DE3632274C2 - Hydraulische Servosteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine durch Eigenmedium betriebene hydraulische Servosteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Handhabung von unter hohem Druck stehenden Flüssigkeiten wie bei der Abführung des Mindestförderstromes von Hochdruck-Kreiselpumpen bei Schwachlastbetrieb.

Es ist bekannt, zur Aufrechterhaltung des Mindestförderstromes von Hochdruck- Kreiselpumpen Entspannungsventile mit Stufenkolben zu verwenden. Bei Unterschreitung des Mindestförderstromes der Kreiselpumpe wird dabei in der Druckleitung durch den Hub des Rückschlagkegels oder die Messung des Durchflusses durch eine Blende ein Impuls auf ein Vorsteuerventil gegeben, welches öffnet und einen Steuerstrom auf den Stufenkolben des Entspannungs­ ventils gibt, so daß sich letzteres öffnet. Meist ist die Auf-Zu-Schaltung im Einsatz. Es sind aber auch Steuerungen bekannt, die durch das Entspan­ nungsventil gerade nur so viel abströmen lassen wie bei der momentanen Pumpenförderung noch am Mindestförderstrom fehlt.

Das Stufenkolben-Prinzip ist in allen Einzelheiten durch die Literatur­ stelle Volk, "Absperrorgane in Rohrleitungen", Berlin/Göttingen/Heidel­ berg 1959, S. 56-57, bekannt. Dabei wird ein kleines Nadelventil mit ge­ ringer Kraft verstellt, wodurch ein kleiner Teilstrom der zu steuernden Flüssigkeit von der Hochdruckseite durch eine Serie von Drosseln zur Nie­ derdruckseite abgeleitet wird. In dieser Drosselstrecke stellen sich zwischen den einzelnen Drosseln Teildrücke ein, die unmittelbar auf die unter­ schiedlichen Flächen des Stufenkolbens wirken. Die Summe der Kräfte bewegt das Hauptventil dem Nadelventil hinterher. Es liegt die Arbeitsweise eines Stellungsreglers vor. Solche Ventile mit schwimmendem Stufenkolben reagieren auf sehr kleine Kräfte und sind entsprechend empfindlich. Für die Handhabung von Hochdruck-Flüssigkeiten sind jedoch robuste Steuerungen erforderlich. Beim Abbau großer Druckgefälle ist das Nadelventil einer gewissen Kavitationsgefahr ausgesetzt, die die Sitzflächen beschädigen kann. Auch hier ist eine Verbesserung notwendig.

Die deutsche Auslegeschrift 11 52 020 beschreibt bereits eine durch Eigenmedium betriebene hydraulische Servosteuerung mit Stufenkolben 19, 21 und damit fest verbundenem Ventil 10, welches in Strömungsrichtung schließt, mit zwei Drosselstrecken 5, 22, wovon eine den Steuerstrom für das Öffnen 5 und die andere den für das Schließen 22 bestimmt. Die Drosselstrecke 5 arbeitet mit dem Schieber 16 zusammen und bildet so eine veränderliche Drossel, welche als Vor­ steuerventil den Steuerstrom für das Öffnen freigibt. Die Wirkungsweise ist in Sp. 3, Z. 1-35, beschrieben. Der Rückschlagkegel 4 hält bei ausreichendem Durchfluß den Nebenauslaß durch das Verschlußstück 16 geschlossen, so daß im Steuerzylinder 6 Niederdruck herrscht, der das Verschlußstück 10 schließt. Durch Unterschreiten der Mindestwassermenge fällt der Rückschlagkegel 4 auf seinen Sitz 17 und öffnet dadurch den Nebenauslaß, so daß im Steuer­ zylinder 6 infolge der Drosselwirkung des Drosselventils 22 der Druck ansteigt und das Verschlußstück 10 in seine Offenlage geht. Die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten des Verschlußstücks 10 sind groß und annähernd gleich.

Der Sonderdruck "Dichtungsprobleme bei Heißwasser-Armaturen" aus der Zeitschrift "Industrie- Anzeiger", Nr. 46 vom 8. Juni 1965, zeigt auf S. 3 in Bild 2 im Schnitt ein Freilaufrück­ schlagventil, dessen Freilaufeinrichtung in Bild 4 vergrößert dargestellt ist. Das Kaskadenventil 9 bildet mit dem Servo-Kolben 10 einen Stufenkolben. Das Steuerventil 11 ist als Nadelventil ausgebildet. Die Spitze des Nadelventils gibt als Vorsteuerventil den Steuerstrom für das Öffnen des Kaskadenventils 9 frei, dessen Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten groß und annähernd gleich sind.

Zu den bekannten Steuerungen, die durch ein Absperrorgan gerade nur so viel abströmen lassen, wie bei der momentanen Pumpenförderung noch am Mindestförderstrom fehlt, gehört die nach der deutschen Patentschrift 15 28 733. Dieser Effekt wird durch die Zwischenschaltung eines durch das Mindestmengenventil 7 betätigten Steuerschiebers 13 erzielt. Die hierbei auftretenden Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten sind groß und nahezu gleich.

Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 15 28 784 betätigt ein Nebenauslaßsteuerventil 17 über die Steuerschlitze 26 des unteren Schaftes 15 hydraulisch den Servokolben 19 und damit das Mindestmengenventil 11, welches sowohl mit Auf-Zu-Schaltung arbeiten, als auch Zwischen­ stellungen einnehmen kann (S. 4, Abs. 3). Die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten sind hierbei ebenfalls groß und annähernd gleich.

In den Fällen, in denen der Hub des der Pumpe nachgeschalteten Rückschlagventils als Impulsgeber für das Vorsteuerventil dient, ist daran zu denken, daß der Kegel dieses Ventils in seiner Hubhöhe durch Gleichgewicht zwischen Strömungs- und Schließkraft bestimmt ist und deshalb ein schwingfähiger Körper ist. In den üblichen Rohrleitungen haben die Frequenzen zwischen 1 und 5 Hz merkliche Amplituden. Deshalb sorgt man dafür, daß die Rück­ schlagkegel eine Eigenfrequenz oberhalb 5 Hz haben. So ist man sicher, daß keine gegenphasige Bewegungen stattfinden.

Infolge der Elastizität der Flüssigkeit und der Wände ist die Rohrlei­ tung hinter der Pumpe ebenfalls schwingfähig. Bei den üblichen Leitungs­ längen stellt man auch hier vor allem Frequenzen zwischen 1 und 5 Hz fest. Solange die Pumpenkennlinie stabil ist und eine gewisse Kennlinien-Steil­ heit besitzt, genügt es die Einzelstörungen auszuschalten. Bei flacher bzw. labiler Pumpenkennlinie bezieht der Schwingungsvorgang seine Energie ohne Mitwirkung des Rückschlagventils aus der Speicherfähigkeit der Rohrleitung, denn wenn mit steigendem Durchfluß der statische Druck an­ steigt, nimmt die Rohrleitung durch Ausdehnung zusätzliche Flüssigkeit auf. Der Betriebspunkt auf der Pumpenkennlinie wandert dadurch immer weiter zu seinem Scheitel hin. Dort schlägt der Vorgang um, so daß der Betriebs­ punkt wieder zurückwandert. Diese Störung benötigt etwa 20 volle Perioden bis zum völligen Aufschaukeln. Hier genügt es also nicht mehr, nur den Einzelvorgang zu stören. Vielmehr muß das Aufschaukeln insgesamt verhindert werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, der bekannten hydraulischen Servosteu­ erung nach dem Prinzip des schwimmenden Stufenkolbens die Empfindlichkeit zu nehmen, um sie für die Abführung des Mindestförderstromes von Hochdruck- Kreiselpumpen und ähnliche Fälle einsatzfähig zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuerstrom für das Schließen des Ventil­ verschlußstücks höchstens halb so groß ist wie der für das Öffnen und daß der Hub des Ventilverschlußstücks in Schließrichtung mindestens 2 Sekunden benötigt.

Auf diese Weise wird verhindert, daß sich durch Störungen ausgelöste Eigenbewegungen des Rückschlagkegels zu vollen Schwingungen entwickeln. Die möglichen Halbschwingungen haben so stark unterschiedliche Frequenzen, daß sie sich selbst löschen.

Bei Anwendung der Servosteuerung mit Hochdruck-Kreiselpumpen, die eine labile Pumpenkennlinie haben, wird der Teilstrom für das Schließen so stark gedrosselt, daß die Schließzeit mindestens 20 Sekunden beträgt. Es fehlt dadurch die Zeit für das Aufschaukeln zur Pulsation. Dies ist in vielen Fällen durch die Praxis bestätigt worden.

Um den Teilstrom für das Schließen den Betriebsbedingungen leicht anpas­ sen zu können, ist eine Drossel vorhanden, die verstellbar ist. Dabei ist es zweckmäßig, die verstellbare Drossel parallel zu einer festen Drossel zu schalten, die eine Schließzeit von mehr als 20 Sekunden bewirkt, und die verstellbare Drossel mit einer Begrenzung zu versehen, die das Unter­ schreiten einer Schließzeit von 2 Sekunden gewährleistet.

Um das Nadelventil auch für große Druckgefälle verschleißfest zu machen, erfolgt die Zuströmung der Steuer­ ströme in den Raum um die Spitze des Nadelventils tangential.

Dadurch ergibt sich eine Wirbeldüse, in der die Ablösung der Strömung nur an der Nadelspitze erfolgen kann, wie die Literatur­ stelle Eck, "Technische Strömungslehre", Berlin/Göttingen/Heidelberg 1961, S. 210-212, aufweist. Aber auch der Zentriwinkel des Nadelventils ist ver­ antwortlich für die Standfestigkeit. Aufgrund langjähriger Erfahrung hat sich ein Optimum zwischen 33° und 45° ergeben. Bei 30° tritt Verklemmen auf, während bei 60° Erosionsverschleiß in Erscheinung tritt.

Andere Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 stellt die Servosteuerung für Auf-Zu-Schaltung dar. Sie dient u. a. zur Abführung des Mindestförderstromes einer Hochdruck-Kreiselpumpe bei Unterschreitung der Schwachlastgrenze. Im Gehäuse 1 ist der Zylinder 2 eingearbeitet, der durch die Sitzbuchse 3 geschlossen ist. Darin sitzt der Stufenkolben 4 mit dem Kolbenring 5 und dem Ventilverschlußstück 6, welche sich gemeinsam axial bewegen können. Die Sitzbuchse 3 hat die Sitzfläche 7 und Drosselschlitze 8 zur Strömungsführung. Durch die Schlitze 9 tritt die Hochdruckflüssigkeit in das Gehäuse 1 ein und durch die Zentralboh­ rung 10 wieder aus, wenn das Ventilverschlußstück 6 die Sitzfläche freigegeben hat. Ferner ist im Gehäuse 1 die Bohrung 11 für das Nadelventil 12 mit der Spitze 13 eingearbeitet. Letztere bildet mit dem Sitz 14 eine veränder­ liche Drossel. Bei geöffnetem Nadelventil kann aus dem Zylinder 2 über die Bohrung 15 durch die Drossel 13, 14 und die Zentralbohrung 16 der Steuerstrom zum Öffnen des Ventilverschlußstücks 6 in die Abführung 17 strömen. Bei geschlossenem Nadelventil 12 strömt nur der ständige Leckstrom, der durch die Breite B und die Länge L des Spaltes zwischen der Bohrung 11 und dem Nadelventil 12 bestimmt ist, in den Zylinder 2 ein und bestimmt die Schließzeit des Ventilverschlußstücks 6. Die Schließzeit läßt sich aus den Betriebs­ daten und den Stoffwerten der Flüssigkeit berechnen. Für Wasser gibt es Diagramme, die aus Versuchsreihen entwickelt wurden. In der Praxis wird bei der Feststellung von Pulsationen in einer Anlage einfach das Nadel­ ventil 12 durch ein größeres ausgetauscht und dadurch der Spalt B verkleinert.

Die Fig. 2 zeigt die tangentiale Anordnung der Bohrung 15 zum Sitz 14 und der Zentralbohrung 16.

Die Fig. 3 zeigt eine modulierende Servosteuerung. Das Nadelventil 12 sitzt eng in der Bohrung 11, so daß der Leckstrom vernachlässigbar ist. Der zum Schließen des Ventilverschlußstücks 6 erforderliche Leckstrom wird durch die ein­ stellbare Drossel 19 zugeführt. Die Drossel 19 hat die Passagen 20, die den Leckstrom für eine Schließzeit von 2 Sekunden begrenzen. Einstellbar ist die Drossel 19 mit der Spitze 21 und der Bohrung 22 durch Verdrehen im Gewinde 23. Dies läßt sich beispielsweise durch den Innensechskant am Einlauf der Drossel 19 bewerkstelligen. Das Gewinde 23 wird nach dem Ein­ setzen der Drossel 19 verstemmt, um Unverlierbarkeit zu gewährleisten. Die Bohrung 22 ist tangential angeordnet, wie Fig. 4 zeigt. In Fig. 3 hat der schwimmende Stufenkolben 4a in einer Ausnehmung den fest verbundenen Drosselkörper 25. In dessen Zentralbohrung sind die Drosselkanäle 26 eingearbeitet, die Gewindeform haben und deren Quer­ schnitt hubabhängig verläuft. Die Abdeckung geschieht durch den kolben­ förmigen Vorsprung 27 mit den Zuführungen 28, durch die Druckflüssig­ keit einströmen kann. Durch Anheben des Nadelventils 12 wird der Druck im Zylinder 2 abgesenkt. Der Stufenkolben 4a bewegt sich mit dem Drossel­ körper 25 nach links. Dadurch wird der Querschnitt der Drosselkanäle 26 vergrößert, so daß Druckflüssigkeit in den Zylinder 2 einströmt, wodurch der Druck wieder ansteigt und die Bewegung des Stufenkolbens 4a bei einem bestimmten Hub zum Stillstand kommt. Auf diese Weise ist jeder Hub­ höhe des Nadelventils 12 eine Hublage des Ventils 6 zugeordnet. Es liegt eine modulierende Steuerung vor. Die Drosselkanäle werden so dimensio­ niert, daß bei Bezug auf den Gesamthub des Ventilverschlußstücks 6 in Nähe der Schließ­ lage der Querschnitt für 20 Sekunden und bei voller Öffnung für 2 Sekun­ den berechnet ist. Die Schließgeschwindigkeit ist hierbei hubabhängig. Der Stufenkolben 4a wird durch die Feder 24 in Schließrichtung belastet. Die Feder 24 dient dazu, Rückströmen aus der Zentralbohrung 10 zu verhindern. Die Feder 24 hat vor allem bei entsprechender Steife die Auf­ gabe, jedem Hub des Ventilverschlußstücks 6 einen Gleichgewichtsdruck im Zylinder 2 zuzuordnen. So ist es sogar möglich, ohne die Drosselstrecke 25, 26, 27, 28 eine modulierende Servosteuerung zu haben.

Die Fig. 5 zeigt die Servosteuerung mit schwimmendem Stufenkolben nach dem Folgeprinzip. Das Nadelventil 12a ist in der Gehäusebohrung 11a geführt und sitzt zentral in der Bohrung 11b des Stufenkolbens 4b. Das Nadelven­ til 12a hat im Bereich der Bohrung 11b das Gewinde 29, dessen Aufgabe die Erzeugung einer Drehbewegung der Spaltströmung ist. Der Gabelhebel 30, der auf Stift 31 gelagert ist, drückt mit seinen Daumen 32 auf den Kopf 33 des Nadelventils 12a. Der Stufenkolben 4b mit dem Ventilverschlußstück 6 folgt in bekannter Weise dem Nadelventil 12a, denn Gleichgewicht für den Stufenkolben 4b ist nur vorhanden, wenn die aus Spitze 13 und Sitz 14 bestehende Drossel so groß ist, daß sie im Zusammenwirken mit der Drossel 19 im Zylinder 2 den passenden Druck erzeugt. Wenn der Gabelhebel 30 nach oben bewegt wird, ver­ lieren die Daumen 32 ihren Kontakt zum Kopf 33. Das Ventilverschlußstück 6 bewegt sich dann mit der durch die Drossel 19 bestimmten Geschwindigkeit in die Schließlage.

Claims (11)

1. Durch Eigenmedium betriebene hydraulische Servosteuerung mit Stufen­ kolben und damit fest verbundenem Ventilverschlußstück, welches in Strömungsrichtung schließt, mit zwei Drosselstrecken, wovon eine den Steuerstrom für das Öffnen und die andere den Steuerstrom für das Schließen des Ventils bestimmt, und mit einem Nadelventil, welches als Vorsteuerventil den Steuerstrom für das Öffnen freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom für das Schließen des Ventilverschlußstücks (6) höchstens halb so groß ist wie der für das Öffnen und daß der Hub (H) des Ventilverschlußstücks (6) in Schließrichtung mindestens zwei Sekunden benötigt.

2. Servosteuerung nach Anspruch 1 für die Aufrechterhaltung des Mindest­ förderstromes einer Kreiselpumpe mit labiler Kennlinie, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hub (H) des Ventilverschlußstücks (6) in Schließ­ richtung mindestens 20 Sekunden benötigt.

3. Servosteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Drosselstrecke für das Schließen des Ventilverschlußstücks (6) ein verstellbares Nadelventil (19) enthalten ist.

4. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuströmung der Steuerströme in den Raum um die Spitze (13) des Nadelventils (12) tangential erfolgt.

5. Servosteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pas­ sage des Nadelventils (19) maximal einen Steuerstrom durchläßt, der das Schließen des Ventilverschlußstücks (6) auf zwei oder mehr Sekunden beschränkt.

6. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (13) des Nadelventils (12) einen Zentriwinkel zwischen 33° und 45° hat.

7. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilverschlußstück (6) durch die Schließkraft einer Feder (24) zusätzlich belastet ist.

8. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Drosselstrecke für das Schließen des Ventils (6) eine mit dem Hub (H) des Ventilverschlußstücks (6) veränderliche Drosselstrecke (28, 27, 26, 25) vorhanden ist.

9. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelventil (12a) in einer zentralen Bohrung (11b) des Stufen­ kolbens (4b) steckt und mit seiner Spitze (13) und dem Sitz (14) eine veränderliche Drossel bildet, die den Druck im Zylinder (2) selbsttätig so einstellt, daß der Hub des Ventilverschlußstücks (6) immer dem Hub des Nadelventils (12a) folgt, und zwar in Öffnungsrichtung schnell und in Schließ­ richtung verzögert.

10. Servosteuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft des Nadelventils (12a) im Bereich der Bohrung (11b) mit Gewinde (29) versehen ist.

11. Servosteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelventil (12, 12a) durch einen Gabelhebel (30) in Öffnungsrichtung und durch den Flüssigkeitsdruck in Schließrichtung bewegt wird und der Gabelhebel (30) durch einen Rückschlagkegel in der Druckleitung einer Kreiselpumpe betätigt wird.