegenüberliegenden Seite der Druck­ abfall, so daß asymmetrische Druckverläufe p(t) nicht erzeugt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin einen linearen Direktantrieb für einen in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper eines Druckerzeugers für einen Impulsprüfstand zur dynamischen Impulsdruckprüfung fluidischer Bauelemente unter Ausnutzung kapazitiver Energien, insbesondere der der Prüflinge und der des Prüffluids zu schaffen, wobei die frei werdende Energie aus dem Kompressionsvolumen des Fluids und der Kapazität der Prüflinge und weiterer im Hochdruckstrang befindlicher Bauelemente von der Hochdruck-Seite des Druckerzeugers nahezu verlustfrei über den Verdrängerkörper selbst auf die Gegenseite geleitet wird, und wobei die erzeugte Energie gespeichert wird und den nächst­ folgenden Impulsdruck in den Prüflingen auf der anderen Seite des Verdrängerkörpers aufzu­ bauen hilft und wobei durch einen Linearmotor, dessen linear bewegliches Wirkteil mit dem Verdrängerkörper mechanisch wirkverbunden ist, Energiedifferenzen einspeisend ausgleicht und wobei der Verdrängerkörper des Druckerzeugers in beiden Bewegungsrichtungen aktiv wirkt.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellungen.

Es zeigen

Fig. 1 Schaltplan des erfindungsgemäßen linearen Direktantriebes für einen in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper eines Impulsprüfstandes mit zweiseitigem hydraulischen Druckerzeuger,

Fig. 2 Lösungsmöglichkeit für die Realisierung asymmetrischer Druckverläufe p(t).

Der Direktantrieb für einen Impulsprüfstand (Fig. 1) besteht aus einem Linearmotor 1 dessen linearbewegliches Wirkteil 2 mechanisch wirkverbunden ist dem Verdrängerkörper 3 eines hydraulischen Druckerzeugers 4.

Die Druckkammern 5, 6 des hydraulischen Druckerzeugers 4 mit den Wirkflächen 7, 8 sind leitungsverbunden mit den Prüflingen 9, 10, welche von einem unabhängigen Hydraulikaggre­ gat 11 über die Rückschlagventile 12, 13, 14, 15 mit gefiltertem und temperiertem Prüffluid versorgt werden. Der Prüfdruck, mit dem die Prüflinge 9, 10 beaufschlagt werden, wird mit­ tels der Druckaufnehmer 16, 17 gemessen. Die Ist-Position des Verdrängerkörpers 3 und des mit ihm mechanisch wirkverbundenen linear beweglichen Wirkteils 2 des Linearmotors 1 wird mittels Wegmeßsystem 18 gemessen und der Meßwert zur Auswertung an die Steuerung 19 weitergeleitet, an die auch die Druckaufnehmer 16, 17 angeschlossen sind.

Der Verdrängerkörper 3 befinde sich beispielsweise anfangs in seiner linken Endlage. Nach dem Einschalten des Linearmotors 1 verschiebt dessen linear bewegliches Wirkteil 2 den Verdrängerkörper 3 des hydraulischen Druckerzeugers 4 nach rechts, was über die Wirkfläche 8 eine Verkleinerung des Volumens der Druckkammer 6 und wegen der schließenden Wirkung der Rückschlagventile 13, 15 eine Druckerhöhung in der Druck­ kammer 6 und dem angeschlossenen Prüfung 10 zur Folge hat. Wird durch den Druckauf­ nehmer 17 das Erreichen des vorgeschriebenen Impulsdruckes innerhalb des Prüflinges 10 gemessen, wird die Linearbewegung des Linearmotors 1 mittels der Steuerung 19 angehalten und es erfolgt mittels der Steuerung 19 nur ein bedarfsweises Nachregeln, um den Impulsdruck über die vorgeschriebene Zeit aufrecht zu erhalten. Nach Ablauf der vorgeschriebenen Zeit, über der der Impulsdruck aufrecht zu halten ist, wird durch die Steue­ rung 19 die Wirkung der Richtung der Antriebskraft des Linearmotors 1 umgeschaltet. Damit wird, da die Aktionskomponente durch den Linearmotor 1 zum Druckaufbau oder Druckhalten in der rechten Druckkammer 6 nicht mehr gegeben ist, die hydraulische und mechanische Reaktionskomponente einen hydraulischen Expansionsstrom erzeugen. Dieser resultiert aus den Innendrücken die sich pro Zeiteinheit ändern und den Volumina des Prüflings 10, der Druckkammer 6 sowie weiterer Bauteile, Verbindungsleitungen, die auf der rechten Seite des hydraulischen Druckerzeugers 4 unter Impulsdruck stehen sowie den mechanischen Kapazitäten des Prüflings 10, der Druckkammer 6 und weiterer Bauteile, Verbindungsleitungen, die auf der rechten Seite des hydraulischen Druckerzeugers 4 unter Impulsdruck stehen. Es werden kapazitive Energien als dem Hydraulikfluid und ebenfalls der mit Druck beaufschlagten Bauteile, die sich zusammenziehen, frei, die in kinetische Energie umgewandelt werden. Die Kraftkomponente des auf die Wirkfläche 8 wirkenden Druckes verschiebt den Verdrängerkörper 3 und das mit ihm mechanisch wirkverbundene linear bewegliche Wirkteil 2 des Linearmotors 1 nach links bis sich zwischen den beiden Druckkammern 5, 6 und damit zwischen den Wirkflächen 7, 8 der rechten und linken Seite des Verdrängerkörpers 3 ein Druck- bzw. ein Kraftgleichgewicht eingestellt hat. Im nachfolgenden Zeitabschnitt, bei gleichbleibender Bewegungsrichtung des Verdrängerkörpers 3 treibt die kinetische Energie des Verdrängerkörpers 3 und des linearbeweglichen Wirkteils 2 den Verdrängerkörper 3 und das linearbewegliche Wirkteil 2 unter Volumenverringerung bei gleichzeitiger Druckerhöhung der Druckkammer 5 und des angeschlossenen Prüflings 9 bzw. unter Volumenvergrößerung bei gleichzeitiger Druck­ erniedrigung der Druckkammer 6 und des angeschlossenen Prüflings 10 weiter nach links bis die gesamte kinetische Energie verbraucht ist. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird der Linear-Motor 1 zum einen den durch Reibung eingetretenen Energieverlust durch Fortsetzen der Linearbewegung bis zum Erreichen des Impulsdruckes in der Druckkammer 5 und dem Prüfling 9 ausgleichend Energie einspeisen und zum anderen wird der Linear-Motor 1 anschließend durch Anhalten und bedarfsweises Nachregeln den geforderten Impulsdruck wieder über eine beliebige Zeit auf einem vorgegebenen Sollwert halten, wobei der in Druckkammer 6 und Prüfling 10 noch vorhandene Restdruck diese Bewegung unterstützen, bis der gleiche Vorgang in der abermals entgegengesetzten Bewegungsrichtung erfolgen und zyklisch sich wiederholen soll.

Bei dem vorgenannten Funktionsablauf werden in beiden Druckkammern 5, 6 und den ange­ schlossenen Prüflingen 9, 10 symmetrische Druckverläufe p(t) realisiert, bei denen auf beiden Seiten der Betrag |dp/dt| der Druckänderung pro Zeiteinheit gleich ist.

Eine weitere Möglichkeit für den linearen Direktantrieb ergibt sich nach Fig. 2 durch die Ver­ wendung von 2 Linearmotoren 31, 32 mit ihren linear beweglichen Wirkteilen 33, 34, die mit den Hälften 35, 36 eines zweiteiligen Verdrängerkörpers 37 mechanisch wirkverbunden sind, wobei zwischen den Hälften 35, 36 ein elastisches kraftübertragendes Zwischenglied 38 in der Weise angeordnet ist, daß durch eine voneinander unabhängige Ansteuerung der Linearmotoren 31, 32 durch die Steuerung 39, in deren Folge die linearbeweglichen Wirk­ teile 33, 34 und die mit ihnen mechanisch wirkverbundenen Hälften 35, 36 des zweiteiligen Verdrängerkörpers 37 in gewissen Grenzen eine Relativbewegung zueinander ausführen können, womit in den beiden Druckkammern 40, 41 und den angeschlossenen Prüflingen 42, 43 jeweils ein Prüfdruck mit unterschiedlichem Betrag |dp/dt| der Druckänderung pro Zeiteinheit aufgebracht werden kann und/oder einem Druckverlauf p₁(t) ein Druckverlauf p₂(t) überlagert werden kann. Durch das elastische Zwischenglied 38 wird eine kraftschlüssige Verbindung bei möglicher Relativbewegung zwischen den Hälften 35, 36 gewährleistet, wo­ mit einerseits die beim Entspannen des Druckes der einen Seite frei werdende Expansions­ energie den Prüfdruck auf der anderen Seite aufbauen helfen kann, andererseits beide Linearmotoren 31, 32 auf beiden Seiten wirksam werden können, was wiederum deren günstigere Dimensionierung bezüglich der erreichbaren Vorschubkräfte ermöglicht. Der Druckverlauf p(t) in den Druckkammern 40, 41 und den angeschlossenen Prüflingen 42, 43 wird mittels der an die Steuerung 39 angeschlossenen Druckaufnehmer 44, 45 und die Position der Hälften 35, 36 wird einzeln durch die Wegmeßsysteme 46, 47, welche ebenfalls an die Steuerung 39 angeschlossen sind, überwacht.

Claims (14)

1. Linearer Direktantrieb für einen in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper eines hydraulischen Druckerzeugers für einen Impulsprüfstand zur dynamischen Impuls­ druckprüfung fluidischer Bauelemente unter Ausnutzung kapazitiver Energien dadurch ge­ kennzeichnet, daß der lineare Direktantrieb im wesentlichen aus einem Linearmotor (1) besteht, dessen linear bewegliches Wirkteil (2) mechanisch wirkverbunden ist mit einem in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdrängerkörper (3) eines hydraulischen Drucker­ zeugers (4), wobei der Linearmotor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) den mit diesem mechanisch wirkverbunden in zwei Bewegungsrichtungen wirkenden Verdränger­ körper (3) linear verschiebt, wobei die beiden Druckkammern (5, 6) des hydraulischen Druckerzeugers (4) über Fluidleitungen direkt mit den Prüflingen (9, 10) in Verbindung ste­ hen.

2. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmotor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) ein elektrischer Motor ist.

3. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmo­ tor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) ein pneumatischer Motor ist.

4. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmo­ tor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) ein hydraulischer Motor ist.

5. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmo­ tor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) ein Verbrennungsmotor ist.

6. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmo­ tor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) im Vierquadrantenbetrieb gefahren wird.

7. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das linear be­ wegliche Wirkteil (2) und der Verdrängerkörper (3) als Schwungmasse, die variabel gestal­ tet werden kann, verwendet werden.

8. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines auch mehr als ein Linearmotor (1) mit seinem linear beweglichen Wirkteil (2) in direkter Wirkverbindung zum Verdrängerkörper (3) eingesetzt werden kann.

9. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linearmotor (1) mehrere Wirkteile (2) aufweisen kann.

10. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrauli­ sche Druckerzeuger (4) doppelt wirkend arbeitet.

11. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkam­ mern (5, 6) direkt leitungsverbunden mit den Prüflingen (9, 10) sind.

12. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkör­ per (37) geteilt ist in die beiden Hälften (35, 36), daß diese kraftschlüssig durch ein elasti­ sches Zwischenglied (38) in Verbindung stehen, daß die beiden Hälften (35, 36) mit je einem linear beweglichen Wirkteil (33, 34) je eines Linearmotors (31, 32) mechanisch wirkverbun­ den sind.

13. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zwischenglied (38) eine Relativbewegung zwischen den Hälften (35, 36) des Verdrängerkör­ pers (37) und den mit ihnen mechanisch wirkverbundenen linear beweglichen Wirkteilen (33, 34) der Linearmotoren (31, 32) zuläßt.

14. Linearer Direktantrieb nach Anspruch 1, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Line­ armotoren (31, 32) unabhängig voneinander steuerbar sind.