Druckverstärker in hydraulischen Anlagen – eine

Druckverstärker in hydraulischen Anlagen –
eine oft vernachlässigte Lösung
miniBOOSTER Hydraulics A/S
Verfasser: Christen Espersen
–
–
–
In führenden Industriestaaten wie z.B. Deutschland, USA und
Japan werden durch den Einsatz von Druckverstärkern in hydraulischen Systemen Kosten, Platz und Gewicht gespart.
Die Firma miniBOOSTER Hydraulics A/S hat sich auf die Produktion des hydraulischen Druckverstärkers, miniBOOSTERTM
spezialisiert.
Nicht weniger als 95% der Produktion sind für den Export
bestimmt. Der Druckverstärker wird in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen in Maschinen und Anlagen eingesetzt.
–
–
–
Höherer Wirkungsgrad und längere Lebensdauer durch
den niedrigeren Betriebsdruck
Kompaktes System
Erhöhte Sicherheit durch Reduzierung des Hochdrucksystems
Integrierte Ventile
Keine dynamischen Dichtungen
Verstärkungsverhältnis angepasst an den aktuellen Bedarf
Wirkungsweise eines Druckverstärkers
Aus Abb. 1 ist ein Grundschaltbild eines Druckverstärkers ersichtlich.
Der Hochdruck
In hydraulischen Systemen ist es häufig erforderlich, unterschiedliche Betriebsdrucke erzeugen zu können. Nur dadurch,
dass man den Druck haargenau an die aktuelle Belastung
anpasst, wird ein perfekt funktionierendes System mit hohem Wirkungsgrad erreicht.
Häufig läuft in Anlagen der überwiegende Teil des
Flüssigkeitsstroms der Pumpstation über ein Druckbegrenzungsventil, das auf einen unnötig hohen Druck eingestellt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass punktuell
im Zyklus der dazugehörenden Maschine hoher Druck aufgebaut wird. Solche Anlagen haben einen sehr niedrigen
Wirkungsgrad, und die eingebauten Bauteile sind großem
Verschleiß ausgesetzt, weil der Druckabfall einen hohen
Flächendruck zwischen den beweglichen Teilen bewirkt.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird in der Regel eine aus mehreren Pumpen bestehende Anlage aufgebaut, in welcher der abgegebene Volumenstrom vom vorhandenem Betriebsdruck abhängig ist. Handelt es sich um
eine größere Anlage, besitzt die Pumpe eventuell eine variable Verdrängung, deren Regler für den Betrieb unter verschiedenen Betriebsdrucken geeignet ist.
Auf vielen Maschinen ist indessen der hohe Druck nur
für sehr kurze Intervalle im Zyklus der Maschine notwendig, wie beispielsweise in verdichtenden Maschinen. Bei diesen Maschinen wird ein Großteil der Energie zum Versetzen
von Werkzeugen, Schalplatten oder Pressplatten, und nur ein
geringerer Teil zum eigentlichen Pressvorgang verwendet,
weil dies keine Bewegung, sondern nur eine Verdichtung des
Öls im Zylinder zur Folge hat.
Abb. 1. Grundschaltbild eines Druckverstärkers .
Die Druckverstärker der Firma sind oszillierend und bringen
einen eingespeisten hydraulischen Druck auf einen höheren
Ausgangsdruck. Wenn das Öl eingespeist wird, springt der
Druckverstärker selbsttätig mit dem Aufbau des Ausgangsdrucks an. Ist der Ausgangsdruck erreicht, stoppt der Druckverstärker, und wird nur zwecks Aufrechterhaltung des Ausgangsdrucks in Betrieb gehen, z.B. um einen Verbrauch oder
eventuelle Leckage auszugleichen. Der Druckverstärker arbeitet nach einem patentierten System.
Hydraulikflüssigkeit wird zum Anschluss IN geleitet und
passiert durch die Rückschlagventile KV1, KV2 und DV (optional) in den Hochdruckbereich. Gleichzeitig wird Anschluss
R mit dem Tank verbunden. Zu diesem Zeitpunkt fließt der
gesamte Durchfluss der Pumpe durch den miniBOOSTER,
und ein Zylinder im Hochdruckbereich H arbeitet schnell in
der gewünschten Richtung. Sobald der Druck im Hochdruckbereich erhöht wird, schalten sich die Ventile KV2 und DV
ab, und die Flüssigkeit wird zu Vol.1 geleitet. In Abb. 1 ist Vol.2
über das bistabile Ventil BV1 mit Vol. 3 verbunden, der wiederum mit dem Tank verbunden ist. Durch die Erhöhung des
Drucks in Vol. 1 gehen die Kolben HP und LP allmählich nach
unten.
Wenn der Hochdruckkolben HP die Steuerleitung 1 passiert, wird diese unter Druck gesetzt, wobei BV1 in eine andere Position gebracht wird. Dies ist der Fall, weil der Bereich über BV1 größer ist, als der darunter befindliche Be-
Druckverstärker bieten unterschiedliche Vorteile
Durch die Verwendung von Druckverstärkern hat der Konstrukteur einen größeren Spielraum hinsichtlich des Betriebsdruckes. Die hydraulische Belastung wird über den ganzen
Zyklus der Maschine gleichmäßiger verteilt. Erst wenn der
Bedarf an hohem Druck vorhanden ist, schaltet sich der Druckverstärker ein. Die restliche Zeit ist er passiv und hat keinen
internen Verbrauch und somit auf den Wirkungsgrad des Systems keinen Einfluss.
Durch die Anwendung des Druckverstärkers wird eine Reihe
von Vorteilen gegenüber den herkömmlichen Hoch- und
Tiefdrucksystemen erzielt.
1
reich, in dem Steuerleitung 2 konstant unter Druck steht.
Dadurch wird Vol. 2 mit der Pumpe verbunden, und die Kolben LP und HP bewegen sich nach oben, da der Bereich unter LP größer ist als der Bereich über HP. Die Flüssigkeit Vol.
1 wird zum Hochdruckbereich geleitet. Wenn das entgegengesetzte Ende die HP Steuerleitung 1 (wie in Abb. 1 gezeigt)
passiert, wird diese entlastet, und BV1 kehrt in seine Ausgangsposition zurück. Dies erfolgt solange, bis der Druck im
Hochdruckbereich um einen Faktor entsprechend dem Verhältnis zwischen den Bereichen von LP und DV angehoben
ist. Fällt der Druck im Hochdruckbereich ab, läuft der Zyklus
automatisch wieder an.
Die Entlastung des Hochdruckbereiches erfolgt dadurch,
dass der Pumpendruck in Anschluss R geleitet wird und
Anschluss IN mit dem Tank verbunden wird. Somit wird die
Steuerleitung 3 unter Druck gesetzt, und DV öffnet. Die Flüssigkeit vom Hochdruckbereich wird jetzt direkt an den Tank
durch DV und Anschluss IN zurückgeleitet.
Abb. 2 zeigt einen typischen Verlauf für den Zusammenhang zwischen Druck und Volumenstrom in Anschluss H,
wenn der Druck in Anschluss IN maximal 150 bar erreichen
darf, und die Belastung des Anschlusses im Hochdruckbereich von null auf 480 bar steigt. Der Druckverstärker im
Beispiel hat einen Verstärkungsfaktor von 1:3,2.
Abb. 2. Diagramm zum Druck/Fluss-Verhältnis.
Verwendung des Druckverstärkers
Grundsätzlich kann der Druckverstärker an den Stellen verwendet werden, an denen zu einem gegebenen Zeitpunkt ein
deutlich erhöhter Druck benötigt wird. Das System wird in
der Regel wie in Abb. 3 angegeben aussehen, in dem ein Zylinder mit einem gewöhnlichen 4/3 Wegeventil gesteuert
wird. Der Druckverstärker wird direkt am Zylinder montiert,
und die kostspielige Hochdruckverbindung wird auf ein Minimum reduziert. Im Beispiel ist der Druckverstärker mit einem integrierten pilotgesteuerten Rückschlagventil ausgestattet.
Abb. 3 Diagramm Steuerung
2
Soll der Zylinder mit höherer Geschwindigkeit bewegt werden, als es der Volumenstrom durch den Druckverstärker
zulässt, lässt sich das eingebaute pilotgesteuerte Rückschlagventil durch ein externes Ventil ersetzen.
In Systemen, in denen die Pumpe nicht nur für den Betrieb eines einzelnen Zylinders bemessen ist, wie Abb. 3 zeigt,
sondern auch eine Reihe anderer Verbraucher versorgen
muss, kann der gespeiste Volumenstrom die Betriebsfrequenz des Druckverstärkers auf ein Niveau erhöhen, welches die Lebensdauer beeinträchtigt. In solchen Systemen
lässt sich nutzbringend ein Drosselventil vor dem Druckverstärker einsetzen.
Einen besonders geeigneten Einsatzbereich für den
Druckverstärker stellen bestehende Anlagen dar, für die ein
höherer Druck benötigt wird, als es die ursprüngliche Bauart zulässt. Die Kosten für die Anpassung eines solchen Systems an einen höheren Druck sind auf herkömmliche Weise in der Regel sehr hoch und arbeitsintensiv. Mit dem Druckverstärker lässt sich ein existierendes System durch die einfache Integration des Verstärkers auf einen erhöhten
Betriebsdruck bringen, wobei selbstverständlich der notwendige Volumenstrom vorhanden sein muss.
Anwendungsbeispiele
Seit der Etablierung des Druckverstärkers auf dem Markt,
kommt dieser in einer Vielzahl von Systemen zur Anwendung.
Die folgende Liste zeigt einen kleinen Ausschnitt der Vielfältigkeit des Systems und seiner typischen Einsatzbereiche:
Hydraulische Spannwerkzeuge
– Wartungsausrüstung für Eisenbahnen
– Spritzgießmaschinen: Einspannung von Gießformteilen,
Kernziehen
– Hydraulische Werkzeuge verschiedener Art,
z.B.: Schneid-, Streich- und Klemmwerkzeug,
– Drehmomentschlüssel, Bolzenstrecker u.a.m.
– Drehkupplungen für Drehbänke
– Prüfausrüstung bis zu 3.000 bar
– Gabelwender auf Drehgestellen
– Betonscheren
– Offshore: Wellhead control panels ( WCW, MCW, SSSV ),
Blowout preventors
– Hydraulische Werkzeuge auf ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (R.O.V.)
– Aggregate
– Filterpressen
Abb. 4 zeigt ein Diagramm von Danfoss A/S über das hydraulische Spannen in einer STAMA Bearbeitungsmaschine. Zwei
miniBOOSTER mit Verstärkung 4:1 werden mit ihrer Aufspannplatte direkt in das Werkzeug eingebaut. Mit dem vorhandenen Hydraulikanlagendruck von 40 bar wird der notwendige Druck im Spannwerkzeug von 160 bar erreicht. Abb.
5 zeigt den Aufbau des Systems.
Abb. 4. Diagramm Beispiel von Danfoss A/S.
Typ
Merkmale
HC1
Der kompakteste miniBOOSTER mit sehr kleinen
Abmessungen und minimalem Gewicht.
HC2
Standard miniBOOSTER für die meisten Spannund Klemmwerkzeuganwendungen.
HC3
Version des HC2 miniBOOSTER für NG6 Zusammenbau.
HC4
Volumen hochdruck seitig bis zu 5 l/min für Anwendungen, in denen mehr Durchfluss bei höherem Druck benötigt wird.
HC5
Doppelwirkender miniBOOSTER
Hochdrucksumshliessen.
HC6
Volumen bis zu 11 l/min für Anwendungen, in denen mehr Volumenbedarf bei höherem Druck erforderlich ist.
HC8
Diese Version des HC2 miniBOOSTER ist für einen
Ausgangsdruck bis zu 2.000 bar entwickelt worden (3.000 bar auf Anfrage)
mit
2
Abb. 7. Eigenschaften für die Druckverstärker.
Ein Druck mit bis zu 2000 bar (Höhere Drucke auf Anfrage)
kann aus allen niederdruckhydraulischen Einheiten erzielt
werden, z.B. die Hydraulikanlage auf einer Bearbeitungsmaschine oder einem Fahrzeug.
Der miniBOOSTERTM wird mit bis zu 11 unterschiedlichen
Verstärkerverhältnissen Gerätetyp geliefert.
Das kompakte Design des miniBOOSTERTM ermöglicht
den Einbau genau an der Stelle, an der ein hoher Druck nötig ist. Er erfordert ein Mindestmaß an Platz und ist sowohl
in bestehenden als auch in neuen Anlagen leicht einbaubar.
Niedrigere Systemdrucke bedeuten einen reduzierten Energieverbrauch und damit geringere Produktionskosten.
Internationaler Erfolg und ein neuer Name
Der internationale Erfolg hat das Unternehmen veranlasst,
seinen bisherigen Namen, Iversen Hydraulics ApS, umzuwandeln in den für den internationalen Markt wohlklingenderen
Namen miniBOOSTER Hydraulics A/S.
Nimmt man die Referenzliste der miniBOOSTER
Hydraulics A/S, darunter führende Unternehmen der Automobilindustrie und Hersteller von Bearbeitungsmaschinen
in aller Welt, wird diese neue Namensgebung nur allzu verständlich.
Abb. 5. Spannwerkzeug mit Druckverstärker auf
Bearbeitungsmaschine.
Große Produktvielfalt
miniBOOSTER Hydraulics A/S bietet eine Vielfalt hydraulischer Druckverstärker an, die heute weltweit in den verschiedensten Anwendungen verwendet werden. Abb. 6 zeigt das
Produktprogramm und Abb. 7 die Merkmale der Druckverstärker.
__________________________________________________
Abb. 6. Das Programm der Druckverstärker.
3
4