DE4215403C2 - Doppelkolbenpumpe zum Fördern von flüssigen Materialien, insbesondere von Beton oder Mörtel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Doppelkolbenpumpe zum Fördern von flüssigen Materialien, insbesondere von Beton oder Mörtel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In verschiedenen Anwendungsgebieten ist es beim Pumpen von flüssigen Materialien wichtig, daß der Förderstrom der Pumpe kontinuierlich, also ohne Pulsationen gepumpt wird. Ein solches Anwendungsgebiet ist das Naßspritzen von Beton, z. B. zum Verkleiden von Tunnelwänden.

Aus der DE 35 25 003 A1 ist eine Doppelkolbenpumpe zum Fördern von Beton bekannt. Diese bekannte Pumpe weist zwei Kolben-Zylinder Einheiten auf, deren Pumpräume wechselweise mit einem gemeinsamen, der Aufnahme des Betons dienenden Fülltrichter oder durch eine hydraulisch betätigte Weiche mit einem Förderschlauch verbunden sind. Zum Antrieb der Förderkolben sind in Hydraulikzylindern angeordnete und mit den Förderkolben verbundene Antriebskolben vorgesehen, deren von den Förderkolben abgewandte Zylinderräume wechselweise über ein Ventil und eine Leitung mit einer Antriebspumpe verbindbar und deren den Förderkolben zugewandte Zylinderräume über eine Verbindungsleitung direkt miteinander verbunden sind. Die Förderkolben werden derart angetrieben, daß jeweils der im Saughub befindliche Förderkolben seine Endposition erreicht, bevor der andere Förderkolben seinen Druckhub beendet hat. Nach Beendigung des Saughubes beginnt dieser Förderkolben unmittelbar mit seinem Druckhub, wobei der jeweilige Antriebskolben von einer Hilfspumpe angetrieben wird. Da der Förderkolben zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit dem Förderschlauch verbunden ist, wird eine kleine Menge des Materials in den Fülltrichter zurückgefördert, was zu einem Förderverlust führt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe durch eine Neugestaltung des hydraulischen Kreislaufs für den Antrieb der wechselweise im Saughub und Druckhub arbeitenden Förderkolben zu schaffen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des hydraulischen Kreislaufs bleibt der erste Kolben am Ende des Saughubes für eine kurze Zeit in seiner Endposition. Damit bleibt Zeit für einen Druckausgleich zwischen dem Inneren des Förderzylinders und dem Fülltrichter, was zu einem besseren Füllungsgrad führt. Dieser Förderzylinder ist dann vollständig gefüllt zur Förderung bereit, wenn die Weiche umgestellt wird und die Funktion der Förderkolben wechselt. Nach Beendigung des Druckhubes des zweiten Förderkolbens beginnt der erste Förderkolben unverzüglich mit seinem Druckhub. Über ein der Bypassleitung zugeordnetes Zweiwegeventil und der mit einem Einwegeventil gekoppelten Drosselblende wird zur Erhöhung der Rückzugsgeschwindigkeit des Förderkolbens im Saughub zusätzlich Flüssigkeit in die Verbindungsleitung eingespeist, mit der die den Förderkolben zugewandten Zylinderräume der Antriebskolben untereinander verbunden sind. Beim Erreichen der Endposition des jeweiligen sich im Saughub befindlichen Förderkolbens wird die Verbindungsleitung über das sich dann öffnende Entlastungsventil mit dem Tank verbunden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivzeichnung der wesentlichen Bestandteile der Doppelkolbenpumpe;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der hydraulischen Kreisläufe in einer solchen Doppelkolbenpumpe ohne die erfinderische Maßnahme;

Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 2 mit der erfinderischen Maßnahme;

Fig. 4 die Fördermenge in Funktion der Zeit dargestellt bei einer herkömmlichen Vorrichtung mit Einstellung des "pushover" von Hand;

Fig. 5 die Fördermenge in Funktion der Zeit dargestellt bei einer vorteilhaften Lösung mit automatischer Einstellung des "pushover";

Fig. 6 eine Steuerschaltung für das zwischen Antriebspumpe und Hydraulikzylindern angeordnete Ventil.

In Fig. 1 stehen die Pumpräume von zwei Förderzylindern 1 und 2 über Öffnungen 3 und 4 mit einem Fülltrichter 5 einer Betonpumpe in Verbindung. In den Förderzylindern 1, 2 bewegen sich Förderkolben 6 und 7, um in einem Förderzylinder das Material anzusaugen und im anderen Förderzylinder das Material zu pumpen. Innerhalb des Fülltrichters 5 dreht sich ein Verbindungsrohr 8 mit einem Verbindungsstück 10 um ein Gelenk 9 (zusammen "Weiche" genannt). Der weiße Doppelpfeil gibt an, wie die Weiche zwischen den Öffnungen 3 und 4 wechselt.

Die Arbeitsweise der Doppelkolbenpumpe wird mit den schraffierten Pfeilen A, B und C angedeutet. A steht für die Zugabe von Material in den Fülltrichter 5. Wenn die Öffnung 3 des Förderzylinders 2 offen ist, bewegt sich der Förderkolben 7, wie durch B angegeben, von der Öffnung 3 weg, so daß Material angesaugt wird. Gleichzeitig bewegt sich der Förderkolben 6 im Förderzylinder 1 auf die Öffnung 4 zu und pumpt das vorher angesaugte Material hinaus. Weil das Verbindungsrohr 8 mit der Öffnung 4 verbunden ist, wird das Material, wie durch C angegeben, hinaus befördert.

In Fig. 2 sind auf der linken Seite - den Förderzylindern 1, 2 und den Förderkolben 6, 7 der Fig. 1 entsprechende - Förderzylinder 11, 12 und Förderkolben 15, 16 dargestellt. Jeder Förderzylinder 11, 12 ist über eine Verbindungsstange 19, 20 mit einem Antriebskolben 17, 18 verbunden, der in einem entsprechenden Hydraulikzylinder 13, 14 angeordnet ist, so daß jede Bewegung der Antriebskolben 17, 16 in den Hydraulikzylindern 13, 14 eine entsprechende Bewegung der Förderkolben 15, 18 in den Förderzylindern 11, 12 verursacht. Am Ende jedes Hydraulikzylinders 13, 14 ist ein Sensor 21, 22 montiert, der jeweils die Ankunft des Antriebskolbens 17, 18 an diesem Ende registriert. Weitere Bestandteile des hydraulischen Kreises sind ein Ventil 23, eine Antriebspumpe 24 und eine Pumpe 25, ein Tank 26 für die hydraulische Flüssigkeit sowie ein Überdruckgefäß 27. In der Darstellung ist der Förderkolben 15 gerade am Ende seines Druckhubes.

Auf der rechten Seite ist der Hydraulikkreislauf für die Umstellung der Weiche 8, 9, 10 dargestellt, bestehend aus zwei gleichen Hydraulikzylindern 28 und 29 sowie einem Ventil 30. Die Situation wird nun so dargestellt, daß die Weiche bald zum Förderzylinder 12 wechselt.

Im Förderzylinder 11 wird der Förderkolben 15 durch den Antriebskolben 17 im entsprechenden Hydraulikzylinder 13 angetrieben, während dieser Antriebskolben 17 durch den Druck der hydraulischen Flüssigkeit angetrieben wird, die von der Antriebspumpe 24 über das Ventil 23 und die Leitung 39 zugeführt wird. Gleichzeitig wird Flüssigkeit vom dem Förderkolben 15 zugewandten Zylinderraum 31 über eine Verbindungsleitung 32 zum Zylinderraum 33 des Antriebszylinders 14 gefördert, die den Antriebskolben 18 und den damit gekoppelten Förderkolben 16 von der Öffnung wegdrückt.

Wenn der Antriebskolben 17 den Sensor 21 erreicht, wird ein Signal an die Ventile 23 und 30 gegeben, das sie verstellt. Die von der Antriebspumpe 24 und der Pumpe 25 geförderte Flüssigkeit wird damit von den Zylindern 13 und 28 auf die Zylinder 14 und 29 umgelenkt. Die Weiche wechselt zum Förderzylinder 12 und der Förderkolben 16 in dieser Kammer beginnt, Material in das Verbindungsrohr 8 zu stoßen, da der hydraulische Druck sich durch die zweite Leitung 34 auf den Antriebskolben 18 auswirkt. Gleichzeitig beginnt sich der Förderkolben 15 im Förderzylinder 11 zurück zu bewegen, um Material anzusaugen.

In Fig. 3 werden die Teile wie in Fig. 2 dargestellt, welche die gleiche Funktion ausüben. Hinzu kommt eine in einer Bypassleitung angeordnete Drosselblende 35, gekoppelt mit einem Einwegeventil 36, einem Zweiwegeventil 37 und einem Entlastungsventil 38. Zusätzlich zur aus dem Zylinderraum 31 kommenden Flüssigkeit wird hydraulische Flüssigkeit aus der mit der Antriebspumpe 24 in Verbindung stehenden Leitung 39 über das Zweiwegeventil 37, das Einwegeventil 36 und die Drosselblende 35 in die Verbindungsleitung 32 geleitet und in den Zylinderraum 33 geführt. Dadurch wird der Antriebskolben 18 und damit der Förderkolben 16 schneller nach unten gedrückt. Sobald die Endposition des Saughubes erreicht ist, wird das bis jetzt geschlossene Entlastungsventil 38 geöffnet, damit überschüssige Flüssigkeit in den Tank 26 fließen kann. Anschließend wiederholt sich dieser Ablauf für den sich dann im Saughub befindlichen Förderkolben 15.

Die Doppelkolbenpumpe kann noch weiter verbessert werden, indem vom sogenannten "pushover"-System Gebrauch gemacht wird. Diese Einstellung bewirkt, daß zur Erzeugung einer zusätzlichen Fördermenge die Geschwindigkeit des sich im Druckhub befindlichen Förderkolbens kurze Zeit erhöht wird, um die beim Schalten der Weiche entstehende Förderlücke zu kompensieren. Bis zum Ende des Druckhubes wird die Geschwindigkeit des Förderkolbens wieder normalisiert. Bei den herkömmlichen Vorrichtungen erfolgt die Einstellung der zusätzlichen Fördermenge sowie der Zeit von Hand. Diese Lösung hat den Nachteil, daß vor allem beim Betonspritzen die Maschinenführer die Fördermenge und die Betonsteifigkeit sowie dessen Zusammensetzung berücksichtigen müssen, was zu unterschiedlich guten Resultaten führt.

Es wurde gefunden, daß eine verbesserte Kompensation der Förderlücke erfolgen kann, wenn die zusätzliche Fördermenge in Abhängigkeit von der absoluten Fördermenge variiert wird. Durch Automatisierung dieses Vorganges kann beispielsweise die Dauer des "pushover" konstant gehalten und die zusätzliche Fördermenge entsprechend der absoluten Fördermenge eingestellt werden. Das Prinzip dieser Einstellung kann am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläutert werden. In beiden werden graphisch die Fördermenge Q in Funktion der Zeit t dargestellt; in Fig. 4 die Situation bei einer herkömmlichen Vorrichtung mit Einstellung des "pushover" von Hand, in Fig. 5 die Situation bei einer vorteilhaften Lösung. Die ideale Situation einer konstanten Fördermenge Q wird durch eine horizontale Linie dargestellt. Die Punkte A und B kennzeichnen Anfang und Ende der Periode T1 für die Dauer der Umstellung dar Weiche. Während dieser Zeit entsteht die Förderlücke, d. h. die gegenüber der idealen Situation um ΔQ1 zurückgefallene Fördermenge. Diese muß durch eine während der Periode T2 erhöhte Fördermenge kompensiert werden, die in Fig. 4 zu einem Maximum ΔQ2 über die normale Fördermenge gesteigert und nachher allmählich wieder normalisiert wird. In Fig. 5 sorgt eine automatische Steuerung dafür, daß die zusätzlich Fördermenge ΔQ2 immer der Förderlücke ΔQ1 entspricht, unabhängig von der Zusammensetzung und der Steifigkeit der Betonmischung. Die Abhängigkeit der zusätzlichen Menge ΔQ2 von der absoluten Fördermenge kann durch die Gleichung

ΔQ2 = f(Q)

dargestellt werden. Diese Abhängigkeit kann mit einer beliebigen Steuerung wie z. B. einer elektrischen erzeugt werden. Eine bevorzugte Steuerung dieser Art sind zwei mechanisch miteinander gekoppelte Potentiometer, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt wird. Eine andere Möglichkeit wäre eine Computersteuerung.

In Fig. 6 wird das hydraulische Ventil 23 elektrisch gesteuert. Die Menge Q wird mit einem variablen Potentiometer P eingestellt. Mechanisch gekoppelt mit diesem ist ein zweites Potentiometer P2 zur Einstellung der Menge Q + ΔQ2. Die Zeit T2 aus Fig. 5 wird durch ein Relais R2 kontrolliert. Jedes elektrische Signal wird mit einem Verstärker V zum Ventil 23 weitergegeben. Beim Vorwählen der Fördermenge Q wird duch die Koppelung gleichzeitig die Überhöhung ΔQ2 vorgewählt. Die gewünschte Abhängigkeit gemäß der Gleichung ΔQ2 = f(Q) wird durch Versuche ermittelt und in Form einer speziellen Widerstandscharakteristik von P2 umgesetzt.

Durch die beschriebene Doppelkolbenpumpe wird ein über den ganzen Fördermengenbereich nahezu pulsationsfreies Betonspritzen erreicht, ohne daß vom Maschinenführer eine Einstellung oder Korrektur vorgenommen werden muß.

Claims (3)

1. Doppelkolbenpumpe zum Fördern von flüssigen Materialien, insbesondere von Beton oder Mörtel,
mit zwei in Förderzylindern (11, 12) angeordneten Förderkolben (15, 16), deren Pumpräume wechselweise mit einem gemeinsamen und der Aufnahme der Materialien dienenden Fülltrichter (5) oder durch eine hydraulisch betätigte Weiche (8, 9, 10) mit einem Förderschlauch verbunden sind, und
mit einem Antrieb für jeden Förderkolben (15, 16) durch in Hydraulikzylindern (13, 14) angeordnete und mit den Förderkolben (15, 16) verbundene Antriebskolben (17, 18), deren von den Förderkolben (15, 16) abgewandte Zylinderräume wechselweise über ein Ventil (23) und eine Leitung (39, 34) mit einer Antriebspumpe (24) verbindbar und deren den Förderkolben (15, 16) zugewandte Zylinderräume (31, 33) über eine Verbindungsleitung (32) direkt miteinander verbunden sind,
wobei die Förderkolben (15, 16) derart angetrieben werden, daß jeweils der im Saughub befindliche Förderkolben seine Endposition erreicht, bevor der andere Förderkolben seinen Druckhub beendet,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Geschwindigkeit des sich jeweils im Saughub befindlichen Förderkolbens (15, 16) zusätzlich Hydraulikflüssigkeit von der jeweils mit der Antriebspumpe (24) verbundenen Leitung (39, 34) über eine in einer Bypassleitung angeordnete Drosselblende (35) in die Verbindungsleitung (32) eingespeist wird und
daß die Bypassleitung am Ende des Saughubes des jeweiligen Förderkolbens (15, 16) zum Tank (26) geöffnet wird.

2. Doppelkolbenpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am förderkolbenseitigen Ende jedes Hydraulikzylinders (13, 14) je ein Sensor (21, 22) angeordnet ist, der ein Signal an Ventile (23, 30) zum Richtungswechsel der Förderkolben (15, 16) und zum Umschalten der Weiche (8, 9, 10) gibt.

3. Doppelkolbenpumpe nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (23) automatisch so gesteuert wird, daß die sich während der Umstellung der Weiche (8, 9, 10) einstellende Verringerung ΔQ₁ der Fördermenge Q der Doppelkolbenpumpe durch eine zusätzliche Fördermenge ΔQ₂ zu Beginn des folgenden Druckhubes kompensiert wird.