DE4220333A1 - Verfahren zum Bestimmen des Kolbenweges in einem hydraulischen Arbeitszylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des jeweiligen Kolbenweges eines Kolbens in einem hydrauli­ schen Arbeitszylinder und insbesondere ein derartiges Verfahren, mit dem die Schrittweite der Rück- oder Vor­ schubzylinder für das Rücken des Förderers an den elek­ trohydraulisch gesteuerten Ausbaugestellen in einem Kohlestreb kontrolliert werden kann.

Im Rahmen der Automatisierung von Kohlestrebs ist es notwendig, die Hobel- oder Walzenführung, d. h. die För­ derer-Rinne kontrolliert verschieben zu können.

Beim "dosierten Hobeln" wird die Hobelführung, das heißt die Förderer-Rinne, an jedem Schildausbau nach dem Durchgang des Hobels um ein definiertes Maß in Richtung auf den Kohlestoß gerückt. Durch das Rück- oder Vorschubmaß wird die Schnitt-Tiefe für den nächsten Hobeldurchgang bestimmt. Typische Schnitt-Tiefen liegen zwischen 30 mm und 150 mm. Bei größeren Schnitt-Tiefen muß dabei der maximal zulässige Knickwinkel zwischen zwei benachbarten Segmenten des Förderers berücksich­ tigt werden. Es ergeben sich dabei typische Kolbenwege von ca. 30 mm pro Einzelschritt.

Wenn der Gesamthub der Rückzylinder, die auch Schreit­ werkzylinder genannt werden, ausgeschöpft ist, werden die Ausbaugestelle nach einem bestimmten Schema durch Ansteuern der Schreitwerkzylinder in umgekehrter Rich­ tung nachgezogen. Die Vorgänge werden von Rechnern in den Ausbaugestellen gesteuert. Um das definierte Rück­ maß für die Förderer-Rinne einhalten zu können, müssen die Positionen der Kolben in den Rückzylindern bestimmt werden.

Es ist eine ganze Reihe von Verfahren bekannt, mit deren Hilfe die Position des Kolbens in hydraulischen Zylindern bestimmt werden kann. Gemeinsam ist diesen Verfahren, daß die Meßvorrichtungen in die Zylinder integriert werden müssen. Wegen dieser speziellen Ausführungen kann eine bestehende Anlage nicht ohne Austausch der Zylinder nachgerüstet werden.

Im untertägigen Kohle-Bergbau werden zur Kolbenposi­ tionsmessung bisher fast ausschließlich sog. Reedstäbe in die Zylinder eingebaut. Dabei werden einzelne Schal­ ter in einer dicht gepackten Kette von Reedschaltern von einem in den Kolbenboden eingebauten Ringmagnet be­ tätigt. Die Schalterkette befindet sich in einem druckfesten Rohr, das den Kolbenboden und die Kolben­ stange durchdringt. Das Ausgangssignal ist eine poten­ tiometrische Spannung. Die Auflösung bei den bisherigen Ausführungsformen ist durch die mechanische Packung der Reedschalter begrenzt und beträgt etwa 3 mm.

Der konstruktive Aufwand für den Einsatz der Reedstäbe ist beträchtlich. Vor allem ist es aber wünschenswert, daß bei einer Automatisierung bestehender Strebanlagen das vorhandene Inventar soweit wie möglich beibehalten werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzuzugeben, mit dem der während eines einzelnen Vorschubschrittes von dem Kol­ ben in dem Arbeitszylinder zurückgelegte Weg genauer als bisher bestimmt werden kann, wobei das Verfahren eine Nachrüstung bestehender Anlagen ermöglichen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolbenweg durch Messung des in den Arbeitszylinder strömenden Druckmittelvolumens ermittelt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß für das definierte Vorrücken nicht die absolute Kolbenposition im Rückzylinder, sondern der relative Verschiebungsweg des Kolbens interessiert. Diese Ver­ schiebung des Kolbens ist eindeutig durch das in den Zylinder strömende Druckmittelvolumen bestimmt. Dieses kann außerhalb des Zylinders bestimmt werden, so daß bestehende Anlagen auf einfache Weise nachgerüstet wer­ den können.

Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Druckmittelvolu­ mens der Druck des zum Arbeitszylinder strömenden Druckmittels beiderseits einer in der Druckmittellei­ tung angeordneten Drosselblende gemessen, wobei aus der Differenz der gemessenen Druckwerte der Volumenstrom pro Zeiteinheit und durch zeitliche Integration dieses Wertes der Kolbenweg berechnet wird. Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren, das weiter unten noch genauer erläutert wird, lassen sich unter realistischen Bedin­ gungen Kolbenwege mit einer Genauigkeit von 1 mm be­ stimmen.

Das Meßverfahren enthält einen Integrationsschritt. Um im Stillstand der Anlage keine durch unvermeidliche Restsignale hervorgerufene langsame Drift des Integra­ tionsresultates zu erhalten, werden Start-Stopp-Infor­ mationen zum Starten und Stoppen der Rechenoperationen verwendet. Als solche Start-/Stopp-Informationen eignen sich für den Beginn und das Ende der Integration die Schaltbefehle an das den Druckmittelzufluß steuernde Ventil.

Die Formel für die Ermittlung des Volumenstromes aus der Differenz der Drücke beiderseits der Drosselblende enthält einen Eichfaktor. Dieser läßt sich auf einfache Weise dadurch ermitteln, daß man die Summe der ermit­ telten Kolbenwege nach Beendigung eines Vorschubzyklus, das heißt nach dem Ausnützen des maximal möglichen Kol­ benweges mit diesem vergleicht. Nach ein oder zwei Zyk­ len steht dieser Eichfaktor fest.

Im Gegensatz zum definierten Rücken der Hobelführung um einzelne kleine Schritte soll nach Ausschöpfung des ma­ ximal möglichen Kolbenhubes der Schreitvorgang, das heißt das Nachziehen des jeweiligen Ausbaugestelles möglichst schnell erfolgen. Das Zurückziehen des Kol­ bens über den ganzen maximal möglichen Hub soll mit einer bis zu 10mal höheren Geschwindigkeit als das schrittweise Rücken erfolgen. Daher wird die Blende bei diesem Vorgang zweckmäßigerweise umgangen, in dem das Druckmittel über eine Bypassleitung an der Drosselblen­ de geführt wird.

Das Erreichen der Kolbenendstellung kam dadurch festgestellt werden, daß der an der Blende gemessene Absolutdruck mit dem Betriebsdruck des hydraulischen Systems verglichen wird. Wenn der an der Blende gemessene Druck den Be­ triebsdruck erreicht, bedeutet dies, daß die Strömungs­ geschwindigkeit an der Blende praktisch 0 ist und daß der Kolben somit seine Endstellung erreicht hat. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Kolbenendstellung ist ganz allgemein verwendbar und nicht auf den hier beispiel­ haft beschriebenen Verwendungszweck beschränkt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Be­ stimmung des jeweiligen Kolbenweges in einem hydrauli­ schen Arbeitszylinder, insbesondere zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens, wobei diese Vorrichtung erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine in einer Zuflußleitung für das Druckmittel ange­ ordnete Drosselblende, je eine Druckmeßeinrichtung bei­ derseits der Drosselblende und eine mit den Druckmess­ einrichtungen verbundene Recheneinrichtung zur Berech­ nung des Volumenstromes pro Zeiteinheit und zur Berech­ nung des Kolbenweges durch zeitliche Integration des Volumenstromes.

Die Drosselblende kann dabei austauschbar angeordnet sein, um die Meßeinrichtung an unterschiedliche Ver­ hältnisse anpassen zu können. Zweckmäßigerweise ist die Drosselblende durch eine Bypassleitung überbrückt, in der ein Rückschlagventil angeordnet ist, das in Zufluß­ richtung sperrt. Über diese Bypassleitung strömt das Druckmittel bei der Rückführung des Kolbens.

Die Recheneinrichtung enthält zweckmäßigerweise einen ersten Vergleicher zum Vergleich des stromabwärts der Drosselblende gemessenen Druckes mit dem hydraulischen Betriebsdruck, um so in der oben beschriebenen Weise festzustellen, wann der Kolben seine Endstellung nach der Ausführung einer größeren Anzahl von Einzelschrit­ ten erreicht hat. Ebenso kann in einer beim Rückziehen des Kolben mit Druck beaufschlagten Rückflußleitung eine zweite Drosselblende mit gegenüber dem Drossel­ querschnitt der ersten Drosselblende größerem Drossel­ querschnitt angeordnet sein, wobei stromaufwärts der zweiten Drosselblende eine Druckmeßeinrichtung angeord­ net ist und die Recheneinrichtung einen zweiten Ver­ gleicher zum Vergleich des an der zweiten Drosselblende gemessenen Druckes mit dem hydraulischen Betriebsdruck umfaßt. Diese Einrichtung ermöglicht es, festzustellen, daß der Kolben bei seinem Rückhub seine Endstellung er­ reicht hat.

Vorzugsweise sind die Drosselblende, die Druckmeßein­ richtungen und die Bypassleitung als eine in die Zu­ flußleitung einflanschbare Einheit ausgebildet, so daß bestehende Anlagen bequem nachgerüstet werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbin­ dung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Draufsicht auf den Abschnitt einer Förderstrecke in einem Kohlestreb,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Ausbaugestelles mit einem schemati­ schen Schnitt durch den Förderer und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung zur Be­ stimmung des Kolbenweges in einem Rückzylinder des in Fig. 2 darge­ stellten Ausbaugestelles.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Kohleflöz bezeichnet. An der Abbaufront 12 des Kohleflözes wird die Kohle mittels eines Hobels 14 abgetragen, der in Richtung des Doppel­ pfeiles A in Fig. 1 mittels eines geeigneten Antriebes hin und her bewegt wird. Die Schnitt-Tiefe des Hobels ist dabei in Fig. 1 mit d bezeichnet. Sie beträgt im allgemeinen 30 mm bis 150 mm.

Die abgetragene Kohle fällt in eine hinter dem Hobel 14 angeordnete Förderrinne, in dem ein Kratzförderer läuft und die Kohle in Fig. 1 nach links oder rechts beför­ dert. Die Förderrinne besteht aus einzelnen Abschnitten 18, die nach dem Durchlauf des Hobels jeweils um die Schnitt-Tiefe des vorausgegangenen Hobeldurchganges nachgestellt werden. Das Nachstellen erfolgt mit Hilfe von Rück- oder Schreitwerkzylindern 20, die jeweils Teil eines in Fig. 2 dargestellten Ausbaugestelles sind. Dieses ist an sich bekannt und braucht daher nicht näher erläutert zu werden.

Auf ihrer dem Ausbaugestell 22 abgewandten Seite sind die Abschnitte 18 der Förderrinne 16 mit einer Führung 24 für den Hobel 15 verbunden, die nicht näher erläu­ tert zu werden braucht.

Während des Betriebes werden nach dem Durchgang des Hobels 14 die einzelnen Abschnitte 18 der Förder­ rinne 16 jeweils mittels der Rückzylinder 20 so nachgestellt, daß sich die Schnittiefe d (Fig. 1) ergibt. Ist der maximale Gesamthub des jeweiligen Rück- oder Schreitwerkzylinders 20 ausgeschöpft, wird das gesamte Ausbaugestell 22 durch Einfahren des Kolbens in den Rückzylinder 20 in an sich bekannter Weise nachgezogen. Dabei liefern die dem jeweili­ gen Ausbaugestell 22 benachbarten Ausbaugestelle die nötige Abstützung, das heißt sie verhindern, daß der betreffende Abschnitt 18 der Förderrinne 16 dabei ver­ rückt wird. Man erkennt, daß die Bewegung der einzelnen Abschnitte 18 der Förderrinne 16 und die Bewegung der einzelnen Ausbaugestelle 22 genau koordiniert werden muß, um ein geordnetes Nachrücken der Förderrinnenab­ schnitte 18 und der Ausbaugestelle 22 zu ermöglichen. Hierzu muß wiederum die Möglichkeit bestehen, den Kol­ benweg der einzelnen Rückzylinder 20 zu erfassen und zu kontrollieren.

Die dazu dienende erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine in der Druckmittel-Zuflußleitung 26 zum kolbensei­ tigen Arbeitsraum 28 des Rückzylinders 20 angeordnete Drosselblende 30. Stromaufwärts und stromabwärts der Drosselblende 30 ist jeweils ein Drucksensor 32 ange­ ordnet. Wenn die Druckflüssigkeit durch die Drossel­ blende 30 strömt, tritt eine Differenz zwischen dem Druck stromaufwärts und dem Druck stromabwärts der Drosselblende auf. Diese Druckdifferenz ist bei großen Reynoldszahlen nahezu viskositätsunabhängig und propor­ tional zum Quadrat des Volumenstroms pro Zeiteinheit:

mit C = Eichkoeffizient,
p = Dichte der Flüssigkeit,
Q = Volumenstrom,
F_B = Öffnungsquerschnitt der Blende.

Der Eichfaktor liegt bei richtiger Anordnung der Durch­ meßbohrungen etwas unter 1,0.

Wenn der Blendenquerschnitt klein gegen den freien Querschnitt der Hydraulikleitungen ist, so bleibt der Druckverlust nach Durchströmen der Blende weitgehend erhalten. Es wird sich also ein Volumenstrom einstel­ len, bei dem der Druckabfall an der Blende näherungs­ weise gerade so groß ist, daß der im Zylinder wirkende Restdruck den bei der Kolbenbewegung auftretenden Wie­ derstandskräften das Gleichgewicht hält. Die Blende be­ grenzt die maximal mögliche Kolbengeschwindigkeit.

Aus der oben stehenden Formel läßt sich also der Volu­ menstrom pro Zeiteinheit errechnen. Durch Integration über die Betätigungszeit erhält man das in den Arbeits­ raum 28 des Zylinders 20 geströmte Flüssigkeitsvolumen. Hieraus läßt sich auf Grund der bekannten Zylinderab­ messungen der Weg des Kolbens 34 in dem Arbeitszylinder 20 berechnen.

Zur Auswertung der Druckmessungen und zur Berechnung des Volumenstromes sind die beiden Drucksensoren 32 mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 36 verbunden, dessen Ausgang mit einem Glied 38 verbunden ist, wel­ ches die Wurzel aus der Druckdifferenz zieht. Der Aus­ gang des Gliedes 38 ist mit einem Integrator 40 verbun­ den, der eine zeitliche Integration des erhaltenen Wer­ tes durchführt und das Ergebnis einem Multiplexer 42 zu­ führt. Der Multiplexer 42 ist ferner direkt mit den Drucksensoren 32 verbunden. Das analoge Ausgangssignal des Multiplexers 66 wird in einem AD-Wandler 44 digita­ lisiert. Dessen Ausgangssignal wird einem Steuerrechner 46 zugeführt, der den Multiplexer 42 und den AD-Wandler 44 steuert und dem Integrator 40 die Zeitinformation, das heißt Beginn und Ende der Integration liefert. Zur Bestimmung des Beginnes und des Endes der Integration werden dabei die Schaltimpulse verwendet, mit denen der Steuerrechner 46 ein den Druckmittelfluß zum jeweiligen Rückzylinder 20 steuerndes Ventil 48 steuert. Der Steu­ errechner 46 berechnet dann aus dem erhaltenen Wert den Kolbenweg.

Durch das Einfahren oder Zurückziehen des Kolbens 34 in den Zylinder 20 soll das Ausbaugestell 22 nachgezogen werden. Dieser Vorgang soll erheblich schneller erfolgen als das schrittweise Vorschieben des jeweiligen Förderrinnenabschnittes 18. Da die Drosselblende 30 die Kolbengeschwindigkeit begrenzt, ist sie durch eine Bypassleitung 50 überbrückt, in der ein Rückschlagventil 52 angeordnet ist, das beim Einfahren des Kolbens 34 geöffnet wird, so daß das Druckmittel über die Bypassleitung 50 unter Umgehung der Blende 30 aus dem Arbeitsraum 28 ausströmt.

Zur Bestimmung des Eichfaktors in der oben beschriebenen Formel benötigt man den möglichen Maximalhub des Kolbens 34. Er läßt sich aus den Endstellungen des Kolbens 34 in dem Zylinder 20 berechnen. Die Endstellung des Kolbens 34 beim Ausfahren der Kolbenstange ist dann ereicht, wenn der Druck stromabwärts der Blende 30 plötzlich mindestens annähernd auf den Betriebsdruck des hydraulischen Systems ansteigt. Dieser Wert wird dem Steuerrechner von dem stromabwärts der Blende 30 gelegenen Drucksensor 32 direkt über den Multiplexor 42 und den AD-Wandler 44 zugeführt. Um auch die Endstellung des Kolbens 34 bei seinem Einfahren in den Zylinder 20 erfassen zu können, ist in der zum kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 54 des Zylinders 20 führenden Druckmittelleitung eine weitere Blende 56 mit gegenüber der Blende 30 erheblich größerem Öffnungsquerschnitt sowie ein Drucksensor 58 angeordnet. Der bezogen auf die Strömungsrichtung des Druckmittels beim Einfahren des Kolbens 34 stromabwärts der Blende 56 angeordnete Drucksensor 58 ist ebenfalls direkt mit dem Multiplexer 42 verbunden. Auch an dem Drucksensor 58 steigt der Druck plötzlich auf den Be­ triebsdruck des hydraulischen Systems an, wenn der Kol­ ben 34 seine innere Endstellung erreicht hat. Durch Vergleich des so erhaltenen maximalen Gesamthubes des Kolbens 34 mit der Summe der beim Ausfahren des Kolbens 34 zurückgelegten Einzelstrecken läßt sich der Eichfak­ tor C in den obigen Formeln ermitteln.

Grundsätzlich könnte die Auswerteeinrichtung auch so aufgebaut sein, daß die an den Drucksensoren 32 gemes­ senen Druckwerte sofort digitalisiert und digital wei­ terverarbeitet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich bei analoger Verarbeitung der Druckwerte mit ge­ ringerem Aufwand eine höhere Genauigkeit erreichen läßt.

Die Ermittlung des Kolbenweges in einem hydraulischen Arbeitszylinder wurde in Verbindung mit der automati­ schen Nachstellung eines Kohlehobels in einem Kohle­ streb beschrieben. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, sondern kann in all den Fällen eingesetzt werden, in denen eine genaue Kenntnis des Kolbenweges für Steuerungszwecke erforderlich ist.

Claims (13)

1. Verfahren zum Bestimmen des jeweiligen Kolbenweges eines Kolben (58) in einem hydraulischen Arbeits­ zylinder (20) dadurch gekennzeichnet, daß der Kol­ benweg durch Messung des in den Arbeitszylinder (20) strömenden Druckmittelvolumens ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des zum Arbeitszylinder (20) strö­ menden Druckmittels beiderseits einer in der Druckmittelleitung (26) angeordneten Drosselblende (30) gemessen wird, daß aus der Differenz der ge­ messenen Druckwerte der Volumenstrom pro Zeitein­ heit und durch zeitliche Integration dieses Wertes das eingeströmte Druckmittelvolumen und hieraus der Kolbenweg berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn und das Ende der Integration ent­ sprechend der Schaltstellung eines den Druckmit­ telzufluß zum Arbeitszylinder (20) steuernden Ven­ tiles (48) bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Eichfaktor C, C′ für die Berechnung des Volumenstromes Q durch Ver­ gleich der Summe der ermittelten jeweiligen Kol­ benwege mit dem tatsächlich möglichen gesamten Kolbenweg ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß beim Zurückziehen des Kolbens (34) das verdrängte Druckmittel über eine Bypassleitung (50) an der Drosselblende (30) vor­ beigeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der an der Drosselblende (30) gemessene Absolutdruck mit dem Betriebsdruck des hydraulischen Systems verglichen wird, um das Erreichen der Kolbenendstellung zu erfassen.

7. Vorrichtung zur Bestimmung des jeweiligen Kolben­ weges in einem hydraulischen Arbeitszylinder (20), gekennzeichnet durch eine in einer Zuflußleitung (26) für das Druckmittel angeordnete Drosselblende (30), je eine Druckmeßeinrichtung (32) beiderseits der Drosselblende (30), eine mit den Druckmeßein­ richtungen verbundene Recheneinrichtung (36, 38, 40, 42, 44, 46) zur Berechnung des Druckmittel-Vo­ lumenstromes pro Zeiteinheit und zur Berechnung des Kolbenweges durch zeitliche Integration des Volumenstromes.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drosselblende (30) durch eine Bypas­ sleitung (so) überbrückt ist, in der ein Rück­ schlagventil (52) angeordnet ist, das in Richtung des Druckmittelzuflusses zum Arbeitsraum (28) des Arbeitszylinders (20) sperrt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (46) einen Vergleicher zum Vergleich des stromabwärts der Drosselblende (30) gemessenen Druckes mit dem hy­ draulischen Betriebsdruck umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß in einer beim Zurückzie­ hen des Kolbens (34) mit Druck beaufschlagten Druckmittelleitung eine zweite Drosselblende (56) mit gegenüber dem Öffnungsquerschnitt der 1. Dros­ selblende (30) größeren Querschnitt angeordnet ist, daß stromabwärts der 2. Drosselblende (56) eine Druckmeßeinrichtung (58) angeordnet ist und daß die Recheneinrichtung (46) einen 2. Verglei­ cher zum Vergleichen des an der 2. Drosselblende (56) gemessenen Druckes mit dem hydraulischen Be­ triebsdruck umfaßt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drosselblenden (30, 56), die Druckmeßeinrichtung (32, 58) und die By­ passleitung (50, 52) als eine in die Druckmittel­ leitungen einflanschbare Einheit ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drosselblenden (30, 56) auswechselbar angeordnet sind.

13. Anwendung eines Verfahrens und einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum definierten Rücken des Kohleförderers (14, 16) an den hydrau­ lisch gesteuerten selbstschreitenden Ausbaugestel­ len (22) in einem Kohlestreb.