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Die
Erfindung betrifft eine Hydraulikzylinderbaugruppe für
eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere
eine Papier- oder Kartonmaschine.
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In
Papiermaschinen werden verbreitet Stellzylinder als Betätigungs-
und Steuerungsmittel eingesetzt. Diese Stellzylinder werden bevorzugt
hydraulisch angetrieben, so dass große Kräfte
mit hoher Genauigkeit eingestellt und ausgeübt werden können.
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In
der Regel wird ein Arbeitsfluid, z. B. Hydrauliköl, Luft,
Wasser, unterschiedliche Gase oder Emulsionen von den vorangegangenen
Fluiden, etc., verwendet, das von einer Pumpe mit Druck beaufschlagt
wird. Die Einleitung des unter Druck stehenden Hydrauliköls
in ein hydraulisches Stellglied, wie z. B. einen Hydraulikzylinder
oder einen Hydraulikmotor wird üblicherweise durch ein
proportionales Steuerventil (Proportionalventil) gesteuert, das
elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann.
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Ein
solches Steuerventil hat einen in einem Ventilgehäuse hin-
und herbewegbaren Steuerschieber oder Steuerkolben, der in Antwort
auf seine Lage in dem Ventilgehäuse einen Solldruck am
Ausgang einstellen kann, indem der Druck des von der Pumpe gelieferten
Hydrauliköls geregelt wird. Die Beweglichkeit des Steuerkolbens
in dem Ventilgehäuse erfordert zwingend ein gewisses Spiel
oder Spaltmaß zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse,
so dass eine Leckage von Hydrauliköl innerhalb des Steuerventils
unvermeidbar ist. Das Spaltmaß darf nicht zu eng gewählt
werden, denn sonst ist das Ventil zu anfällig gegen Verschmutzungen
im Hydrauliköl.
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In
letzter Zeit wurden alternative Druckregler entwickelt, die in dieser
Anmeldung durchgängig als digitalhydraulische Druckregler
bezeichnet sind. Die Arbeitsweise von digitalhydraulischen Druckreglern ist
nachstehend kurz zusammengefasst dargestellt:
Ein digitalhydraulischer
Druckregler besteht im einfachen Fall aus einer Reihe parallel geschalteter
Ventile, die lediglich eine AUF/ZU-Funktion besitzen; also einfache
EIN/AUS-Schaltventile sind, die einen Fluiddurchfluss zulassen oder
unterbrechen können und in dieser Anmeldung nachstehend
als Ventile oder Digitalventile bezeichnet sind. Die Ventile sind
alle mit einer gemeinsamen Zufuhrleitung einerseits und mit einer
gemeinsamen Auslassleitung andererseits verbunden. Die Ventile selbst
können herkömmliche Solenoidventile, d. h. Ventile
mit elektromagnetischem Antrieb sein. Ein derartiges elektromagnetisch
betätigbares Ventil ist z. B. in
EP 1 052 441 A2 beschrieben.
Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt
werden.
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Durch
Anschluss oder Einbau von Drosselelementen an die Ventile bzw. durch
die Bauart der Ventile selbst ist dafür gesorgt, dass die
Ventile unterschiedliche Durchflüsse haben, wenn sie geöffnet sind.
Wenn beispielsweise vier Ventile vorgesehen sind, so können
die Durchflussraten Q in den einzelnen, jeweils von dem zugehörigen
Ventil wahlweise freigebbaren Durchlässen im Verhältnis
von 1:2:4:8 zueinander stehen; bei einer größeren
Anzahl von Ventilen wird diese Reihe entsprechend fortgesetzt.
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Durch Öffnen
und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen,
die auf der Basis von Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt
werden, kann nun eine sehr rasche und präzise Druckeinstellung
in der Auslassleitung bzw. in dem daran angeschlossenen Stellglied
erreicht werden, indem die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten
Proportionalventils durch eine digital erstellte (d. h. angenäherte)
Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von
Nichtlinearitäten und/oder Hystereseschleifen des analogen
Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte
Gerade sein, die es erlaubt, einen Regelpunkt schnell und nahezu überschwingungsfrei
anzufahren.
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Ein
weiterer Vorteil bei der Verwendung von digitalhydraulischen Druckreglern
liegt darin, dass die Ventile entweder offen oder geschlossen sind,
d. h. zum Halten eines Solldrucks in einem geschlossenen (und somit
stationären) System sind die Ventile des Druckreglers einfach
geschlossen und es gibt keine Leckageströme im Inneren
der Ventile. Damit besteht ein deutlicher Unterschied zum herkömmlichen
Proportionalventil, das stets von einem Hydraulikölstrom
durchflossen ist. Dies kostet ständig Energie für
die Hydraulikpumpen, z. B. in der Papiermaschine.
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Somit
ist zu erkennen, dass es der Einsatz von digitalhydraulischen Druckreglern
gestattet, die Hydraulikpumpen weniger oft und/oder kürzer
zu betreiben, wodurch Energie gespart werden kann.
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Es
besteht aber weiterhin Bedarf, den Energieverbrauch einer Maschine
zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Papier-
oder Kartonmaschine, weiter zu verringern.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Hydraulikzylinderbaugruppe
für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn,
insbesondere eine Papier- oder Kartonmaschine, bereitzustellen,
mit der der Energieverbrauch zur hydraulischen Steuerung einer Hydraulikzylinderbaugruppe
für eine Papier- oder Kartonmaschine weiter verringert
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einer Hydraulikzylinderbaugruppe
für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn,
insbesondere eine Papier- oder Kartonmaschine, mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Baugruppe
sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Hydraulikzylinderbaugruppe
für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn,
insbesondere eine Papier- oder Kartonmaschine, bereitgestellt. Die
Baugruppe hat einen Hydraulikzylinder, der ein Zylindergehäuse
und einen in dem Zylindergehäuse beweglichen Kolben umfasst,
der das Zylindergehäuse in eine zylinderkopfseitige Kammer
und eine zylinderbodenseitige Kammer unterteilt, und mindestens einen
digitalhydraulischen Druckregler, der in die Baugruppe integriert
ist, der der zylinderkopfseitigen Kammer und der zylinderbodenseitigen
Kammer zugeordnet ist, und der einen Zu- und Abfluss von Arbeitsfluid
zu und von den Kammern steuert, um den Druck des Arbeitsfluids in
mindestens einer der beiden Kammern des Hydraulikzylinders einzustellen.
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In
den nachfolgenden Erläuterungen ist stets von einer Papiermaschine
die Rede; dieser Begriff soll aber ausdrücklich alle Maschinentypen
zur Herstellung von Faserstoffbahnen, also insbesondere auch Kartonmaschinen,
Faserplattenmaschinen und dergleichen umfassen.
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Wenn
ein digitalhydraulischer Druckregler anstelle eines herkömmlichen
Proportionalventils verwendet wird, ist bei unveränderter
Stellung des Hydraulikzylinders der Hydraulikflüssigkeitsverbrauch,
d. h. der innere Leckagestrom im Regler Null. In einer Papiermaschine
sind viele verstellbare Elemente erforderlich und vorhanden; die
Verstellung erfolgt aber nicht oft sondern nur bei relativ selten
auftretenden Vorgängen, wie Anfahrvorgängen, Bahnabrissen
und Neueinfädelungen der Bahn, Tambourwechsel oder Wartungsmaßnahmen.
Die Stellbewegungen, die üblicherweise mittels an den zu
verstellenden Bauteilen in der Papiermaschine angreifenden Hydraulikzylindern
ausgeführt werden, umfassen dabei einen Verfahrvorgang
eines Hydraulikzylinders und/oder ggf. einen Druckaufbau, um irgendwelche
mechanischen Druckkräfte, z. B. einen Druck in einem Spalt
zwischen zwei Walzen, zu erzeugen.
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Die
Erfinder haben nun gefunden, dass der Aufwand für die Bereitstellung,
Verlegung und Wartung von Rohrleitungen für die Versorgung
eines Hydraulikzylinders mit Arbeitsfluid in einer herkömmlichen
Papiermaschine beachtlich ist. Die verwendeten Materialien müssen
für die feuchtheiße Umgebung korrosionsfest sein,
es sind enorme Strecken zu bewältigen, denn eine übliche
Papiermaschine ist schlichtweg groß (mehrere zig Meter
lang), so dass hier der Materialverbrauch an hochwertigem Rohrmaterial
ein echter Kostenfaktor ist. Zudem ergeben sich Strömungsverluste
bei der Führung der Fluidströme in den Leitungen,
die entweder durch größere Rohrquerschnitte, d.
h. mehr Materialverbrauch, oder durch höhere Pumpleistung,
d. h. durch einen höheren Energieverbrauch, ausgeglichen
werden müssen.
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Durch
die Zuordnung von mindestens einem digitalhydraulischen Druckregler
zu der zylinderkopfseitigen Kammer und der zylinderbodenseitigen Kammer
des Zylindergehäuses und durch die Integration des Reglers
in die Hydraulikzylinderbaugruppe können lange Leitungsführungen
entfallen und eine kompakte Bauweise gewährleistet werden.
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Bevorzugt
sind die Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers unmittelbar
an dem Hydraulikzylinder oder in dem Kolben des Hydraulikzylinders angebracht.
In diesen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind die Ventile
des digitalhydraulischen Druckreglers unmittelbar an dem Hydraulikzylinder
oder in dem Kolben selbst angebracht. Diese Bauweisen sind nicht
nur kompakt, sondern es sind auch wenige hydraulische Anschlussstellen vorhanden.
Dies verbessert die Zuverlässigkeit, weil es wenige Stellen
im Hydraulikkreis gibt, die undicht werden können.
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Bevorzugt
ist der Kolben ein hin- und herbewegbarer Kolben mit Kolbenstange.
Dieser Kolben kann ein hin- und herbewegbarer hohler Kolben mit hohler
Kolbenstange sein, wobei in dem Kolben optional die Ventile des
digitalhydraulischen Druckreglers angeordnet sein können
und die hydraulische und elektrische Leitungsführung des
digitalhydraulischen Druckreglers durch die Kolbenstange hindurch zu
den Ventilen geführt werden kann, wodurch die Bauweise
des Hydraulikzylindergehäuses vereinfacht werden kann.
Durch die Hohlbauweise des Kolbens und der Kolbenstange wird ein
zusätzlicher Raum zur vorhin genannten Leitungsführung
erst dann nutzbar, im Gegensatz zu einem massiven Kolben, der in
einer Massivbauweise hergestellt wurde. Somit kann der zur Verfügung
stehende Platz innerhalb des Kolben- und Kolbenstangenmaterials
optimal zum Einbau von den Ventilen der hydraulischen Druckregler
und den entsprechenden Leitungen genutzt werden. Bei dieser Bauform
von Kolben ist ferner sichergestellt, dass die Ventile der hydraulischen Druckregler
derart in dem Kolben eingebaut sind, dass deren Auslässe
direkt zu der zylinderkopfseitigen Kammer und der zylinderbodenseitigen
Kammer des Hydraulikzylinders zugeordnet sind, so dass die Kolbenstange
letztlich eine Stellung einnimmt, die im Wesentlichen von der durch
die Druckregler eingestellten Differenz der Drücke in der
zylinderkopfseitigen Kammer und der zylinderbodenseitigen Kammer des
Hydraulikzylinders abhängt.
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Für
die Ventile des hydraulischen Druckreglers können z. B.
2/2 Solenoidventile von Matrix Mechatronics, vorzugsweise der 750-er
Serie, verwendet werden.
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Wenn
die Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers unmittelbar an
dem Hydraulikzylinder angebracht sind, ist es besonders bevorzugt,
dass das Zylindergehäuse eine zu der zylinderkopfseitigen Kammer
korrespondierende Vorkammer und eine zu der zylinderbodenseitigen
Kammer korrespondierende Vorkammer aufweist, die voneinander hydraulisch getrennt
sind und an denen die Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers
unmittelbar angebracht sind. Ferner können die beiden Vorkammern
durch eine das Zylindergehäuse fluiddicht umgebende Zylinderhülle
gebildet sein und einen zu der zylinderkopfseitigen Kammer korrespondierenden
Ringraum und einen zu der zylinderbodenseitigen Kammer korrespondierenden
Ringraum definieren, wobei die Ringräume durch eine zwischen
dem Zylindergehäuse und der Zylinderhülle angeordnete
Trennwand voneinander hydraulisch getrennt sind und an deren Umfangsflächen
die Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers angebracht sind.
Optional sind die Zylinderhülle und die Trennwand einstückig
an dem Zylindergehäuse ausgebildet. Bei dieser Bauform
des Hydraulikzylinders sind die Auslässe der unmittelbar an
dem Hydraulikzylinder (z. B. an der Zylinderhülle) angebrachten
Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers zu den jeweiligen
Vorkammern korrespondierend zugeordnet. Die Vorkammern weisen dann
einen gemeinsamen Zufuhr- bzw. Auslassanschluss an dem Zylindergehäuse
selbst auf. Die Positionen der gemeinsamen Anschlüsse an
dem Zylindergehäuse sind derart festgelegt, dass eine Positionsverstellung
des Kolbens innerhalb des Zylinders durch die unterschiedlich einstellbaren
Drücke in den Vorkammern unabhängig von der jeweiligen
Lage des Kolbens gewährleistet werden kann. Der Kolben und
somit die Kolbenstange nehmen letztlich eine Stellung ein, die im
Wesentlichen von der durch die Druckregler eingestellten Differenz
der Drücke in der zu der zylinderkopfseitigen Kammer zugeordneten Vorkammer
und der zu der zylinderbodenseitigen Kammer zugeordneten Vorkammer
abhängt.
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In
den obigen oder weiteren Ausgestaltungen kann der digitalhydraulische
Druckregler ein Differenzdruckregelventil umfassen, das eine direkte hydraulische
Verbindung zwischen der zylinderkopfseitigen Kammer und der zylinderbodenseitigen
Kammer schaltet und einen Durchfluss von Arbeitsfluid zwischen der
zylinderkopfseitigen Kammer und der zylinderbodenseitigen Kammer
steuert. Bevorzugt können die Volumina der zylinderkopfseitigen
Kammer und der zylinderbodenseitigen Kammer gleich groß sein.
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Gemäß den
obigen Ausführungen zu der Erfindung ist der Hydraulikzylinder
ein Differentialzylinder. In einem Differentialzylinder sind sowohl
auf der Kolbenseite als auch auf der Kolbenstangenseite druckwirksame
Flächen ausgebildet, so dass die Kolbenstange des Zylinders
letztlich eine Stellung einnimmt, die von der auf die Kolbenstange
wirkenden Last und der Differenz der Drücke auf der Kolbenseite
und der Stangenseite abhängt. Im Betrieb wird, wenn die
Lage des Kolbens verstellt werden soll, Arbeitsfluid unter Druck
in die Zylinderkammer eingespeist, deren Volumen zunehmen soll,
während eine entsprechende Menge an Arbeitsfluid aus der
Zylinderkammer abgelassen wird, deren Volumen abnehmen soll. In
diesem Fall wird Arbeitsfluid auf einem Druckniveau abgelassen,
das deutlich über dem eines Vorratsbehälters,
nachfolgend als Tank bezeichnet, liegt. Dies bedeutet, dass die
zuvor investierte Pumpenergie, die in diesem abzulassenden Teil
des Arbeitsfluid enthalten ist, ungenutzt in den Tank abgegeben
wird. Durch das Differenzdruckregelventil, das die beiden Kammern
des Zylinders miteinander hydraulisch verbindet, kann das Arbeitsfluid
auf hohem Druckniveau von einer Druckkammer in die andere strömen
und es ist ggf. nur die Pumpenergie aufzubringen, die zur Druckerhöhung
in diesem Volumen erforderlich ist. Auf diese Weise wird Energie gespart.
Ferner kann durch die Verwendung des Differenzdruckregelventils
auch ein vereinfachter Aufbau des digitalhydraulischen Druckreglers
in Verbindung mit einem Differentialzylinder erreicht werden.
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Bei
den obigen Ausführungsbeispielen kann die Baugruppe des
Weiteren eine integrierte Pumpe umfassen, um das Arbeitsfluid mit
ausreichend hohem Druck für den digitalhydraulischen Druckregler bereitzustellen.
Die Pumpe kann unmittelbar an dem Hydraulikzylinder angebracht sein.
Ferner kann die Pumpe das Arbeitsfluid mit hohem Druck in einen
mit dem digitalhydraulischen Druckregler hydraulisch verbindbaren
Druckspeicher einspeisen und diesen mit Druck beaufschlagen.
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Bei
den vorstehend gezeigten Ausführungsformen haben die Erfinder
gefunden, dass mit dem Wegfall des permanenten Leckagestroms in
Proportionalsteuerventilen tatsächlich ein so geringer
Bedarf an Arbeitsfluid vorliegt, dass es energetisch ungünstig
ist, eine für den Leckagestrom hinreichend groß ausgelegte
Pumpe wiederholt ein- und auszuschalten. Die Erfinder haben nun
gefunden, dass der Verbrauch an Arbeitsfluid auch aus einem Druckspeicher
gedeckt werden kann, wobei der Druckspeicher mit einer Pumpe von
Zeit zu Zeit aufgeladen wird. Hierzu ist es möglich, jeder
einzelnen Baugruppe einen eigenen Druckspeicher und/oder eine eigene
integrierte Pumpe bzw. mehreren Baugruppen einen gemeinsamen Druckspeicher
und/oder Pumpe zuzuordnen. In dem zweiten Fall kann eine einzelne
Pumpe vorgesehen werden, die die mehreren Druckspeicher auflädt.
Im Fall mehrerer Druckspeicher können diese auch nacheinander
einzeln aufgeladen werden, so dass eine in die jeweilige Baugruppe
vorübergehend integrierbare kleine Pumpe, die für
den entsprechenden Druckspeicher der Baugruppe bemessen ist, ausreicht.
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Durch
die Zuordnung von individuellen Druckspeichern zu den einzelnen
Baugruppen lässt sich eine funktionale und räumliche
Aufgliederung der Druckversorgungsbereiche, d. h. einzelne lokale in
die Baugruppe integrierbare Pumpen werden vorgesehen, die unabhängig
voneinander sind, so dass lange Leitungsstränge entfallen
können.
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Des
Weiteren kann mit einem schnellen Satz von Digitalventilen eines
digitalhydraulischen Druckreglers an einem Druckspeicher der Druck
z. B. in einem Walzenspalt oder Walzennip exakt gesteuert werden,
obwohl der Pegel des Versorgungsdrucks ein wenig schwankt oder nachlässt.
Der Satz Digitalventile ist zusätzlich zu dem Hydraulikzylinder
auch zu dem Druckspeicher zugeordnet, um den Druck und den von dem
Druckspeicher abgegebenen Volumenstrom zu steuern. Wenn der Druckspeicher
erschöpft ist, d. h. die darin gespeicherte Energie abgegeben
wurde, kann der Satz Digitalventile auf den Pumpenbetrieb umschalten.
Dabei wird die Druckregelung unmittelbar mit dem gepumpten Arbeitsfluid ausgeführt
und gleichzeitig wird der Druckspeicher wieder aufgeladen. Dann
schaltet die Pumpe wieder ab und es wird wieder Arbeitsfluid aus
dem Druckspeicher entnommen, wodurch die Energiekosten erheblich
gesenkt werden können.
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Die
Erfindung kann mit zahlreichen Modifikationen und Optionen in die
Praxis umgesetzt werden, von denen einige nachfolgend geschildert
werden. Diese Modifikationen tragen zu einem vereinfachten Aufbau
der Hydraulikzylinderbaugruppe und/oder zur Verminderung des Energieverbrauchs
bei.
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Ein üblicher
digitalhydraulischer Druckregler hat in der Regel eine Reihe oder
Bank parallel geschalteter Ventile für die Zuführung
von Arbeitsfluid zu einer Druckkammer eines Hydraulikzylinders (z. B.
ein einfach-wirkender Plungerzylinder, ein doppelt-wirkender Differentialzylinder,
etc.) und eine Bank parallel geschalteter Ventile zum Ablassen von Arbeitsfluid
aus dieser Druckkammer. In der Regel sind einem Differentialzylinder
mit zwei Druckkammern insgesamt vier Ventilbänke zugeordnet.
Mit einem Umschaltventil (z. B. 4/2-Wege Ventil) kann eine Vereinfachung
des Aufbaus erreicht werden, indem jeweils eine Ventilbank mit jeweils
einer Zylinderdruckkammer verbunden ist, während das Umschaltventil
die beiden Ventilbänke abwechselnd mit dem Tank oder der
Pumpe (bzw. der Druckquelle) verbindet.
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Werden
digitalhydraulische Druckregler zusammen mit Hydraulikzylindern
verwendet, so liegt ein besonderer Vorteil darin, dass diese Regler
keinen Leckagestrom aufweisen. Daher stehen Arbeitsfluidvolumina
und Kolbenstellung in sehr engem Zusammenhang, d. h. misst man das
dem Zylinder zugeführte Arbeitsfluidvolumen, kann man auf
die tatsächliche Kolbenstellung schließen. Bei
dem Betrieb eines solchen Zylinders kann die Kolbenstellung eine wichtige
Größe sein, insbesondere bei der Einstellung von
genauen Abständen bei großen Kräften oder
hinsichtlich einer Synchronisation von Bewegungen.
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Die
herkömmlich verwendete Sensorik für diese Aufgabe
ist an der Außenseite des Zylinders angeordnet und damit
den widrigen Umgebungsbedingungen von beispielsweise Papiermaschinen
ausgesetzt, wo es häufig staubig und/oder feucht ist. Dadurch
ist diese Sensorik störungsanfällig.
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Durch
den engen Zusammenhang zwischen vom Regler abgegebenem Arbeitsfluidvolumen
und der Kolbenstellung kann gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung aus einer Volumenstrommessung im Arbeitsfluidstrom, beispielsweise
mit Zahnraddurchflussmessern, auf die Kolbenstellung geschlossen werden.
Dabei kann der Durchflussmesser an einer Stelle angebracht sein,
die von der Kolbenstange (deren Position erfasst werden soll) entfernt
ist. Zudem kann man solche Durchflussmesser kapseln, da sie nur
etwas erfassen müssen, was in ihrem Inneren erfolgt. Auf
diese Weise ist eine zuverlässige Kolbenstellungserfassung
möglich. Selbst wenn ein Messfehler bei der Erfassung des
Durchflusses auftritt, ist diese Sensorikanordnung, besonders wenn
Hin- und Rückfluss zum bzw. vom Zylinder getrennt erfasst und
ausgewertet werden, hinreichend genau, um Fehlfunktionen zu erkennen.
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Es
ist ferner auch möglich, aus der Arbeitsweise des digitalhydraulischen
Reglers auf das verschobene Arbeitsfluidvolumen zu schließen,
indem man die einzelnen Ströme durch die einzelnen Ventile
eines Reglers unter Berücksichtigung der Öffnungszeiten
aufsummiert. Auf diese Weise kann ggf. sogar jeglicher Durchflussmesser
eingespart werden. Dabei kann man die Erkenntnis nutzen, dass die Öffnungszeiten
der einzelnen Ventile für die Regelung ohnehin berechnet
werden und aus der Berechnung mit den individuellen Durchflussraten
durch die entsprechenden Ventile auf das in der jeweiligen Druckkammer
vorliegende Volumen und somit auf die Kolbenstellung geschlossen
werden kann.
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Zur
raschen Ansteuerung von Strömen von Arbeitsfluiden kann
das Prinzip der Digitalhydraulik auch für Durchflussregler
eingesetzt werden. In der Regel werden für die Regelung
der beachtlichen Volumenströme des Arbeitsfluids große
Ventile mit großen Querschnitten eingesetzt, deren Regelgenauigkeit
begrenzt ist. Beim Stoffauflauf einer Papiermaschine beispielsweise,
ist es erforderlich, die Zusammensetzung der Faserstoffsuspension
genau zu steuern, damit ein Papier mit gleichbleibender Qualität
erzeugt wird. In diesem Fall ist die Verdünnung der Suspension
(Dilution) durch Zugabe von Wasser zu steuern. Diese Zugabe von
Wasser zur Einstellung einer gewünschten Verdünnung
kann mittels digitalhydraulischen Ventilanordnungen sehr präzise und
reaktionsschnell gesteuert werden, indem die Ventile mit den entsprechenden
Durchflussraten, wie eingangs geschildert, geöffnet bzw.
geschlossen werden. Durch die Verwendung mehrere solcher digitalhydraulischer
Durchflussregler mit entsprechenden Querschnitten (die Ventile müssen
noch rasch genug schaltbar sein) können auch großvolumige Stoffströme
gesteuert werden.
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Ein
wichtiges Kriterium für die Qualität (Genauigkeit, Überschwingverhalten,
etc.) der Regelung mittels digitalhydraulischen Reglern ist die
Schaltgeschwindigkeit der einzelnen Ventile, d. h. wie rasch die
Ventile geöffnet bzw. geschlossen werden können.
Für die rasche Bewegung des Ventilkörpers im Ventil
sind aber größere (Beschleunigungs-)Kräfte erforderlich
als zum Halten des Ventils im angesteuerten Zustand. Aus diesem
Grunde können für den Verstellvorgang sogenannte
Booster oder Verstärker eingesetzt werden, die eine Spule
des elektromagnetisch betätigten Ventils kurzzeitig mit
einer Überspannung versorgen, so dass ein stärkeres
Magnetfeld entsteht und der Ventilkörper schneller bewegt
werden kann. Ein Vorteil dieser Technik liegt darin, dass diese
Spulen nur so groß dimensioniert werden müssen,
dass sie diese kurzzeitige Überlastung überstehen
und im Dauerbetrieb eine niedrigere Spannung aushalten.
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Die
zuvor beschriebenen digitalhydraulischen Regleranordnungen werden
in der Regel mit Hydrauliköl als Arbeitsfluid betrieben.
Die Verwendung von Öl ist für die üblichen
Steuerventile zur Schmierung der Steuerkolben grundsätzlich
erforderlich oder zumindest von Vorteil. Nachdem die digitalhydraulischen
Regler nur noch einfache Abschaltventile verwenden, gibt es diese
Schmierungserfordernis nicht mehr oder nicht mehr in dem Maße.
Deshalb kann das Arbeitsfluid auch eine wässrige Emulsion
(z. B. eine Öl/Wasser Emulsion ähnlich der Bohrmilch)
oder sogar einfaches Wasser sein.
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Neben
einer erheblichen Verringerung des Aufwands, der getroffen werden
muss, um die Umwelt vor Verschmutzung durch austretendes Öl
zu schützen, gibt es auch technische Vorteile. Die Viskosität
von Öl ist temperaturabhängig. In digitalhydraulischen
Reglern sind in der Regel feste Drosseln zur Einstellung der Volumenströme
durch die einzelnen Ventile vorgesehen, deren Drosselwirkung eine
deutliche Abhängigkeit von der Viskosität des
Arbeitsfluids zeigt. Bei Wasser oder wässrigen Emulsionen
hat die Temperatur nur einen geringen Einfluss auf die Viskosität,
so dass die Temperaturempfindlichkeit des Hydrauliksystems gering
ist. Damit ist es nicht erforderlich, die Temperatur des Arbeitsfluids
am Einsatzort des digitalhydraulischen Reglers zu berücksichtigen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend hinsichtlich verschiedener Gesichtspunkte
anhand von beispielhaften Ausgestaltungen nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Figuren näher erläutert, in denen Folgendes
gezeigt ist:
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines Abschnitts einer Hydraulikzylinderbaugruppe
mit digitalhydraulischen Druckreglern;
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2 zeigt
einen schematischen Aufbau eines Abschnitts einer Hydraulikzylinderbaugruppe
mit digitalhydraulischen Druckreglern, die durch Differenzdruckregelventile
miteinander hydraulisch verbunden sind;
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3 zeigt
einen Abschnitt einer Hydraulikzylinderbaugruppe mit digitalhydraulischen
Druckreglern, einem Differenzdruckregelventil, einem hydraulischen
Differentialzylinder, einer integrierten Pumpe und einem Tank, und
einen Druckspeicher in einem schematischen Schaltbild;
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4 zeigt
einen Abschnitt einer Hydraulikzylinderbaugruppe mit digitalhydraulischen
Druckreglern, einem Differenzdruckregelventil, einem hydraulischen
Differentialzylinder, einer integrierten Pumpe, einem Tank und einem
Druckspeicher in einem schematischen Schaltbild;
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5 zeigt
einen schematischen Aufbau einer Hydraulikzylinderbaugruppe mit
digitalhydraulischen Druckreglern, deren Ventile in einem Kolben des
Hydraulikzylinders angeordnet sind;
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6 zeigt
einen Abschnitt einer Hydraulikzylinderbaugruppe mit digitalhydraulischen
Druckreglern, einem Differenzdruckregelventil und einem hydraulischen
Differentialzylinder, und einen Druckspeicher in einem schematischen
Schaltbild; und
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7 zeigt
einen Abschnitt einer Hydraulikzylinderbaugruppe mit einem digitalhydraulischen Druckregler,
einem Differenzdruckregelventil, einem hydraulischen Differentialzylinder
und einem Richtungssteuerungsventil, und einen Druckspeicher in einem
schematischen Schaltbild.
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In
der nachfolgenden Beschreibung der Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so dass die
allgemeine Funktionsbeschreibung lediglich anhand einer Fig. vorgenommen
und dann darauf verwiesen wird. Wenn ferner im nachfolgenden Text
von Druckreglern oder Durchflussreglern die Rede ist, so sind diese,
wenn nichts anderes gesagt ist, digitalhydraulische Druckregler
oder Durchflussregler die unter Verwendung des eingangs in der Beschreibung erläuterten
digitalhydraulischen Prinzips arbeiten.
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In
der 1 ist ein Aufbau eines Abschnitts einer Hydraulikzylinderbaugruppe 1 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch
gezeigt.
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Diese
Hydraulikzylinderbaugruppe 1 weist einen Hydraulikzylinder 2 und
vier digitalhydraulische Druckregler 3 auf. Der Hydraulikzylinder 2 ist
ein hydraulischer Differentialzylinder 2 und hat ein Zylindergehäuse 21 und
einen in dem Zylindergehäuse beweglichen Kolben 27.
Das Zylindergehäuse 21 ist durch einen Kopf des
Kolbens 27 in eine zylinderkopfseitige Kammer 22 und
eine zylinderbodenseitige Kammer 23 unterteilt. Des Weiteren
weist das Zylindergehäuse 21 eine zu der zylinderkopfseitigen Kammer 22 korrespondierende
Vorkammer 24 und eine zu der zylinderbodenseitigen Kammer 23 korrespondierende
Vorkammer 25 auf. Diese beiden Vorkammern 24, 25 sind
voneinander durch eine Trennwand 26, die sich von dem Umfang
des Zylindergehäuses 21 radial nach außen
und ringförmig um das Gehäuse 21 herum
erstreckt, hydraulisch getrennt. Die beiden Vorkammern 24, 25 sind
durch eine das Zylindergehäuse 21 fluiddicht umgebende
Zylinderhülle gebildet, wodurch ein zu der zylinderkopfseitigen
Kammer 22 korrespondierender Ringraum (d. h. die zylinderkopfseitige
Vorkammer 24) und ein zu der zylinderbodenseitigen Kammer 23 korrespondierender
Ringraum (d. h. die zylinderbodenseitige Vorkammer 25)
zwischen dem Zylindergehäuse 21 und der Zylinderhülle 29 festgelegt
sind. Diese beiden Ringräume sind durch die zwischen dem
Zylindergehäuse 21 und der Zylinderhülle 29 angeordnete Trennwand 26 voneinander
hydraulisch getrennt. Die Trennwand 26 ist mit dem Zylindergehäuse 21 und der
Zylinderhülle 29 fest verbunden (z. B. verschweißt).
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Eine
Kolbenstange 28 des Kolbens 27 ist in der zylinderkopfseitigen
Kammer 22 angeordnet. Der Kolben 27 ist in üblicher
Weise in dem Zylindergehäuse 21 gleitbar aufgenommen,
um in diesem hin- und herbewegbar zu sein. Die Kolbenstange 28 tritt an
der Zylinderkopfseite durch eine Bohrung in der Zylinderkopfhülle 29 hindurch,
welche das Zylindergehäuse 21 und somit sowohl
die zylinderkopfseitige Kammer 22 als auch die zylinderbodenseitige
Kammer 23 fluiddicht umschließt und abdichtet.
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Jeweils
zwei digitalhydraulische Druckregler 3 sind an einer gemeinsamen
Zufuhrleitung 32 bzw. einer gemeinsamen Auslassleitung 33 angeschlossen
bzw. in dieser integriert angeordnet. Jeder Druckregler 3 weist
in der Zufuhrleitung 32 bzw. Auslassleitung 33 jeweils
fünf in Parallelschaltung angeordnete digitalhydraulische
Ventile 31 (EIN/AUS-Ventile) und Drosselelemente 34 auf,
die unmittelbar an der Zylinderhülle 29 des Hydraulikzylinders 2 befestigt
sind.
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Beispielweise
wird als das Ventil
31 ein übliches Steuerungsventil
der Bauart GSR-RRV
95, welches z. B. in
EP 1 052 441 A2 beschrieben
ist, verwendet. Die Funktionsweise und der Aufbau eines derartigen
Digitalventils sind in dieser Schrift ausführlich beschrieben.
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Die
gemeinsame Zufuhrleitung 32 als auch die gemeinsame Auslassleitung 33 ist
mit einem Arbeitsfluid (beispielsweise Hydrauliköl, Luft,
etc.) befüllt. Durch den Einbau der Drosselelemente 34 an die
digitalhydraulischen Ventile 31 in entsprechenden Leitung 32, 33 ist
dafür gesorgt, dass die Ventile 31 unterschiedliche
Durchflüsse aufweisen, wenn sie geöffnet sind.
Beispielsweise können durch die vorgeschalteten Drosselelemente 34 die
Durchflussraten Q des Arbeitsfluids in den einzelnen, jeweils von den
entsprechend zugehörigen Ventilen 31 wahlweise
freigebbaren Durchlässen im Verhältnis von 1:2:4:8:16
zueinander stehen.
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Die
gemeinsame Zufuhrleitung 32 ist somit über die
parallel geschalteten Ventile 31 und Drosselelemente 34 der
beiden Druckregler 3, die auf der linken Seite in 1 schematisch
dargestellt sind, mit der zylinderkopfseitigen Kammer 22 als
auch mit der zylinderbodenseitigen Kammer 23 hydraulisch
verbunden. Die gemeinsame Auslassleitung 33 ist ebenso über
die parallel geschalteten Ventile 31 und Drosselelemente 34 der
beiden Druckregler 3, die auf der rechten Seite in 1 schematisch
dargestellt sind, mit der zylinderkopfseitigen Kammer 22 als
auch der zylinderbodenseitigen Kammer 23 hydraulisch verbunden.
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Sensoren
(nicht gezeigt) erfassen den Druck und die Temperatur in den beiden
Druckkammern 22 und 34 des Differentialzylinders 2.
Der Druck in der zylinderbodenseitigen (kolbenstangenseitigen) Druckkammer 23 wirkt
auf eine stangenseitige Kolbenringfläche 281,
während der Druck in der zylinderkopfseitigen (kolbenseitigen)
Druckkammer 22 auf die Kolbenfläche 271 drückt.
Die Kolbenfläche 271 umfasst eine Kreisringfläche
des Kolbens 27 und eine Kegelstumpffläche eines
Bremskegels des Kolbens 27 an der Zylinderkopfseite. Weitere
Sensoren (nicht gezeigt) erfassen den Druck Pzu in der Zufuhrleitung 32 und
den Druck Pab in der Auslassleitung 33. Mit den vier Druckreglern 3 können
Füllmenge und Druck in den beiden Druckkammern 22 und 23 eingestellt
werden, damit die Kolbenstange 28 in der gewünschten
Stellung und mit der gewünschten Kraft mit einem daran
angeschlossenen Maschinenelement (nicht gezeigt) zusammenwirkt.
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Der
Druck Pzu in der Zufuhrleitung 32, von dem ausgehend der
Zylinder 2 zu steuern ist, wird mittels des Drucksensors
gemessen und davon ausgehend wird der Solldruck in den Druckkammern 22 und 23 durch
entsprechende Regelung der Durchflüsse in den Ventilen 31 der
Druckregler 3 eingestellt, um die Kolbenstange 28 innerhalb
des Zylindergehäuses 21 gleitbar zu verschieben
und in eine gewünschte Sollposition zu bringen. D. h.,
durch entsprechendes Zu- und Abschalten der Ventile 31,
die an der Zylinderhülle 29 angebracht sind, kann
somit ein Zu- und Abfluss des Arbeitsfluids zu und von den jeweiligen
Kammern des Hydraulikzylinders 2 gesteuert werden, um dadurch
den Druck des Arbeitsfluids in zumindest einer von der zylinderkopfseitigen Kammer 22 und
der zylinderbodenseitigen Kammer 23 einzustellen, wodurch
die Position des Kolbens 27 innerhalb des Zylindergehäuses 21 entsprechend verstellt
wird.
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In
der 2 ist ein schematischer Aufbau eines Abschnitts
einer Hydraulikzylinderbaugruppe 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
schematisch gezeigt.
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Der
Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen
dem Aufbau der Hydraulikzylinderbaugruppe 1, wie in der 1 gezeigt
ist. Jedoch umfasst diese Hydraulikzylinderbaugruppe 1 zusätzlich
zwei Differenzdruckregelventile 35, von denen jeweils eines
eine direkte hydraulische Verbindung zwischen der zylinderkopfseitigen
Vorkammer 24 und der zylinderbodenseitigen Vorkammer 25 an der
Zufuhrleitungsseite bzw. der Auslassleitungsseite bereitstellt.
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Jedes
Differenzdruckregelventil 35 ist an der Zylinderhülle 29 im
Bereich der Trennwand 26, also im Bereich zwischen der
zylinderkopfseitigen Vorkammer 24 und der zylinderbodenseitigen
Vorkammer 25 an der Zylinderhülle 29 angeordnet,
und somit innerhalb der Baugruppe 1 integriert.
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Durch
das jeweilige Differenzdruckregelventil 35, das die beiden
Kammern 22, 23 des Zylinders 2 miteinander
hydraulisch verbindet, kann das Arbeitsfluid auf hohem Druckniveau
von einer Druckkammer in die andere strömen und es ist
somit nur erforderlich, eine solche Pumpenergie bereitzustellen,
die zur weiteren Druckerhöhung in der jeweiligen Kammer
erforderlich ist, um die Stellung der Kolbenstange 27 zu
verändern. D. h., das Differenzdruckregelventil 35 regelt
einen Durchfluss von Arbeitsfluid zwischen der zylinderkopfseitigen
Kammer 22 und der zylinderbodenseitigen Kammer 23.
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Bevorzugt
wird das Differenzdruckregelventil 35 während
einer raschen Positionsverstellung des Kolbens 27 und der
Kolbenstange 28 angesteuert (d. h. geöffnet),
um einen Volumenstrom von der einen Druckkammer in die andere zu
ermöglichen, ohne dass eine zusätzliche Volumenstromregelung
der an der Zylinderhülle 29 angebrachten Ventile 31 in
erhöhtem Maße verwendet werden muss. Die Funktion dieses
Differenzdruckregelventils 35, das eine hydraulische Verbindung
zwischen den beiden Kammern 22 und 23 wahlweise
zulässt, ist nachstehend unter Bezugnahme auf 3 nochmals
erläutert.
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3 zeigt
einen Abschnitt einer Hydraulikzylinderbaugruppe 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel mit digitalhydraulischen Druckreglern 3,
einem Differenzdruckregelventil 35, einem hydraulischen
Differentialzylinder 2, einer integrierten Hydraulikpumpe 4 und
einem Tank 6, und einem Druckspeicher 5 in einem
schematischen Schaltbild.
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Ein
Versorgungsabschnitt mit dem Druckspeicher 5, der Hydraulikpumpe 4 und
dem Tank 6 versorgt die vier Druckregler 3 zum
Betrieb des Differentialzylinders 2. Sensoren erfassen
den Druck in den beiden Druckkammern 22 und 23 des
Differentialzylinders 2, die durch den Kolben 27 mit
der Kolbenstange 28 getrennt sind. Mit den Druckreglern 3 können
Füllmenge und Druck in den beiden Druckkammern 22 und 23 eingestellt
werden, damit die Kolbenstange 28 in der gewünschten
Stellung und mit der gewünschten Kraft mit einem daran
angeschlossenen Maschinenelement (nicht gezeigt) zusammenwirkt.
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Der
Druck in dem Druckversorgungsabschnitt, von dem ausgehend der Zylinder 2 zu
steuern ist, wird mittels eines Drucksensors 41 gemessen und
davon ausgehend wird der Solldruck in den Druckkammern 22 und 23 eingestellt.
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In
der 3 weist im Unterschied zu dem Aufbau der Hydraulikbraugruppe 1 von 1 jeder der
vier digitalhydraulischen Druckregler 3 sechs statt fünf
Digitalventile 31 auf. Die zu den digitalhydraulischen
Ventilen 31 zugehörigen Drosselelemente 34 weisen
unterschiedliche Drosselöffnungen auf, d. h. die Drosseldurchmesser
stehen im Verhältnis 0,3:0,4:0,6:0,8:1,1:1,5 mm zueinander.
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Des
Weiteren ist die Hydraulikpumpe 4, die durch einen Elektromotor
antreibbar ist, als eine in die Baugruppe 1 integrierte
Pumpe und der Tank (Öltank bzw. Arbeitsfluidtank) 6 innerhalb
der Baugruppe 1 angebracht (integriert), die durch die
strichpunktierte Linie in 3 dargestellt
ist. Die Pumpe 4 dient dazu, das Arbeitsfluid mit ausreichend
hohem Druck für die digitalhydraulischen Druckregler 3 bereitzustellen
bzw. den Druck in einem Druckspeicher 5 aufrechtzuerhalten,
der nicht in die Baugruppe 1 integriert ist. Da die Pumpe
mit dem Druckspeicher 5 hydraulisch verbunden ist, ist
ein Betrieb der Pumpe 5 nur erforderlich, um den Druck
in dem Druckspeicher 5 wieder auf ein bestimmtes Druckniveau
zu heben. Somit kann die meiste Zeit ein Druck für die
digitalhydraulischen Druckregler 3 aus dem Druckspeicher 5 bereitgestellt
werden, ohne dass die Pumpe 4 durch den Elektromotor betrieben
wird.
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Somit
sind die Druckregler 3, die Pumpe 4 mit ihrem
Elektromotorantrieb und der Tank 6 als ein separater Block
an dem Zylindergehäuse 21 angeordnet, und die
Druckregler sind über Hydraulikleitungen 34 direkt
mit der zylinderkopfseitigen Kammer 22 bzw. der zylinderbodenseitige
Kammer 23 hydraulische verbunden. Vorkammern sind in diesem
Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen.
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Durch
ein entsprechend nahes Anordnen der Druckregler 3, der
Pumpe 4 und des Tanks 6 an dem Zylinder 2 sind
keine langen Hydraulikleitungen erforderlich.
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Ferner
ist zwischen den beiden Kammern 22, 23 in dem
Hydraulikkreis der Hydraulikzylinderbaugruppe 1 eine Verbindungsleitung
mit dem Differenzdruckregelventil 35 angeschlossen, das
im geschlossenen Zustand die Druckkammern 22, 23 voneinander
trennt. Wenn das Differenzdruckregelventil 35 öffnet,
sind die beiden Druckkammern miteinander verbunden oder kurzgeschlossen.
In der Regel liegt an der Kolbenstange 28 eine Last oder
Kraft an, die bestrebt ist, die Kolbenstange 28 in den
Zylinder 2 hineinzudrücken. Soll nun die Kolbenstange 28 der Last
folgend in den Zylinder 2 eingezogen werden, wie dies beispielsweise
beim Öffnen eines Walzenspalts auftritt, so wird das Differenzdruckregelventil 35 geöffnet
und die Digitalventile 31 der zu der zylinderbodenseitigen
Kammer 23 korrespondierenden Druckregler 3 bleiben
geschlossen. Das Arbeitsfluid strömt also zum Teil in die
zylinderkopfseitige Kammer 22 und teilweise in den Tank 6.
Der Abfluss in den Tank wird von zu den zylinderkopfseitigen Kammer 22 korrespondierenden
Druckreglern 3 gesteuert und damit wird die Absenkgeschwindigkeit
der Kolbenstange 27 kontrolliert.
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Weil
das Arbeitsfluid im Kurzschluss geführt wird, um die zylinderbodenseitige
Druckkammer 23 zu füllen, muss diese Arbeitsfluidmenge
nicht aus dem Druckversorgungsabschnitt entnommen werden. Das Arbeitsfluid
muss also nicht zunächst von der Pumpe 4 gefördert
und auf hohen Druck gebracht werden, um dann mit heruntergeregeltem
Druck in die Druckkammer 23 eingespeist zu werden. Insgesamt
ist das von der Pumpe 4 zu bewegende Volumen reduziert,
wodurch Energie eingespart wird.
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Weil
ferner die zu der zylinderbodenseitigen Kammer 23 korrespondierenden
Druckregler 3 ausgeschaltet bleiben, entfällt
hier der Rechnungs- und Steuerungsaufwand. Dies halbiert den Berechnungsaufwand
und die Rechenleistung für die Regler 3 und spart
zudem die Antriebsenergie für die Betätigung deren
Ventile 31 ein.
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Üblicherweise
wird, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, die
Pumpe 4 durch einen Elektromotor angetrieben. Da in diesem
Ausführungsbeispiel die Pumpe 4 die meiste Zeit
nicht gebraucht wird, um einen Druck in den digitalhydraulischen
Druckregler 3 bereitzustellen, kann diese oft ausgeschaltet
bleiben, wodurch der Energieverbrauch zum Betreiben der Pumpe 4 (ein
Betrieb des Elektromotors) beträchtlich gesenkt werden
kann. Durch diese Anordnung ist eine Energiesparung von mehr als
99% im Vergleich zu Regelventilen möglich, welche ein Hydraulikstellglied
mit einem verschiebbaren Steuerschieber oder Steuerkolben analog
hydraulisch verstellen.
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Gemäß diesem
Beispiel kann daher die Hydraulikzylinderbaugruppe 1 zur
Steuerung eines Spalts eines Papiermaschinenkalanders verwendet werden.
Der Spalt wird geschlossen, wenn der Kolben 27 des Zylinders 2 in
Richtung der zylinderkopfseitigen Kammer 22 gedrängt
wird. Wenn der Kolben 3 an seiner untersten Position in
der zylinderbodenseitigen Kammer 23 angeordnet ist, ist
der Walzenspalt vollständig geöffnet und in der
höchstgelegenen Position in der zylinderkopfseitigen Kammer 22 ist der
Walzenspalt vollständig geschlossen. Zum Öffnen
des Walzenspalts ist keine Energiebeaufschlagung erforderlich, da
durch entsprechende Regelung der Digital- und Differenzdruckregelventile 35 ein
Teil des Öls in der zylinderbodenseitigen Kammer 23 zu der
zylinderkopfseitigen Kammer 22 des Hydraulikzylinders 2 über
die Differenzdruckregelventile 35 geführt wird
bzw. ein Teil zurück zu dem Tank 4 geführt wird.
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Bei
dieser Druckregelung in den Kammern 22, 23 der
Hydraulikzylinderbaugruppe 1 ist eine geringe Menge an Öl
erforderlich, wodurch es möglich ist, dass eine Ölströmung
nur während der Schließbewegung des Walzenspalts
erforderlich ist, d. h. es ist nur während des Schließens
des Walzenspalts erforderlich, dass von dem Druckspeicher 5 bzw.
durch einen Betrieb der Pumpe 4 Öl in den Ölkreis
der Hydraulikzylinderbaugruppe 1 eingespeist wird.
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4 zeigt
im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel
in 2 der Hydraulikzylinderbaugruppe 1, bei
der die digitalhydraulischen Druckregler 3 und die Differenzdruckregelventile 35 unmittelbar
an dem Zylinderhülle 29 angebracht sind. Des Weiteren
umfasst in diesem Ausführungsbeispiel die Hydraulikzylinderbaugruppe 1 auch die
Pumpe 4, den Tank 6 sowie den Druckspeicher 5. D.
h. die Pumpe 4, der Tank 6 und der Druckspeicher 5 sind
in die Baugruppe 1 integriert, die durch die äußeren
strichpunktierten Linien schematische dargestellt ist. Somit können
in diesem Ausführungsbeispiel die Hydraulikleitungen zwischen
den einzelnen Bauteilen der Baugruppe 1 weiter verkürzt
werden.
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In 5 ist
ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
der Hydraulikzylinderbaugruppe 1 mit digitalhydraulischen
Druckreglern 3 schematisch gezeigt, deren Ventile 31, 35 und
Drosselelemente 34 in dem Kolben 27 des Hydraulikzylinders 2 angeordnet
sind. Die Funktionsweise dieser Hydraulikzylinderbaugruppe 1 ist
gleich wie die, die vorstehend bei den Ausführungsbeispielen
von 1 bis 4 beschrieben ist.
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Im
Gegensatz zu dem konstruktiven Aufbau der Hydraulikzylinderbaugruppe 1 der
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von 1 bis 4 ist
bei dieser Hydraulikzylinderbaugruppe der Kolben 27 ein
hin- und herbewegbarer doppeltwirkender, hohler Kolben mit einer
hohlen Kolbenstange vorgesehen. Im Kopf dieses hohlen Kolbens 27 sind die
Ventile 31 und Drosselelemente 34, die vorstehend
ausführlich beschrieben sind, angeordnet. Die hydraulische
und die elektrische Leitungsführung der digitalhydraulischen
Druckregler 3 sind durch die hohle Kolbenstange 28 hindurch
zu den jeweiligen parallel geschalteten Ventilen 31 des
digitalhydraulischen Druckreglers 3 geführt. In
diesem Ausführungsbeispiel sind die Volumina der zylinderkopfseitigen
Kammer 22 und der zylinderbodenseitigen Kammer 23 im
Wesentlichen gleich groß.
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Bei
dieser Bauform des Kolbens 27 ist ferner sichergestellt,
dass die Ventile 31 der hydraulischen Druckregler 3 derart
in dem Kolben eingebaut sind, dass deren Auslässe A, B
direkt zu der zylinderkopfseitigen Kammer 22 und der zylinderbodenseitigen Kammer 23 des
Hydraulikzylinders 2 zugeordnet sind, so dass die Kolbenstange 28 letztlich
eine Stellung einnimmt, die im Wesentlichen von der durch die Druckregler 3 eingestellten
Differenz der Drücke in der zylinderkopfseitigen Kammer 22 und
der zylinderbodenseitigen Kammer 23 des Hydraulikzylinders 2 abhängt.
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Ferner
ist, wie bereits in dem Ausführungsbeispiel von 4 gezeigt
ist, der Druckspeicher 5 sowie die Pumpe 4, die durch
einen Elektromotor angetrieben wird, und der Öltank 6 mit
den jeweiligen parallel geschalteten Ventilen 31 und Drosselelementen 34 hydraulisch
verbunden. Für die Ventile 31 kann hier beispielsweise
ein Hydraulikdigitalventil bereitgestellt sein (z. B. ein Ventil
von Matrix der 750-Serie).
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Bei
diesem Aufbau der Hydraulikzylinderbaugruppe 1 kann durch
die Anordnung der Druckregler 3 in dem Kolben 27 ebenfalls
auf die Zylinderhülle und somit auf die Vorkammern bei
der Gestaltung des Zylindergehäuses 21 verzichtet
werden.
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Diese
Art der Hydraulikzylinderbaugruppe 1 gemäß dem
Ausführungsbeispiel von 5 wird beispielsweise
bei Stellzylindern in Mehrwalzenkalandern verwendet.
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Weitere
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den 6 und 7 gezeigt. 6 zeigt
einen Abschnitt einer Hydraulikzylinderbaugruppe mit digitalhydraulischen
Druckreglern, einem Differenzdruckregelventil und einem hydraulischen
Differentialzylinder, und einen Druckspeicher in einem schematischen
Schaltbild. 7 zeigt einen Abschnitt einer
Hydraulikzylinderbaugruppe mit digitalhydraulischen Druckreglern,
einem Differenzdruckregelventil, einem hydraulischen Differentialzylinder
und einem Richtungssteuerungsventil, und einen Druckspeicher in
einem schematischen Schaltbild.
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Bei
diesen beiden Ausführungsbeispielen gemäß 6 und 7 ist
ebenfalls das Differenzdruckregelventil 35 zwischen der
zylinderkopfseitigen Kammer 22 und der zylinderbodenseitigen
Kammer 23 angeordnet, um eine hydraulische Verbindung zwischen
diesen beiden Kammern bereitzustellen, insbesondere während
der Kolben 27 eine rasche Bewegung ausführen soll.
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Gemäß der
Darstellung von 6 besteht die Hydraulikzylinderbaugruppe 1 (siehe
strichpunktierte Linie) aus zwei digitalhydraulischen Druckreglern 3,
dem Differenzdruckregelventil 35, zwei zu den digitalhydraulischen
Druckreglern 3 zugehörigen Digitalventilen 36 und
dem hydraulischen Differentialzylinder 2. Der Druckspeicher 5 ist
mit der Baugruppe 1 hydraulisch verbunden.
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Mit
den beiden Druckreglern 3 in 6 werden
die Drücke und Füllvolumina der Druckkammern 22, 23 des
Differentialzylinders 2 geregelt; dies wurde zuvor mit
einem anderen Regleraufbau ausführlich erläutert,
so dass eine Wiederholung hier unterbleibt.
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Die
beiden Druckregler 3 haben jeweils fünf Digitalventile 31,
die innerhalb des jeweiligen Reglers parallel geschaltet sind; die
Regler 3 können den gleichen Aufbau haben, wie
in den zuvor ausführlich erläuterten Druckreglern
der vorangegangenen Ausführungsbeispiele.
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Die
Druckregler 3 haben einen Aufbau wie die unter Bezugnahme
auf 2, 3 und 4 beschriebenen
Druckregler 3. Der in der Figur oben angeordnete Druckregler 3 ist
mit einem Tank (nicht gezeigt) verbunden, während der untere
Druckregler 3 mit dem Druckspeicher 5 verbunden
ist. Der somit mit Druck beaufschlagte, untere Regler 3 kann
Arbeitsfluid in die angeschlossene Druckkammer 22 des Zylinders 3 liefern,
während Arbeitsfluid aus der anderen Druckkammer 21 über
den oberen Regler 3 in den Tank abfließen kann.
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Wenn
z. B. das Differenzdruckregelventil 35 geschlossen ist,
kann der Druck der zylinderbodenseitigen Kammer 23 zum
Erzeugen von größeren Kräften eingestellt
werden. Somit wird dann der in der zylinderkopfseitigen Kammer 22 wirkende
Druck zu dem Tank über ein Abgabeventil abgegeben (nicht gezeigt).
Durch die hydraulische Kopplung der beiden Kammern mittels des Differenzdruckregelventils 35 wird,
wenn der Kolben 27 in Richtung der zylinderbodenseitigen
Kammer 23 gedrängt wird, das Arbeitsfluid über
das Differenzdruckregelventil 35 direkt zu der zylinderkopfseitigen
Kammer 22 zugeführt, wodurch ein Volumenstrom
des Arbeitsfluids durch die Digitalventile 31 und die Drosselelement 34 in den
Druckreglern 3 zu dem Tank (nicht gezeigt) äußerst
gering ist.
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Wie
in 7 gezeigt ist, kann durch die zusätzliche
Verwendung eines Richtungssteuerungsventils 37 (d. h. 4/2-Wege
Ventil) stromaufwärtig der Gruppe von Digitalventilen 31 die
Anzahl der digitalhydraulischen Druckregler 3 auf einen
verringert werden, wodurch sich auch die Gesamtanzahl von Digitalventilen 31, 35, 36 auf
neun verringert. Das Richtungssteuerungsventil 37 kann
den Durchfluss von Öl derart steuern, dass abwechselnd
die Kammern 22, 23 mit Druck beaufschlagt werden
können.
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Bei
beiden Ausführungsbeispielen der Hydraulikzylinderbaugruppe
in 6 und 7 nimmt während der
Bewegung des Kolbens 27 das Volumen der einen Druckkammer
ab, während das Volumen der anderen Druckkammer zunimmt;
es gibt dabei keine Betriebszustände in denen beide Druckkammern
gleichzeitig mit Druck beaufschlagt werden oder beide gleichzeitig
abgelassen werden.
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Mit
dieser Anordnung von Druckregler kann die erforderliche Anzahl von
Digitalventilen im Vergleich zu der Anordnung der Druckregler in
den Ausführungsbeispielen von 1 bis 5 halbiert (6)
bzw. noch weiter verringert (7) werden. Damit
können die Investitionskosten für die Maschine zur
Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere eine Papier- oder
Kartonmaschine, weiter gesenkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1052441
A2 [0005, 0052]