-
Schnell schaltende Antriebsvorrichtung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine schnell schaltende Antriebsvorrichtung,
inabesondere für Hochspannungsschalter, bei welcher Einrichtungen zum Speichern
und plötzlichen Freigeben der Schalt energie bei Beginn des Schaltvorgangs sowie
zum Dämpfen der Schaltenergie am Ende des Schaltvorgangs vorgesehen sind.
-
Bei bekannten Antriebsvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Gattung
sind die Einrichtungen zum Speichern und plötzlichen Freigeben der Schaltenergie
als mechanische Federspeicherpakete ausgebildet, die mittels eines Kurbeltrieb-Antriebs
aufgeladen werden, wonach über mechanische oder hydraulische Auslösemechanismen
die gespeicherte Energie zur Durchführung des Schaltvorgangs freigegeben wird. Die
Dämpfung der Schaltenergie am Ende des Schaltvorgangs erfolgt ebenfalls mittels
mechanischer Einrichtungen.
-
Die bekannte An*riebsvçorrltc;h*ung weist wesentliche Nachteile auf.
Zum einen ist die mittels der mechanischen Bederspeicherpakete erreichbare apeicherenergie
und somit das arbeitsvermogen der AntriSebsvorrishtung begrenzt Zum Erreichen der
erforderlichen Dämpfung ist ein besonders hoher konstruktiver Aufwand erforderlich.
Ein weiterer ganz besonders wesentlicher Nachteil der bekannten Antriebsvorrichtung
liegt darin, daß sich bei ihr mit steigender Anzahl von ßchaltspielen relativ früh
Ermüdungserscheinungen der mechanischen Federn and senstigen mechanischen eile bemerkbar
machen, wodurch die Bebensdauer der Antriebsvorrichtung relativ kurz ist. Beispielsweise
wurden bei den bekannten Antriebevorrichtungen in der Regel nicht einmal zehntausend
Schaltepiele erreicht. Im übrigen ergibt sich infolge der erforderlichen relativ
großen Anzahl von Einzelteilen bei der bekannten Antriebsvorrichtung nicht nur der
Nachteil hoher Anschaffungskosten, sondern auch eine erhöhte Störungsanfälligkeit
und Bruchgefahr.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache
und wirksame schnell schaltende Antriebsvorrichtung der zur Rede stehenden Gattung
zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Antriebsvorrichtung vermeidet und
insbesondere bei einfachem Aufbau und hoher Betriebssicherheit und Lebensdauer auch
äußerst schnelle Umschaltvorgänge bewirkt.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen in einem Zylinder
angeordneten hydraulisch betätigten doppeltwirkenden Antriebskolben mit Kolbenstange,
welcher an seinen beiden Enden zusammen mit den Zylinderboden jeweils ein Sitzventil
bildet, welches durch stirnseitige Beaufschlagung des Antriebskolbens mittels Hydraulikflüssigkeit
öffenbar bzw. schließbar ist, und in der Zylinderwandung im Bereich von deren Enden
jeweils wenigstens eine Durchtrittsöffnung zu jeweils einem hydraulischpneumatischen
Energiespeicher vorgesehen ist, von denen die jeweils eine Durchtrittsöffnung nach
Öffnen des dieser benachbarten Sitzventils zum Eintreten von vorgespannter gespeicherter
Hydraulikflüssigkeit in die jeweils eine Zylinderkammer für
das
Besohleunigen des Antriebskolbens und die jeweils andere, gegenüberliegende Durchtrittsöffnung
zum Heraustreten der in der jeweils anderen Zylinderkammer befindlichen wieder zu
speichernden Hydraulikflüssigkeit unter Verzögern des Antriebskolbens bis zum Schließen
des anderen Sitzventils dient.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung ist zur Bildung der
beiden Sitzventile der Antriebskolben an seinen beiden Enden kegelstumpf-örmig ausgebildet,
und die Zylinderböden weisen jeweils eine mit dem Antriebskolben koaxiale zylindrische
Aussparung auf, auf deren Mündungsrand bei geschlossenem Sitzventil der zugehörige
kegelstumpfförmige Abschnitt des Antriebskolbens anliegt, wobei der kegelstumpfförmige
Abschnitt unter Belassung eines freien Raums zwischen der Stirnfläche des Antriebskolbens
und dem Boden der zylindrischen Aussparung in diese hineinragt und zum Öffnen des
Sitzventils in den freien Raum HydraulikfI-üssigkeit einführbar ist. Gemäß einem
anderen besonders vorteilhaften Erfindungsmerkmal sind die Durchtrittsöffnungen
entsprechend der jeweils gewünschten Beschleunigungs-bzw. Verzögerungscharakteristik
des Antriebskolbens ausgebildet und angeordnet, wobei vorzugsweise jeweils mehrere
Durchtrittsöffnungen unterschiedlicher Größe in Hubrichtung des An -triebskolbens
hintereinander vorgesehen sind.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die gestellte Aufgabe mit besonders
einfachen Mitteln. Sie besteht im wesentlichen nur aus einer doppeltwirkenden hydraulisch
betätigten Kolben-Zylinderanordnung, welcher zwei übliche Energie speichere inrichtungen
zur Speicherung bzw. Freigabe von hydraulischer Energie zugeordnet sind. Dabei ist
die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung insgesamt in konstruktiver sowie vor allem
auch in funktionsmäßiger Hinsicht an den beiden Kolben- bzw. Zylinderseiten grundsätzlich
symetrisch ausgebildet, so daß jeweils mit Hilfe derselben Einrichtungen während
der einzelnen Antriebshübe einmal eine Beschleunigung und ein anderes Mal eine Verzögerung
des Antriebskolbens erfolgen kann. Der Antriebskolben ist erfindungsgemäB derart
ausgebildet, daß er gemeinsam mit dem Zylinder sowohl als Sitzventil als auch als
Steuerkolben für die
weitere Durchführung des Schaltvorgangs dient.
Im übrigen weist die Kolben-Zylinder-Anordnung selbst keinerlei bewegliche Ventile
für die Hydraulikflüssigkeit, sondern lediglich Durchtrittsöffnungen bzw. -kanäle
auf. Bei Anordnung des Antriebskolbens in seinen beiden Endlagen. in welchen dieser
mit dem Zylinder ein geschlossenes Sitzventil bildet, erfolgt ein äußerst sicheres
Halten der Antriebsvorrichtung und somit des mit dieser zu betätigenden Schalters
in der zugehörigen Schaltstellung Hierbei ist die Kolbenstirnfläche jeweils gegen
die vorgespannte gespeicherte Hydraulikflüssigkeit sicher abgedichtet. Nach Beaufschlagung
der Kolbenstirnfläche des Sitzventils mittels Hydraullkflüssigkeit wird das Sitzventil
geöffnet, wonach die in dem einen Energiespeicher gespeicherte vorgespannte Hydraulikflüssigkeit
auf diese Kolbenstirnfläche wirken und den Antriebskolben beschleunigen kann. Hierbei
arbeitet der Antriebskolben als Steuerventil, indem er selbst die einzelnen Durchtrittsöffnungen
zwischen Energiespeicher und Zylinderkammer freigibt. Die Dämpfung zur Verzögerung
des Antriebskolbens auf der Gegenseite erfolgt durch Austritt der dort befindlichen
Hydraulikflüssigkeit aus der anderen Zylinderkammer durch entsprechende Durchtrittsöffnungen
in den anderen Energiespeicher hinein. Hierbei wirkt der Antriebskolben entsprechend
wieder als Steuerkolben, wonach er schließlich ganz am Ende des Hubs ein geschlossenes
Sitzventil bildet. Der vorstehend beschriebene Schaltvorgang kann anschließend in
umgekehrter Richtung erfolgen und so fort.
-
Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich, werden mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung eingeleitete Schaltungen mit Sicherheit
tatsächlich auch immer zu Ende geführt, wodurch die Antriebsvorrichtung eine hohe
Betriebssicherheit hat. Infolge ihres robusten Aufbaus aus relativ wenig Einzelteilen
sowie praktisch des Fehlens von eilen1die mechanischen Ermüdungsbeanspruchungen
unterworfen sind, hat die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine wesentlich längere
Lebensdauer als die bekannten Antriebsvorrichtungen. Sie erreicht somit auch unter
extremen äußeren Bedingungen eine wesentlich höhere mögliche Anzahl von Schalt spielen,
wobei sie auch bei Anordnung im Freien über viele Jahre hinweg wartungsfrei arbeitet.
Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, daß sich bei der hydraulischen
Antriebsvorrichtung
gemäß der Erfindung auch eine wesentlich höhere
erreichbare Speicherenergie und somit ein entsprechendiiöheres Arbeitsvermögen ergeben
als bei den bekannten Antriebsvorrichtungen.
-
Im Ergebnis können somit die unterschiedlichsten Schaltvorgänge auch
bei besonders hohen erforderlichen Schaltkräften äußerst schnell durchgeführt werden.
-
Vorteilhafterweise ist an der äußeren Zylinderwandung im Bereich der
Durchtrittsöffnungen bzw. Gruppen von Durchtrittsöffnungen jeweils ein mit diesen
in offenev Verbindung stehender hydraulisch-pneumatischer Energiespeicher befestigt,
bei welchem zur Trennung zwischen Gas- und Zlüssigkeitsseite ein Faltenbalg aus
Metall vorgesehen ist. Der Metall-Faltenbalg kann dabei mit Vorteil durch ein gewelltes
Blechrohr geringer Dicke oder aber durch zusammengeschweißte dünne Blechringe gebildet
sein. Mit Vorteil ist der Metall-Faltenbalg an seinen beiden Böden verschweißt.
-
Das Vorsehen eines Metall-Faltenbalgs anstelle der bisherigen Gummi-Faltenbälge
in den hydrauliseh-pneumatischen Energiespeichern hat den Vorteil erhöhter Festigkeit
sowie vor allem den Vorzug einer auch über viele Jahre sicheren Dichtheit zwischen
Gas- und Flüssigkeitsseite des Energiespeichers, und awar auch unter extremen Umgebungsbedingungen.
Somit ist ein Diffundieren von Gas in die Hydraulikflüssigkeit mit den sich daraus
ergebenden nachteiligen Folgeerscheinungen praktisch ausgeschlossen.
-
Gemäß einem weiteren ebenfalls besonders vorteilhaften Erfindungsmerkmal
liegt bei gestreckter Stellung des Metall-Faltenbalgs dessen Boden an einer an der
Zylinderaußenwand befind'ichen Dichtung derart an, daß der Flüssigkeitsraum des
Energiespeichers gegen die zugehörige Durchtrittsöffnung bzw. -öffnungen abgedichtet
ist. Dadurch ist gewährleistet, daß in den Energiespeichernimmer gleicher Druck
auf der Gas-und Hydraulikflüssigkeitsseite herrscht, und zwar auch dann, wenn die
Entnahme von Hydraulikflüssigkeit aus dem betreffenden
Energiespeicher
einmal zu groß sein sollte. Hierdurch werden zusätzliche Beanspruchungen des Faltenbalgs,
wie sie bei unterschiedlicher Druckbeaufschlagung an dessen beiden Seiten auftreten,
vermieden, so daß die Lebensdauer des Metall-Faltenbalgs merklich verlängert wird.
-
Eine in.der Praxis zweckmäßige Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergibt sich, wenn der Zylinder durch einen Zylindermantel mit zwei in diesen einsetzbaren
gleich ausgebildeten Böden gebildet ist, welche jeweils einen Zuführkanal für Hydraulikflüssigkeit
zum Öffnen des Sitzventils aufweisen.
-
Die gleiche Ausbildung der Zylinderböden ermöglicht deren Austauschbarkeit
und erleichtert die Lagerhaltung.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Antrieb svorri chtung und Figur 2 ein Hydraulikschema zur Betätigung der Antriebsvorrichtung
gemäß Figur 1.
-
Die in den Zeichnungsfiguren 1 und 2 dargestellte Antriebsvorrichtung
weist einen in einem Zylinder 1 angeordneten hydraulisch betätigten doppeltwirkenden
Antriebskolben 2 mit Kolbenstange 3 auf. Der Zylinder 1 ist durch einen Zylindermantel
4 r(- mit zwei in diesen eingesetzten gleich ausgebildeten Böden 5, 6 gebildet.
In den Böden 5, 6 befindet sich jeweils ein mittiger Durchbruch, durch welchen beim
Zylinderboden 5 die Kolbenstange 3 abgedichtet hindurchtritt, die an ihrem Ende
eine Einrichtung 7 zur Anlenkung an einen (nicht dargestellten) Hochspannungsschalter
aufweiset, der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung betätigt werden
soll. Im übrigen ist der mittige Durchbruch im Zylinderboden 6 einfach mittels eines
Stopfens 8 abgedichtet.
-
Der Antriebskolben 2 , welcher in seiner Mitte eine Umfangsdichtung
9 gegenüber dem Zylindermantel 4 aufweist, bildet an seinen beiden Enden zus.ammen
mit den Zylinderböden 5 und 6 jeweils ein Sitzventil. Hierzu ist der Antriebskolben
2 in seinen Endbereichen 10, 11 jeweils kegelstumpfförmig ausgebildet, und die Zylinderböden
5, 6 enthalten jeweils eine mit dem Antriebskolben 2 koaxiale zylindrische Aussparung
12, 13.
-
Bei geschlossenem Sitzventil (vgl. untere Stellung des Antriebskolbens
gemäß Fig. 1) liegt der kegelstumpfförmige Abschnitt 11 bzw. 10 des Antriebskolbens
2 auf dem Mündungsrand der zylindrischen Aussparung 13 bzw. 12 an, wobei der kegelstumpfförmige
Abschnitt 11 bzw. 10 unter Belassung eines freien Raums zwischen der Stirnfläche
des Antriebskolbens 2 und dem Boden der zylindrischen Aussparung 13 bzw. 12 in diese
hineinragt.
-
Zum Öffnen der Sitzventile ist in diesem freien Raum jeweils durch
einen Zuführkanal 14a bzw. 14b Hydrauliköl einführbar.
-
Das Sitzventil-Schließen erfolgt jeweils durch Beaufschlagung der
gegenüberliegenden Stirnfläche des Antriebskolbens 2 mit HydrauAiköl.
-
Im Zylindermantel 4 ist im Bereich von dessen Enden jeweils eine Gruppe
von Durchtrittsöffnungen vorgesehen, wobei die beiden Gruppen im dargestellten Ausführungsbeispiel
jeweils durch eine Durchtrittsöffnung 15 bzw. 16 geringeren Durchmessers und eine
in axialer Richtung von dieser beabstandete Durchtrittsöffnung 17 bzw. 18 größeren
Durchmessers gebildet sind. Die Durchtrittsöffnungen 15, 17 bzw. 16, 18 bilden Durchlässe
zwischen den beiden Zylinderkammern 19 bzw. 20 einerseits und hydraulisch-pneumatischen
Energiespeichern 21 bzw. 22 andererseits.
-
Die Energiespeicher 21, 22 , welche an der äußeren Wandung des Zylinders
1 abgedichtet befestigt sind, entsprechen in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise
grundsätzlich den herkömmlichen Energiespeichern, indem sie je einen durch einen
Faltenbalg 23 bzw. 24 getrennten Ölraum 25 bzw. 26 und
Gasraum
27 bzw. 28 aufweisen, welcher beispielsweise mit Stickstoff gefüllt ist.
-
Erfindungsgemäß bestehen jedoch die Faltenbälge 23, 24 aus Meta» Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind sie jeweils durch ein gewelltes Blechrohr
geringer Dicke gebildet. Die Metall-Faltenbälge 23, 24 sind jeweils mit ihren Böden
23a, 23b bzw. 24a und 24b verschweißt, wie zeichnerisch angedeutet.
-
Sie ergeben somit insgesamt eine erhöhte Festigkeit und Dichtigkeit.
-
Wie in Fig. 1 gerade beim Energiespeicher 22 ersichtlich, liegt jeweils
bei gestreckter Stellung des Metall-Faltenbalgs 24 bzw. 23 dessen beweglicher Boden
24b bzw. 23b an einer an der Zylinderaußenwand befindlichen Dichtung 29 bzw. 30.
-
an derart, daß der Flüssigkeitsraum 26 bzw. 25 des betreffenden Energiespeichers
22 bzw. 21 gegen die zugehörige Gruppe von Durchtrittsöffnungen 16, 18 bzw. 15,
17 abgedichtet ist.
-
Hierdurch ist gewährleistet, daß immer gleicher Druck auf der Gasseite
28 bzw. 27 und der Ölseite 26 bzw. 25 der Energiespeicher herrscht, und zwar auch
dann, wenn einmal die Ölentnahme durch die Durchtrittsöffnungen 16, 18 bzw. 15,
17 zu groß sein sollte.
-
In der zeichnerischen Darstellung gemäß Fig. 1 befindet sich der Antriebskolben
2 aufgrund des in der Zylinderkammer 20 herrschenden Drucks von beispielsweise 50
bar in der in der Zeichnung unteren Endstellung. Hierbei ist das dort befindliche
Sitzventil geschlossen, wie bereits oben näher beschrieben. Wird nun durch den Zuführkanal
14a in den freien Raum 13 Öl mit ausreichend hohem Gegendruck eingeführt, so wird
der Antriebskolben 2 in Richtung nach oben in der Zeichnung bewegt und das zuvor
geschlossene Sitzventil wird geöffnet. Aus dem Energiespeicher 21 , in welchem zuvor
Drucköl mit einem Druck von beispielsweise 200 bar gespeichert wurde, war bereits
bei geschlossenem Sitzventil hochgespanntes Drucköl durch die Durchtrittsöffnungen
15 und 17. und den Spalt zwischen Antriebskolben 2 und Zylinder 1 bis zum Sitzventil
gelangt, welches nun nach Öffnen des Sitzventils
die dortige Stirnfläche
des Antriebskolbens 2 mitbeaufschlagt, so daß dieser beschleunigt wird und sogleich
die Durchtrittsöffnungen 15 und 17 vollständig freigibt. Der größte Teil des im
Ölraum 25 des Energiespeichers 21 befindlichen hochgespannten Drucköls strömt nun
schlagartig in die Zylinderkammer 19 , wodurch der Antriebskolben 2 stark beschleunigt
wird. Wahrend dieses Kolbenhubs wird das in der Zylinderkammer 20 befindliche Öl
durch die Durchtrittsöffnungen 18 und 16 in den Ölraum 26 des Energiespeichers 22
zurückgedrückt. Gegen Ende des Kolbenhubs ergibt sich hierdurch eine Verzögerung
des Antriebskolbens 2 , bis dieser schließlich mit seinem kegelstumpfförmigen Abschnitt
10 am Mündungsrand der zylindrischen Aussparung 12 anliegt und somit das dortige
Sitzventil geschlossen ist. Die Beschleunigungs-bzw. Verzögerungscharakteristik
des Antriebskolbens 2 läßt sich je nach Wunsch durch Bemessung und Anordnung der
Durchtrittsöffnungen 15, 17 bzw. 18, 16 variieren.
-
Durch den zuvor beschriebenen Kolbenhub wird über die Kolbenstange
3 der Hochspannungsschalter in die gewünschte Schaltstellung gebracht. Danach kann
in entsprechend umgekehrter Reihenfolge ein Rückhub des Antriebskolbens 2 in dessen
in Fig. 1 dargestellte Stellung und somit ein Zurückschalten des Hochspannungssehalters
in seine ursprüngliche Stellung erfolgen und 56 fort.
-
Ein Schema einer zur Betätigung der Antriebsvorrichtung gemäß Fig.
1 verwendbaren Hydraulikanlage ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Hydraulikschema
weist die dem Hydraulikfachmann geläufigen, durch genormte Sinnbilder veranschaulichten
Elemente auf und spricht im übrigen in Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung
der Fig. 1 aus sich selbst heraus und braucht daher grundsätzlich nicht im einzelnen
erläutert zu werden.
-
An dieser Stelle sei lediglich erwähnt, daß mit 31 der Öltank der
Hydraulikanlage bezeichnet ist, aus welchem mit Hilfe einer Motorpumpe das Hydrauliköl
entnommen und auf die gewünschten Drücke gespannt wird, wozu entsprechende Abblasventile
33 bzw.
-
34 vorgesehen sind. Die übrigen Magnetventile 35 bis 39
bzw.
Druckschalter 4o bis 43 dienen, wie leicht verständlich, in Zusammenarbeit mit einer
entsprechenden, nicht gezeigten Steuerlogik dazu, daß die in Fig. 2 ebenfalls mit
eingezeichnete erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung jeweils exakt zu den gewünschten
Zeitpunkten in ihren verschiedenen Bereichen mit der gewünschten Menge an Drucköl
mit dem jeweils gewünschten Druck versorgt wird.
-
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung lassen sich somit
die verschiedensten Schaltvorgänge äußerst schnell, sicher und exakt durchführen.
-
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel liegen die Schaltkraft im
Bereich von 10 kN, der Schaltweg um 150 mm und die Schaltenergie zwischen 400 und
700 Nm. Die Gesamtdauer eines Schaltvorgangs liegt bei ca. 80 ms. Der zeitliche
Verlauf des Schaltvorgangs ist derart, daß die maximale Schaltkraft nach ca. 7 ms
und die maximale Kolbengeschwindigkeit von 4m/s nach 20 ms erreicht wird, wobei
die Beschleunigungsphase nach etwa 10 ms abgeschlossen ist. In der Endlage erfolgt
eine Verzögerung des Antriebskolbens bis zum Stillstand ohne Aufschlag.
-
Vom Schalt signal bis zum Beginn der Bewegung vergeht eine Vorlaufzeit
von ca. 60 ms. Die Hin- und Rückschaltbewegung ist grundsätzlich gleich. In jeder
Schaltstellung wird eine Restkraft aufrechterhalten, so daß der Hochspannungsschalter
sicher in beiden Endstellungen gehalten wird. Eine Schaltfolge von etwa einer min.
ist möglich. Bei diesem Ausführungsbeispiel arbeitet die Antriebsvorrichtung wartungsfrei
mindestens für 10 000 Schaltungen über 10 Jahre bei Temperaturen zwischen -30 und
+55 oC im Freien.