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Die Erfindung betrifft einen Hydraulikkreislauf, insbesondere für eine Baumaschine oder ein Hubgerät, umfassend wenigstens eine Hydraulikpumpe und wenigstens einen durch die Pumpe gespeisten Hydraulikmotor, sowie mit wenigstens einem Abschaltventil, das unter Ausbildung eines Absperrkreislaufs einen Druckaufbau zwischen Hydraulikmotor und Abschaltventil ermöglicht.
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Insbesondere an Baumaschine bzw. Hubgeräte werden hohe Anforderungen bezüglich ihrer Betriebssicherheit gestellt. Beispielsweise darf der Ausfall ein oder mehrerer Hydraulikkomponenten nicht zu einer Gefährdung der Bedienperson bzw. der Umgebung führen. Aus diesem Grund werden Sicherheitsmaßnahmen zur Vermeidung etwaiger Gefahrensituationen ergriffen.
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Der gattungsgemäße Hydraulikkreislauf kann beispielsweise zum Antrieb einer Kranwinde für den Hubbetrieb dienen. Die Hydraulikpumpe wird durch einen Antriebsmotor gespeist und versorgt den Hydraulikmotor zum Antrieb der Winde mit dem erforderlichen Volumenstrom. Zur Sicherung der Last bzw. der Winde wird eine Feststellbremse an der Winde vorgesehen, die eine Windendrehung abbremst oder blockiert.
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Im Falle eines Bremsversagens bzw. einer Fehlschaltung der Bremsvorrichtung und einem gleichzeitigen Ausfall des Antriebsaggregats kann es zum unkontrollierten Abwickeln der Hubwinde kommen. Abhilfe schafft die Anordnung eines Abschaltventils, mit dem ein Absperrkreislauf zwischen Hydraulikmotor und Abschaltventil gebildet wird. Die angehängte Last treibt die Hubwinde und folglich den Hydraulikmotor an. Der angetriebene Hydraulikmotor sorgt für einen Druckaufbau zwischen Abschaltventil und Hydraulikmotor. Durch das resultierende Druckniveau am Hydraulikmotor bringt dieser ein ausreichendes Drehmoment auf die Windenachse, das einem weiteren Absenken der Last entgegenwirkt.
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Unvermeidbare Leckagen am Hydraulikmotor, d. h. im Absperrkreislauf, führen jedoch zu einem schleichenden Druckabfall innerhalb des Absperrkreislaufes. Durch den abnehmenden Druck reduziert sich das motorseitig auf die Winde aufgebrachte Drehmoment, was zu einem beschleunigten und unkontrollierten Absenken der Last führt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Hydraulikkreislauf aufzuzeigen, der auch beim zeitgleichen Ausfall des Antriebsaggregats bzw. einer vorgesehenen Sicherheitsbremsvorrichtung ein unkontrolliertes Verhalten unterbindet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Hydraulikkreislauf gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Hydraulikkreislaufs sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden abhängigen Ansprüche.
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Demnach wird ein Hydraulikkreislauf vorgeschlagen, der wenigstens eine Hydraulikpumpe sowie wenigstens einen durch die Hydraulikpumpe gespeisten Hydraulikmotor aufweist. Wenigstens ein Abschaltventil steht mittelbar oder unmittelbar mit dem wenigstens einen Hydraulikmotor in Verbindung. Sinn und Zweck des wenigstens einen Abschaltventils ist es, bei Ausfall der primären Druckversorgung des wenigstens einen Hydraulikmotors einen sogenannten Absperrkreislauf bilden zu können, der für eine ausreichende Druckversorgung des Hydraulikmotors sorgt.
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Das Druckniveau des Absperrkreislaufs erzeugt am Hydraulikmotor ein ausreichendes Drehmoment, das einer unkontrollierten Motorbewegung entgegensteht. Beispielsweise soll einer externen, auf die Motorwelle einwirkenden Drehkraft ein entsprechendes Drehmoment entgegengesetzt werden.
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Um die eingangs genannten Druckverluste bzw. Leckagen im Absperrkreislauf, insbesondere die natürlichen Leckagen des Hydraulikmotors, ausgleichen zu können, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Druckübersetzer vorgesehen. Dieser steht mittelbar oder unmittelbar mit dem Absperrkreislauf in Verbindung und sorgt für eine Kompensation der leckagenbedingten Druckverluste innerhalb des Absperrkreislaufs.
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Unter einem Druckübersetzer ist grundsätzlich ein beliebiger hydraulischer Schaltaufbau zu verstehen, der einen eingangs anliegenden Volumenstrom in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses mit erhöhtem Druckniveau am Ausgang abgibt.
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Vorzugsweise umfasst der Hydraulikkreislauf wenigstens eine Haltebremse zum bremsenden Eingriff auf die Motorwelle des wenigstens einen Hydraulikmotors. Die Haltebremse kann entweder antriebsseitig oder abtriebsseitig an einer anzutreibenden Krankomponente angeordnet sein.
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Vorzugsweise wird ein Teil des Volumenstroms aus dem Absperrkreislauf ausgespeist und dem Druckübersetzer zugeführt, wobei dieser einen Volumenstrom mit höherem Druckniveau zurück in den Absperrkreislauf einspeist. Auf diese Weise können die Leckagen ausgeglichen werden. Das vorherrschende Druckniveau innerhalb des Absperrkreislaufs kann stabilisiert werden, so dass für ein ausreichendes Drehmoment des Hydraulikmotors gesorgt ist. Es entsteht ein sicheres Hydrauliksystem, das auch beim Ausfall ein oder mehrerer Hydraulikkomponenten, insbesondere des Antriebsaggregates bzw. einer Haltebremse, einen sicheren Zustand gewährleistet.
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Der erfindungsgemäße Gedanke ist dabei unabhängig von der Topologie des Hydraulikkreislaufs anwendbar. Die Kompensierung auftretender Leckagen innerhalb eines Absperrkreislaufs mittels eines Druckübersetzers ist sowohl für offene Kreisläufe als auch für geschlossene Kreislauftopologien denkbar.
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Der Aufbau des Druckübersetzers ist prinzipiell beliebig. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Druckübersetzers ergibt sich durch eine verschaltete Motor-Pumpenanordnung. Der Hydraulikmotor treibt die zugeordnete Hydraulikpumpe mit einem passenden Übersetzungsverhältnis an. Eingangseitig wird der Hydraulikmotor mit einem Teilvolumenstrom des Absperrkreislaufs gespeist. Der Pumpenausgang steht wiederum mit dem Absperrkreislauf in Verbindung und speist den zuvor ausgespeisten Volumenstrom mit höherem Druckniveau zurück. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Hydraulikmotor und Hydraulikpumpe kann fest definiert oder mittels Getriebe einstellbar sein.
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Optional kann der Druckübersetzer ausgangsseitig über wenigstens ein Rückschlagventil mit dem Absperrkreislauf verbunden sein. Der Volumenstrom vom Druckübersetzer zum Sperrkreislauf wird unterbrochen, sobald das Druckniveau des Absperrkreislaufs über dem Druckniveau am Ausgang des Druckübersetzers liegt. Vorzugsweise kommt der Druckübersetzer zum Stillstand, sobald das Rückschlagventil schließt bzw. das Druckniveau im Absperrkreislauf über dem Druckniveau am Ausgang des Druckübersetzers liegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Hydraulikkreislauf mehrere Hydraulikmotoren aufweisen, die jeweils zugeordnete Abschaltventile umfassen. Zumindest ein Teil der Hydraulikmotoren kann auf einen gemeinsamen Druckübersetzer zum Ausgleich von Leckagen in ihren Absperrkreisläufen zurückgreifen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem, dass aus einzelnen Arbeitskreisläufen gemäß dem erfindungsgemäßen Hydraulikkreislauf bzw. einer vorteilhaften Ausführungsform des Hydraulikkreislaufs besteht. Die einzelnen Arbeitskreisläufe können unabhängig voneinander arbeiten oder miteinander mittelbar oder unmittelbar in Verbindung stehen. Vorzugsweise weisen zumindest ein Teil der Arbeitskreisläufe unabhängige Hydraulikpumpen und -motoranordnungen auf. Die einzelnen Hydraulikpumpen können über ein gemeinsames Antriebsaggregat oder getrennte Antriebsaggregate betrieben werden.
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Zweckmäßig kann es nun vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Arbeitskreisläufe auf einen gemeinsamen Druckübersetzer zum Ausgleich von Leckagen in ihren Absperrkreisläufen zurückgreift. Es ist also nicht zwingend notwendig pro Arbeitskreislauf einen Druckübersetzer vorzusehen.
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Die Erfindung betrifft zudem einen Druckübersetzer für einen Hydraulikkreislauf gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Die Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Druckübersetzers entsprechen offensichtlich denen des erfindungsgemäßen Hydraulikkreislaufs, weshalb an dieser Stelle auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
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Denkbar ist es, dass der Druckübersetzer wenigstens eine Hydraulikpumpe sowie wenigstens einen Hydraulikmotor aufweist. Die wenigstens eine Hydraulikpumpe ist über ein festes oder alternativ variables Übersetzungsverhältnis durch den wenigstens einen Hydraulikmotor antreibbar.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Kran, insbesondere. einen Schiffskran oder einen Hafenkran, mit einem Hydraulikkreislauf bzw. einem Hydrauliksystem gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung. Die Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Krans entsprechen offensichtlich denen des erfindungsgemäßen Hydraulikkreislaufs, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Krans wird der Hydraulikkreislauf zum Antrieb wenigstens einer Winde, insbesondere einer Hubseilwinde, verwendet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kran mehrere hydraulische Arbeitskreisläufe auf, wobei zumindest ein Teil der Arbeitskreisläufe gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die einzelnen Arbeitskreisläufe dienen zum Antrieb unterschiedlicher Krankomponenten, beispielsweise Winden, Wippzylinder, Drehwerk, Abstützung, etc..
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind wenigstens zwei der Arbeitskreisläufe über einen gemeinsamen Druckübersetzer versorgbar.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1: ein Blockschaltbild eines geschlossenen Hydraulikkreislaufs gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2: eine alternative Ausführung des Hydraulikkreislaufs gemäß 1,
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3: ein Blockschaltbild eines offenen Hydraulikkreislaufs gemäß der Erfindung,
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4: ein Hydrauliksystem gemäß der vorliegenden Erfindung und
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5: ein weiteres Hydrauliksystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Hydraulikschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydraulikkreislaufs. Der dargestellte Arbeitskreislauf dient zum Antrieb einer Kranhubwinde 4 zum Anheben der angehängten Last 6. Der Windenantrieb erfolgt über den Hydraulikmotor 3, dessen Rotorwelle mit der Windenwelle in Verbindung steht. Der Hydraulikmotor 3 bildet zusammen mit der Hydraulikpumpe 1 einen geschlossenen Hydraulikkreislauf, wobei die Pumpe 1 das Hydraulikmedium zum Motoreingang fördert.
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Die Hydraulikpumpe 1 kann als Pumpe sowie als Motor in zwei Strömungsrichtungen arbeiten und ist verstellbar ausgeführt. Der Hydraulikmotor kann als Pumpe oder Motor arbeiten, das Motorschluckvolumen ist verstellbar. Der Antrieb der Hydraulikpumpe 1 erfolgt über das zentrale Antriebsaggregat 11, insbesondere ein Diesel- oder Elektroaggregat, des Krans.
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Zwischen der Hydraulikpumpe 1 und dem Hydraulikmotor 3 ist ein Abschaltventil 2 geschaltet, das als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist. Das Abschaltventil 2 umfasst ein Vorsteuerventil, das mit der Hochdruckleitung des geschlossenen Kreislaufs in Verbindung steht. Während des regulären Hubbetriebs, d. h. bei ordnungsgemäßem Betrieb der Pumpe 1 sowie des Hydraulikmotors 3, befindet sich das Abschaltventil 2 in Durchflussstellung, so dass ein Volumenstrom vom Hydraulikmotor zurück zur Pumpe 1 ermöglicht wird. Ein Druckabfall auf der Hochdruckseite des geschlossenen Kreislaufs bewirkt ein Schalten des Abschaltventils 2 in eine Abschaltstellung. In der Abschaltstellung sind der Hydraulikmotor 3 und die Hydraulikpumpe 1 über ein Rückschlagventil in der Niederdruckleitung miteinander verbunden. Das Rückschlagventil im Abschaltventil 2 unterbindet den Volumenstrom vom Hydraulikmotor 3 zurück zur Pumpe 1, gibt jedoch den Volumenstrom von der Hydraulikpumpe 1 zum Hydraulikmotor 3 bei Übersteigen eines gewissen Druckniveaus über die Niederdruckleitung frei.
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Auf der Windenachse greift bedarfsweise eine Halte- bzw. Feststellbremse 5 zur Sicherung der angehobenen Last 6 ein. Der Ausfall des Antriebaggregats 11 führt zu Druckverlusten in der Hochdruckleitung. Der Druckabfall am Vorsteuerventil des Abschaltventils schaltet dieses in die Abschaltstellung. Bei gleichzeitigem Bremsversagen bzw. einer Fehlschaltung der Bremse 5 wird nun durch die aufgenommene Last 6 Hubseil von der Winde 4 abgewickelt. Die Rotationsbewegung der Winde 4 treibt den Hydraulikmotor 3 an, der in diesem Fall als Pumpe arbeitet. Hierdurch wird ein Druckniveau zwischen Hydraulikmotor 3 und Abschaltventil 2 aufgebaut. Das resultierende Druckniveau bewirkt, dass der Hydraulikmotor 3 ein ausreichendes Haltemoment auf die Windenwelle aufbringt und den Abwickelvorgang aufgrund der angehängten Last 6 abbremst bzw. unterbindet.
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Bedingt durch die natürlichen Leckagen des Hydraulikmotors 3 stellt sich jedoch ein Druckabfall im Absperrkreislauf ein, das auf die Winde 4 aufgebrachte Haltemoment des Hydraulikmotors 3 nimmt ab und die Last senkt sich zunehmend unkontrolliert zu Boden. Aus diesem Grund ist der geschlossene Hydraulikkreislauf erfindungsgemäß mit einem Druckübersetzer 12 verbunden. Im Einzelnen wird in der Niederdruckleitung vor dem Abschaltventil 2 ein Volumenstrom ausgespeist und dem Hydraulikmotor 7 des Druckübersetzers 12 zugeführt.
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Der Druck zwischen dem Abschaltventil 2 und dem Hydraulikmotor 3 dient folglich als Druckquelle für den Antrieb des Druckübersetzers 12, d. h. des integrierten Hydraulikmotors 7. Der Hydraulikmotor 7 ist mit der Hydraulikpumpe 8 mechanisch gekoppelt und treibt diese an. Die Hydraulikpumpe saugt das Hydraulikmedium aus einem Tank an und speist dieses mit einem definierten Druckniveau in den Absperrkreislauf ein. Die mechanische Kopplung zwischen Pumpe 8 und Motor 7 arbeitet nach einem definierten Übersetzungsverhältnis. Aus dem durch den Motor 7 aufgenommenen Volumenstrom wird ein um das Übersetzungsverhältnis größere Einspeisestrom erzeugt, der von der Pumpe 8 über das Rückschlagventil 10 in den Absperrkreislauf gespeist und dem Hydraulikmotor 3 zur Verfügung gestellt wird.
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Auf diese Weise werden auftretende Leckagen im Absperrkreislauf zwischen Abschaltventil 2 und Hydraulikmotor 3 ausgeglichen. Die Schaltungsanordnung des Druckübersetzers 12 sorgt stets für ein ausreichendes Druckniveau und das notwendige Haltemoment des Hydraulikmotors 3. Damit kann während des Kranbetriebs auch bei Ausfall der Haltebremse 5 sowie des Antriebsaggregats 11 ein ausreichendes Bremsmoment auf die Hubwinde 4 aufgebracht werden, um ein sicheres und langsames Absenken der Last 6 im Problemfall zu gewährleisten. Die Last 6 wird mit einer definierten Geschwindigkeit, die sich aus den Leckagen des Motors und der vom Druckübersetzer entnommenen Menge zusammensetzt, bis zum Boden abgesenkt.
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Mit dem gewählten Übersetzungsverhältnis kann zudem sichergestellt werden, dass der Druckübersetzer 12 nur bei inaktivem Antriebsmotor 11 aktiviert wird. Steigt der Druck im System zwischen dem Rückschlagventil 10 und dem Hydraulikmotor 3 über das durch den Antriebsdruck des Druckübersetzers 12 und dessen Übersetzungsverhältnis bestimmte Druckniveau an, beispielsweise aufgrund des reaktivierten Antriebsmotors 11, so wird kein Öl mehr nachgefördert und der Druckübersetzer 12 kommt zum Stillstand.
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2 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1. Ein Unterschied liegt in der Ausführung des verwendeten Abschaltventils 2. Im Gegensatz zur Ausführung der 1 wird hier ein 4/2-Wegeventil verwendet, das in seiner regulären Betriebsstellung den Durchfluss auf der Hoch- als auch Niedervolumenseite gestattet und in der Abschaltstellung den Durchfluss für beiden Seiten unterbindet. 2 zeigt ebenfalls die hydraulische Anbindung der Bremse 5 an die Hochdruckseite. Der Druckabfall in der Hochdruckleitung bewirkt eine Bremswirkung der Bremse 5. Das Vorsteuerventil des Abschaltventils 2 bzw. die Bremse 5 stehen zusätzlich über ein Rückschlagventil 9 mit der Hochdruckseite in Verbindung.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Hydraulikkreislauf, der im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der 1, 2 als offener Hydraulikkreislauf ausgestaltet ist. Der Druckübersetzer 12, der anhand der 1, 2 für den geschlossenen Hydraulikkreislauf beschrieben wurde, kann in gleicher Weise für den offenen Hydraulikkreislauf verwendet werden. Die Problematik und der Aufbau ist identisch zum geschlossenen Kreislauf. Die Systeme der 1, 2 und 3 unterscheiden sich lediglich in der Pumpe 1, die nunmehr eine einzige Strömungsrichtung angibt, und im zusätzlich eingebauten Steuerschieber 11, der im offenen Hydraulikkreislauf für die Richtungs- und die Geschwindigkeitssteuerung verwendet wird. Ferner ist die Haltebremse 5 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 1, 2 nunmehr antriebsseitig an der Winde 4 angeordnet. Für die voranstehenden und nachfolgenden Ausführungsbeispiele gilt jedoch, dass die Anordnung der Bremse 5 keinen Einfluss auf den erfindungsgemäßen Gedanken nimmt. In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Bremse 5 folglich antriebs- und/oder abtriebsseitig zur Winde 4 angeordnet sein.
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Die 4 und 5 zeigen unterschiedliche Ausführungen des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems. Beide Systeme sind dabei aus insgesamt jeweils drei Arbeitskreisläufen aufgebaut. Nach 4 umfasst jeder Arbeitskreislauf eine Hydraulikpumpe 1, einen Hydraulikmotor 3 sowie ein Abschaltventil 2. Die einzelnen Arbeitskreisläufe sind jeweils nach dem Prinzip des Ausführungsbeispiels gemäß 1 aufgebaut und dienen zum hydraulischen Antrieb separater oder identischer Krankomponenten. Die einzelnen Bezugszeichen der Hydraulikkreisläufe entsprechen denen der 1. Der Antrieb der einzelnen Hydraulikpumpen 1 erfolgt über das gemeinsame Antriebsaggregat 11.
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Zum Ausgleich von Leckagen in den einzelnen Absperrkreisläufen der Arbeitskreisläufe dient ein einziger gemeinsamer Druckübersetzer 12. In diesem Fall steht jeder Arbeitskreislauf zusätzlich über ein Rückschlagventil 13 mit dem Druckübersetzer, d. h. der Hydraulikpumpe 7 in Verbindung, um das Einspeisen von Hydraulikmedium von einem ersten Arbeitskreislauf in einen anderen Arbeitskreislauf verhindern zu können.
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Das Hydrauliksystem gemäß 5 unterscheidet sich gegenüber dem in 4 dargestellten System darin, dass hier pro Arbeitskreislauf zwei Hydraulikpumpen 1 vorgesehen sind. Diese können ihren zugeordneten Hydraulikmotor 3 entweder gemeinsam oder abwechselnd speisen. Zudem werden die einzelnen Hydraulikpumpen 1 eines jeden Arbeitskreislaufs durch unterschiedliche Antriebsaggregate 11a, 11b betrieben. Damit kann jeweils eine Hydraulikpumpe 1 pro Arbeitskreislauf als Ersatzpumpe fungieren.
