DE3446453C1 - Hydraulikanlage mit einem vorzugsweise kleinvolumigen ölbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hydraulikanlage mit einem vorzugsweise kleinvolumigen Ölbehälter, einer aus dem Ölbehälter gespeisten ölförderpumpe, von dieser mit Drucköl versorgten Ölverbrauchern, einer von diesen zu einem austrittsseitig mit dem Ölbehälter verbundenen Ölkühler führenden Rückführleitung, die einen den Kühler mittel- oder unmittelbar überbrückenden Bypasskanal aufweist, wobei ein sprungartig verengter Ausströmungsquerschnitt mit vernachlässigbar kleiner Länge im Bypasskanal die ölmengenteile, welche über den. Bypasskanal und den Kühler zum Behälter fließen, temperaturabhängig aufteilt.

Eine Hydraulikanlage der eingangs beschriebenen Art ist bereits durch die DE-OS 22 04 695 bekanntgeworden. Dieser Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Hydraulikanlage zu verwirklichen. Gemäß dieser Aufgabenstellung wird ein Lösungsweg beschritten, bei dem ein aus Raumgründen kleiner Kühler, der wegen des begrenzten Raumangebotes nur einen Teil der Umlaufmenge bzw. Förderleistung der ölpumpe in Litern pro Minute aufnehmen kann, zur Erhöhung der Kühlleistung mit einem motorisch angetriebenen Gebläse ausgestattet ist.

Abgesehen davon, daß die bekannte Hydraulikanlage wegen ihrer kompakten Bauweise sehr kompliziert aufgebaut ist, was die Anlage in der Herstellung kostenaufwendig und störanfällig macht, erfordert diese zum Betrieb des Gebläsemotors zusätzliche Energie.

Ferner wird aufgrund des motorisch erzeugten Kühlluftstromes das Hydrauliköl schon in der Anlaufzeit der Anlage einer zu starken Kühlung ausgesetzt, so daß diese beim Start längere Zeit mit reduziertem, schlechtem Wirkungsgrad arbeitet.

Um offensichtlich das stark abgekühlte öl schneller auf für den Betrieb der Anlage vertretbare Temperaturen zu bringen, ist in der Wandung des Bypasskanales mindestens eine Öffnung mit gegenüber dem Kanaldurchmesser sprungartig sich verengendem Querschnitt

ίο angeordnet, über die ein Teil des Öles ungekühlt direkt in den ölbehälter fließen und sich mit dem gekühlten öl zwecks Erwärmung vermischen kann. Nähere Einheiten über die Aufgabe und Wirkung dieser vorgenannten Ausströmöffnung oder -öffnungen sind jedoch dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Bei dem Ausströmungsquerschnitt gemäß der bekannten DE-OS 22 04 695 gibt es keine senkrechte sondern nur eine parallele Ausströmung des Öles. Darüber hinaus überbrückt der Bypasskanal der bekannten An-

lage den ölbehälter, nicht aber den Ölkühler. Diese Anordnung erlaubt daher keine exakte, rechnerisch erfaßbare temperaturabhängige Steuerung des öidurcnfiusses und damit keine Regelung der öltemperatur. Vielmehr läßt sich bei der bekannten Anlage die öltemperatür durch Ein- oder Ausschalten des dem Ölkühler zugeordneten Gebläses nur unvollkommen steuern.

Andere bekannte Hydraulikanlagen arbeiten mit einem oder mehreren temperaturabhängig gesteuerten Ventilen, welche bewirken, daß das aus der Ölrückführleitung kommende Hydrauliköl je nach Temperatur entweder unter Uvngehung des Kühlers direkt in den Behälter, bei ansteigenden Temperaturen teils in den Behälter, teils durch den Kühler und bei hohen Temperaturen ausschließlich durch den Kühler geleitet wird. SoI-ehe Ventile haben bewegte und damit verschleißbeanspruchte Teile. Sie sind in der Anschaffung teuer, bedürfen einer ständigen Wartung und "Hege, müssen mit temperaturempfindlichen Teilen, Bimetallen oder elektronischen Temperaturmeßfühlern sowie von diesen betätigbaren Ventilantrieben verseilen sein und können, eben weil es sich um Geräte mit bewegten Teilen handelt, u. U. durch Ölablagerungen blockieren, wodurch die Temperaturregelung gestört wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hydraulikanlage zu schaffen, die ohne Energieaufwand und ohne komplizierte Bauteile in der Lage ist, die Startphase schnell zu überwinden und eine konstante, optimale öltemperatur einzuhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bypaßkanal als Leitung (4,9) ausgebildet ist, die mindestens vor und hinter der Verengung geradlinig verläuft und daß der Durchströmwiderstand des ölkühlers (5) weniger als die Hälfte des Durchströmwiderstandes der Verengung beträgt, wenn sich das öl in optimalem Betriebszustand befindet.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikanlage gegenüber der eingangs geschilderten und anderen bekannten Ausführungen besteht darin, daß zwar die öltemperatur durch geregeltes Kühlen konstant gehalten wird, und zwar in erheblich besserer Konstanz als bisher, daß jedoch als meßtechnische Größen nicht mehr, wie bisher, die Temperatur des Öles, sondern dessen Viskosität benutzt wird.
Obwohl die Viskosität von der Temperatur des Öles abhängt und damit ein bestimmter Temperaturbereich optimale Betriebsbedingungen des Öles definiert, weil dann auch die Viskosität innerhalb eines optimalen Bereiches liegt, stellt das Erfassen und regeltechnische

Ausnutzen der Viskosität des Öles ein für die Hydraulikanlage viel angepaßteres Vorgehen dar. Schließlich hängt die Arbeitsweise der Druckölverbraucher von der Viskosität ab und die Güte des Schmierfilms wird durch die Viskosität des Öles gewährleistet und der Wirkungsgrad der Anlage ist in einem optimalen Viskositätsbereich am größten.

Maßgebend für die Funktion der Regelung der erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikanlage sind bekannte Grundlagen aus der theoretischen Hydraulik, die jedoch bisher nicht im Sinne der Erfindung angewendet wurden. So ist der Widerstand einer von einer Flüssigkeit geradlinig durchströmten Leitung mit einer unstetigen, d. h. plötzlichen, Querschnittsverengung geringer bzw. vernachlässigbarer Länge der Verengung von der Viskosität der Flüssigkeit nahezu unabhängig bzw. konstant Im übrigen aber ist der Widerstand einer Leitung, die einen bestimmten Querschnitt und eine gewisse Länge aufweist, viskositätsabhängig veränderlich. Der Widerstand ist umso größer, je langer die Leitung ist, und er nimmt auch mit der Viskosität der Flüssigkeit zu, während er bei abnehmender Viskosität geringer wird. Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikanlage sind somit zwischen der Rückführleitung und dem Ölbehälter zwei Strömungswiderstände parallel geschaltet, wobei die By-Pass-Leitung mit der Verengung einen unabhängig von der jeweiligen Viskosität des Hydrauliköles konstanten Widerstand darstellt, der Ölkühler aber einen Widerstand bildet, dessen Größe bei hoher Viskosität hoch, bei geringer Viskosität niedrig ist

In der Praxis bilden die beiden parallelen Strömungswege, von denen jeder einzelne in der Lage sein muß, den ölstrom aus der Rückführleitung allein zum Ölbehälter zu führen, eine »Strömungswiderstandswaage«, die an einem Ende den konstanten Durchströmwiderstand, der lediglich vom Druck der Flüssigkeit vor und hinter der Verengung oder Blende bzw. der Druckdifferenz abhängigen Flüssigkeitsmengen viskositätsunabhängig durchströmen läßt, aufweist, während am anderen Ende dieser Waage der Kühler einen viskositätsabhängigen Durchströmwiderstand bildet, durch den sich im Sinne einer Neigung der Waage die Durchströmmenge viskositätsabhängig vergrößert, wenn die Viskosität abnimmt, und verkleinert, wenn die Viskosität zunimmt.

Wenn die beiden Widerstände derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Durchströmwiderstand des ölkühlers bei der Viskosität, die das bei optimalen Betriebsbedingungen befindliche Hydrauliköl aufweist, mindestens um die Hälfte geringer ist als der der Verengung in der By-Pass-Leitung, dann stellt sich eine automatische Abzweigung der ölströme durch den Kühler und durch die By-Pass-Leitung ein, die viskositätsabhängig ist. Da die Viskosität durch das Wärmeangebot aus der Hydraulikanlage verändert wird, verändert sich automatisch die Durchflußmenge durch den Kühler. Da sich die Viskosität überproportional zur Temperatur ändert, arbeitet diese Regelung der Kühlung auch viel sensibler und feinfühliger, als es jede temperaturabhängige Regelung könnte; die optimalen Betriebsbedingungen des Öles werden daher in viel engeren Grenzen als bei temperaturabhängig geregelter Kühlung konstant gehalten.

Diese Kühlung setzt auch beim Start sofort verzögerungsfrei und stufenlos ein, sobald Kühlung erforderlich ist. Bei temperaturabhängig ventilgeregelter Kühlung läßt sich dieser Beginn der Kühlung, wenn überhaupt, so nur näherungsweise mit sehr aufwendig konstruierten und kostspieligen Ventilen verwirklichen. In der Regel öffnen diese Ventile aus der Schließstellung heraus zunächst überDroportional und lassen mehr öl hindurchals während der jeweiligen Startphase bzw. beim Übergang zur Arbeitsphase mit Kühlung erforderlich wäre, während die Zunahme des Öldurchflusses durch diese Ventile unproportional klein ist, wenn stärkere Kühlung infolge höherer Öltemperaturen erforderlich ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil, den die Erfindung gegenüber temperaturabhängig ventilgesteuerter Kühlung von Hydraulikanlagen bietet, ist der Start aus extrem niedrigen Temperaturen. In solchen Situationen ist die Viskosität des kalten Öles mehrhundertfach größer als bei Betriebstemperatur. Wenn nach einer gewissen Startzeit durch das öffnen des Regelventiles öl in den Kühler strömen soll, bildet das darin befindliche höchstviskose öl einen sog. Ölpfropf, der eine Kühlerdurchströmung vorübergehend verhindert Dadurch können Nachteile entstehen. Erfindungsgemäß ist dagegen der Kühler niemals vollständig vom Ölkreislauf abgetrennt sondern nimmt, wenn auch mit miniir^:. ,in Anteilen, am Ölkreislauf teil, so daß das extrem kahe, höchsiviskose öl im Kühler während der allgemeinen Startphase allmählich vorgewärmt wird. So kann mit steigendem Kühlbedürfnis nach Abschluß der Startphase auch ein fließender Übergang der Ölströmung durch den Kühler stattfinden.

Wird die Erfindung für Hydraulikanlagen mit Ventilatorkühlung oder Wasserumlaufkühlung angewendet, so vermeidet sie bei diesen Anlagen die L-isher üblichen Pendelerscheinungen der Kühlung, die bei der Startphase und bei Wechsellasten auftraten.

Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß sich jede temperaturabhängig ventilgeregelte Hydraulikanlage in eine erfindungsgemäß viskositätsabhängig geregelte Anlage umrüsten läßt Anstelle der Ventile oder des Ventiles wird die By-Pass-Leitur.g mit der entsprechend bemessenen Verengung installiert Die Größe der Verengung kann entweder rechnerisch-giafisch (bei Kenntnis des Durchströmwiderstandes des Kühlers und seiner Wärmeabgabe) oder experimentell bestimmt wercien.

Diese Einrichtung in der Zuordndung des ölkühlsystems, des Ölbehälters, der Blende als Regelhilfseinrichtung und zum Nutzölanwender ist somit in der Lage, das Öl schnell aus extrem hohem Ölviskositätsbereich in einen betriebsgünstigen Ölviskositätsbereich zu bringen. Bei Belastungsänderungen wird der Ölviskositätsbereich eingehalten, auch bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen des Kühlmittels und in einem verhältnismäßig geringen Viskositätsschwankungsbereich (den Betrieb nicht störend oder beeinträchtigend).

Besonders vorteilhafte Ausführungen der Blende sind in den Ansprüchen 2,3 und 4 gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikanlage sowie Übersichtsgraiiken der Betriebsparameter sind in den Abbildungen dargestellt. Es zeigt:

F i g. 1 eine Schemaansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikanlage mit Luftkonvektionskühlung,

Fig.2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansichi einer Hydraulikanlage mit Wasserkühlung,

Fig.3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einer Hydraulikanlage mit -»römendem Kühlwasser,

Fig.4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgesehenen Regelhilfsorganes in Form einer Blende, Fig. 5 eine Ansicht einer in einer Muffe angeordne-

ten Blende,

Fig. 6 und 7 einen Längs- und einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform und Anordnung der Blende,

F i g. 8 eine Grafik, die das ermittelte Strömungsverlustverhalten der Blende und das des Kühlsystemes bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikanlage wiedergibt,

F i g. 9 eine weitere Grafik des Betriebsverhaltens der erfindungsgemäßen ausgebildeten Hydraulikanlage und

Fig. 10eine Grafik,die das Betriebsverhalten dererfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikanlage bei unterschiedlichen Lufttemperaturen und Verwendung eines Luftkonvektionskühlers gemäß F i g. 1 wiedergibt.

In F i g. 1 ist die Anordnung der wirksamen Bauteile der Einrichtung zum bedarfsgerechten geregelten Kühlen von ölen einer Hydraulikeinrichtung schematisch gezeigt, bei dem das Ölkühlsystem 5 aus Röhren oder Platten besteht, das sich in einem konvektiv luftdurchströmten Ölkühler 13 befindet. Der Vorteil der Wahl von Luft als kühlendes und wärmeabführendes Medium liegt darin, daß die Anwendung derselben bei Umgebungstemperaturen weit unter 0°C ohne weiteren Aufwand möglich ist. Aus dem Hydraulikölnutzwandler 1 gelangt das öl zunächst mit der Rücklaufleitung 2 zu der Aufteilung in zwei Leitungen 3 und 4. Die Leitung 3 fördert das öl über das luftdurchströmte ölkühlsystem 5, über das anschließende Leitungsstück 6 in den ölbehälter 7, der vorteilhafterweise mit geringem Fassungsvermögen ausgestattet ist.

Die By-Pass-Leiiung 4 leitet das öl über die Blende 8 als Regelhilfseinrichtung mit der daran anschließenden Leitung 9 zum ölbehälter 7. Aus dem Ölbehälter 7 wird das öl über Ansaugleitung 10 mit der Förderpumpe 11 und der Zuleitung 12 zum ölnutzanwender 1 gefördert. Die offen dargestellten Pfeile stellen den sich beispielsweise einstellenden Luftstrom als abführendes Kühlmedium dar. Bei der Inbetriebnahme und kurz nach der Inbetriebnahme der Hydraulikanlage aus tiefen Umgebungstemperaturen wird das öl über die Saugleitung 10 aus dem ölbehälter 7 abgezogen und durch die Förder-Dumpe 11 über die ölnutzanwender 1, über die Rücklaufleitung 2 zu dem Beginn der Leitungen 3 und 4 gefördert. Durch den hohen Durchflußwiderstand bei kaltem Anfahrzustand im Ölkühlsystem 5. der ein mehrfaches beträgt als der Durchflußwiderstand der Blende 8, wird zunächst der größte Teil (bis zu 98%) der Gesamtölmenge durch die Blende 8 zum Ölbehälter 7 gefördert. Die geringe Restölmenge wird durch das ölkühlsystem 5 geführt und dem nachfolgenden Leitungsstück 6 zum ölbehälter 7. Der zunächst geringe ölstrom durch das Ölkühlsystem 5 wird entsprechend stark abgekühlt. Beide ölströme aus den Leitungen 9 und 6 (bzw. 3 und 4) vermengen sich zu einer Mischtemperatur, die zunächst nahe der Öltemperatur liegt, aus der ungekühlten Leitung 9.

Durch die bei niedrigen öltemperaturen bedingte höhere Verlustleistung erwärmt sich das Öl entsprechend schnell; entsprechend der Verlustleistung und den zu erwärmenden ölmengen aus dem Ölbehälterinhalt und den Leitungsinhalten, dem Wärmeaufnahmevermögen (Speicherfähigkeit) der Massen der Gesamthydraulikanlage.

Bis zu einem festlegbaren günstigen ölviskositätsbereich (und damit Öltemperaturbereich einer ölsorte) wird das öl in steigenden Mengen zum Ölkühlsystem 5 des Ölkühlers 13 geleitet.

Im Beharrungszustand der Hydraulikeinrichtung,

d. h., wenn sich das Wärmeangebot im Ölkühlsysiem 5 (aus der Verlustwärme des Hydrauliksystems) der Wärmeabgabe des Öles im Kühlsystem 5 (Luftkühler 13] angeglichen hat, liegt die ölmischtemperatur im Ölbehälter 7 bei kalter Umgebungstemperatur etwas niedriger und damit die ölviskosität etwas höher als bei hoher Umgebungstemperaturen, bei denen die ölmischtemperatur etwas höher liegt (und damit die ölviskosität geringfügig tiefer), aber noch im betriebsgünstigen Bereich. Für ein Beispiel ermittelt ergibt sich gem. F i g. IC für das häufig gebrauchte Öl HLP 46 bei -30⁰C Luftumgebungstemperatur und einer ölmischtemperatur von ca. 44°C die ölviskosität von 38 cSt; bei -35⁰C Luftumgebungstemperatur die ölmischtemperatur vor

ca. 73°C und die zugehörige Ölviskosität von 14 cSi (dazu bspw. ölviskosiiäien zur Öltemperatur 15 00OcSt bei -35°C. 55OcSt bei 0⁰C, 13OcSt be + 20°C₁7OcSt bei +30⁰C öltemperatur).

Der sich ergebende Gesamdruckverlust (R_gcs) vorr Beginn der Leitungen 3 und 4 bis zu den Austritten dei Leitungen 6 und 9 im Behälter 7 liegen im gesamter öltemperaturanwendungsgebiet im Rahmen bekanntei geregelter ölkühleinrichtungen oder auch darunter, ohne zusätzliche Leistungen und Aufwendungen; den auch bekannte Regeleinrichtungen sind im Strömungsdruck verlust viskositätsabhängig. Hinzu kommt, daß die Strö mungswiderstände von Kühlsystem und Regeleinrich tung ^;n bekannten Einrichtungen durch die Hintereinan derschaltung der Strömungswiderstände sich addieren gemäß vorliegenden Beispielen mit der Parallelschal tung der Strömungswiderstände sich verringern.

Da die Zusammenhänge diffiziler sind als in der bisherigen Darstellung zur leichteren Erfassung des Erfindungsgedankens angegeben wird, wird in Einzelheiter auch auf die exakte Theorie eingegangen.

Die Erfindung sieht mithin vor, an Stelle des öltempe raturgeregelten Regelventiles, das bedarfsweise direki den gesamten Ölstrom oder Teiistrom über den ölkühler in den Behälter leitet, ein ölviskositätsunabhängiges nur ölstrommengenabhängiges Regelhilfsmittel (vor der Druckdifferenz vor und nach dem Regelhilfsmitte abhängig) zu verwenden, die vom Hydrauliknutzanwen der kommende Leitung in zwei Leitungen aufzuteilen die für sich in der Lage sind, den Gesamtölstrom aufzu nehmen, daran eine Leitung zum vom Kühlmittel um strömten Ölkühlsystem im ölkühler zu führen, vom öl kühler eine Ableitung weiter zum Behälter zu führen wobei die zweite Leitung direkt zum Behälter führt unc in dieser Leitung eine Blende oder Teilblende als Regel hilfsmittel vorzusehen, die ölströme in den Leitunger zum ölkühlsystem und direkt zum Behälter über die Blende durch baulich beeinfluß- und wählbare Strö mungswiderstände im ölkühlsystem und in der Blend« zu regeln.

Dabei kann diese Blende im Zusammenwirken mi dem Kühlsystem des luftgekühlten, durch Eigenkonvek tion angetriebenen ölkühlers angeschlossen sein.

Diese Blende kann auch im Zusammenwirken mit ei nem flüssigkeitsgekühlten ölkühler vorgesehen sein dessen Kühlsystem in einem Behälter vorgesehen ist wobei der Behälter mit Zu- und Abfluß für die Kühlflüs sigkeit versehen ist oder wobei sich das Kühlsystem ir einem frei fließenden Kühlmittelstrom befindet

Die Blende ist eine Scheibe mit scharfkantiger zentri scher Bohrung oder eine Scheibe in Form eines Kreis abschnittes oder sonstigen geformten Kreisausschnittes wobei die Scheibe an ,hrem Rand dicht in der Leitunj befestigt ist

Von Blenden ist bekannt, daß die Durchflußmenge Qi, außer dem Druck vor und nach der Blende, geringfügig von der Dichte kg/m³ und nicht von der Viskosität (kinematische Zähigkeit γ uder cSt (mm²/s) des Öles beeinflußt wird, jedoch maßgeblich beeinflußt wird von einem Strömungsfaktor λ, der baulich beeinflußbar ist, der vom Querschnitt der Blende Fbi zum Querschnitt des umfar>;nden Rohres Fr abhängt. Für bekannte Blendenformen sind aus bekannten Diagrammen λ ermittelbar, gemäß dem Verhältnis

(F_B

Der Strömungsfaktor λ läßt sich für besonders gestaltete Blenden ermitteln. Die Durchflußmenge Q2 durch die Blende ermittelt sich aus der bekannten Formel

Q₂ = χ χ F_n, χ (2xg

darin ist ^pder Differenzdruckzustand vor und nach der Blende als der Strömungsverlust R₂ in der Blende.

Bei öldurchflussenen Röhren oder Platten in ölkühlsystemen von Ölkühlern und bei in diesen vorwiegend herrschenden laminaren Ölströmungen (Re 2500) ist bekannterweise der ölströmungsverlust (R]) einmal linear abhängig von der Durchflußmenge (Q]) oder der öldurchflußgeschwindigkeitw(m/s) und sehr überproportional abhängig von der ölviskosität (über den Widerstandsbeiwert

(> = Λχ Re-\
dabei

Rc = wx d χ y~K

wobei d = Röhreninnendurchmesser oder hydr. Durchmesser, y = kinematische Zähigkeit des Öles bei der betreffenen öltemperatur (mm³/s) ist).

Da bei turbulenten Ölströmungen in Platten oder Röhren der Strömungsverlust zu- oder abnimmt, wird die Regelwirkung auf das öl etwas verändert durch die Beziehung/»für

KtW,=0,316 χ Re⁰-".

Der Durchflußwiderstand R\ in dem Röhren- oder Plattensystem errechnet sich nach der bekannten Formel

L y Δρ= R]= -τ χ ^- χ

2g

ρ χ

wobei L die Strömungslänge im Rohr oder in der Platte ist.

Für die Funktion der Ölkühleinrichtung mit den entsprechenden Bauteilen ist daher von Bedeutung, daß aus kaltem Anfangsbetriebszustand zu günstigen ölbetriebstemperaturen, die anfallende Wärmemenge (J_v) aus den Übertragungsverlusten abnimmt ca. der ölviskositätsabnahme bei der entsprechenden Temperatur des sich erwärmenden Öles, daß die ölmenge durch das Kühlsystem (Qi) des Ölkühlers, durch die vorhersehbaren, vorwiegend viskositätsabhängige Strömungsverlustcharakteristik (Ri) bestimmt wird, zum anderen in Abhängigkeit von der konstruktiv beeinflußbaren, durchflußabhängigen (Q₂) Druckverlustcharakteristik der Blende (R₂). daher ein zunächst sehr geringer, mit der zunehmenden ölerwärmung sich dann steigernder Ölanteil (Q]) zum ölkühlsystem geleitet wird, nahe der günstigen Ölviskosität und daher öltemperatur ein nicht mehr sehr zunehmender ölstrom (Q₁) zum Ölkühlsystem geleitet wird, daß der zunächst geringe Ölstrom (Q]) mehr gekühlt wird als der größere ölstrom (Q\) bei geringerer ölviskosität (höherer öltemperatur), die beiden Ölströme (Qi, Q2) mit ihren unterschiedlichen öltemperaturen eine ölmischtemperatur im ölbehälter ergeben bzw. einstellen, deren Mischtemperatur im kälteren (oder kalten) Betriebszustand näher dem Blendenölstrom (Q2) liegt, dann steigend zum Beharrungszustand der Einrichtung und bei maximaler Umgebungstemperatur die öltemperatur im Zulauf zum Hydraulikölverbraucher nahe der Austrittstemperatur des ölkühlsystems liegt (Qi), daß der sich ergebende ölgesamtströmungswiderstand (R^s) der Einrichtung wesentlich niedriger liegt als ein Strömungswiderstand (R\ oder R-Λ mit den entsprechenden Gesamtmengen (Q_Ka) in einer parallelen Leitung allein, die Wärmeübertragung vom strömenden öl zum Kühlmedium (Wärmedurchgangskoeffizient K), mit dem logarithm. Temperaturgefälle (Ig At) zwischen strömendem öl und vorbeistreichendem Kühlmedium (Wasser oder Luft) in bekannter komplexer, sich gegenseitig beeinflussender Weise erfolgt, auch im Zusammenhang vom ölwärme-

angebot vom ölnutzanwender zu abgeführten Wärme im ölkühlsystem.

Der ankommende Gesamtölstrom (Q_gCs) teilt sich in

die beiden Leitungen (mit Q\ zum ölkühlsystem, mit Qi durch die Blende zum Behälter) auf, gemäß entsprechenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten, der in parallelen Leitungen auftretenden Verteilung der Ölstrommengen in Abhängigkeit der dabei auftretenden Strö-

mungswiderstände. Die Strömungsverluste im ölkühlsystem (R\) mit der ölmenge Q]. als auch die Strömungsverluste durch die Blende R2 für die ölmenge Qi sind bei den entsprechenden Öltemperaturen graphisch ermittelbar oder rechnerisch durch die bekannte Beziehung

wobei Rges der sich einstellende Gesamtdurchflußwiderstand beider paralleler Leitungen ist. Ferner durch die Beziehungen

Q₂, Q] + Q₂

wobei bei R₂ und R] die sich ergebenden Strömungswiderstände bei den entsprechenden Öltemperaturen und der Gesamtmenge Q_ges bei der Blende und im ölkühlsystem zu berücksichtigen sind.

Zur Erzielung eines günstigen Regelverhaltens der Ölströme ist ein Wert

R₁ =(20 bis 200)- A₂

im kalten Betriebszustand der Hydraulikanlage erforderlich, bei der höchstens Öltemperatur oder im betriebswarmen Zustand des Öles sollte das Verhältis der Strömungswiderstände (R₂) der Blende zu den Strömungsverlustwiderständen (Ri) des öikühlsystems dem 2- bis 20fachen Wert entsprechen

Bei geringen Umgebungstemperaturen, die meist auch die Bedingungen aus kaltem Anfahrzustand sind, gehen zunächst bis zur entsprechenden ölerwärmung ca. 80-98% der Gesamtölmenge Q_gei durch die Blende direkt zum ölbehälter (entsprechend der Auslegung und Dimensionierung von Blende und Heizfläche). Bei betrieblich günstigem ölviskositätsbereich (und damit abhängiger günstiger öltemperatur) gelangen ca. 5—25% der Gesamtölmenge Q_ga über die Blende (unter Umgehung des ölkühlsystems) direkt in den Ölbehälter.

Mit der zunächst von Anbeginn der Inbetriebnahme, bei sehr kalten Anfahrzuständen, abgehenden geringen ölmenge Qi durch das ölkühlsystem wird die Ölmischtemperatur im ölbehälter zum Abgang zum ölverbraucher unwesentlich reduzierter als die Öltemperatur des ölstromes Q₂ durch die Blende. Jedoch wird damit erreicht, durch das Regelverhalten der Blende zum Ölkühlystem, daß von Anbeginn der Inbetriebnahme der Hydraulikanlage sofort ein entsprechender kleiner Teilölstrom Q\ mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten (mit entsprechend geringem Strömungswiderstandswert R\) durch das ölkühlsystem gefördert wird. Damit wird ein stagnierender »ölpfropfen« verhindert.

Die Blende mit dem verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand (R₂) wirkt auch in extrem kaltem Zustand als Sicherheitseinrichtung gegen zu hohen Rücklaufdruck zu dem Hydrauliknutzanwender, die infolge hoher Ölströmungswiderstände im ölkühlsystem auftreten könnten.

Die aus dem öldurchflossenen ölkühlsystem gebildete Heizfläche zum umgebenden Kühlmedium wird für die ungünstigsten betrieblichen Bedingungen ermittelt; diese sind die minimal zulässige ölviskosität und zugleich der maximal erwünschte Höchstwert der öltemperatur und die größte mögliche Umgebungstemperatur des Kühlmediums.

Die Heizfläche isi während des Betriebes unveränderlich. Die Heizflächengröße wird ermittelt aus der Beziehung

F_H,n=J x Ar-'

wobei /die zu übertragende Überschußwärmemenge je Zeiteinheit, it der Wärmedurchgangskoeffizient von Öl auf das umgebende Kühlmedium, Ig At die logarithmische Temperaturdifferenz zwischen strömendem öl und Kühlmedium ist; diese Werte ändern sich von Betriebsbeginn bis zum Beharrungszustand.

In F i g. 2 ist das ölkühlsystem 5, aus Röhren bestehend, in einem wasserumflossenen Behälter 18 vorgesehen, mit Kühlwasserzufluß 19 und Kühlwasserabfluß 20, gezeigt, und zwar mit den Bauteilen und der Regelwirkungsweise der ölströme wie bei F i g. 1 beschrieben. Lediglich für die Wärmeabfuhr mit Wasser müssen entsprechende Einrichtungen vorgesehen werden, die aber auch stets erforderlich sind für Hydraulikeinrichtungen mit flüssigkeitsgekühlten Ölkühlern.

In F i g. 3 ist das ölkühlsystem 5, aus Röhren oder Platten bestehend, in einem fließenden Flüssigkeitsstrom 14 gezeigt, der von der Fassung 21 geführt wird, wobei die Einrichtung nach derselben Wirkungsweise arbeitet wie vorstehend beschrieben.

In F i g. 4 ist das Regelhilfsorgan, die Blende 8, in einer Ausführungsform gezeigt bei der ein Wirkteil, dir Blendenkörper 15, ais flache und dünne Scheibe mit seiner Bohrung dei zwischen zwei Flanschen 16 mit den daran angeschlossenen Leitungen 9 und 4 verschraubt angebracht ist. Der innere Durchmesser or und der Querschnitt der Rohrleitungen 4 und 9 als anderes Wirkteil beeinflussen nach der Beschreibung und dem in Fig.8 gezeigten Beispiel das ölstrom- und ölwiderstandsverhalten, dem ölviskositätsbedingten ölstrom Q\ durch das ölkühlsystem und den ölmengenbedingten ölstrom Q₂ direkt zu dem Behälter.

F i g. 5 zeigt das Regelhilfsorgan, die Blende 8, in einer Ausführungsform, bei der der Blendenkörper 15 in der

ίο die Leitungen 4 und 9 verbindenden Muffe 17 angeordnet ist.

In F i g. 6 ist im Längsschnitt, in F i g. 7 im Querschnitt, in der Rohrlängsachse gesehen, ein Blendenkörper 15 in der Ausführung einer sog. Teilblende gezeigt, bei der die Blendenwirkung anstelle einer Bohrung durch einen Abschnitt von der wählbaren Höhe h in dem Blendenkörper 15 erfolgt. Rohrquerschnitt und die freie Fläche, bedingt durch Λ in der Verbindung der Flansche, sind bestimmend für den Strömungsfaktor a.

Teilblenden sind dafür bekannt, daß sie bereits bei geringen öldurchflußmengen gleichförmig zu- oder abnehmende Strömungsverluste erbringen. Von Vorteil ist es, wenn die Teilblendenkante in waagerechter Lage der Leitungen 4 und 9 senkrecht steht; damit wird vermieden, daß Luftausscheidungen oder Festkörperausscheidungen vor oder nach dem Blendenkörper 15 sich festsetzen können.

Fig.δ zeigt das ermittelte Strömungsverlustverhalten der Blende 8 (mit R2), nahezu ölviskositäts- und -temperaturabhängig, mit Ri, in einer beispielhaften Einrichtung. Auf der Abszisse sind im normalen Maßstab die ölmengenanteile von Q\ und Q₂ von Q_fC5 (0—100% bzw. 100—0%), auf der Ordinate im logarithmischen Maßstab die zugehörigen Strömungsverluste ölkühlsystem (R\) und Blende (R₂) aufgetragen. Die Schnittpunkte der Linienzüge bei der entsprechenden öltemperatur bzw. ölviskosität ergeben auf der Abszisse die entsprechenden öimengenanteile Q\ bzw. Q₁, die zum Ölkühlsystem 5 oder durch die Blende 8 fließen, und auf der Ordinate den dabei entstehenden Gesamtdruckverlust Rgcs in Bar zwischen dem Leitungsende 2 und dem Ölbehälter 7.

Es ist erkennbar, daß durch bauliche Maßnahmen in der Blende 8 oder dem Kühlsystem 5 der Gesamtdruckverlust R_ges durch die Einzelverluste Ri und R₂ veränderbar oder anpaßbar ist und an das gewünschte oder erforderliche Ölviskositätsverhalten und ölkühlverhalten der Einrichtung angepaßt werden kann. So genügt es bereits, den Blendenkörper 15 gem. F i g. 4—7 durch einen anderen Blendenkörper 15 zu ersetzen, um geänderten ölen und Betriebsbedürfnissen zu entsprechen.

Fig.9 gibt die nach Fig. 8 ermittelte Verteilung, in Abhängigkeit der ölviskosität und -temperatur, der ölströme durch die Blende Cb und durch das Ölkühlsystem des ölkühlers 13 (nach Fig. 1) wieder und zeigt den Wert des Verhäitnisfaktors X= Qi : Q₂, der für die Mischtemperatur beider ölströme im ölbehälter bestimmend ist

Fig. 10 gibt gemäß der erfindungsgemäßen Einrichtung in einem beispielhaft gewählten luftgekühlten und konvektiv angetriebenen ölkühler (nach F i g. 1) in mehreren Linienzügen, in Abhängigkeit der Umgebungslufttemperatur, nach Erreichen des Beharrungszustandes wieder:

Linienzugbezeichnungen:

a) die ölwärmeabgabe und Wärmeübergabe an das

11 12

Kühlmedium (Luft) im ölkühler,

b) die öleintrittstemperatur in das ölkühlsystem (zugleich öltemperatur aus dem Hydrauliknutzanwender),

c) die ölaustrittstemperatur aus dem Ölkühlsystem (hier luftgekühlt),

d) der sich einstellenden ölmischtemperatur im ölbehälter,

e) der kinematischen Zähigkeit des Öles zum Hydraulikölnutzanwender,

f) der Austrittstemperatur des Kühlmediums (hier Luft) aus dem ölkühlsystem,

g) der beispielsweisen Strömungsverluste des Kühlmediums (Luft) im Ölkühlsystem (zugleich konvektiver Luf'strömungsantrteb),

h) der logarithmischen Temperaturdifferenz zwischen ein- und ausströmendem öl und dem Kühlmedium (Luft),

i) der sich einstellende Wärmedurchgangskoeffizient k vom zu kühlenden öi an das Kühlmedium (hier id Luft), der abhängig ist von dem öldurchfluß durch das Kühlsystem, der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit, der Anordnung der Rohre oder Platten zueinander. Durch die Anordnung der Rohre oder Platten zueinander, deren Größe und Abstände zueinander, läßt sich die Größe k als auch dessen Linienneigung beeinflussen. Jedoch ist damit immer eine Änderung der Kühlmediumströmungsverluste verbunden;

k) Kühlmittelmenge (Luft) durci. das ölkühlsystem.

Für die ölkühler 14 und 18 nach den Fig. 2 und 3 ergeben sich sinngemäße Gegebenheiten und Zustände mit der Blende 8 im Zusammenwirken des ölkühlsystems 5 und dem Ölbehälter 7 mit den unterschiedlichen Kühlmedien.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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55

60

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hydraulikanlage mit einem vorzugsweise kleinvolumigen ölbehälter, einer aus dem Ölbehälter gespeisten ölförderpumpe, von dieser mit Drucköl versorgten ölverbrauchern, einer von diesen zu einem austrittsseitig mit dem Ölbehälter verbundenen ölkühler führenden Rückführleitung, die einen den Kühler mittel- oder unmittelbar überbrückenden Bypasskanal aufweist, wobei ein sprungartig verengter Ausströmungsquerschnitt mit vernachlässigbar kleiner Länge im Bypasskanal die ölmengenteile, weiche über den Bypasskanal und den Kühler zum Behälter fließen, temperaturabhängig aufteilt, d a durch gekennzeichnet, daß der Bypasskanal als Leitung (4, 9) ausgebildet ist, die mindestens vor und hinter der Verengung geradlinig verläuft und daß der Durchströmwiderstand des ölkühlers (5) weniger als die Hälfte des Durchströmwiderstandes der Verengung beträgt, wenn sich das Öl in optimalem Betriebszustand befindet.

2. Hydraulikanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung als blendenartiger Körper (8) ausgebildet und in einem röhrenförmigen Gehäuse (19) eingebaut ist

3. Hydraulikanlage nack Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung als blendenartiger Körper (8) ausgebildet und zwischen zwei Flanschen (16), die an der Bypassleitung (4, 9) angeordnet sind, befestigt ist.

4. Hydraulikanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurc-i gekennzeichnet, daß in der Bypassleitung (4, 9) eine Muffe (17) angeordnet ist, die im Inneren die Blendi (8) aufnimmt