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"Hydraulische Schaltungsanordnung zur Wegesteuerung mit Konstantregelung
eines Hydrovolumenstromes" Die Erfindung betrifft eine hydraulische Schaltungsanordnung
zur Weges teuerung mit Konstantregelung eines Hydrovolumenstromes mit vier schaltbaren
Einzelwiderständen, einer Meßdrossel und einer Druckwaage.
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Bei bekannten hydraulischen Schaltungsanordnungen, insbesondere Schaltungsanordnungen
zur Weges teuerung mit Konstantregelung eines Hydrovolumenstromes hat man bisher
4-Wegeventile für die Wegseuerung des Hydrovolumenstromes verwendet. Diese 4-Wegeventile
haben vier Widerstände, jeweils zwei Eingangs- und Ausgangswiderstände, die zwangsweise
und synchron miteinander durch die Betätigung des Stellgliedes verändert werden.
Zusätzlich zu diesem 4-Wegeventil sind bei den bekannten Schaltungsanordnungen zur
Wegesteuerung mit Konstantregelung des Hydrovolumenstromes ein gesondertes Stromregelventil
und ein gesondertes Rückschlagventil zur Umgehung des Stromregelventils bei Umkehrung
der Durchströmungsrichtung der Arbeitsleitung erforderlich, die für den Arbeitshydrovolumenstrom
dimensioniert sein müssen und einen erheblichen geräte- und schaltungstechnischen
Aufwand darstellen. Eine erste Vereinfachung bzw. Verbesserung dieser herkömmlichen
Schaltungsanordnungen ist dadurch erzielt worden, daß man das 4-Wegeventil und das
Rückschlagventil durch vier Einzelwiderstände ersetzt hat, die: unabhängig voneinander
schaltbar sind ("Systematik der hydraulischen Widerstandsschaltungen in Ventilen
und Regelkreisen von Backen, Krausskopf-Verlag 1973). Obwohl man hiermit eine größere
Einsatzfähigkeit und Anpassung solcher Schaltungsanordnungen an bestimmte Forderungen
der Praxis erzielt hat, ist der geräte-und
schaltungstechnische
Aufwand dieser Schaltungsanordnungen weiterhin noch relativ groß, da insbesondere
gesonderte Stromregelventile erforderlich sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Unzulänglichkeiten
der bekannten Schaltungsanordnungen zu vermeiden und eine Schaltungsanordnung der
in Frage stehenden Art zu schaffen, die geräte- und schaltungstechnisch einfach
und wenig störanfällig aufgebaut ist und höchsten Anforderungen zur Konstantregelung
von Hydrovolumenströmen in wirtschaftlich rationeller und technisch einwandfreier
Weise genügt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein erster
Einzelwiderstand wahlweise als hydraulisch gesteuertes 2-Wegeventil oder als Meßdrossel
und ein zweiter Einzelwiderstand wahlweise als hydraulisch gesteuertes 2-Wegeventil
oder als Druckwaage schaltbar ausgeführt ist.
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Durch die gleichzeitige Ausgestaltung eines Einzelwiderstandes wahlweise
als Wegeventil oder als Meßdrossel, welche vorzugsweise durch eine Hubbegrenzungseinrichtung
erfolgt, wird eine gesonderte Meßdrossel eingespart. Durch die gleichzeitige Ausgestaltung
eines zweiten Einzelwiderstandes wahlweise als Wegeventil oder als Druckwaage wird
eine gesonderte Druckwaage eingespart. Die Verwendung eines Elementes anstelle von
zwei getrennten Elementen führt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung in Blockbauweise, bei welcher die Einzelwiderstände in vorteilhafter
Weise als Hydrologikventile in einem Steuerblock eingebaut sind, zu einer erheblichen
Reduzierung des Bohraufwandes am Steuerblock und außerdem zur Einsparung einer Steuerplatte.
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Die Hydrologikventile sind hierbei Einbauelemente, die zur Steuerung
eines Hydrovolumenstromes dienen, wobei diese Steuerung durch Druckbeaufschlagung
oder - entlastung eines Steueranschlusses erfolgt. Eine Steuerplatte
ist
in diesem Zusammenhang der Abschlußdeckel eines Hydrologikventils. Sie kann Bohrungen
und Funktionselemente zur Verarbeitung der hydraulischen Steuersignale enthalten.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung kann vorteilhaft zur Steuerung
einer Spritzgießmaschine eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkelten der vorliegenden
Erfindung werden im nachfolgenden anhand von Ausführungsformen im Zusammenhang mit
den beiliegenden Figuren beschrieben.
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Es zeigt: Figur 1 einen Schnitt durch ein Hydrologikventil, Figur
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer hydraulischen Schaltungsanordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung, Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines
Steuerblockes mit vier Hydrologikventilen, Figur 4 eine schematische Darstellung
einer Aurführungsform einer hydraulischen Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
zur Steuerung der Spritzgeschwindigkeit einer Spritzgießmaschine, und Figur 5 eine
Explosionsdarstellung der in Blockbauweise ausgeführten Schaltungsordnung gemäß
Figur 4
In Figur 1 ist ein hydrologikventil 1 im Schnitt gezeigt.
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Das Hydrologikventil 1 ist als Sitzventil ausgeführt. In einem Gehäuse
2, das nicht zum Hydrologikventil an sich gehört, ist eine Buchse 3 angeordnet.
Die Arbeitsanschlüsse lA und lB und der Steueranschluß lx werden durch Dichtungen
5 und 6 gegeneinander, der Steueranschluß lX gegen die Umgebung durch eine Dichtung
4 abgedichtet.
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In der Buchse 3 ist ein Kolben 7 geführt, auf den die Kraft einer
Feder 8 in Schließrichtung wirkt, wodurch abhängig von den Drücken in den Anschlüssen
lA, lB und lX die Kegelfläche des Kolbens 7 gegen den Sitz 9 der Buchse 3 geführt
wird. Das Hydrologikventil 1 hat zwei Arbeitsanschlüsse lA und lB für den Arbeitshydrovolumenstrom
und einen Steueranschluß lX. Die Stellung des Kolbens 7 hängt im wesentlichen von
der Höhe der Drücke in den Anschlüssen lA, lB und lX und von der Auslegung der Feder
8 ab. Ventile in der gezeigten Sitzbauart sperren im geschlossenen Zustand die Anschlüsse
1A und lB hermetisch dicht gegeneinander ab. Bei einem als Kolbenventil ausgeführten
Hydrologikventil (nicht gezeigt), bei welchem der Kolben im geschlossenen Zustand
mittels eines radialen Ringspalts die Anschlüsse pa rund lB gegeneinander absperrt,
fließt zwischen den Anschlüssen lA und lB bei vorhandener Druckdifferenz ein Leckstrom,
da ein minimales Kolbenspiel aus Funktionsgründen nicht unterschritten werden darf.
Bei dem Kolbenventil fehlt für den Druck im Anschluß lB eine Wirkfläcile. Damit
hat der Druck im Anschluß lB keinen Einfluß auf die Stellung des Ventils. Bei beiden
Bauarten, d.h.
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sowohl beim Hydrologiksitzventil als auch beim Hydrologikkolbenventil
besteht ein Leckstrom zwischen den Anschlüssen lB und lX, wenn eine Druckdifferenz
zwischen diesen Anschlüssen vorhanden ist. Bei der Verwendung von Hydrologikventilen
zur Wegesteuerung wird jeder Weg durch ein Hydrologikventil,das als 2/2-Wegeventil
arbeitet, geschaltet bzw.
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gesteuert. Die Vorsteuerung der hydraulisch gesteuerten
Hydrologikventile
erfolgt mit Steuerelementen, die nur für den im Verhältnis zum Arbeitshydrovolumenstrom
kleinen Steuerhydrostrom ausgelegt werden müssen. Neben der Wegefunktion lassen
sich Sperrventil-, Druckventil-und Stromventilfunktionen separat ausführen oder
den Wegeventilfunktionen überlagern.
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In Figur 2 ist eine schematische hydraulische Schaltungsandrdnung
zur Steuerung der Bewegung eines Verbrauchers 10 im Sinne eines Wegeventils und
einer Konstantregelung der Bewegungsgeschwindigkeit durch 3-Wege-Stromregelung des
Hydrovolumenstroms zum Verbraucher 10 gezeigt. Die zur Richtungssteuerung des Hydrovolumenstromes
erforderlichen 4 steuerbaren Widerstände eines 4-Wegeventils sind als hydraulisch
gesteuerte Einzelwiderstände in Form von Hydrologikventilen 11, 12, 13 und 14 ausgebildet.
Das Hydrologikventil 11 ist mit einer Hubbegrenzungseinrichtung 15 ausgestattet
und übernimmt neben seiner Wegeventilfunktion gleichzeitig auch die Funktion einer
Meßdrossel. Das Hydrologikventil 14 übernimmt neben seiner Wegeventilfunktion die
Funktion einer druckgesteuerten Drossel im Nebenstrom zum Hydrologikventil 11.
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Im folgenden werden nun die drei Schaltstellungen der Schaltungsanordnung
beschrieben, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher der Arbeitshydrovolumenstrom
von einer Pumpe 16 zum Verdrängerraum 17 des Verbrauchers 10 unter Konstantregelung
des Hydrovolumenstroms unabhängig von Druckschwankungen und der Abfluß vom Verdrängerraum
18 zum Tank 19 erfolgt, eine zweite Schaltstellung, in welcher der Arbeitshydrovolumenstrom
von der Pumpe 16 zum Verdrängerraum 18 und der Abfluß vom Verdrängerraum 17 zum
Tank 19 erfolgt sowie eine dritte Schaltstellung, in der kein Arbeitshydrovolumenstrom
zum Verbraucher lo gelangt.
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Bei der ersten Schaltstellung wird der Druck im Steueranschluß 20
der Steuerplatte 24 für das Hydrologikventil 11 und der Druck im Anschluß 22 für
das Hydrologikventil 13 so eingestellt, daß beide Ventile öffnen und den Hydrovolumenstrom
zwischen den Arbeitsanschlüssen fließen lassen. Der Druck im Anschluß 21 der Steuerplatte
24 für das Hydrologikventil 12 wird so eingestellt, daß das Elydrologikventil 12
geschlossen ist. Ein Arbeitshydrovolumenstrom kann nicht fließen. Der Anschluß 23
der Steuerplatte 24 für das Hydrologikventil 14 wird mit dem Lastdruck PLANT des
Verbrauchers 10 im Anschluss 17a beaufschlagt. Die Konstantregelung des Hydrovolumenstroms
zum Verdrängerraum 17 des Verbrauchers 10 erfolgt dadurch, daß der am Drosselquerschnitt
des Hydrologikventils 11 entstehende Druckabfall pumpe = PPumpe sL8stder ein Maß
für den Arbeitshydrovolumenstrom ist, die Stellung des Kolbens des iiydrologikventils
14 und damit den Drosselquerschnitt zwischen den Arbeitsanschlüssen 14 A und 14
B des Hydrologikventils 14 bestimmt. Über diesen Drosselquerschnitt strömt im Nebenstrom
der Differenzhydrovolumenstrom zwischen dem konstant zu haltenden Verbraucherarbeitshydrovolumenstrom
und dem Pumpenförderhydrovolumenstrom zum Tank 19 ab. Ändert sich nun der konstant
zu haltende Verbraucherarbeitshydrovolumenstrom zum Verdrängerraum 17 des Verbrauchers
10 infolge von Änderungen der Drückg des Pumpenförderhydrovolumenstroms, der öltemperatur
oder anderer Einflußgrößen, so ändert sich damit der DruckabfallAp am Drosselquerschnitt
des Hydrologikventils 11. Diese Änderung des Druckabfalls bewirkt eine Änderung
der Stellung des Kolbens des Hydrologikventils 14 und damit des Drosselquerschnitts
zwischen den Arbeitsanschlüssen 14A und 14B dergestalt, daß die Abweichung des konstant
zu haltenden Verbraucherarbeitshydrovolumenstroms vom eingestellten Sollwert rückgängig
gemacht wird. Der vom Verdrängerraum 18 zurückfließende Hydrovolumenstrom gelangt
über das geöffnete Hydrologikventil 13 zusammen mit dem Differenzhydrovolumenstrom
zum Tank 19.
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In der zweiten Schaltstellung, in welcher der Arbeitshydrotolumenstrom
von der Pumpe 16 zum Verdrängerraum 18 des Verbrauchers 10 und der Abfluß vom Verdrängerraum
17 zurück zum Tank 19 erfolgt, wird der Druck in den Anschlüssen 21 und 23 der Steuerplatte
24 für die Hydrologikventile 12 und 14 so eingestellt, daß beide Ventile geöffnet
sind. Der Druck in den Anschlüssen 20 und 22 der Steuerplatte 24 wird so eingestellt,
daß beide Ventile geschlossen sind. Der Arbeitshydrovolumenstrom fließt dann von
der Pumpe 16 durch das Hydrologikventil 14 zum Verdrängerraum 18. Der vom Verdrängerraum
17 zurückströmende Hydrovolumenstromgelangt durch das geöffnete Hydrologikventil
12 zum Tank 19.
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In der dritten Schaltstellung, in der kein Arbeitshydrovolumenstrom
zum Verbraucher gelangt und die Räume 17 und 18 des Verbrauchers'gegen den Tank
19 abgesperrt sind, sind die Anschlüsse 20, 21, 22 und 23 der Steuerplatte 24 so
mit Druck beaufschlagt, daß die Hydrologikventile 11, 12, 13 und 14 geschlossen
sind.
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Die Weges teuerung des Hydrovolumenstroms erfolgt durch die vier Hydrologikventile
11 bis 14, die durch entsprechende Druckbeaufschlagung der Steueranschlüsse 20 bis
23 geöffnet oder geschlossen werden können. Man erkennt, daß durch geeignete Druckbeaufschlagung
der Steueranschlüsse 20 bis 23 die Möglichkeit besteht, die Pumpe 16, den Tank 19
und die Verdrängerräume 17 und 18 in unterschiedlichster Weise zu verbinden oder
gegeneinander abzusperren.
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In Figur 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Steuerblocks
25 mit vier Hydrologikventilen als Einbauelementen gezeigt, die die vier Hydrologikventile
der in Figur 2 oder Figur 4 gezeigten Schaltungsanordnung darstellen können. Die
Bohrung 26 ist hier zum Beispiel mit der Pumpe verbunden, die Bohrung 27 mit dem
Tank. An der Unterseite des Steuerblocks 25 sind die beiden Anschlüsse zu den Arbeitsräumen
des Verbraucher zu erkennen. Die
Hydrologikventile sind mit Steuerplatten
28, 29, 30 und 31 abgedeckt. Die Steuerplatten enthalten die Verbindungen zwischen
den Vorsteuerventilen und den Steueranschlüssen der Hydrologikventile, so daß die
Hydrologikentile entsprechend den Steuerbedingungen gesteuert bzw.
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geschaltet werden können. Hydrologiksteuerungen in solcher Blockbauweise
zeigen große Leistungsdichte, d.h.
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geringes Bauvolumen im Verhältnis zur gesteuerten hydraulischen Leistung,
gute hydraulische Wirkungsgrade, günstiges Schaltverhalten, hohe Schaltsicherheit,
Reduzierung der Gefahr von Luftausscheidung, Reduzierung der Geräuschentwicklung
der Steuerung, Flexibilität, leichte Fehlersuche und schnelle Instandsetzung und
große Lebensdauer.
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In Figur 4 ist eine'schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung
zur Steuerung der Spritzgeschwindigkeit einer Spritzgießmaschine 32 gezeigt. Der
die Konstantregelung des Hydrovolumenstroms betreffende Teil dieser Schaltungsanordnung
ist ähnlich wie in Figur 2 aufgebaut, wobei Einzelheiten einer vorteilhaften Steuerung
gezeigt sind. Bei der praktischen Ausführung in Blockbauweise sind einzelne Steuerplatten
vorgesehen, wie schematisch in Figur 3 und konkret in Figur 5 gezeigt, die jeweils
mit den entsprechenden Steuerbohrungen und Steuerelementen für die einzelnen Hydrologikventile
versehen sind und die Hydrologikventile abdecken.
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Die Spritzgießmaschine 32 weist zwei Hauptkomponenten auf, nämlich
eine Spritzeinheit 33 und eine Schließeinheit 34.
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Über einen Trichter 35 wird der Plastifizierschnecke 36 Kunststoffmaterial
zugeführt Die heute allgemein übliche Schneckenkolbenplastifizierung bedient sich
für den Materialaufschluß des Extruderprinzips. Die Schnecke 36 fördert den Materialstrom
vor den Schneckenkolben und arbeitet zusätzlich
als Spritzkolben,
um das nach vorn extrudierte Material in die Form einzuspritzen. Die Rotationsbewegung
der Schnecke 36 läßt sich z.B. durch einen hydraulischen Motor 37 erzielen. Mit
Verfahrzylindern 38 kann die axiale Lage der gesamten Spritzeinheit 33 verändert
werden.
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Zur Steuerung der axialen Verschiebung des Schneckenkolbens 36 kann
gemäß Figur 4 ein Steuerblocksystem 39 mit einer Schaltungsanordnung, ähnlich der
Figur 2, in Blockbauweise, vergleiche Figur 5, mit vier Hydrologikventilen 40, 41,
42 und 43 verwendet werden. Durch einen anflanschbaren Zusatzsteuerblock 44 für
den Schneckenmotor 37 und einen anflanschbaren Zusatzsteuerblock 45 für die Verfahrzylinder
38, die im einzelnen nicht gezeigt sind, wird der Steuerbaukasten für die Spritzeinheit
33 vervollständigt.
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In Nullstellung der in Fig. 4 gezeigten Schaltung sind die Magnete
der Wegeventile 46 und 47 spannungslos, d.h. die Wegeventile sind in Schaltstellung
0. Die Steueranschlüsse 40X, 41X, 42X und 43X aller vier Hydrologikventile sind
mit dem vorhandenen Systemdruck beaufschlagt und die entsprechenden Hydrologikventile
daher in geschlossenem Zustand.
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Die Verbraucheranschlüsse A und B und die Anschlüsse P zur Pumpe und
T zum Tank sind gegeneinander abgesperrt. Zum Einspritzen der vor der Schnecke befindlichen
aufgeschlossenen Materialmenge in die Strömungskanäle eines Werkzeuges wird ein
Kolben 48 und damit der Scnneckenkolben 36 axial in Richtung auf das Werkzeug verschoben.
Um eine konstante Geschwindigkeit des Kolbens durch einen konstanten Hydrovolumenstrom
zu gewährleisten, wird der in Figur 4 gezeigte, direkt gesteuerte 3-Wege-Stromregler
verwendet. Hierzu werden die Magnete der Wegeventile 46 und 47 an Spannung gelegt,
d.h.
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die Wegeventile 46 und 47 in Schaltstellung 1 gebracht. Der Steueranschluß
41X wird dabei mit Druck beaufschlagt und das Hydrologikventil 41 somit in einen
geschlossenen Zustand gebracht. Die Steueranschlüsse 40X und 42X werden drucklos
und
die entsprechenden Hydrologikventile 40 und 42 sind daher geöffnet. Der Steueranschluß
43X des Hydrologikventils 43 wird über ein Wechselventil 49 mit dem Lastdruck PLast
beaufschlagt. Da die Druckdifferenz am Drosselquerschnitt des Hydrologikventils
40, der vorzugsweise durch eine Hubbegrenzungseinrichtung 50 eingestellt wird, durch
das als Regeldrossel arbeitende Hydrologikventil 43 in der im Zusammenhang mit Figur
2 beschriebenen Weise konstant gehalten wird, ist der Arbeitshydrovolumenstrom zum
Kolbenraum 51 unabhängig von den Verhältnissen der Drücke, Förderströme, Temperaturen
und anderen Störgrößen der Anlage. Hierdurch wird eine gleichbleibende Qualität
des Spritzwerkstückes gewährleistet. Der Differenzhydrovolumenstrom zwischen Pumpenförderhydrovolumenstrom
und Verbraucherarbeitshydrovolumenstrom strömt durch das Hydrologikventil 43 und
dann gemeinsam mit dem vom Ringraum 52 über den Anschluß B zurückströmenden Hydrovolumenstrom
durch das geöffnete Hydrologikventil 42 zum Anschluß T und dem mit diesem verbundenen
Tank zurück. DerSpritzdruck und die Nachdrücke lassen sich durch ein elektrisch
betätigtes Proportionaldruckventil 53 oder durch eine separat angeordnete Vorsteuereinheit
(nicht dargestellt) mit mehreren manuell verstellbaren, direkt gesteuerten Vorsteuerdruckbegrenzungsventilen
und den dazugehörigen Wegeventilen einstellen und anwählen.
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Zum Rückzug des Kolbens 48 bzw. der Schnecke 36 werden die Magnete
der Wegeventile 46 und 47 so mit Spannung beaufschlagt, daß das Wegeventil 46 die
Schaltstellung 2 und das Wegeventil 47 die Schaltstellung 1 einnimmt. Hierdurch
werden die Steueranschlüsse 40X und 42X mit Druck beaufschlagt und daher die Hydrologikventile
40 und 42 in einen geschlossenen Zustand gebracht. Die Steueranschlüsse 41X und
43X werden drucklos, so daß die entsprechenden Hydrologikventile geöffnet sind.
Der Hydrovolumenstrom strömt durch
das Hydrologikventil 4 über
den Anschluß B zum Ringraum 52. Das Hydrologikventil 42 in Verbindung mit einem
Vorsteuerdruckbegrenzungsventil 54 arbeitet als vorgesteuertes Druckventil. Der
gewünschte Rückzugsdruck läßt sich stufenlos durch dieses Druckbegrenzungsventil
54 einstellen. Der aus dem Kolbenraum 51 zurückkommende Hydrovolumenstrom fließt
durch däs geöffnete Hydrologikventil 41 über den Anschluß T zum Tank zurück.
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Beim Dosieren wird der Spritzkolben 48 durch die Schnecke 36 zurückgeschoben.
Das Hydrologikventil 41 arbeitet mit dem elektrisch verstellbaren Proportionaldruckventil
53 zusammen als vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil und bestimmt den Druck im
Kolbenraum 51, gegen den die Schnecke den Kolben 48 zurückschieben muß. in diesem
Arbeitszustand der Spritzgießmaschine und der Steuerung sind alle Magnete der Wegeventile
46 und 47 unerregt, die Steueranschlüsse der Hydrologikventile 43, 42 und 40 sind
mit dem Systemdruck beaufschlagt. Die Ventile sind geschlossen.
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Die Steuerung für die Schließeinheit der Spritzgießmaschine ist nach
Aufbau und Funktion der in Figur 4 dargestellten schematischen Darstellung einer
Schaltungsanordnung weitgehend gleich. Wesentliche Merkmale der Steuerung für die
Schließseite sind wiederum die Verwendung von 4 Hydrologikventilen zum Zweck der
Wegesteuerung und 3-Wege-Stroiregelung in einem Arbeitsanschluß zum Verdrängerraum.
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Figur 5 zeigt eine praktische Ausführung eines Steuerblocksystems
39 für die Spritaseite einer Sprltzgießaschine in Blockbauweise ähnlich der in Figur
4 dargestellten scheiatischen Anordnung. Im Steuerblock 55 sind die vier Hydrologikventile
40, 41, 42 und 43 eingebaut. Das Hydrologikventil 40 ist mit einer Steuerplatte
56 versehen, in welcher die Hubbegrenzungseinrichtung 50 angeordnet ist. Das
Hydrologikventil
43 ist mit einer Steuerplatte 57 abgedeckt, in welcher das Wechselventil 49 enthalten
ist. Die Hydrologikventile 41 und 42 sind mit einer gemeinsamen Steuerplatte 58
abgedeckt. Seitlich sind in diese Steuerplatte Vorsteuerdruckbegrenzungsventile
59 und 54 geschraubt; dabei tritt das Element 59 an die Stelle des Proportionaldruckventils
53 aus Figur 4. Auf der Oberseite dieser Steuerplatte sind die Wegeventile 46 und
47 befestigt. Diese praktische Ausführungsform des Steuerblocksystems 39 ist äußerst
kompakt und kann daher ohne besonderen Platzbedarf leicht an der Spritzgießmaschine
befestigt werden.