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Elektrohydraulische Verstellvorrichtung Zum Verstellen, insbesondere
Fernverstellen, von Klappen, Schiebern, Ventilen, Bremsen u. dgl. liegt es nahe,
Elektromagnete als Betätigungsmittel zu verwenden. Der einfache Elektromagnet, insbesondere
der zumeist in Betracht kommende Wechselstrommagnet, ist aber hinsichtlich seiner
Anziehungskraft, seiner Hublänge, vor allem auch wegen seines hohen Anfangsstromes
und der damit verbundenen großen Scheinleistung nur beschränkt zu verwenden, nämlich
nur dort, wo er verhältnismäßig kleine Hublängen auszuführen hat. Die in dieser
Beziehung an sich günstigeren Drehstrommagnete haben vor allem den Nachteil des
sehr hohen Gewichtes. Das gleiche gilt für Gleichstrommagnete, deren Anwendung überdies
das zumeist seltene Gleichstromnetz oder einen zusätzlichen Gleichrichter voraussetzt.
Eine Verbesserung gegenüber Elektromagneten ergeben Verstellvorrichtungen, die nach
dem elektrohydraulischen Prinzip arbeiten. Die bekannten Vorrichtungen dieser Art
bestehen durchweg aus einem Drehstrommotor, einer von diesem angetriebenen Flügelradpumpe
und einem von der Druckflüssigkeit beaufschlagten Stellkolben. Gegenüber den Elektromagneten
zeichnen sich diese elektrohydraulischen Verstellvorrichtungen insbesondere durch
wesentlich kleineren Anfahrstrom, durch höhere Hubkraft und größeren Hub aus. Trotz
dieses recht erheblichen Fortschrittes sind aber auch diese Vorrichtungen noch verhältnismäßig
schwerfällig im Aufbau und in der Wirkungsweise. Wenn auch der Anfahrstrom wesentlich
kleiner als bei Elektromagneten ist, so ist doch immer noch ein besonderes Einschaltschütz
erforderlich. Der von
der Fl@igelradpunipe erzeugte Flüssigkeitsdruck
liegt in der Größenordnung von nur o,5 atü, was verhältnismäßig große Dimensionen
von Druckzylinder und Stellkolben zur Folge hat. Die Anwendung dieser bekannten
elektrohydraulischen Ver-Stellvorrichtungen ist daher ebenfalls auf wenige Sonderfälle
beschränkt.
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Die Erfindung stellt eine von den bekannten Ausführungen im Aufbau
und in der Arbeitsweise grundsätzlich abweichende elektrohydraulische Verstellvorrichtung
dar. Erfindungsgemäß wird als Pumpe für die Druckflüssigkeit eine Schwingpumpe mit
einem Wechselstrommagnet als :'\ntrieb für die Pumpe verwendet. Mittels einer derartigen
Verstellvorrichtung können bei kleinster Netzbelastung beliebige Kräfte und beliebige
Hublängen bewältigt werden. Besondere Einschaltschütze sind nicht mehr notwendig.
Die Möglichkeit der Anwendung hoher Flüssigkeitsdrücke, beispielsweise in der Größenordnung
von 3o atü, ergibt besonders kleine Abmessungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann daher vielseitig zur Anwendung kommen, insbesondere dort, wo eine Vielzahl
von Arbeitsgeräten, z. B. Klappen, Ventile, Schieber oder Bremsen oder auch schließlich
elektrische Schalter zu betätigen sind.
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Als Schwingpumpe kommt in erster Linie eine Pumpe in Betracht, deren
Steuerschieber vorzugsweise durch Federn mit dem schwingenden Pumpenkolben gekoppelt
ist. Der Steuerschieber arbeitet dann in Resonanz zum Pumpenkolben. Bei Resonanz
wird so erreicht, daß der Steuerschieber unabhängig von seiner Dämpfung dem Pumpenkolben
um 9o ° phasenverspätet folgt. Das Pumpensystem ist hierbei vorzugsweise so aufgebaut,
daß der Druckhub des Pumpenkolbens von einem Federsystem bewirkt wird, das während
des Saughubes vom Wechselstrommagnet gespannt wird. Hierdurch wird die Charakteristik
des Federsystems zur Kennlinie der Pumpe und damit des ganzen Gerätes, das auf diese
Weise eine äußerst bemerkenswerte Charakteristik erhält: Bei kleinstem Hub der größte
Flüssigkeitsdruck und bei größtem Hub der kleinste Druck. Man könnte diese Charakteristik
auch als Reilienschluß- oder Hauptschlußcharakteristik bezeichnen, da sie ein ganz
ähnliches Verhalten wie ein Reilienschluß- oder Hauptstrommotor, der vorwiegend
im elektrischen Bahnbetrieb verwendet wird, offenbart. Der Hub ist bei konstanter
Frequenz von ioo Hz identisch mit der Geschwindigkeit, der Druck mit der Zugkraft
bzw. mit dem Drehmoment des Elektromotors. Im Gegensatz hierzu steht das starre
Verhalten einer Kolbenpumpe mit konstantem Hub und konstanter Hubzahl, deren Verhalten
dem eines Gleichstromnebenschlußmotors entspricht.
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Infolge der angegebenen idealen Belastungskennlinie der Schwingpumpe
werden die mit ihr betriebenen Verstellvorrichtungen die gleichen günstigen Eigenschaften
haben: Bei kleiner Gegenkraft ist die Verstellgeschwindigkeit groß. Tritt eine größere
Gegenkraft auf, so verlangsamt sich automatisch die Geschwindigkeit. Es ist also
leicht, die Vorrichtungen so zu dimensionieren, daß die Nennkraft nur 30 oder 5o%
der maximal möglichen ausmacht: Dann hat man für Klemmungen aller Art, die bei Schiebern,
Klappen u. dgl. öfter auftreten können, eine dreibis zweifache Kraftreserve, ohne
ein besonderes Überdruckventil, wie sonst bei Kolbenpumpen, vorsehen zu müssen.
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Die Zeichnung zeigt im Schema verschiedene Ausführungsbeispiele der
Erfindung.
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Bei der Ausführung nach Abb. i sind in einem langgestreckten Zylinder
io, der zugleich auch einen Vorratsraum für die Druckflüssigkeit bildet, die Schwingpumpe
i i und der Stehkolben 12 untergebracht. Der Zylinder io ist an seinem unteren Ende
mittels eines Zapfens 13 schwenkbar gelagert, um eine Schwenkbewegung des Gerätes
zu ermöglichen.
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Von der Schw ingpurnpe i i ist in Abb. i nur die Spule 14 des Wechselstrommagnets
angedeutet. Der Aufbau der Pumpe ergibt sich im einzelnen in vergrößerter Darstellung
aus Abb. 2. 1 5 ist hier der Magnet, dessen Spule 14 an das Wechselstromnetz geschaltet
ist. Der Anker 16 des Magnets wird durch kräftige Druckfedern 17 abgehoben. Mit
dem Anker 16 ist der Pumpenkolben 18 verbunden, der im feststehenden Gehäuse i9
geführt ist. Über die Ankerstege 20 ist der Kolben 18 mittels der Federn 21 mit
dem Steuerschieber 22 gekoppelt, so daß der Steuerschieber 22 in Resonanz mit diesem
schwingt und deshalb mit 9o° Phasenverspätung dem Kolben 18 folgt.
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Der Stellkolben 12 (Abb. i) ist im Druckzylinder 23 geführt. Unter
der Wirkung einer Druckfeder 24 wird der Kolben bei abgeschalteter Pumpe i i in
seiner unteren Lage gehalten. Das Rohr 25 stellt die Verbindung des Druckzylinders
23 mit der nicht gezeigten Druckleitung der Schwingpumpe i i dar. 26 ist der Abschlußdeckel
des Zylinders, der eine Führung für die Stange 27 des Stellkolbens 12 aufweist.
Diese Führung kann mit einer Stopfbuchse versehen sein, um beliebige Lagen des Gerätes
zu ermöglichen, ohne daß Flüssigkeit austreten kann.
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Im Boden des Zylinders 23 ist ein magnetgesteuertes Ventil 28 vorgesehen.
Dieses Ventil wird beim Schließen des Schalters 29 durch den Magnet 30 entgegen
der Wirkung seiner Feder geschlossen. Der von der Schwingpumpe i i erzeugte Flüssigkeitsstrom
geht durch das Verbindungsrohr 25 in den Druckzylinder 23. Der Stellkolben 12 wird
dadurch gegen die Druckfeder 2q. nach oben gedrückt. Die Druckfeder muß je nach
dem Verwendungszweck so stark ausgelegt werden, daß sie das nach oben verstellte
Gerät allein wieder nach unten drücken kann. Dies geschieht, sobald der Schalter
29 wieder geöffnet wird. Hierbei wird gleichzeitig die Flüssigkeit über das Ventil
28 nach außen gepreßt, wodurch eine erwünschte und einstellbare Dämpfung eintritt.
Die Ventilfeder ist dabei so ausgelegt, daß das Ventil 28 auch bei dem größten durch
die Druckfeder 24 erzeugten Druck sicher geöffnet wird.
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Beim Laufen der Schwingpumpe entnimmt diese die Flüssigkeit dem Vorratsraum,
dessen Spiegel sich dabei entsprechend senkt. Durch die schlanke Form des Außenzylinders
io und durch die Stopfbuchse
im Deckel 26 sind Schräglagen bis
fast zur Horizontalen möglich.
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Da die Schwingpumpe mit wachsendem Druck selbsttätig ihren Hub verkleinert,
wird der Hub der Schwingpumpe nach Erreichen der oberen Endlage praktisch Null.
Die Pumpe wird immer nur dann wieder kurz mit kleinstmöglichem Hub anlaufen, wenn
der Druck im Zylinder 23 durch Undichtigkeiten abfällt. Dieser Druck, bei dem die
Schwingpumpe mit Sicherheit wieder anläuft, ist größer als der Gegendruck auf den
Stehkolben 12. Da der Pumpenmagnet i-. im Stillstand nur wenige Watt aufnimmt, kann
die Schwingpumpe ohne Bedenken beliebig lauge Zeit eingeschaltet bleiben. Die große
Scheinleistungsaufnabnie im Anlauf ist nur ganz kurzzeitig vorlianclen, da man mit
der Druckfeder24 dafür sorgen kann, daß sofort ein größerer Gegendruck vorhanden
ist. Der Pumpenmagnet verbraucht damit während des Hubes nicht viel mehr als die
kleineren Wechselstrornluftschütze für Niederspannung. Mit dein Fortfall des Schaltschützes
ist die g r) (- 13 t 1 -iii#licliel,.'iiii'aclilieitinderelektrischenSchal- 11 tung
erreicht. 1)a der eine Draht als Nulleiter überall zur Verfügung stellt, ist tatsächlich
nur ein einziger Draht ziem Schalter 29 für die Fernbetätigung nötig. Die Tatsache
ist deshalb so besonders wichtig, weil die Installationskosten für die Steuerleitungen
beträchtlich sind, besonders wenn für jede Betätigung mehr als ein l)ralit benutzt
werden muß.
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Die Ausführung der Abb. i läßt sich auch dahingehend abwandeln, daß
der von der Druckflüssigkeit der Pumpe unmittelbar beaufschlagte Kolben nicht als
Stellkolben, sondern als Belastungskolben für den von seinem Zylinder und einer
Druckfeder gebildeten Druckspeicher dient. Der eigentliche Stehkolben liegt dann
mit seinem Druckzylinder außerhalb des Gerätes, wobei der Druckzylinder mit (lern
Druckspeicher durch eine Leitung verbunden werden kann. In dieser Leitung kann sich
ein Ventil befinden, das ebenfalls durch einen Magnet gesteuert wird, der mit dem
Pumpenmagnet in Reihe liegt. Wird dieser Magnet eingeschaltet, so wird mittels des
Ventils die Verbindung zum Druckzylinder abgesperrt und eine Verbindung mit dem
drucklosen Flüssigkeitsraum hergestellt. Die Schwingpumpe arbeitet nur auf den Druckspeicher,
und zwar so lange, his die Endlage des Belastungskolbens erreicht ist. Wird der
Magnet abgeschaltet, so wird der Druckspeicher mit dem Druckzylinder verbunden.
Unter der Wirkung der gespannten Druckfeder des Druckspeichers wird die unter dem
Kolben befindliche Flüssigkeit mit großer Kraft unter den Stellkolben gepreßt und
dieser dadurch zu einer momentanen Arbeitsleistung schnell nach oben bewegt. Das
Volumen des Druckspeichers beträgt ein Vielfaches von dem des Druckzylinders: Es
können daher mehrere Momentanschaltungen hintereinander ausgeführt werden.
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13ei der Ausführung nach Abb. 3 ist die Druckfeder 24 fortgefallen.
Dafür ist der Stellkolben 12 nunmehr doppelseitig beaufschlagt. Der Druckzylinder
23 ist oben druckdicht mittels der Sto@pffniehse 32 abgeschlossen und statt des
Auslaßventils 2$ ist ein Umsteuerschieber 33 mit Betätigungsmagnet 34 und Rückzugfeder
35 eingebaut. 36 ist der 'Schalter in der Steuerleitung. In der gezeichneten
Stellung ist dieser Schalter geöffnet. Die Feder 35 zieht den Umsteuerschieber 33
nach rechts. Dadurch wird die Schwingpumpe i i über die Druckleitung mit dem Druckraum
oberhalb des Siellkolbens 12 verbunden, der dadurch nach unten gedrückt wird. Wird
der Schalter 36 geschlossen, so arbeitet die Schwingpumpe i i auf den Druckraum
unterhalb des Stellkolbens 12 und treibt diesen so nach oben. In den Endlagen wird
der Kolben wieder dadurch gehalten, daß die Schwingpumpe den Druck so lange aufrechterhält,
wie sie eingeschaltet ist.
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Bei der Schaltung der Abb. 3 ist die Schwingpumpe dauernd an die normale
Einphasenleitung (Lichtleitung) angeschlossen. Der kleine Steuermagnet 34 liegt
parallel dazu und wird über einen Vorwiderstand über die Phasenleitung zum Schalter
36 ein- und ausgeschaltet, während seine andere Klemme am Nulleiter im Gerät angeklemmt
wird. Dadurch ist wieder die Fernbetätigung durch eine einzige Leitung möglich.
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Will man bei der Ausführung nach Abb. 3 die Schwingpumpe nur während
der Betätigung laufen lassen, so kann man die Schaltung nach Abb.4 verwenden. Hier
ist a ein Umschaltekontakt, der vom Umschaltemagnet 34 gleichzeitig mit der Umsteuerung
umgeschaltet Nyird. b und c sind die oberen bzw. unteren Endlagekontakte, die geöffnet
werden, wenn der Stellkolben 12 in die obere bzw. untere Endlage kommt. Bei dieser
Schaltung läuft also die Schwingpumpe immer nur nach dem Einschalten von 36 so lange,
bis der Kolben 12 seine Endlagen erreicht hat. Bei den meisten Betätigungen, für
die die vorliegenden Anordnungen zur Anwendung kommen, wird der Schieber oder die
Klappe in der Endlage von selbst liegen bleiben. Sollte aber durch einen äußeren
Einfluß der Kolben 12 aus seiner Endlage gewaltsam herausgedrängt werden, so fängt
nach Schließen der Endlagenkontakte die Schwingpumpe wieder zu arbeiten an und drückt
den Kolben in seine Endlage zurück.
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Bei der Schaltung nach Abb.5 ist der kleine Steuermagnet 34 nicht
an die volle Netzspannung gehängt, sondern an eine Kleinspannung unter 4o Volt,
die durch eine Sekundärwicklung 37 gewonnen wird, die außen auf der Wicklung des
Pumpenmagnets 14 angebracht ist. Wegendes festen Windungsverhältnisses und des bei
allen Luftspaltgrößen gleichbleibenden Flusses im Pumpenmagnet ist diese Betätigungsspannung
hinreichend konstant. Eine der beiden Steuerleitungen kann wieder gemeinsatn für
alle Betätigungen genommen werden, aber da jetzt bei Kleinspannung schwach isolierte
Leitungen genommen werden können, die wesentlich billiger zu verlegen sind, verlegt
man zweckmäßig wegen der besseren Übersicht des ganzen Schaltplanes zwei Schwachstromsteuerleitungen.
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Bei der Schaltung nach Abb. 6 kommen die Vorschlage nach Abb. 4 und
5 kombiniert zur Anwendung. Dabei sind in Ergänzung zu Abb. 4 parallel
zu
den Enlagekontakten b und c Widerstände R vorgesehen. Durch diese Widerstände wird
erreicht, daß zwar in den Endlagen des Stellkolbens 12 die Schwingpumpe i i mechanisch
zum Stillstand kommt, daß trotzdem aber im Steuerkreis 34, 36, 37 immer noch eine
zum Steuern ausreichende Kleinspannung zur Verfügung steht.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung liegen im wesentlichen
darin begründet, daß die sehr kleinen, aber vielen Hübe des Schwingmagnets (i oo/sec)
mit gutem Wirkungsgrad in einen großen Hub verwandelt werden, der bei völlig gleichbleibender
Kraft und gleichbleibender Geschwindigkeit durchlaufen wird. Das Ganze ist also
gewissermaßen ein Schrittwerk, aber ohne mechanische Abnutzung, wie sie ein Sperrklinkenantrieb
mit sich bringen würde, da alle Teile in Flüssigkeit laufen und nur reine Längsbewegungen
ausführen. Deshalb ist z. B. eine Leistung von etwa 20 Watt schon in den meisten
Fällen ausreichend, zumal es für viele Anwendungsfälle meist nicht auf einige Sekunden
Betätigungszeit ankommt. .
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Die Anwendung wird durch die gewählte Bauweise erleichtert, bei der
der Stellkolben, der Pumpenmagnet und die Schwingpumpe gleichachsig zueinanderliegen
und zu einem Gerät baulich vereinigt sind. In gleicher Richtung liegt die Maßnahme,
die zugehörige elektrische Schaltrichtung ganz oder teilweise mit dem Pumpenmagnet
zu einer Baueinheit zu verbinden, die dann vorzugsweise in den drucklosen Flüssigkeitsbehälter
eingebaut wird. Im übrigen empfiehlt es sich, vor allem den Pumpenmagnet im drucklosen
Flüssigkeitsraum anzuordnen, um auf diese einfache Weise die Stromwärmeverluste
des Magnets leicht abzuführen. Außer den Endlagekontakten können weitere Kontakte
abhängig von der Stellung des Stellkolbens gesteuert werden. Diese Kontakte können
beispielsweise zum Steuern weiterer erfindungsgemäßer Verstellvorrichtungen dienen.
Die Kolbenstange wird in diesen Fällen zweckmäßig beidseitig herausgeführt, wobei
die nicht am.Arbeitsgerät angreifende Stange zur Steuerung von Hilfskontakten, Widerständen
u. dgl. dienen kann.
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Der Stellkolben kann sinngemäß auch als Drehkolben ausgebildet sein.