WO2006002772A1 - Druckmittelzylinder mit druckübersetzung - Google Patents

Druckmittelzylinder mit druckübersetzung Download PDF

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Definitions

  • the subject invention relates to a pressure medium cylinder with pressure intensification, wherein two separate cylinders are arranged in the pressure medium cylinder, in each of which a piston is arranged and the piston of the first cylinder has a Kol ⁇ rod, which is operatively ver ⁇ connected with the second cylinder to increase the pressure and a use of such a pressure medium cylinder as adjusting cylinder in a roll stand, as well as a method for operating and controlling such Druck ⁇ central cylinder.

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Abstract

Druckmittelzylinder müssen für viele Anwendungen hohe Anstellkräfte erreichen, worunter durch die großen Kolbenquerschnitte und Zylindervolumina oftmals die Dynamik solcher Zylinder leidet und/oder Druckmittel unter sehr hohem Druck zugeführt werden müssen. Die vorliegende Erfindung zeigt einen Druckmittelzylinder, der kurze Reaktionszeiten, hohe Anstellkräfte und geringe Baugrößen aufweist, was dadurch erreicht wird, dass im Druckmittelzylinder 1 zwei Zylinder 5, 8 angeordnet werden, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.

Description

DRUCKMITTELZYLINDER MIT DRUCKUBERSETZUNG
Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Druckmittelzylinder mit Druckübersetzung, wobei im Druckmittelzylinder zwei voneinander getrennte Zylinder angeordnet sind, in denen jeweils ein Kolben angeordnet ist und der Kolben des ersten Zylinders eine Kol¬ benstange aufweist, die mit dem zweiten Zylinder zur Druckerhöhung wirkungsmäßig ver¬ bunden ist und eine Verwendung eines solchen Druckmittelzylinders als Anstellzylinder in einem Walzgerüst, sowie ein Verfahren zum Betreiben und Regeln eines solchen Druck¬ mittelzylinders.
Druckmittelzylinder müssen für bestimmte Anwendungen, z.B. in Walzgerüsten, hohe Kräfte aufbringen können und/oder genau positionsregelbar sein. Dazu kann ein Druck¬ mittelzylinder, z.B. ein Hydraulikzylinder, mit einem Kolben mit großem Querschnitt vorge¬ sehen werden und/oder der Druckmittelzylinder muss mit unter hohem Druck stehenden Druckmittel versorgt werden. Im ersten Fall wird der Druckmittelzylinder sehr groß und im zweiten Fall muss für das Druckmittelsystem ein hoher Aufwand betrieben werden. Dar¬ über hinaus muss bei großen Zylindern eine große Menge von Druckmittel bewegt wer¬ den, wodurch die Dynamik solcher Zylinder, also die Zeit um Stellbewegungen des Zylin¬ ders durchzuführen, leidet. Aus der DE 36 30 725 A geht nun z.B. eine Druckübersetzung hervor, um den Druck in der Hydraulikzuleitung zu einem Hydraulikzylinder zu erhöhen. Der Druckübersetzer ar¬ beitet hier jedoch pneumatisch, was zwei unterschiedliche Versorgungsmedien und die damit verbundenen Anlagen notwendig macht. Die oben beschriebenen Probleme lassen sich mit solchen Druckübersetzern jedoch nicht lösen. Die WO 02/053920 A2 zeigt einen hydraulischen bzw. hydropneumatischen Drucküber- setzer, der einen Niederdruckzylinder und einen Arbeitszylinder in einem Gehäuse verei¬ nigt. Bei einem solchen Druckübersetzer können die beiden Kolben jedoch nicht unab¬ hängig voneinander angesteuert werden. Ansteuerbar ist lediglich der Niederdruckzylin¬ der, der die Bewegung an einen Arbeitskolben überträgt. Damit ist aber auch der Bewe¬ gungsspielraum des Arbeitszylinders eingeschränkt, oder man benötigt wieder große Vo- lumina und Abmessungen, wodurch wiederum die Dynamik leiden würde. Außerdem wird das Druckmittel für den Arbeitszylinder nicht von außen zugeführt, sondern ist im Druck¬ übersetzer eingeschlossen, was zu Problemen mit Leckageverlusten führen kann und das Druckmittel regelmäßig nachgefüllt werden muss. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Hydraulikzylinder anzugeben, der kompakt aufgebaut ist, hohe Anstellkräfte erzeugt und eine hohe Dynamik aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, indem die Zylinder unabhängig voneinan¬ der ansteuerbar sind. Dadurch dass beide Zylindern unabhängig voneinander ansteuerbar sind, kann ein großer Bewegungsspielraum mit relativ geringem Zylindervolumen und damit geringer Baugröße realisiert werden. Ein Zylinder kann z.B. grob vorpositioniert werden und der zweite Zylin¬ der kann zur Feinpositionierung unter hohem Druck und hoher Dynamik verwendet wer¬ den. Diese Maßnahmen erlauben somit eine wesentliche Reduktion der Zylinderbaugrö- ße, ermöglicht einen Druckmittelzylinder auch als Langhubausführung auszuführen, z.B. für die Integration in einen Walzenständer, und bringt wesentliche Gewichts- und Ferti¬ gungskosteneinsparungen mit sich.
Durch die beiden unabhängig voneinander ansteuerbaren Zylinder lässt sich ein solcher Druckmittelzylinder auch besonders flexibel und einfach betreiben und ansteuern, indem ein Zylinder zur Grobpositionierung und ein zweiter Zylinder zur Feinpositionierung unter hohen Druck und geringen Ansprechzeiten verwendet wird.
Besonders vorteilhaft ist der Druckmittelzylinder auch mit einem Wegmesssystem ausge¬ stattet, mit dem die Position zumindest eines der beiden Zylinderkolbens erfasst werden kann, da die so erfassbare Istposition eines Kolben direkt für eine Regelung oder Steue- rung verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der beispielhaften, schemati¬ schen und nicht einschränkenden Figuren 1 und 2 beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmittelzylinder und Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Walzgerüsts mit einem erfindungsge- mäßen Druckmittelzylinder.
Der Druckmittelzylinder, hier ein Hydraulikzylinder 1 , nach Fig. 1 weist ein Gehäuse 2 auf in dem zwei Zylinder, ein Druckübersetzungszylinder 5 und ein Anstellzylinder 8, ange¬ ordnet sind. In den beiden Zylindern 5, 8 ist jeweils ein Kolben, ein Druckübersetzungs¬ kolben 3 und ein Anstellkolben 6, angeordnet. Auf die genaue konstruktive Ausgestaltung der Zylinder 5, 8 und der zugehörigen Kolben 3, 6 kann hier verzichtet werden, da solche hydraulische Zylinder hinlänglich bekannt sind und in vielfältigster Weise ausgeführt sein können.
Der Druckübersetzungszylinder 5 und der Anstellzylinder 8 sind dabei hydraulisch von¬ einander getrennt und können über jeweils eine eigene Zuleitung 9, 11 und eigene Ablei¬ tung 10, 12 für Hydraulikflüssigkeit unabhängig voneinander angesteuert werden. Der Anstellkolben 6 weist eine Anstellkolbenstange 7 auf, die durch das Gehäuse 2 des Hydraulikzylinders 1 nach außen geführt ist und z.B. als beliebiges Betätigungsmittel ver¬ wendet werden kann oder mit einem solchen in Verbindung stehen kann. Der Anstellkol¬ ben 6 kann auch eine Vertiefung 15 in der Größe des Querschnitts der Drücküberset- zungskolbenstange 4 aufweisen, wie in Fig. 1 angedeutet, um einen Kontakt, z.B. im Falle einer Fehlfunktion, zwischen der Drückübersetzungskolbenstange 4 und Anstellkolben 6 und einer eventuellen Beschädigung derselben zu vermeiden.
Der Druckübersetzungskolben 3 ist mit einer Druckübersetzungskolbenstange 4 verbun¬ den, die in einer von einem Teil des Gehäuses 2 gebildeten Trennwand zwischen Druck¬ übersetzungszylinder 5 und Anstellzylinder 8 geführt und durch diese hindurchgeführt ist und somit wirkungsmäßig mit dem Anstellzylinder 8 bzw. mit dem Hydraulikflüssigkeitsvo¬ lumen des Anstellzylinders 8 in Verbindung steht. Der Druckübersetzungskolben 3 und die Druckübersetzungskolbenstange 4 ist hier so dimensioniert, dass die Drucküberset¬ zungskolbenstange 4 in einer obersten Position des Druckübersetzungskolbens 3 nicht in den Anstellzylinderraum eintaucht. Ein kolbenseitiger Druck wird folglich im Verhältnis der Querschnitte des Druckübersetzungskolbens 3 und der Druckübersetzungskolbenstange 4 übersetzt, also vergrößert, auf den Anstellkolben 6 wirkt kolbenseitig somit der derart vergrößerte Druck.
Der Anstellkolben 6 ist weiters mit einem Messgebergestänge 13 verbunden, das hier durch die Druckübersetzungskolbenstange 4, den Druckübersetzungskolben 3 und das Gehäuse des Hydraulikzylinders 1 durchgeführt und mit einem geeigneten Wegmesssys¬ tem 14, z.B. ein hinlänglich bekanntes elektrisches oder optisches System, verbunden ist. Es ist jedoch selbstverständlich, dass auch ein beliebiges anderes Wegmesssystem 14 oder eine beliebige andere Wegmessanordnung als die hier beschriebene vorgesehen sein könnte. Das Wegmesssystem 14 kann z.B. mit einer Regelung des Hydraulikzylin- ders 1 und/oder der Regelung einer vom Hydraulikzylinder 1 betätigten Vorrichtung, wie z.B. einer Walze eines Walzgerüsts, verknüpft sein, z.B. als Istwertgeber.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders 1 wird nachfolgend beispielhaft beschrieben.
Beide Kolben 3, 6 sind kolbenseitig, also an den Zuleitungen 9, 11 , mit einem unter Druck, z.B. ein Druck von 290 bar, stehenden Hydrauliksystem verbunden. Beide Zylinder kön¬ nen also vom selben Hydrauliksystem versorgt werden. Kolbenstangenseitig, also an den Ableitungen 10, 12, steht bei beiden Zylindern 5, 8 ein konstanter, reduzierter Druck, z.B. ein Druck von ca. 50 bar, an. Die Ansteuerung der Zylinder 5, 8 kann wie hinlänglich be- kannt mittels in der Zu- 9, 11 und/oder Ableitung 10, 12 angeordneten bekannten Servo- ventilen erfolgen.
Als erster Schritt wird über das Servoventil des Anstellzylinders 8 der Anstellkolben 6 mit der Anstellkolbenstange 7 in eine vorgegebene Position gefahren. Diese Position wird über das Messgebergestänge 13, welches mit dem Anstellkolben 6 fix verbunden ist und durch den Druckübersetzerkolben 3 hindurchgeführt ist, an das Wegmesssystem 14 über¬ tragen. Das Wegmesssystem 14 kann mit einer geeigneten Regelung verknüpft sein. Der Druckübersetzerkolben 3 befindet sich zum Zeitpunkt der Positionierung des Anstellkol¬ bens 6 in seiner obersten Lage und ist nicht aktiv. Nach der Positionierung des Anstellkol¬ bens 6 und damit der Anstellkolbenstange 7 durch die Ansteuerung des Anstellzylinders 8 wird dessen Hydraulikzuleitung 11 z.B. mittels eines sperrbaren Ventils vom Hydrauliksys¬ tem getrennt und die Regelfunktion des Hydraulikzylinders 1 wird nun vom Drucküberset¬ zerzylinder 5 über dessen Servoventil übernommen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Druckübersetzungskolben 3 und Anstellkol¬ ben 6 taucht nun die Druckübersetzungskolbenstange 4, deren Durchmesser in einem bestimmten Verhältnis zum Druckübersetzungskolbendurchmesser steht, in den Zylinder¬ raum des Anstellkolbens 6 ein, was zur Folge hat, dass sich dort ein um das Verhältnis Druckübersetzungskolbenquerschnitt zu Druckübersetzungskolbenstangenquerschnitt multiplizierter Hydraulikdruck aufbaut. Der Regelweg des Druckübersetzers multipliziert sich dabei um das gleiche Verhältnis. Somit kann durch Ansteuern des Drucküberset- zungszylinders 5 der Anstellkolben 6 mit einem multiplizierten Druck angesteuert und be¬ wegt werden. Es ist mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder 1 also möglich mit einem Hydrauliksystem relativ geringen Druckes und geringer Dimensionen den Anstell¬ kolben 6 mit einem x-fachen des Druckes des Hydrauliksystems zu beaufschlagen. In diesem Beispiel beträgt das Übersetzungsverhältnis ungefähr 1 zu 4, d.h. aus den 290 bar Kolbendruck des Druckübersetzers würden sich 1160 bar im Anstellzylinder 8 erge¬ ben.
Ein solcher Hydraulikzylinder 1 kann besonders vorteilhaft als Anstellzylinder 28 in einem Walzgerüst angewendet werden, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Das Walzgerüst 20 besteht hier aus zwei Arbeitswalzen 22 und zwei Stützwalzen 21 und es wird ein Walzband 23, das zwischen den beiden Arbeitswalzen 22 durchläuft gewalzt. Solche Anordnungen sind hinlänglich bekannt und müssen nicht näher erläutert werden. Am Walzgerüst 20 ist ein erfindungsgemäßer Hydraulikzylinder 1 angeordnet, dessen Anstellzylinder 7 eine hier nur angedeutete Anstelleinrichtung 24 betätigt. Eine Regelungseinheit 25 erhält vom Wegmesssystem 14 Messdaten und steuert den Hydraulikzylinder 1 an. Die Regelungseinheit 25 kann noch weitere Anlagenteile steuern bzw. noch von weiteren Sensoren 26 Messdaten erhalten, wie in Fig. 2 angedeutet. E- benso kann die Regelungseinheit 25 auch mit einer übergeordneten Regelung 27, z.B. eine Anlagenregelung, verknüpft sein. Der Hydraulikzylinder 1 regelt nun durch die Regelungseinheit 25 wie oben beschrieben entsprechend den Vorgaben und unter Ansteuerung des Druckübersetzungszylinders 5 mit ausreichenden Reaktionszeiten, alle aus den unterschiedlichen Walzkräften resultie¬ renden Walzspaltveränderungen aus. Dazu können mit den Sensoren 26 benötigte Messwerte erfasst und der Regelungseinheit 25 zugeführt werden. Erfahrungsgemäß sind in einem Walzgerüst 20 Wege in der Größenordnung zwischen 1 und 5mm auszuregeln. Nach dem Ausfädeln des Walzbandes 23 aus dem Walzgerüst 20 wird der Drucküberset¬ zungskolben 3 sofort wieder in die oberste Lage gefahren und die Regelung wieder an den Anstellzylinder 8 des Hydraulikzylinders 1 übergeben. Mit dessen erneuter Positionie¬ rung beginnt der nächste Zyklus.
Es wäre aber selbstverständlich auch denkbar, beide Zylinder 5, 8 gleichzeitig anzusteu- ern, also gleichzeitig mit Hydraulikflüssigkeit zu beaufschlagen, falls es eine Anwendung erfordert.
Durch die geringen Volumen der beiden Zylinder 5, 8 weist der Hydraulikzylinder 1 noch genügend hohe Ansprechzeiten bei trotzdem sehr hohen erreichbaren Drücken auf. Gleichzeitig wird durch die Möglichkeit, die beiden Zylinder 5, 8 unabhängig voneinander anzusteuern, die Regelbarkeit des Hydraulikzylinders 1 nicht beeinträchtigt. Der Einsatz eines solchen Druckmittelzylinders 1 bietet sich somit überall dort an, wo hohe Kräfte bei geringem Platzbedarf erforderlich sind, neben Walzgerüsten also z.B. ohne Einschrän¬ kung auch bei Schmiedepressen oder Stauchgerüsten.
Ein erfindungsgemäßer Druckmittelzylinder wird oben am Beispiel eines Hydraulikzylin- ders 1 beschrieben, allerdings könnte natürlich auch jedes andere geeignete Druckmittel, z.B. Luft oder Gas für einen Pneumatikzylinder, zum Einsatz kommen, wobei sich ohne funktionelle Einschränkungen geringe konstruktive Änderungen ergeben könnten.

Claims

Patentansprüche
1. Druckmittelzylinder mit Druckübersetzung, vorzugsweise ein Hydraulik- oder Pneu¬ matikzylinder, wobei im Druckmittelzylinder (1 ) zwei voneinander getrennte Zylinder (5, 8) angeordnet sind, in denen jeweils ein Kolben (3, 6) angeordnet ist und der Kolben (3) des ersten Zylinders (5) eine Kolbenstange (4) aufweist, die mit dem zweiten Zylinder (8) zur Druckerhöhung wirkungsmäßig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylin¬ der (5, 8) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
2. Druckmittelzylinder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylin- der (5, 8) eine eigene Zuleitung (9, 11 ) für Druckmittel und eine eigene Ableitung (10, 12) für Druckmittel aufweist.
3. Druckmittelzylinder nach einem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (4) des ersten Kolbens (3) eine kleinere Querschnittsfläche als der erste Kolben (3) aufweist.
4. Druckmittelzylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben¬ stange (4) des ersten Kolbens (3) im Gehäuse (2) des Druckmittelzylinders (1 ) geführt angeordnet ist.
5. Druckmittelzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (6) eine Kolbenstange (7) aufweist, die aus dem Druckmittelzylin- der (1 ) herausgeführt ist.
6. Druckmittelzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Druckmittelzylinder (1 ) ein Wegmesssystem (14) angeordnet ist, mit dem die Bewegung zumindest eines der beiden Kolben (3, 6), vorzugsweise des zweiten Kolbens (6), messbar ist.
7. Druckmittelzylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messge¬ bergestänge (13) vorgesehen ist, dass durch den ersten Kolben (3) und der ersten Kol¬ benstange (4) durchgeführt und mit einem Ende mit dem zweiten Kolben (6) bzw. mit dessen Kolbenstange (7) und mit dem anderen Ende mit dem Wegmesssystem (14) ver¬ bunden ist.
8. Verwendung des Druckmittelzylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Anstellzylinder (28) einer Walze (21 ) eines Walzgerüsts (20).
9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kolben¬ stange (7) mit einer Walze (21 ) oder einer Lagerung einer Walze (21 ) eines Walzgerüst (20) wirkungsmäßig verbunden ist.
10. Verfahren zum Betreiben eines Druckmittelzylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinder (5, 8) unabhängig voneinander mit Druckmittel beaufschlagt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst ein zweiter Kolben (7) eines zweiten Zylinders (8) durch Öffnen und/oder Schließen eines Ventils in der Druckmittelzuleitung (1 1 ) und/oder Druckmittelableitung (12) des zweiten Zylinders (8) in eine vorbestimmte Position bewegt wird und anschließend ein erster Kolben (3) eines ersten Zylinders (5) durch Öffnen und/oder Schließen eines Ventils in der Druckmittelzu¬ leitung (9) und/oder Druckmittelableitung (10) des ersten Zylinders (8) bewegt wird, wo- durch gleichzeitig auch der zweite Kolben (6) bewegt wird.
12. Verfahren zum Regeln eines Druckmittelzylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinder (5, 8) unabhängig voneinander mit Druckmittel beaufschlagt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung eines zweiten Kolbens (6) eines zweiten Zylinders (8) durch ein Wegmesssystem (14) erfasst wird und ein Ventil in der Druckmittelzuleitung (11) und/oder Druckmittelableitung (12) des zweiten Zylinders (8) derart angesteuert wird, dass der zweite Kolben (6) in eine vorbe¬ stimmte Position bewegt wird und anschließend die Bewegung des zweiten Kolbens (6) durch die Bewegung eines ersten Kolbens (3) eines ersten Zylinders (5) gesteuert wird, indem ein Ventil in der Druckmittelzuleitung (9) und/oder Druckmittelableitung (10) des ersten Zylinders (5) angesteuert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (3) während der Vorpositionierung des zweiten Kolbens (3) festgehalten wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmittelzuleitung (11 ) und/oder Druckmittelableitung (12) des zweiten Zylinders (8) während der Bewegung des ersten Kolbens (3) abgesperrt wird.
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