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Elektrohydraulischer Verstellantrieb Es sind elektrohydraulische Verstellantriebe
bekannt, bei denen ein Elektromotor, eine von diesem angetriebene Kreiselpumpe und
ein von der Druckflüssigkeit der Kreiselpumpe beaufschlagter Stehkolben mit einem
zylindrischen Flüssigkeitsbehälter züz einer Baueinheit verbunden sind, wobei der
Elektromotor, die Kreiselpumpe, der Stehkolben und der Flüssigkeitsbehälter gleichachsig
zueinander angeordnet sind. Derartige Verstellantriebe kommen für die verschiedensten
Zwecke, z. B. für die Betätigung von Bremsen, Kupplungen, Ventilen, Pressen od.
dgl., mit Erfolg zur Anwendung. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist
allerdings ihr Einsatz auf Stehkräfte von einigen hundert Kilogramm beschränkt.
Sie sind deshalb beispielsweise als Ersatz der Druckluftantriebe für den Bergbau
in ihrer gegenwärtigen Bauform durchweg nicht verwendbar. Damit geht aber ein großes
und wichtiges Anwendungsgebiet verloren, insbesondere wenn man die Vielzahl der
Druckluftantriebe im Bergbauberücksichtigt und ferner in Betracht zieht, daß eine
der Hauptaufgaben bei der Elektrifizierung des Bergbaues in dem Ersatz der großen
Druckluftmengen liegt, die zur Speisung der vielen einfach oder doppelt wirkenden
Druckluftantriebe verbraucht werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrohydraulischen Verstellantrieb
mit mehreren von einem gemeinsamen Motorpumpenaggregat gespeisten einzeln oder gruppenweise
zu- und abschaltbaren Stellmotoren. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin,
daß bei Verwendung einer ein-oder mehrstufigen Kreiselpumpe diese in bezug auf ihre
Fördermenge so bemessen ist, daß bei Zuschaltung von Stellmotoren die bereits vorher
eingeschalteten unter Flüssigkeitsdruck in ihrer Arbeitsstellung
gehalten
werden, wobei die Stellmotoren die gleichen Abmessungen aufweisen und die Anpassung
an die verschiedenen Antriebsbedingungen durch Einzel- oder Parallelschaltung der
Stellmotoren und/oder durch Erhöhung der Stufenzahl der Kreiselpumpe und/oder durch
Zu- und Abschaltung eines zusätzlichen Motorpumpenaggregats erfolgt.
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Ein elektrohydraulischer Verstellantrieb dieser Art beseitigt die
bisherige Leistungsbeschränkung nach oben, ohne die besonders betriebssichere Bauart
der mit Kreiselpumpen arbeitenden Verstellantriebe aufzugeben. Der erfindungsgemäße
Verstellantrieb kann dabei den verschiedensten Arbeitsbedingungen in einfacher Weise
angepaßt werden, und zwar unter Verwendung bausteinartiger, gegebenenfalls genormter
Elemente, so daß auch in wirtschaftlicher Beziehung eine Konkurrenzfähigkeit gegenüber
den bisherigen Druckluftantrieben erreichbar wird.
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Die Zu- und Abschaltung der von der gemeinsamen Kreiselpumpe gespeisten
Stellmotoren erfolgt vorzugsweise mittels eines jedem Stellmotor zugeordneten Magnetventils.
Hierdurch wird die Anwendung einer Fernsteuerung erleichtert. Insbesondere ist ferner
damit die Möglichkeit gegeben, bei mehr als einem Stellmotor oder mehr als einer
zusammengekuppelten Stellmotorenanordnung die einzelnen Magnetventile durch ihre
Schaltung so gegeneinander zu verriegeln, daß jeweils nur so viele Stellmotoren
bzw. Stellmotorengruppen zuschaltbar sind, wie von der gemeinsamen Kreiselpumpe
mit Druckflüssigkeit versorgt werden können, ohne daß der oder die in der Arbeitsstellung
befindlichen Stellmotoren infolge nachlassenden Flüssigkeitsdruckes aus dieser Arbeitsstellung
zurückgehen.
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Die Steuerung der einzelnen Stellmotoren kann vorteilhaft als Servosteuerung
ausgebildet werden, und zwar vorzugsweise als Servoauslaßsteuerung, wobei zwecks
Einschaltung der Stellmotoren der Auslaß der Steuerung durch das Magnetventil geschlossen
wird. Eine solche Servosteuerung ermöglicht die Anwendung kleiner Magneten und damit
den Einbau derselben in den beschränkten Raum des Stellmotors. Die kleinen Abmessungen
erleichtern weiterhin eine schlagwettergeschützte Bauart, so daß bei gleichzeitiger
Anwendung eines schlagwettergeschützten Antriebsmotors der Kreiselpumpe der gesamte
Verstellantrieb auch für den Üntertagebetrieb des Bergbaues eingesetzt werden kann.
Hierbei kann als Betriebsflüssigkeit gegebenenfalls eine nicht brennbare Flüssigkeit,
wie Wasser, chloriertes Diphenyl od. dgl., verwendet werden, um auf diese Weise
auch die Möglichkeit einer Brandgefahr durch Leckflüssigkeit - auszuschalten.
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Nach -einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird bei Ausfall des
Motorpumpenaggregats die über die Strömungskanäle der Kreiselpumpe bestehende Verbindung
der Hochdruckseite mit der Niederdruckseite zwangsläufig z. B. mittels eines Rückschlagventils
unterbrochen. Damit wird verhindert, daß bei Ausfall des Motorpumpenaggregats der
Flüssigkeitsdruck verschwindet, der die eingeschalteten Stellmotoren in ihrer Arbeitsstellung
hält. Soll bei Störungen, z. B. Wegfall der Netzspannung, sofort die Ausgangsstellung
der Stellmotoren erreicht werden, so bleibt dieses Rückschlagventil weg.
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Wird ein weiteres Motorpumpenaggregat vorgesehen, so wird erfindungsgemäß
dafür gesorgt, daß dieses bei Ausfall des ersten Motorpumpenaggregats vorzugsweise
zwangsläufig auf die vom ausgefallenen Aggregat versorgten Stellmotoren geschaltet
wird. Das an sichzurErhöhung derAntriebsleistung vorgesehene zweite Motorpumpenaggregat
dient also gleichzeitig als Reserve, wodurch die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen
Verstellantriebes erhöht wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Motorpumpenaggregat
und die zugehörigen Stellmotoren durch den Flüssigkeitsbehälter zu einer Baueinheit
verbunden, wobei der Flüssigkeitsbehälter einen Hochdruckraum enthält, in den die
Druckseite der Kreiselpumpe mündet und an den die Druckseiten aller Stellmotoren
angeschlossen sind. Der Flüssigkeitsbehälter hat dabei vorzugsweise einen Behälterdeckel
mit kreisförmigen Öffnungen gleichen Durchmessers, in die die mit gleichem Flanschdurchmesser
versehenen Stellmotoren sowie das Motorpumpenaggregat mit ebenfalls dem gleichen
Flanschdurchmesser von oben einsetzbar sind.
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Ein Beispiel für die letzterwähnte bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung ist in der Zeichnung in Abb. i in einem Längsschnitt sowie in einer Draufsicht
dargestellt; Abb.2 zeigt im Längsschnitt die bevorzugte Bauform eines Stellmotors
mit der erfindungsgemäßen Servosteuerung; in Abb. 3 und q. sind die Druck-Mengen-Diagramme
von zwei verschieden ausgelegten Verstellantrieben wiedergegeben.
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In Abb. i bezeichnet 1o den langgestreckten Flüssigkeitsbehälter,
dessen Abschlußdeckel 1i eine Reihe von kreisförmigen Öffnungen 12 gleichen Durchmessers
aufweist. In diese Öffnungen 12 sind von oben das Motorpumpenaggregat 13 sowie die
Stellmotoren 14 und 15 eingesetzt, die gleichen Flanschdurchmesser haben.
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Das Motorpumpenaggregat 13 besteht aus dem senkrecht angeordneten
Elektromotor 16 und den beiden auf der Motorwelle 17 befestigten Kreiselpumpen 18
und 1g mit dem gemeinsamen Gehäuse 2o: Die beiden Kreiselpumpen 18 und 1g sind strömungsmäßig
hintereinandergeschaltet. Der Flüssigkeitsbehälter 1o ist durch .einen waagerechten
Zwischendeckel 21 in zwei Räume 22 und 23 unterteilt, von denn der obere drucklos
ist und mit der Saugseite der Kreiselpumpen 18 und 1g sowie mit der drucklosen Seite
der Stellmotoren 14 und 15 in Verbindung steht, während der untere Raum 23 den Druckranin
darstellt, in den die Druckkanäle der Kreiselpumpe 1g münden und an den die Druckseiten
der
Stellmotoren 14 und 15 angeschlossen sind. 24 und 25 sind die Flansche des Abschlußdeckels
i i, während 26 und 27 Stifte zur Führung desselben darstellen. Der Spiegel der
aus Öl oder einer nicht brennbaren Flüssigkeit, wie Wasser, chloriertem Diphenyl
od. dgl., bestehenden Betriebsflüssigkeit ist mit 28 angedeutet.
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Die Befestigung des Elektromotors 13 erfolgt mittels der Lagerschilder
29 und 30 am Abschlußdeckel ii bzw. am Zwischendeckel 21. Das Lagerschild 3o enthält
dabei einige in der Zeichnung nicht ersichtliche Öffnungen, durch die die Flüssigkeit
aus dem Räum 22 angesaugt werden kann. Die Stellmotoren 14 und 15 werden mittels
ihrer Ringflansche 3 1 und 32 am Zwischendeckel 2i befestigt. 33 und 34 sind
zwei am Abschlußdeckel i i befestigte Führungsschilder, in denen die Kolbenstangen
35 bis 38 geführt sind. Die Kolbenstangen 35 bis 38 sind dabei oberhalb ihrer Durchführungen
in bekannter Weise durch Querjoche 39, 4,0 verbunden, die eine Öse 41, 42 od. dgl.
aufweisen, mittels welcher sie mit dem anzutreibenden Gerät unmittelbar oder über
Gestänge gekuppelt werden können. 43 bis 46 sind die Belastungsfedern der Stellmotoren
14 und 15, die beim Aufwärtshub zusammengedrückt werden und bei Abschaltung
der Stellmotoren den Rückgang derselben erzwingen. Mit 47 und 48 sind die zum Zu-
und Abschalten der Stellmotoren 14 und 15 dienenden Magnetventile angedeutet. Der
Stellmotor 14 ist in seiner Ruhestellung, der Stellmotor 15 in seiner Arbeitsstellung
dargestellt.
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Im Längsschnitt der Abb. 2 bezeichnet wiederum i i den Behälterdeckel,
21 den Zwischendeckel, 22 den drucklosen Raum, 23 den Druckraum und 28 den Flüssigkeitsspiegel.
Wie die Zeichnung erkennen läßt, besteht der Stellmotor im wesentlichen aus dem
am Zwischendeckel2i mittels des Ringflansches 49 befestigten, oben offenen Stellzylinder
5o, dem in diesem geführten ringförmigen Stellkolben 51, den beiden diametral gegenüberliegenden
Kolbenstangen 52 und 53 mit den Belastungsfedern 54 und 55, dem Querjoch 56 und
der Kupplungsöse 57, ferner aus dem am Abschlußdeckel i i befestigten Führungsschild
58 sowie aus der zentrisch vom Stehkolben 51 umschlossenen, in ihrem Aufbau
noch näher geschilderten Steuerung.
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Die Steuerung ist beim Ausführungsbeispiel als Servoauslaßsteuerung
ausgebildet. Sie besteht im wesentlichen aus dem Steuerschieber 59, dem unten offenen
Steuerzylinder 6o, der Steuerfeder 61, dem Zylinderkopf 62, dem in der Auslaßbohrung
63 desselben angeordneten Kugelventil 64 sowie dem Elektromagneten 65 zur Betätigung
dieses Ventils. Die genannten Teile sind gleichachsig zueinander angeordnet und
sind als einheitlicher Bauteil von unten in den ringförmigen Stellkolben 5 i einsetzbar.
Die Befestigung am Boden des Stellzylinders 5o erfolgt mittels des mit Durchlaßöffnungen
66 versehenen Deckels 67, und zwar unter Zwischenschaltung eines Gummiringes 67a.
Die Durchführung 5oa des Zylinderbodens ist dabei ballig gestaltet, so daß im Zusammenwirken
mit dem elastischen Zwischenring 67a eine Abweichung des Steuerzylinders 6o von
der Achse des Stellzylinders 5o möglich ist und so der im Stellzylinder 5o geführte
Stehkolben 51 nur am Außenumfang sorgfältigst eingepaßt zu werden braucht. Den Durchlaßöffnungen
66 sowie der zentralen, durch eine Düse 68 genau festgelegten Steuereinlaßöffnüng
ist dabei eine mit Durchlaßöffnungen versehene Platte 69 vorgeschaltet, die die
untere Endstellung des Steuerschiebers 59 begrenzt.
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Das untere Ende des Steuerschiebers 59 weist die Steuerkanten
70 und 71 auf, die mit den in den Steuerzylinder 6o eingesetzten Steuerringen
72 und 73 zusammenarbeiten. Der obere Teil des Steuerzylinders 6o ist doppelwandig
ausgeführt. Damit ist ein Ringkanal 74 geschaffen, der oben in den drucklosen Raum
z2 mündet. Die Innenwandung 75 dient dabei zur Führung des oberen Endes des Steuerschiebers
59. Sie bildet gleichzeitig den Steuerdruckraum 76, der an den Stirnenden durch
den Steuerschieber 59 einerseits und dem Zylinderkopf 62 andererseits begrenzt wird.
Der Steuerdruckraum 76 ist dabei durch eine zentrische Bohrung 77 des Steuerschiebers
59 ständig mit der Esnströmdüse 68 verbunden. 78 ist eine Abstandshülse, die den
Aufwärtshub des Steuerschiebers 59 durch Anschlag an den Zylinderkopf 6a begrenzt.
Die Steuerfeder 61 stützt sich oben gegen den Zylinderkopf 62 und unten gegen den
Steuerschieber 59 ab.
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Der Hub des Stellkolbens 51 ist nach unten z. B.. durch eine Ringfläche
79 des Stellzylinders 5o derart begrenzt, daß ein Druckraum 8o gebildet wird, der
je nach der Stellung des Steuerschiebers 59 über die Steueröffnungen 81 des Steuerzylinders
6o entweder mit den Einlaßöffnungen 66 und so mit dem Druckraum 23 oder mit dem
Ringkanal 74 und so mit dem drucklosen Raum 22 verbunden' ist.
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Der teilweise unter Öl angeordnete Magnet 65 ist am oberen Zylinderkopf
62 befestigt. Der bei seiner Einschaltung entgegen der Wirkung der Zugfeder 82 nach
unten gezogene Anker 83 ist mittels eines zentralen Bolzens 84 zentrisch geführt,
wobei der Bolzen 84 gleichzeitig zur Betätigung der Ventilkugel 64 dient. Der Magnet
65 ist mittels des Gehäuses 85 schlagwettergeschützt ausgeführt. 86 und 87 sind
die beiden Zuleitungen des Magneten 65.
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Die Arbeitsweise der gezeigten Servoauslaßsteuerung ist folgende:
Die Zeichnung gibt die Steuerung in der Arbeitsstellung wieder, in der durch Einschaltung
des Magneten 65 das Kugelventil 64 gerade geschlossen hat und der Steuerschieber
59 gerade in seine untere Endlage geschoben ist, in der der Behälterdruckraum 23
mit dem Zylinderdruckraum 8b verbunden ist, während die Verbindung des Zylinderdruckraumes
8o mit dem Ringkanal 74 und so mit dem drucklosen Raum 22 unterbrochen ist. Der
Stellkolben 5 1 befindet sich noch in seiner unteren Ausgangslage. Mit zunehmendem
Druck im Zylinderdruckraum 8o wird der Stellkolben 51 in seine obere Endlage bewegt,
wobei die Belastungsfedern 54 und 55 zusammengedrückt werden. Die Aufwärtsbewegung
des Stellkolbens 51 wird über die Kolbenstangen
52 und 53, das Querjoch
56 und die Kupplungsöse 57 auf das anzutreibende Gerät übertragen.
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Der Stellkolben 51 behält diese obere Endlage bei, solange sich bei
geschlossenem Magnetventil 64 der Steuerschieber 59 in seiner unteren Endlage befindet.
Wird jetzt der Magnet 65 abgeschaltet, so -wird das Ventil 64 unter dem Einfiuß
des im Steuerdruckraum 76 herrschenden Überdruckes geöffnet. Die im Steuerdruckraum
76 befindliche Flüssigkeit strömt durch die Bohrungen 63 in den drucklosen Raum
22 ab: Der Überdruck im Steuerdruckraum 76 verschwindet, und der Steuerschieber
59 wird nunmehr unter dem Einfiuß des Druckes im Behälterdruckräum 23 entgegen der
Wirkung der Steuerfeder 61 in seine obere Endlage gebracht. In dieser oberen Endlage
haben die Steuerkanten 71 in Verbindung mit dem Steuerring 73 die Verbindung
des Behälterdruckraumes 23 mit dem Zylinderdruckraum 8o unterbrochen. Gleichzeitig
haben aber auch die Steuerkanten 7o die Durchströmöffnung des Steuerringes 72 freigegeben.
Der Zvlinderdruckraum 8o ist damit mit dem Ringkanal 74 und so mit dem drucklosen
Raum 22 verbunden. Die im Zylinderdruckraum 8o befindliche Flüssigkeit kann daher
unter dem Einfuß des durch die Federn 54 und 55 und gegebenenfalls einer äußeren
Last nach unten drückenden Stellkolbens 5 1 in den drucklosen Raum 22 abströmen,
und zwar verhältnismäßig schnell, da große Ringquerschnitte für die abströmende
Flüssigkeit zur Verfügung stehen. Der Stellkolben nimmt wieder seine untere Ausgangslage
ein.
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Wird das Kugelventil 64 durch Einschaltung :des Magneten 65 wieder
geschlossen, so wiederholt sich das Arbeitsspiel. Der Druck im Steuerdruckraum 76
steigt an und verstärkt damit die Wirkung der Steuerfeder 61 derart, daß der Steuerschieber
59 nach unten gedrückt wird und die in der Zeichnung wiedergegebene untere Endlage
einnimmt.
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Im Druck-Mengen-Diagramm der Abb. 3 stellt p die mit zunehmender Fördermenge
Qt zunächst ansteigende, dann aber wieder abfällendeDruckparabel der Kreiselpumpe
dar, während Ni die Leistungskurve derselben ebenfalls als Funktion der Fördermenge
Qt wiedergibt. pH ist der angenommene Druck, der notwendig ist, um die eingeschalteten
Stehkolben in der Arbeitsstellung zu halten.
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Erfindungsgemäß ist nun die Kreiselpumpe in bezug auf ihre Fördermenge
so ausgelegt, daß dieser Druck pH nicht unterschritten wird, auch wenn zum Leckölverbrauch
a ein Stellmotor mit dem Hubverbrauch b hinzukommt. Die Leckfiüssigkeitsmenge a
muß insgesamt aufgebracht werden, um die Stellmotoren in der Arbeitsstellung zu
halten. Ist dann zunächst ein Stellmotor eingeschaltet und wird ein zweiter Stellmotor
zugeschaltet, so bedarf dieser zum schnellen Auffüllen seines Stellzylinders wieder
einer Fördermenge, die der Strecke b entspricht. Das Diagramm läßt erkennen, daß
die den Strecken a -f- b entsprechende Fördermenge bei einem Druck aufgebracht
werden kann, der oberhalb des Grenzdruckes pH liegt. Auch bei einer nacheinander
erfolgenden Zuschaltung der Stellmotoren wird also die Arbeitsstellung der bereits
eingeschalteten Stellmotoren aufrechterhalten.
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Dem Diagramm der Abb.4 ist ein Verstellantrieb zugrunde gelegt, bei
welchem den bereits eingeschalteten Stellmotoren drei weitere Stellmotoren mit je
einem Flüssigkeitsbedarf b, c, d gleichzeitig zugeschaltet werden können.
Der Mindestdruck pH wird, wie das Diagramm erkennen läßt, auch hier in keinem Falle
unterschritten. Der erfindungsgemäße Verstellantrieb kann also den verschiedensten
Antriebsbedingungen in einfachster Weise dadurch angepaßt werden, daß man die einzelnen
Stellmotoren mittels ihrer Magnetventile wahlweise ein-und abschaltet. Ist die Stellkraft
eines Motors nicht ausreichend, so können gegebenenfalls mehrere Stellmotoren parallel
geschaltet werden, indem man beispielsweise die Kupplungsösen derselben durch ein
Querjoch miteinander verbindet und mit diesem Querjoch wiederum die Verbindung zu
den anzutreibenden Vorrichtungen herstellt. Statt dessen oder zusätzlich hierzu
kann die Stufenzahl der Kreiselpumpe derart erhöht werden, daß die Stellkräfte den
den Antriebsbedingungen entsprechenden Wert annehmen. Gegebenenfalls kann auch ein
zweites Motorpumpenaggregat angeordnet werden, das dann parallel, d. h. bei gleichem
Druck mit doppelter Fördermenge, zu dem ersten arbeitet und beliebig zu- und abgeschaltet
werden kann. Eine solche Anordnung bietet überdies die Möglichkeit, ein zweites
Aggregat in Reserve zu haben, das immer dann herangezogen werden kann, wenn das
erste Aggregat aus irgendeinem Grunde ausfallen sollte. Jedes der Aggregate muß
dann mit einem Rückschlagventil ausgerüstet sein, damit beim Arbeiten nur eines
Aggregats kein Rückstrom von Druckflüssigkeit vom Behälterraum über die Kreiselpumpen
zum drucklosen Raum eintritt.
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Diese weitgehende Anpassungsfähigkeit an die verschiedenen Antriebsbedingungen
hat den großen Vorteil, daß die lebenswichtigen Bauteile des Verstellantriebes weitgehend
normiert werden können. Die Kosten der Fertigung, der Montage und der Lagerhaltung
werden damit erheblich verringert, und der erfindungsgemäße V erstellantrieb kann
auf diese Weise auch wirtschaftlich mit den leistungsmäßig entsprechenden Druckluftantrieben
konkurrieren.
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In Abweichung von der Ausführung der Abb. r, bei der das Motorpumpenaggregat
an einem Ende des Flüssigkeitsbehälters liegt, kann die Anordnung auch so getroffen
werden, daß das Motorpumpenaggregat in der Mitte und die Stellmotoren zu beiden
Seiten des Motorpumpenaggregats in den Behälter eingebaut sind.
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Weiter können an Stelle der langgestreckten Bauform der Abb. Z, bei
der die Stellmotoren und das Motorpumpenaggregat in einer Reihe liegen, gegebenenfalls
auch Anordnungen winkliger Bauweise gewählt werden, bei denen beispielsweise die
Stellmotoren in einer Reihe und das Motorpumpenaggr,-gat in einem Winkel zu dieser
Reihe angeordnet sind. Je nach den räumlichen und arbeitsbedingten Gegebenheiten
kann das Motorpumpenaggregat
auch mit waagerechter Welle in eine
Seitenwand des Flüssigkeitsbehälters eingebaut werden.