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Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil, insbesondere für hydraulische Grubenstempel, mit in einem Ventilgehäuse angeordnetem, axial verschiebbarem Absperrkörper, der auf einer Seite von einem Druckgas und einer Druckfeder, auf der entgegengesetzten Seite von der Flüssigkeit, deren Druck zu begrenzen ist, z. B. der im Unterstempel eines Grubenstempels vorhandenen Druckflüssigkeit, beaufschlagt wird.
In der Industrie kommen auf den verschiedensten Gebieten Einrichtungen zum Einsatz, bei denen sich die einzelnen Bewegungsvorgänge unter grossen, manchmal selbst 200 bar überschreitenden Drücken durchgeführt werden. Ein solches allgemein bekanntes Einsatzgebiet ist z. B. der Bergbau, wo der Grubenausbau mit Grubenstempeln ausgeführt wird, die mit einem besonders hohen hydraulischen Druck arbeiten.
Die hydraulischen Grubenstempel bestehen im wesentlichen aus einem zylindrischen Stempelunterteil-dem Unterstempel-und einem darin axial verschiebbar angeordneten kolbenartig ausgebildeten Stempeloberteil-dem Oberstempel. Im Zylinderraum des Unterstempels unterhalb des unteren Endes des Oberstempels befindet sich eine Druckflüssigkeit, deren Druck erhöht werden kann, worauf dann die Druckflüssigkeit den Oberstempel ausfährt.
Der Unterstempel ruht auf der Sohle des Grubenbaues, während der Oberstempel mit dem gewünschten Druck an die Firste gepresst wird. In Grubenbetrieben kommt es häufig vor, dass der auf den Oberstempel wirkende Gebirgsdruck durch das Einsinken des Gesteins plötzlich ansteigt. Die Grösse der für den Stempel noch zulässigen Belastungen ist dabei von seinem konstruktiven Aufbau, von der Werkstoffgüte und von den Abmessungen abhängig, deshalb die auf den Stempel übertragbare Belastung einen oberen Grenzwert hat, nach dessen Überschreiten der Grubenstempel bricht.
Solche Überbelastungen des Grubenstempels müssen vermieden werden und um sie zu verhindern, sind Druckbegrenzungsventile vorgesehen, die beim Auftreten eines Überdruckes sich öffnen und einen Teil der Druckflüssigkeit, die sich im Zylinderraum unterhalb des Oberstempels, d. h. im Druckraum, befindet, ablässt. In solchen Fällen behält der Grubenstempel auch weiterhin seine Fähigkeit, die Firste abzustützen. Durch diese Massnahme können die sicherheitstechnischen Forderungen erfüllt werden, weil nach einem gewissen Absinken der Firste sich der Gleichgewichtszustand des Gesteins wieder einstellt. Danach aber vermag der Grubenstempel auch weiterhin das Hangende so abzustützen, dass eine grössere Belastung auf den Stempel nicht einwirken kann.
Die bekannten Druckbegrenzungsventile sind innerhalb oder ausserhalb des Grubenstempels angebracht. Die bekannten Gasfeder-Druckbegrenzungsventile bestehen allgemein aus einem in einem Ventilgehäuse beweglichen kolbenartigen Absperrkörper, der unter der Wirkung des von einer üblichen Druckfeder und/oder einer Gasfeder ausgeübten Druckes auf dem Ventilsitz aufliegt. Die Gasfeder ist ein im Ventilgehäuse ausgebildeter, mit Hochdruckgas gefüllter Raum, dessen eine Grenzfläche durch die eine Seite des kolbenartig ausgestalteten Absperrkörpers gebildet wird. Die Druckfeder kann auch eine mechanische Feder, z. B. eine Schraubenfeder oder auch ein aus Federlamellen zusammengesetztes Paket, sein.
Bei dem am häufigsten angewendeten Gasfeder-Druckbegrenzungsventil weist der im Ventilgehäuse verschiebliche Absperrkörper ein als Gummiglocke ausgebildetes Abdichtelement und eine sich darauf stützende elastische Kunststoffscheibe auf. Die Kunststoffscheibe ist das eigentliche Absperrelement, das durch Einwirkung der Druckfeder und/oder der Gasfeder auf der ebenen Fläche des Ventilsitzes aufliegt. Der Ventilsitz hat einen Ringspalt, durch den die vom hydraulischen Stempel stammende Flüssigkeit in die elastische Kunststoffscheibe, d. h. in den durch die Kunststoffscheibe abgesperrten Ausflussspalt, gelangt.
Das beschriebene am häufigsten angewendete, bekannte Druckbegrenzungsventil weist den Nachteil auf, dass der Ringspalt durch eine mit dem Ventilsitz koaxiale Bohrung und einen in dieser verschiebbar angeordneten zylindrischen Bolzen gebildet wird. Da sich der zylindrische Bolzen auch seitlich bewegen kann, ist die Spaltbreite am Umfang nicht überall die gleiche. Bei dem Spaltabschnitt von grösserer Breite wirkt eine grössere Kraft auf die Kunststoffscheibe (auf das Absperrelement), die deshalb eine schräge Stellung einnimmt, so dass in diesem Spaltabschnitt eine gewisse Menge der Druckflüssigkeit durchströmen kann.
Durch die mit hohem Druck und grosser Geschwindigkeit strömende Druckflüssigkeit aber wird das Absperrelement und die dahinter angeordnete Gummiglocke einer starken Korrosion und einem starken Verschleiss ausgesetzt, so dass schliesslich die elastische Kunststoffscheibe ihre Absperr- und Abdichtungsfähigkeit verliert und das Druckbegrenzungsventil für den weiteren Einsatz untauglich wird. Infolge der Schrägstellung des Absperrelementes öffnet das Druckbegrenzungsventil nicht genau bei dem vorher eingestellten, gewünschten Druckwert, bzw. Belastungswert ; der Grubenstempel arbeitet also unzuverlässig.
Ein weiterer Nachteil des Ventils dieser Bauart besteht darin, dass das kolbenartig ausgestaltete Gummiglocken-Dichtungselement neben dem Abstützen der elastischen Kunststoffscheibe auch das Abdichten des Gasraumes übernehmen soll. Bei einem Schadhaftwerden durch die oben beschriebene Erosionswirkung gelangt gegebenenfalls Druckflüssigkeit in den Gasraum. Dieser füllt sich ganz oder teilweise mit Druckflüssigkeit und verliert dadurch seine Elastizität und Funktionsfähigkeit. Tritt dieser Fall ein, so verschlechtert sich die Betriebssicherheit des Grubenstempels in hohem Masse, oder sie geht gänzlich verloren.
Der erwähnte Vorgang erfolgt gewöhnlich dann, wenn eine starke Gebirgsdrucksteigerung auf den Grubenstempel schlagartig einwirkt, denn dann strömt durch den Ringspalt im Ventilsitz eine solche Menge Druckflüssigkeit ein, dass in der gleichen Zeit die gleiche Menge über die Ausflussbohrung aus dem Ventilgehäuse nicht mehr abfliessen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Druckbegrenzungsventils, bei dem die dargelegten Mängel und Nachteile vermieden sind und das Druckbegrenzungsventil-demzufolge auch der Grubenstempel oder eine sonstige Einrichtung-bei einem noch so plötzlichen Auftreten einer beliebig grossen Überbelastung mit absoluter Sicherheit funktioniert.
Bei dem Druckbegrenzungsventil der eingangs erwähnten Bauart ist die gestellte Aufgabe gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Absperrkörper auf der der Druckflüssigkeit zugewandten Seite eine ringförmige Ventilsitzfläche aufweist, gegen die sich die Schliessplatte eines im Ventilgehäuse mit dem Absperrkörper koaxial bewegbaren Ventilkörper legt und dabei das Abströmen der Druckflüssigkeit über Abflusskanäle im Absperrkörper bzw. Ventilgehäuse unterbindet, solange der Druck des Druckgases und der Druckfeder auf den Absperrkörper den der Druckflüssigkeit übersteigt.
Hiebei ist im Ventilgehäuse eine Anschlagfläche für den Ventilkörper vorgesehen, gegen die sich der Ventilkörper unter der Wirkung eines Überdruckes der Druckflüssigkeit legt, wobei er sich von der Ventilsitzfläche abhebt und das Abströmen der Druckflüssigkeit über die Abflusskanäle zulässt.
Ein weiteres Merkmal des Druckbegrenzungsventils gemäss der Erfindung besteht darin, dass die ringförmige Ventilsitzfläche im Absperrkörper eine zentrale Bohrung aufweist, in der ein einen Ringspalt mit der Bohrung bildender Drosselkörper eingesetzt ist, dessen Stirnfläche in der Ebene der Ventilsitzfläche liegt und dessen Bohrungen einen Teil des Strömungsweges für die abströmende Druckflüssigkeit bilden.
Ebenso ist ein Merkmal der Erfindung, dass der Absperrkörper an beiden Enden je eine Ringnut mit einem Dichtungsring aufweist und dass zwischen den Ringnuten im Absperrkörper eine ringförmige Ausnehmung vorgesehen ist, in die die Abflusskanäle münden und die einen Sammelraum für die über einen Kanal im Ventilgehäuse ins Freie austretende Druckflüssigkeit bildet.
Schliesslich ist noch ein Merkmal der Erfindung, dass am Absperrkörper neben der Ventilsitzfläche eine Ringfläche ausgespart ist, die über Durchlässe bzw. Bohrungen im Ventilkörper mit der z. B. im Unterstempel eines Grubenstempels vorhandenen Druckflüssigkeit in Verbindung steht.
Das Druckbegrenzungsventil gemäss der Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei ist Fig. l die schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels für den Einsatz des Ventils bei einem hydraulischen Grubenstempel. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des Gasfeder-Gegenstrom-Druckbegrenzungsventils gemäss der Erfindung.
In Fig. l ist das Druckbegrenzungsventil gemäss der Erfindung beispielsweise in einer Anordnung veranschaulicht, bei der es nicht mit einer zugehörigen Einrichtung, z. B. mit einem hydraulischen Grubenstempel, konstruktiv zusammengebaut, sondern ausserhalb dieser Einrichtung angeordnet und an diese von aussen angeschlossen ist. In einem Unterstempel--l--ist ein Kolben--2--axial verschiebbar angeordnet.
Im Zylinderraum--4--unterhalb des Dichtungsrings--3--des Kolbens--2--befindet sich eine Hochdruckflüssigkeit, deren Menge verändert werden kann. Der Zylinderraum--4--ist durch einen im Kolben --2-- vorgesehenen Kanal--5--mit einer Querbohrung--6--verbunden. An diese Querbohrung--6-sind ausser einem Vorspannungsventil--7--und einem Entlastungsventil--8--auch ein Druckbegrenzungsventil--9--angeschlossen.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Druckbegrenzungsventils--9--gemäss der Erfindung, bei der es mit einem Schraubengewinde--10--an der Querbohrung--6--des Kolbens--2--befestigt werden kann. Das Schraubengewinde--10--ist an einem Anschlussstück --11-- vorgesehen, dessen einen Dichtungsring--12--tragender Ansatz--13--in den entsprechenden Teil der Querbohrung--6-hineinragt. An dem Anschlussstück--11--kann mit dem Innengewinde--14--ein Ventilgehäuse--15-- befestigt werden. Für die Abdichtung zwischen den beiden genannten Bauteilen--11 und 15-sorgt der Dichtungsring--16--.
In der Längsachse des Anschlussstücks-11--ist ein Kanal--17--und ein als seine gestufte Fortsetzung ausgestalteter flÎssigkeitsverteilungsram --18-- vorgesehen. Der Flüssigkeitsverteilungsraum --18-- ist im Wesen eine zylindrische Bohrung, in die-locker eingepasst-ein Ventilkörper--19--
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nicht ein voller Kreisring, er weist Durchflussöffnungen, z. B. Nuten auf, über welche eine ständige Flüssigkeitskommunikation zwischen dem erweiterten Flüssigkeitsverteilungsraum und dem Innenraum in der Zeichnung nach links von der Fläche--21-des Ventilgehäuses--15--besteht.
Die im Ventilkörper --19-- mit dem Kanal--17--des Ansatzes--13--koaxial vorgesehene
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im Druckram --26-- des Ventilgehäuses --15-- axial verschiebbar angeordneten und dicht eingesetzten Absperrkörpers --27-- auf.
An den beiden Enden des Absperrkörpers --27-- befIndet sich je eine Ringnut, in welcher je ein
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--28-- eingesetztDruckraum --26-- zwischem dem Absperrkörper --27-- und dem Boden des Ventilgehäuses--15-- hindurchsickert.
In der der Schliessplatte --25-- zugekehrten Seite des Absperrkörpers --27-- ist eine Bohrung --30-- vorgesehen, in die ein Drosselkörper --31-- dicht eingepasst ist. Der der Schliessplatte--25-- zugewandte Teil des Drosselkörpers--31--hat einen reduzierten Durchmesser, so dass zwischen dem
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Kreisringspalt--32--besteht,Drosselkörpers--31--liegt in der durch die daneben befindliche Endfläche des Absperrkörpers--27- bestimmte Ebene. Im Drosselkdrper --31-- sind eine in den Spalt--32--mündende Querbohrung--33-- und eine in die letztere mündende axiale Bohrung--34--vorgesehen. Als Fortsetzung dieser Bohrung --34-- ist im Absperrkörper --27-- die Bohrung --35-- vorhanden, die in eine weitere quergerichtete, radiale Bohrung --36-- mündet.
Die beiden Enden der Bohrung-36--führen in den Flüssigkeitsablassraum --29--. Aus diesem kann die hierher gelangte Flüssigkeit über die in der Wand des Ventilgehäuses--15-- vorgesehene Ablassöffnung--37--aus dem Druckbegrenzungsventil abfliessen.
Im Boden des Ventilgehäuses--15--ist eine Öffnung--38--vorgesehen, die durch ein mit den
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Rückschlagventil-30--verschlossen--9-- eine Flüssigkeitsverbindung über den Kanal--5--, die Querbohrung --6-- und den Kanal--17--.
Wenn während des Betriebes der Gebirgsdruck steigt, nimmt durch die auf den hydraulischen Grubenstempel einwirkende Last auch der Druck der sich im Zylinderraum--4--befindlichen Flüssigkeit zu.
Somit steigt der Flüssigkeitsdruck auch im Flüssigkeitsverteilungsram --18-- und im Bereich des Flansches
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hydraulischen Grubenstempel her wirkende Flüssigkeitsdruck den vorher einregulierten Gegendruck der Gasfeder überwindet und damit das Druckbegrenzungsventil öffnet. Wenn sich also der Absperrkörper --27-- zusammen mit dem Ventilkörper--19--in Pfeilrichtung--44--bewegt und der flansch --20-- des Ventilkörpers --19-- an der Fläche --21-- des VentilgehTuses --15-- anschlägt, strömt über die zwischen der Endfläche des Absperrkörpers--27--und der Schliessplatte --25-- entstandene Öffnung Druckflüssigkeit mit grosser Geschwindigkeit in den Spalt --32-- und von dort über die Querbohrung--33--, die Bohrung --34--,
die Bohrung --36-- in den Flüssigkeitsablassraum--29--und über die Entleerungsöffnung --37-- ins Freie bzw. in einen Raum von niedrigerem Druck. Als Folge der Druckverminderung bewegt sich der Kolben--2-- (Fig. l) axial solange abwärts, bis das Gleichgewicht zwischen der vom Gebirgsdruck herrührenden Belastung und der Nennlast des Druckbegrenzungsventils wiederhergestellt ist.
Ist dies geschehen, so schiebt die Druckfeder --41-- und der im Druckraum --26-- herrschende Gasdruck den Absperrkörper --27--, danach mit diesem zusammen auch die Schliessplatte-25-bzw. den Ventilkörper-19-in einer dem Pfeil--44--entgegengesetzten Richtung solange, bis die entsprechende Fläche des Ventilkörpers --19-- zur gegenüberliegenden Fläche --22-- des Abschlussstückes --11-- gelangt ist. In diesem Zeitpunkt schliesst die Schliessplatte--25--den Ringspalt--32--wieder sickerungsdicht.
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Die wichtigsten Vorteile des Gasfeder-Gegenstrom-Druckbegrenzungsventils gemäss der Erfindung sind folgende :
In der Bohrung des Absperrkörpers--27--ist der Drosselbolzen--31--praktisch starr eingesetzt, deswegen ist die Breite des kreisringförmigen Spalts --32-- am ganzen Umfang immer gleich. Als Folge hievon
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Eigenschaft des Druckbegrenzungsventils besteht darin, dass in dem das Druckgas enthaltenden Druckraum - keine Flüssigkeit einsickern kann, weil dies durch eine genaue Einpassung und Führung des Absperrkörpers--27--, ferner durch die Einspannart und den gegenseitigen Abstand der Dichtungsringe --28-- sowie auch durch ihre zweckmässige Anordnung relativ zueinander verhindert wird.
Deshalb können das im Druckraum vorhandene Gas und die Druckfeder--41--ihre Aufgabe immer erfüllen und das Druckbegrenzungsventil arbeitet genau innerhalb der eingestellten Druckgrenzwerte. Der erforderliche Flüssigkeitsdruckabbau erfolgt gleichmässig, wobei der Grubenstempel immer nur im zulässigen Masse beansprucht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Druckbegrenzungsventil, insbesondere für hydraulische Grubenstempel, mit in einem Ventilgehäuse angeordnetem, axial verschiebbarem Absperrkörper, der auf einer Seite von einem Druckgas und einer Druckfeder, auf der entgegengesetzten Seite von der Flüssigkeit, deren Druck zu begrenzen ist, z.
B. der im Unterstempel eines Grubenstempels vorhandenen Druckflüssigkeit, beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Absperrkörper (27) auf der der Druckflüssigkeit zugewandten Seite eine ringförmige Ventilsitzfläche aufweist, gegen die sich die Schliessplatte (25) eines im Ventilgehäuse (15) mit dem Absperrkörper (27) koaxial bewegbaren Ventilkörpers (19) legt und dabei das Abströmen der Druckflüssigkeit über Abflusskanäle (28, 33, 34, 35, 36, 37) im Absperrkörper bzw.
im Ventilgehäuse unterbindet, solange der Druck des Druckgases und der Druckfeder (41) auf den Absperrkörper den der Druckflüssigkeit übersteigt, und dass im Ventilgehäuse eine Anschlagfläche (21) für den Ventilkörper (19) vorgesehen ist, gegen die sich der Ventilkörper unter der Wirkung eines Überdruckes der Druckflüssigkeit legt, wobei er sich von der Ventilsitzfläche abhebt und das Abströmen der Druckflüssigkeit über die Abflusskanäle zulässt.
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