Antriebe "Steuerung für Hydraulikzylinder als Antriebe für Kolbenpumpen"

Abstract

 Steuerung für Hydraulikzylinder als Antriebe für Kolbenpumpen, mit einem zwischen seinen Endlagen umschaltbaren Steuerkolben mit reziprok wirksamen Längsdrosseln in den Arbeitsleitungen, bei dem dem Steuerventil wenigstens eine Druckwaage zugeordnet ist. Die Strömungsrichtung des Öls ist durch alle Längsdrosseln (60,62;74,76,78,80) in allen Schaltstellungen des Steuerkolbens gleich. Jeder Längsdrossel ist eine Druckwaage (44,46;98,100,116,118) zugeordnet, die vom Druckabfall über der Längsdrossel gesteuert ist. Der Auslaß (38) des Steuerventils für den Zulauf zum Hydraulikzylinder (2) und dessen zugehöriger Einlaß (42) für den Ablauf aus dem Hydrautikzylinder sind jeweils in/zu einem derAnschlüsse des Hydraulikzylinders zusammengeführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Kolbenpumpen, für die die Steuerung geeignet ist, sind beispielsweise in der DE-OS 34 10 911 beschrieben. Solche Kolbenpumpen werden beispielsweise als Baupumpen zur Förderung von Schmutzwasser aus Baugruben und dergleichen verwandt. Solche Baupumpenn müssen selbstansaugend sein, d.h. sie müssen zunächst eine reine Luftförderung durchführen können. Es müssen aber auch Gemische von Luft und Wasser gefördert werden können, wobei die Luft in dem Wasser ein kompressibles Medium darstellt, das nach der Kompression durch die Pumpe eine zusätzliche, auf den Pumpenkolben wirkende Last darstellt. Es müssen weiter insbesondere auch gasfreie Flüssigkeiten gefördert werden. Beim Absenken des Grundwasserspiegels kann es weiter bei solchen Baupumpen zu einem Unterdruck in der Ansaugleitung kommen, der nach Umkehr der Bewegungsrichtung des Pumpenkolbens als ziehende Last auf diesen Kolben wirkt. Ein Abreißen der Flüssigkeitssäule im Druckraum der Kolbenpumpe kann darüber hinaus zu Kavitationen führen. Kompressible Belastungen des Pumpenkolbens können nach der Bewegungsumkehr des Kolbens zu unerwünschten Beschleunigungen des Kolbens führen und damit zu einer Beschädigung der Dichtungen durch die bei der Beschleunigung entstehende Reibungswärme.

[0003] Eine druckseitige Belastung des Pumpenkolbens durch die hier anstehende Wassersäule kann zu einem Abreißen führen,-wenn die Verzögerung und Beschleunigung des Kolbens nicht entsprechend angepaßt ist.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß unter allen oben angeführten Belastungsfällen genau vorgegebene Bewegungsabläufe sichergestellt werden.

[0005] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

[0006] Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0007] 

Fig. 1 zeigt schematisch einen hydraulischen Pumpenantrieb mit einem Differentialzylinder mit einer erfindungsgemäßen Steuerung.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Steuerung mit zwei Tandemzylindern.

Fig. 3 zeigt die gleiche Steuerung wie Fig. 2 in Verbindung mit einem einzelnen Differentialzylinder.

[0008] In der Schaltung nach Fig. 1 ist als Schubkolbenantrieb ein Differential-Hydraulik-Zylinder 2 in Eilgangschaltung wiedergegeben. Mit der Kolbenstange 3 des Zylinders 2 ist der Kolben einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kolbenpumpe verbunden. Die Druckölversorgung erfolgt über eine Hydraulikpumpe 4 mit konstanter Fördermenge. Die Pumpe 4 ist druckseitig in üblicher Weise über ein Druckbegrenzungsventil 6 abgesichert. Die Druckleitung 8 der Hydraulikpumpe 4 führt zum Stangenraum 10 des Zylinders 2. Von dieser Druckleitung 8 führt eine Zweigleitung 12 über die weiter unten zu beschreibende Steuerung 14 zur Anschlußleitung 16 des Kolbenraumes 18 des Zylinders 2. Von der Steuerung 14 führt eine Tankleitung 20 in den Öltank 22.

[0009] Mit der Hydraulikpumpe 4 ist eine Hilfspumpe 24 direkt gekuppelt. die über ein Druckbegrenzungsventil 25 abgesichert ist. Diese Pumpe liefert das Drucköl für das Schalten des Steuerventils 26, das über ein fernbetätigtes Umsteuerventil 28 umschaltbar ist. Ir: der Tankleitung 20 dieses Hydraulikkreises ist eine verstellbare Drossel 32 angeordnet, mit der die Geschwindigkeit der Bewegung des Steuerkolbens 34 des Steuerventils 26 bei einer Umsteuerung einstellbar ist. Das Gehäuse des Steuerventils 26 ist hier durch gestrichelte Linien angedeutet. In ihm sind vier Ringräume 36, 38, 40, 42 ausgebildet, von denen der rechte Ringraum 36 an die Leitung 12 angeschlossen ist.

[0010] Zusätzlich zu dem Steuerventil 26 weist die Steuerung 14 zwei Druckwaagen 44, 46 auf. Die Druckwaage 44 liegt in einer Leitung 48, die vom Ringraum 38 des Steuerventils 24 zur Anschlußleitung 16 des Zylinders 2 führt. Mit der Leitung 16 ist weiter über eine Leitung 50 der Ringraum 42 verbunden. Die Tankleitung ist über die Druckwaage 46 an den Ringraum 40 angeschlossen.

[0011] Der Steuerkolben 34 ist als Hohlkolben mit zwei Hohlräumen 52, 54 ausgebildet, die mit Zuflußbohrungen 56, 58 im Bereich der Ringräume 36 bzw. 42 versehen sind und an den einander zugewandten Enden mit Drosselschlitzen 60, 62 im Bereich der Ringräume 38 bzw. 40 versehen sind, die hier als radial durchströmte Drosselschlitze ausgebildet sind.

[0012] Die beiden Druckwaagen 44, 46 sind mit ihren Steuerleitungen 64, 66 bzw. 68, 70 parallel zu den Drosseln 60, 62 geschaltet, im vorliegenden Fall an die Ringräume 36, 42 bzw. 38, 40 angeschlossen.

[0013] In der gezeichneten Ausführungsform beträgt das Verhältnis der beiden von Hydrauliköl beaufschlagten Flächen des Kolbens 19 2 : 1. Es können aber auch hiervon abweichende Flächenverhältnisse gewählt werden.

[0014] In der dargestellten Stellung befindet sich der Steuerkolben 24 des Steuerventils 28 in seiner rechten Endlage und der Kolben 19 in einer Mittelstellung. In dieser Stellung des Steuerkolbens ist die Verbindung zwischen den Ringräumen 36 und 38 gesperrt. Die Pumpe 4 fördert damit ausschließlich in den Stangenraum 10 des Zylinders 2. Aus der Kolbenseite 18 des Zylinders L strömt über die Leitungen 16, 50 Öl über die Drosselschlitze 52 und die Druckwaage 46 in den Tank. Der Kolben 19 bewegt sich also nach links in Richtung des Pfeiles 5.

[0015] Wenn in einer Zwischenstellung des Kolbens 19 eine ziehende Last in Richtung des Pfeiles 5 zusätzlich zu der normalen Last auf den Kolben 19 wirkt, führt dies zu einer Erhöhung des Ölabflusses über die Leitung 16. Dieser erhöhte Ölabfluß führt über der Drossel 62 sofort zu einem Druckanstieg, der über die Steuerleitung 60 die Druckwaage schließt und damit einen erhöhten Ölabfluß aus dem Zylinderraum 18 verhindert. Auf dieser Weise wird der zusätzlichen ziehenden Last entgegengewirkt und eine gleichmäßige Bewegung des Kolbens sichergestellt.

[0016] Im Bewegungsbereich der Kolbenstange 3 sind feststehende Sensoren 72, 74 vorgesehen, die hier schematisch angedeutet sind und mit denen beispielsweise bestimmte Markierungen an der Kolbenstange abgetastet werden. Diese Markierungen sind so angeordnet, daß die Sensoren 72, 74 jeweils in einem vorbestimmten Abstand des Kolbens 19 vor seiner Endlage ansprechen. Nach Ansprechen einse solchen Sensors wird die Verzögerung des Kolbens eingeleitet. Dies erfolgt durch Umsteuerung des Umschaltventils 28, wobei Drucköl in den Betätigungsraum vor der rechten Stirnseite des Steuerkolbens einströmt, während aus dem linken Betätigungsraum das Öl über die Drossel 32 in den Tank abfließt. Mit vom eingestellten Durchlaß der Drossel 32 abhängiger Geschwindigkeit wiro der Steuerkolben 34 dabei nach links verschoben. Während dieser Verschiebungsbewegung wird der Durchströmquerschnitt der Längsdrossel 62 in dem Maße verkleinert, in dem der Durchströmquerschnitt der Längsdrossel 60 vergrößert wird. Damit gelangt Drucköl aus der Leitung 12 über die Druckwaage 44 in die Leitung 50 und von da in die Tankleitung 20. Um den hier abfließenden Betrag wird die Förderung über die Leitung 8 in den Zylinderraum 10 verringert. Gleichzeitig wird der Abfluß aus dem Zylinderraum 18 um die über die Drossel 60 zuströmende Ölmenge verringert, da der Gesamtablauf durch den Durchströmquerschnitt der Drossel 62 bestimmt ist. Die Ölströme über die Drossel 60 und die Druckwaage 44 sowie die Drossel 62 und die Druckwaage 46 sind von der Stellung des Steuerschiebers abhängig und ändern sich fortlaufend während der Verstellbewegung des Steuerkolbens. Durch Einstellung der Verstellgeschwindigkeit des Steuerkolbens 34 über die Drossel 32 läßt sich somit eine Verzögerungs- und Beschleunigungsrampe festlegen, d.h. die Verzögerung über der Zeit bei Annäherung an die Endlagen und die Beschleunigung über der Zeit nach Umschaltung der Bewegungsrichtung.

[0017] Wenn der Steuerkolben 34 seine Mittelstellung erreicht hat und damit der Zulauf über die Drossel 60 gleich dem Ablauf über die Drossel 62 ist, kommt der Kolben 19 zum Stillstand. Bei der weiteren Bewegung des Steuerkolbens 34 in Richtung auf die linke Endlage wird über die Drossel 60 mehr Öl durchgelassen als über die Drossel 62 abfließt. Es erfolgt-also eine Umkehr der Bewegung des Kolbens 19, wobei die Beschleunigung einer Rampe folgt, die der Verzögerungsrampe bei Annäherung an die Endlage entspricht. Das in dieser Bewegungsrichtung aus dem Stangenraum 10 verdrängte Öl wird zusätzlich in den Zylinderraum 80 übergeführt. Eine ziehende Kraft in dieser Bewegungsrichtung des Kolbens entsprechend dem gestrichelten Pfeil 7 kann zu keiner Beschleunigung der Ausfahrbewegung führen, da das aus dem Stangenraum 10 verdrängte Öl über die Drossel 60 in Verbindung mit der Druckwaage 44 lastunabhängig konstant gehalten wird.

[0018] Mit der beschriebenen Steuerung ist es möglich, den Kolben 19 lastunabhängig ein vorgegebenes Bewegungsprogramm durchführen zu lassen. Durch die Drosseln in Verbindung mit den Druckwaagen wird dabei die hierfür erforderliche hydraulische Einspannung des Kolbens erreicht.

[0019] Bei der Ausführungsform nach Fig. 2, in der nur das Steuerventil mit seinem Steuerkolben und die zugehörigen Druckwaagen sowie zwei Tandemarbeitszylindern dargestellt sind, sind in. dem Steuerkolben 72 in Achsrichtung im Abstand voneinander zwei Paare von Längsdrosseln 74, 76 bzw. 78, 80 vorgesehen, die über die Bohrungen oder Hohlräume 82 bzw. 84 mit mittig angeordneten radialen Anschlußbohrungen 83 bzw. 85 verbunden sind. Das linke Längsdrosselpaar 78, 80 steht über die Anschlußbohrungen 86 mit der Zulaufleitung 12 in Verbindung, während das Drosselpaar 74, 76 über die Anschlußbohrung 83 mit dem Tankanschluß 20 verbunden sind. Den Anschlüssen 12 und 20 sind wiederum Ringräume 86, 88 zugeordnet, während die Drosseln 74, 76 bzw. 78, 80 jeweils mit Ringräumen 90, 92 bzw. 94, 96 zusammenwirken. Die Ringräume 90, 92 sind über Druckwaagen 98, 100 mit den Stangenräumen 102 bzw. ₁04 der Antriebszylinder 106 bzw. 108 verbunden. Die beiden Kolbenräume 110, 112 der Antriebszylinder sind über eine Leitung 114 nach Art eines hydraulischen Gestänges miteinander verbunden. Die gestrichelt dargestellten Steuerleitungen der Druckwaagen 98, 100 sind hier wiederum über die Drosseln 78 bzw. 80 geschaltet.

[0020] Den Einlässen der Ringräume 94, 96 und damit in Durchflußrichtung den Drosseln 74, 76 des anderen Drosselpaares vorgeschaltet sind zwei weitere Druckwaagen 116 bzw. 118. Der Einlaß der Druckwaage 118 ist in dem Punkt 120 mit der Zuleitung 122 zum Kolbenraum 102 des Antriebszylinder 106 verbunden, während der Einlaß der Druckwaage 116 mit der Leitung 124 zum Stangenraum 104 des Antriebszylinder 108 in Verbindung steht. Die Funktion dieser Ausführungsform der Steuerung ergibt sich ohne weiteres aus der Beschreibung der Fig. 1. Auch bei dieser Anordnung mit zwei Zylindern wird über die Kombinationen der Drosseln und der zugehörigen Druckwaagen eine Einspannung der Kolben während aller Betriebszustände sichergestellt.

[0021] Die Schaltung nach Fig. 3 entspricht hinsichtlich der Ausführung der Steuerung der nach Fig. 2. Es wird insofern auf die Beschreibung der Fig. 2 verwiesen. Es sind daher hier auch die gleichen Bezugszeichen eingetragen. Abweichend ist hier der Antriebszylinder ein einzelner Differentialzylinder 126, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Die Geschwindigkeit der Bewegung des Kolbens 128 mit der Kolbenstange 130 ist hier in beiden Richtungen unterschiedlich und abhängig vom Flächenverhältnis. Bei dieser Anordnung können durch Wahl unterschiedlicher Drosselquerschnitte auf der Zulauf- und der Ablaufseite auch vom Flächenverhältnis des Kolbens 128 unterschiedliche Geschwindigkeiten vorgegeben werden. Beispielsweise können die Drosselquerschnitte auf der Ablaufseite im Verhältnis der wirksamen Kolbenflächen größer ausgebildet sein, um zu gleichen Kolbengeschwindigkeiten in beiden Richtungen zu gelangen.

Ansprüche

1. Steuerung für Hydraulikzylinder als Antriebe für Kolbenpumpen, mit einem zwischen seinen Endlagen umschaltbaren Steuerkolben mit reziprok wirksamen Längsdrosseln in den Arbeitsleitungen,

bei dem dem Steuerventil wenigstens eine Druckwaage zugeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des Öls durch alle Längsdrosseln (60,62;74,76,78,80) in allen Schaltstellungen des Steuerkolbens gleich ist,

daß jeder Längsdrossel eine Druckwaage (44,46;98,100,116,118) zugeordnet ist, die vom Druckabfall über der Längsdrossel gesteuert ist,

und daß der Auslaß (38) des Steuerventils für den Zulauf zum Hydraulikzylinder (2) und dessen zugehöriger Einlaß (42) für den Ablauf aus dem Hydraulikzylinder jeweils in/zu einem der Anschlüsse des Hydraulikzylinders zusammengeführt sind.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwaagen (44,46) den Durchlässen des Steuerventils jeweils in Durchflußrichtung nachgeschaltet sind.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkolben (72) jeweils zwei Längsdrosselpaare (74,76;78,80) axial im Abstand angeordnet sind, die jeweils mit einem gemeinsamen Zulaufanschluß (85,86) bzw. Ablaufanschluß (83,88) in Verbindung stehen..

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwaagen (98,100) in Strömungsrichtung den Auslässen (90,92) des Steuerventils für den Zulauf (12) nachgeschaltet und den Einlässen (94,96) des Steuerventils für den Rücklauf (20) vorgeschaltet sind.

5. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mittelstellung des Steuerkolbens (34;72) beide einander zugeordnete Längsdrosseln bzw. Längsdrosselpaare durchlässig sind.

6. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Hydraulikpumpe mit konstanter Fördermenge, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Durchflußmenge einer Längsdrossel-Druckwaagen-Kombination größer ist als die durch die Kapazität der Hydraulikpumpe vorgebene größte Durchflußmenge.

7. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben als Hohlkolben und die Längsdrosseln als Längsschlitze in der Hohlkolbenwandung ausgebildet sind.

8. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verstellung des Steuerkolbens eine gesonderte Hilfspumpe (24) vorgesehen ist.

9. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsteuergeschwindigkeit des Steuerkolbens einstellbar ist.

Zeichnung