DE4312283A1 - Steuerung für ein hydraulisches Hochleistungsstellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für ein hy­ draulisches Hochleistungsstellglied nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Hydraulische Hochleistungsstellglieder, wie sie beispielsweise bei großen, kontinuierlichen Kanal­ ballenpressen verwandt werden, verlangen nicht nur hinsichtlich der sich im Pressenbetrieb auf­ bauenden Kräfte, sondern auch hinsichtlich der Dynamik der Lastwechsel und der Schaltvorgänge besondere Aufmerksamkeit. Ein hydraulischer Pressen­ antrieb erzeugt nicht nur während des Arbeitshubes hohe statische und dynamische Belastungen, sondern auch dann, wenn der mit Druckflüssigkeit gefüllte Arbeitszylinder nach Erreichen der Endstellung wieder rückwärts zu fahren ist. Dabei ist der Zy­ linder einerseits mit dem Druckmittel andererseits oft von außen mit dem Gegendruck des verdichteten und meist auch federnden Materials in der Presse beaufschlagt. Soll also ein Stellglied aus der mit besonders hoher Energie versehenen Endlage auf eine an sich mit geringen Kräften durchführbare Rückbewegung umgesteuert werden, dann tritt im Moment dieser Umsteuerung eine dynamische Belastung auf, die zu "Schlägen" in den zugehörigen Hydraulik­ leitungen führen kann. Diese Schläge sind nicht nur von der Geräuschentwicklung her störend und beunruhigend, sie sind auch für die Bauteile und Materialien im zugehörigen Hydraulik-Kreislauf belastend oder gar gefährlich.

Dementsprechend hat es schon Versuche gegeben, einen besser kontrollierten Druckabbau im Moment der Umsteuerung zu erzielen, in dem das Umsteuer­ ventil zu einer verlangsamten Öffnungsbewegung gezwungen wird. In dieser Hinsicht wurde vorgesehen, den hydraulischen Pressenantrieb nicht schlagartig vom Druck zu entlasten, sondern in einem zeitlichen Übergang auf einen Rücklaufdruck umzusteuern. Hierzu wurde ein hydraulisch angesteuertes Wegeventil, welches zur Öffnung des Arbeitszylinders des hy­ draulischen Pressenantriebes zu einer Rücklauflei­ tung diente, verlangsamt aufgesteuert, indem das Wegeventil nur über eine Drosselblende (und ein Pilotventil) gesteuert wurde.

Diese Maßnahme hat allerdings eine nur teilweise zufriedenstellende Wirkung erzielt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung für ein hydrau­ lisches Hochleistungsstellglied zu schaffen, die ohne besonderen gerätetechnischen Aufwand und im Rahmen der anwendungsgerecht robusten Bauelemente und Bauformen solcher Steuerungen eine verbesserte Entlastung des Stellgliedes bei der Umsteuerung in einen Rückhub ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe von einer Steuerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgehend mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß Drosselblenden der hier in Betracht kommenden Art nicht unbegrenzt verengt werden können, ohne deren Funktion zu gefährden und insbesondere deren Störungsanfälligkeit zu erhöhen. Das Risiko, daß bereits relativ kleine Partikel im Hydraulikkreislauf eine solche Drossel­ blende in ihrer Funktion stören oder gar blockieren, kann bei Hochleistungsstellgliedern regelmäßig nicht in Kauf genommen werden. Schon die Kosten von Stillstandszeiten, insbesondere aber Wartungs- und Reparaturkosten erzwingen einen Vorrang der Betriebssicherheit. Wird nun allerdings die Rück­ laufleitung eines Wegeventils vom hydraulischen Arbeitsdruck auf Rücklaufdruck umgeschaltet, um das Wegeventil zu öffnen, dann liegt an der ge­ öffneten Leitung zunächst die volle Druckdifferenz, die sich an der Blende einstellt. Dies hat einen entsprechend hohen Ausgangs-Durchfluß an der Drosselblende zur Folge, der sich erst im Zuge des weiteren Druckabbaus verringert.

Nun ist aber gerade zum Beginn des Schaltvorgangs ein begrenzter Durchfluß an der Drosselblende er­ wünscht, damit das Wegeventil eine verzögerte, sanfte Öffnungsbewegung ausführen kann und damit das hydraulische Stellglied entsprechend vorsichtig entlastet.

In dieser Hinsicht bewirkt ein druckstabilisierendes Verzögerungsglied in der Steuerleitung zwischen Wege-Ventil und Drosselblende, das an der Drossel­ blende nur ein kleiner, stabilisierter Druck an­ liegt, der dementsprechend auch den Anfangsdurchfluß der Drosselblende klein hält. Dies führt zu einer wesentlichen Dämpfung des Schaltvorgangs im Hy­ draulikkreis mit Vorteil für eine entsprechend abgeschwächte Schlagwirkung am Hochleistungsstell­ glied und der hydraulischen Leitungsführung. Gleichzeitig werden auch die - nicht zu unrecht beunruhigenden - Schlaggeräusche beim Schaltvorgang auf ein akzeptables Maß reduziert.

Dieser Vorgang ist nicht etwa mit einem Bauaufwand erkauft. Ein druckstabilisierendes Verzögerungsglied in der Rücklaufleitung läßt sich mit dem handels­ üblichen, insbesondere auch robusten und erprobten Bauelementen realisieren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Blockschalt einer Steuerung für ein hydraulisches Hochleistungs­ stellglied und

Fig. 2 ein druckstabilisierendes Verzöge­ rungsglied in der Steuerung nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 1 insgesamt eine hydraulische Steuerung für eine bestimmte Teilfunktion eines grob vereinfacht angedeuteten hydraulischen Hoch­ leistungsstellgliedes 2 veranschaulicht, nämlich die Steuerung für die Rückfahr-Freigabe des Stell­ gliedes 2 nach Abschluß eines Arbeitshubes. Dabei ist typischerweise ein Stellzylinder 3 noch mit hydraulischem Druckmittel hohen Drucks beaufschlagt.

Überdies kann ein zugehöriger Kolben 4 mit starken Gegenkräften belastet sein. Dies ist jedenfalls charakteristisch für den Fall von Hoch­ leistungs-Ballenpressen, bei denen das gepreßte Material aufgrund seiner Eigenelastizität sehr starke Reaktionskräfte auch nach Vollendung eines Arbeitshubes ausüben kann.

Soll der Kolben 4 aus dieser Belastungssituation heraus zu einer Rückfahrbewegung freigegeben werden (die dazu typischerweise vorgesehene Druckmittelver­ sorgung und -beaufschlagung des Kolbens von der Abtriebsseite her ist der Übersicht halber in der Zeichnung nicht dargestellt), dann muß der Innenraum des Zylinders 3 auf Rücklaufdruck geschaltet werden. Dies ist für die zugehörige Steuerung 1 ein sehr kritischer Moment, da die Entspannung des Zylinder­ volumens Druckschläge hervorruft, die für die zu­ gehörigen Bauelemente gefährlich werden können und die im übrigen Geräusche hervorrufen, die nicht störend, sondern auch beunruhigend wirken.

Die Steuerung 1 umfaßt insbesondere ein 2-2-Wege­ ventil 5, welches mit einem Stufenkolben 6 ausge­ stattet ist, der eine Rücklaufverbindung zwischen dem Zylinder 3 und einem Rücklaufanschluß 7 über eine zylinderseitige Leitung 8 und eine anschluß­ seitige Leitung 9 öffnen kann. Die zylinderseitige Leitung 8 hat eine Zweigleitung 10 mit (nicht dar­ gestellter) Steuerung für die Versorgung des Zylin­ ders 3 mit Hydraulikdruck. Diese Zweigleitung 10 ist bei der Rückfahrt des Zylinders gesperrt. An­ dererseits öffnet das Wegeventil 5 nur zur Rückfahrt des Stellkolbens 2.

Mit Rücksicht auf die vorerwähnten Druckschläge im Hydraulikkreislauf und in der Steuerung ist es wichtig, das Wegeventil 5 langsam im Sinne einer Zeitverzögerung öffnen zu lassen. Im dargestellten geschlossenen Zustand ist der Kolben 6 des Wegeven­ tils 5 rückseitig über eine hydraulische Steuerlei­ tung 11, eine mit einem Rückschlagventil 12 ver­ sehene Einwege-Bypassleitung 13, einen Kanal 14, ein elektromagnetisches Pilotventil 15 und einen weiteren Kanal 16 mit einem Druckanschluß 17 ver­ bunden.

Um das Wegeventil 5 zu öffnen, wird das Pilotven­ til 15 elektrisch umgesteuert, so daß die Kanäle T-A und B-P des Pilotventils miteinander verbunden sind. Der Ventilkanal T ist dann über einen Steue­ rungskanal 18 mit dem Rücklaufanschluß 7 verbunden.

Angesichts des Druckgefälles vom Wegeventil 5 zum Pilotventil 15 hin sperrt das Rückschlagventil 12 den Bypasskanal 13 ab. Der auf den Kolben 6 wirkende Druck kann sich also nur über einen Kanal 19 ab­ bauen, in den ein druckstabilisierendes Verzöge­ rungsglied 20 und eine Drosselblende 21 eingeschal­ tet sind.

Würde die Drosselblende 21 infolge des Schaltvor­ gangs am Pilotventil 15 mit dem vollen Arbeitsdruck beaufschlagt werden, dann ergäbe sich eine relativ großer Durchfluß, der eine entsprechend schnelle anfängliche Öffnungsbewegung des Ventilkolbens 6 zur Folge hat. Dies ist aber gerade nicht erwünscht. Dieser schnellen Anfangsbewegung kann auch nicht einfach dadurch entgegengewirkt werden, daß die Drosselblende weiter verengt wird. Unter tech­ nisch-praktischen Gesichtspunkten, insbesondere auch mit Blick auf eine Verstopfungs- und Störungs­ anfälligkeit einer solchen Drosselblende oder Düse sind Mindestquerschnitte einzuhalten, die hier mit einem Durchmesser von 1 bis 1,5 mm, vorzugsweise 1,2 mm, vorgegeben sind. Überdies wird eine starke Verengung der Drosselblende dazu führen, daß das Wegeventil 5 nach einer ersten Öffnungsbewegung sehr langsam weiter öffnet, was weder im Sinne einer möglichst freien (weiteren) Rückfahrt des Kolbens 4 noch im Sinne einer geringen Belastung des Wegeventils 5 sein kann.

Wirkungsvolle Abhilfe schafft hier das druckstabili­ sierende Verzögerungsglied 20, welches den an der Drosselblende 21 anliegenden Druck reduziert und stabilisiert. Die Drosselblende erhält damit einen zumindest anfänglich kleinen, stabilisierten Druck, so daß der Durchfluß durch die Blende anfänglich gleich bleibt. Damit wird dem Kolben 6 des Wegeven­ tils 5 eine langsame, aber gleichförmig fortgeführte Öffnungsbewegung aufgegeben, die einerseits Druck­ schläge im ersten Öffnungsaugenblick unterdrückt, dann aber den Druckmittelstrom vom Zylinder 3 in den Rücklauf stetig weiter freigibt.

Druckmittelstabilisierende Verzögerungsglieder können auf verschiedene Weise, etwa nach Art von Reduzierventilen ausgebildet sein. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist (vereinfacht) in Fig. 2 dargestellt. Das Druckmittel durchläuft das Ver­ zögerungsglied von dem Kanal 19 zu einem Ausgangs­ kanal 22 (zur Drosselblende 21 hin) unter dem Ein­ fluß eines Ventilkolbens 23 mit einer Ringnut 24, die über einen Zentralkanal 25 auch mit einer Stirn­ seite 26 des Kolbens 23 in Verbindung steht. Der Kolben ist also stirnseitig mit dem in der Ringnut herrschenden Druck beaufschlagt.

An der der Stirnseite 26 des Kolbens 23 gegenüber­ liegenden Stirnseite liegt eine Druckfeder 27 an.

Der die Feder beherbergende Raum ist zur Gewähr­ leistung eindeutiger Druckverhältnisse und zur Abführung von Druckmittel auch im Leckagefall über einen Kanal 28 an den Rücklauf 18 angeschlossen.

Maßgeblich für die Wirkungsweise des Verzögerungs­ gliedes 20 ist eine Steuerkante 29 an der Ringnut, die dann den Kanal 19 schließt, wenn der hydrau­ lische Druck an der Stirnseite 26 in den Kolben 23 gegen die Druckkraft der Feder aus der dargestellten Lage auslenkt. Da die Kanäle 19 und 20 axial gegen­ einander versetzt sind, wird in der Ringnut 24 (und damit auch an der Stirnseite 26) der Druck des Kanals 22 aufrechterhalten, wenn der Kolben 23 den Eingangskanal 19 weitestgehend oder auch ganz sperrt. So läßt sich anhand der Feder ein Arbeits­ punkt bzw. ein enger Arbeitsbereich für den Aus­ gangsdruck des Verzögerungsgliedes im Kanal 22 festlegen.

Wird das Pilotventil 15 wieder in die dargestellte Lage zurückgeschaltet, um das Wegeventil 5 zu schließen, dann liegt über die Drosselblende 21 und den Kanal 22 sowie die Ringnut 24 und die Zen­ tralbohrung 25 voller Druck an der Stirnseite 26 des Kolbens 23 an mit der Folge, daß die Feder 27 soweit zusammengedrückt wird, daß der Kolben 23 den Kanal 19 vollständig absperrt. In diesem Fall erfolgt die Zuleitung vom hydraulischen Druckmittel zum Wegeventil 5 über den Bypasskanal 13. Dieser kann seinerseits auch noch mit einer Drosselblen­ de 30 versehen sein, um auch beim Schließen des Wegeventils 15 Druckstöße zu reduzieren.

Die Steuerung 1 ist in mechanischer Hinsicht als kompakter Block ausgeführt, bei dem die Leitungen und Kanäle durch Bohrungen ausgeführt sind. Ferti­ gungstechnisch ist dabei ein Metallblock aus drei Platten 31, 32, 33 zusammengesetzt, die im Bereich der Kanalübergänge Dichtungen aufweisen. Die Ven­ tile 5 und 15 sowie das Verzögerungsglied 20 sind mit Hilfe von Verschraubungen und Dichtungen an diesen Metallblock aus den Platten 31, 32, 33 ange­ schlossen, so daß die gesamte Steuerung 1 mechanisch eine feste und kompakte Einheit bildet.

Claims (8)

1. Steuerung für ein hydraulisches Hochleistungs- Stellglied, welches unter Last aus einer ausgefah­ renen Arbeitsstellung in eine Rückbewegung zu steu­ ern ist, wobei ein mit hydraulischem Druck beauf­ schlagter Arbeitsraum des Stellglieds mit einer Rücklauf-Leitung niedrigen Drucks über ein Wege­ Ventil verbunden wird, dessen Ventilstellung hydrau­ lisch über eine Steuerleitung gestellt wird, die zumindest eine Drosselblende aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wege-Ventil (5) und der Drosselblende (21) ein druckstabilisierendes Verzögerungsglied (20) eingeschaltet ist.

2. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die Drosselblende (21) und das Verzöge­ rungsglied (20) überbrückende Bypassleitung (13) mit einem Rückschlagventil (12), welches nur zum Wegeventil hin durchlässig ist.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verzögerungsglied (20) ein Druck­ begrenzungsventil mit einem Steuerkolben (23) ist, der an einer Stirnseite (26) mit einem Innendruck in einem Innenraum und anderseitig durch eine Feder (27) beaufschlagt ist, wobei der Steuerkolben eine steuerbare Einlauföffnung (19) in den Innenraum (Ringnut (24), Zentralbohrung (25)) in bei wachsen­ dem Innendruck schließendem Sinne verstellt.

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkolben (23) eine Auslauf­ öffnung (22) aufweist, die über einen Arbeitsbereich der steuerbaren Einlauföffnung (19) geöffnet bleibt.

5. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselblen­ de (21) einen Durchmesser von 1 bis 1,5 mm aufweist.

6. Steuerung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drosselblende (21) einen Durch­ messer von 1,2 mm aufweist.

7. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Lei­ tungen (11, 13, 16, 18, 19, 21) vorwiegend als Metall­ block-Bohrungen ausgeführt sind.

8. Steuerung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Metallblock aus mehreren Platten (31, 32, 33) mit Ringdichtungen an Übergangs­ öffnungen besteht.