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Hydraulischer Servomotor mit Druckflüssigkeitsspeicher für Regler
Die Erfindung bezieht sich auf einen Servomotor, der mittels einer Druckflüssigkeit
eine Regelvorrichtung verstellt. Bei derartigen Servomotoren, z. B. für Geschwindigkeitsregler
von Wasserturbinen, ist es bekannt, die Speicherflüssigkeit unter Druck zu speichern,
um rasche Regelbewegungen von großer Stärke bei einer verhältnismäßig kleinen Pumpenanlage
für das Drucköl zu ermöglichen. Bei diesen bekannten Anlagen ist ein besonderer
Speicherbehälter außerhalb des Servomotors vorgesehen, wobei ein Druckluftpolster
in dem Speicherbehälter zur Aufspeicherung der Druckenergien dient. Bei anderen
bekannten Ausführungen befindet sich in dem besonderen Speicherbehälter über dem
Drucköl ein gewichtsbelasteter Kolben, der sich beim Füllen des Ölspeichers hebt
und beim Entleeren senkt.
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Die Erfindung bezweckt eine Vereinfachung und Verbesserung der bekannten
Anlagen und besteht im wesentlichen darin, daß der Speicherraum innerhalb des Zylinders
des Servomotors angeordnet und teilweise durch die Zylinderwandung gebildet wird.
Durch diese Maßnahme wird ein besonderer Speicherbehälter für das Drucköl überflüssig.
Auch die bei den bekannten Anlagen notwendigen Verbindungsleitungen zwischen dem
Speicherbehälter und dem Servomotor kommen in Wegfall. Die durch diese Leitungen
bedingten Druckverluste werden daher vermieden. Durch den. Zusammenbau des Speichers
mit dem Servomotor ergibt sich somit eine besonders einfache, billige und in sich
geschlossene Anlage.
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Der Zusammenbau des Speicherraumes mit dem Servomotorzylinder wird
zweckmäßigerweise derart durchgeführt, daß der Kolben des Servomotors in bei Servomotoren
bekannter Weise als Differentialkolben ausgebildet wird und der Speicherraum einerseits
durch die kleine Fläche des Differentialkolbens und andererseits durch einen besonderen
Speicherkolben begrenzt wird. Der Speicherkolben steht unter der Einwirkung einer
Gegenkraft, z. B. einer Feder.
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Man kann den Speicherkolben ringförmig ausbilden. Seine Außenfläche
gleitet alsdann an der Innenwand des Servomotorzylinders, während die Innenfläche
des Kolbens auf einem Ansatz des Differentialkolbens läuft.
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Während bei bekannten Regelanlagen eine besondere Feder für .den Servomotor
und eine weitere Feder oder eine zusätzliche Belastung durch Gewicht oder Druckluft
für den Druckflüssigkeitsspeicher vorgesehen sind, ist erfindungsgemäß nur eine
einzige Feder notwendig, die sowohl zur Speicherung der Druckenergie der Flüssigkeit
als auch zur
Belastung des Servomotörkolbens dient, wobei bei entladenem
Speicher die Feder den Speicherkolben an einen Anschlag des Servomotorkolbens drückt
und beide Kolben gleichzeitig verstellt. Dadurch wird die Anlage entsprechend verbilligt
und eine erhebliche Raumersparnis erzielt: Der Speicherraum kann :durch Regelventile
an die Flüssigkeitspumpe oder'an den Steuerkolben des Servomotors angeschlossen
sein. Die Regelventile werden dabei von dem Druck des Öles derart gesteuert, daß
Drucköl nur dann in den Speicher übertritt, wenn es für den Betrieb des Servomotors
nicht benötigt wird; und daß der Olauslaß aus dem Speicher nur geöffnet wird, wenn
das Drucköl der Pumpe zum Betrieb des Servomotors nicht ausreicht. Eine wesentliche
Vereinfachung erzielt man dadurch, daß der Speicherraum sowohl mit der Druckseite
der Flüssigkeitspumpe als auch mit dem Steuerkolben des Servomotors in ständig offener
Verbindung steht.
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Ganz besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn der Servomotor
mit Druckflüssigkeitsspeicher und die Pumpe nebst Antriebsmotor in der gleichen
Mittelachse angeordnet und mit dem Impulsgeber und Ölbehälter zu einer einbau- und
betriebsfertigen Einlieit zusammengebaut sind. Bei derartigen sogenannten Einheitsreglern
ermöglicht der eingebaute Regelspeicher, mit einer sehr kleinen Pumpe und einem
sehr kleinen Elektromotor für etwa ein Fünftel der bisherigen Leistung auszukommen.
Vorliegende Erfindung trägt wesentlich dazu bei, eine geschlossene Regeleinheit
zu schaffen, :die wie eine betriebsfertige Maschine ohne besondere Montage einzelner
Teile eingebaut und bei.spielsweise durch einen einfachen Steckkontakt an die elektrische
Leitung angeschlossen wird.
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Falls es aus irgendwelchen Gründen zweckmäßig erscheint, mehrere,
beispielsweise dicht nebeneinander aufgestellte Regelvorrichtungen nach der Erfindung
an ein gemeinsames Pumpenaggregat anzuschließen, so sind in den Abzweigleitungen
zu .den einzelnen Servomotoren Drosselstellen o. dgl. angeordnet, die den Zulauf
der Druckflüssigkeit begrenzen. Dies gehört jedoch nicht zur Erfindung.
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Die Abb. i bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Abb. r
ist ein Schnitt durch eine Regelvorrichtung, .die ein in eine Dampfleitung einsgebautes
Ventil in Abhängigkeit vom Dampfdruck einstellt. Die einzelnen Teile der Regelanlage
sind zu einem sogenanten Einheitsregler zusammengebaut. Hierunter versteht man eine
komplette Regelanlage, die in .der Werkstatt zu einer einbäu-und betriebsfertigen
Einheit zusammengebaut ist und die am Aufstellungsort nur noch an die Rohrleitungen
angeschlossen werden braucht.
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Die Abb. z bis ,4 zeigen schematisch die Stellung des Speicherkolbens
und Servomotorkolbens in den verschiedenen Grenzlagen. In Abb. 2 ist das Ventil
ganz geöffnet bei vollaufgeladenem Regelspeicher. In Abb.3 ist das Ventil ebenfalls
ganz offen, der Regelspeicher aber vollständig entleert. In Abb. 4 ist das Ventil
geschlossen und der Regelspeicher entleert. Um .die vielseitige Verwendbarkeit der
Erfindung zu erläutern, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i ein Druckregler
vorgesehen, während nach Abb. a angenommen ist, daß der Servomotor durch einen Geschwindigkeitsregler
gesteuert wird.
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In Abb. i stimmt die Stellung der beiden Kolben mit derjenigen in
Abb. 4 überein. Die dargestellte Stellung des Ventils, Servomotors und Speicherkolbens
entspricht der Stellung der Anlage, wenn diese außer Betrieb und die Ölpumpe abgestellt
ist.
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Abb. 5 ist ein Diagramm, .das den Öldruck im Speicherraum in Abhängigkeit
von der Stellung des Speicherkolbens (entsprechend Abb. :2 bis 4) angibt.
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Nach Abb. 6 sind zwei Regelvorrichtungen an eine gemeinsame Ölpumpe
angeschlossen. Nach Abb. i ist das Regelventil r als Doppelsitzventil mit den Tellern
:2 ausgebildet. Das Ventilgehäuse ist durch ein Zwischenstück 3 mit dem Servomotorzylinder
4 verbunden. Der als Differentialkolben ausgeführte Servomotorkolben 5 ist mit den
Ventiltellern durch die Spindel 6 verbunden. , Der Servömotorkolben besitzt einen
zylindrischen Ansatz 7, der als Lauffläche für den ringförmigen Speicherkolben S
dient. Die äußere Lauffläche des Speicherkolbens ist die Innenfläche des Servomotorzylinders
4.
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Die Feder 9 drückt in der in Abb. i gezeichneten Stellung den Speicherkolben
S gegen den Anschlag des Servomotorkolbens 5 und hält dadurch das Ventil geschlossen.
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Die Ölpumpe ist mit io, der Elektromotor mit i i bezeichnet. Das Drucköl
wird durch den Stutzen 1a aus dem Öltank 13 angesaugt. 14 ist die Überlaufleitung;
durch die bei voll- i aufgeladenem Speicher (Abb: a) das zuviel geförderte
01 in den Öltank zurückläuft. Durch die Bohrung 15 soll etwaiges Lecköl in
den Ölbehälter abfließen.
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Der Impuls (Dampfdruck) wird durch die Leitung 16 auf das Relais 17
übertragen, das mittels eines in der Abb. i nicht sichtbaren Steuerkolbens o. dgl.
,den Zu- und Abflüß der Steuerflüssigkeit zu bzw. vom Servomotor regelt.
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In der schematischen Darstellung in Abb. 2 ist der Impulsgeber ein
Geschwindigkeitsregier
18, der einen Steuerkolben ig verstellt.
Der Speicherraum 2o liegt zwischen dein Speicherkolben 8 und dem Servomotorkolben
5 und ist durch die Leitung 21 an die Druckleitung 22 der Pumpe io angeschlossen.
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Bei steigernder Drehzahl drückt der Geschwindigkeitsregler 18 den
Steuerkolben ig nach unten und läßt Drucköl durch Leitung 23 aus dem Servomotorzylinder,
wie durch Pfeil 24 angegeben, abströmen. Dadurch entsteht auf der rechten Seite
des Servomotorkolbens ein Unterdruck, und der Kolben mit der Ventilspindel wird
nach rechts bewegt, d. h. das Ventil geschlossen.
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Bei sinkender Drehzahl wird der Steuerkolben 19 angehoben, und Drucköl
fließt durch die Leitung 23 in den Servomotorzylinder, wodurch der Servomotorkolben
5 nach links bewegt und das Ventil i geöffnet wird.
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Die Wirkungsweise des Regelspeichers wird am besten von Abb. q. ausgehend
betrachtet, in der das Ventil i geschlossen und der Regelspeicher entleert ist.
Der Speicherkolben ist dabei durch die Feder q an den Servomotorkolben 5
und dieser in seine rechte Endstellung gedrückt.
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Dies ist der Fall, wenn die Ölpumpe 1o stillsteht, d. h. der Öldruck
gleich Null ist. Wird nun die Ölpumpe in Betrieb gesetzt und ferner angenommen,
daß der Steuerkolben ig sich in seiner Mittellage befindet, so steigt vorerst nur
der Öldruck im Speicherrauen 2o. Die Feder g ist beispielsweise so bemessen, daß
der Speicherkolben 8 bei steigendem Öldruck im Raum 2o sich erst zu bewegen anfängt,
wenn der Öldruck 2 kg/cm= überschreitet, wie dies auch aus dem Diagramm Abb. 5 hervorgeht.
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Steigt nun der Druck im Speicherraum 2o weiter an, dann bewegt sich
der Speicherkolben 8 nach links, bis er bei Erreichung des höchsten Druckes von
d. kg/cm@ den Überlauf 14 öffnet. Der Speicherkolben 8 dient also gleichzeitig als
Druckbegrenzungsventil für die Ölpumpe, so daß das sonst hierfür übliche besondere
Ventil wegfällt.
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Nach dem bisher beschriebenen Vorgang ist der Speicher nunmehr aufgeladen,
und im Speicherraum 2o herrscht ein Druck von 4. Atm. Diese Stellung ist in den
Abbildungen nicht dargestellt.
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Ist die Drehzahl der Maschine niedriger als die normale Drehzahl,
so sind die Kugeln des Geschwindigkeitsreglers 18 in einer tieferen Stellung als
bei normalem Betrieb, und infolge davon ist der Steuerkolben ig über seine Mittellage
angehoben. Der Steuerkolben ig ist als Doppelkolben ausgebildet. Den Zufluß oder
Abfluß des Öles regelt aber nur der obere der beiden Kolben. Der untere Kolben dient
lediglich zum Druckausgleich. Da, wie vorhin angenommen, der Kolben ig über seiner
in Abb. 2 dargestellten Mittellage sich befindet, so ist der Zufluß des Öles von
der Pumpe io durch die Leitung 23 in :den Druckraum 25 des Servomotorzylinders freigegeben.
Das in den Raum 25 eintretende Öl drückt den Servomotorkolben 5 nach links und bewirkt
ein Öffnen des Ventils i, so daß Dampf zu der Kraftmaschine, deren Geschwindigkeitsregler
18 in dem Ausführungsbeispiel dargestellt ist, strömt.
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Reicht nun die von der Pumpe io .geförderte Ölmenge nicht aus, um
Ventil i genügend rasch zu öffnen, so wird die Drehzahl, der Maschine weiter sinken,
und der Steuerkolben ig wird durch die tiefer gehenden Kugeln des Geschwindigkeitsreglers
noch mehr angehoben, so daß der Eintrittsquerschnitt sich vergrößert. Hierdurch
tritt in der Leitung 21 hinter der Pumpe io ein Druckabfall ein, der sich auch bis
zum Speicherraum 2o fortpflanzt. Infolge davon wird Öl aus dem Speicherraum 2o durch
die Feder g. und den Speicherkolben 8 herausgedrückt und gelangt über die Leitung
21 und 23 zusammen mit dem von der Pumpe io geförderten Öl in den Druckraum 2:5.
In dem beschriebenen Falle strömt also nicht nur Öl von der Pumpe io in .den Druckraum
25, sondern es wird auch durch die Feder g und den Speicherkolben 8 Drucköl von
der einen Seite des Differentialkolbens über den Steuerkolben 1g auf die andere
Seite des Differentialkolbens gepreßt. Der Steuerkolben 8 und der Differentialkolben
5 bewegen sich in entgegengesetzter Richtung. Der Raum zwischen den beiden Kolben,
d. h. der Speicherraum 20, windverkleinert und somit der Speicher selbst in der
beschriebenen Weise entladen.
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Nimmt man bei der in Abb. 3 gezeichneten Stellung an, daß der Geschwindigkeitsregler
und damit auch der Steuerkolben ig in seiner Mittellage sich befindet, so wird das
von der Pumpe io geförderte Öl in den Raum 2o gedrückt und dadurch der Speicherraum
gefüllt, indem unter Drucksteigerung der Speicherkolben 8 gegen die Feder g nach
links gedrückt wird. Man gelangt dadurch zu der in Abb. 2 dargestellten Stellung.
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Die Pumpe io fördert gleichmäßig eine verhältnismäßig kleine Ölmenge.
Wird zur Verstellung des Servomotorkolbens bei plötzlich auftretenden Impulsen mehr
Öl benötigt, als die Pumpe io liefert, so wird die fehlende Ölmenge aus dem Speicherraum
2o selbsttätig entnommen. Wenn umgekehrt die Pumpe io mehr Öl fördert, als für den
Betrieb des Servomotors erforderlich ist, so geht die überschüssige Ölmenge in den
Speicherraum 20, wodurch der Speicheraufgeladen wird. Ist in dem Speicher 2o der
Höchstdruck erreicht, so
fließt das überschüssige Öl über die Leitung
1d. in den Ölbehälter zurück.
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Der Differentialkolben 5 wird zweckmäßigerweise so ausgeführt, daß
die wirksamen Flächen des Kolbens im Verhältnis 2 : i stellen. Im Gleichgewichtszustand
des Reglers muß somit der Druck im Raume 25, abgesehen von der Ungleichförmigkeit
des Regelorgans, gleich dem halben Druck im Raume 20 sein. Ferner wird der gesamte
Hub des Speicherkolbens 8 zweckmäßigerweise doppelt so groß wie :der volle Hub des
Servomotorkolbens 5 gewählt.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Servomotorkolben selbst
bei sehr kleiner Fördermenge der Ölpumpe außerordentlich rasch von seiner Schließstellung
in seine Oftenstellung bewegt werden kann.
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Nimmt man z. B. an, daß das Ventil ganz geschlossen und der Speicher
ganz geladen ist und daß nun der Steuerkolben plötzlich sehr weit öffnet, dann bewegt
sich der Servomotorkolben 5 von der in Abb. .4 gezeichneten Stellung in die in Abb.
3 gezeichnete Lage. Der Speicherkolben 8 geht dagegen von der in Abb. 2 dargestellten
Lage in die in Abb. 3 gezeichnete Stellung.
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Offenbar ist dabei das aus dem Speicherraum 20 verdrängte Ölvolumen
gleich dem in den Raum 25 eingetretenen Ölvolumen, @da die Fläche des Speicherkolbens
8 zwar halb so groß ist wie die. rechte Fläche des Servoniotorkolbens 5, der gesamte
Verdrängungshub im Speicherraum 2o durch die gegenläufige Bewegung der beiden Kolben
dagegen doppelt so groß wie im Raume 25.
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Die Abmessung der Speicherräume und der Kolbenhübe kann na,ürli,-h
auch in anderer Weise als in vorstehendem Beispiel gewählt werden. Die Größe des
Speicherraumes wird bemessen nach der Anzahl der Impulse in der Zeiteinheit und
nach der absoluten Größe der Impulse.
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Nach Abb. 6 sind zwei Servomotoren 26
und 27 an eine einzige
Ölpumpe io angeschlossen. Wären in den Abzweigleitungen 28, 29 die Drosselvorrichtungen
30 und 31 nicht vorhanden, so würde infolge der kürzeren Entfernung der größte
Teil des von der Pumpe io gelieferten Öles in den Servomotor 27 strömen, so daß
es Schwierigkeiten bereiten würde; den im Servomotor 26 angeordneten Speicher aufzuladen.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind die eingezeichneten Drosselvorrichtungen
30 und 31 in den Abzweigleitungen angeordnet: Die Drosselvorrichtungen sind
so zu bemessen, daß durch jede dieser Vorrichtungen `etwa die Hälfte der von der
Pumpe io geförderten Ölmenge strömt. Wenn nunmehr in dem Servomotor 27 plötzlich
viel Öl benötigt wird, so kann es nicht mehr vorkommen, daß der Servomotor 27 die
für den Servomotor :26> benötigte Ölmenge wegnimmt.
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Die Erfindung kann für Servomotoren verwendet werden, die zur Übertragung
der verschiedensten Impulse auf beliebige Regel-oder Absperrvorrichtungen dienen.
Als Impulse können Drücke, Temperaturen, Mengen; elektrische Größen odersonstige
Impulse verwendet werden. Die Regelvorrichtung kann in Absperrventilen, Schiebern
für Dampf, Gase, Wasser oder andere Medien oder in sonstigen Einrichtungen, wie
Einstellvorrichtungen für elektrische Widerstände o. dgl., bestehen.
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Die Erfindung ist auch unabhängig davon, mit welchen Mitteln der Impuls
auf die Druckflüssigkeit übertragen wird.