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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückführung des Öls, das
in ein Gehäuse
eines Hydraulikmotors ausgelaufen ist, in eine Ölleitung, die mit dem Motor
verbunden ist und über einen
Verteiler mit motorinternen Strömungskanälen kommuniziert,
welche mit Arbeitsdruckräumen
des Motors in Verbindung stehen.
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Hydraulikmotoren
werden für
Anwendungen eingesetzt, die sehr viel Drehmoment, Leistung, ständige Umkehrungen
der Drehrichtung oder kompakte Abmessung erfordern. Hydraulikmotoren
können auch
verwendet werden, wo schwierige Bedingungen herrschen, z.B. Feuchtigkeit,
Staubdichte oder eine hohe Temperatur. In mobilen Einrichtungen
hat der Hydraulikantrieb wegen dieser Vorzüge andere Antriebe fast vollständig verdrängt.
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Bis
heute war es notwendig, Hochleistungs-Hydraulikmotoren mit drei
oder vier Hydraulikleitungen zu versehen. Immer vorgesehen sind Druckleitung
und Rücklaufleitung,
jedoch enthält
das System oft noch eine sogenannte Dränageleitung, über welche
die in ein Gehäuse
des Motors ausgelaufene Hydraulikflüssigkeit zum Tank und in den Kreislauf
zurückgeführt wird.
Insbesondere größere Motoren
sind immer mit einer Dränageleitung
versehen. Wäre
keine Dränageleitung
vorhanden, dann würde
der Druck des in ein Gehäuse
auslaufenden Öls
auf einen Wert ansteigen, der mindestens gleich dem Druck einer
Rücklaufleitung
ist. In der Praxis ist ein derartiger Druck nicht akzeptierbar.
Wenn noch ein gesonderter abkühlender
Durchflutungskreislauf für
das Gehäuse
vorgesehen ist, sind vier Leitungen im System erforderlich.
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Viele
hydraulisch betätigte
Systeme wie z.B. Schaufelmaschi nen verwenden hauptsächlich Hydraulikzylinder
für die
Arbeit. Hydraulikzylinder benötigen
keinen Dränageanschluß, und somit
enthält
das Hydraulikleitungssystem von Schaufelmaschinen keine Leitung
für Auslauföl als Standardmerkmal; diese
muss also für
einen Hydraulikmotor, der z.B. in einem Zubehör enthalten ist, gesondert
installiert werden. Außerdem
kommt es häufig
vor, dass ein Hydraulikmotor weit weg vom aktuellen Ort der Pumpe
oder des Tanks installiert werden muss, was eine lange Dränageleitung
zur Folge hat. Insbesondere bei Anlagen, die tief unter Wasser oder
in Bergwerken arbeiten, bringt die Extraleitung Probleme und mehr
Unkosten. Wenn der Anschluss für
Auslauföl weggelassen
werden könnte,
wäre es
einfacher, ein motorbestücktes
Kraftgerät
an irgendein Hydrauliksystem anzuschließen.
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Damit
das in ein Gehäuse
gesickerte Öl
zu Hauptleitungen weiterfließen
kann, sollte der Druck dieses Öls
auf ein Niveau gehoben werden, das gleich oder höher ist als der Druck einer
Auffangleitung, ohne dass der Druck im Gehäuse erhöht wird. Diese Druckanhebung
kann mit einer Pumpe erreicht werden. Ein Problem hierbei ist die
Antriebsleistung für
die Pumpe, denn die Anzahl hydraulischer Verbindungen darf sich
nicht erhöhen.
Wenn die Energie direkt aus dem Ölstrom
und der Druckdifferenz zwischen Druck- und Rücklaufleitung entnommen wird, benötigt das
System in der Praxis mindestens einen Hydraulikmotor und eine Pumpe.
Außerdem
muss bei der Systemkonfiguration die Umkehrung der Drehrichtung
berücksichtigt
werden. Um das System so einfach wie möglich machen, ist der Extramotor nicht
wert installiert zu werden, stattdessen ist es vernünftig, diese
Art Lösung
dadurch zu realisieren, dass man die Methode anwendet, welche in
der Patentanmeldung WO 01/65113 des Anmelders offenbart ist und
bei welcher die Antriebsleistung für die Pumpe direkt von der
Welle eines Hauptmotors genommen wird.
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Im
Bemühen,
die Konstruktion weiter zu vereinfachen, und bei der Suche nach
alternativen Quellen für
die Antriebsleistung wurde bei der Erfindung gefunden, im System
existierende Druckdifferenzen auszunutzen. Außerhalb des Verteilers eines
Motors ist der Druck in einer Arbeitsleitung beim Lauf des Motors
immer höher
als in einer Rücklaufleitung,
und die Druckdifferenz fluktuiert nicht, wenn die Last nicht fluktuiert.
Hierdurch versagt es sich in der Praxis, bei einer außerhalb
des Verteilers herbeigeführten
Lösung
eine einfache Pumpe zum Entfernen von Auslauföl zu verwenden.
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Die
DE 29 46 590 A zeigt
ein Verfahren zum Rückführen des Öls, das
in ein separates Gehäuse ausgelaufen
ist, in eine Ölleitung,
die mit dem Motor verbunden ist und über einen Verteiler in mit
motorinternen Strömungskanälen in Verbindung
steht. Das Sickeröl
wird aus dem Gehäuse
zur Ölleitung
abgesaugt, wenn das Steuerventil des Motors geschlossen wird und
die Drehung infolge Trägheit
noch etwas andauert, wodurch der "Motor" als Pumpe arbeitet. Bei dieser Methode
kann das Öl
nicht rückgeführt werden,
wenn das Steuerventil offen ist, um den Motor laufen zu lassen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
und eine Vorrichtung vorzusehen zum Rückführen des Sickeröls mit einfacher Konstruktion
der Antriebsquellen, und zwar bei laufendem Motor mithilfe des Druckes
in der Arbeits-Ölleitung
außerhalb
des Verteilers des Motors.
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Diese
Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen
des angefügten Patentanspruchs
1 gelöst.
Die Aufgabe wird auch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen
des angefügten
Patentanspruchs 4 gelöst.
Die Unteransprüche
definieren vorteilhafte Ausführungsformen
und Merkmale der Erfindung.
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Die
erfundene Lösung
beinhaltet die Verwendung motorinterner Druckdifferenzen. Ein Hydraulikmotor
muss immer ein Element haben, das Strömungskanäle für Ölfluss in den und aus dem Motor öffnet, damit
die Kraftorgane wie z.B. Kolben befähigt werden, die Ausgangswelle
in Drehung zu versetzen. Dieses Element, das als Verteiler bezeichnet wird,
kann z.B. ein sich drehendes Rad sein, das mit Kanälen zum
Führen
des Stroms der Hydraulikflüssigkeit
in und aus den motorinternen Kanälen
versehen ist, oder eine Einrichtung vom Ventiltyp, die zu entsprechenden
Aktionen fähig
ist. Somit wird oder werden der oder die verteilerinternen Kanäle in Impulsen
entsprechend der Drehung unter Druck gesetzt. Da ein und derselbe
Kanal abwechselnd einmal als Arbeits- oder Druckkanal und einmal
als Rücklaufkanal
wirkt, erfährt
dieser Kanal abwechselnd über
einen einzigen Zyklus einen hohen Arbeitsdruck und einen niedrigen
Rücklaufdruck.
Der Betrag einer Druckdifferenz im Kanal über einen einzigen Zyklus ändert sich
entsprechend der Last. Es ist einzusehen, dass sich dieser Druckimpuls
auch dann in den Kanälen
entwickelt, wenn der Motor unter gleichmäßiger Last läuft oder
im Leerlauf ist.
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Die
Charakteristik der Merkmale der Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 schematisch
eine zwischen einen Verteiler 16 und dem Rahmen eines Motors 1 eingepasste
Vorrichtung 17 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt und
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2 in
schematischer Schnittansicht eine Rückführpumpe 5 für die Vorrichtung
nach 1 gemäß einer
möglichen
Ausführungsform
zeigt.
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Die
Arbeitsdruckräume 10a des
Hydraulikmotors 1 sind über
interne Strömungskanäle 13 und den
Strömungsverteiler 16 mit Ölleitungen 2 des
Motors verbunden. Wenn eine Ölleitung 2 unter
Druck gesetzt ist, wirkt die andere als Rücklaufleitung. Die Leitungen 2 tauschen
ihre Rollen als Druck- bzw. Rücklaufleitung
entsprechend der Richtung, in welcher der Motor 1 angetrieben
wird. Der Motor 1 kann z.B. ein Radialkolbenmotor sein,
dessen Kolben bei 10 und dessen Zylinder bei 10a dargestellt
sind. In diesem Fall bilden die Zylinder Arbeitsdruckräume, für welche
der Verteiler 16 während
seiner Drehung die Einlass- und Auslass-Ströme der Ölleitungen 2 über die
Kanäle 13 steuert.
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Im
Verlauf einer einzigen Umdrehung einer Kurbelwelle 3 vollführt jeder
Kolben 10 einen einzigen Arbeitshub vom oberen Totpunkt
zum unteren Totpunkt und jeweils einen einzigen Rückhub vom unteren
Totpunkt zum oberen Totpunkt. Dementsprechend kehrt sich die Richtung
der Strömung
in jedem Strömungskanal 13 jedesmal
um, wenn der relevante Kolben 10 den unteren Totpunkt oder
oberen Totpunkt durchläuft.
Somit wird diese Umkehrung der Strömungsrichtung durch den Verteiler 16 bedient, der
durch die Kurbelwelle 3 mithilfe einer geeigneten Verlängerungswelle 3b gedreht
wird. Aus einem oder mehreren Strömungskanälen 13 zweigen kleine
Abflussleitungen zu Lagern 3a der Kurbelwelle 3 ab,
um diese zu schmieren. Auslauföl
aus den Schmierungen und den Arbeitsdruckräumen 10a sammelt sich in
einem Gehäuse 12 des
Motors 1. Das Auslauföl wird
aus dem Gehäuse 12 jeweils
in diejenige Ölleitung 2 gefördert, die
gerade den niedrigeren Druck hat, und dies erfolgt mittels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 17,
die zwischen den Verteiler 16 und den Rahmen des Motors 1 gekoppelt
ist und nachstehend ausführlicher
beschrieben wird.
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Der
Körper
oder Rahmen der Vorrichtung 17 ist mit Strömungskanälen 14, 15 versehen,
die als Verlängerungen
der Strömungskanäle 13 funktionieren.
Gemäß der Erfindung
wurde gefunden, dass das ins Gehäuse
sickernde Öl
durch die Druckdifferenzen, die in den Kanälen 13, 14, 15 entsprechend
der Drehbewegung des Motors pulsieren, und durch Druckdifferenzen,
die als Folge davon erzeugt werden, in jeweils diejenige Ölleitung 2 gefördert wird, die
gerade auf niedrigerem Druck ist. Die größte Druckdifferenz zwischen
den Kanälen 14, 15 entwickelt
sich zwischen einem Kanal (z.B. dem Kanal 15), der zu einem
gerade arbeitenden Kolben 10 führt, und dem Kanal 14 für einen
Kolben 10, der gerade am unteren Totpunkt ist, weil der
eine unter einem maximalen Druck steht und der andere, da der ankommende Ölstrom durch
den Verteiler blockiert wird, unter niedrigem Druck steht.
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Der
Gehäuseraum 12 ist über einen
Rückführkanal 7 und
ein Einwegventil 8 mit einer Rückführpumpe 5 verbunden,
die ihre Antriebsleistung aus dem Strömungskanal erhält, der
sich zwischen dem Verteiler 16 und den Arbeitsdruckräumen 10a des
Motors erstreckt. Eine von der Pumpe 5 abgehende Rückführleitung 6 verzweigt
sich, und jeder Zweig ist über
jeweils ein Einwegventil 4 mit dem jeweils zugeordneten
Strömungskanal 14 verbunden. Auch
wenn stromab von der Pumpe 5 sogar ein einziger Kanal genügen würde, wird
der gegabelte Rückführkanal 6 verwendet,
um sicherzustellen, dass der Gegendruck möglichst niedrig ist.
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Die 2 zeigt
ein Strukturprinzip für
die Pumpe 5. Der Strömungskanal 15 vom
Verteiler 16 zum Zylinder 10a ist über eine
Leitung 15' an
einen durch einen Kolben 5a begrenzten Raum angeschlossen.
Wenn der Druck im Kanal 15 ansteigt, drückt der Kolben 5a einen
Federsatz 5b zusammen und treibt das Öl von einer Seite des Kolbens 5a in die
Niederdruckleitung 6. Die Einwegventile 4 und 8 können einen Öffnungsdruck
von z.B. 1,5 bar haben. Der Maximaldruck im Gehäuse 12 kann durch
ein Druckentlastungsventil 11 auf z.B. 5 bar begrenzt werden.
Die Feder 5b komprimiert sich mit einem vollen Arbeitsdruck
und treibt die Gehäuseflüssigkeit
in den Rückführkanal 6, 14, 2.
Die Feder 5b treibt den Kolben 5a zurück und macht
Raum für
die Gehäuseflüssigkeit.
Die Feder 5b muss so dimensioniert sein, dass sie das Druckniveau
einer Rücklaufleitung überschreitet
und das niedrigste Niveau des Arbeitsdrucks hinsichtlich der auf
beiden Seiten des Kolbens existierenden Drücke unterschreitet, damit sie
den Kolben 5a zurück
in die Anfangsposition treiben kann.
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Die
Rückführleitung 7, 6 kann
ihren Anfangspunkt 9 z.B. in der Nähe eines Lagersatzes für die Kurbelwelle 3 haben,
oder innerhalb eines Rotationsraumes für die Welle 3b zwischen
dem Verteiler 16 und der Kurbelwelle 3.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung braucht man keine spezielle Rückführpumpe 5. Bei dieser
koexistierenden Ausführungsform
ist die Verteilerscheibe bzw. das betreffende Steuersystem des Motorverteilers 16,
durch welches der Ölfluss
auf die Arbeitsorgane 10 des Motors verteilt wird, derart
konstruiert, dass der für
die Arbeitsorgane wie z.B. die Kolben 10 gebrauchte Ölstrom nicht wie
bei traditioneller Konstruktion zu einem optimal korrekten Zeitpunkt
gesperrt wird, sondern dass eine Sperrung des Ölstroms zu einem vorverlegten
Zeitpunkt erfolgt, um im Strömungskanal 13 eines
Arbeitsorgans 10, das sich zum unteren, zwischen einem
Arbeitshub und einem Rückhub
des Arbeitsorgans 10 liegenden Totpunkt bewegt, absichtlich
einen negativen Druck oder zumindest einen unter dem niedrigen Gehäusedruck
liegenden Druck zu entwickeln, aufgrund dessen das Arbeitsorgan 10 vorübergehend Öl über das
Einwegventil 8 oder 4 aus dem Gehäuse 12 saugt,
in dem ein niedriger Druck herrscht. Somit besteht kein Bedarf an
einer gesonderten Rückführpumpe 5 oder
irgendeiner anderen gesonderten Einheit zur Erhöhung des Drucks des Gehäuseöls, weil
ein Kolben 10 bzw. ein ähnliches Kraftorgan
des Motors selbst auch den Druck dieses aus dem Gehäuse 12 abgezogenen Öls auf den Druck
einer Rücklaufleitung
hochbringt.
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Bei
der Lösung
des letztgenannten Typs entwickelt sich der niedrigste Druck unmittelbar
hinter einer den Kanal 14 sperrenden Verteilerscheibe,
weil die Bewegung des Öls
auch nach Sperrung des Kanals 14 zur Fortsetzung strebt.
Der mit diesem Niederdruckabschnitt verbundene Leitungsweg 6, 7 für das Gehäuseöl kann Öl über das
Einwegventil 4 oder 8 in eine zum Kolben 10 laufende
Leitung treiben. Wenn der Kolben 10 den unteren Totpunkt
durchläuft, steigt
der Druck an, das Reaktorventil 4 oder 8 sperrt, und
der Kolben 10 fördert
das Öl
in einer normalen Weise in den Rücklaufkanal 2/14.
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In
der Praxis funktioniert die letztgenannte Methode sogar ohne irgendwelche
Modifikationen an der Scheibe des Verteilers 16, weil stromab
des Verteilers 16 der Druck im Kanal 14 am unteren
Totpunkt des jeweiligen Kolbens 10 wesentlich unter 5 bar
fällt, wodurch
das Auslauföl
vom höheren
Druck des Gehäuses 12 in
den Strömungskanal
eines Kolbens 10 fließt,
der gerade an seinem unteren Totpunkt ist, nachdem der Fluss vom
Verteiler 16 gesperrt wird. Natürlich gibt es eine quantitative
Grenze für
diese Volumenströmung,
weil der Verteiler nur für
eine kurze Zeit in einer sperrenden Position bleibt.
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Bedenkt
man die oben beschriebene Abzugmöglichkeit
für das
Gehäuseöl beim Konstruieren des
Verteilers, kann z.B. der Rand der Löcher der Verteilerscheibe,
welcher dem unteren Totpunkt näher
liegt, um z.B. 2% vorverlegt werden, wodurch der oben am Kolben
ankommende Ölstrom
um 2% früher abbricht
und somit der Druck über
dem Kolben 10 am unteren Totpunkt geringer wird als in
einer Standardsituation. Dieses Saugvolumen und Vakuum wird genutzt
durch Abziehen einer äquivalenten Ölmenge aus
dem Gehäuse 12 über das
Einwegventil 4 oder 8.
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Bei
Systemen, in denen sich der Motor nur für kurze Perioden dreht oder
die Drehrichtung häufig umgekehrt
wird, kann an die Stelle einer Pumpe auch ein einfacher Druckspeicher
treten. Da der Speicher über
den Arbeitsprozess Öl
unter einem Druck von z.B. 0–5
bar einzieht, fällt
der Druck einer Rücklaufleitung,
wenn der Motor abgeschaltet wird, im internen Kanal 13, 14 vorübergehend
auf ein sehr niedriges Niveau, und das gleiche passiert, wenn die
Richtung umgekehrt wird. Weil ein Reaktorventil 4 dazwischen
liegt, wird durch den Speicher das Öl unmittelbar in den auf niedrigem
Druck liegenden Kanal 14 getrieben. Diese Lösung ist
jedoch nur entwicklungsfähig
in einem Betrieb, bei welchem die Periode kontinuierlicher Drehung
vergleichsweise kurz ist. In jedem Fall könnte im System nur ein Druckspeicher
mit einer Kapazität
von nicht mehr als wenigen Litern installiert werden, und so könnte sich
der kontinuierliche Betrieb über
wenige Minuten bis einige zehn Minuten erstrecken, je nach Menge
der Dränage.
Es gibt jedoch Anwendungen, in denen die Dauer kontinuierlichen
Antriebs typischerweise nicht mehr als wenige zehn Sekunden am Stück beträgt.
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Ungeachtet
dessen, ob eine Rückführpumpe 5 oder
ein passend konstruierter Verteiler 16 verwendet wird,
ist es möglich,
für einen
Hydraulikmotor eine zirkulierende Gehäusedurchflutung vorzusehen,
die im Allgemeinen verwendet wird, um eine kontinuierliche Leistungsabgabe
des Motors zu steigern. Entsprechend dem Wirkungsgrad eines Motors
wird die Leistung oder Ausgangsgröße oft durch eine thermische
Spannung eingeschränkt,
was bei einem kontinuierlichen Betrieb die Betriebsleistung des
Motors begrenzt. Diese thermische Spannung wird im Allgemeinen dadurch
kompensiert, dass man das Motorgehäuse mit einem gesonderten Ölkreislauf
ausstattet, um etwas von der thermischen Spannung wegzunehmen. Dieser Ölkreislauf
ist ein unabhängiger Kreis,
der mit einer eigenen Pumpe versehen ist, und aus Sicherheitsgründen oft
auch mit einer Wärmeschutzeinrichtung
und mit Druckentlastungsventilen.
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In
einer Anwendung der Erfindung kann das Gehäuse eines Motors 11 mit
einem Durchflutungskreislauf versehen werden, indem man z.B. den Fluss
des für
die Lager 3a gebrauchten Schmieröls absichtlich um diejenige
Menge erhöht,
die einem gewünschten
Durchflutungskreislauf entspricht. Dieser vermehrte Abfluss in das
Gehäuse
wird kompensiert entweder durch die Rückführpumpe 5 oder dadurch, dass
die Vorverlegung des Schließens
des Verteilers 16 an den unteren Totpunkten derjenigen
Kolben 10 geändert
wird, an welche die durch die Rückführleitung 6 miteinander
verbundenen Strömungskanäle 14 angeschlossen
sind. Bei dieser Implementierung werden nur zwei statt derzeit vier
Hydraulikschläuche von
einem Motor zu einer Pumpe oder einem Tank benötigt. Auch ist das Gesamtsystem viel
einfacher.
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In
der Situation, dass der Motor durch eine Motorüberlastung angehalten wird,
also die Welle 3 nicht rotiert und die Rücklaufleitung 2 aber
einen vollen Druck aufweist, gibt es eine Leckage oder einen Abfluss
von Öl
in das Gehäuse 12,
der gerade dann nicht abgepumpt werden kann. Hierfür kann in
Verbindung mit dem Motor 1 oder mit dem Verteiler 16 oder
mit der erfindungsgemäßen Kompensation 17 ein
Druckspeicher angeordnet werden, der in der Lage ist, die Gehäuseleckage
für eine
kurze Zeit aufzunehmen. Bei einem Neustart des Motors dräniert der
Kompensator 17 den Druckspeicher zusammen mit dem Gehäuseölstrom.
So ist das System fähig, längere Überlastsituationen
zu tolerieren. Ein für
1 dl und 5 bar ausgelegter Druckspeicher beispielsweise lässt einem
normalen 60-kW-Hydraulikmotor,
dessen Dränage
normalerweise 1–2
dl/min ist, ein Zeitfenster von 30 Sekunden bis 1 Minute, um auf
die Situation zu reagieren. Normalerweise ist eine Reaktionszeit von
2–5 Sekunden
ausreichend. In einem automatisierten System ist der Zeitrahmen
natürlich
kürzer
als bei manueller Bedienung, die auf visuellem Kontakt beruht.
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Die
beschriebene Betriebslösung
für eine Pumpe
funktioniert optimal in praktisch allen Systemen, worin das Belasten
und Fahren eines Motors durch Automatik gesteuert wird, die einen
Hydraulikfluss zum Motor stoppt oder die Flussrichtung umkehrt,
wenn der Motor als Folge einer Überlastung abschaltet.
Wenn in einem Abschaltzustand eine zum Motor führende Leitung unter Druck
bleibt, geht das Auslaufen oder Lecken in das Gehäuse weiter, wodurch
das Gehäusedruck-Entlastungsventil 11 alsbald
gezwungen wird, die auslaufende Flüssigkeit aus dem System abzulassen.
Diese Art Situation kann mittels eines Motorantriebs-Überwachungssensors
oder eines Druckfühlers
vermieden werden, dessen gelieferte Information verwendet wird,
um den Motor derart zu steuern, dass die druckbelastete Abschaltung
sehr kurz bleibt.
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Geht
jedoch die Frage nach einem System, das von der Bedienungsperson
manuell gesteuert wird, oder ist eine druckbelastete Abschaltung
gewünscht,
dann kann das System mit einem Druckspeicher versehen werden, der
direkt an den Motor oder die Pumpe gekoppelt ist und das leckende
oder auslaufende Gehäuseöl für eine gewünschte Zeitdauer
aufnimmt.