DE4337991A1 - Hydropneumatisches Antriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydropneumatisches Antriebssystem zum Antrieb eines Zylinders, insbesondere einer Presse.

In der Nahrungsmittelindustrie kommen Verpackungsmaschinen zum Einsatz, bei denen der Wunsch besteht, daß der Antrieb möglichst klein ist. Die Leistungsdichte von hydraulischen Antrieben ist besonders groß, jedoch wird es als störend empfunden, daß eine Hydropumpe mit Elektroantrieb und Hydrospeicher benötigt wird, die auf den maximalen Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine ausgelegt sind, relativ viel Platz einnehmen und zudem laut sind. Man versucht deshalb, dieses Pumpen- und Speicheraggregat in einem entfernten Raum unterzubringen, beispielsweise einem Keller, der aber nicht immer zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für Arbeitszylinder zu schaffen, das relativ klein baut.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch die weiteren Merkmale der abhängigen Ansprüche ausgestaltet und weitergebildet.

Die hohe Leistungsdichte wird durch Anwendung der Hydraulik ermöglicht. Es werden jedoch keine Ölpumpen für den erforderlichen hohen Hydraulikdruck verwendet, vielmehr wird entweder eine Ölpumpe für Mitteldruck im Dauerbetrieb verwendet, oder es kann sogar eine derartige Ölpumpe entfallen. Die erforderlichen Leistungsspitzen bei hohem Hydraulikdruck werden mit Hilfe eines Druckluftnetzes erzielt, welches gewöhnlich vorhanden ist und auf das deshalb zurückgegriffen werden kann. Wenn eine Ölpumpe verwendet wird, braucht das Druckluftnetz nur als Energiespeicher zu dienen, während in der Ausführungsform ohne Ölpumpe das Druckluftnetz die erforderliche Energie zum Betrieb des erfindungsgemäßen hydropneumatischen Antriebssystems liefert.

In der Ausführungsform mit pneumatischem Antrieb (ohne Ölpumpe) kann dieser vollständig gekapselt werden, und die pneumatische Abluft kann mit Hilfe von schalldämpfenden Filtern gereinigt werden, wie es für den Nahrungsmittelbereich erforderlich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aufgrund der beschriebenen Ausführungsbeispiele ersichtlich.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Antriebssystems im drucklosen Umlauf,

Fig. 2 das Antriebssystem im Eilvorlauf (unter Fortlassung der Lufthydraulikpumpe),

Fig. 3 den Arbeitshub,

Fig. 4 den Eilrückhub,

Fig. 5 das Laden eines Speichers,

Fig. 6 das Entlasten des Speichers und

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform des Antriebssystems mit Ölpumpe.

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch eine Lufthydraulikpumpe 10, einen angetriebenen Zylinder 11 sowie das verbindende Hydraulik-Leitungsnetz 12, welches unter anderem eine Vorlauf-Ventileinrichtung 3, eine Rücklauf-Ventileinrichtung 4 und ein Ventil 5 zum Laden bzw. Entladen eines Speichers 13 aufweist. Die Hydraulikschaltung umfaßt außerdem einstellbare Druckbegrenzungsventile 6, 7 und 8 für 260 bar, 38 bar bzw. 23 bar sowie ein entsperrbares Rückschlagventil 2 und ein Lade-Rückschlagventil 9. Die Ventileinrichtungen 3 und 4 sind als Vierwegeventile mit zwei Stellungen gezeichnet, deren Funktionen natürlich auch durch andere Ventilkombinationen verwirklicht werden können. Die Arbeitsanschlüsse sind mit A und B, der Druckanschluß mit P und der Tankanschluß mit T bezeichnet. Die elektrische Ansteuerbarkeit ist durch das Symbol Y wiedergegeben.

Die Lufthydraulikpumpe 10 weist ein schematisch angedeutetes Gehäuse 20 mit zwei darin untergebrachten Druckluft-Arbeitsräumen 21 und 22 auf, die durch einen Kolben 23 voneinander getrennt werden. Zu beiden Seiten des Kolbens 23 ist je ein hydraulischer Differenzflächenkolben 24 und 25 befestigt, die im Gehäuse 20 geführt sind, welches entsprechende Hohlräume und hohle Stangen 26 bzw. 27 aufweist. Die Teile 24, 26 bzw. 25, 27 entsprechen in ihrem Aufbau Kolbenzylindereinheiten, bei denen der Zylinder anstelle der Kolbenstange verschoben wird. Wie ersichtlich, werden jeweils eine kleinere Hydraulikkolbenkammer 28 und eine größere Hydraulikkolbenkammer 29 gebildet. Der Ausdruck groß bzw. klein bezieht sich dabei auf die relative Größe der Wirkfläche 30 bzw. 31 des jeweiligen Differenzflächenkolbens 24 bzw. 25. Der Durchmesser der Kolben 24, 25 beträgt beispielsweise jeweils 32 mm, während der Durchmesser der Stange 26, 27 jeweils 16 mm beträgt, so daß sich ein Wirkflächenverhältnis von 3 : 1 ergibt. Es sei bemerkt, daß der Durchmesser des Kolbens 23 wesentlich größer ist als der Durchmesser der Kolben 24 und 25, und zwar wird ein Flächenverhältnis gewählt, wie es für die Druckübersetzung von 6,4 bar Druckluft auf 250 bar Öldruck in der Kammer 28 benötigt wird.

Zu den Kolbenkammern 28, 29 führen jeweils Ölzuführungsleitungen 32, die über jeweilige Rückschlagventile 33 von einem Öltank 34 befüllt werden. Von den Kolbenkammern 28 und 29 führen jeweils Druckleitungen 35 bzw. 36 in das Leitungsnetz 12, und von diesem eine Tankleitung 37 zurück in den Tank 34. Der Rückfluß in den Druckleitungen kann mittels Rückschlagventilen 38 gesperrt werden.

Zu den Druckluft-Arbeitsräumen 21 bzw. 22 führen Leitungen 39A bzw. 39B, die über ein Schaltventil 1 entweder mit einem Druckluftnetz 40 oder einer Ablufteinrichtung 41 verbunden sind, von denen lediglich die Anschlüsse angedeutet sind.

Wie aus der späteren Beschreibung ersichtlich werden wird, entwickeln sich unter bestimmten Betriebsbedingungen in der Leitung 35 Hochdruck HD und in der Leitung 36 Niederdruck ND. Dabei führt die Hochdruckleitung 35 zum Anschluß P des Ventils 3, während die Niederdruckleitung 36 zum Anschluß P des Ventils 4 und mit einem Zweig 36A auch zum Anschluß A des Arbeitszylinders 11 führt. Die Tankleitung 37 ist mit den Anschlüssen T der Ventile 3 und 4 verbunden und führt darüber hinaus zur Abflußseite der Druckbegrenzungsventile 6 und 7. Die Beaufschlagungsseite des Druckbegrenzungsventils 6 ist über eine Zweigleitung 42B mit dem Anschluß B des Arbeitszylinders 11 verbunden. Die Arbeitsanschlüsse A und B der Ventile 3 und 4 sind über Verbindungsleitungen 42, 43 bzw. 44 miteinander verbunden, wobei es einen Verbindungspunkt zwischen den Leitungen 42, 42B, 43 und der Eingangsseite des Druckbegrenzungsventils 6 gibt. Das entsperrbare Rückschlagventil 2 ist in der Leitung 43 angeordnet und wird bei einem bestimmten Druck in der benachbarten Verbindungsleitung 44 entsperrt.

Bei dem Arbeitszylinder 11 kann es sich um einen sogenannten Schnellgangzylinder handeln, bei dem durch interne Schaltvorgänge ein Eilvorhub, ein Eilrückhub und ein Arbeitshub einstellbar sind. Außerdem kann der Zylinder 11 zu Kompensationszwecken eine bei 45 schematisch dargestellte Differenzkolbenfläche aufweisen, an die der Druck des Hydrospeichers 13 angelegt wird, um einen Gewichtsausgleich zwischen Ober- und Unterkolbenpresse zu liefern. Andere Kolbenflächen bzw. dazu gehörige Räume sind bei 46, 47 und 48 dargestellt. Die Schaltverbindung zwischen diesen Räumen 46, 47 und 48 erfolgt über Ventile und Kanäle, wie bei 49 angedeutet.

Fig. 1 zeigt die Bereitschaftsstellung des Antriebssystems, bei der ein druckloser Umlauf des Hydrauliköls erfolgt, wie dies durch die eingezeichneten Richtungspfeile kenntlich gemacht ist. Der Kolben 23 wird wechselseitig von links oder rechts mit Druckluft beaufschlagt, und zu diesem Zweck wird das Ventil 1 laufend hin- und hergeschaltet, um das Druckluftnetz 40 einmal mit dem Raum 21 und zum anderen mit dem Raum 22 zu verbinden. Die Steuerung dieser Umschaltvorgänge kann mittels Näherungsschaltern N1 und N2 bewerkstelligt werden, was nicht näher erläutert wird, weil diese Technik prinzipiell bekannt ist.

Fig. 2 zeigt das Antriebssystem beim Eilvorlauf, wobei man sich die Lufthydraulikpumpe 10 im Anschuß an die Leitungen 35, 36, 37 zu ergänzen hat. Wie ersichtlich, wird das Ventil 3 in seine zweite Stellung umgeschaltet, in welcher der Tankanschluß T mit der Verbindungsleitung 44 und der Druckanschluß P mit der Verbindungsleitung 42 durchgeschaltet wird. Über das Ventil 4 und das Rückschlagventil 2 gelangt das gepumpte Hydrauliköl zum Verbindungspunkt der Leitungen 42, 42B und zum Anschluß B des Arbeitszylinders 11. Die aus 46 verdrängte Flüssigkeitsmenge gelangt im übrigen über den Anschluß A in die Leitung 36A und zum Anschluß P des Ventils 4 und von dort über das Rückschlagventil 43 in den Leitungszweig 42B und somit ebenfalls in den Zylinderraum bei 48. Somit wird Eilvorlauf auch bei einem gewöhnlichen Zylinder erzielt. Bei dem speziellen dargestellten Eilgangzylinder 11 gelangt die aus der Kammer 47 verdrängte Hydraulikflüssigkeit über die bei 49 angedeuteten Kanäle mit Rückschlagventilen in die Kammer bei 48 und vermehrt somit die der Kammer bei 48 zugeführte Flüssigkeitsmenge, womit sich der Eilvorlauf des Zylinders 11 aus der Gesamtmenge der umlaufenden Hydraulikflüssigkeit ergibt.

Fig. 3 ist eine Darstellung des Antriebssystems im Arbeitshub, wobei man sich wiederum die Lufthydraulikpumpe 10 hinzuzudenken hat. Wie dargestellt, sind beide Ventile 3 und 4 umgeschaltet. Der über die Leitung 35, das Ventil 3, die Leitung 42 und 42B geförderte Strom gelangt dadurch weiterhin zum Anschluß B des Zylinders 11, jedoch wird der über den Anschluß A abgeführte und über die Leitung 36A fließende Hydraulikstrom zusammen mit dem Hydraulikstrom der Leitung 36 in die Verbindungsleitung 44 und von dort in die Tankleitung 37 abgeleitet. Somit baut sich in diesen Leitungen kein wesentlicher Druck auf, d. h. die Kammer 29 der Pumpe 10 bleibt im wesentlichen drucklos, und ein Gegendruck kann sich nur in der Kammer 28 entwickeln. Dies bedeutet aber, daß die an der Kolbenfläche 23 entwickelte pneumatische Kraft im wesentlichen vollständig zur Komprimierung des Hydrauliköls der Kammer 28 zur Verfügung steht, so daß sich dort ein Hochdruck entwickelt, der über die Leitungen 35, 42, 42B der Kolbenfläche 48 zugeführt wird, so daß der Arbeitszylinder 11 den Arbeitshub mit großer Kraft bewerkstelligen kann. Die bei 49 angedeuteten Rückschlagventile nehmen nunmehr eine solche Stellung ein, daß die bei 47 verdrängte Hydraulikmenge ebenso wie die bei 46 verdrängte Hydraulikmenge über den Anschluß A abfließt und über die Leitung 36A, das Ventil 4, die Leitung 44 in den Tankkanal 37 gelangt.

Fig. 4 stellt den Eilrückhub dar. Dabei steht das Ventil 3 in seiner Ausgangsstellung und das Ventil 4 in seiner Umschaltstellung. Dem Anschluß A des Arbeitszylinders 11 werden die Hydraulikströme der Leitungen 35 und 36 zugeführt, und zwar über den Anschluß P des Ventils 3, die Leitung 44, das Ventil 4 und die Leitung 36A, welche außerdem noch den Strom der Leitung 36 aufnimmt. Das im Raum bei 48 verdrängte Flüssigkeitsvolumen gelangt teilweise über die Schaltung 49 in den Raum bei 47 und teilweise über den Anschluß B und die Leitungen 42B und 42 sowie das Ventil 3 in die Tankleitung 37.

Fig. 5 zeigt die hydraulische Schaltung in der Speicherladestellung. Dabei sind die Ventile 4 und 5 umgeschaltet. Der beim Eilrückhub dem Anschluß A des Zylinders 11 zugeführte Hydraulikstrom kann nunmehr durch das durchgeschaltete Ventil 5, die Leitung 55 und das Rückschlagventil 9 in den Speicher 13 gelangen und diesen auffüllen, bis der Grenzdruck des Druckbegrenzungsventils 7 erreicht ist. Der Grenzdruck ist im dargestellten Ausführungsbeispiel auf 38 bar eingestellt, der zusammen mit der Kompensationsfläche 45 das auf den Zylinderkolben 11 ruhende Gewicht 56 in etwa ausgleicht.

Fig. 6 zeigt die hydraulische Schaltung beim Austausch der Hydraulikflüssigkeit des Speichers 13. Dabei ist das Ventil 5 umgeschaltet, und Hydraulikflüssigkeit wird über das Ventil 5 sowie die Leitung 36A, das Ventil 4, die Leitungen 43 und 42, das Ventil 3, die Tankleitung 37 in den Tank 34 so lange abgeleitet, bis der Grenzdruck des Druckbegrenzungsventils 8 erreicht ist. Dieser wird so eingestellt, daß gerade der Inhalt des Tanks 34 aus dem Speicher 13 abfließt, so daß diese Menge gerade in dem zuvor geleerten Tank 34 aufgenommen wird.

Das Antriebssystem kann noch Stromregelventile enthalten, wenn es darum geht, die Geschwindigkeit der Hübe des Arbeitszylinders 11 einzustellen. Diese Möglichkeit wird nachfolgend anhand der Fig. 7 erörtert.

Fig. 7 zeigt ein weiteres hydropneumatisches Antriebssystem mit teilweise den gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform, jedoch sind der Speicher 13 und die diesem zugeordneten Komponenten fortgelassen, und die Lufthydraulikpumpe 10′ ist abgewandelt. Statt zweier Differenzdruckkolben wird nur noch ein Differenzdruckkolben 24 verwendet. Der Druckluftarbeitsraum 22 steht ständig mit dem Druckluftnetz und der Raum 21 mit der Luftreinigungseinrichtung 41 in Verbindung. Um den Kolben 23 in die Ausgangslage zu verschieben, wird eine Ölpumpe 60 verwendet, die über eine Förderleitung 61 und die Rückschlagventile 33 Hydraulikflüssigkeit in die Kolbenkammern 28 und 29 fördert und dadurch den Kolben 24 und somit auch den Kolben 23 in der Zeichnung nach rechts verschiebt. Wenn sich der nötige Druck aufgebaut hat, wird Überdruck über das Druckbegrenzungsventil 62 zum Tank abgeleitet.

Die Wirkungsweise des Antriebssystems ist prinzipiell die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben. Die Ventile 3 und 4 werden in der bereits erörterten Weise geschaltet, und das Ventil 5 wird prinzipiell umgeschaltet, wenn der Kolben des Arbeitszylinders 11 verfahren werden soll.

Die aus den Kammern 28 und 29 verdrängten Hydraulikflüssigkeitsvolumina stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander, z. B. 1 : 3. Wenn demgemäß der Strom der Leitung 35 (der aus der Kammer 28 stammt) um ein bestimmtes Maß gedrosselt wird, fließt der Strom der Leitung 36 in entsprechendem Verhältnis weniger. Damit kann insbesondere die Vorlaufgeschwindigkeit mittels des hinzugefügten Stromregelventils 50 geregelt werden. Es wird ein Stromregelventil 50 bevorzugt, das sich als Proportionalstromregler eignet. Die optimalen Daten für den Proportionalstromregler werden errechnet und gespeichert und können für die jeweilige Betriebsweise abgerufen werden. Dabei ist es auch möglich, die Kolbenbewegung des Arbeitszylinders 11 hinsichtlich des Verlaufs der Beschleunigung und der Geschwindigkeit zu regeln.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 hat den besonderen Vorzug, die installierte Leistung der Pumpe 60 und des Elektromotors zu ihrem Antrieb weitgehend auszunutzen, indem in den Leerlaufzeiten der durch die Teile 22, 40 gebildete Energiespeicher geladen und im Krafthub entladen wird. Druckluft wird dabei nicht verbraucht.

Es können zahlreiche Abwandlungen an dem hydropneumatischen Antriebssystem vorgenommen werden. Beispielsweise ist es möglich, statt eines rundum abgedichteten Kolbens 23 eine bewegbare Wand zu verwenden, die einem Balg angehört, der den Druckluftarbeitsraum 22 umschließt. Anstelle eines Druckluftnetzes kann auch eine andere Art von Druckluftquelle verwendet werden, z. B. ein Druckluftspeicher, was vor allem bei der Ausführungsform nach Fig. 7 in Betracht kommt.

Claims (11)

1. Hydropneumatischer Antrieb mit folgenden Merkmalen:
eine Druckluftquelle (40) steht mit mindestens einem Druckluftarbeitsraum (22) in Verbindung, der eine bewegliche Wand (23) aufweist;
die bewegliche Wand (23) steht in Antriebsverbindung mit wenigstens einem hydraulischen Differenzflächenkolben (24), der eine erste (30) und eine zweite Wirkfläche (31) aufweist, die jeweils eine erste (28) bzw. eine zweite (29) Hydraulikkolbenkammer begrenzen;
die Wirkfläche der unter dem Druck der Druckluft stehenden, beweglichen Wand (23) ist wesentlich größer als jede der hydraulischen Wirkflächen (30, 31);
die erste Kolbenkammer (28) ist über eine Vorlaufventileinrichtung (3) mit einem ersten Anschluß (B) eines Arbeitszylinders (11) verbindbar;
der andere, zweite Anschluß (A) des Arbeitszylinders (11) und die zweite Kolbenkammer (29) sind miteinander verbunden sowie über eine Rücklaufventileinrichtung (4) mit dem Tank (34) verbindbar;
Vorlaufventileinrichtung (3) und Rücklaufventileinrichtung (4) sind so über das Hydrauliknetz (12) verbunden, daß im Kraft- und Arbeitshub nur die erste Kolbenkammer (28) druckbeaufschlagt wird, während die zweite Kolbenkammer (29) mit dem Tank (34) in Verbindung kommt.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Kolbenkammer (28) eine kleinere Wirkfläche (30) und der zweiten Kolbenkammer (29) eine demgegenüber größere Wirkfläche (31) zukommen.

3. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die bewegliche Wand (23) zwei Druckluftarbeitsräume (21, 22) begrenzt und mit jeweils zwei hydraulischen Differenzflächenkolben (24, 25) verbunden ist, deren Kolbenräume (28, 29) über eine Entkopplungseinrichtung (33, 38) mit den Ventileinrichtungen (3, 4) sowie mit einem Tank (34) verbunden sind und
daß ein Druckluftumschaltventil (1) wechselseitig die Beaufschlagung des einen Druckluftarbeitsraumes (z. B. 22) und die Entlastung des anderen Druckluftraumes (z. B. 21) ermöglicht.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch
eine Hydraulikpumpe (60), welche die Kolbenkammern (28, 29) gegen den Druck des Druckluftarbeitsraumes (22) zu füllen ermöglicht, und
eine Entkopplungseinrichtung (33), welche die Kolbenkammern (28, 29) voneinander entkoppelt und die Zufuhr von geförderter Hydraulikflüssigkeit in die kleinere Kolbenkammer (28) absperrt, wenn aus der ersten Kolbenkammer (28) Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck entnommen wird.

5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftarbeitsraum (22) ständig mit einem Druckluftnetz (40) als der Druckluftquelle und Energiespeicher verbunden ist.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungseinrichtung Rückschlagventile (33) wenigstens in den Zuleitungen (32, 61) zu den Kolbenräumen (28, 29) enthält.

7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromregler (50) in einer Hydraulikförderleitung (35) angeordnet ist, die von der ersten Kolbenkammer (28) zum Arbeitszylinder (11) hin führt.

8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (11) ein Schnellgangzylinder ist.

9. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (11) eine Kompensations- Differenzkolbenfläche (45) aufweist, auf die der Druck eines Hydrospeichers (13) einwirkt.

10. Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Hydrospeichers (13) über ein einstellbares Druckbegrenzungsventil (7) einstellbar ist, das eine Lade-Endlade-Leitung (55) gegenüber einer Tankleitung (37) absperrt.

11. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Hydrospeicher (13) über ein weiteres einstellbares Druckbegrenzungsventil (8) so viel Hydraulikflüssigkeit entnehmbar ist, wie diese dem Inhalt eines Hydrauliktanks (34) entspricht.