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Titel: Antrieb einer hydraulischen Presse mit Schwungrad B chreibung
Die Erfindung betrifft einen Antrieb einer hydraulischen Presse mit hydük:ischen
Rückziigen, einem Schwungrad als Energiespeicher und einem in einem J:auptzylinderraum
mit Druckmittel beaufschlagten Preßkolben. Die Erfindung bezieht sich insbesondere
auf Gesenkschmiedepressen und Stauchpressen.
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Bei einem durch die deutsche Auslegeschrift 1 283 792 bekannten Pressenantrieb
mit Schwungrad steht der Preßkolben mittels Druckgas unter konstantem Druck und
wirken Schwungrad und Preßkolben über eine Spindel zusammen, Für einen Arbeitshub
wird aus den Rückzügen Druckflüssigkeit abgelassen, die für den Aufwärtshub weder
zugeführt werden muß. Die Störanfälligkeit der Spindel ist ein Nachteil dieses bekannten
Pressenantriebes.
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Ein großer Vorteil mechanischer Gesenkschmiedepressen ist ihre hohe
Schlagfolgezahl verbunden mit einer äußerst geringen Gesenkherührzeit. Bedingt durch
die geringe Gesenkberührzeit muß die Arbeitsenergrie in extrem kurzer Zeit abgegeben
werden können. Daraus
resultiert ein sehr großes Verhältnis von
Antriebsleistung zu Spitzenleistung, das in der Größenordnung von über 1:100 liegt.
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Die Arbeitsabgabe erfolgt durch das Schwungrad. Der Antriebsmotor
tiuß dann in der im Verhältnis zur Gesenkberührzeit sehr langen Taktzeit der Maschine
das Schwungrad wieder aufladen.
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Zu den Nachteilen der mechanischen Gesenkschmiedepressen gehören:
die recht unangenehme Abhängigkeit des Verformungsweges von der Pressengestelldehnung
mit der damit verbundenen Möglichkeit der Uberlastung bei nicht korrekt eingehaltener
Temperatur des Schmiedestückes, sowie ei falscher Einstellung der Presse, ferner
Festfahren der Presse im Totpunktbereich und die sehr hohe Beanspruchung des mechanischen
Triebwerksteiles.
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Wegen dieser Nachteile hat man verschiedentlich versucht, hydraulische
Gesenkschmiedpressen mit einer den mechanischen Pressen vergleichbaren Arbeitscharakteristik
zu entwickeln, bisher jedoch ohne durchgreifenden Erfolg.
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Eine Sehwerigkeit liegt darin, daß die erforderliche hydraulische
Leistung nicht der Durchschnittsleistung sondern der Spitzenleistung der Presse
entsprechen muß. Da ferner der Motor, entsprechend wie bei den mechanischen Pressen,
weniger als 1% der Spitzenleistung liefern soll, sind die üblichen Leerhubverluste
der hydraulischen Pressen von mehreren Prozent der Spitzenleistung für den vorliegenden
Fall undiskutabel Normale Pumpen mit der erforderlichen Spitzenleistung haben bauliche
Abmessungen, die ein Vielfaches dessen betragen was für eine derartige Maschine
zu
verkraften ist. Auch hinsichtlich der Kosten liegt eine solche Pumpe weit außerhalb
des tragbaren Bereichs.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Antrieb der anfangs
genannten Art derart zu gestalten, daß nicht nur das Schwungrad über eine Hydraulik
mit dem Preßkolben zusammenwirkt, sondern auch eine Verringerung von Verlusten erreicht
ist. Weitere Zwecke der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Unterschieden
zwisehen dem erfindungsgemäßen Antrieb und dem Stand der Technik.
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Die Erfindung sieht einen Antrieb der anfangs genannten Art vor, der
dadurch gekennzeichnet ist, daß bei unter konstantem Druck stehenden Rückzügen eine
Kolbenpumpe vorgesehen ist, die eine das Schwungrad tragende Exzenterwelle aufweist
und deren Pumpenzylinderräume einerseits über ein Saugventil mit einem Sammelbehälter
und andererseits mit em Hauptzylinderraum über ein Druckventil verbindbar sind,
und Saugventil und Druckventil während des Aufwärtshubes des Preßkolbens in Abhängigkeit
von der Stellung der Exzenterwelle derart steuerbar sind, daß das wechselweise öffnen
und Schließen im engeenesetzten Sinn wie beim Arbeitshub erfolgt.
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Ansatzpunkt für die Erfindung ist der Umstand, dalJ das erforderliche
Pumpenac,regat zwar hydraulisch einer normalen Pumpe entsprechen muß, hinsichtlich
des Pumpenkolbenantriebs, infolge der außerordentlich ,ering.en Spitzenhelastunt.szeitJ
jedoch wesentlich anders gestaltet werden kann. Ferner ist es möglich, die Pumpe
derart
als integrierenden Bestandteil in die Presse einzubauen, daß die sonst stets vorhandene
zusätzliche Pras.sensteuerung sowie die sonst stets vorhandene zusätzliche Umlaufeinrichtung
entfallen kann. Bei einem erSindungSgemäBen Antrieb wird, von geringfügigen mechanischen
Verlusten und DruckRlüssigReit-sverlusten abgesehen, weitgehend jeglicher Energieverlust
vermieden.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte AusSührungsforml der ErSindung
dargestellt und zeigt Fig. 1 schematisch eine Gesamtanordnung einer hydraulischen
Presse mit Antrieb und Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1.
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Im Pressengestell 1 ist der Preßkolben 2 mit dem Laufholm 3 und den
Rückzugskolben 4 auf- und niedergehend angeordnet. Die Rückzugskolben 4 werden über
die Zylinderräume 5, die Leitung 6, die Leitungen 7 und 8 und den Hilfszylinder
9 konstant durch den Druck des Akkumulators 10 beaufschlagt. Jede Pumpenzylindergruppe
besteht bei dem gezeichneten Beispiel des Erfindungsoegenstandes aus drei Pumpenkolben,
z.B. 11, 12 und 15 oder 14, 15 und 16 in Fig. 2. Die Pumpenkolben 12 und 13 haben
zusammen den gleichen Querschnitt wie der Pumpenkolben 11 allein. Selbstverständlich
kann der Pumpenkolben 11 auch durch zwei nebeneinanderliegende Kolben der gleichen
Größe wie Pumpenkolben 12 oder 15 ersetzt werden, was jedoch mehr Raum beansprucht.
Jede Pumpenzylindergruppe ist mit einer Pumpenventilgruppe 17 über eine Leitung
18 verbunden. Jede Pumpenventilgruppe enthält ein Druckventil 19 und ein Saugventil
20 mit den dazugehörigen Steuerantrieben
21 und 22,Jeder Steuerantrieb
21, 22 weist einen Steuerkolben 49,50 auf. Diese Anordnung bewirkt eine vollständige
Entlastung der ';Jellenzapfen 23 und 24 der das Schwungrad 48 tragenden Exzenterwelle
25 von den hydraulischen Pumpendruckkräften. Das gezeichnete Beispiel hat Je 6 Kolben
in drei Ebenen also insgesamt 18 Pumpenkolben. Hierzu gehören 6 Pumpenventilgruppen.
Der Ubersichtlichkeit halber ist von diesen nur eine gezeichnet. Selbstverständlich
können auch andere Kolben- und Ventilgruppenzahlen gewählt werden. Die Pumpenkolben
gleiten jeweils in einem Pumpenzylinderraum 51.
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Die Pumpenventilgruppen stehen über die Leitungen 26 und 27 mit dem
Hauptzylinderraum 28 in Verbindung. Ferner besteht die Verbindung 29 zum Sammelbehälter
30 und die Verbindung 51 zum Zylinderraum 52 der Uberhubenrichtung 33. In der Überhubeinrichtung
33 befindet sich der Kolben 34, der über den Zylinderraum 35 und die Leitung 8 unter
konstantem Akkudruck steht. Der Zylinderraum 36 steht über die Leitung 52 mit dem
Sammelbehälter 30 in Verbindung.
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Im Kolben 54 befindet sich im Raum 37 das federbelastete Rückschlagsicherheitsventil
)8. Der Raum 37 steht mit dem Zylinderraum 32 liber die Bohrung 59 in offener Verbindung.
Oberhalb des Sicherheitsventils 58 befindet sich die Bohrung 40, in die der feststehende
Zapfen 41 hineinragt.
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Im Hilfszylinder 9 befindet sich der Kolben 42, der das im Akkumulator
10 und im Zylinderraum 45 beflndliche gasförmige Medium vom Slüssifren Medium im
Zylinderraum 44 trennt. Das Druckventil 45, das Saulrventil li6 und das federbelastete
Kölbchen 47 dienen
der Ergänzung von LeckSlUssigkeitsverlusten in
den Zylinderräumen 5 und 44. Die Ergänzungsflüssigkeit wird über die Leitung 53
und das Saugventil 46 angesaugt und über das Druckventil 45 und die Leitung 6 in
die Zylinderräume 44 und 5 gedrückt.
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Das Kölbchen 47 bewegt sich in dem Zylinderraum 54> der über die
Leitung 55 einerseits über das Saugventil 46 und die Leitung 55 mit dem Sammelbehälter
30 und andererseits über das Druckventil 45 und die Leitung 6 mit den Zylinderräumen
5 und 44 in Verbindung steht.
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Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist -wie folgt Im Stillstand
wird der Laufholm 5 durch die unter konstantem Flüssigkeitsdruck stehenden Rückzugskolben
4 in seiner oberen Stellung gehalten. Das Saugventil 20 wird mittels des Steuerkolbens
50 des Steuerantriebs 22 offengehalten. Dadurch pendelt die Druckflüssigkeit zwischen
dem Pumpenzylinderraum 51 und dem in seiner unmittelbaren Nähe befindlichen Sammelbehälter
30 drucklos hin und her. wird jetzt der Steuerkolben 50 abgesenkt, so schließt das
Saugventil 20 während des Druckhubs des Pumpenkolbens 11 und öffnet während seines
Saughubes, d.h. die Pumpe arbeitet wie eine normale Druckpumpe und fördert in den
Hauptzylinderraum 28. Der Laufholm 5 wird gegen den Druck in den. Zylinderräumen
5 nach unten gedrückt und der Arbeitshub ausgeführt.
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Für die Aufwärtsbewegung des Laufholmes 5 werden jetzt mittels der
Steuerantriebe 21 und 22 Druckventil 19 und Saugventil 20 so gesteuert, daß die
Pumpe als Hydromotor arbeitet d.h. daß
die Kompressionsenergie im
Hauptzylinderraum 28, die statische Druckenergie des Kolbens 54, falls dieser während
des Arbeitshubes angehoben wurde und die nicht zum Anheben der Teile 2, 3 und 4
benutzte Druckkraft in den ZYlinderräumen 5 jetzt die Pumpenkolben antreiben und
damit zusätzlich zur Motorenenergie Energie an das Schwungrad 48 Liefern, Die Steuerbewegung
der Steuerkolben 49 und 50 muß in exakter Abhängigkeit von der Stellung der Exzenterwelle
25 erfolgen. Die Koppelung dieser Steuerbewegung mit dem zugehörigen Drehwinkel
der Exzenterwelle kann entweder mechanisch über Steuerexzenter oder Nockenwellen
oder elektronisch über durch die Exzenterwelle betätigte Kontakte bzw. berührungslose
Schalter hergestellt werden. Nach dem heutigen Stande der Technik ist die elektronische
Lösung vorzuziehen.
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Im einzelnen verläuft der Vorgang wie folgt: Da die Druckventile 19
und Saugventil 20 nicht gegen Druck geöffnet werden können, kann der Steuerkolben
49 das Druckventil 19 nur dffen halten, wenn es vorher infolge der Bewegung des
Pumpenkolbens 11 von links nach rechts aufgestoßen wurde und der Steuerkolben 50
kann das Saugventil 20 nur öffnen, wenn das Druckventil 19 geschlossen ist und derPumpenkolben
11 sich von rechts nach links bewegt.
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Bewegt sich der Pumpenkolben 11 im Moment des Umschaltens gerade von
links nach rechts, so erhält der Steuerkolben 49 Steuerdruck, da in diesem Falle
das Druckventil 19 offen steht. Während der anschließenden Bewegung des Kolbens
11 von rechts nach links wird
Ventil 19 durch den Steuerkolben 49
offen gehalten, damit kann jetzt während des Saughubs das Saugventil 20 nicht öffnen,
weil es durch den Druck im Hauptzylinderraum 28 und evtl. im Zylinderraum 32 belastet
ist. Der Druck aus den Räumen 28 bzw. )2 beaufschlagt gleichzeitig. den Pumpenkolben
11 und liefert damit Energie an das Schwungrad 48. Kurz vor Ende des Saughubes wird
der Steuerkolben 49 zurückgesteuert und das Druckventil 19 schließt.
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Dies muß so spät erfolgen, daß der noch in Bewegung von rechts nach
links befindliche Pumpenkolben 11 den Raum über dem Saugventil 20 gerade noch soweit
von Druck entlasten kann, daß der jetzt unter Steuerdruck stehende Steuerkolben
50 das Saugventil 20 aufstoßen kann.Während der anschließenden Bewegung des Kolbens
i1 von links nach rechts bleibt jetzt das Saugventil 20 offen und die Druckflüssigkeit
aus dem Pumpenzylinderraum 51 wird drucklos über die Leitung 18 und die Verbindung
29 in den Sammelbehälter 30 geschoben. Während dieses Hubes erhält der Steuerkolben
49 wieder Steuerdruck; er kann das Druckventil 19 aber vorerst nicht öffnen, da
über dem Ventil Druck lastet und der Raum unter dem Ventil druckentlastet ist. Kurz
vor dem Ende der Bewegung des Pumpenkolbens 11 von links nach rechts geht der Steuerkolben
50 zurück und Ventil 20 schließt. Dies erfolgt so spät, daß das Druckventil 19 durch
die Bewegung des Kolbens 11 gerade noch aufgestoßen wird. Während der anschließenden
Bewegung des Kolbens 11 von rechtsnach links bleibt jetzt Ventil 19 offen usw.
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Führt der betrefrende Kolben im Moment des Umschaltens gerade einen
Saughub aus, so verläuft der Vorrang genau so, nur daß jetzt zuerst das Saugventil
20 offen gehalten wird. Nach dem
Umschalten wird noch eine gewisse
Flüssigkeitsmenge in den Zylinderraum 28 gefördert. Dies kann man verhindern, indem
man entsprechend vor Ende des Arbeitishubes umschaltet.
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Wird zu spät umeeschaltet, so spricht die Überhubvorrichtung 55 an.
Der Kolben 54 ist durch die Akkudruckbelastung im Zylinderraum 75 auf den maximal
im Hauptzylinderraum 28 zulässigen Druck eingestellt. Wird dieser Druck überschritten,
so weicht der Kolben 34 nach oben aus. Die dabei aufgewendete Energie wird nach.
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dem Umschalten,wie oben gezeigt, wieder zurückgewonnen. Wird der vorgesehene
zulässlxe Hub des Kolbens 54 überschritten, so wird durch den Zapfen 41 das Sicherheitsventil
58 geöffnet und die Druckflüssigkeit entweicht durch die Bohrungen 59 und 40 und
die Leitung 52 in den Sammelbehälter 50.
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In den in offener Verbindung miteinander stehenden Zylinderräumen
5 und 44 können Leckverluste auftreten. Dadurch sinkt der trennende Kolben 42 soweit
ab, daß er im Takt der Bewegung des Laufholmes 5 das Kölbchen 47 bewegt. Dieses
wirkt dann wie in Pumpenkolben und fördert mittels des Saugventiles 46 und des Druckventiles
45 über die Leitung 6 Eränzunmsflüssikeit in die Zylinderräume 5 und 44.
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Die Überhubvorrichtung 33 hat folgende Bedeutung: Infolge von unvermeidlichen
Schaltzeittoleranzen und Temperatur- und Abmessungstoleranzen des zu schmiedenden
Stückes ist es kaum möglich die Aufwärtsbewegung des Preßkolbens 2 stets im theoretisch
richtigem Moment einzuleiten. Ohne die Einrichtung 33 würde es zu
einer
beträchtlichen oberlastung des Pressengestells l führen, wenn die genannten Toleranzen
an der oberen Grenze liegen, Durch die überhubvorrichtung 33 wird dies vermieden,
weil bei Erreichen der zulässigen Preßkraft der Preßkolben 2 stehen bleibt und dafür
der Kolben 34 nach oben ausweicht. Die aufgewendete Energie wird gemäß vorhergehender
Beschreibung zurückgewonnen. Es würden hohe Energieverluste auftreten, wenn man
statt dessen den Energieüberschuß über ein Sicherheitsventil abspritzen würde. Wenn
sich der Kolben 34 im Rahmen seines zulässigen Hubes nach oben bewegt tritt keine
Druckentlastung im Preßzylinderraum 28 auf, dagegen wird eine Steigerung des Druckes
über das zulässige Maß verhindert. Das Sicherheitsventil 38 soll im Betrieb nicht
ansprechen. Es hat den Zweck, bei Störungen an der Steuereinrichtung der Presse
Schäden an der Presse zu verhüten.
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Die Trennung des flüssigen vom gasförmigen Medium durch den Kolben
42 gestattet die Verwendung von Luft auch dann, wenn als flüssiges Medium Öl verwendet
wird, Wäre der Trennkolben 42 nicht vorhanden, so müßte ferner der Flüssigkeitsspiegel,
da sich Verluste nicht vermeiden lassen, auf eine wesentlich kompliziertere Weise
gesteuert werden Die Teile 45 bis 47 könnten entfallen, wenn das Flüssigkeitsvolumen
in den Räumen 5 und 44 konstant gehalten werden könnte. Es muß aber im Laufe der
Zeit mit Leckverlusten an den Manschetten der Zylinder 5 gerechnet werden. In diesem
Falle treten dann gemäß
Beschreibung die Teile 45 bis 47 in Tätigkeit.