DE8323394U1 - Antriebsvorrichtung fuer arbeitsmaschinen - Google Patents

Description

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Antriebsvorrichtung für Arbeitsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für Arbeitsmaschinen unter Ausnutzung einer Wasserkraft«

Zum Antrieb von Arbeitsmaschinen stehen vielfach, aus welchen S Gründen immer, nur begrenzt Energieträger zur Verfügung. In bestimmten geographischen Bereichen spielt die Wasserkraft eine besondere Rolle, doch unterliegt das Angebot an zum Betrieb heranzuziehenden Wassermertgen erheblichen jahreszeitlichen Schwankungen. Dies zwingt dazu, derartige Antriebe unter möglichst sparsamem Wasserverbrauch zu betreiben. Das Bedürfnis nach solchen Antriebsvorriehtungen ist insbesondere in unterentwickelten gebieten von besonderer Bedeutung· wo die Elektrizität nur sehr begrenzt verfügbar ist, andererseits aber ausnutzbare Wasserkräfte nicht ständig in not« wendiger Menge vorhanden sind.

Die Erfindung schafft eine Antriebsvorrichtung, die unter Ausnutzung der Wasserkraft arbeitet und aufgrund ihrer Konzeption besonders zur Anwendung unter schwierigsten Bedingungen geeignet ist* Diese Antriebsvorrichtung der eingangs be-

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zeichneten Art besteht erfindungsgemäß aus zwei Zylindern, deren je einen "olben tragende Kolbenstange außerhalb der Zylinder gegenläufig gekoppelt sind und deren unteres Ende über je eine Druckleitung mit einem niveauhöheren Ausgleichs· behälter verbunden ist und deren oberes Ende an eine von dem Ausgleichsbehälter gespeiste Palleitung angeschlossen ist, wobei in der Palleitung eine von dem strömenden Wasser angetriebene Arbeitsmaschine angeordnet und die Kopplungseinrichtung mit einem intermittierend arbeitenden, etwa ab irreichen des oberen Totpunktes durch einen Kolben wirksamen Antrieb verbunden ist.

Mit Hilfe dieser Vorrichtung erreicht man, daß durch die gegenläufige Bewegung zweier Kolben nahezu kontinuierlich Wasser in einen niveauhöheren Ausgleichsbehälter gedrückt wird. Daraus folgt wiederum eine Erhöhung der potentiellen Energie des Wassers, die dann im weiteren Verlauf des Pro« zesses in kinetische Energie einer Arbeitsmaschine, bei' spielsweise einer Turbine, umgesetzt wird. Im einzelnen gliedert sich die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung für Arbeitsmaschinen in folgende Schritte:

Zunächst ist die Antriebsvorrichtung mit Wasser zu befüllen. liner der beiden Kolben mag sich zu Beginn des Prozesses im allgemeinen in seiner unteren Entstellung befinden; der andere Kolben steht in seiner oberen Endstellung, die ungefähr bei der Hälfte der Zylinderhöhe erreicht ist. Der Zylinderraum unterhalb dieses Kolbens ist ebenfalls mit Wasser gefüllt. Durch den Druck des aus der Falleitung in den Zylinder nachfließenden Wassers und zusätzlich durch einen Antrieb, der im allgemeinen als Impulsgeber zu verstehen ist, bewegt sich der in seiner oberen Stellung befindliche Kolben in seine untere Endstellung und drückt dabei die sich unter

ihm befindende Wassersäule über die Druckleitung in den niveauhöheren Ausgleichsbehälter. Gleichzeitig wird über die Kopplungseinrichtung der andere Kolben von seiner unteren in seine obere Kolbenstellung bewegt. Somit kann der Vorgang

S von neuem beginnen. Durch diese Vorrichtung wird mit einem relativ geringen apparativen Aufwand eine Möglichkeit geschaffen, das strömende Arbeitsmedium, das beim Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung vorzugsweise Wasser sein wird, auf ein höheres Niveau 2u bringen. Die aus der dadurch sich ergebenden Höhendifferenz erwachsende potentielle Energie wird zum Antrieb einer Arbeitsmaschine ausgenutzt. Ein besonderer Vorteil dieser Antriebsvorrichtung ist es, daß sie mit einem begrenzten Wasservolumen arbeitet, da das Wasser in der Vorrichtung einen Kreislauf beschreibt. Nur

IS eventuell auftretende Wasserverluste des Systems müssen jeweils ergänzt werden.

Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die Kolbenstangen mit je einer Zahnstange zu versehen und eine Kopp* iungseinriehtung aus einem mit beiden Zahnstangen in Eingriff stehenden Zahnrad oder Zahnradgetriebe zu verwenden. Diese technisch überaus unkomplizierte Art der Kopplung zweier Kolbenstangen hat sich als ebenso robust und wenig störanfällig wie wirkungsvoll erwiesen. Daher eignet sieh die Antriebsvorrichtung bedenkenlos auch zur bevorzugten Anwendung in technisch unterentwickelten Gebieten.

In weiterer Ausgestaltung des allgemeinen Prinzips sieht die Erfindung vor, daß in jeder Druckleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist. Damit ist eine wichtige technische Voraussetzung für das optimale Funktionieren der Antriebsvorrichtung gegeben. Auf diese Weise wird nämlich wirksam verhindert, daß

das sich in der Druckleitung oder im Ausgleichsbehälter befindende Wasser unter Umgehung der Arbeitsmaschine in die Zylinder, und zwar an der Kolbenunterseite, zurückströmt.

S Nach diesen allgemeinen Grundgedanken sieht die Erfindung weiterhin vor, daß die Kopplungseinrichtung einen intermittierend arbeitenden Antriebsmotor mit alternierender Drehrichtungsumkehr aufweist. Dieser dient da2u, dem jeweils in Bereich des oberen Totpunktes seiner Bewegungsbahn befindliehen Kolben einen Impuls for die Sinleitung der Arbeitsbewegung dieses Kolbens zu geben. Dabei übt der Antriebsmotor nur über etwa die Hälfte des Kolbenhubes eine Kraft auf den Kolben aus, während die weitere Kolbenbewegung dann von der Wasserkraft ausgeht.

Mach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Kopplungseinrichtung einen hydraulischen oder pneumatischen Antriebsmotor mit alternierender Drehrichtungsumkehr auf. Diese Antriebsmotoren verfolgen den oben beschriebenen Zweck.

Welche Art von Antriebsmotoren letztendlieh verwendung findet, richtet sich vor allem nach den örtlichen Gegebenheiten.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß jeder Kolben mindestens eine Öffnung aufweist, in der ein bei der abwärts geriehteten Arbeitsbewegung des Kolbens in Schließstellung befindliches und bei der Aufwärtsbewegung geöffnetes Rückschlagventil angeordnet ist. Dieses Rückschlagventil hat zwei entscheidende Funktionen zu erfüllen, die vor allem im Hinblick auf einen optimalen Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung von großer Bedeutung sind, in Schließstellung wirkt die gesamte Unterfläche des Kolbens als Druckfläche auf die sich unter dem Kolben befindende Wassersäule. Dies führt zu einer effektiven Wasserverdrängung aus dem unteren Teil des Zylinders über die Druckleitung in den Ausgleichsbehälter.

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Bei der Aufwärtsbewegung dagegen öffnet sich das Ventil, so daß Wasser vom oberen Teil des Zylinders durch den Kolben hindurch in den unter dem Kolben befindlichen Teil des Zylinders strömen kann. Auf diese Weise wird gleichzeitig die für die Aufwärtsbewegung des einen Kolbens erforderliche Kraft, die zum größten Teil von dem sich in Abwärtsbewegung befindenden Kolben aufgebracht werden muß, vermindert.

Die Erfindung sieht schließlich vor, daß der Arbeitsmaschine

in der Falleitung ein weiterer Ausgleichsbehälter nachgeschaltet ist. Auf diese Weise wird einerseits sichergestellt, daß sich das die Arbeitsmaschine durchströmende Wasser nicht in der Maschine selbst aufstaut, was z.B. bei Störungen auftreten kann und einem optimalen Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine hinderlich im Wege stände. Andererseits wird dadurch erreicht, daß immer genügend Wasser zum Befüllen der Zylinder zur Verfugung steht. Daher stellt dieser Ausgleichsbehälter vor allem eine Maßnahme zur Aufrechterhaltung eines optimalen Wirkungsgrades dar.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen schematisch:

Fig. 1 die Antriebsvorrichtung in Ansicht; Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Zylinder der Antriebsvorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil der Zylinder bei einer anderen Kolbenstellung;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 und Fig. 5 ein schematisches Schaltbild für die Steuerung des Antriebsmotors.

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Die Antriebsvorrichtung 1 (Fig. 1) besteht aus zwei gleichartigen, stehenden Zylindern 2 und 3, die in ihrem unteren Bereich in je einen Konus 4 bzw. 5 münden. Von jedem Konusauslauf 6 bzw. 7 führt eine Druckleitung 8 bzw. 9 in einen niveauhöheren Ausgleichsbehälter 10, der im dargestellten Beispiel ein zylinderförmiger Tank ist. In jeder Druckleitung 8 bzw. 9 ist in Abstand vom Konusauslauf 6 bzw. 7 je ein Rückschlagventil 11 bzw. 12 vorgesehen. An dem Ausgleichsbehälter 10 ist ein Auslaufstutzen 13 angeordnet, an den eine Falleitung 14 angeschlossen ist. Diese Falleitung 14 verbindet den Ausgleichsbehälter 10 über zwei Auslaufstutzen 15, 16 mit den Zylindern 2 bzw. 3 und weist ein blindes Ende 17 auf. In der Falleitung 14 befinden sich eine lediglich angedeutete Arbeitsmaschine 18 und ein nachgeschalteter

Ausgleichsbehälter 19.

In jedem Zylinder 2 bzw. 3 ist ein Kolben 20, 21 angeordnet, der mit einer Kolbenstange 22 bzw. 23 verbunden ist, die am oberen Ende 24 aus dem Zylinder 2 bzw. 3 herausgeführt ist.

Zur Abdichtung der Kolbenstangen 22, 23 dienen die Dichtungen 25. An ihrem oberen Ende tragen die Kolbenstangen 22, je eine Zahnstange 26 bzw. 27. Diese kämmen mit einem in einem Gehäuse 28 angeordneten, auf der Welle 29 gelagerten Zahnrad 30. Dieses bewirkt durch seinen Eingriff in die Zahnstangen 26 und 27 eine ständige Kopplung der beiden Kolbenstangen 22 und 23.

Jeder der Kolben 20 und 21 weist mehrere Bohrungen 31 auf, und an der Unterseite 32 des Kolbens 20, 21 sind diese Bohrungen 31 verschließende Ventile 33 angeordnet, die bei der wiedergegebenen Ausführungsform vereinfacht als Klappen dargestellt sind* Diese Ventile 33 sind durch Federn 34 beaufschlagt, die die Ventile 33 in Schließstellung zu bringen

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trachten. Bei der Aufwärtsbewegung der Kolben wird die Kraft der Federn 34 überwunden, und die Ventile 33 öffnen sich, so daß das Wasser durch den Kolben hindurchtreten kann (rechts in Fig. 2 und 3 dargestellt).
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In der Bewegungsbahn der beiden Zahnstangen 26, 27 sind bei der dargestellten Ausführungsform an ihrer Außenseite 35 Schaltnocken 40 und 43 in Abstand übereinander angeordnet. Die Welle 29 des Zahnrades 30 ist mit einem Antriebsmotor 38 (Fig. 4 und 5), der ein Elektromotor, pneumatischer oder hydraulischer Motor sein kann, verbunden, und zwar unter Zwischenschaltung eines Getriebes 39 (Fig. 4). Der Motor 38 wird von den einer jeden Zahnstange zugeordneten Endschaltern 36, 37 angesteuert.

Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ergibt sich wie folgt:

Die Zylinder 2 und 3, die Druckleitungen 8, 9 und die FaIlleitung 14 sind zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs der Antriebsvorrichtung 1 vollständig mit Wasser gefüllt, das von dem nicht voll befüllten Ausgleichsbehälter 10 über die Fallleitung 14 und die Anschlußstutzen 15 und 16 in die Zylinder 2, 3 strömt. Unter dem Druck der auf ihm lastenden Wassersäule bewegt sich z.B. der Kolben 20 bei geschlossenen Ventilen 33 nach unten. Dabei drückt er die sich an seiner Unterseite befindliche Wassersäule über die Druckleitung 8 in den Ausgleichsbehälter 10. Gleichzeitig wird an der Kolbenrückseite das verdrängte Wasser über die Falleitung 14 ergänzt. Die von dem Kolben 20 über die Kolbenstange 22 auf die Zahnstange 26 übertragene Bewegung wird durch die Kopplung der beiden Zahnstangen 26 und 27 durch das Zahnrad 30 zugleich

dem arideren Kolben 21 mitgeteilt und dieser in seine obere Endstellung bewegt, die in ungefähr der halben Zylinderhöhe liegt (s. rechts in Fig. 2). Dabei sind die Ventile 33 des Kolbens 21 geöffnet, so daß Wasser von dem Zylinderraum oberhalb des Kolbens 21 in den Zylinderraum unterhalb dieses Kolbens 21 strömen kann.

\ Bei dieser Aufwärtbewegung der Kolbenstange 23 erreicht die ν zugehörige Zahnstange 27 zunächst den Schaltnocken 'D des .·: 10 Endschalters 37 in deu Steuerkreis 41 für den Motor 3b. Der Ά Schalter 37 wird hierdurch geschlossen. Der nachfolgende \ Schalter 36 befindet sich jedoch noch in seiner gestrichelt k dargestellten Öffnungsstellung 36'. Erst wenn die sich wei- \, ter aufwärts bewegende Zahnstange 27 des Kolbens 21 den Schaltnocken 43 dieses weiteren Schalters 36 überfährt, schließt auch dieser. Damit wird der Motor 38 an Spannung gelegt. Er läuft in der vorbestimmten Drehrichtung an und bewegt das Zahnrad 30 in der in Fig. 2 durch den Pfeil 48 angedeuteten Drehrichtung. Dadurch erfahren die Bewegungen der beiden Kolbenstangen 22 und 23 aus ihrer jeweiligen Totpunktlage (s. Fig. 2) heraus eine Bewegungsumkehr, und die Kolbenstange 23 mit der zugehörigen Zahnstange 27 wird nunmehr unter der Wirkung dieses vom Motor 38 ausgehenden Antriebs abwärts bewegt. Dabei gibt die Zahnstange 27 zunächst den Schaltnocken 43 des im Steuerkreis 41 angeordneten Schalters frei. Dieser bleibt jedoch unter der Haltewirkung eines Relais 44 in Schließstellung^ bis schließlich die Zahnstange 27 bei ihrer weiteren Abwärtsbewegung auch den Schaltnocken 40 für den weiteren Schalter 37 freigibt und dieser sowie der mit ihm verbundene Schalter 42 öffnen. Damit wird das R'elais 44 stromlos, und der Schalter 36 gelangt in seine Öffnungsstellung 36'. Die Folge davon ist, daß der Motor spannungslos wird.

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Mit dem Schalter 37 ist ein weiterer Schalter 45 in dem f·.

Steuerkreis 46 verbunden, der seinerseits eine mit dem Getriebe 39 verbundene Kupplung 47 betätigt. Mit dem Trennen dieses Stromkreises 46, das gleichzeitig mit dem Trennen der Sehalter 37 und 42 erfolgt, wird der Antriebsmotor 3Θ von der Welle 29 abgekuppelt und umgepolt. Die weitere Abwärtsbewegung der die Zahnstange 27 tragenden Kolbenstange 23 erfolgt nun unter der Wirkung der auf den zugehörigen Kolben 21 lastenden Wassersäule, wie oben besehrieben.

Bei der gleichzeitig erfolgenden Aufwärtsbewegung der anderen Kolbenstange 22 erfolgt der umgekehrte Steuerungsvorgang, was im einzelnen nicht dargestellt ist. Die Zahnstange 26 überfährt zunächst einen entsprechenden Sehaltnocken 40 und schließt damit die Sehalter 37 und 42 des Steuerkreises 41 und 45 des Steuerkreises 46« während der Schalter 36 noch geöffnet bleibt, so daß das Sehließen der drei genannten Sehalter zunächst noch keine Funktion auslöst. Erreicht die Zahnstange 26 den Sehaltnocken 43 und schließt damit den Sehalter 36, wird der Motor 38 an die Welle 29 angekuppelt, an Spannung gelegt, und läuft infolge der bei der vorherigen Abwärtsbewegung der anderen Zahnstange 27 erfolgten Umsteuerung in umgekehrter Drehriehtung zum Pfeil 48 um» womit die Abwärtsbewegung der jetzt in ihrer oberen Endstellung befindliehen Zahnstange 26 und die Aufwärtsbewegung der zwischenzeitlich in ihrer unteren Stellung befindlichen Zahn« stange 27 eingeleitet wird« Beim Schließen des Sehalters 36 wird zugleich das Halterelais 44 des Schalters 36 an Spannung gelegt und hält damit den Schalter 36 geschlossen. Bei der durch die Bewegungsumkehr nun folgenden Abwärtsbewegung der Zahnstange 26 in zeitlichem Abstand hintereinander erfolgenden Freigabe der Schaltnocken 43 und 40 ergibt sich der zur Zahnstange 27 oben erläuterte Funktionsablauf, d.h. der Antriebsmotor 38 wird stillgesetzt und zugleich umgepolt, so

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daß er bei der nachfolgenden Betätigung mit umgekehrter Drehrichtung arbeitet. Zugleich wird der.Motor von der Welle 29 abgekoppelt. Au diese Art und Weise wird mit der beschriebenen Antriebsvorrichtung 1 eine Arbeitsmaschine 18 kontinuierlich angetrieben.

Claims (6)

ansprüche

1. Antriebsvorrichtung für Arbeitsmaschinen unter Ausnutzung einer Wasserkraft, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Zylinder (2, 3), deren je einen Kolben (20, 21) tragende Kolbenstangen (22, 23) außerhalb der Zylinder (2, 3) gegenläufig gekoppelt siRd und deren unteres Ende (6, 7) - über je eine Druckleitung (8, 9) mit einem niveauhöheren Ausgleichsbehälter (10) verbunden ist und deren oberes Ende (24) an eine von dem Ausgleichsbehälter (10) gespeiste Falleitung (14) angeschlossen ist, wobei in der Falleitung (14) eine von dem strömenden Wasser angetriebene Arbeitsmaschine (18) angeordnet und die Kopplungseinrichtung mit einem intermittierend arbeitenden, etwa ab Erreicher, des oberen Totpunktes durch einen Kolben wirksamen Antrieb verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangen (22, 23) mit je einer Zahnstange (26, 27) versehen sind und die Kopplungseinrichtung aus einem mit beiden Zahnstangen (26, 27) in Eingriff stehenden Zahnrad (30) oder Zahnradgetriebe besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Druckleitung (8, 9) ein Rückschlagventil (11, 12) angeordnet ist. '

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung einen Antriebs- motor (38) mit alternierender Drehrichtungsumkehr aufweist.

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5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung einen hydraulischen oder pneumatischen Antriebsmotor mit alternierender Drehrichtungsumkehr aufweist.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (20, 21) mindestens eine öffnung aufweist, in der ein bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (20, 21) in Schließstellung befindliches R'jckschlagventil (33) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmaschine (18) in der FaIl-

■4 leitung (14) ein weiterer Ausgleichsbehälter (19) ndchge-

15 schaltet ist.

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