HYDRAULISCHER STELLANTRIEB MIT EINER FEDER ZUR ÜBERFÜHRUNG IN EINER NOTFALLSTELLUNG

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Vorrichtung zum Antrieb eines hydraulisch zu regelnden oder zu stellenden Aktuators mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 .

Aus DE 10 2008 025 054 B4 geht eine hydraulische Vorrichtung hervor, mit welcher hydraulisch ein Aktuator hinsichtlich seiner Position geregelt oder gestellt werden kann. Dazu weist die hydraulische Vorrichtung einen Motor auf, der in einem Motorgehäuse angeordnet ist. Zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit ist ein Ausgleichsbehälter in die hydraulische Vorrichtung integriert. Der Motor ist an eine Hydraulikpumpe angekoppelt, die in einem Pumpengehäuse angeordnet ist, wobei die Hydraulikpumpe so ausgelegt ist, dass sie eine Förderung von Hydraulikflüssigkeit in zwei Richtungen, nämlich in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung erlaubt, um den Aktuator in beiden Richtungen genau zu regeln oder stellen zu können. Dazu umfasst der hydraulische Aktuator einen Antriebszylinder mit einem ersten und zweiten Zylinderraum und einem dazwischen angeordneten Antriebskolben, an den eine in Längsrichtung verschiebbare Antriebsachse angebracht ist. Die Antriebsachse kann dazu herangezogen werden, zu steuernde Elemente wie Ventile, Schalter Roboterarme und dgl. zu bewegen bzw. anzusteuern.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 201 1 012 305 geht eine hydraulische Stellanordnung mit einer Regelarmatur hervor, die mit einer Notfallbetätigung versehen ist. Die Notfallbetätigung kann elektrisch oder hydraulisch ausgelöst werden. Die Vorrichtung gemäß der vorgenannten Druckschrift ist kompliziert und hinsichtlich der Sicherheit und Geschwindigkeit einer Notbetätigung nicht optimal ausgelegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart auszubilden, dass über sie die Betriebsbereitschaft der Vorrichtung einschließlich der Notabschaltung hergestellt und aufrecht erhalten werden kann, nach Erreichen der Betriebsbereitschaft ein Regel- Steil- oder Schaltvorgang mit hoher Präzision und Anpassbarkeit an die jeweiligen Anwendungsbereiche durchgeführt werden kann und eine Notabschaltung sicher und mit hoher oder definierter Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 -

Als Kern der Erfindung wird es zunächst angesehen, dass die Vorrichtung einen Spannzylinder für eine Notschließfeder umfasst. In dem Spannzylinder sind ein Spannzylinderraum und ein an die Antriebsachse ankoppelbarerer Spannkolben angeordnet. Durch den Spannkolben kann hydraulisch die Notschließfeder in eine Spann- oder Notauslösebereitschaftsstellung gespannt werden, wobei der Spannzylinderraum mit einem Ausgang der Hydraulikpumpe derart verbunden ist, dass durch den Hydraulikdruck der Hydraulikpumpe der Spannzylinderraum mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt werden kann. Dadurch wird die Notschließfeder in eine gespannte Stellung überführt und in dieser gespannten Stellung hydraulisch durch Rückschlagventile verriegelt.

Mit einer Zu- oder Abflussöffnung des Spannzylinderraumes ist ein gesteuertes Sitzventil verbunden, durch welches die Notschließfeder von der gespannten Bereitschaftsstellung in eine Notauslösestellung überführt werden kann, wozu sowohl die die Notschließfeder in Bereitschaftsstellung haltende, im Spannzylinderraum befindliche Hydraulikflüssigkeit als auch die im ersten Zylinderraum befindliche Hydraulikflüssigkeit über das gesteuerte Sitzventil abgeführt wird, um die Antriebsachse in eine Notauslösestellung zu überführen.

(Notauslösestellung evtl. ersetzen durch Notfallstellung (offen oder geschlossen))

Die Hydraulikpumpe der hydraulischen Vorrichtung dient damit zum einen dazu, die Notschließvorrichtung zu spannen und in eine Bereitschaftsstellung zu überführen, zum anderen aber auch dazu, durch nachfolgenden Betrieb in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung den hydraulischen Aktuator mit dem Antriebszylinder in dem ersten und zweiten Zylinderraum hin und her zu bewegen, um eine Regelung oder das Anfahren einer gewissen Stellung des angekoppelten Ventils oder Schalters, Roboterelementes oder dgl. zu verursachen. Die Entlastung des Spannzylinderraumes im Falle der Notauslösung einerseits und die Entleerung des ersten, der Notschließfeder abgewandten Zylinderraums des Antriebszylinders erfolgt durch ein und dasselbe Sitzventil, das auch als Notauslöseventil bezeichnet werden kann, wobei die gleichzeitige Entlastung der hydraulischen Kammern zu einem sehr schnellen Ansprechen der Notauslösefunktion führt.

Die hydraulische Vorrichtung mit ihrer Notabschaltfunktion ist für Ventile jeglicher Medien und für mechanische Betätigungen geeignet. Grundprinzip dabei ist, dass bei Stromausfall oder gezielter Abschaltung durch den mechanischen Federspeicher eine definierte Stellung in einer sehr kurzen oder definierten Zeit sicher erreicht werden kann. Beispiele sind Ventile in Gas- und Wasserleitungen, in Dampfzuführungen an Turbinen, Pipelineventile, Ventile in chemischen Anlagen sowie elektrische Schalter für hohe Leistungen und dgl..

Gegenüber dem Stand der Technik wird sowohl die Herstellung der Betriebsbereitschaft als auch der Regel- und Stellvorgang bzw. der Notabschaltvorgang der Vorrichtung mit reduzierten Mitteln erreicht. Mit Vorteil wird eine Regelung der Vorrichtung gegen die tatsächlich auf die Vorrichtung einwirkenden Prozesskräfte und nicht gegen die Kraft der Not-Schließfeder vorgenommen. Dies führt zu einer wesentlichen Energieeinsparung beim Betrieb der Vorrichtung. Zur Herstellung der Betriebsbereitschaft wird die potentielle Energie, nämlich die Federvorspannung mit der auch einen Regel- oder Stellvorgang durchführenden Hydraulikpumpe aufgebaut und gespeichert. Mit der Speicherung ist eine erhebliche Energieeinsparung verbunden. Ist der betriebsbereite Zustand hergestellt, kann nachfolgend eine lineare Weg- oder Kraftregelung des Aktuators mit hoher Genauigkeit erfolgen. Es lassen sich ein oder mehrere Positionen anfahren bzw. Schaltvorgänge ausführen. Nach erfolgten Stell- oder Schaltvorgängen kann der Antrieb der Hydraulikpumpe abgeschaltet werden. Treten Positionsabweichungen auf, so lassen sich diese wieder korrigieren. Dadurch wird eine weitere Reduzierung der erforderlichen Betriebsenergie erreicht.

Der Notschließvorgang wird zwangsweise bei Stromausfall oder Abschaltung des Sitz- oder Notfallventils ausgelöst. Das Notfallventil vollzieht dabei eine Zwangsöffnung und verbindet sämtliche Hydraulikzylinderräume mit dem Ausgleichsbehälter und dem Federraum. Die vorgespannte Feder kann somit alle Kolben und vor allem auch den Linearantrieb in eine definierte Endposition bewegen. Dabei ist die Schließzeit sehr kurz oder definierbar, nämlich im Bereich weniger Millisekunden, wobei eine zeitliche Definition durch Einbau von Drosseln oder Stromventilen möglich ist. Das Notfallventil ist so aufgebaut, dass der Abfluss des unter Druck stehenden Mediums durch einen Kegelsitz oder Plattensitz in der Weise erfolgt, dass der Medienstrom das Ventil öffnet. Das Öffnen kann zusätzlich durch eine Öffnungsfeder unterstützt werden. Geschlossen wird das Ventil durch einen Elektro-Magneten oder anders wirkende Schließmechanismen.

Die Erfindung ist anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen: eine schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung mit Antriebszylinder, Spannzylinder, Mitnahmezylinder sowie angeschlossener Pumpe und angeschlossenen Ventilen;

Fig. 2 eine Detailansicht des auch in Fig. 1 klein dargestellten

volumenstromabhängigen Zweiwegeventils;

Fig. 3 eine Figur entsprechend Fig.1 , jedoch etwas vereinfacht;

Fig. 4 eine Detaildarstellung des im Spannzylinderraum befindlichen

Spannkolbens in einer Grundstellung;

Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 4, bei der der Spannkolben in

Bereitschaftsstellung ist;

Fig. 6 eine modifizierte Anordnung gemäß Fig. 5, mit Spannkolben in

Bereitschaftsstellung, wobei mit einer Kupplung im Bereich des Mitnahmekolbens und wobei der Antriebskolben in einer mittleren Regelstellung dargestellt ist;

Fig. 7 eine Darstellung des Not-Schließventils stromlos geöffnet;

Fig. 8 eine Darstellung des Not-Schließventils bestromt in Schließstellung;

Fig. 9 eine Darstellung eines modifizierten Not-Schließventils mit einer den

Öffnungsvorgang begünstigenden Rückstellfeder und zwei angebauten Sensoren für die beiden Ventilstellungen.

Herstellung und Betriebsbereitschaft

Der Antriebszylinder 1 der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung befindet sich elektrisch abgeschaltet in Grundstellung ausgefahren am Anschlag 6 und wird dabei mit der Kraft der Not-Schließfeder 16 gegen diesen gedrückt. Ist der Notantrieb auf zu betätigende Elemente, insbesondere Ventile montiert, so liegt die Grundstellung bereits vor Erreichen des Anschlages 6. Die Kraft der ausgefahrenen Not-Schließfeder 16 wirkt dann z. B. auf ein angebautes Ventil und gewährt eine sichere Schließung (Position im Notfall). Zur Betriebsbereitschaft des Notschließ- Regel-, Stell- und Schaltantriebs ist zuerst das gesteuerte Sitzventil 50 (Notfallventil) zu schalten. Während der gesamten Betriebszeit muß dieses Ventil 50 in Sperrstellung 52 stehen. Weiterhin muß die potentielle Energie für einen Notschließvorgang aufgebaut werden. Fördert die Hydraulikpumpe 32 durch den Zylinderraum 5 und durch das Rückschlagventil 37 in den Spannzylinderraum 12, so bewegt sich der Spannkolben 1 1 bis zum Kolbenanschlag 14 (Figurl und 5). Die Not-Schließfeder 16 ist damit gespannt. Der Spanndruck kann in der Höhe bis zur Begrenzung durch das Druckbegrenzungsventil 33 ansteigen. Das Erreichen der Endposition kann durch einen Drucksensor 64 oder Weggeber 60, 61 signalisiert werden um die Stellung zu überwachen, oder weitere Steuerschritte einzuleiten. Die Hydraulikpumpe 32 kann das zu fördernde Medium durch das Rückschlagventil 34 aus dem Federraum 13 entnehmen. Der Spannkolben 1 1 bleibt durch die Rückschlagventile 36, 37 und das Ventil 50 in der Sperrstellung 52 eingesperrt. Beim Spannen der Not-Schließfeder 16 bleibt die Antriebsachse 2 mit dem Antriebskolben 3 und dem Mitnahmekolben 21 in Grundstellung (Figur 5). In das sich vergrößernde Volumen der Mitnahmekammer 23 kann das Medium durch das volumenstromabhängige 2-Wegeventil 24 nachströmen.

Regel- und Stellvorgang

Nach Erreichen der Betriebsbereitschaft kann ein Regel-, Stell- oder Schaltvorgang vorgenommen werden (Figur 6). Die zu erreichende Position kann Weg-, Kraft- oder Druckbeeinflußt oder ein Signal aus einem angebauten Element sein. Die Drehrichtung und Fördermenge der Hydraulikpumpe 32 bestimmt die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Antriebsachse 2. Das Medium wird jeweils von den Zylinderräumen 4 und 5 hin oder her gefördert (Figur 1 ). Der jeweilige Druck baut sich entsprechend den zu überwindenden Verstellkräften auf. Durch Temperaturänderungen, Kompression oder Leckverluste evtl. fehlendes Medium im Ansaugbereich der Hydraulikpumpe 32 kann durch das jeweilige Rückschlagventil 34 oder 35 aus dem Ausgleichsbehälter 31 entnommen werden. Überschüssiges Medium in Zylinderräumen kann durch die Rückschlagventile 36 oder 37 über das Druckbegrenzungsventil 33 in den Ausgleichsbehälter 31 abfließen, sofern es nicht zuvor ganz oder teilweise evtl. Verluste im Spannzylinderraum 12 auffüllt

Sind die notwendigen Drücke für das sichere Aufrechterhalten der Regelposition nicht gewährleistet, so lassen sich diese durch die Rückschlagventile 38, 39 und die Druckbegrenzungsventile 42, 43 (Figur 1 ) erreichen. Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Antriebsachse 2 werden durch Drehrichtung und Fördermenge der Hydraulikpumpe 32 bestimmt. Gefördertes Medium in die Zylinderräume 4 oder 5 hat zur Folge, daß Medium aus der jeweiligen anderen Kammer über ein Rückschlagventil 36 oder 37 in den Spannzylinderraum 12 fließt und dort den Druck bis zur Begrenzung durch das Druckbegrenzungsventil 33 aufrecht erhält. Hierdurch wird die volle Spannung der Not-Schließfeder 16 und die Endposition des Spannkolbens 1 1 ständig aufrecht erhalten. Ist der Spannkolben 1 1 bereits am Kolbenanschlag 14, so fließt das Medium über das jeweilige Druckbegrenzungsventil 42, 43 zur Ansaugseite der Hydraulikpumpe 32. Die Differenz der Drücke in den Zylinderräumen 4 und 5 ist ausschlaggebend für die erzeugte Kraft an der Antriebsachse 2. Da für die Bewegung des Antriebes der Druck auf der Gegenseite des Antriebskolbens 3 mit überwunden werden muß, ist der Energieaufwand entsprechend höher. In jedem Zylinderraum 4, 5 herrscht jedoch mindestens der Druck in Höhe des Einstellwertes der Druckbegrenzungsventile 42 oder 43, somit ist der Antriebskolben 3 ständig eingespannt. Die Position der Antriebsachse 2 bleibt damit aufrecht erhalten und die Hydraulikpumpe 32 kann abgeschaltet werden. Je nach Anwendung ergibt sich daraus eine ganz erhebliche Energieeinsparung. Das Verfahren ist nicht nur bei Stell- und Schaltvorgängen besonders geeignet, auch Regelungen mit entsprechend großen, zulässigen Regelabweichungen und geeigneten Zeitverläufen lassen sich so in Stufen betreiben. Voraussetzung ist, daß der Einstelldruck des Druckbegrenzungsventils 33 über der Summe des jeweiligen Einstelldruckes der Druckbegrenzungsventile 42 oder 43 und des maximal notwendigen Druckes für die Zylinderräume 4 oder 5 liegt. Weiterhin muß mit dem Einstelldruck der Druckbegrenzungsventile 42, 43 bereits die maximale Spannung der Notfeder 16 erreicht sein. D. h. der Spannkolben 1 1 muß am Kolbenanschlag 14 anliegen.

Notabschaltung

Eine Notabschaltung erfolgt immer, wenn das Sitzventil 50 abgeschaltet wird, also stromlos ist und in Durchgangsstellung 51 fällt. Das Medium aus dem Spannzylinderraum 12, welches durch die Not-Schließfeder 16 unter Druck steht, fließt direkt in den Federraum 13, das aus dem Zylinderraum 4 durch die Drossel 40 und das Rückschlagventil 36 sowie über die Rückschlagventile 35, 39 (Figur 3) in den Zylinderraum 5. Volumendifferenzen durch die ausfahrende Antriebsachse 2, durch Temperatur- und Druckänderungen gleicht der Ausgleichsbehälter 31 aus. Sollte die Hydraulikpumpe 32 während der Notabschaltung oder danach fördern, so hat dies keine Auswirkung, da das geförderte Medium in jeder Richtung drucklos umlaufen kann. Befindet sich zwischen dem Mitnahmekolben 21 und der Mitnahmefläche 15 des Spannkolbens 1 1 ein Abstand (Figur 6), so ist die Mitnahmekammer 23 mit Medium gefüllt. Unmittelbar nach dem Auslösen der Notabschaltung erzeugt die Not- Schließfeder 16 eine rapide Druckerhöhung in dieser und schaltet infolge dessen das volumenstromabhängige 2-Wegeventil 24 in Sperrstellung 27. Zwischen Mitnahmezylinder 22 und Mitnahmekolben 21 ist ein definierter Spalt durch welchen das eingesperrte Volumen der Mitnahmekammer 23 gedrosselt definiert abfließen kann. Der so entstehende Druck muß so groß sein, daß die daraus resultierende Kraft größer als die maximale Regel- oder Stellkraft ist und die Antriebsachse 2 sich nicht entgegen der Notschließrichtung bewegen kann. Durch die Drossel 40 kann die Notschließgeschwindigkeit bestimmt werden.

Die Funktion des Antriebes kann auch in Gegenrichtung (ziehend) gestaltet werden. Hierzu sind lediglich der Spannzylinder 10 mit der Notschließfeder und der Mitnahmezylinder 20 um 180° gedreht anzuordnen.

Der z. B. als Niederdruckspeicher ausgebildeter Ausgleichsbehälter 31 dient zum Volumenausgleich bei Bewegung der Antriebsachse 2, bei Volumenänderungen durch Temperaturgang und Kompression bei Druckänderungen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Antriebes einen Druck über dem Atmosphärendruck zu halten. Durch diesen Überdruck werden sämtliche statischen Dichtungen ständig nach außen gedrückt und unterliegen somit keiner Abnutzung. Weiterhin wird das Medium vor der Aufnahme von Luft geschützt. Das einzige, bewegte Element zwischen Innenraum des Antriebes und der Atmosphäre ist die Herausführung der Antriebsachse 2.

Das z. B. als gesteuertes Rückschlagventil ausgebildete Sitzventil 50 ist so ausgeführt, daß bei Abschaltung des elektrischen Haltestroms oder bei Stromausfall der Ventilsitz 53, 54 immer öffnet (Figur 7). Der Ventilkegel 54 und damit auch der Magnetanker 56 werden durch den Volumenstrom von P nach R in die Durchgangsstellung 51 bewegt. Wird die Magnetspule 55 bestromt, so legt sich der Magnetanker 56 an und drückt den Ventilkegel 54 in den Ventilsitz 53. Das Ventil 50 ist somit geschlossen (Figur 8). Da der Ventilsitz 53, 54 mit definierter Kraft zugehalten werden muß und andererseits der Elektro-Haftmagnet seine größte Haltekraft bei Anlage des Magnetankers 56 am Magnetjoch 57 erbringt, ist für einen Längenausgleich der mechanischen Bauteile ein Federausgleich 58 vorgesehen. Die Federkraft muß größer sein als die erforderliche Schließkraft des Ventilsitzes, jedoch kleiner als die sicher aufgebrachte elektrische Haftkraft des Elektromagneten. Der beim Notschließvorgang durch die Not- Schließfeder 16 entstehende Mediendruck muß am Anschluß (P) so groß sein, daß die nach dem Abschalten der Magnetspule 55 bestehende Restkraft aus der Remanenz im Magnetjoch 57 und Magnetanker 56 überwunden wird. Alle Bauteile des Ventils 50 liegen im Medienbereich und sind zur Atmosphäre abgedichtet. Sofern die Durchgangsstellung 51 des abgeschalteten Ventils 50 gehalten werden muß, ist hierfür die Rückstellfeder 59 (Figur 9) vorgesehen.

Zur Steuerung und Überwachung dient für Wege und Positionen der Weggeber 60. Der Positionsgeber 61 signalisiert die Stellung des Spannkolbens 1 1 und damit die Betriebsbereitschaft der Not-Schließfeder 16. Der Positionsgeber 62 signalisiert die Position der Antriebsachse 2. Die Druckgeber signalisieren die jeweiligen Hydraulikdrücke, für Federraum 13 und Ausgleichsbehälter 31 Druckgeber 63, für Spannzylinderraum 12 Druckgeber 64, für Zylinderraum ausfahren 5 Druckgeber 65 und für Zylinderraum einfahren 4 Druckgeber 66. Die Stellung des gesteuerten Sitzventils 50 (Notfallventil) wird durch einen Wegsensor oder durch Positionsgeber überwacht (Figur 9). Positionsgeber 67 signalisiert Durchgangsstellung 51 (Grundstellung, Ventil offen), Positionsgeber 68 signalisiert Sperrstellung 52, Ventil geschlossen.

Sofern die Dimensionen des Notschließantriebes größere Werte annehmen, ist es nicht mehr möglich oder sinnvoll die Antriebsachse 2 mit dem Mitnahmezylinder 20 und dem Not-Spann-Zylinder 10 durchgehend zu gestalten und in notwendigen engen Toleranzen zu fertigen. Hierfür ist eine Trennung der Antriebsachse 2 durch eine Kupplung 7 (Figur 6), welche einen radialen Versatz zuläßt, vorgenommen. B EZ U G SZ E I C H E N L I ST E

5 1 Antriebszylinder 35 35 Rückschlagventil

2 Antriebsachse 36 Rückschlagventil

3 Antriebskolben 37 Rückschlagventil

4 Zylinderraum einfahren 38 Rückschlagventil

5 Zylinderraum ausfahren 39 Rückschlagventil

10 6 Anschlag Zylinder ausfahren 40 40 Drossel

7 Kupplung 42 Druckbegrenzungsventil

43 Druckbegrenzungsventil

10 Spannzylinder

1 1 Spannkolben 50 Sitzventil (Notfallventil)

15 12 Spannzylinderraum 45 51 Durchgangsstellung

13 Federraum 52 Sperrstellung

14 Kolbenanschlag 53 Ventilsitz

15 Mitnahmefläche 54 Ventilkegel

16 Not-Schließfeder 55 Magnetspule

20 50 56 Magnetanker

20 Mitnahmezylinder 57 Magnetjoch

21 Mitnahmekolben 58 Federausgleich

22 Mitnahmezylinder 59 Rückstellfeder

23 Mitnahmekammer

25 24 Volumenstromabhangiges 55 60 Weggeber

2-Wegeventil 61 Positionsgeber

25 Drossel 62 Positionsgeber

26 Durchlaßstellung 63 Druckgeber

27 Sperrstellung 64 Druckgeber

30 60 65 Druckgeber

31 Ausgleichsbehälter 66 Druckgeber

32 Hydraulikpumpe 67 Positionsgeber

33 Druckbegrenzungsventil 68 Positionsgeber

34 Rückschlagventil