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Hydraulisches Pumpen- und Steuersystem Die Erfindung betrifft ein
hydraulisches Pumpen-und Steuersystem für Maschinen mit zwei oder mehreren Arbeitskolben,
deren Gleichlauf sowohl im Arbeits- als auch im Rückhub einzuhalten ist.
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Bekannt sind hydraulische Antriebe mit einer stetig auf Maximaldruck
arbeitenden Pumpe, bei denen eine mechanische oder elektrische Meßanordnung die
Relativbewegung der Kolben auf einen Hilfssteuerschieber (oder Ventil) überträgt,
der in Anpassung an die Betriebserfordernisse den Druckmittelzustrom zu den Zylindern
regelt. Energetisch arbeiten diese Systeme nachteilig, da im Falle ungleicher Lastverteilung
stets ein erheblicher Teil der aufgewendeten Leistung, die als potentielle Energie
im hydraulischen Mittel gespeichert wird, in Wärme verwandelt wird. Der nicht nutzbare
Anteil kann ungünstigsten Falles, etwa bei Vollbelastung nur eines Arbeitskolbens,
bis zu der Gesamtleistung betragen, wenn n die Anzahl der Arbeitskolben ist.
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Die gleichen ungünstigen Verhältnisse liegen auch bei anderen bekannten
Anordnungen vor, die unabhängig vom Antrieb und dem herrschenden. Betriebsdruck
Gleichlauf der Arbeitskolben mechanisch erzwingen, dergestalt, daß eine starre Welle
die Arbeitskolben verbindet. Bei ungleicher Belastung sucht der vorlaufende Arbeitskolben
die Welle zu verdrehen, die so bemessen sein muß, daß sie die Kräfte aufzunehmen
vermag. Maschinen, z. B. Pressen
großer Leistung, erfordern sehr
große Dimensionen der Welle, so daß die Anwendbarkeit des Verfahrens schon aus diesem
Grunde beschränkt ist.
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Weitere Vorschläge beziehen sich darauf, jeden Arbeitszylinder durch
eine eigene Steilpumpe zu speisen und mit Steuerorganen Außerbetriebsetzung oder
Hubveränderung allein der Pumpe zu veranlassen, die einen voreilenden Arbeitskolben
beaufschlagt. Solche Ausführungsformen gestalten zwar den Arbeitsablauf ökonomischer,
sie besitzen jedoch mit Rücksicht auf -zu fordernde Trägheitslosigkeit und Feinfühligkeit
des Steuervorganges speziell für den Gleichlauf der Arbeitskolben erhebliche Nachteile,
zumal wegen der an Regelpumpen auftretenden Steilkräfte besondere ServoMotoren oder
Kraftschalter anzuordnen sind.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie findet Anwendung bei
einem an sich bekannten System mit mehreren Arbeitskolben, deren jeder für sich
durch je eine stufenlos verstellbare Pumpe beaufschlagt ist, dadurch, daß ein gemeinsamer
Leistungsregler vorgesehen ist, der die Fördermengen sämtlicher Stellpumpen gleichzeitig
und um gleiche Beträge stufenlos verändert. Die Erfindung besteht darin, daß durch
Anordnung eines Druckschalters dafür Sorge getragen wird, daß der Leistungsregler
stets mit der den höheren Druck führenden Leitung verbunden ist. Der Regler führt
also die Verstellbewegung der Pumpen immer in Abhängigkeit des am stärksten belasteten
Arbeitskolbens aus und schwenkt die Pumpen bei Erreichen des Maximaldruckes in die
Nullförderung zurück.
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Der Bestimmung der gegenseitigen Kolbenbewegung dient eine an sich
bekannte mechanische oder elektrische Meßanordnung. Diese wirkt auf einen Regelschieber
ein, der über Leitungen mit den Druckräumen der Arbeitszylinder verbunden ist. Bei
ungleichem Lauf der Arbeitskolben wird durch entsprechende Verstellung der Reglerkolben
während des Arbeitshubes der Druckraum im Zylinder des voreilenden Kolbens und während
des Rückhubes der Druckraum im Zylinder des nacheilenden Kolbens entlastet.
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Einer genaueren Beschreibung dient die Zeichnung, die schematisch
eine Anordnung der Erfindung für zwei Arbeitszylinder darstellt.
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In den Zylindern =a, =b gleiten die Arbeitskolben 4a und 4" an denen
die Zahnstangen 5a und 5, für den Eingriff der Steuerwellen 6a, 6b des in
diesem Beispiel gewählten mechanischen Meßsystems befestigt sind. Die Steuerwellen
verbindet die Keilverzahnung 7 und, der höheren Empfindlichkeit wegen, das steilgängige
Gewinde 8 mit der Reglerspindel g, die auf diese Weise in Richtung der Steuerwellenachse
nach beiden Seiten gleiten kann. Die Bewegungen der Reglerspindel übertragen sich
bei jedem ungleichförmigen Lauf der Arbeitskolben auf den Regelhebel =o und weiter
auf den in der Darstellung als Doppelschieber ausgebildeten Regelschieber, dessen
Kolben =2a, =2b über die Ringnuten 13a, =3b und die Leitungen =4a und =4b mit den
Druckseiten 3a, 3b der Arbeitszylinder und über eine Verbindungsleitung mit dem
Vorratsbehälter zusammenhängen. Die Regelpumpen 22a, 22b speisen sowohl die Zylinderräume
3a, 3b als auch die Ringraumseiten 2, 2b mit Druckflüssigkeit, welche die Leitungen
=g, 17 und 18 nach Betätigung des Umsteuerschiebers 16 zuführen.
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Die Pumpen können für sich, besser aber zusammen, über ein Synchronvorgelege
von einem Elektromotor betrieben sein, die Wahl der Antriebsart ist ohne Einfluß
auf die Erfindung. Die Schwenk- bzw. verschiebbaren Pumpengehäuse, welche in dieser
Eigenschaft der Hubverstellung dienen, verbindet die Koppel 23, auf welche der Reglerkolben
25 des Leistungsreglers wirkt, der über die Steuerleitung 21 und das Doppelrückschlagventil
2o an das hydraulische Netz geschaltet ist.
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In der Regel werden die Erfordernisse der Gleich-Laufsteuerung in
den Betriebsfällen: gleiche Belastung der Arbeitskolben und Leerlauf (Fall A), Belastung
nur eines Arbeitskolbens und ungleichmäßige Lastverteilung etwa so, daß der Widerstand
an einem Arbeitskolben größer als am andern ist (Fall B) und Rückhubbewegung (Fall
C) gegeben sein, so daß die anschließende Beschreibung des Regelvorganges zur Erzielung
des Gleichlaufes von mehreren Arbeitskolben gemäß der Erfindung, auf das Beispiel
der gewählten Doppelkolbenpresse beschränkt werden kann.
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Wird der Steuerschieber 16 aus der Nullstellung, in der die Pumpen
gegen die Spannung der Feder 26 des Leistungsreglers nur Öl zur Eigenschmierung
fördern, in die Betriebsstellung I geschwenkt, so werden die Leitungen =9a, igb
und =7a, =7b mit den Zylinderräumen 3a, 3b verbunden und die Abwärtsbewegung der
Arbeitskolben 4a, 4b setzt ein. Bei sinkendem Druck im hydraulischen Netz stellt
der Leistungsregler die Regelpumpen 22a, 22b auf größeren, aber unter sich gleichen
Hub, der einer höheren Fördermenge für den Vorschub der Arbeitskolben entspricht.
Die mitgeführten Zahnstangen 5, 5b übertragen die Arbeitskolbenbewegung auf
die Steuerwellen.
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Fall A. Solange die Relativgeschwindigkeit der Arbeitskolben zueinander
Null ist, drehen sich die Steuerwellen um gleiche Winkelbeträge; und der Reglerhebel
=o bleibt unverändert in der Mittellage. Die Kolben =2a, =2b des Regelschiebers
verschließen die Ausgleichsleitungen =4a, =4b, so daß in den Zylinderräumen 3a,
3b nur der Druck herrscht, der den Betriebserfordernissen angepaßt ist.
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Fall B. Treten an den Arbeitskolben ungleiche Widerstände auf, so
wird der stärker beanspruchte Arbeitskolben, im Beispiel der Arbeitskolben 4a, gegen
den zweiten zurückbleiben; das bedeutet, daß die Drehgeschwindigkeit der Steuerwelle
6" gemessen an der der Steuerwelle 6a, zunimmt.
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Als Folge verschraubt sich die Reglerspindel g vermöge des steilgängigen
Gewindes 8 im Muttergewinde der Steuerwelle 6" und verschiebt den Reglerhebel und
damit die Kolben 12 des Regelschiebers =i nach links, so daß die Ableitung =4b vom
Zylinderraum 3b des voreilenden Arbeitskolbens 4b zum Ölbehälter frei wird und die
Flüssigkeit unter einem Druck, der nicht mehr ausreicht, den Arbeitskolben zu bewegen,
abfließen kann. Gleichzeitig mit- dem Auftreten des
Widerstandes
am Preßkolben 4a steigt der Druck in der Speiseleitung 17a, iga und verschiebt das
Doppelrückschlagventil2o entgegen dem geringeren Widerstand in der wegen Wirkung
des Regelschiebers ii entlasteten Leitung 17b, ig,b nach links, so daß sich Druckgleichgewicht
zwischen der zum höher belasteten Zylinder 3" führenden Leitung 17a, iga und der
Steuerleitung 2i zum Leistungsregler 24 einstellt. Dieser arbeitet also nur nach
Maßgabe des größten herrschenden Druckes im Arbeitssystem und stellt nun beide Pumpen
auf geringere Förderung. Die Pumpe 22" erzeugt den zur Überwindung der am Arbeitskolben
4" angreifenden Gegenkräfte notwendigen Arbeitsdruck, die Pumpe 22b dagegen fördert
bei gleichem Hub, aber nur geringem Leistungsaufwand, praktisch drucklos, da die
Verbindung der Abflußleitung 14, zum Vorratsbehälter offen ist. Es steht also die
gesamte Leistung dem allein arbeitenden Arbeitskolben 4a zur Verfügung, ohne den
zweiten Kolben oder andere Vorrichtungen, wie Steuerventile, einer unnötigen hydraulischen
Belastung auszusetzen.
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Ferner sei die Möglichkeit in Betracht gezogen, daß die Kräfte auf
die Arbeitskolben 4a, 4b verschieden groß sind. In diesem Falle ergeben sich für
die beiden Preßkolben unterschiedliche Preßdrücke. Die Regelung des Preßdruckes
und Gleichlaufsteuerung erfolgt dabei genau so wie im Fall A, der ausschließlich
einseitigen Belastung. Der Vorlauf des im Beispiel weniger belasteten Arbeitskolbens
4b ist aber gegenüber dem Arbeitskolben 4a geringer, so daß auch die vom Meßsystem
an der Lage des Kolbens 12 im Regelschieber vorgenommene Veränderung eine geringere
wird. Es entsteht zwischen dem Kolben i2b und Ringschlitz 13b nur ein Spalt, in
den die Ableitung 14, mündet, und der hier wie eine Drossel wirkt. Die Spaltweite
und damit der Arbeitsdruck am weniger beanspruchten Arbeitskolben 4b hängt somit
nur von seiner relativen Vorlaufgeschwindigkeit zum zweiten Arbeitskolben ab, d.
h. nur von den Widerständen am Arbeitskolben 4b. Die Hubverstellung der Pumpen erfolgt
auch hier in der gleichen Weise wie im Falle B nach Maßgabe des Druckes im stärker
belasteten Zylinder.
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Einer gesonderten Betrachtung bedarf die Rückhubbewegung und seine
Gleichlaufsteuerung (Fall C). In der Stellung II des Steuerschiebers 16 werden die
Speiseleitungen 18a, 18b für die Ringraumseiten 2a, 2b der Preßzylinder an die Leitungen
ig angeschlossen, während die Leitungen 17, mit dem Vorratsbehälter verbunden, ohne
Druckölzufuhr bleiben. Eilt einer der Arbeitskolben, etwa Arbeitskolben 4a vor,
was durch Leckverluste oder nicht gleiche Förderung der Pumpen verursacht sein kann,
so wird vom Meßsystem und dem Regelschieber 12 die Abflußleitung 14b zum Zylinderraum
3b des zurückbleibenden Arbeitskolbens geöffnet. Im Zylinder des Arbeitskolbens
4, entsteht ein zusätzliches Druckgefälle, das beschleunigend auf diesen Arbeitskolben
wirkt. Stets unvermeidbare Leckverluste können in einer Anordnung nach der Erfindung
nicht mehr stören, da sie auf Grund der nie unterbrochenen Förderung in die Zylinder
ausgeglichen werden: Bei allen Betriebszuständen hält die Rücklaufdrossel27 Gleichgewicht
zum Gewicht der Arbeitskolben 4a, 4" eventuell unter Berücksichtigung von Zusatzkräften.
Der erwähnte Leistungsregler arbeitet in bekannter Weise derart, daß ein mit dem
jeweiligen Druck belasteter Reglerkolben 25 im Gleichgewicht zur Reglerfeder 26
mit beliebiger, vorbestimmter Charakteristik steht und über die Koppel
23 die Pumpen 22a, 22b mitnimmt.