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Mehrstufendruckerzeuger, bei dem ein doppeltwirkender Kolben mehrere
hydraulische Druckerzeugerkolben in wechselnder Schaltung antreibt Es ist bekannt,
bei Hebeeinrichtungen neben anderen Energiearten als Betriebsmittel insbesondere
Druckluft zu verwenden, da diese sich sowohl bei ortsfesten wie auch beweglichen
und auf Fahrzeugen aufgebauten Anlagen verhältnismäßig einfach erzeugen und auch
speichern läßt. Die Druckluft kann hier gleichzeitig noch für verschiedene andere
Zwecke Verwendung finden.
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Die Drücke, mit welchen dabei gearbeitet werden kann, können jedoch
gewöhnlich nicht über ein gewisses Maß hinaus gesteigert werden mit Rücksicht auf
die sonst in den gesamten Teilen der Anlage, wie Leitungen, Ventile, Behälter und
Auslaßorgane, entstehenden hohen Beanspruchungen und außerdem in Hinblick auf die
besonders umfangreichen und schwierigen Vorkehrungen zur Abdichtung, vor allem an
beweglichen Teilen, die zur Gewährleistung der Betriebssicherheit getroffen werden
müßten.
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Bei den normalerweise anwendbaren Preßluftdrücken ergibt sich nachteiligerweise
zur Bewältigung großer Lasten die Notwendigkeit, auch dementsprechend große Pressenabmessungen
und Kolbenquerschnitte zu verwenden. Dies tritt besonders in Erscheinung, wenn,
wie bei fahrbaren Anlagen, aus baulichen Gründen das Speichervolumen der Druckluft
begrenzt ist und teleskopartig ineinander verschiebbare Pressenkolben verwendet
werden müssen. Während hier die nacheinander in Tätigkeit tretenden Kolben fortlaufend
höhere Luftdrücke entsprechend ihren sich verringernden Querschnitten benötigen,
sinkt der dem Speicherbehälter entnehmbare Druck entsprechend dem bei Druckluftentnahme
auftretenden adiabatischen
oder polytropen Druckabfall. Es stehen
hier also zwei genau gegensätzliche Forderungen einander gegenüber, die sich nicht
verwirklichen lassen, und es ist infolgedessen, wie sich auch in der Praxis erwiesen
hat, gespeicherte Druckluft als direkte Energiequelle für den Antrieb von solchen
Hebeeinrichtungen, besonders mit Teleskopkolben, ein ungeeignetes :Mittel.
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Unmittelbar mit Druckluft betriebene Hebeeinrichtungen können also
nur mit Einkolbenhebern arbeiten, jedoch sind hier, vor allem bei beweglichen Anlagen,
wie z. B. bei Kippern, bezüglich Kolbendurchmesser und -hub bauliche Grenzen vorhanden.
Der hierbei durch den Druckabfall bedingte Kraftüberschuß ruft durch hohe Beschleunigungen
verursachte schädliche Massenkräfte in der zu hebenden Last hervor, die auf die
Dauer zu Beschädigungen der Hebeeinrichtung und ihres Unterbaues, z. B. des Fahrgestells,
führen.
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Hebeeinrichtungen mit Luftdruck unter Zwischenschaltung eines hydraulischen
Druckmittels, z. B. Öl, können die oben angeführten Mängel beseitigen, wenn sie
den Anforderungen eines Teleskopkolbens gerecht werden. Druckluftbetriebene Ölpumpen
können rationell nur auf hydraulische Einkolbenheber arbeiten, haben begrenzte Verwendungsmöglichkeiten
und sind wenig geeignet, wenn die Hubdauer kurz sein soll. Um hier Abhilfe zu schaffen,
hat man für Hebeeinrichtungen Druckwandler gebaut, die- ein zügiges Ausfahren des
Teleskopkolbens unter Berücksichtigung seines Druckverlangens gewährleisten.
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Ein solcher Druckwandler arbeitet z. B. mit zwei hydraulischen Druckerzeugern,
die von einem doppeltwirkenden Druckluftkolben angetrieben werden., Dadurch lassen
sich zwei hydraulische Druckstufen, eine für den Anfangs- und eine für den Endzustand
des Hebevorganges, erzeugen. Dieser Druckwandler zeigt bereits seine Überlegenheit
gegenüber anderen Systemen in einer eindeutigen Gleichförmigkeit des Ausfahrens
der Teleskopkolbenpresse, in der Kürze der Hubzeit und in einem relativ kleinen
erforderlichen Speichervolumen, ist aber in seiner Hubleistung ebenfalls an gewisse
Grenzen gebunden.
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Es ist weiter auch bekannt, bei hydraulischen Treibapparaten verschieden
große Flüssigkeitsmengen unter verschiedenem Druck dadurch zu fördern, daß man eine
im Durchmesser abgesetzte Treibstange verwendet, wobei entweder die Kreisfläche
der Stange oder die Kreisringfläche des Absatzes oder beide Flächen gemeinsam zur
Wirkung kommen können.
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Bei einer anderen Bauart hat man drei Preßwasserzylinder verwendet,
die so geschaltet werden können, daß entweder nur der mittlere oder nur die beiden
seitlichen oder sämtliche Zylinder arbeiten können.
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Bei diesen Einrichtungen arbeitet jedoch immer der ausgeschaltete
Teil infolge der starren Verbindung mit dem Antriebskolben zusammen und pumpt nutzlos
Flüssigkeit hin und her, so daß, da neben den Reibungswiderständen auch die beträchtlichen
Massenkräfte zu überwinden sind, erhebliche Leistungsverluste entstehen. Es ist
mit diesen Konstruktionen auch nicht möglich, zugleich mit dem Druckhub die für
den nächsten Hub erforderliche Flüssigkeitsmenge anzusaugen, sondern es ist ein
besonderer, von dem Druckhub getrennter Saughub notwendig. Ein selbsttätiges Arbeiten
ist ebenfalls nicht möglich, sondern es ist für jede Druckstufe eine besondere Umstellung
durch das Bedienungspersonal erforderlich. Da ferner für den Antrieb lange Kolbenstangen
verwendet werden müssen und die hydraulischen Zylinder samt Kolben völlig getrennt
sind und je für sich arbeiten, ergeben sich neben geringem Wirkungsgrad und umständlicher
Handhabung ein verwickelter Aufbau, hohes Gewicht und große bauliche Abmessungen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrstufendruckerzeuger,
bei dem ein doppeltwirkender Kolben mehrere hydraulische Druckerzeugerkolben in
wechselnder Schaltung antreibt. Dabei stehen erfindungsgemäß zwei Druckerzeugerkolben
ohne Zwischenschaltung von Kolbenstangen mit dem Antriebskolben in fester Verbindung,
während ein weiterer Druckerzeugerkolben in dem Gehäuse des Antriebskolbens feststehend
angeordnet ist. Die beiden mit dem Antriebskolben in fester Verbindung stehenden
Druckerzeugerkolben sind miteinander ebenfalls fest verbunden und lösen Druckkräfte
in entgegengesetzten Richtungen aus. Ferner haben diese beiden Druckerzeugerkolben
eine verschieden große wirksame Kolbenfläche. Der größere dieser beiden Druckerzeugerkolben
ist als Tauchkolben ausgebildet, und dieDruckmittelzu- und -abführung für den zugehörigen
Zylinder erfolgt durch ein in den größeren und den kleineren Druckerzeugerkolben
zentral durchsetzendes Führungsrohr. Außerdem ist der größere der beiden Druckerzeugerkolben
als Hohlkolben ausgebildet, in dessen Hohlraum der in dem Gehäuse des Antriebskolbens
feststehende, von einer Druckmittelzu- und -ableitung durchsetzte Druckerzeugerkölben
als Tauchkolben hineinragt. Der in dem Gehäuse des Antriebskolbens feststehende
Druckerzeugerkolben durchsetzt den Antriebskolben zentral und bildet dessen innere
Führung. Der feststehende Druckerzeugerkolben ist ferner als Ringkolben ausgebildet,
und seine Innenwand bildet den Zylinderraum für den kleineren mit dem Antriebskolben
in fester Verbindung stehenden Druckerzeugerkolben. Die Zylinderräume der drei Druckerzeugerkolben
sind mit einem gemeinsamen Steuerkopf verbunden, an den die Druckmittelzuleitung
und die Druckmittelableitung angeschlossen sind und in dem sich die selbsttätig
arbeitenden Saug- und Druckventile für jeden der drei Zylinderräume befinden.
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Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
im Längsschnitt.
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In einem Gehäuse i ist ein Kolben :2 in beiden Richtungen verschiebbar
und mit einem gleichzeitig die Kolbenstange bildenden Tauchkolben 3 fest verbunden.
Dieser verschiebt sich infolgedessen
entsprechend der Bewegung
des Kolbens 2 in einem Gehäuse q., welches an das Gehäuse i angeschlossen ist. Im
Gehäuse i ist ein weiterer feststehender Tauchkolben 5 angeordnet und bildet zugleich
eine innere Führung für den in beiden Richtungen darauf gleitenden Kolben 2. Im
Gehäuse q. befindet sich ein fest angeordnetes zentrales Führungsrohr 6, auf welchem
ein weiterer Kolben 7 im Innern des feststehenden Tauchkolbens 5 gleitend verschiebbar
ist. Der Kolben 7 ist mit dem Tauchkolben 3 durch die Stange 8 fest verbunden. Die
Kolben 2, 3 und 7 führen daher alle Bewegungen gemeinsam aus.
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An das Gehäuse i sind Steuerköpfe 9 und io für das Druckmittel des
Kolbens 2 sowie ferner ein Steuerkopf i i für das durch die als Druckerzeuger wirkenden
Kolben 3, 5 und 7 bewegte Medium angeschlossen.
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Der Antriebskolben 2 kann entweder elektrisch, mit Brennkraftstoff,
Dampf, Druckluft oder sonst zur Verfügung stehender Energie betrieben werden. Das
vorliegende Beispiel bezieht sich auf die Verwendung von Druckluft, da dies der
am häufigsten vorkommende Fall ist.
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Als Medium im Druckerzeuger kann jede Flüssigkeit, am besten Öl, angewendet
werden, w=enn es sich, wie in diesem Fall, vorwiegend um Hebeeinrichtungen handelt.
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Der Einlaß der Druckluft, die entweder von einem Speicherbehälter
entnommen oder laufend von einer Luftpumpe zugeführt werden kann, erfolgt durch
die Leitung 12, deren Einlaßventil mechanisch durch den Hebel 13 oder selbsttätig
durch eine Nockenwelle 14. gesteuert wird. Die einströmende Druckluft verschiebt
den Kolben 2 in Richtung 15, wobei die vom Kolben bei dieser Bewegung auf seiner
Rückseite verdrängte Luft durch Auslaßöffnungen im Steuerkopf io ausströmt.
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In gleicher Richtung wie Kolben 2 bewegt sich der Tauchkolben 3 im
Gehäuse q.. Das dabei unter entsprechendem Druck verdrängte öl gelangt über die
Öffnungen 16 in das zentrale Rohr 6 sowie den im Steuerkopf i i befindlichen Kanal
17 und das selbsttätige Druckventil 18 in die zur Presse der Hebeeinrichtung führende
Druckleitung i9. Da von den Druckerzeugerkolben 3, 5 und 7 der Tauchkolben 3 den
größten wirksamen Querschnittbesitzt. ergibt sich damit die niederste Druckstufe
zum Arbeitsbeginn einer Mehrstufenpresse der Hebevorrichtung für deren größten Kolben.
Das vom Kolben 7 bei dieser Bewegung angesaugte öl gelangt von einem Behälter über
die Zuleitung 20 zu den selbsttätigen Saugventilen 21 und 22 und hierauf über den
Kanal 23 in den Ringraum 24 zwischen dem Rohr 6 und der Innenwand des Tauchkolbens
5. Das gleichzeitig vom Tauchkolben 3 angesaugte.Öl strömt über die Leitung 2o und
die Saugventile 21 und 25 zu und gelangt durch eine im Tauchkolben 5 gelegene Verbindungsleitung,
die in Form von Bohrungen, Kanälen oder, wie die Abbildung zeigt, zweckmäßigerweise
als konzentrisch angeordneter Hohlraum 26 mit Kreisringquerschnitt ausgebildet sein
kann, ins Innere des Tauchkolbens 3. :Am Ende seines ersten Hubes in Richtung 15
schließt der Kolben 2 selbsttätig durch den Mitnehmer und Auslaßventi127 die Luftauslaßöffnungen
im Steuerkopf io und leitet unter gleichzeitigem Öffnen der ebenfalls im Steuerkopf
io befindlichen Zuleitung die Druckluft über das Rohr 28 auf die andere Seite des
Kolbens 2, welcher infolgedessen nun die zweite Hubbewegung in Richtung 29 durchführt.
Der Hohlkolben 3 wirkt dabei als Gehäuse, dessen Ölinhalt der Tauchkolben 5 entsprechend
seinem kreisringförmigen Querschnitt unter Druckerzeugung über den Hohlraum 26 mit
öffnen des selbsttätigen Druckventils 30 in die Druckleitung i9 preßt. Die
vom Kolben 7 verdrängte Ölmenge strömt durch den Kanal 23 und das ebenfalls
selbsttätig öffnende Druckventil 31 gleichzeitig in die Druckleitung, bei diesem
Hub addieren sich also die wirksamen Querschnitte der Kolben 5 und 7, welche kleiner
sind als der beim ersten Hub wirksame Querschnitt des Kolbens 3 und infolgedessen
durch den erhöhten Öldruck die zweite Stufe der Hebepresse zum Arbeiten veranlassen.
Das bei diesem zweiten Hub des Kolbens 2 vom Tauchkolben 3 angesaugte öl strömt
von der Zuleitung 2o durch die selbsttätigen Saugventile 21 und 32 über den Kanal
17 und das Rohr 6 durch die Öffnungen 16 in das .Gehäuse q. nach. Das Öffnen des
Saugventils 32 kann dabei mit Hilfe des Kölbchens 33 erfolgen, das sich durch den
erhöhten Druck der Leitung 19 entgegen der Wirkung einer Feder 3,4 verschiebt und
diese Bewegung durch ein Gestänge auf das Ventil 32 überträgt. Bei diesem zweiten
Hub des Kolbens 2 sind die beim ersten Hub geöffneten Saugventile 22 und 25 sowie
das Druckventil 18 selbsttätig geschlossen.
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Der dritte Hub des Kolbens 2, welcher nach dem selbsttätigen Umschalten
der Druckluftströmung in den Steuerköpfen 9 und io wieder in Richtung 15 erfolgt,
erhöht den beim zweiten Hub in der Leitung i9 erzeugten Druck, da der Tauchkolben
hierbei das unter diesem Druck stehende Öl im Gehäuse q über die Öffnungen
16 und das Rohr 6 in den Kanal 17 und über das selbsttätig öffnende Druckventil
18 in die Leitung i9 preßt. Der wirksame Querschnitt des Tauchkolbens 3 wird hierbei
um die wirksamen Querschnitte der Kolben 5 und 7 dadurch verringert, daß ein Teil
des vom Tauchkolben 3 verdrängten Drucköls in den Raum 24 und ins Innere des Tauchkolbens
3 nachströmen kann. Zu diesem Zweck sind die Saugventile 22, 25 und 32 geöffnet,
die beiden letzteren durch das Kölbchen 33, das sich entgegen der Wirkung der Feder
34 durch den erhöhten Druck so weit verschiebt, daß es diese beiden Ventile durch
das damit verbundene Gestänge offenhält. Das Saugventil 21 ist bei diesem Hub des
Kolbens 2 geschlossen, ebenso die Ventile 30 und 31. Auf diese Weise ist
der wirksame Querschnitt also kleiner als beim zweiten Hub des Kolbens 2, so daß
infolge des gesteigerten Öldrucks die dritte Kolbenstufe der Hebevorrichtung betätigt
wird.
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Beim vierten Hub des Kolbens 2 in Richtung 29 drückt der Kolben 7,
dessen Querschnitt hier allein
wirksam wird, das Öl über den Kanal
23 und das sich selbsttätig öffnende Druckventil 31 in die Leitung
i9, während im übrigen ein Druckausgleich über die weiter geöffneten Saugventile
-25 und 32 erfolgt und von der Zuleitung 2o Öl über das sich selbsttätig öffnende
Saugventil 2i nachströmt, soweit es nicht vom Tauchkolben 3 bei diesem Hub über
den Hohlrautn 26 des Tauchkolbens 5 und das Rohr 6 in .das Gehäuse q. verdrängt
wird. Saugventil 22 und Druckventile 18 und 30 sind dabei geschlossen. Bei
diesem Hub wird der höchste Öldruck in der Leitung i9 erzielt und damit die vierte
Stufe der Hubpresse in Tätigkeit gesetzt.
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Die Unterbrechung wie auch die Weiterführung der Vorgänge erfolgt
mechanisch oder selbsttätig durch den Hebel 13 bzw. die Steuerwelle 1:I,
welche das Einlaßventil der Druckluftzuleitung 12 schließt und öffnet. Mit dem Schließen
am Ende des vierten Hubs von Kolben 2 kann gleichzeitig zwangläufig das Ventil 35
geöffnet werden, welches die öldruck-und -saugleitung i9 und 2o miteinander verbindet,
so daß ein Druckausgleich erfolgt und durch die potentielle Energie der in ihre
Anfangsstellung zurückgehenden Hebeeinrichtung das Öl selbsttätig in den Sammelbehälter
zurückgebracht wird. Das Ventil 35 bildet zugleich auch eine selbsttätige
Sicherung gegen ein Überschreiten des für die Anlage zulässigen Höchstdruckes.
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Bei Anordnung von zusätzlichen Saug- und Druckventilen kann noch durch
weitere Kombinationen der drei ineinanderliegenden Druckerzeuger die Zahl der erreichbaren
Druckstufen beliebig gesteigert werden. Beispielsweise ergibt sich durch Hinzufügen
einer weiteren Ventilanordnung entsprechend den durch das Kölbchen 33 gesteuerten
Teilen noch die Möglichkeit, als weitere Abstufung der wirksamen Querschnitte den
Tauchkolben 3 allein, die Differenz der Tauchkolben 3 und 5 sowie den Kolben 5 allein
in Anwendung zu bringen.
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Die bewegten Kolben, Kolbenstangen und deren Führungsteile liegen
bei der beschriebenen Anordnung konzentrisch ineinander, was den Vorzug einer außerordentlich
vereinfachten und räumlich gedrängten Bauweise hat, Dies ist nur dadurch möglich,
daß jeder Teil gleichzeitig mehrere Funktionen ausübt.
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Der Tauchkolben 3 bildet zugleich die Kolbenstange für den Druckluftkolben
2 und das Gehäuse für den Tauchkolben 5 und hat damit eine dreifache Funktion, während
der Tauchkolben 5 auch als Gehäuse für den Kolben 7 und als Innenführung des Kolbens
:2 dient, also auf diese Weise ebenfalls einem dreifachen Zweck gerecht wird.
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Bei der besonderen Anordnung der Teile des Druckerzeugers und infolge
Erfüllung jeweils mehrfacher Aufgaben ist es durch die geschilderte selbsttätig
wirkende Ventilanordnung im Steuerkopf i i also ermöglicht, die wirksamen Querschnitte
der verschiedenen Kolben in einer den jeweiligen Erfordernissen der Anlage entsprechenden
Weise allein wirken zu lassen bzw. addierend oder subtrahierend bei den aufeinanderfolgenden
Hüben des Antriebskolbens zu koppeln und dadurch die nötige entsprechende Anzahl
von Druckstufen zu er-. halten.
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Naturgemäß läßt sich eine Anlage der beschriebenen Art nicht nur für
Hebeeinrichtungen verwenden. Sie kann grundsätzlich auch als Hochdruckschmierpresse,
Schmierstoffabfüllpumpe, Druckfördermittelerzeuger, als Druckerzeuger bei Metallpressen,
Stanzen, hydraulischen Hämmern u. dgl. benutzt werden, d. h. ihre -Anwendung ist
sinngemäß überall möglich, wo es sich darum handelt, Drücke verschiedener Höhe in
einer zweckentsprechenden Abstufung zu erzeugen.