WO2013164073A1

WO2013164073A1 - Vorrichtung zur energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren arbeitsgerätschaften

Info

Publication number: WO2013164073A1
Application number: PCT/EP2013/001182
Authority: WO
Inventors: Daniel Feld
Original assignee: Hydac Technology GmbH
Current assignee: Hydac Technology GmbH
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2013-04-20
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2014-11-03
Also published as: DE102012009669B3

Description

Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren

Arbeitsgerätschaften

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften, mit einer Versorgungseinheit, insbesondere in Form einer Hydraulikpumpe und mit einem Kolbenspeicher mit mindestens zwei in einem Speichergehäuse längs bewegbaren Kolben, die über ein Kopplungsteil miteinander verbunden sind, das längs verfahrbar in zumindest einer Trennwand geführt ist, die das Kopplungsteil umgebende Zylinderringräume begrenzt, wobei ein Zylinderraum als Druckbetätigungsraum für die für einen Arbeitsvorgang erforderliche Druckversorgung fluid- führend mit der Arbeitsgerätschaft verbunden ist, mindestens ein anderer Zylinderraum über eine Drucksteuereinrichtung mit der Versorgungseinheit verbindbar ist und ein weiterer Zylinderraum einen Druckspeicherraum bildet.

Derartige Energieeinspar- und -rückgewinnungsvorrichtungen sind durch EP 0 897 480 B1 und EP 1 254 319 B1 bekannt. Beim Betrieb derartiger Vorrichtungen entsteht bei Bewegungen der über das Kupplungsteil miteinander zwangsgekoppelten Kolben des Doppelkolbenspeichers in der einen Verfahrrichtung durch Volumenverkleinerung in einem Druckspeicherraum ein erhöhter Innendruck, der im Sinne des Entspannens abnimmt, so- bald sich die Kolben in der anderen Verfahrrichtung mit einer Vergrößerung des Volumens des Druckspeicherraumes bewegen. Die im Druckspeicher- räum eingeschlossene Fluidmenge bildet eine Art Kraftspeicher, vergleichbar einer mechanischen Feder, aus, und die durch die Verfahrbewegung in den Speicherraum eingebrachte Bewegungsenergie der Arbeitsgerätschaft lässt sich wiederabrufen.

Bei diesen bekannten Lösungen ist der Kolbenspeicher als zentraler Teil der Energieeinspar- und -rückgewinnungsvorrichtung permanent an die Arbeitsgerätschaft angeschlossen, so dass fortlaufend in Abhängigkeit von der Arbeitsbewegung der Arbeitsgerätschaft Energie in den Kolbenspeicher ein- gespeichert und von dort wieder abgerufen wird. Bei den Arbeitsgerätschaften kann es sich insbesondere um Arbeitsmaschinen, wie Bagger oder dergleichen, handeln, bei denen Ausleger zu heben und zu senken sind, gegebenenfalls können solche Vorrichtungen jedoch auch in anderen hydraulischen Anlagen benutzt werden, etwa in hydraulischen Bremsanlagen, in Fahrstühlen sowie bei Hydromotoren oder dergleichen.

Mit besonderem Vorteil lassen sich derartige Vorrichtungen bei Arbeitsgerätschaften, wie Bagger oder dergleichen, als Lastkompensationssystem einsetzen, wobei einer mittleren Kolben- oder Auslegerstellung der hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaft ein entsprechender Innendruck im Druckspeicherraum zugeordnet ist, der sich, wenn der Ausleger unter Last anzuheben ist, unter nutzbarer Energieabgabe entspannt.

Aus der EP 1 233 191 B1 ist ein hydraulischer Oszillator als Antrieb von Maschinen bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung zum Antrieb einer Lastmasse wirken zwei hydraulische Zylinder auf eine anzutreibende Maschinenachse. Auf diese Weise entstehen vier Zylinderräume, die hydraulisch mit der Maschinenachse verknüpft sind. Ein Zylinderraum pro Zylinder ist hierbei mit je einem der beiden Anschlüsse einer Hydraulikpumpe verbunden. Der jeweils andere Zylinderraum der beiden Zylinder ist mit je einem Energiespeicher verbunden. Zum Antrieb der Hydraulikpumpe ist ein Elektromotor vorgesehen und bei dessen Betrieb fährt die Maschinenachse in eine Richtung. Eine Richtungsumkehr des Elektromotors hat entsprechend eine Richtungsumkehr der Maschinenachse zur Folge. Durch die bekannte Lösung soll ein geringerer Leistungsbedarf für den Antrieb erfor- derlich sein und dergestalt höhere Hubzahlen bei niedrigerem Energieverbrauch realisiert sein. Die offenbarten Ausführungsformen der bekannten Lösung zeigen sämtlich diejenigen Zylinderräume mit der Hydraulikpumpe verbunden, welche jeweils von einem stangenartigen Kopplungsteil als Zylinderstange durchsetzt sind und somit Zylinderringräume mit ringförmigem Querschnitt ausbilden. Da hierbei die Hydraulikpumpe somit jeweils nur auf eine ringförmige Teilfläche des Kolbens wirken kann, ist zum Erreichen der zur Betätigung der Maschinenachse erforderlichen Kräfte das Aufbringen eines relativ hohen Druckniveaus erforderlich. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der betrachteten Art zur Verfügung zu stellen, die sich, insbesondere bei einem Einsatz für Lastkompensationssysteme, durch ein besonders günstiges Betriebsverhalten auszeichnet. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass von den durch die jeweilige Trennwand voneinander getrennten Zylinderräumen des Kolbenspeichers, die als Zylinderringräume das Kopplungsteil umgeben, der eine Zylinderringraum als Druckspeicherraum und der andere Zylinderringraum als mit der Arbeitsgerätschaft verbundener Druckbetätigungsraum vorgesehen ist. Im Unterschied zu den bekannten Lösungen, bei denen die Hydraulikpum- pe mit einem Zylinderringraum in Verbindung ist, arbeitet die Versorgungseinheit vorzugsweise in Form einer Hydraulikpumpe bei der Erfindung, da sie mit einem an eine vollflächige Kolbenseite angrenzenden Zylinderraum in Verbindung steht, mit geringerem Druckniveau, was sowohl energetisch als auch betrieblich günstiger ist. Da sowohl der Druckspeicherraum als auch der Druckbetätigungsraum jeweils Zylinderringräume sind, die das höhere Druckniveau führen, zeichnet sich das System auch durch eine erhöhte Energiedichte aus, wodurch auch eine kompakte, raumsparende Bauweise verwirklichbar ist.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist der Druckspeicher- räum an eine Druckversorgungseinrichtung anschließbar und die Zylinderräume sind benachbart zu der Trennwand im Speichergehäuse aufgenommen.

Bei im Druckspeicherraum befindlicher Hydraulikflüssigkeit kann es sich bei der Druckversorgungseinrichtung um zumindest einen Hydrospeicher handeln, beispielsweise in Form eines Blasenspeichers. Jedoch können auch einer oder mehrere Kolbenspeicher vorgesehen sein.

Die Drucksteuereinrichtung kann zumindest ein ansteuerbares Schaltventil aufweisen, mittels dessen die Hydraulikpumpe mit einem zugeordneten, an eine vollflächige Kolbenseite angrenzenden Zylinderraum verbindbar ist.

Die Arbeitsgerätschaft kann zumindest einen hydraulisch betätigbaren Arbeitszylinder aufweisen, der vorzugsweise mit seinem an die vollflächige Kolbenseite seines Arbeitskolbens angrenzenden Arbeitsraum mit dem Druckbetätigungsraum des Kolbenspeichers verbindbar ist.

Im Betrieb kann die Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens der Arbeitsgerätschaft in passiver Weise durch die auf den ausgefahrenen Arbeitskolben wirkende Lastkraft oder Gegenkraft der Arbeitsgerätschaft erfolgen oder, alternativ, indem eine aktive Rückfahrbewegung bewirkt wird, wobei ein freier Zylinderraum des Kolbenspeichers, also im vorliegenden Fall ein an eine vollflächige Kolbenseite angrenzender Zylinderraum, mit der Versorgungseinheit verbunden wird. Auch kann ein stangenseitiger Raum des Arbeitszylinders mit der Versorgungseinheit, insbesondere in Form einer Hyd- raulikpumpe verbindbar sein.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung eine

Schaltplandarstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 bis 5 entsprechende Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Vorrichtung;

Das in Fig. 1 in Form einer schematisch vereinfachten Schaltplandarstellung gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient der Energieeinsparung sowie -rückgewinnung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften, von denen in Fig. 1 lediglich ein Arbeitszylinder dar- gestellt und mit 1 bezeichnet ist. Der Arbeitszylinder 1 ist hydraulisch betätigbar, um eine Arbeits- oder Ausfahrbewegung seines Arbeitskolbens 3 zu erzeugen, die gegen eine Lastkraft oder Gegenkraft erfolgt, die in Fig. 1 mit einem Pfeil F bezeichnet ist. Dabei kann es sich um die Lastkraft eines Kranauslegers oder dergleichen handeln.

Die Vorrichtung weist des weiteren einen Kolbenspeicher in Form eines Doppelkolbenspeichers 5 auf, in dessen Gehäuse 7 mindestens zwei längs- verfahrbare Kolben 9 und 1 1 angeordnet sind. Diese sind mit ihrem jeweils benachbart gegenüberliegenden Kolben 9 bzw. 1 1 über ein stangenartiges Kopplungsteil 13 fest miteinander verbunden. Das Kopplungsteil 13 selbst ist längs verfahrbar in etwa mittig in einer Trennwand 1 5 des Gehäuses 7 geführt. Die Trennwand 15 begrenzt mit den beiden benachbart gegenüberliegenden Kolben 9, 1 1 zwei das Kopplungsteil 1 3 umgebende Zylinderringräume, von denen der eine Zylinderringraum einen Druckspeicherraum 1 7 und der andere Zylinderringraum einen Druckbetätigungsraum 19 bil- det. Letzterer ist über eine Druckleitung 21 für die für einen Arbeitsvorgang erforderliche Druckversorgung mit dem Arbeitszylinder 1 der Arbeitsgerätschaft verbunden, d.h. dieser Kolben dient als Druckbetätigungskolben 1 1 .

Für diese Betätigungsfunktion grenzt der Druckbetätigungskolben 1 1 mit seiner vollflächigen Kolbenseite an einen Pumpenraum 23 an, der über eine Pumpenleitung 25 mit einer Drucksteuereinrichtung 27 in Verbindung ist. Diese weist ein ansteuerbares Schaltventil 29 auf, das beim Beispiel von Fig. 1 durch ein 2/2-Wegeventil gebildet ist, über das die Pumpenleitung 25 mit einer Hydropumpe 31 als Versorgungseinheit verbindbar ist. Der dem Pumpenraum 23 entgegengesetzte Zylinderraum 33, der an die vollflächige Kolbenseite des Kolbens 9 angrenzt, ist als Zylinderraum 33 zum Tank 35 hin belüftbar oder alternativ evakuierbar. Der auf der anderen Kolbenseite des an den Zylinderrraum 33 angrenzenden Kolbens 9 befindliche Druckspeicherraum 1 7 in Form eines das Kopplungsteil 13 umgebenden Zylin- derringraumes ist mit einer Druckversorgungseinrichtung 37 in Verbindung. Wenn der Druckspeicherraum 1 7 ein flüssiges Druckmedium enthält, beispielsweise Hydrauliköl, weist die Druckversorgungseinrichtung 37 einen Hydrospeicher 39 auf. Bei im Druckspeicherraum 1 7 befindlichem, gasförmigen Druckmedium, beispielsweise N 2, kann die Druckversorgungsein- richtung 37 einen mit Stickstoff befüllten Druckbehälter aufweisen.

Die Fig. 1 zeigt die Vorrichtung in einem Betriebszustand, der der Mittellage des Arbeitskolbens 3 und der Kolben 9 und 1 1 des Doppelkolbenspeichers 5 entspricht. In diesem Fall gleicht der Vorspanndruck, der im Druck- speicherraum 1 7 herrscht, den durch die Gegenkraft F im Arbeitszylinder 1 erzeugten, über die Leitung 21 im Druckbetätigungsraum 19 herrschenden Innendruck aus. Bei einem Absenken, d.h. einer Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3, führt die über die Druckleitung 21 im Druckbetätigungsraum 19 bewirkte Druckerhöhung zu einer Verschiebung der Kolben 9 und 1 1 in der Fig. nach rechts zu einem Druckanstieg im Druckspeicherraum 1 7, d.h. zum Aufbau eines verstärkten Druckpolsters, das für einen anschließenden Arbeitsvorgang, wenn für eine Ausfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 der Pumpenraum 23 über das Schaltventil 29 mit der Hydropumpe 31 verbunden ist, im Sinne der Energierückgewinnung nutzbar ist. Für einen Einsatz zur Lastkompensation ist der Druck des die Kompensationskraft erzeugenden Gaspolsters im Druckspeicherraum 1 7 vorzugsweise geringer als der durch die als Lastkraft wirkende Gegenkraft F im Druckbetätigungsraum 19 erzeugte Druck. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 entspricht dem Beispiel von Fig. 1 , abgesehen davon, dass der in Fig. 1 als Umgebungsraum bezeichnete Zylinderraum 33 des Doppelkolbenspeichers 5 nicht unmittelbar mit dem Tank 35 verbunden ist, sondern über eine Leitung 41 mit dem Schaltventil 29 verbunden ist. Dieses ist beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 als Wegeven- til ausgebildet, über das die Leitung 41 wahlweise mit der Hydropumpe 31 verbindbar ist, während der Pumpenraum 23 gleichzeitig über das Schaltventil 29 zum Tank 35 geschaltet, also drucklos ist. Dieser Betriebszustand ermöglicht eine aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 des Arbeitszylinders 1 durch Druckversorgung des in Fig. 1 als Umgebungsraum bezeichneten Raumes 33, wodurch sich die Kolben 9, 1 1 in Fig. 2 nach rechts bewegen und das Volumen des Druckbetätigungsraumes 19 dadurch vergrößert wird, so dass sich das Druckniveau im Arbeitszylinder 1 über die Leitung 21 verringert. Für die Ausfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 für einen Arbeitsvorgang schaltet das Wegeventil 29 den Pumpenraum 23 über die Pumpenleitung 25 zur Hydropumpe 31 , während der Raum 33 über die Leitung 41 zum Tank 35 geschaltet, also drucklos ist. wiederum ist die bei einem vorausgegangenen Absenken des Arbeitskolbens 3 im Druckspeicherraum 1 7 gespeicherte Druckenergie für die Ausfahrbewegung nutzbar.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 entspricht ebenfalls dem Beispiel von Fig. 1, abgesehen davon, dass die Druckversorgungseinrichtung 37 zwei Hydrospeicher 61 und 63 in Form von Blasenspeichern aufweist. Diese sind wahlweise mittels Schaltventilen 65 und 67 einzeln oder gemeinsam mit dem Druckspeicherraum 1 7 verbindbar. Dadurch sind nach Wunsch unterschiedliche Druckniveaus am Arbeitszylinder 1 sowie unterschiedliche Arbeitskennlinien verfügbar.

Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, können bei einem derartigen Ausführungsbeispiel anstelle von Blasenspeichern 61 , 63 auch Kolbenspeicher 69 und 71 vorgesehen sein. Die Speicherauslegung kann hierbei so getroffen sein, dass Speicherkolben auf der Ölseite aufsetzen können, wobei die Vorspannungen der Speicher so gewählt sind, dass bei einem Senken der Last zunächst ein Speicher 69 oder 71 und sodann der andere Speicher 69 oder 71 gefüllt wird. Den Kolbenspeichern 69, 71 zugeordnete Schaltventile 73 und 75 können dann gegebenenfalls entfallen. Durch wahlweises Zuschalten der Speicher 69, 71 mittels der Schaltventile 73 bzw. 75 lassen sich jedoch auch wiederum unterschiedliche Druckniveaus und Kennlinien am Arbeitszylinder 1 realisieren.

Die Fig. 5 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Zylinder- ringräume, d.h. der Druckspeicherraum 1 7 und der Druckbetätigungsraum 19, nicht durch eine einzige, gemeinsame Trennwand 15 voneinander getrennt sind, sondern durch zwei in einem Abstand voneinander befindliche Trennwände 79 und 81 , wobei das Kopplungsteil der Kolben 9 und 1 1 durch eine geteilte, eine Gelenkstelle 83 aufweisende Kolbenstange 85 ge- bildet ist. Durch die voneinander gesonderten Trennwände 79, 81 ist das Gehäuse des Doppelkolbenspeichers 5 durch zwei voneinander getrennte Teilzylinder 87 und 89 gebildet, bei denen es sich zwecks Kostenersparnis um Standard-Hydraulikzylinder handeln kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften (1 ), mit einer Versorgungseinheit, insbesondere in Form einer Hydraulikpumpe (31 ) und mit einem Kolbenspeicher (5) mit mindestens zwei in einem Speichergehäuse (7) längs bewegbaren Kolben (9, 1 1 ), die über ein Kopplungsteil (13) miteinander verbunden sind, das längsverfahrbar in zumindest einer Trennwand (1 5) geführt ist, die das Kopplungsteil (13) umgebende Zylinderringräume begrenzt, wobei ein Zylinderraum als Druckbetätigungsraum (19) für die für einen Arbeitsvorgang erforderliche Druckversorgung mit der Arbeitsgerätschaft (1) fluidführend verbunden ist, mindestens ein anderer Zylinderraum (23, 33) über eine Drucksteuereinrichtung (27) mit der Versorgungseinheit (31 ) verbindbar ist und ein weiterer Zylinderraum einen Druckspeicherraum (1 7) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass von den durch die jeweilige Trennwand (1 5) voneinander getrennten Zylinderräumen, die als Zylinderringräume das Kopplungsteil (13) umgeben, der eine Zylinderringraum als Druckspeicherraum (1 7) und der andere Zylinderringraum als mit der Arbeitsgerätschaft (1 ) verbundener Druckbetätigungsraum (19) vorgesehen ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicherraum (1 7) an eine Druckversorgungseinrichtung (37) anschließbar ist und dass die Zylinderräume (1 7, 19) benachbart zu der Trennwand (1 5) im Speichergehäuse (7) aufgenommen sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinderraum (33), der an die vollflächige Kolbenseite desjenigen Kolbens (9) angrenzt, der mit seiner anderen Kolbenseite den Druckspeicherraum (1 7) begrenzt, als Umgebungsraum mit Umgebungsdruck o- der dem Tankdruck beaufschlagt ist oder dass dieser Zylinderraum (33) mittels der Drucksteuereinrichtung (27) zumindest mit der Versorgungseinheit (31 ) verbindbar ist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckversorgungseinrichtung (37) zumindest einen Druckspeicher (39; 61 , 63; 69, 71 ) aufweist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei im Druckspeicherraum (1 7) befindlicher Hydraulikflüssigkeit als Druckspeicher zumindest ein Hydrospeicher (39; 61 , 63; 69, 71 ) vorgesehen ist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksteuereinrichtung (27) zumindest ein ansteuerbares Schaltventil (29) aufweist, mittels dessen die Versorgungseinheit (31 ) mit einem zugeordneten, an eine vol lflächige Kolbenseite angrenzenden Zylinderraum (23) verbindbar ist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgerätschaft zumindest einen hydraulisch betätigbaren Arbeitszylinder (1 ) aufweist, der, vorzugsweise mit seinem an die vollflächige Kolbenseite seines Arbeitskolbens (3) angrenzenden Arbeitsraum, mit dem Druckbetätigungsraum (19) des Kolbenspeichers (5) verbindbar ist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens (3) des Arbeitszyl inders (1 ) der Zyl inderraum (33) mittels des Schaltventi ls (29) mit der Versorgungseinheit (31 ) verbindbar ist. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Trennung der Zylinderringräume (1 7, 19) zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Trennwände (81 , 79) als Bestandteile zweier voneinander getrennter Teilzylinder (89, 87) des Doppelkolbenspeichers (5) vorgesehen sind.