Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur hydraulischen Drucktransformation. Insbesondere ist mit dem System eine verlustarme Druckminderung eines hydraulischen Drucks mittels einer Motor-Pumpen-Einheit möglich, sodass ein wesentlich besserer Wirkungsgrad erreicht wird, als durch eine ent- sprechende Verwendung einer Drossel.

Stand der Technik

Druckreduzierungen sind im Stand der Technik der Hydraulik als Drosselsteuerung bekannt. Bei der Verwendung von Drosseln entsteht der Nachteil, dass der Großteil der hydraulischen Leistung in der Drossel in Wärme umgewandelt wird. Liegt bspw. ein hydraulischer Eingangsdruck pi und ein hydraulischer Volumenstrom Qi vor der Drossel an, was einer hydraulischen Leistung von P ₁ ent- sprechen soll und beträgt für eine bestimmte Systemanwendung der Ausgangsdruck hinter der Drossel P ₂ = 0,5 pi, so nimmt die verfügbare hydraulische Leistung hinter der Drossel P ₂ um ca. 50 % ab und beträgt daher nur noch P ₂ = 0,5 P ₁ . Die restliche Leistung geht in Form von Wärme beim Durchlaufen der Drossel verloren. Die entstehende Wärme belastet Komponenten von um- liegenden hydraulischen Systemen und muss über zusätzlich vorgesehene Kühlmaßnahmen abgeführt werden.

DE 198 26 084 beschreibt eine Druckumsetzungseinrichtung zur Druckerhöhung oder Druckreduzierung, bei der eine Pumpe durch einen Motor angetrie- ben wird und der Motor mit einem Eingangsdruckanschluss verbunden ist und ausgangsseitig mit einem Niederdruckanschluss sowie mit der Eingangsseite der Pumpe verbunden ist. Ein Großteil der eingangsseitigen Leistung des Motors wird hydraulisch und mechanisch in Leistung an der Ausgangsseite der Pumpe umgewandelt. Der restliche Teil der Eingangsleistung des Motors geht wegen seiner ausgangsseitigen Verbindung zum Niederdruckanschluss verloren. Der Wirkungsgrad wird daher beeinträchtigt. Die Pumpe ist ausgangsseitig mit einem Ausgangsdruckanschluss verbunden. Zudem ist in diesem System leider ein Volumenstrombegrenzer zwischen Pumpe und Ausgangsdruckanschluss notwendig, um zu gewährleisten, dass der von der Hydraulikpumpe erzeugte Druck tatsächlich anliegt.

Die technische Aufgabe, die sich somit stellt, ist es ein System zur effizienteren und verlustfreieren Drucktransformation vorzusehen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.

Offenbarung der Erfindung

Die oben genannte technische Aufgabe wird durch die im Folgenden beschriebene Erfindung gelöst und umfasst ein Verfahren zur hydraulischen Druckminderung von einem ersten hydraulischen Anschluss zu einem zweiten hydrauli- sehen Anschluss, wobei durch den ersten hydraulischen Anschluss ein hydraulischer Motor angetrieben wird, der mechanisch mit einer Pumpe gekoppelt wird, wobei die Pumpe eingangsseitig mit einem dritten hydraulischen An- schiuss verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe und der Motor ausgangsseitig miteinander hydraulisch verbunden werden und den zweiten hydraulischen Anschluss bilden.

Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass der hydraulische Druck von einem ersten Anschluss zu einem zweiten Anschluss verlustfreier transformiert bzw. reduziert werden kann, wie es bisher im Stand der Technik der Fall ist. Der Wir- kungsgrad eines solchen Systems liegt erheblich über dem einer Drosselsteuerung, wobei entsprechend wesentlich weniger Energie in Wärme umgewandelt wird, die umliegende Systeme negativ beeinflussen könnte. Darüberhinaus werden in industriellen Anlagen, wie zum Beispiel in Walzwerksanlagen, Drucksysteme nach ihrer maximalen Auslastung dimensioniert. Oft erfolgt jedoch deren maximale Auslastung zeitversetzt. Das trifft zum Beispiel für hydraulische Motoren zum Walzenwechsel und hydraulische Motoren zum Betrieb entsprechen- der Walzen zu. So ist es mit einem solchen Verfahren außerdem möglich bereits vorhandene hydraulische Anlagen effizient dafür zu verwenden andere Betriebsdrücke bereitzustellen, wenn diese Anlagen nicht gerade mit ihrer herkömmlichen Last genutzt werden. Der verfügbare Druck einer bestehenden Anlage, die an den ersten hydraulischen Anschluss angeschlossen ist, kann also in einem kontrollierten Verhältnis für eine am zweiten Druckanschluss angeschlossene weitere Anlage reduziert werden. Dadurch können die Kosten für eine zusätzliche Hydraulikanlage gespart werden, wobei zudem ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der durch die Pumpe geförderte Volumenstrom unabhängig von der mechanischen Kupplung zwischen Motor und Pumpe variiert werden.

Durch die Möglichkeit einer Veränderung des Volumenstroms, der durch die Pumpe gefördert wird, ist es möglich auch bei einem sich ändernden Druck am ersten Anschluss den Druck am zweiten Druckanschluss konstant zu halten. Dies ist für den Betrieb des gleichen Verbrauchers bei geändertem Druck am ersten Druckanschluss notwendig.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens weist die Pumpe ein verstellbares Fördervolumen auf.

Dieses Merkmal ist, neben anderen Möglichkeiten, eine Art einen variablen Volumenstrom zu gewährleisten. Da Motor und Pumpe üblicherweise mechanisch miteinander verbunden sind, so dass sich Motor und Pumpe zum Beispiel mit derselben Drehzahl drehen, ändert sich ohne eine Verstellmöglichkeit des Mo- tor-Pumpen-Systems bei einem sich ändernden Druck an der Eingangsseite des Motors auch der Druck am zweiten Druckanschluss. Durch eine Verstellung des Fördervolumens der Pumpe kann pro Umdrehung der Pumpe mehr Hydraulikflüssigkeit gefördert werden und somit der für den Betrieb eines Verbrauchers am zweiten Druckanschluss erforderliche Druck gewährleistet werden. Dadurch kann das System zum Beispiel mit verschiedenen hydraulischen Anlagen, unterschiedlicher Drücke, die am ersten Anschluss angeschlossen sind, mit demselben Motor-Pumpen-System weiterbetrieben werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens weist der Motor ein verstellbares Fördervolumen auf.

Dadurch kann ein analoger Effekt erzielt werden, wie durch die Veränderung des Fördervolumens der Pumpe.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann zwischen Motor und Pumpe das Übersetzungsverhältnis geändert werden.

Durch dieses Merkmal ist es ebenso möglich, den von der Pumpe geförderten Volumenstrom zu variieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann das Fördervolumen und / oder das Übersetzungsverhältnis über einen Regelkreis variiert werden, wobei der Steiiwert durch einen variierenden Druck am zweiten Druckanschluss gegeben ist.

Durch dieses Merkmal ist es möglich, das Fördervolumen und / oder das Übersetzungsverhältnis automatisch je nach gegebenem Eingangsdruck am Motor zu verstellen. Dadurch kann das gesamte System unabhängig von einer Aufsicht arbeiten und kann automatisiert auf kurzfristige Eingangsdruckänderungen reagieren. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der Druck an der Eingangsseite der Pumpe durch eine Pumpeneinheit variiert werden, die der Pumpe vorgeschaltet wird.

Durch dieses vorteilhafte Merkmal ist es zusätzlich möglich, den Druck am drit- ten Anschluss durch eine weitere angetriebene Pumpe zu erhöhen, wodurch verschiedenste Anlagen an den Eingangsseiten der Pumpe und des Motors verwenden werden können.

Desweiteren umfasst die Erfindung ein System zur hydraulischen Druckminde- rung von einem ersten hydraulischen Anschluss zu einem zweiten hydraulischen Anschluss, wobei das System weiterhin einen hydraulischen Motor, eine Pumpe und einen dritten hydraulischen Anschluss umfasst und der Motor durch den ersten hydraulischen Anschluss angetrieben und mechanisch mit der Pumpe gekoppelt ist, die eingangsseitig mit dem dritten hydraulischen Anschluss verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe und der Motor aus- gangsseitig miteinander hydraulisch verbunden sind und den zweiten hydraulischen Anschluss bilden.

Die Vorteile des Systems entsprechen im Wesentlichen den bereits oben ge- nannten Vorteilen des Verfahrens, weitere Details sind näher in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele erläutert.

in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems kann der durch die Pumpe geförderte Volumenstrom unabhängig von der mechanischen Kupp- lung zwischen Motor und Pumpe variiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems weist die Pumpe ein verstellbares Fördervolumen auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems weist der Motor ein verstellbares Fördervolumen auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems kann zwischen Motor und Pumpe das Übersetzungsverhältnis geändert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems umfasst das Sys- tem einen Regelkreis, wobei das Fördervolumen und / oder das Übersetzungsverhältnis über diesen Regelkreis variiert werden kann, wobei der Stellwert durch einen variierenden Druck am zweiten Druckanschluss gegeben ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems umfasst das Sys- tem eine Pumpeneinheit, die der Pumpe vorgeschaltet ist und wobei durch die Pumpeneinheit der Druck an der Eingangsseite der Pumpe variiert werden kann.

Kurze Beschreibung der Figuren

In der Figur ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Details näher in der untenstehenden detaillierten Beschreibung erläutert werden. Dabei zeigt:

Figur 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Motor-

Pumpen-Einheit.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist durch den hydraulischen Motor 4 und die Pumpe 5 eine Motor- Pumpen-Einheit dargestellt. Motor 4 und Pumpe 5 sind mechanisch, z. B. durch eine Welle miteinander gekoppelt. Der Motor 4 ist eingangsseitig mit einem hyd- raulischen Anschluss 1 verbunden. Dieser Anschluss kann mit einer beliebigen Hydraulikanlage verbunden sein, die einen Druckanschluss aufweist. Zwischen Motor 4 und dem Anschluss 1 befinden sich im Ausführungsbeispiel ein Kugelhahn 21 , zum Absperren der Leitung, ein Volumenstromgeber 31 und ein Druckgeber 41 , die zum Messen der Druckverhältnisse und des Volumenstroms am ersten Druckanschluss 1 dienen. Der Kugelhahn und die Geber sind natürlich nicht für die Ausführung der Erfindung notwendig, sondern dienen nur einer besseren Kontrolle der Prozessparameter. Dies gilt auch für alle weiteren eingezeichneten Geber und Kugelhähne. Die mit dem Motor 4 mechanisch gekoppelte Pumpe 5 ist eingangsseitig mit dem Anschluss 3 verbunden, der in der Figur mit einem Tank verbunden ist. Der Anschluss 3 kann jedoch auch mit einer anderen hydraulischen Anlage verbunden werden, die ihrerseits einen Öl- strom zur Speisung der Pumpe 5 bereitstellen kann. Zwischen Pumpe 5 und Anschluss 3 sind Kugelhahn 23, Volumenstromgeber 33 und Druckgeber 43 angeordnet. Die Pumpe 5 und der Motor 4 sind ausgangsseitig miteinander verbunden, so dass beide mit dem Anschluss 2 verbunden sind, bzw. diesen bilden. Zwischen Anschluss 2 und Motor 4 sowie Pumpe 5 sind weiterhin Kugelhahn 22, Volumenstrommesser 22 und Druckmesser 42 angeordnet. Anschluss 2 kann mit einem beliebigen hydraulischen Verbraucher verbunden sein, wie zum Beispiel mit einem hydraulischen Kolbensystem, einem hydrauli- sehen Motor oder einer anderen hydraulischen Anlage. Die gestrichelten Linien in der Abbildung zeigen lediglich Leckölleitungen, die Motor 4 und Pumpe 5 mit dem Tank verbinden.

Allgemein kann man bei Anschluss 1 auch von einer Hochdruckseite, bei An- Schluss 3 von einer Niederdruckseite und bei Anschluss 2 von einer Mitteldruckseite des Systems sprechen, entsprechend den ungefähren Druckrelationen zwischen den Anschlüssen.

Die Motor-Pumpen-Einheit 4, 5 ist durch eine sich drehende Welle fest mecha- nisch miteinander verbunden. Die Pumpe 5 ist mit einem variablen Fördervolumen, bzw. mit einem variablen Schluckvolumen, vorgesehen, wodurch es mög- lieh ist, den durch die Pumpe 5 geförderten Volumenstrom Q ₃ zu verstellen. Im Allgemeinen ist ein Volumenstrom Q durch das Produkt der Drehzahl der Pumpe ω und des Fördervolumens der Pumpe V _P gegeben. Die Verstellung, etwa die des Fördervolumens der Pumpe 5, kann entweder manuell oder durch einen geeigneten Regelkreis erfolgen. Dabei kann der Stellwert bzw. die Stellgröße durch Änderungen des Drucks 42 gegeben sein, der am zweiten Anschluss 2 anliegt. Als Eingangswert für die automatische Regelung kann aber auch direkt der Druck 41 , der am ersten Anschluss 1 , anliegt dienen. Im Allgemeinen kann eine solche Regelung auf einer Zeitskale in der Größenordnung von lediglich 50 ms bis 100 ms durchgeführt werden, sodass eine schnelle Anpassung des För- dervolumens möglich ist. Zwischen Motor 4 und Pumpe 5 kann allerdings auch alternativ oder zusätzlich ein Getriebe angeordnet sein, das verschiedene Übersetzungen zwischen Motor 4 und Pumpe 5 ermöglicht. Ein solches Getriebe würde so die Verstellung des von der Pumpe 5 geförderten Volumenstroms Q ₃ ermöglichen. Weiterhin wäre es auch möglich, alternativ oder zusätzlich zu den eben genannten Varianten, das Fördervolumen des Motors 4 zu verstellen.

Zunächst wird für die weitere Betrachtung des Systems davon ausgegangen, dass keine variable Veränderung des Volumenstroms durch die Pumpe 4 vorgesehen ist, wobei der Druck am Anschluss 1 im Wesentlichen konstant ist, aber das System, das mit dem Anschluss 1 verbunden ist, stets einen ausreichenden Volumenstrom bereitstellen kann.

Vernachlässigt man bei einem solchen System die Leckage- und Reibungsverluste in den verwendeten Komponenten, so kann man das Verhältnis zwischen Eingangsdruck 41 und Ausgangsdruck 42 leicht abschätzen. Dabei ist Pi = P ₁ Qi die hydraulische Leistung, die am Anschluss 1 zur Verfügung steht und sich aus dem Produkt des Drucks pi und des Volumenstroms Q ₁ zusammensetzt. Analog ist P ₂ = P ₂ Q ₂ die hydraulische Leistung am Anschluss 2 und P ₃ = p ₃ Q ₃ die hydraulische Leistung am Anschluss 3. Es gilt nach Figur 1 die Leis- tungsbilanz P-i + P ₃ = P ₂ . Mit gegebenen Größen für die Volumenströme und Drücke an den Anschlüssen 1 und 2 folgen feste Werte für den Druck und den Volumenstrom am Anschluss 3.

Ein anschauliches Beispiel für ein solches Verhältnis erhält man, wenn man annimmt, dass der Druck am Anschluss 3 nahezu gleich Null ist, da zum Bei- spiel die Pumpe 5 lediglich mit sehr geringem Druck mit Öl aus einem Tank gespeist wird, wodurch die hydraulische Leistung P ₃ = p ₃ Q ₃ - O ist. Daraus folgt, dass pi/p ₂ = Q2/Q1 ist, wobei Q ₂ = Qi + Q ₃ gilt. Ist nun in einem einfachen Fall der Motor 4 mit der Pumpe 5 fest über die Welle gekoppelt und das Fördervolumen von Motor 4 und Pumpe 5 identisch, so ist auch der von Motor und Pum- pe geförderte Volumenstrom gleich (Qi = Q ₃ ), so dass sich der für einen Verbraucher am Anschluss 2 zur Verfügung stehende Druck zu p ₂ = 0,5 pi ergibt.

Experimentell wurde der Wirkungsgrad eines solchen Systems zu über η = 80 % ermittelt. Dabei wurde am Anschluss 3 das Öl aus einem Tank angesaugt und der Druck am Anschluss 1 im Vergleich zu dem an Anschluss 2, gemäß dem eben angeführten Beispiel, in etwa halbiert.

Analog sind andere Verhältnisse zwischen Drücken an den Anschlüssen 1 und 2 darstellbar. Diese hängen von den jeweiligen Anforderungen und den zur Verfügung stehenden hydraulischen Systemen an den Anschlüssen ab. Durch eine Variationsmöglichkeit des Fördervolumens der Pumpe 5 erreicht man eine Ver- steiiung des Druckverhäitnisses trotz fester Kopplung von Motor 4 und Pumpe 5. Ändert sich betriebsbedingt der Druck am Anschluss 1 , kann diese Verände- rung durch die Verstellung des Fördervolumens der Pumpe 5 kompensiert werden, so dass der Druck am Anschluss 2 konstant bleibt.

Erfindungsgemäß kann also ebenso ein System bereitgestellt werden, dass aus

2 Systemen an den Anschlüssen 1 und 3 ein größeres System bereitstellt, dass eine größere maximale Auslastung bewältigen kann als es eines der Systeme allein ermöglichen könnte. Größer bedeutet vor allem, dass ein größerer VoIu- menstrom Q ₂ bereitgestellt werden kann. Es wird keine neue Anlage benötigt, die für sich gesehen einen ebenso großen Volumenstrom Q ₂ darstellen kann.

Als Motor-Pumpen-Einheit können auch Ölstromteiler, wie die der Firma „Jahns Hydraulik", eingesetzt werden.

Zusätzlich kann der Pumpe 5 eine weitere Pumpe vorgeschaltet werden, die ihrerseits hydraulisch oder mittels eines Elektromotors angetrieben wird. Diese Pumpe kann wahlweise auch ein verstellbares Fördervolumen aufweisen.

Bezugszeichenliste

1. erster hydraulischer Anschluss

2. zweiter hydraulischer Anschluss 3. dritter hydraulischer Anschluss

4. hydraulischer Motor

5. Pumpe

21. erster Kugelhahn

22. zweiter Kugelhahn 23. dritter Kugelhahn

31. erster Volumenstromgeber

32. zweiter Volumenstromgeber

33. dritter Volumenstromgeber 41. erster Druckgeber 42. zweiter Druckgeber

43. dritter Druckgeber