DE3031925A1

DE3031925A1 - Steuerung und regelung fuer ein hydraulik-speichersystem

Info

Publication number: DE3031925A1
Application number: DE19803031925
Authority: DE
Inventors: Jon Lawrence Houston Tex. Shafer
Original assignee: Shafer Valve Co
Priority date: 1979-09-06
Filing date: 1980-08-23
Publication date: 1981-03-26
Also published as: MX151858A; IT8024436A0; CA1125144A; US4278403A; FR2465106B1; IT1132634B; FR2465106A1; JPS6342117B2; GB2058225B; GB2058225A; JPS5656989A

Description

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · D. GFrOSiIE · F PCLLM-IE^ 22

STEUERUNG UND REGELUNG FÜR ■
EIN HYDRAULIK-SPEICHERSYSTEM

Gegenstand dieser Erfindung sind solche Hydrauliksysteme, die mit einer druckbeaufschlagten Hydraulikflüssigkeit hydraulische Einrichtungen antreiben, beispielsweise hydraulische Antriebe für Pipeline-Ventile, und bei denen die unter Druck stehende Flüssigkeit in einem Speicher gespeichert werden, der die Hydraulikflüssigkeit von einer Pumpe zugeführt erhält, die vam Druck oder vom Mengenfluß der im Hydraulikspeicher befindlichen Hydraulikflüssigkeit gesteuert und geregelt wird.

Bei einem Speicher in konventionellen Hydrauliksystemen dieser Art handelt es sich um einen Behälter oder Tank, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit, bei-oielsweise ein Hydrauliköl, befindet, die/das mit einer Schutzgassäule mit Druck beaufschlagt ist, beispielsweise mit einer Gassäule aus Stickstoff, welche von oben her auf die Hydraulikflüssigkeit einwirkt. Für gewöhnlich sind vorzugsweise das Hydrauliköl und das Schutzgas durch einen Kolben voneinander getrennt, der ringsum seinen Umfang mit einer Elastomerdichtung versehen ist und das Einschleppen von Gas in das Öl verhindern soll. In das System eingebaut und mit dem System verbunden ist eine Pumpe, die unter geringem Druck stehendes Drucköl von einem 'Öltank her absaugt, der mit der ölrücklaufleitung verbunden ist, und dieses öl dann in großer Durchflußmenge gegen den von oben her einwirkenden Gasdruck von unten her in den Hydraulikspeicher eingeführt wird, wobei sich in die-

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sem Hydraulikspeicher dann der Druck im Hydrauliköl aufbaut. Das gespeicherte Hydrauliköl, das unter hohem Druck steht, wird dann der HydraulikIeitung zugeführt, um schließlich einen Hydraulikantrieb anzutreiben, wenn es die gerade gegebenen Bedingungen erforderlich machen. Zum Speichersystem gehört aber auch noch eine Meßfühlervorrichtung, die beispielsweise ein auf Druck ansprechender Schalter für die Steuerung und Regelung des Pumpenmotors sein kann und in die Hydrau1ikleitung eingebaut ist. Was das im Speicher befindliche und unter hohem Druck stehende Hydraulikö'l betrifft, so ist in das Leitungssystem ein Überdruckventil geschaltet, welches eine Übertragung eines zu hohen Druckes auf das System dann zu verhindern hat, wenn der Schalter einmal nicht richtig funktionieren sollte.

Schön wäre es, wenn man die Füllkapazität des Hydraul i kspei chers , der die Hydraulikflüssigkeit aufzunehmen und zu speichern hat, voll ausnutzen könnte und wenn der Pumpenmotor dann abgeschaltet und zum Stillstand gebracht werden könnte, wenn der Speicher bis zum oberen Bereich mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist. Was aber die Einschaltvorgänge und die Abschaltvorgänge betrifft, so haben Schalter, die auf Druck ansprechen, d.h. konventionelle Schalter dieser Art, einen recht großen Schaltbereich.

Im Zusammenhang mit Hydraulikspeichern in konventionellen Systemen ist eine Reihe von Nachteilen und Problemen festgestellt worden, die durch eine ungenaue Steuerung des Kolbens dann verursacht worden sind, wenn dieser Kolben sich im oberen Bereich des

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Speicherzylinders befindet, wobei der Druck im öl weiter ansteigt - (was manchmal als "top out" (Bestriebsstörung im oberen Speicherbereich)" bezeichnet wird), oder wobei sich die Pumpe zu früh abschal· tet, d.h. noch bevor die. Hydraulikflüssigkeit und der Kolben den oberen Speicherbereich erreicht haben .

Wenn aus den zuvor angegebenen Gründen der Druck im Hydrauliköl weiter ansteigt, dann entsteht eine Druckdifferenz an der Elastomerdichtung ringsum den Kolben, die ein Ziehen der Dichtung verursacht und damit auch die Lebensdauer oder die Standzeit dieser Elastomerdichtung verkürzt.

Das System wird ebenfalls dann, wenn der Kolben in die Top out-Bedingungen gelangt zu einem "harten" System, das keinen Platz für die Wärmedehnung der Hydraulikflüssigkeit beläßt und ein öffnen des überdruckventiles verursacht. Ein Überdruckventil, das einmal geöffnet worden ist, kann auch dann nicht in die richtige Ausgangsposition zurückgestellt werden, wenn sich wieder für das System normale Betriebsbedingungen eingestellt haben. Als Folge davon kann es zu einem Austreten der Hydraulikflüssigkeit kommen.

Wenn der durch den Druck betätigte Schalter die Pumpe vorzeitig abschaltet, d.h. noch bevor der Kolben den oberen Speicherbereich erreicht hat, dann bewirkt dies einen Kapazitätsverlust des Hydraulikspeichers im Hinblick auf das Aufnehmen und das Speichern der gewünschten Menge an unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit. Hinzu kommt noch,

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daß wegen der großen Schaltdifferenz zwischen den Schaltstellungen "ON (EIN) und "OFF (AUS)" des durch den Druck betätigten Schalters ein großer Teil der im Hydraulikspeichers gespeicherten Hydraulikflüssigkeit noch vor dem Nachfüllen durch die Pumpe verbraucht wird.

Mit dieser Erfindung werden die zuvor angeführten Nachteile und Probleme dadurch vermieden , daß ein Hydrauliksystem vorgesehen wird, das im Hinblick auf die Hydraulikpumpe eine neuartige Steuerung aufweist, das auf die Durchflußmenge der Hydraulikflüssigkeit anspricht und den Kolben in der optimalen Position zum Stillstand bringt.

Die Erfindung stellt sich somit die nachstehend angeführten Aufgaben:-

Für ein Hydraulikspeichersystem eine neuartige Steuerung und Regelung zu schaffen, die einen zu starken Druckaufbau im Hydraulikspeicher verhindert,

Eine neuartige Steuerung und Regelung zu schaffen, die für das Aufnahmen und Speichern von unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit die volle Nutzung der gesamten Hydraulikspeicherkapazität ermögli cht.

Eine neuartige Steuerung und Regelung zu schaffen, die eine Wärmedehnung der Hydraulikflüssigkeit im System ermöglicht, und zwar ohne die Topout-Erschei■ nungen.

Eine neuartige Steuerung und Regelung zu schaffen, die einen Gasverlust des für die Druckbeaufschlagung des Hydraulikspeichers verwendeten Gases kompensiert.

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Eine neuartige Steuerung -und Regelung zu schaffen, die zwangsläufig gewährleistet, daß eine optimale Menge an Hydrauliköl zu einem optimalen Druck sich immer im Hydraulikspeicher befindet.

Diese und andere Ziele werden durch Verbesserungen, die Gegenstand der Erfindung sind erreicht. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit der Erläuterung der besten Verwirklichung der Erfindung ist in der Patentbeschreibung beschrieben. Die möglichen Änderungen und Modifikationen werden von den beiliegenden Patentansprüchen erfaßt.

Gegenstand dieser Erfindung ist somit ein Hydraulikspeichersystem mit einem Speichertank (22) zum Aufnehmen und Speichern der von einer Pumpe (P) aus dem Ölbehälter (10) aus zugeführten Hydraulikflüssigkeit, die von einem Gasbehälter (28) aus mit Druck beaufschlagt wird, und zwar mit einem Gas. Zum System gehört weiterhin auch noch ein Steuertank (35), der mit dem einen Ende an den Ölbehälter (10) zwecks Flüssigkeitszuführung angeschlossen ist und mit seinem anderen Ende an den Gastank (28) zwecks Gaszuführung. Der in den Steuertank eingebaute Kolben (36) weist verschiedene Flächen auf, die jeweils auf die Hydraulikflüssigkeit und auf das Gas ausgerichtet sind. Zum Kolben gehört eine Vorrichtung (41), die zum Einshchalten und zum Ausschalten einer Pumpe einen Schalter (43) zu betätigen hat.

Die Erfindung wird nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles (der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher

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erläutert. Die Zeichnung zeigt in:-

Fig. 1 Einen Wirkplan für ein Hydraulikspeichersystem mit der neuartigen Mengensteuerung dieser Erfindung.

Fig. 2 Eine vergrößerte Darstellung des Hydraulikspeichers und der mit diesem Hydraulikspeicher verbundenen neuartigen Mengenflußsteuerung .

Wie nun aus Fig. 1 zu erkennen ist, weist das Hydrauliksystem einen Tank oder einen Behälter 10 auf, in dem die Hydraulikflüssigkeit bei niedrigem Druck gespeichert ist. Von diesem Öltank oder 'ölbehälter 10 aus wird das System mit Hydrauliköl versorgt oder mit Hydraulikflüssigkeit nachgefüllt. Die Hydraulikflüssigkeit wird unten aus dem öltank 10 abgezogen_s und zwar über eine Leitung 11, ein Ventil 12 und einen Filter 13 von einer Pumpe P, die von einem Motor M angetrieben wird, und dieser Motor kann entweder ein Elektromotor sein oder aber ein Pneumatikmotor.

Von der Pumpe P wird die Hydraulikflüssigkeit über die Leitung 14, über den Filter 15 und über das Rückschlagventil 16 in die Leitung 17 gedruckt. Mit der Leitung 17 ist eine ölrücklauf leitung 18 verbunden, die mit ihrem anderen Ende auf den oberen Teil des öltankes 10 geführt ist. In die Leitung 18 eingesetzt ist ein als öffner ausgeführtes überdruckventil 20, daß derart eingestellt ist, daß es dann öffnet, wenn ein bestimmter überdruckwert der Pumpe in Leitung, in der Pumpenleitung 14, gegeben ist.

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Die Zuführungsleitung 17 ist über ein als Schließer ausgeführtes Ventil 21 zum Boden des Speichertankes 22 geführt, in dem die Hydraulikflüssigkeit unter hohem Druck gespeichert wird, um im Bedarfsfalle durch die Speicher-Abi aufleitung 23 in einem starken hydraulischen Mengenstrom wieder abgegeben zu werden. Das kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn der Bedarf größer als die auslegungsmäßige Förderleistung (GMP-Leistung) der Pumpe P ist, die zur Beschickung des Speichertankes 22 verwendet wird, oder aber dann, wenn die Pumpe einmal ausfallen und nicht arbeiten sollte. In die Leitung 17 eingebaut ist auch ein Manometer 24 für die Druckmessung.

Der Speichertank 22 wird von oben her unter Verwendung von Schutzgas, beispielsweise von Stickstoff, mit Druck beaufschlagt. Das für die Druckbeaufschlagung zu verwendende Schutzgas wird von eini.-n Gasbehälter 28 aus über die Leitungen 25, 26 und 27 zugeführt. In die Leitungen 25 und 27 sind geeignete handbedienbare Ventile oder Absperrhähne 20 und 30 eingebaut. Diese Ventile oder Absperrhähne sollen das Absperren und die Wartung ermöglichen. Zur Leitung 27 gehört auch noch ein für die Druckmessung bestimmtes Manometer 31. Um das Eindringen oder Einschleppen von Gas in die Hydraulikflüssigkeit zu verhindern, sind die Hydraulikflüssigkeit, welche dem Speicherbehälter 22 über die Leitung 17 zugeführt wird, und das über die Leitung 25 zugeführte Gas und dessen unter Druck stehende Gasäule vorzugsweise durch einen Kolben 25, der (nach Fig. 2) rings-

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um seinen Umfang mit einer Dichtung 33 aus Elastomermaterial versehen ist, voneinander getrennt.

Bei dem bisher beschriebenen System handelt es sich mehr oder weniger um ein konventionelles System. Ein (nicht dargestellter und auf Druck ansprechender Schalter ist dabei normalerweise zum Einschalten und zum !Ausschalten der Pumpe P in die Leitung 17 oder in die Leitung 23 eingebaut. Die Pumpe P drückt das aus dem 'Öltank 10 herkommende Öl von unten in den Speichertank 22 und muß dabei den Druck des aus dem Gasbehälter 28 zugeführten Gases überwinden. Der für das Abschalten und Stillsetzen der Pumpe erforderliche optimale Zeitpunkt ist dann gegeben, wenn sich der Kolben dem Oberteil des Zylinders nähert oder dieses Oberteil des Zylinders erreicht, wobei die Pumpenabschaltung dann von dem auf Druck ansprechenden konventionellen Schalter zu bewerkstelligen ist. Wie bereits schon besprochen, macht jedoch der große Schaltbereich oder die große Schaltdifferen zwischen den Einschaltvorgängen und den Abschaltvorgängen diese Schalter unzuverlässig, so daß diese Schalter nicht als zuverlässiges Meßfühlersystem betrachtet werden können. Es kann sich also ein überhöhter Druck im Hydraulikspeicher aufbauen, es kann aber auch vorkommen, daß die Pumpe zu oft abgeschaltet und zum Stillstand gebracht wird, wobei sich in jedem dieser Fälle eine Reinhe von Problemen und Schwierigkeiten ergeben können.

Mit dieser Erfindung wird nun der auf Druck ansprechende Schalter weggelassen und durch eine neuartige Meßvorrichtung ersetzt, die in die Leitung 17

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eingebaut ist. Diese Meßvprrichtung mißt und erfaßt ganz exakt den Mengenstrom und schaltet die Pumpe dann ab, wenn der Speichertank ganz voll ist und sich der Kolben des Speichertankes im oberen Bereich dieses Speichertankes befindet. Die neuartige Meßvorrichtung kann als steuernder und regelnder Speichertank oder als Steuerungstank 35 bezeichnet werden. In diesem Steuerungstank 35 ist vorzugsweise ein Kolben 36 eingebaut. Dieser Steuerungstank 35 ist unten an die Zuführungsleitung 17 unter Verwendung der Leitung 37 angeschlossen, in die ein Ventil 38 eingebaut ist; Dieser Speichertank 35, der Steuerungsaufgaben zu erfüllen hat, ist über eine Leitung 39, in die ebenfalls ein Ventil 40 eingebaut ist, an die Gaszuführungsleitung 26 angeschlossen. Wie dies mit der allgemeinen Hinweiszahl 26' gekennzeichnet ist, kann die Leitung 26 zum Anschluß an weitere Speichertanks verlängert und erweitert werden.

Mit dem Unterteil des Kolbens 36 verbunden ist ein Stößel 41, 'der sioh in einer in den Boden des Steuerungstankes 35 eingebauten Dichtung gleitend bewegen kann und derart konstruiert und ausgelegt ist, daß er den Schalthebel eines als Schließer ausgeführten Schalters 43 betätigt, der seinerseits wiederum die Pumpe P einschaltet und ausschaltet, (und dieser Schalter kann entweder ein elektrischer Schalter oder aber ein pneumatisch arbeitender Schalter sein). Der Schalter 43 kann - wie dies in Fig. 2 dargestellt ist - über die elektrischen Leitungen 44 mit einem Pumpenmotor M in Verbindung stehen. Durch den Stößel

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-jurist die zur Hydraulikflüssigkeit hin ausgerichtete untere Fläche des Kolbens 36 im Vergleich zu dessen auf dessen obere Fläche, die auf das über die Leitung 39 zugeführte Gas ausgerichtet ist, verkleinert. Zwischen der Oberseite des Kolbens 36 und der Deckwandung des Steuerungstankes 35 kann nun eine pneumatisch arbeitende Druckfeder oder eine mechanisch arbeitende Druckfeder 45 angeordnet werden. Statt des Kolbens 36 kann ein auf Druck ansprechendes und bewegliches Konstruktionselement Anwendung finden, beispielsweise ein Schwimmer, dessen Oberseite von der Druckfeder mit Druck beaufschlagt wird. Dieses Element kann dabei von der Konstruktion her derart ausgeführt sein, daß es beim Hochfahren zum Einschalten und Ausschalten der Pumpe .einen Magnetschalter betätigt, der an der Außenwandung des Zylinders 35 angebracht ist.

Wenn das verbesserte System arbeitet, fließt dann, wenn die Pumpe P die Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikspeichertank 22 drückt, die Hydraulikflüssigkeit auch mit der gleichen Durchflußmenge in den Speichersteuerungstank 35. Steigt der Kolben 32 hoch, dann bwirkt dies noch nicht sofort ein Ansteigen des Kolbens 36, und zwar wegen der verschiedenartigen oberen und unteren Kolbenflächen und/oder wegen der Einwirkung der Druckfeder 45, falls verwendet. In der mit Fig. 2 in Vollinie dargestellten Position des Kolbens 36, drückt der Stößel 41 derart auf den Schalthebel 42, daß er den Schalter schließt und dadurch die Pumpe einschaltet oder in Betrieb setzt.

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Die Differentialflächen (verschiedenartigen Flächen) des Kolbens sind nun derart berechnet, daß dann, wenn der Kolben 32 im Speicherzylinder 32 seine obere Hartlage erreicht, die Volumenvermehrung der Hydraulikflüssigkeit im Steuerungszylinder 35 sofort herbeigeführt wird, was wiederum zur Folge hat, daß der Kolben 36 hochfährt und dabei den Schalthebel 42 des Schalters sofort freigibt, der dann die Pumpe abschaltet und zum Stillstand bringt. Die Feder 45 kann zur Verstärkung der Differentialwirkung oder des Differentialverhaltens verwendet werden.

Für das Abschalten der Pumpe fährt der Kolben 36 nur eine ganz kurze Strecke hoch, so daß im Falle einer Wärmedehnung der Hydraulikflüssigkeit im System, die restliche Kapazität des Steuerungszylinders für die Kompensation der Wärmedehnung der Hydraulikflüssigkeit zur Verfügung steht.

Ist die im Speichertank 22 enthaltene Hydraulikflüssigkeit bei Vorliegen eines Bedarfsfalles über die Leitung 23 an das Hydrauliksystem abgegeben worden, beispielsweise um im Falle eines Rohrleitungsbruches die Pipeline-Ventile zu schließen, dann wird durch den dann folgenden Druckabfall in der Zuführungsleitung 17 zunächst einmal, das Tankvolumen im Steuerungstank 35 verringert, dessen Kolben 36 dann wegen seiner Differentialflächen nach unten fährt, und zwar schneller und vor dem Kolben 32, und dadurch die Pumpe sofort einschaltet und in Betrieb nimmt, damit die vom Hydraulikspeicher abgegebene Hydraulikflüssigkeit durch Hydraulikflüssigkeit aus dem 'Öltank 10 ersetzt werden kann.

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Der als steuerndes Element verwendete Steuerspeicher arbeitet nun wie eine Meßvorrichtung, die das Einschalten und das Ausschalten der Pumpe exakt steuert und regelt und dadurch eine hohe Druckdifferenz an der Dichtung 33 des Kolbens 32 im Speichertank (oder in den Speichertanks) 22 dann verhindert, wenn voon der Punke Hydraulikflüssigkeit noch zugeführt wird, wenn der Kolben 32 im Tank die obere Hartlage erreicht hat, und dies gilt auch für den Fall einer Wärmedehnung der Hydraulikflüssigkeit.

Die Hydraulikspeicher-Steuerung unter Verwendung des Steuerungsspeichers gewährleistet nun die nachstehend angeführten Bedingungen:-

1. Alle Hydraulikspeicher werden in Ausnutzung ihrer Gesamtkapaziät gefüllt gehalten.

2. Für die Kompensation der Wärmedehnung steht die maximale Speichertankkapazität zur Verfügung.

3. Die Pumpe wird bei geringster Abgabe von Hydraulikflüssigkeit aus den Speichertanks eingeschaltet und in Betrieb genommen.

4. Die Druckdifferenz an den Kolbendichtungen wird im Hydraulikspeicher immer auf den kleinsten Wert gehalten.

5. Das System ist in der Lage, die Wärmedehnung in der Hydraulikflüssigkeit und im Gas, das unter Druck steht, zu komensieren.

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Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH ■ GERD MÖLLER ■ C. GR0S3E · P. POLLMEIER 22 - - ■ - bh - JON L. SHAFER5 Houston, County of Harris, State of Texas/USA STEUERUNG UND REGELUNG FÜR EIN HYDRAULIK-SPEICHERSYSTEM Patentansprüche:-

1. Hydraulik-Speichersystem mit einem zum Aufnehmen und: Spei ehern der unter Gasdruck stehenden Hydraulikflüssigkeit bestimmten Speichertank und mit einer Pumpe, die dem vorerwähnten Speichertank die Hydraulikflüssigkeit zuzuführen hat. Dieses Hydraulik-Speichersystem dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm ein Steuertank gehört, der mit seinem einen Ende an die Flüssigkeitszuführung angeschlossen ist und mit seinem anderen Ende an die Zuführung für das ujiter Druck stehende Gas; daß in den vorerwähnten Steuertank ein bewegliches Konstruktionselement eingebaut ist, dessen Differentialf1ächen jeweils auf die bereits angeführte Hydraulikflüssigkeit und auf das bereits angeführte Gas ausgerichtet sind, wobei dieses bewegliche Konstruktionselement des Steuertankes als ein auf Druck ansprechendes Element ausgeführt ist; daß zum System weiterhin auch noch ein wirkungsmäßig mit der Pumpe verbundener Schalter gehört; daß das zuvor angeführte Element eine Vorrichtung aufweist, mit der zum Ein-und Ausschalten der Pumpe der genannte Schalter betätigt wird, und zwar derart, daß die Pumpe dann sofort abgeschaltet und zum Stillstand

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gebracht wird, wenn der Speichertank mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist,und dan sofort eingeschaltet und in Betrieb genommen wird, wenn die Hydraulikflüssigkeit den Speichertank zu verlassen beginnt.

2. Hydraul ik-Spei chersystern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vorerwähnten Speichertank die Hydraulikflüssigkeit und das unter Druck stehende Gas durch einen Kolben voneinander getrennt sind.

3. Hydraulik-Speichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem auf Druck ansprechenden und beweglichen Konstruktionselement, das in den zuvor angeführten Steuertank eingebaut ist, um einen Kolben handelt, der zur Bettätigung des Pumpen-Steuerschalters einen aus dem Steuertank nach außen herausgeführten Stößel aufweist.

4. Hydraulik-Speichersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der Gasseite her eine Druckfeder auf den Kolben drückt, der in den Steuertank eingebaut ist.

5. Hydraulik-Speichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem in den den Steuertank als auf Druck ansprechendes und bewegliches Element eingebauten Kolben ein Stößel gehört, der zur Betätigung des.die Pumpe steuernden Schalters aus dem Steuertank heraus nach außen geführt ist.

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6. Hydraulik-Speichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der Gasseite her eine Druckfeder auf den Kolben drückt, der in den Steuertank eingebaut ist.

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