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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Grubenstempel mit einem Unterstempel, einem ausfahrbaren Oberstempel und einem am oberen Ende des Oberstempels angeordneten Stempelkopf.
Bei den bekannten Lösungen der zur Unterstützung der Grubenhohlräume dienenden Konstruktionen (Grubenstempel und Ausbaukappen) wirkt der Druck der Gesteine, die sich oberhalb des Hohlraumes befinden, durch die Ausbaukappe auf den oberen Teil des Grubenstempels (Oberstempel), dann auf den unteren Teil desselben (Unterstempel) und endlich auf das Gestein selbst, das den Boden des Hohlraumes bildet. Bei den sogenannten Reibungsgrubenstempeln wirkt der Druck des Gesteins über eine Verschlusskonstruktion, bei hydraulischen Grubenstempeln aber über ein Flüssigkeitskissen auf den Unterstempel.
Das deckende Gestein berührt die Ausbaukappe allerdings nur an einigen Stellen. Ebenso berührt die untere Oberfläche der Ausbaukappe den Stempelkopf nur in einigen Punkten oder entlang einer Linie.
Die punktartig bzw. entlang einer Linie angreifenden Kraftwirkungen sind darauf zurückzuführen, dass die durch Handarbeit oder durch Maschinen aufgefahrenen Hohlräume oben eine Oberfläche aufweisen, die nie glatt ist. Das ist aber für eine einwandfreie Abstützung ungünstig. weil infolge des oben genannten Umstandes auf den Grubenstempel und die Ausbaukappe konzentrierte Kräfte wirken. Im oberen Teil des Grubenstempels entsteht daher ein zusammengesetzter mechanischer Spannungszustand, der infolge der aussermittig angreifenden Kräfte aus Druck-, Biegungs- und Drehbeanspruchung besteht.
Diese alltägliche Erscheinung ist bei den die statischen Überprüfungen der Bergbaukonstruktionen vorschreibenden Industrienormen berücksichtigt. Nach den Industrienormen kann ein Grubenstempel als zuverlässig anerkannt werden, wenn er nach Belastung mit einer Exzentrizität von 20 mm und einer Grösse, die 75% der nominalen entspricht, keine bleibende Deformation aufweist. In der Praxis bewährt sich ein Grubenstempel als gut, wenn unter dem Einfluss der exzentrischen Kräfte eine nur geringfügige Ausbiegung auftritt.
Die Länge und der Querschnitt der Grubenstempel wird üblich nach den Bemessungsformeln für lange auf Druck beanspruchte Stangen bestimmt, diese Methode gibt aber kein zuverlässiges Ergebnis. Mit einfachen, unter Druck stehenden Stangen können nämlich weder die Reibungsgrubenstempel, noch die hydraulischen Grubenstempel verglichen werden. Vom Gesichtspunkt der Bemessung gehören sie nicht zu derselben Gruppe.
Der obere Teil des Reibungsgrubenstempels ist während der Belastung eng und fest in den Verschluss am oberen Ende des Unterstempels eingespannt. Durch den Verschluss kommt eine Reibungskraft zustande, die dem Druck des Firstes das Gleichgewicht hält. Wenn der Druck des Firstes aber einen bestimmten Wert übersteigt, schiebt sich der obere Teil in den Unterstempel hinein. In diesem Fall wird die durch die Senkung des Firstes freiwerdende Energie als Reibungsarbeit des Verschlusses aufgezehrt.
Die Reibungsgrubenstempel stellen statisch gesehen ein Tragsystem veränderlicher Länge dar, bei dem sich die Querschnitte entlang dem Tragsystem ändern, gleichzeitig können aber der obere und der untere Teil des Grubenstempels infolge des Verschlusses als eingespannte Träger betrachtet werden. Bei hydraulischen bzw. Reibungsgrubenstempeln kommen verschiedene Verhältnisse zustande.
Bei hydraulischen Grubenstempeln wird die durch das Gewicht der Firste entstandene Belastung über den Stempelkopf auf einen Träger konstanter Länge (auf den oberen Teil des Stempels) weitergeleitet, der die Belastung, d. h. den Druck einer Flüssigkeit, weitergibt, die sich in einem geschlossenen Raum unterhalb des Oberstempels befindet, wodurch der Druck dieser Flüssigkeit zunimmt. Übersteigt dieser Druck einen vorbestimmten Wert, so wird ein Teil der Flüssigkeit durch ein Druckbegrenzungsventil abgelassen.
Infolge des Abfliessen der Flüssigkeit rutscht der obere Teil in den unteren Teil hinein, wobei eine Arbeit ausgeübt wird, die der Energie der Firstenbewegung entspricht. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den hydraulischen bzw. Reibungsgrubenstempeln besteht darin, dass bei den hydraulischen Stempeln zwischen dem oberen und unteren Teil kein Verschluss vorhanden ist, die beiden Teile können daher nicht als eingespannte Träger betrachtet werden. Der obere Teil des Stempels wird in dem Unterstempel mit Hilfe eines kurzen Kolbens geführt und ist in Querrichtung durch einen am oberen Ende des Unterstempels ausgestalteten Leitrand sowie dùrch den Kolbenmantel abgestützt. Die Länge des Oberstempels zwischen dem Kolben und dem Leitrand ändert sich während der Verschiebung.
Der Oberstempel ist unter dem Einfluss einer exzentrischen und konzentrierten Belastung nicht nur auf Ausbiegung sondern-infolge der schon erwähnten sich ändernden Spannweite - auch auf reine Biegung und sogar auf Drehung beansprucht.
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Betrachtet man die Ausbiegung des Stempels, so erkennt man, dass es sich um ein Tragsystem handelt, das einer komplexen Beanspruchung ausgesetzt ist. Solch ein Tragsystem kann auf Grund der bekannten statischen Zusammenhänge nicht berechnet und bemessen werden. Die einander angepassten Bauteile eines Reibungsgrubenstempels weisen Abmessungen auf, die sich innerhalb eines weiten Bereiches ändern. Die Flächen des Stempels sind ziemlich grob bearbeitet. Das ist ein Grund dafür, dass die Reibungsgrubenstempel eines und desselben Typs Tragfähigkeiten aufweisen, zwischen denen Abweichungen von sogar 30 bis 50% vorkommen.
Bei den hydraulischen Grubenstempeln müssen die Passflächen - um einen geschlossenen Flüssigkeitsraum zu sichern - genau ineinandergepasst werden. Ferner ist eine gute Abdichtung erforderlich. Die Deformation der einzelnen Bauteile, z. B. des Oberstempels, bedeutet daher ein ausserordentlich grosses Problem. Schon wenn der Oberstempel eine kleine Ausbiegung erfährt, oder sein kreisförmiger Querschnitt geringfügig elliptisch wird, kann er nicht mehr in den Unterstempel eindringen, wodurch der Grubenstempel unbrauchbar wird. Ein gekrümmter oder im Querschnitt deformierter Oberstempel kann nicht ausgebessert werden.
Ein Grubenstempel, dessen Oberteil solche Schäden erlitten hat, kann von der Grube nicht ausgeraubt werden, weil die im Inneren des Stempels angeordnete Feder, die den Oberteil in den Unterteil zwingt, bei Auslassung der Druckflüssigkeit nicht mehr wirksam ist.
Um einen ausreichenden Widerstand gegen aussermittige Belastungen zu gewährleisten, werden die bekannten hydraulischen Grubenstempel der eingangs erwähnten Art mit einem verhältnismässig grossen Querschnitt gefertigt und die Rohrwandungen von Unter- und Oberstempel sowie des Verbindungsrohres müssen sehr dick ausgelegt sein (vgl."Schlägel und Eisen" Jahrgang 1969 Nr. 5, S. 224 und 225 sowie DE-GM 1937714). Dadurch wird die gesamte Konstruktion des Grubenstempels schwer und kostspielig. Die höheren Herstellungskosten sind einerseits auf den grossen Materialaufwand, anderseits auf die erhöhten Verarbeitungskosten zurückzuführen. Die Handhabung derartiger schwerer Bauteile ist mühsam und erfordert ausserdem kostspielige Einrichtungen.
Auch ist der Zeitaufwand für die Herstellung derartiger Bauteile beträchtlich, so dass insgesamt die Herstellungszeit des kompletten Stempels sehr lang ist. Eine besondere Schwierigkeit bedeutet bei schweren hydraulischen Grubenstempeln der Transport sowie deren Aufstellung im Arbeitsraum. Dort ist nämlich meist keine geeignete mechanisiert Einrichtung zur Bewegung und zum Heben solch schwerer Bauteile vorhanden, so dass der Transport und die Aufstellung in der Praxis ausschliesslich durch Handarbeit erfolgt. Unter solchen Umständen wäre schon eine relativ kleine Verminderung des Stempelgewichtes von grosser Bedeutung.
Ein bedeutender Teil der Beschädigungen der hydraulischen Grubenstempel kann auf unrichtigen Einbau zurückgeführt werden. Der am häufigsten vorkommende Fehler besteht darin, dass der hydraulische Stempel die Belastung von der Ausbaukappe aussermittig aufnimmt. Bei aussermittig eingebautem Stempel ist nicht nur der Stempel selbst, sondern auch die mit ihm verbundene Ausbaukappe einer die normale übersteigenden Beanspruchung ausgesetzt. Der aussermittige Einbau des hydraulischen Grubenstempels kann nicht nur aus Unachtsamkeit vorkommen. Ein derartiger aussermittiger Einbau und damit die Entstehung von aussermittigen konzentrierten Kräften kann durch den herkömmlichen Stempelkopf ebenso verursacht werden. Wenn der Stempelkopf eine gegliederte Oberfläche aufweist, wird die aussermittige Belastung entlang einer bestimmten Linie auf den Stempelkopf übertragen.
Die Lastübergabe ist dann aussermittig, wenn die Winkel zwischen den Berührungsflächen des Stempelkopfes und der Ausbaukappe kleiner oder grösser als 90 sind. In diesem Fall entstehen zwischen den Berührungsflächen grosse Druckspannungen und verursachen insbesondere in der Ausbaukappe unzulässige Deformationen oder sogar Brüche, die dann auf die Lastaufnahme des hydraulischen Stempels ungünstig rückwirken.
Um einen aussermittigen Einbau des hydraulischen Stempels auszuschliessen, hat man versucht, Stempelköpfe anzuwenden, die mittels eines Kugelgelenkes an den oberen Teil des Stempels angeschlossen sind. Diese Stempelköpfe sind aber kostspielig und schwer. Darüber hinaus kann sich der Stempel bei einer dynamischen Firstenbelastung unter der Abbaukappe hervordrehen und auswandern, wodurch die Abstützung des Hohlraumes unsicher wird.
Damit die durch aussermittig angreifende Kräfte auftretenden Belastungen nicht direkt auf den Grubenstempel übertragen werden, ist es bekannt, den Stempelkopf als Verformungsglied auszubilden (DE-PS Nr. 851787), in dem die eingeleiteten Kräfte zu einer bleibenden Verformung des Verformungsgliedes umgesetzt werden. Die Verwendung eines derartigen Verformungsgliedes erfüllt zwar den gewünschten Zweck, jedoch ist nach jedem Ausrauben eine Erneuerung des Verformungsgliedes erforderlich. Dies hat umständliche Umrüstungs- und Wartungsarbeiten zur Folge.
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Bei einem andern Grubenstempel (DE-PS Nr. 974559) ist auf dem Kopfteil des Oberstempels ein in Richtung der Stempellängsachse bewegbarer und auf dem Oberstempel geführter Zusatzkopf vorgesehen, der über eine Feder, die zwischen der Kopfplatte des Zusatzkopfes und dem Stempelkopf angeordnet ist, elastisch in Achsrichtung des Stempels auftretende Belastungen auffängt. Aussermittig auftretende Kräfte führen bei diesem Grubenstempel zu einem Verkanten von Zusatzkopf und Oberstempel und damit zu einem Blockieren und gegebenenfalls zum"Fressen"der beiden Teile, wodurch nach dem Ausrauben ein Auswechseln des Zusatzkopfes und/oder ein Nacharbeiten des Oberstempels, insgesamt also aufwendige Wartungsarbeiten erforderlich sind.
Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen hydraulischen Grubenstempel der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der grosse aussermittige Belastungen aufzunehmen vermag, wobei er, auf seine Tragfähigkeit bezogen, weniger materialaufwendig und billiger als die bekannten ist, im Arbeitsraum von Hand leicht transportiert, aufgestellt und ausgeraubt werden kann, seine Form trotz grösserer aussermittiger Belastungen nicht ändert und somit durch derartige Belastungen nicht beschädigt wird.
Dies wird durch die Erfindung dadurch erreicht, dass zwischen dem Stempelkopf und dem oberen Ende des Oberstempels ein elastischer Federkörper angeordnet ist, so dass eine auf den Stempelkopf bzw.
Einsatzkörper von z. B. einer oberhalb des Stempelkopfes angeordneten Kappe ausgeübte Belastung über den Federkörper auf das Ventilgehäuse weitergeleitet wird. Hiebei kann der erfindungsgemässe Grubenstempel so ausgebildet sein, dass am oberen Ende des Oberstempels eine konzentrische, sich nach innen vorangehend konisch verjüngende Vertiefung ausgestaltet ist, deren Bodenfläche auf die Vertiefung ein durch den Stempelkopf eingespannter Federkörper und in diesem ein eingebetteter Einsatzkörper angeordnet ist.
Durch die Erfindung wird der wesentliche Vorteil erreicht, dass weder in der Kappe noch im Stempelkopf schädliche aussermittig konzentrierte Kräfte auftreten könnten. Die Belastung wird vom Stempelkopf durch die Unterlage auf das Ventilgehäuse bzw. dem Oberstempel praktisch ohne aussermittige Wirkung übertragen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen erfindungsgemässen Grubenstempel im Längsschnitt und Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.
Der als Beispiel gezeigte Grubenstempel besteht aus zwei im wesentlichen rohrförmigen Hauptteilen, nämlich einem Unterstempel-l-und einem in diesem verschiebbar angeordneten Oberstempel --2--. Der Unterstempel-l-ist von unten mit einem Bodendeckel-3-abgeschlossen, in dem ein an sich bekannter Dichtungsring --4-- angeordnet ist. Der Bodendeckel-3-- ist durch einen Seherdraht-6-befestigt, der sich in einer halbkreisförmigen Nut --5-- des Unterstempels --1-- befindet. Der Unterstempel-l-ist durch den Oberstempel --2-- und durch einen mit einem Handgriff versehenen Abschlussring-7-abgeschlossen. Dieser Abschlussring-7-ist ebenfalls durch einen Seherdraht-9-am Unterstempel befestigt, der sich in einer Kreisnut --8-- befindet.
Der Druckraum des Unterstempels - ist am Oberstempel --2-- durch einen Kolben durch dessen Dichtungselement --11--, ferner durch ein am Kolben --10-- mittels Schraubengewinde befestigtes und mit einem O-Ring --12-abgedichtetes Verbindungsrohr-13-- sowie durch ein am oberen Ende des Verbindungsrohres --13-angeordnetes und durch einen weiteren O-Ring --14-- abgedichtet befestigtes Ventilgehäuse --15-- begrenzt.
Im Ventilgehäuse --15-- ist wie üblich ein aus Füllventil, Entlastungsventil und Druckbegrenzungsventil zusammengesetzter Ventilkörper --16-- angeordnet. Am oberen Teil des Ventilgehäuses --15-- ist ein Stempelkopf --17-- angeordnet. Am unteren Ende des Unterstempels-l-ist mittels eines geschlitzten Rohrstopfens-18-- eine Fussplatte-19-- befestigt. Zwischen dem Bodendeckel-3-- und dem Ventilgehäuse --15-- ist eine im Inneren des Verbindungsrohres --13-- angeordnete Rückholfeder --20-- gespannt, die das Ventilgehäuse --15-- und dadurch den Oberstempel --2-- und seine Bauteile ständig gegen den Bodendeckel --3-- des Unterstempels --1--'spannt.
Am einen Ende des Oberstempels --2-- ist der Kolben --10--, am andern Ende das Ventilgehäuse - befestigt. Die beiden Enden des Verbindungsrohres --13-- sind mit dem Kolben --10-- bzw. mit dem Ventilgehäuse --15-- ebenfalls verbunden. Somit bilden der Oberstempel --2--, der Kolben --10--, das Ventilgehäuse --15-- und das Verbindungsrohr --13-- eine fest zusammengefügte Einheit.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind an der Aussenwand des Verbindungsrohres --13-- radiale Rippen - angeordnet, die sich entlang der Mantellinie des Verbindungsrohres--13-- erstrecken. Die äusseren Umfangsflächen der Rippen --21-- sind der Innenwand des Oberstempels --2-- angepasst. Die Innenwand des Oberstempels --2-- kann zylindrisch oder konisch sein. Ist sie zylindrisch, so liegen die äusseren Oberflächen der Rippen --21-- ebenfalls auf einer Zylinderfläche. Bei konischer Innenwand liegen auch die äusseren Oberflächen der Rippen --21-- auf einer Konusfläche.
Der Oberstempel --2--, das Verbindungsrohr --13-- und seine Rippen --21-- können aus einem einzigen Stück, z. B. durch Strangpressen, hergestellt werden. Die Zahl der Rippen --21-- ist mehr als fünf und liegt vorteilhaft zwischen fünf und acht.
Bei dem erfindungsgemässen hydraulischen Grubenstempel ist oben am Ventilgehäuse --15-- eine Vertiefung --22-- ausgearbeitet, deren Durchmesser nach innen vorangehend konisch abnimmt und deren Kanten abgerundet sind. In dieser Vertiefung --22-- ist ein Federkörper --23-- angeordnet. Die Vertiefung --22-- ist koaxial zu der Längsachse des hydraulischen Grubenstempels und weist senkrecht zu der Längsachse einen Kreisquerschnitt auf. Der Federkörper --23-- besteht vorteilhaft aus Gummi. Er wird durch den Stempelkopf --17-- in der Vertiefung --22-- gehalten. Der Stempelkopf --17-- ist am oberen Ende des Ventilgehäuses --15-- durch einen aus Scherdraht gefertigten Befestigungsring --24-fixiert.
Im Stempelkopf --17-- ist eine ringförmige Nut-25-- ausgestaltet, die einen Teil des Befestigungsringes --24-- in sich aufnimmt und deren Ausmass in axialer Richtung ein mehrfaches der Dicke des Befestigungsringes --24-- beträgt. Diese Nut --25-- ermöglicht es, dass der Stempelkopf --17-sich in Richtung des Oberstempels bewegt.
Zwischen der Innenwand des Stempelkopfes --17-- und der Aussenwand des Ventilgehäuses --15-- ist ein Luftspalt vorgesehen, der eine Verdrehung von maximal 120 des Stempelkopfes --17-- relativ zu der Längsachse des Grubenstempels ermöglicht. Im Inneren des Federkörpers --23-- ist ein Einsatzkörper - aus Kunststoff oder Aluminium angeordnet.
Zwischen dem Boden der Aussparung --27-- des Stempelkopfes --17-- und dem oberen Rand des Ventilgehäuses --15-- kann eine elastische Unterlage --28-- (z. B. aus Gummi) angeordnet werden. In Fig. 1 ist diese Unterlage --28-- als ein Ring dargestellt, er kann aber auch durch mehrere voneinander in entsprechendem Abstand angeordnete, aus Stahl gefertigte Spiralfedern ersetzt werden.
An den Stempelkopf schliesst sich eine nicht gezeigte Kappe an, die wie üblich auf der oberen Fläche des Stempelkopfes --17-- aufliegt. Bei aussermittigem Einbau bzw. wenn die Kappe und der hydraulische Grubenstempel miteinander aussermittig verbunden sind, kann sich der Stempelkopf --17-- derart verdrehen, dass die Belastung von der Kappe auf den Stempelkopf --17-- in Achsrichtung des Stempelkopfes konzentrisch übergeben wird. Dabei wirkt der Federkörper --23-- als eine quasihydraulische Flüssigkeit, d. h. in ihm treten überall die gleichen Spannungen auf.
Die durch die Kappe übertragene Belastung wird durch den Federkörper --23-- auf den Boden der Vertiefung --22-- des Ventilgehäuses --15-- weitergeleitet.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Grubenstempels entspricht im übrigen jener herkömmlicher Grubenstempel.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulischer Grubenstempel mit einem Unterstempel, einem ausfahrbaren Oberstempel und einem am oberen Ende des Oberstempels angeordneten Stempelkopf, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t, dass zwischen dem Stempelkopf (17) und dem oberen Ende des Oberstempels (2) ein elastischer Federkörper (23) angeordnet ist.
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