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"Hydraulischer Arbeitszylinder"
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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Arbeitszylinder, bestehend
aus einem Zylindergehäuse, einem im Betrieb feststehenden und einem relativ zu diesem
bewegbaren Hydraulikglied.
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Derartige Hydraulikzylinder sind heute in den verschiedensten maschinellen
Einrichtungen anzutreffen. Besonders da, wo esauf die besondere Exaktheit und Reproduzierbarkeit
des Verschubes durch einen Arbeitszylinder ankommt, ist auch wünschenswert, das
Maß der jeweiligen Hubstellung des Arbeitszylinders zu kennen. Z. B. ist es für
die ordnungsgemäße Betriebsweise von großen maschinellen Einrichtungen wie den-Gewinnungsmaschinen
im Steinkohlenbergbau von großem Interesse, die Bestimmung des Abstandes zwischen
den einzelnen maschinellen Einrichtungen - insbesondere verstellbarer Anlagenteile
- vornehmen zu können.
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Dabei sind Längenänderungen von einigen Zentimetern bis zu einigen
Metern zu erfassen. Im übrigen müssen solche Meßeinrichtungen den rauhen Arbeitsbedingungen,
unter denen hydraulische Arbeitszylinder häufig eingesetzt werden,
dauerhaft
standhalten können, so z. B. hereinbrechendem Gestein oder aus Fördermitteln überlaufendem
Haufwerk in Bergbaubetrieben.
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Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen
Arbeitszylinder der genannten Art zu schaffen, der. einfach herzustellen, robust
und störunanfällig ist, und bei dem eine Längenmeßeinrichtung. das Vielfache einer
Grundlänge, die der geringsten Länge des hydraulischen Arbeitszylinders entspricht,
möglichst exakt erfassen kann. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruches 1 gelöst. Hierdurch wird erreicht, daß zumindest der oder die Meßwertaufnehmer
der Längenmeßeinrichtung von äußeren mechanischen Einwirkungen vollständig geschützt
ist. Korrosion durch agressive Medien, Verstauben und Verkratzen oder Schäden durch
unsachgemäße Behandlung sind auf diese Weise ausgeschlossen. Solche Längenmeßvorrichtungen
sind aus diesem Grunde auch weitestgehend wartungsfrei, und sie können ohne Schwierigkeiten
beim Herstellerwerk eingebaut werden. Dabei befinden sich die zu einer Längenmeßvorrichtung
gehörenden Bauteile bis auf den Meßwertaufnehmer in der Regel alle außerhalb des
Zylindergehäuses.
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Es können auch mehrere Längenmeßvorrichtungen einem einzigen Hydraulikzylinder
in der erfindungsgemäßen Art und weise zugeordnet sein, wobei von jeder dieser Längenmeßvorrichtungen
ein besonderer Meßbereich erfaßt werden kann.
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Stets sind die erfindungsgemäßen Längenmeßvorrichtungen so zwischen
dem feststehenden und dem relativ zu diesem
bewegbaren Hydraulikglied
eines hydraulischen Arbeitszylinders angeordnet, insbesondere verspannt, daß sie
die relative Lageänderung zwischen beiden Hydraulik gliedern und damit die Gesamtlänge
des hydraulischen Arbeitszylinders von der minimalen bis zur maximalen Hubstellung
des letzteren erfassen können.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Lösung gemäß Anspruch
2. Hierbei ist eine Spiralfeder zwischen'dem feststehenden und dem relativ zu diesem
bewegbaren Hydraulikglied so verspannt, daß sie weder bei der minimalen Hubstellung
durchhängt, noch bei der maximalen Hubstellung überdehnt ist. Sie muß also durchaus
in der Lage sein, etwa um das zehnfache ihrer Ruhe läge ohne Schaden und reproduzierbar
gedehnt oder zusammengedrückt werden zu können. Die durch eine Längenänderung der
Feder bewirkte Erhöhung der Zug- bzw. Druckspannung zwischem dem feststehenden und
dem relativ zu diesem bewegbaren Hydraulikglied wird von einer Kraftmeßeinrichtung,
die mit der @@@@@@@@ gemeinsam @anerhalb des Zylindergehäuses an geordnet und mit
ihr im Meßsinne verbunden ist, erfaßt.
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Als Kraftmeßeinrichtungen eignen sich u. a. Dehnmeßstreifen und piezoelektrische
Kristalle. Eine Kraftänderung, die auf eine solche Kraftmeßeinrichtung einwirkt,
wirkt sich als ein elektrisches Signal bzw. Anderung eines vorhandenen elektrischen
Signals aus und kann über an sich bekannte Verstärkereinheiten außerhalb des Hydraulikgliedes
angezeigt werden. Auf diese Weise wird jede Längenänderung, d. h. jede Änderung
des Hubzustandes des hydralischen Arbeitszylinders in ein elektrisches Signal, das
auch zur Fernübertragung geeignet
ist, verwandelt. Solche Kraftmeßeinrichtungen
haben eine im Vergleich zu einer Spiralfeder minimale Längenänderung bei Angreifen
einer Zug- oder Druckspannung, so daß sie äußerst exakte Messungen zulassen. Darüber
hinaus bringen Spiralfedern den Vorteil mit sich, eine in großem Umfang lineare
Kraft-Weg-Kennlinie zu besitzen, die es erübrigt, eine komplizierte Eichkurve aufzunehmen
oder elektrisch umzuwandeln.
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Als besonders vorteilhaft haben ich Meßwertaufnehmer nach Anspruch
3 erwiesen. Dabei sind die als Kraftmeßeinrichtung dienenden Dehnungsmeßstreifen
so auf die Oberflächen der Spiralfedern aufgebracht, daß die an der-Feder jeweils
wirkende Kraft von dem Dehnungsmeßstreifen erfaßt wird.
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Natürlich muß die Anbringung derart erfolgen, daß im Bereich der Kontaktfläche
keine zu hohen Dehnungen des Federmaterials auftreten.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen hydraulischen Arbeitszylinder besteht
auch darin, daß sie keine gegeneinander beweglichen Teile zur Messung der jeweiligen
Hubstellung benötigen, was Verschleiß und Reparatuanfälligkeit außerordentlich gering
hält.
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Die genaue Anordnung eines erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers einer
Längenmeßeinrichtung innerhalb des Zylindergehäuses ist natürlich im Rahmen der
erfindungsgemäßen Merkmale auf verschiedenste Weise möglich, die Figuren 1 bis 5
geben einige dieser Möglichkeiten und vorteilhaften Ausführungsformen wieder, ohne
daß sich die Erfindung hierauf beschränkt.
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Es zeigen: Fig. 1 - 4 hydraulische Arbeitzylinder mit eingebauten
Meßwertaufnehmern; Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer Feder, auf d'eren'Oberfläche
Dehnungsmeßstreifen fest verbunden sind.
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Das Zylindergehäuse 1 istin der Regel gleichzeitig als feststehendes
Hydraulikglied 2 des hydraulischen Arbeitszylinders ausgebildet. Dabei kann es auch
vorkommen, daß dieses Hydraulikglied einmal als das bewegliche fungiert und das
innerhalb des Zylindergehäuses 1 geführte" bewegbare Hydraulikglied 3 dann als das
feststehende zu betrachten ist.
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Das innerhalb des Zylindergehäuses 1 geführte, bewegbare Hydraulikglied
3 kann als Hohlzylinder wie in Figur 1 oder als Stempel wie in den Figuren 2 bis
4 ausgebildet sein.
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Zwischen den Punkten, an denen die Kräfte des feststehenden und des
relativ zu diesem bewegbaren Hydraulikgliedes angreifen, ist nach der Erfindung
innerhalb des Zylindergehäuses 1 mindestens ein Meßwertaufnehmer 4, 5; 5, 6 einer
Längenmeßeinrichtung angeordnet. Als Meßwertaufnehmer sind generell alle Systeme
geeignet, die es gestatten, den jeweiligen Meßwert an eine Stelle außerhalb des
Zylindergehäuses zu übertragen; damit er dort von den weiteren, zur Längenmeßeinrichtung
gehörigen Bauteilen in eine ablesbare Anzeige verwandelt werden kann. Es eignen
sich also insbesondere Systeme mit elektrischer Übertragung des Meßwertes auf den
Anzeigeteil der Längenmeßeinrichtung.
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Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht u. a.
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in dem allseitigen Schutz des Meßwertaufnehmers innerhalb der Zylinderhülse
gegen jegliche Art Von störenden Umwelteinflüssen.
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Die Anordnung einer Spiralfeder 5 zwischen den genannten relativ
zueinander'bewegbaren Punkten innerhalb des Zylindergehäuses 1 muß natürlich so
erfolgen, daß auch in den extremen Hubstellungen des hydraulischen Arbeitszylinders
die Feder weder überdehnt ist noch spannungslos wird und deshalb keine Kraft mehr
zwischen ihren Endpunkten ausübt. Mit einer solchen Spiralfeder 5 wird im Zug-,
oder Drucksinne eine Kraftmeßeinrichtung 4 so Der bunde, daß auf diese jede mit
einer Längenänderung der Feder verbundenen Kraftänderung erfaßt kann. Spiralfeder
5 und Kraftmeßeinrichtung 4 können demnach durchaus auch voneinander lösbar sein,
doch müssen sie im eingebauten Zustand stets unter einer gewissen Mindestspannung
stehen, damit die Koppelung zwischen ihnen immer kraftschlüssig bleibt. In Figuren
1 und 2 ist die Kraftmeßeinrichtung 4, die im Meßsinne (in Fig. 1 im Zugsinne, in
Fig-. 2 im Zug- oder Drucksinne) mit der Spiralfeder 5.verbunden, so daß das von
dieser Einheit ausgehende Meßsignal außerhalb des hydraulischen Arbeitszylinders
verwertet werden kann, z. B. durch ein geeichtes, elektrisch betätigtes Längenanzeigeinstrument.
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Die Pfeile in Figuren 1 bis 4 sollen verdeutlichen, daß die von den
Meßwertaufnehmern 4, 5 bzw. 5, 6 ausgehenden Signale zu einer Steile außerhalb des
hydraulischen Arbeitszylinders übertragen werden. Aus Figur 4 ist weiterhin ersichtlich,
daß auch eine Kombination mehrerer
Federn zur besonders genauen
Längenmessung eingesetzt werden kann. Jede Feder ist dann gemäß der Erfindung mit
einer Kraftmeßeinrichtung 4; 6 verbunden.
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Die Spiralfedern 5 können sowohl Druck- als auch Zugfedern sein, d.
h. entweder bei maximaler oder bei minimaler Hubstellung des hydraulischen Arbeitszylinders
die geringste Druck- oder Zugspannung liefern. D. h., daß eine Koppelung zwischen
Spiralfeder 5 und Kraftmeßeinrichtung 4; 6 im Druck- oder Zugsinne,denkbar ist.
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Es muß jedoch in jedem Falle vermieden werden, daß der Druck der Hydraulikflüssigkeit
innerhalb des Zylindergehäuses sich auf den Meßwertaufnehmer im Sinne erhöhter oder
erniedrigter Druck- oder Zugspannung aus.wlrkt.
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Dehnungsmeßstreifen 6 als Kraftmeßeinrichtung 4, die mit einer Spiralfeder
5 zusammenwirken, eignen sich in besonderem Maße. Es hat sich als sehr vorteilhaft
herausgestellt, einen oder mehrere solcher Dehnungsmeßstreifen 6 auf der Oberfläche
7 der Spiralfedern 5 anzuordnen und beide miteinander so fest zu verbinden, daß
stich eine Kraftwirkung auf die Spiralfeder 5 infolge Längenänderung auf den Dehnungsmeßstreifen
6 überträgt, wobei das so erzeugte Meßsignal am besten außerhalb des hydraulischen
Arbeitszylinders verarbeitet und angezeigt wird.
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Es ist günstig, wenn bei der Kombination einer Spiralfeder mit einer
Kraftmeßeinrichtung, letztere aufgrund der auf sie vorder Spiralfeder ausgeübten
Kraft, sich nur in sehr geringem Umfange in ihrer Länge ändert., da dies u. a. die
Meßgenauigkeit günstig beeinflußt. Dehnungsmeßstreifen 6 und piezoelektrische Systeme
erfüllen diese Forderung in besonders günstigem Maße.
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Die Art der Anbringung von Dehnungsmeßstreifen 6 auf die Oberfläche
7 von Spiralfedern 5-ist in Figur 5 Ausschnitt dargestellt, dabei sind im speziellen
Falle zwei Dehnungsmeßstreifen 6 in unterschiedlichen Richtungsanordnungen auf der
Spiralfeder 5 angebracht Die Pfeile kennzeichnen die Kraftwirkung auf beide Enden
der Spiralfeder 5.
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An einer Stahlfeder mit einem Drahtdurchmesser von 1,3 mm und einem
äußeren Durchmesser von 30 mm sowie einer Ruhelänge von 180 mm wurde ermittelt,
daß in einem Längenbereich von ca. 200 bis über 1300 mm ein linearer Zusammenhang
zwischen der Längenänderung und der resultierenden Kraft bestand, wobei letztere
im Bereich zwischen 0,1 und 10 Newton lag. Die Feder war in diesem Fall also als
Zugfeder ausgebildet und erwies sich in Verbindung mit einem DehnungSmeßstreifcn
in einem hydraulischen Arbeitszylinder als gut geeigneter Meßwertaufnehmer.
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Bezugszeichenliste 1 Zylindergehäuse 2 feststehendes Hydraulikglied
3 bewegbares Hydraulikglied 4 Kraftmeßeinrichtung 5 Spiralfeder 6 Dehnungsmeßstreifen
7 Oberfläche
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