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Stand der Technik:
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Üblich ist
es, unter hohem Innendruck pulsierende Räume dadurch zu erzeugen, dass
ein Kolben in einem Zylinder hin und her bewegt wird. Die Leckage,
die dabei auftritt, wird üblicherweise
durch eine Leckölpumpe
ausgeglichen. Diese fördert
in eine Leitung, die einer-seits über ein Rückschlagventil mit dem pulsierenden
Raum und andererseits über
ein Druckbegrenzungsventil mit dem Ölvorratsbehälter verbunden ist.
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Meist
ist diese Leitung außerdem
mit einem Pulsationsdämpfer
verbunden. Auf diese Weise wird der Mindestdruck in dem pulsierenden
Raum über das
regelbare Druckbegrenzungsventil geregelt.
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Der
Maximaldruck kann auf verschiedene Weise geregelt werden. Am häufigsten
wird der Kolben über
einen hydraulisch betätigten
zweiten Kolben bewegt und so auch der maximale Innendruck eingeregelt.
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Kolben
und Zylinder zusammen bezeichnet man auch als Druckübersetzer,
weil der Druck im zweiten Zylinder nicht über den bei hydraulischen Pulseinrichtungen – sog. Hydropulser – üblicherweise
max. möglichen
Druck von 300 bar steigen kann.
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Bekannt
ist auch, den ersten Kolben über Unwuchtwellen
anzutreiben. Wird die Leckage in oben beschriebener Weise ausgeglichen,
ist ein eigenes Hydraulikaggregat dafür notwendig. Problematisch
ist dabei vor allem die Einleitungsöffnung für die Leckagezufuhr, weil eine
hoch beanspruchte Verschneidung entsteht.
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Erfindungsgemäß wird eine
separate Speisepumpe mit Zubehör
sowie eine bruchgefährliche Öffnung im
Zylinder oder auf dem Zylinderboden auf folgende Weise vermieden:
Wie
in 1 dargestellt, wird der Kolben 1 sowie
der Zylinder 2 mit je einem Durchmessersprung versehen,
so dass ein Ringraum 3 entsteht, der den Arbeitsraum einer
Pumpe darstellt, die über
das Saug- bzw. Einlassventil 4 bei Saughub Fluid ansaugt
und über
das Druckventil 5 in den Druckraum 6 fördert, wenn
der Kolben den anschließenden
Druckhub ausführt.
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Der
Druckraum 6 ist über
eine Öffnung
bzw. Leitung 7 mit dem unter pulsierenden Druck zu setzenden,
hier nicht gezeichneten Bauteil verbunden.
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Die
Krafteinleitung erfolgt in 1 beispielhaft über den
Exzenter 8. Sie kann aber auch über einen Kurbeltrieb, einen
zweiten Hydraulikzylinder, einen Unwuchtmotor oder ein schwingendes
Feder-Massesystem erfolgen, das z. B. über einen Elektromagneten angeregt
wird. Der Druck im Druckraum 6 steigt laufend. Erreicht
er die gewünschte
Höhe, muss
durch eine geeignete Maßnahme
dafür gesorgt
werden, dass er nicht weiter ansteigt. Dies kann z. B durch ein
Druckbegrenzungsventil erfolgen oder eine sogenannte Saugventilanhebung
am Ventil 4. Dabei wird der Ventilkegel (in 1 ist
es eine Kugel) durch z. B. einen magnetisch betätigten Stift am automatischen
Schließen
gehindert. Auf diese Weise wird beim Druckhub der Arbeitsraum 3 nicht
mehr verdichtet und im Druckraum 6 sinkt der Druck wegen der
Leckage langsam ab, bis die Saugventilanhebung wieder aufgehoben
werden kann.
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Der
Minimaldruck im Druckraum 6 kann z. B. durch einen veränderbaren
Hub eingeregelt werden. Möglich
ist auch, den Hub konstant (zu groß) zu belassen, den Maximaldruck
durch das Druckbegrenzungsventil 9 zu begrenzen und den
Minimaldruck aufrecht zu erhalten.
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Der
Maximaldruck kann auch dadurch eingeregelt werden, dass die Betätigungskraft
mittels eines kraftgeregelten Hydropulszylinders aufgebracht wird.
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Das
gleiche gilt für
den Minimaldruck. Dabei wandert aber die Mittellage des Kolbens,
je nachdem wie groß die
Leckage ist im Vergleich zur Fördermenge
der Leckagepumpe ist. Die Leckagefördermenge muss deshalb geregelt
werden, sei es mit Hilfe des Ventils 9 oder des Ventils 4 in
der oben beschriebenen Weise.
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Eine
Druckerzeugung nach 1 auf eine der beschriebenen
Weisen hat bei höheren
Drücken, d.
h. bei Drücken über 2000
bis 3000 bar aber den Nachteil, dass in dem Pumpenraum, d. h. dem
Ringraum 3, der max. Druck auftritt, bedeutsam, weil bruchgefährdend.
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Bei
einem energiesparenden Antrieb über
einen Exzenter oder Kurbeltrieb, bei dem im Gegensatz zum hydraulischen
Antrieb die Kompressionsarbeit, abgesehen von der Leckagearbeit,
zurückgewonnen
wird, wirkt sich zudem der Nachteil, dass der Maximaldruck über das
Druckbegrenzungsventil 9 geregelt werden muss, entscheidend
aus. Es bedeutet die Notwendigkeit eines verschleißbehafteten Überströmventils
bei hohem Differenzdruck. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird
erfindungsgemäß besser
nach 2 verfahren. Hierbei wird zwar auch ein Ringraum 3 zwischen
dem Stufenkolben 1 und dem Stufenzylinder 2 hergestellt,
dieser verkleinert sich aber nicht beim Druckhub, sondern beim Rückhub.
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Das
hat den Vorteil, dass der abgestufte Teil des Zylinders, der besonders
bruchgefährdet
ist, nicht mit dem Maximaldruck beaufschlagt wird. Das Rückschlagventil 5 öffnet, d.
h., bewegt sich nur bei Erreichen des Minimalhubs im Druckraum 6.
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Das
Druckhalteventil 9 wird ebenfalls nur mit dem Minimaldruck
beaufschlagt und durchströmt. Um
zu vermeiden, dass während
des überwiegenden Teil
des Rückhubs
dieses Ventil 9 durchströmt wird, nämlich solange, bis sich der
Druck im Druckraum 6 bis auf den Minimaldruck abgebaut
hat, wird vorteilhafterweise der Ringraum 3 mit einem Pulsationsdämpfer 10 verbunden.
Das bringt überdies
den Vorteil, dass der Durchmesser-sprung kleiner gehalten werden
kann, weil der Minimaldruck, d. h. der Vordruck im Druck-speicher
gespeichert wird, d. h., die Leckageausgleichsmenge wird während des
gesamten Rückhubs
in den Druckspeicher gefördert
und gen Ende des Rückhubs,
wenn der Druck im Druckraum unter den gewünschten Minimaldruck abgesunken
ist, schneller in den Druckraum gefördert. Der Durchfluss, sowohl
durch das Einströmventil 4 wie auch
durch das Druckbegrenzungsventil 9 entspricht dann lediglich
der Leckage zwischen Ringraum und Umgebung, die wesentlich kleiner
ist als bei der Anordnung nach 1, weil bei 2 der
Druck im Ringraum max. bis zum Miminumdruck ansteigt. Die Leckage
aus dem Druckraum wird auf diese Weise im wesentlichen in dem Pulsationsdämpfer gespeichert.
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Wird überdies
der Kolben über
eine Membrane 11 in 3 leckagefrei
mit dem Zylinder verbunden, was bei geringen Minimaldrücken problemlos möglich ist,
tritt das Ventil 4 nur bei Beginn des Pulsationsvorgangs,
nämlich
beim erstmaligen Aufladen des Druckraums in Aktion. Bei ausreichend
dimensioniertem Pulsationsdämpfer 10 bleibt
das Überströmventill 9 in
Ruhe, das heißt,
ist ohne Verschleiß.
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Bei
sehr hohen Drücken,
nämlich
Drücken über 6000
bar, wirkt sich bei dieser Version jedoch der Umstand nachteilig
aus, dass der dem Antrieb zugewandte Teil des Kolbens einen kleineren
Durchmesser aufweist als der dem Druckraum zugewandte Teil desselben
(vgl. 2). Das bedeutet, dass der dünnere Teil eine Druckspannung
erfährt,
die um den Faktor (D2/d)2 größer ist,
wobei d der Durchmesser der dünneren
Teils und D der Durchmesser des dickeren Teils ist. Da der dickere
Teil aber bereits mit einer Druckspannung gleich dem Maximaldruck
im Druckraum, d. h. z. B. 6000 bar = 600 MPa beaufschlagt ist, wird
der dünnere
Teil, berücksichtigt
man, dass es sich um eine dynamische Beanspruchung handelt und zudem
Kerbwirkung u. a. wegen der Querschnittsveränderungen auftritt, übermäßig beansprucht.
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Um
diese Schwachstelle zu vermeiden, empfiehlt es sich zumindest bei
sehr hohen Drücken eine
Anordnung entsprechend 3 zu realisieren.
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Hierbei
weist sowohl der Kolben als auch der Zylinder einen Durchmessersprung
auf, so dass, wie in 3 ersichtlich, ein Ringraum 12 und 13 entsteht. Über das
Rückschlagventil
wird z. B. aus einem Behältnis
Fluid beim Rückhub
des Kolbens in den Ringraum 12 angesaugt. Wird dieser Ringraum 12 so
dimensioniert, dass er mehr Fluid aufnimmt als von dem Druckraum
in diesen Ringraum 12 Leckage einströmt, wird die Leckage beim Rückhub vollständig von
diesem Ringraum a aufgenommen. Durch das Rückschlagventil strömt vorteilhafterweise
nur so viel, wie der Ringraum zur Funktionssicherheit zu groß dimensioniert
ist. Beim Rückhub
wird die Leckage plus die zu viel angesaugte Menge plus die Leckage
während
des Druckhubs, d. h., die gesamte Leckage über das Rückschlagventil 14 in
den Ringraum 13 gefördert.
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Um,
wie oben erwähnt,
die Druckbeanspruchung in dem dem Antrieb zugewandten Kolbenteil gering
zu halten, wird vorteilhafterweise der Durchmesser des Kolbens an
diesem Ende nicht kleiner ist als an dem dem Druckraum zugewandten
Ende gehalten. Das hat aber zur Folge, dass der Ringraum b nicht
groß genug
ist, um die Leckage, die insgesamt, d. h. während des Druck- und Rückhubs auftritt,
aufzunehmen. Ein angeschlossener Druckspeicher 10 sorgt
für Abhilfe.
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Vorteilhafterweise
wird der Druckspeicher und das Druckbegrenzungsventil im Ringraum 13 als Kombination
ausgeführt,
indem z. B. ein Kolben 15 an einem Ende vom Druck im Ringraum 13 beaufschlagt
wird und sich an anderen Ende auf eine einstellbare Feder 16 abstützt, wobei
der Kolben 15, wenn der Druck im Ringraum 13 über den
gewünschten
Druck ansteigt, über
z. B. einen ringförmigen
Einstich den Ringraum mit dem unter Umgebungsdruck stehenden Vorratsbehälter verbindet.
Das Volumen, das dieser Kolben 15 bis zum Überströmen freigibt, stellt
das gespeicherte Volumen dar.
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Wird
das speicherbare Volumen groß genug gewählt und
außerdem
Leckage vom Ringraum 13 nach außen unterbunden, z. B. durch
eine Doppelmembrane 11, wie in 3 dargestellt,
tritt das Einlassventil 4 nur bei Beginn des Pulsvorgangs
zum Einbringen und Entlüften,
z. B. mittels eines nicht gezeichneten Entlüftungsventils in Aktion. Anschließend ist
das gesamte System von der Umgebung getrennt, es sei denn, der Prüfling leckt.
Das über
das Einlassventil 4 angesaugte Volumen kann als Bruchkriterium
bezüglich
der Probe verwendet werden, weil das Ansaugvolumen genauer und schneller
zu messen ist als das an der Probe austretende.
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Die
Diosselwärme,
die am Spalt zwischen Kolben und Zylinder auftritt, kann leicht
durch Kühlen der
Zylinder von außen
abgeführt
werden, weil der metallische Zylinder einen guten Wärmeleiter
darstellt.
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Ist
der gewünschte
Minimaldruck im Druckraum relativ hoch, z. B. 2000 bar oder höher, so
ist der Ringraum 13 mit seinen Verschneidungen und damit
Kerbwirkungen kaum noch dauertest zu gestalten. Dies gilt auch für die Membrane 11.
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Eine
Abhilfe kann eine zweistufige Ausführung beispielsweise nach 4 bringen.
Hierbei findet der Druckraum 6 über den Zusatzkolben 17 Fortsetzung
in den Hochdruckraum 18.
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Dieser
Zusatzkolben 17 weist vorteilhafterweise eine zentrische
Bohrung und ein vorgespanntes Hochdruckrückschlagventil 19 auf.
Ist der Durchmesser des Zusatzkolbens kleiner als der des Kolben 1 am
druckseitigen Ende, so bewegt sich der Zusatzkolben entsprechend
seiner Querschnittsfläche
relativ zu der des Kolbens 1 schneller als der Kolben 1. Weist
der Zusatzkolben einen Anschlag 20 auf, der seinen Weg
begrenzt und eine Rückholfeder 21,
die in ihrer Wirkung stärker
ist als die Druckhaltefeder 19 am Hochdruckventil 19,
spielen Kolben und Zusatzkolben wie folgt zusammen:
Zu Beginn,
wenn alle Räume
Umgebungsdruck aufweisen, liegt der Zusatzkolben wegen der Feder 21 am
Kolben an. Bei der Bewegung der Kolbens in den Druckraum hinein
baut sich der Druck im Druckraum schneller auf als im Hochdruckraum,
weil bzw. wenn das jeweils eingeschlossene Volumen relativ zum jeweils
verdrängten
Volumen im Druckraum kleiner ist als im Hochdruckraum. Sobald diese
Druckdifferenz groß genug
ist, um die Kraft der Feder 21 am Zusatzkolben 17 zu überwinden,
löst sich
der Zusatzkolben vom Kolben. Der Zusatzkolben kommt dadurch vor dem
Kolben, der durch den Flansch 20 am Zylinder abgebremst
wird, zum Still-stand. Während
des verbleibenden Wegs des Kolbens wird Fluid vom Druckraum in den
Hochdruckraum gefördert.
Bezüglich des
Systems ohne Zusatzkolben ist dies mit einer Leckage gleichbedeutend.
Diese Leckage am Kolben wird in der oben beschriebenen Weise gegen
Ende des Rückhubs
ausgeglichen, durch Einströmen
vom Druckspeicher 10 durch das Rückschlagventil 5.
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Beim
Rückhub
des Kolbens 1 baut sich der Druck im Druckraum 18,
wie oben erklärt,
schneller ab als im Hochdruckraum. Der Zusatzkolben 17 liegt deshalb
am Kolben 1 an; außerdem
baut sich der Druck im Hochdruckraum langsamer ab. Es bleibt ein höherer Restdruck
im Hochdruckraum als im Druckraum.
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Auf
diese Weise wird erreicht, dass der auf den Prüfling wirkende Mindestdruck
höher ist
als ohne diesen Zusatz, ohne dass der Druckspeicher 10 und
das Überströmventil
stärker
beansprucht werden. Beim nächsten
Druckhub bleibt wegen des höheren
Ausgangsdrucks im Hochdruckraum der Zusatzkolben mit dem Kolben
in Kontakt, bis kurz vor Ende des Druckhubs. Der eilt dann wegen
der Leckage vom Hochdruckraum zum Druckraum hin voraus. Während des
restlichen Hubs des Kolbens in den Druckraum hinein steigt der Druck
im Hochdruckraum an und fördert über das
Rückschlagventil 19 eine
der Leckage adäquate
Menge in den Hochdruckraum. Auf diese Weise kann z. B. ein Prüfling mit
Drücken
zwischen 7000 bar und 8000 bar getestet werden, also mit einer relativ
geringen Druckamplitude und relativ hohem Minimaldruck, ohne dass
die Leckagerückführung technische
Schwierigkeiten bringt, weil kein externes Leckagegerät mit hohem Druck
nötig ist
und auch keine festigkeitsrelevante T-Verschneidung o. ä. zur Leckagerückführung in den
Hochdruckraum.
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Bei
allen beschriebenen Varianten treten sowohl am Kolben als auch am
Zylinder Querschnittssprünge
und damit Spannungsspitzen (Kerbwirkung) auf. Um eine Überbeanspruchung
zu vermeiden, empfiehlt sich:
- a) Beim Kolben
den
Teil, der dem Antrieb zugewandt ist, vom dem restlichen Kolben zu
trennen. Auf diese Weise kann auch die Kerbwirkung an der Stelle,
wo vom Ringraum 13 Fluid über die Leitung 22 dann
zum Rückschlagventil 5 zugeführt wird,
weitgehend entschärft
werden, weil an der Stelle, an der bei einer Querbohrung ein Riss
entstehen würde,
bereits eine Trennung vorliegt. Diese Trennung hat allerdings den
Nachteil, dass beim Rückhub
der mittlere und dem Druckraum zugewandten Teil des Kolbens nicht
folgt, wegen der Querschnitts- und Druckverhältnisse nach dem Abbau des Drucks
im Druckraum. Dass die beiden Kolbenteile sich trennen, kann aber
verhindert werden, z. B. indem, wie in 5 dargestellt,
die beiden Kolbenteile mittels eines Kerns 23 verbunden
sind, wobei der Kern 23 so dimensioniert ist, dass er die auf
ihn wirkende Zugkraft erträgt.
Dies ist möglich, wenn
er entsprechend den Regeln für
Zugproben gestaltet ist.
Der zweite Querschnittsübergang
am Kolben ist nicht gefährdet,
weil an ihm keine Zugspannungen auftreten.
- b) Beim Zylinder
Kerbwirkungen am Zylinder können dort,
wo sie gefährlich
sind, durch die bekannte "Sandwichbauweise" entschärft werden,
d. h., der Zylinder wird wie der Kolben geteilt und durch vorgespannte
Spannschrauben und Dichtflächen
in bekannter Weise zusammengehalten und nach außen abgedichtet.
Erfolgt
der Antrieb über
einen Kurbeltrieb, z. B. einen Exzenter, ist es vorteilhaft, den
Maximaldruck durch Veränderung
des schädlichen
Raums, d. h. des Druckraums 6, durch einen Gegenkolben 24, wie
in 3 ersichtlich, zu verändern, indem dieser Gegenkolben
z. B. über
eine Spindel 25 hin- und herbewegt wird.