DE4215403A1 - Doppelkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pumpen von flüssigen Materi­ alien. Insbesondere betrifft sie die Verwendung einer solchen Vorrichtung beim Naßspritzen von Beton oder Mörtel und ein Verfahren zum Naß­ spritzen von Beton oder Mörtel.

In verschiedenen Anwendungsgebieten ist es beim Pumpen von flüssigen Materialien wichtig, daß der Strom kontinuierlich, mit geringer oder keiner Fluktuation gepumpt wird. Ein solches Anwendungsgebiet ist das Naßspritzen von Beton, z. B. beim Verkleiden von Tunnelwänden.

Beim Betonspritzen nach dem Naßverfahren, oder Dichtstromfördern werden sehr oft Betonpumpen, welche als Doppelkolbenpumpe mit Umlenkventil ver­ schiedenster Konstruktion ausgeführt sind, eingesetzt. Ein Zylinder kann als "Förderzylinder", der andere als "Füllzylinder" bezeichnet werden, wobei der "Füllzylinder" sich mit Material füllt, während der "Förder­ zylinder" sich in den Förderschlauch leert. Beide Bewegungen werden meistens mit Kolben bewerkstelligt, die sich in entgegengesetzter Richtung in den Zylindern bewegen. Dabei steht der "Füllzylinder" in Ver­ bindung mit einem Fülltrichter und saugt das Material durch abnehmenden Druck hinein. Der "Förderzylinder" ist über ein Verbindungsstück (auch "Weiche" genannt) mit dem Förderschlauch verbunden. Dieses Verbindungs­ stück wird nach Abschluß einer Bewegung umgestellt und die Zylinder er­ halten durch die entgegengesetzte Bewegung der Kolben eine umgekehrte Rolle. Da dieses Maschinenkonzept zwangsläufig zu Pulsationen im Förder­ strom führt, wurden bald Lösungen zur Verminderung oder gar Vermeidung derselben gesucht. Die bisher bekannten Ausführungen haben aber nach wie vor den Nachteil, daß sie nie 100%ig arbeiten, da sie, abhängig von der Fördermenge und der Betonsteifigkeit und dessen Zusammensetzung, vom Maschinenführer eingestellt werden müssen, oder als Kompromißlösung fest in der Maschine eingestellt sind.

Zur Verminderung von Pulsationen werden verschiedene Maßnahmen ange­ wandt. So wird beispielsweise beim Schalten der Weiche versucht, die ent­ stehende Förderlücke zeitlich zu verkürzen und so die Fluktuation zu minimieren. Beispiele solcher Vorrichtungen sind die Naßspritzmaschinen vom Typ "Meycojet" (Warenzeichen) 082 EH, die von der Firma Meynadier AG in Winterthur, Schweiz vertrieben werden. In solchen Naßspritzmaschinen sind die Pumpzylinder mit entsprechenden Hydraulikzylinder gekuppelt und die Kolben werden durch fest mit ihnen verbundenen Kolben in den Hydrau­ likzylindern in Bewegung gesetzt. Die automatische Umschaltung der Weiche und der Pumpbewegungen in den Zylindern wird dadurch bewerkstelligt, daß ein elektrischer oder elektronischer Kreis durch einen Sensor geschlossen wird. Dieser Sensor ist so montiert, daß die Ankunft des Kolbens im Hydraulikzylinder, der mit dem Förderzylinder gekuppelt ist, in einer Position, die mit der vollständigen Leerung dieses Zylinders überein­ stimmt, registriert wird. Beim Schließen des Kreises wird die Weiche umgestellt und die Bewegung der Kolben umgekehrt.

Das neue Merkmal der erfindungsgemäßen Pumpe ist die Gestaltung des hydraulischen Kreislaufes derart, daß der Kolben im Füllzylinder seine Endposition erreicht, bevor der Förderzylinder völlig geleert worden ist. Diese Differenzierung wird vorzugsweise über die gesamte Hubstrecke des Kolbens vorgenommen. Auf diese Weise wird der Füllzylinder schneller als sonst gefüllt. Wenn der Kolben im Füllzylinder seine Endposition erreicht hat, wartet er, bis der Förderzylinder völlig geleert worden ist. Während dieser Zeit kann der Druck zwischen dem Fülltrichter (meistens atmosphä­ risch) und dem durch die Kolbenbewegung verursachten Unterdruck ausge­ glichen werden, was die vollständige Füllung des Zylinders gewährleistet. Dieser ist mit einer vollen Ladung zur Förderung bereit, wenn die Weiche umgestellt wird und die Rolle der Pumpzylinder wechselt.

Die Bewegung des Kolbens im Füllzylinder kann auf verschiedene Weise angetrieben werden. Eine bevorzugte Methode besteht darin, im hydrauli­ schen Zylinder, der mit dem Füllzylinder gekuppelt ist, einen Überschuß an Flüssigkeit bereitzustellen. Dadurch wird der Kolben im hydraulischen Zylinder und damit auch der Kolben im Füllzylinder beschleunigt. Wenn der Kolben seine Endposition erreicht hat, wird der Überschuß an Flüssig­ keit abgeleitet. Wenn der Förderzylinder völlig geleert ist, übernehmen beide Zylinder umgekehrte Rollen und der ganze Zyklus wiederholt sich.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Fig. 1 ist eine Perspektivzeichnung, in der nur die wesent­ lichen Bestandteile dargestellt werden, um die Wirkung einer Doppel­ kolbenpumpe zu erläutern. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der hydraulischen Kreislaufe in einer solchen Doppelkolbenpumpe. Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung, versehen mit der erfinderischen Maßnahme zur Einstellung eines Überschusses an Flüssigkeit.

In Fig. 1 stehen zwei zylindrische Kammern 1 und 2 via Öffnungen 3 und 4 mit dem Fülltrichter 5 in Verbindung. In den Kammern bewegen sich die Kolben 6 und 7, um in der einen Kammer das Material anzusaugen, in der anderen um Material hinaus zu befördern. Innerhalb des Fülltrichters dreht sich das Verbindungsrohr 8 um ein Gelenk 9 (zusammen in dieser An­ meldung "Weiche" genannt) mit einem Verbindungsstück 10. Der weiße Doppelpfeil gibt an wie die Weiche zwischen den Öffnungen 3 und 4 wechselt. Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird mit den schraffierten Pfeilen A, B und C angedeutet.

A steht für die Zugabe von Material in den Fülltrichter.

Wenn die Öffnung 3 der Kammer 2 offen ist, bewegt sich Kolben 7, wie durch B angegeben,von der Öffnung weg, so daß Material angesaugt wird. Gleichzeitig bewegt sich Kolben 6 in der Kammer 1 auf die Öffnung 4 zu und stößt das vorher angesaugte Material hinaus. Weil das Verbindungs­ rohr 8 die Öffnung 4 abdeckt, wird das Material, wie durch C angegeben; hinaus befördert.

In Fig. 2 werden auf der linken Seite die Zylinder 11 und 12, die beide mit einem entsprechenden Hydraulikzylinder 13 und 14 gekuppelt sind, dar­ gestellt. Jeder Zylinder enthält einen Kolben (15, 16) der seinerseits mit einem Kolben (17, 18) im Hydraulikzylinder über eine Verbindungs­ stange (19, 20) gekuppelt ist, so daß jede Bewegung der Kolben in den Hydraulikzylindern eine entsprechende Bewegung der Kolben im Füll- bzw. Förderzylinder verursacht. Am Ende jedes Hydraulikzylinders ist ein Sensor (21, 22) montiert, der die Ankunft des Kolbens an diesem Ende registriert. Weitere Bestandteile des hydraulischen Kreises sind das Ventil 23, die Pumpen 24 und 25, der Tank 26 für die hydraulische Flüssigkeit sowie ein Überdruckgefäß 27. In der Darstellung ist der Zylinder 11 gerade am Ende einer Förderbewegung.

Auf der rechten Seite wird der Hydraulikkreislauf für die Umstellung der Weiche dargestellt, bestehend aus zwei gleichen Hydraulikzylinder 28 und 29 sowie einem Ventil 30. Die Situation wird nun so dargestellt, daß die Weiche bald zum Zylinder 12 wechselt.

Im Förderzylinder 11 wird der Kolben 15 durch den Kolben 17 im entspre­ chenden Hydraulikzylinder 13 angetrieben, während dieser Kolben 17 durch den Druck der hydraulischen Flüssigkeit angetrieben wird. Dabei wird die Flüssigkeit vom Teil 31 über die Leitung 32 zum Teil 33 des Zylinders 14 gepreßt und drückt Kolben 18 und den damit gekuppelten Kolben 16 von der Öffnung weg. Das Ventil 23 ist so eingestellt, daß Flüssigkeit von der Pumpe 24 durch die Leitung 39 zum Zylinder 13 fließt und den Kolben 17 sowie den damit gekuppelten Kolben 15 antreibt.

Wenn der Kolben 17 den Sensor 21 erreicht, wird ein Signal an die Ventile 23 und 30 gegeben, das sie zu einem Richtungswechsel veranlaßt. Der hydraulische Druck wird damit von den Zylindern 13 und 29 auf die Zylin­ der 14 und 28 umgelenkt. Die Weiche wechselt zur Kammer 12 und der Kolben 16 in dieser Kammer beginnt, Material in das Verbindungsrohr zu stoßen, da der hydraulische Druck sich durch die Leitung 34 auf den Kolben 18 auswirkt. Gleichzeitig beginnt sich der Kolben 15 in der Kammer 11 zurück zu bewegen, um Material anzusaugen.

In Fig. 3 werden die gleichen Bestandteile dargestellt, welche die gleiche Funktion ausüben. Hinzu kommt eine Blende 35, gekoppelt mit einem Einwegventil 36, ein Zweiwegventil 37 und ein Entlastungsventil 38. Über das Zweiwegventil 37 wird ein Überschuß an hydraulischer Flüssigkeit, die via Blende 35 und Einwegventil 36 in das System gespiesen wird, in den Hydraulikzylinder geführt, der den Füllzylinder antreibt. Dadurch wird dieser schneller gefüllt und ist sofort zur Förderung bereit, wenn der Richtungswechsel über die Ventile 23 und 30 erfolgt. Sobald die Füllungsposition erreicht ist, wird das bis jetzt geschlossene Ventil 38 geöffnet, damit die überschüssige Flüssigkeit wieder in den Tank 26 fließen kann. Nachher wiederholt sich dieser Ablauf.

Die erfindungsgemäße Pumpe kann noch weiter verbessert werden, indem vom sogenannten "pushover"-System Gebrauch gemacht wird. Diese Einstellung bewirkt, daß die Pumpwirkung des Förderzylinders kurze Zeit erhöht wird, um die beim Schalten der Weiche entstehende Förderlücke zu kompensieren. Bis zum Ende des Förderhubes wird die Geschwindigkeit des Förderkolbens wieder normalisiert. Bei den herkömmlichen Vorrichtungen erfolgt die Einstellung der zusätzlichen Fördermenge sowie der Zeit von Hand. Diese Lösung hat den Nachteil, daß, vor allem beim Betonspritzen, die Maschinenführer die Fördermenge und die Betonsteifigkeit sowie dessen Zu­ sammensetzung berücksichtigen müssen, was zu unterschiedlichen Resultaten führt.

Es wurde gefunden, daß eine verbesserte Kompensation der Förderlücke erfolgen kann, wenn die zusätzliche Menge in Abhängigkeit von der absolu­ ten Fördermenge variiert. Durch Automatisierung dieses Vorganges kann beispielsweise die Dauer des "pushover" konstant gehalten und die zu­ sätzliche Menge entsprechend der absoluten Fördermenge eingestellt wer­ den. Das Prinzip dieser Einstellung kann am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläutert werden. In beiden werden graphisch die Fördermenge in Funktion der Zeit dargestellt; in Fig. 4 die Situation bei einer herkömmlichen Vorrichtung mit Einstellung des "pushover" von Hand, in Fig. 5 die Situation bei der erfindungsgemäßen Lösung. Die ideale Situation einer konstanten Fördermenge Q wird durch eine horizontale Linie dargestellt. Die Punkte A und B kennzeichnen Anfang und Ende der Periode T1 für die Dauer der Umstellung der Weiche. Während dieser Zeit entsteht die Förderlücke, d. h. die gegenüber der idealen Situation um Δ Q1 zurückgefallene Fördermenge. Diese muß durch eine während der Periode T2 erhöhte Förderleistung kompensiert werden, die in Fig. 4 zu einem Maximum Δ Q2 über die normale Leistung gesteigert und nachher all­ mählich wieder normalisiert wird. In Fig. 5 sorgt die automatische Vor­ richtung dafür, daß die Menge Δ Q2 immer der Förderlücke Δ Q1 ent­ spricht, unabhängig von der Zusammensetzung und der Steifigkeit der Betonmischung. Die Abhängigkeit der zusätzlichen Menge Δ Q2 von der ab­ soluten Fördermenge kann durch die Gleichung

Δ Q 2=f(Q)

dargestellt werden. Diese Abhängigkeit kann mit einer beliebigen Steuerung wie z. B. einer elektrischen erzeugt werden. Eine bevorzugte Steuerung dieser Art sind zwei mechanisch miteinander gekuppelte Potentiometer, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt wird. Eine andere Möglichkeit wäre eine Computersteuerung.

In Fig. 6 wird das zur Umstellung der Weiche zuständige hydraulische Ventil 23 elektrisch gesteuert. Die Menge Q wird mit einem variablen Potentiometer P eingestellt. Mechanisch gekuppelt mit diesem ist ein zweites Potentiometer P2 zur Einstellung der Menge Q+Δ Q2. Die Zeit T2 aus Fig. 5 wird durch ein Relais R2 kontrolliert. Jedes elektrische Signal wird mit einem Verstärker V zum Ventil 23 weitergegeben. Beim Vorwählen der Fördermenge Q wird durch die Koppelung gleichzeitig die Überhöhung Δ Q2 vorgewählt. Die gewünschte Abhängigkeit gemäß der Gleichung Δ Q2=f(Q) wird durch Versuche ermittelt und in Form einer speziellen Widerstandscharakteristik von P2 umgesetzt.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ein über den ganzen Fördermengenbereich pulsationsfreies Betonspritzen erreicht, ohne daß vom Maschinenführer eine Einstellung oder Korrektur vorgenommen werden muß.

Die Erfindung betrifft daher vorzugsweise eine Naßspritzmaschine zum Betonspritzen, welche mit einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung aus­ gestattet ist. Weiter betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betonspritzen unter Verwendung einer solchen Naßspritzmaschine.

Claims (9)

1. Doppelkolbenpumpe, bestehend aus zwei zylindrischen, mit Kolben ausgestatteten Kammern, die mit einem Fülltrichter in Verbindung stehen, einem Verbindungsstück, das jeweils eine Kammer mit dem Förderschlauch verbindet und nach einem Hub zur anderen Kammer wechselt, wobei eine Kammer als Füllzylinder und die andere Kammer als Förderzylinder wirkt und anschließend die Rollen umgekehrt werden, und die Kolben durch Kolben in einem entsprechenden Hydrau­ likzylinder angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Kreislauf derart gestaltet ist, daß der Kolben im Füllzylinder seine Endposition erreicht, bevor der Förderzylinder völlig geleert worden ist.

2. Doppelkolbenpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überschuß an Flüssigkeit in den Hydraulikzylinder, der mit dem Füllzylinder gekuppelt ist, gespiesen wird und dieser Überschuß abgeleitet wird, wenn der Kolben im Füllzylinder seine Endposition erreicht hat.

3. Doppelkolbenpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überschuß an Flüssigkeit mittels Zweiwegventil (37) via Blende (35) und Einwegventil (36) in den Kreislauf gespiesen wird.

4. Doppelkolbenpumpe, bestehend aus zwei zylindrischen, mit Kolben ausgestatteten Kammern, die mit einem Fülltrichter in Verbindung stehen, einem Verbindungsstück, das jeweils eine Kammer mit dem Förderschlauch verbindet und nach einem Hub zur anderen Kammer wechselt, wobei eine Kammer als Füllzylinder und die andere Kammer als Förderzylinder wirkt und anschließend die Rollen umgekehrt werden, und die Kolben. Durch Kolben in einem entsprechenden Hydrau­ likzylinder angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Wechseln der Kammern entstehende Förderlücke durch eine kurzzeitige Erhöhung der Fördermenge die von der absoluten Fördermenge abhängig ist, kompensiert und dieser Vorgang automatisiert wird.

5. Doppelkolbenpumpe gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode T2 der erhöhten Leistung konstant gehalten wird und die zu­ sätzliche Fördermenge Δ Q2 mittels automatischer Steuerung immer der Förderlücke Δ Q1 entspricht.

6. Doppelkolbenpumpe gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Steuerung aus zwei gekuppelten Potentiometer P und P2 besteht, die auf die Mengen Q und Q+Δ Q2 eingestellt sind, und einem Relais R2 zur Kontrolle der Zeit T2 besteht, wobei die Gleichung Δ Q2=f(Q) in Form einer Widerstandscharakteristik von P2 festgelegt wird.

7. Doppelkolbenpumpe, bestehend aus zwei zylindrischen, mit Kolben ausgestatteten Kammern, die mit einem Fülltrichter in Verbindung stehen, einem Verbindungsstück, das jeweils eine Kammer mit dem Förderschlauch verbindet und nach einem Hub zur anderen Kammer wechselt, wobei eine Kammer als Füllzylinder und die andere Kammer als Förderzylinder wirkt und anschließend die Rollen umgekehrt werden, und die Kolben durch Kolben in einem entsprechenden Hydrau­ likzylinder angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Merkmale der Ansprüche 1, 2 oder 3 und diejenige der Ansprüche 4, 5 oder 6 aufweist.

8. Verfahren zur Verminderung von Pulsationen im Förderstrom von Doppel­ kolbenpumpen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe gemäß Anspruch 1, 4 oder 7 verwendet wird.

9. Verfahren zum Naßspritzen von Beton oder Mörtel, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Pumpe gemäß Anspruch 1, 4 oder 7 eingesetzt wird.