DE19617950A1 - Kolbenspeicher mit Gasvorspannung - Google Patents

Description

Kolbenspeicher gehören zu der Familie der Hydrospeicher, wozu auch Blasenspei­ cher und Membranspeicher gehören. Eine der Hauptaufgaben von Hydrospeichern ist, bestimmte Volumen einer unter Druck stehenden Flüssigkeit einer Hydroanlage aufzunehmen und diese bei Bedarf wieder an die Anlage zurückzugeben. Die bekannten Kolbenspeicher bestehen aus einem Flüssigkeits- und einem Gasteil mit einem Kolben als gasdichtem Trennelement, wobei die Gasseite mit Stickstoff befüllt ist. Die Flüssigkeitsseite des Kolbenspeichers steht mit dem Hydrokreislauf in Verbindung, so daß bei einem Anstieg des Druckes der Kolbenspeicher vermehrt Flüssigkeit aufnimmt und das Gas auf seiner Gasseite komprimiert wird. Bei sinken­ dem Druck dehnt sich das verdichtete Gas aus und verdrängt dabei die gespei­ cherte Druckflüssigkeit in den Kreislauf. Kolbenspeicher können dabei grundsätz­ lich in jeder Lage arbeiten, wobei eine senkrechte Anordnung mit der Gasseite nach oben bevorzugt ist, damit ein Absetzen von Verschmutzungen aus der Flüssig­ keit auf den Kolbendichtungen vermieden ist. Im Gegensatz zu den Membran- und Blasenspeichern weist der Kolbenspeicher kein flexibles Trennelement in Form einer Kautschukmembran oder Kautschukspeicherblase auf, sondern vielmehr einen starren Kolben, der kaum einem Verschleiß unterliegt und mithin auch über sehr lange Zeiträume versagensfrei arbeitet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, einen Kolbenspeicher zu schaffen mit erweiterten Anwendungsmöglichkeiten. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Kolbenspeicher mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Kolbenspeicher sind in einem Gehäuse mindestens zwei längsverfahrbare Kolben an geordnet, die jeweils mit einem benachbart gegen­ überliegenden Kolben über ein Kopplungsteil miteinander verbunden sind, das längsverfahrbar in einer Trennwand des Gehäuses geführt ist, die mit den beiden benachbart gegenüberliegenden Kolben zwei Fluidräume begrenzt, wobei minde­ stens einer der Kolben neben einem Fluidraum auf der gegenüberliegenden Seite einen Vorspannraum mit einem vorgebbaren Gasinnendruck zumindest teilweise begrenzt. Die derart miteinander zwangsgekoppelten Kolben erlauben bei einer Verfahrrichtung mit dabei kleiner werdendem Vorspannraum eine Erhöhung des Gasinnendruckes, der im Sinne des Entspannens abnimmt, sobald die Kolben sich in der anderen Verfahrrichtung mit einer Vergrößerung des Volumens des Vor­ spannraumes bewegen. Die im Vorspannraum eingeschlossene Gasmenge bildet also eine Art Kraftspeicher vergleichbar einer mechanischen Feder aus und die durch die Verfahrbewegung in den Speicher eingebrachte Bewegungsenergie läßt sich wieder abrufen.

Die bevorzugte Anwendung des Kolbenspeichers ist dabei sein Einsatz in Vorrich­ tungen zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften. Dahingehende Energieeinspar- und/oder Rückgewinnungsvorrichtungen sind unter Verwendung von hydropneumatischen Speichern als Energiereservoir bereits aus der PCT/WO 93/11363 sowie aus der DE 44 38 899 C1 bekannt. Bei der bekann­ ten Energierückgewinnungsvorrichtung nach der PCT-Schrift ist der Kolbenraum eines hydraulisch betätigbaren Arbeitszylinders mit dem Hydrospeicher über ein sog. Cartridge-Ventil verbunden, das mit einem Steuerungsverteiler zusammenwirkt, der als Teil einer Steuerungseinrichtung an ein Druckrelais angeschlossen ist. Diese Steuerungseinrichtung ist wiederum mit ihrem Steuereingang an einen Niederdruck­ zweig des Hydraulikkreises angeschlossen, der mit den bewegbaren Teilen der Arbeitsmaschine in Form der Arbeitsgerätschaft zusammenwirkt. Beim Senken der Arbeitsgerätschaft wird die kolbenseitige Fluidmenge des Arbeitszylinders unter Einbeziehen der jeweiligen abgegebenen Lageenergie, also unter Druck, an den Hydrospeicher abgegeben und kann von dort genau quantifizierbar für den später folgenden Hebevorgang der Arbeitsgerätschaft wieder abgerufen werden, was zu einer Rückgewinnung von in den Hydrospeicher eingebrachter Energie führt. Mit dieser bekannten Vorrichtung ergibt sich ein gutes Energierückgewinnungsverhal­ ten, sofern man drei und mehr Arbeitszylinder als hydraulische Arbeitsgerätschaften einsetzt, was jedoch insbesondere bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsmaschinen, wie Baggern od. dgl., aus Praktikabilitätsgründen häufig ausscheidet. Auch neigen die Cartridge-Ventile beim Halten der Arbeitsgerätschaft nach einem Senkvorgang unter Last zum Flattern, was zu einem ungewollten Wippen der Arbeitsgerätschaft meist in Form eines Bagger- oder Kranauslegers führt.

Gemäß der Lehre der DE 44 38 899 C1 ist zwar bereits vorgeschlagen worden, auf dahingehende Cartridge-Ventile zu verzichten, indem man hydraulisch entsperrbare Rückschlagventile in einer Verbindungsleitung anordnet, die zwischen dem Hydro­ speicher und der jeweils zu betätigenden hydraulischen Arbeitsgerätschaft verläuft, was zudem auch kostengünstig und funktionssicherer ist; es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß bei hydraulisch betätigbaren Arbeitszylindern diese bei Abgabe der rückgewonnenen Energie mit der zugeordneten Fluidmenge unterschiedlich stark beaufschlagt werden, was zu Hemmungen im Bewegungsablauf führen kann.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers bei dahingehenden Energierückgewinnungsvorrichtungen sind die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden, wobei es sich gezeigt hat, daß es energiemäßig im Sinne einer Einspa­ rung günstig ist, eine mittlere Kolben- oder Auslegerstellung der hydraulisch be­ tätigbaren Arbeitsgerätschaft einem hohen Gasinnendruck im Vorspannraum zu­ zuordnen, der sich aus dieser Mittellage unter Energieabgabe entspannt, sofern der Ausleger gegebenenfalls unter Last zu heben ist. Dabei braucht die Energieeinspa­ rungsvorrichtung nicht auf Arbeitsmaschinen beschränkt zu sein, sondern kann gegebenenfalls auch in hydraulischen Bremsanlagen oder in Fahrstühlen Verwen­ dung finden. Im letztgenannten Fall ist es günstig, zum Erzielen einer geringen Federkonstante ein großes Volumen für den Vorspannraum vorzusehen. Um dies zu erreichen, kann vorgesehen sein, den Vorspannraum an eine weitere Gasversor­ gungseinrichtung, insbesondere in Form eines Stickstoffspeichers, als Puffer anzu­ schließen.

Im folgenden wird eine Ausführungsform sowie eine Einsatzmöglichkeit des Kol­ benspeichers anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kolbenspeicher;

Fig. 2 in einer prinzipiellen Schaltdarstellung den Einsatz des Kol­ benspeichers bei einer Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften.

Der Kolbenspeicher gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 weist ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Gehäuse auf. Das Gehäuse 10 ist in der Form eines Zylinderrohres ausgebildet, kann aber auch andere Querschnittsformen (quadratisch, elliptisch) ausbilden. In dem Gehäuse 10 sind zwei längsverfahrbare Kolben 12, 14 angeord­ net, die über ein Kopplungsteil in Form einer Kopplungsstange 16 miteinander verbunden sind. Die Kopplungsstange 16 ist längsverfahrbar in einer Trennwand 18 des Gehäuses 10 geführt, die mit den beiden benachbart gegenüberliegenden Kolben 12, 14 zwei Fluidräume 20, 22 begrenzt. Zur Abdichtung der beiden Fluid­ räume 20, 22 voneinander weist die umlaufende Trennwand 18 eine Runddichtung 24 auf. Das Gehäuse 10 ist endseitig von zwei Abschlußwänden 26, 28 begrenzt, die die Verschlußdeckel bilden. Zwischen der in Blickrichtung auf die Fig. 1 gese­ hen linken Abschlußwand 26 und dem benachbart gegenüberliegenden Kolben 12 befindet sich von diesen Teilen begrenzt ein Vorspannraum 30, dem ein vorgebba­ rer Gasinnendruck zugewiesen ist.

Der jeweilige Fluidraum 20, 22 erweitert sich im Durchmesser von der Trennwand 18 zum jeweils zugeordneten Kolben 12, 14 um eine Stufe, wobei die Kopplung zwischen den Kolben 12 und 14 derart ausgelegt ist, daß bei einem Fluidraum 20 mit kleinem Volumen der jeweils andere Fluidraum 22 um den Betrag des verrin­ gerten Volumens entsprechend vergrößert ist. Die Kopplungsstange 16 ist hohl ausgebildet und endseitig über Schrauben 32 und unter Eingriff mit den Kolben 12, 14 fest verbunden. Die Kolben 12, 14 weisen in bekannter Ausbildung außen­ umfangsseitig entsprechende Gleitdichtungen auf.

Die Trennwand 18 ist Teil eines rohrförmigen Mittenstutzens 34, an den beidseitig sich die Gehäuserohre 36 des Gehäuses 10 anschließen, die der Längsführung der Kolben 12, 14 dienen. In radialer Querrichtung zur Längsachse 38 des Kolbenspei­ chers und diametral einander gegenüberliegend sowie von der Trennwand 18 begrenzt verlaufen im Mittenstutzen 34 zwei Anschlußstellen 40 und 42, die in den jeweils zugeordneten Fluidraum 20 bzw. 22 münden. Der im Querschnitt und in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen in Richtung der Längsachse 38 H-förmige Mittenstutzen 34 ist an seinen beiden Enden jeweils über einen Dichtring 44 in den beiden Gehäuserohren 36 und die Fluidräume 20, 22 von der Umgebung abdichtend geführt. Ebenso weisen die beiden Abschlußwände 26, 28 außen­ umfangsseitig jeweils einen Dichtring 46 auf. Ferner sind die Enden der Kolben­ stange 16 über Dichtringe 48 dichtend in den zugeordneten Kolben 12 und 14 geführt.

Zum Festlegen der Abschlußenden 26 und 28 dienen Abschlußhülsen 50, die jeweils in die freien Enden der beiden Gehäuserohre 36 eingeschraubt die ange­ sprochenen Abschlußwände 26, 28 in ihrer in der Fig. 1 gezeigten Lage festhalten. Die jeweilige Anschlußstelle 40, 42 mündet jeweils in einen zylindrischen Quer­ kanal 52, der von der Kopplungsstange 16 in jeder Verfahrlage der Kolben 12, 14 durchgriffen ist und parallel zur Längsachse 38 des Kolbenspeichers verläuft. Zur Aufnahme der Schrauben 32 sowie zur Vergrößerung des Vorspannraumes 30 und eines gegenüberliegenden Umgebungsraumes 54 weisen die beiden Kolben 12 bzw. 14 eine Mittenausnehmung 56 auf.

Die feststehende Abschlußwand 26 des Gehäuses 10, die den Vorspannraum 30 nach außen hin begrenzt, weist eine Anschlußstelle 58 auf, die in der Darstellung nach der Fig. 1 von einem Verschlußstopfen 60 dichtend verschlossen ist. Nach Entfernen des Verschlußstopfens 60 kann über die Anschlußstelle 58 der Vorspann­ raum 30 an eine Gasversorgungseinrichtung 62 (vgl. Fig. 2) insbesondere in Form eines Stickstoffspeichers angeschlossen werden. Der bereits angesprochene Umge­ bungsraum 54, der von der anderen Abschlußwand 28 sowie von dem Kolben 14 begrenzt ist, mündet über eine Durchtrittsstelle 64 in die Umgebung, so daß der Umgebungsraum 54 den Atmosphärendruck aufweist. Des weiteren begrenzt das Gehäuse 10 mit seinen beiden Gehäuserohren 36 die Fluidräume 20, 22 außen­ umfangsseitig. Der Vorspannraum 30 wird mit einem Arbeitsgas beispielsweise in Form von Stickstoff befüllt und bekommt einen Gasinnendruck zugewiesen. Zur Befüllung des Vorspannraumes 30 kann der Verschlußstopfen 60 mit einer Ventileinrichtung 66 versehen sein, die den Gasdurchlaß in Richtung des Vorspannraumes 30 erlaubt, im Sinne eines Rückschlagventils den Austritt aber versperrt. Das im Vorspannraum 30 befindliche Gas mit vorgebbarem Gasinnendruck bildet mithin eine Art Gas- oder Druckpolster aus, mit, sofern man ein mechanisches Vergleichsmodell her­ anzieht, vorgegebener Federkonstante. Das angesprochene Druckpolster bildet also im Sinne des mechanischen Vergleichsmodells eine Art Druckfeder aus. Nehmen die beiden Kolben 12, 14 in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen ihre äußerst rechte Verfahrstellung ein, stößt der Kolben 12 an das zugewandte stirnseitige Ende des Mittenstutzens 34 an und der Kolben 14 kommt in Anlage mit der Abschlußwand 28. Da der Umgebungsraum 54 an die Umgebung angeschlossen ist, wird die dahingehende Verfahrbewegung innerhalb des Gehäuses 10 durch keinen Druck­ aufbau im Umgebungsraum 54 behindert. In der dahingehenden Endstellung nimmt dann der Vorspannraum 30 sein größtes Volumen ein sowie der Fluidraum 22. Der Gasinnendruck im Vorspannraum 30 ist durch die Volumenvergrößerung des Vorspannraumes 30 dann verringert, was beim mechanischen Modell dem Entspan­ nen der Druckfeder gleichkommt.

In umgekehrter Bewegungsrichtung verringert sich dann das Volumen des Vor­ spannraumes 30 sowie des Fluidraumes 22 und der Fluidraum 20 nimmt sein maximal mögliches Volumen ein. Das im Vorspannraum 30 befindliche Gas ist dann entsprechend komprimiert und vorgespannt, was dem Spannen einer mecha­ nischen Feder gleichkommt. Die derart eingespeicherte Gas- oder Federenergie läßt sich dann abrufen, um, was noch näher erläutert werden wird, eine hydraulische Arbeitsgerätschaft od. dgl. unterstützend zu betätigen. Neben der gezeigten Zweikol­ benanordnung können gegebenenfalls für andere Steuerungsvorgänge noch mehr Kolben (nicht dargestellt) eingesetzt werden, was gegebenenfalls die Anzahl der Fluidräume sowie der Vorspannräume erhöht. Auch können mehrere Kolbenspei­ cher gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 in Reihe hintereinander oder parallel miteinander verschaltet werden.

Die Fig. 2 zeigt die Verwendung des Kolbenspeichers bei einer Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften in Form zweier Hydraulikarbeitszylinder 68, 70. Die beiden Hydraulikzylinder 68, 70 sind über ihre jeweiligen Kolbenstangen 72 gleichwirkend mit einem Ausleger 74 verbunden, beispielsweise in Form eines Kran- oder Baggerarmes. Der Ausleger 74 kann jedoch auch eine Hubplattform darstellen, wie sie bei Last- und Personenaufzügen sowie Hebebühnen Verwendung findet, sofern diese über Hydraulikzylinder bewegbar sind. Anstelle der Hydraulikzylinder 68, 70 kann jedoch auch ein entsprechend ausgebildeter Hydromotor treten, um eine Arbeitsgerätschaft zu betätigen. Ferner kann anstelle der beiden Hydraulikarbeitszylinder 68, 70 auch nur ein Arbeitszylin­ der zum Bewegen des Auslegers 74 vorgesehen sein.

Stangenseitig sind die beiden Hydraulikzylinder 68, 70 über eine Verbindungslei­ tung 76 gemeinsam an einen Steuerungsblock 78 angeschlossen, der beispielsweise eine ansteuerbare Ventileinheit in Form von Wegeventilen aufweisen kann. An den Steuerblock 78 ist des weiteren eine motorbetriebene Hydropumpe 80 angeschlos­ sen sowie eine Tankleitung 82 für den Tank 84. Ausgangsseitig weist der Steuer­ block 78 eine weitere fluidführende Verbindungsleitung 86 auf, die in die zweite Anschlußstelle 42 mündet. Die erste Anschlußstelle 40 des Kolbenspeichers ist wiederum über eine dritte fluidführende Verbindungsleitung 88, die sich in Rich­ tung der Hydrozylinder 68, 70 gabelt, an diese auf ihren Kolbenseiten 90 an­ geschlossen, die von den Arbeitskolben 92 begrenzt sind.

Die Energieeinsparvorrichtung wird nun derart eingestellt, daß bei einer mittleren Last- oder Auslegerposition des Auslegers 74 im Vorspannraum 30 ein erhöhter, nach Möglichkeit maximaler Gasinnendruck herrscht, der einer vorgespannten mechanischen Druckfeder entspricht. Soll nun der Ausleger 74 gehoben, also in Blickrichtung auf die Fig. 2 nach oben bewegt werden, wird die Hydraulikpumpe 80 an geschaltet und über den Steuerblock 78 gelangt Fluid unter Druck über die Verbindungsleitung 86 und die zweite Anschlußstelle 42 in den Fluidraum 22, wobei sich in Blickrichtung auf die Fig. 2 gesehen die Kolben 12 und 14 nach rechts bewegen. Das im Fluidraum 20 des Kolbenspeichers bevorratete Fluid wird dann über die erste Anschlußstelle 40 und die Verbindungsleitung 88 auf die Kolbenseiten 90 der Hydraulikzylinder 68, 70 abgegeben, wobei das Druckpolster im Vorspannraum 30 diesen Bewegungsvorgang unterstützt und die im Vorspann­ raum 30 gespeicherte Energie über die Fluidführung an den Ausleger 74 abgibt. Auf der Stangenseite 72 der Arbeitszylinder 68, 70 werden diese über die Verbindungs­ leitung 76 und den Steuerblock 78 zum Tank 82, 84 hin drucklos gemacht.

Ein Einspeichervorgang von Hydraulikenergie in den Vorspannraum 30 erfolgt dann beim Absenken des Auslegers 74, wobei das auf der Kolbenseite 90 bevorratete Fluid wieder in den Fluidraum 20 zurückgegeben wird, mit der Folge, daß in Blickrichtung auf die Fig. 2 gesehen die Kolben 12 und 14 nach links verfahren und die Vorspannung im Vorspannraum 30 vornehmen. Bei Bewegungen des Auslegers 74 um eine Mittellage läßt sich derart besonders energetisch günstig ein anstehen­ der Hubvorgang unterstützen. Sofern der Ausleger 74 bei Arbeitsmaschinen zu bewegen ist, kann die Gasversorgungseinrichtung 62 in Form des gezeigten Stick­ stoffspeichers entfallen. Soll jedoch, beispielsweise weil es sich bei dem Ausleger 74 um eine Hubplattform handelt, die Federkonstante herabgesetzt werden, um über größere Verfahrwege eine gleichförmige Energieabgabe zu erreichen, wird das Kammervolumen des Vorspannraumes 30 durch Anschluß des Speichers 62 erhöht.

Claims (10)

1. Kolbenspeicher mit einem Gehäuse (10), in dem mindestens zwei längs­ verfahrbare Kolben (12, 14) angeordnet sind, die jeweils mit einem be­ nachbart gegenüberliegenden Kolben (14, 12) über ein Kopplungsteil miteinander verbunden sind, das längsverfahrbar in einer Trennwand (18) des Gehäuses (10) geführt ist, die mit den beiden benachbart gegenüber­ liegenden Kolben (12, 14) zwei Fluidräume (20, 22) begrenzt, wobei mindestens einer der Kolben (12) neben einem Fluidraum (20) auf der gegenüberliegenden Seite einen Vorspannraum (30) mit einem vorgebba­ ren Gasinnendruck zumindest teilweise begrenzt.

2. Kolbenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsteil aus einer Kopplungsstange (16) gebildet ist und daß der jeweilige Fluidraum (20, 22) von der Trennwand (18) zum Kolben (12, 14) um mindestens eine Stufe sich im Durchmesser erweitert.

3. Kolbenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsteil hohl ausgebildet ist und mit seinen beiden Enden unter Eingriff in die Kolben (12, 14) mit diesen fest verbunden ist.

4. Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kopplungsteil in dichtender Anlage mit der Trennwand (18) ist, die Teil eines Mittenstutzens (34) ist, an den beidseitig sich Gehäuse­ rohre (36) des Gehäuses (10) anschließen, die der Längsführung der Kolben (12, 14) dienen.

5. Kolbenspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig der Trennwand (18) zwei Anschlußstellen (40, 42) des Gehäuses (10) je­ weils in einen zugeordneten Fluidraum (20, 22) münden.

6. Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der jeweilige Kolben (12, 14) auf seiner dem Fluidraum (20, 22) abgekehrten Seite eine Ausnehmung (56) aufweist.

7. Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vorspannraum (30) von einem bewegbaren Kolben (12) be­ grenzt ist und einer feststehenden Abschlußwand (26) des Gehäuses (10), die vorzugsweise eine Anschlußstelle (58) für eine Gasversorgungsein­ richtung (62) aufweist, insbesondere in Form eines Stickstoffspeichers.

8. Kolbenspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ande­ re Abschlußwand (28) des Gehäuses (10), die einen Umgebungsraum (54) mit dem zugeordneten Kolben (14) begrenzt, eine Durchtrittsstelle (64) aufweist, die die Umgebung mit dem Umgebungsraum (54) verbindet.

9. Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeits­ gerätschaften mit mindestens einem Kolbenspeicher nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hydrau­ likpumpe (80) an den einen Fluidraum (22) und daß der andere Fluidraum (20) an die Arbeitsgerätschaft anschließbar ist.

10. Vorrichtung zur Energieeinsparung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Arbeitsgerätschaft mindestens einen hydraulisch betätig­ baren Arbeitszylinder (68, 70) aufweist, der stangenseitig (72) an eine Fluidsteuerung (78) und kolbenseitig (90) an den anderen Fluidraum (20) angeschlossen ist.