CZ200946A3 - Pojistný a rázový ventil pro ochranu hydraulických jednotek - Google Patents

Abstract

Pojistný a rázový ventil pro ochranu hydraulických jednotek, zejména pro ochranu hydraulických mechanizovaných výztuží hlubinných dolu proti pretížení, hlavne dulními otresy. Ventil je tvorený telesem (1), majícím v nitru válcovou komoru (3) s radiálne vyústenými výtokovými otvory (21) tlakové kapaliny. Do válcové komory (3) je z jedné strany axiálne zaústen prívod (20) tlakové kapaliny z chránené hydraulické jednotky, ve válcové komore (3) je posuvne uložena proti pružine (4) kuželka (2) s pruchozím kanálkem (5) a válcová komora (3) je z druhé strany uzavrena uzáverem (6), obsahujícím pomocný píst (8) s ovládacím pístem (10), které jsou posuvne uloženy v uzáveru (6) proti stavitelné pružine (12). Uzáver (6) válcové komory (3) má vnitrní hrdlo (25), opatrené radiálními prepouštecími otvory (16). Prívod (20) tlakové kapaliny je uzavíratelný kuželkou (2), umístenou ve válcové komore (3) na vnitrním hrdle (25) uzáveru (6) proti pružine (4). Kuželka (2) má pruchozí kanálek (5) a na nej navazující válcový prostor (18), ve kterém je jedním koncem uložena zátka (7) vnitrního hrdla (25). Zátka (7) nese svým druhým koncem pomocný píst (8), který je posuvne uložen ve vnitrním hrdle (25) uzáveru (6). V uzáveru (6) je uložen ovládací pást (10), zasahující do propouštecí a tesnící manžety (9), umístené v pomocném pístu (8), který se svým druhým koncem opírá o stavitelnou pružinu (12) prostrednictvím prítlacného talírku (13). Mezi prítlacným talírkem (13) a uzáverem (6) je umísten zesilovac (14) síly stavitelné pružiny (12), napr. permanentní magnet, pusobící na zacátku zdvihu ovládacího pístu (10).

Description

Pojistný a rázový ventil pro ochranu hydraulických jednotek

Oblast techniky

Vynález se týká pojistného a rázového ventilu pro ochranu hydraulických jednotek, zejména hydraulických válců mechanizovaných výztuží hlubinných dolů proti důlním otřesům a podobným přetížením. Jedná se o hydraulické jednotky, které pracují s pojistným tlakem kapaliny v rozmezí od 30 ΜΡμ až do 50 Mpa, kde hydraulickým mediem je zpravidla vodní emulze tj. voda s určitým obsahem lubrikačního a konzervačního přípravku.

Dosavadní stav techniky

Pojistné ventily pro ochranu hydraulických jednotek, označované také jako ventily pro důlní otřesy nebo rázové ventily, se používají u hydraulických výztuží tam, kde jsou důvody k obavám, že vlivem důlních otřesů dojde k přetížení hydraulických stojek těchto výztuží a v důsledku toho k jejich poškození a tím i k ohrožení osob pracujících v dole.

Dosavadně známé pojistné ventily pro ochranu hydraulických válců mechanizovaných výztuži hlubinných dolů jsou řešeny jako dvojstupňové, které používají ovládací píst přímo nebo nepřímo působící na hlavní píst pojistného ventilu. Například je známé řešení pojistného ventilu obsahující ovládací píst, který je posuvný ve vnitřním vrtáni ventilového pouzdra proti nastavitelné síle opěrné pružiny ventilu. Ovládací píst uzavírá vrtání přestavitelného členu, který spojuje prostor, v němž je uložena opěrná pružina a který je napojen na vnější volné ovzduší s tlakovou stranou chráněné hydraulické jednotky. Vrtání přestavitelného členu je v první fázi působení pojistného ventilu ovládacím pístem odkrýváno pro uvolňovací vypouštění tlakové kapaliny z tlakového prostoru hydraulické jednotky. Ovládací píst je pracovně spojen s hlavním pístem ventilu, který je opatřen axiálním vrtáním s radiálními otvory a je posuvně veden v rozšířeném hlavním vrtání ventilového pouzdra a přesuvný do vyrovnávací komory, ležící mezi čelem hlavního pístu a přestavitelným členem a je těsněn vůči hlavnímu vrtání ventilového pouzdra. V plášťové stěně ventilového pouzdra jsou vytvořeny radiální průchody, spojené s vnějším volným ovzduším, které jsou zakryté hlavním pístem a při překročení pojistného tlaku dojde ke zdvihu hlavního pístu a ke spojení tlakového prostoru hydraulické jednotky s volným ovzduším přes radiální otvory. Pojistné ventily této konstrukce mají poměrně malé rozměry, avšak mají pouze maximální objemový průtok kolem 10001 / min. Nevýhodou u těchto pojistných ventilů jsou nedostačující uzavírací hodnoty. Dokonalejší řešení pojistného ventilu pro ochranu hydraulických jednotek je známé např. z patentového spisu CZ 288 696 ( DE 1993/4302080 ). Ovládací píst a hlavní píst tohoto pojistného ventilu tvoří oddělené jednotky, kde hlavní píst je posuvný proti stavěči pružině, opřené na zadním čele přestavitelného členu Axiální vrtání hlavního pístu je prodlouženo zúženým průchozím axiálním vrtáním, spojujícím tlakový prostor hydraulické jednotky s vyrovnávací komorou, spojenou se slepým vrtáním ovládacího pístu. Tyto známé pojistné ventily pracuj na principu přímého posouvání ventilového pístu a odkrývání odtokových otvorů v hlavním pístu v důsledku vzrůstajícího tlaku v jištěném prostoru proti tlaku pružiny. Pro dosažení většího průtoku kapaliny je potřeba zvětšovat rozměry ventilového pístu a zejména odtokových děr. To vede k problémům s jejich spolehlivým těsněním a velké prostorové náročnosti pružiny, která musí být v odpovídající míře velká a dlouhá, aby byla schopná vyvinout potřebnou sílu, čímž vzniká nutnost zvětšení rozměrů celého pojistného

ventilu. Dostatečné uspokojivé nejsou rovněž dynamické parametry u těchto pojistných ventilů, zvláště rychlost otevírání při prudkém nárůstu tlaku v tlakovém prostoru chráněné hydraulické jednotky a s tím spojený vznik velkých tlakových špiček.

Cílem tohoto vynálezu je proto vytvořit pojistný ventil poměrně malých rozměrů, umožňujících velký průtok kapaliny a mající zejména vysokou rychlost vypouštění kapalíny při prudkém nárůstu jejího tlaku v tlakovém prostoru chráněné hydraulické jednotky při jejím přetížení, zejména vlivem důlních otřesů.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle je dosaženo dvojstupňovým uspořádáním pojistného a rázového ventilu pro ochranu hydraulických jednotek. Jeho konstrukce je založena na dosud známém základním uspořádání pojistného ventilu, který je tvořen tělesem, majícím v nitru válcovou komoru s radiálně vyústěnými výrokovými otvory tlakové kapaliny. Do tělesa je z jedné strany axiálně zaústěn přívod tlakové kapaliny z chráněné hydraulické jednotky a v jeho válcové komoře je posuvně uložena proti pružině uzavírací kuželka přívodu tlakové kapaliny, která má průchozí kanálek. Válcová komora v tělese je z druhé strany uzavřena uzávěrem, ve kterém je posuvně uložen proti stavitelné pružině pomocný píst s ovládacím pístem. Podstata řešení pojistného a rázového ventilu podle vynálezu spočívá v tom, že válcová komora tělesa ventilu je z jedné strany uzavřena uzávěrem s prodlouženým vnitřním hrdlem, které je opatřeno radiálními přepouštěcími otvory. Z druhé strany je do válcové komory zaústěn přívod tlakové kapaliny, který je uzavírán kuželkou, která je umístěna ve válcové komoře na vnitřním hrdle uzávěru proti pružině za uzávěrem válcové komory. Kuželka je opatřena průchozím kanálkem a vnitřním válcovým prostorem, spojeným s průchozím kanálkem. Ve válcovém prostoru je uložena jedním koncem zátka, kterou je uzavřeno vnitřní hrdlo uzávěru válcové komory. Druhý konec zátky ve vnitřním hrdle uzávěru nese pomocný píst, který je současně posuvně uložen ve vnitřním hrdle uzávěru. V uzávěru je uložen ovládací píst, zasahující svým jedním koncem s náběhem do propouštěcí a těsnící manžety umístěné ve vnitru pomocného pístu. Ovládací píst se opírá svým druhým koncem, vyčnívajícím z uzávěru válcové komory, o stavitelnou pružinu prostřednictvím přítlačného talířku. Mezi přítlačným talířkem a uzávěrem válcové komory je umístěn zesilovač síly stavitelné pružiny, působící na začátku zdvihu ovládacího pístu. Zesilovačem síly stavitelné pružiny může být např. permanentní magnet, upevněný na čelní ploše přítlačného talířku proti uzávěru válcové komory. Podstatou ventilu podle tohoto vynálezu jsou rovněž tato jeho eventuální konkrétní provedení. Kuželka je opatřena těsnícím sedlem, které směřuje proti těsnící hraně v ústi přívodu tlakové kapaliny a které je vytvořené na větším průměru, než je průměr tohoto přívodu. Na kuželce je vytvořeno osazení pronikající do vstupního otvoru tlakové kapaliny. Propouštěcí a těsnící manžeta je opatřena na čele vybráním ve tvaru V a na ovládacím pístu je proveden náběh o menším průměru než je vnitřní průměr manžety. Hloubka válcového prostoru kuželky je rovná nebo větší než je vzdálenost radiálních přepouštěcích otvorů vnitřního hrdla od čela zátky.

Řešením pojistného a rázového ventilu podle vynálezu lze dosáhnout velmi dobrých dynamických parametrů, zvláště rychlosti otevíráni při prudkém nárůstu tlaku v chráněném prostoru hydraulické jednotky a tím výrazně omezit vznik tlakových špiček. Uvedených funkčních vlastností se dosahuje dvojstupňovým uspořádáním ventilu, kde hlavní - velký průtok je řízen ovládacím průtokem. Ovládací průtok je vytvářen pomocí ovládacího pístu, jenž má nelineární závislost přítlačné síly na svém zdvihu. Tuto nelineární závislost ovládacího pístu lze s výhodou realizovat kombinací síly stavitelné přítlačné pružiny a zesilovače síly stavitelné pružiny. V důsledku této vlastnosti dojde při pohybu ovládacího

pistu ze své klidové polohy nejprve k poklesu přítlačné síly působící na něj a následně k jejímu zvyšování až do konce zdvihu ovládacího pístu. To umožňuje nejen rychlé otevření ventilu, ale i jeho včasné uzavření při velkém průtoku kapaliny, což je mimořádně důležité zejména u pojistného a rázového ventilu, kterými jsou vybavovány důlní hydraulické mechanizované výztuže, které jsou určeny do porubů ohrožených horskými otřesy.

Přehled obrázků na výkrese

Na připojeném výkresu jsou znázorněna dvě příkladná provedení pojistného a rázového ventilu pro ochranu hydraulických jednotek, podle vynálezu. Na obr. 1 je v nárysném pohledu a podélném řezu jedno provedení ventilu a na obr. 2 je v nárysu a podélném řezu druhé, variantním provedení ventilu pro velký průtok

Příklady provedení vynálezu

Pojistný a rázový ventil v provedení podle vynálezu, znázorněný na obr. 1, se skládá, jako dosavadní pojistné ventily hydraulických jednotek, z tělesa 1 válcového tvaru, které je opatřeno spojem umožňujícím připojení k chráněnému prostoru hydraulické jednotky, v tomto případě k hydraulickému válci mechanizované důlní výztuže. V nitru má těleso 1 válcovou komoru 3 s radiálně vyústěnými výtokovými otvory 21 tlakové kapaliny. Do válcové komory 3 je z jedné strany v ose tělesa 1 zaústěn přívod 20 tlakové kapaliny z chráněné hydraulické jednotky a proti tomuto přívodu 20 je ve válcové komoře 3 posuvně uložena kuželka 2 s průchozím kanálkem 5, která je na těsnící hranu 22 přitlačována pružinou 4. Z druhé strany je válcová komora 3 uzavřena uzávěrem 6 v němž je uložen pomocný píst 8 a ovládací píst 10. Ovládací píst 10 je posuvně uložen v uzávěru 6 přes talířek 13 proti stavitelné pružině 12.

Nově je konstrukce pojistného a rázového ventilu řešena tak, že uzávěr 6 válcové komory 3 tělesa 1 je proveden s prodlouženým vnitřním hrdlem 25, které má radiální přepouštěcí otvory 16 a které je uzavřeno jedním koncem zátky 7 s průchozím vrtáním 26 v ose. Zátka 7 tvořící s uzávěrem 6 jeden funkční celek je zároveň svým druhým koncem umístěná nehybně ve vnitřním válcovém prostoru 18 provedeném v kuželce 2, který je zátkou 7 uzavřen a utěsněn těsnícím kroužkem 23. Funkční podmínkou pak je, že hloubka válcového prostoru 18 kuželky 2 musí být rovná nebo větší než je vzdálenost radiálních přepouštěcích otvorů 16 vnitřního hrdla 25 od čela zátky 7. Na konci zátky 7, který se nachází uvnitř vnitřního hrdla 25, je veden, uložen a těsněn těsnícím kroužkem 27 pomocný píst 8 v provedení jednostranně otevřeného dutého válečku, v jehož dutině je umístěna těsnící a propouštěcí manžeta 9. V uzávěru 6, je proti pomocnému pístu 8 posuvně uložen a těsněn těsnícím kroužkem 11 ovládací píst 10. Ovládací píst 10 zasahuje přes těsnící a propouštěcí manžetu 9 do dutiny pomocného pístu 8. Těsnící a propouštěcí manžetou 9 prochází ovládací píst 10 svým kuželovým náběhem 24. Při vysunutém ovládacím pístu 10 z těsnící a propouštěcí manžety 9 je umožněn průtok kapaliny kolem povrchu pomocného pístu 8 přes radiální přepouštěcí otvory 16 do válcové komory 3 a z této přes výtokové otvory 21 a nátrubek 19 do venkovního prostředí. Na pístnici ovládacího pístu 10, který přečnívá z uzávěru 6 je nasazen přítlačný talířek 13 s tlačnou stavitelnou pružinou 12. která se opírá o seřizovači Šroub 15 zašroubovaný v tělese 1 ventilu. Mezi přítlačným talířkem 13 a uzávěrem 6 je umístěn zesilovač 14 síly stavitelné pružiny 12, působící na začátku zdvihu ovládacího pístu 10. V tomto příkladném provedení pojistného a rázového ventilu tvoří zesilovač 14 permanentní magnet, který je připevněn k Čelní ploše přítlačného talířku 13. Válcový prostor 18 kuželky 2 je spojen

99
a ·	• »	• ·
•	• ♦
*	♦ ·· «	• *
•	•	• ·
··· *	··

•
• a	a ·	• *
	•	•	• «
•	« ·	•
•	• ·	•
• ··	• a

průchozím kanálkem 5 s přívodem 20 tlakové kapaliny. Část kuželky 2, která zasahuje do přívodu 20 tlakové kapaliny je zúžena do menšího průměru, na němž je upevněno těsnící sedlo J7, které směřuje proti těsnící hraně 22 tělesa L· Proti těsnící hraně 22 je těsnící sedlo 17 kuželky 2 v její výchozí poloze přitlačeno pružinou 4. Těsnící hrana 22 je provedena , na větším průměru než je průměr přívodu 20 tlakové kapaliny, do něhož zasahuje osazení 28 kuželky 2. Je-Η v tlakovém prostoru chráněné hydraulické jednotky menší tlak než nastavený jmenovitý pojistný tlak, je kuželka 2 dotlačována svým sedlem 17 na těsnící hranu 22 tělesa 1 silou pružiny 4 a hydraulickou silou vznikající v důsledku tlaku působícího na plochu mezikruží mezí těsnícím průměrem sedla 17 a vnitřním průměrem válcového prostoru 18 kuželky 2. Pomocný píst 8, nesoucí propouštěcí a těsnící manžetu 9, jejíž působením malého tlaku kapaliny dotlačen na uzávěr 6, Ovládací píst 10 je silou stavitelné pružiny 12 a silou permanentního magnetu 14 dotlačován na uzávěr 6 a v této pozici je ve výchozí poloze. Tímto je jištěný tlakový prostor hydraulické jednotky pojistným a rázovým ventilem utěsněn. Stoupne-li tlak v jištěném prostoru nad nastavenou jmenovitou hodnotu, překoná síla vyvozená tímto tlakem na ploše ovládacího pístu 10 součet sil stavitelné pružiny 12 a permanentního magnetu 14 a dojde k pohybu ovládacího pístu 10. který po krátkém zdvihu v těsnící a propouštěcí manžetě 9 umožní průtok kapaliny z válcového prostoru 18, přes zátku 7, do prostoru vnitřního hrdla 25, před pomocným pístem 8, tj. mezi ovládací píst 10 a pomocný píst 8. Vzhledem k tomu, že pomocný píst 8 je přitlačen na uzávěr 6 dojde ke zvýšení tlaku na ovládací píst 10 a tím k urychlení jeho pohybu a k ještě většímu otevření prostoru před pomocným pístem 8, k čemuž významně přispívá i pokles síly permanentního magnetu 14 při vzdalování se od uzávěru 6. V důsledku zvýšeného tlaku v prostoru mezi ovládacím pístem 10 a pomocným pístem 8 dojde rovněž k posunu pomocného pístu 8 v opačném směru než se pohybuje ovládací píst 10 a to dále zvýší protékající množství kapaliny v mezeře mezi ovládacím pístem 10 a těsnící a propouštěcí manžetou 9. V důsledku tohoto průtoku dojde k poklesu tlaku ve válcovém prostoru 18 kuželky 2. Tento pokles tlaku způsobí pohyb kuželky 2 proti síle přítlačné pružiny 4 a tím otevření průtoku kapaliny přes sedlo 17 kuželky 2. Je-li pokles tlaku ve válcovém prostoru 18 po otevření kuželky 2 dostatečně velký, silou stavitelné pružiny 12 a permanentního magnetu 14 dojde ke zpětnému pohybu ovládacího pístu 10 až do jeho výchozí polohy. Zpětnému pohybu napomáhá rovněž postupně se zvyšující přítažná síla permanentního magnetu 1,4 při přiblížení se k uzávěru 6. Zpětný pohyb ovládacího pístu 10 způsobí nárůst tlaku před a pokles tlaku za těsnící a propouštěcí manžetou 9 v pomocném pístu 8. V důsledku toho se pomocný píst 8 začne pohybovat do své výchozí polohy směrem k uzávěru 6 a tím zcela uzavře průtok kapaliny z válcového prostoru 18 přes přepouštěcí otvory 16 do válcové komory 3. V důsledku přítoku kapaliny přes průchozí kanálek 5 do válcového prostoru 18 stoupne v tomto prostoru 18 tlak, což způsobí zpětný pohyb kuželky 2 a úplné uzavření přívodu 20 tlakové kapaliny. Tímto se vyrovná tlak v jištěném prostoru hydraulické jednotky a ve válcovém prostoru 18 kuželky 2. Je-li tlak ve válcovém prostoru 18 nižší než jmenovitý tlak pojistného a rázového ventilu, činnost ventilu se ukončí. Je-li tlak v jištěném prostoru vyšší než jmenovitý tlak ventilu, cyklus otevření ventilu se opakuje tak dlouho, pokud nedojde k dostatečnému poklesu tlaku v jištěném prostoru. Je-li nárůst tlaku v jištěném prostoru velmi rychlý nebo odpouštěné množství kapaliny přes pojistný a rázový ventil nestačí snížit tlak v jištěném prostoru, dojde k úplnému otevření kuželky 2. Tato pak částečně překryje radiální přepouštěcí otvory 16, tím stoupne tíak rovněž v prostoru před ovládacím pístem 10 a ten zůstane otevřen dokud tlak v jištěném prostoru dostatečně neklesne. Je-li tedy tlak v jištěném prostoru vysoký i při téměř plně otevřené kuželce 2 v přívodu tlakové kapaliny 20, zůstane kuželka 2 zcela vysunutá a umožní maximální průtok kapalíny přímo přes výtokové otvory 21 a nátrubek 19 z ventilu ven. Teprve po poklesu tlaku na hodnotu blízkou jmenovitému tlaku ventilu se začne kuželkou 2

zavírat přívod 20 tlakové kapaliny a jejím posunem se současně odkryjí radiální přepouštěcí otvory 16. Tím se obnoví původně nastavené průtokové poměry i funkce ovládacího pístu 10 a pomocného pístu 8, což způsobí včasné uzavření celého pojistného a rázového ventilu, jak je popsáno výše. Varianta pojistného a rázového ventilu pro velký průtok kapaliny například do 10 000 1/min, který je znázorněn na obr. 2 má vzhledem k velké světlosti přívodu tlakové kapalíny 20. kuželku 2 tvarovanou jako mezikruhovou. Tím se dosáhne přiměřeně menších nároků na ovládací sílu a menšího objemu kapaliny potřebné k jejímu ovládání. Ovládací tlak působí opět jen na mezikruhovou plochu kuželky 2. Průchozí kanálek 5 může být v tomto případě nahrazen mezikruhovou štěrbinou. Ostatní díly, zejména ovládací píst 10 a pomocný píst 8. zůstávají v principu stejné.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Pojistný a rázový ventil pro ochranu hydraulických jednotek, tvořený tělesem (I) majícím v nitru válcovou komoru (3) s radiálně vyústěnými výtokovými otvory (21) tlakové kapaliny, do něhož je z jedně strany axiálně zaústěn přívod (20) tlakové kapaliny z chráněné hydraulické jednotky, ve válcové komoře (3) je posuvně uložena proti pružině (4) kuželka (2) s průchozím kanálkem (5), přičemž válcová komora (3) je z druhé strany uzavřena uzávěrem (6) obsahujícím pomocný píst (8) s ovládacím pístem (10), které jsou posuvně uloženy v uzávěru (6) proti stavitelné pružině (12), vyznačující se tím, že válcová komora (3) je z jedné strany uzavřena uzávěrem (6) s vnitřním hrdlem (25), opatřeným radiálními přepouštécími otvory (16) a z druhé strany je do ní zaústěn přívod (20) tlakové kapaliny, který je uzavíratelný kuželkou (2) umístěnou ve válcové komoře (3) a vedenou na vnitřním hrdle (25) uzávěru (6) proti pružině (4), přičemž kuželka (2) má průchozí kanálek (5) a na něj navazující válcový prostor (18), ve kterém je jedním koncem uložena zátka (7) vnitřního hrdla (25), nesoucí svým druhým koncem pomocný píst (8), který je posuvně uložen ve vnitřním hrdle (25) uzávěru (6), načež v uzávěru (6) a pomocném pístu (8) je uložen, skrze propouštěcí a těsnící manžetu (9) pomocného pístu (8), přilehlé proti zátce (7) vnitřního hrdla (25), ovládací píst (10), opírající se o stavitelnou pružinu (12) prostřednictvím přítlačného talířku (13), mezi nímž a uzávěrem (6) je umístěn zesilovač (14) síly stavitelné pružiny (12) v začátku zdvihu ovládacího pístu (10).
2. 2. Pojistný a rázový ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že zesilovačem (14) síly stavitelné pružiny (12) je permanentní magnet.
3. 3. Pojistný a rázový ventil podle nároku 1 nebo nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že kuželka (2) je opatřena těsnícím sedlem (17), směřujícím proti těsnící hraně (22) v ústi přívodu (20) tlakové kapaliny a vytvořené o větším průměru, než je průměr tohoto přívodu (20), přičemž na kuželce (2) je vytvořeno osazení (28) pronikající do vstupního otvoru tlakové kapaliny (20).
4. 4. Pojistný ventil podle nároku 1 nebo nároku 1 až 3 vyznačující se tím, že propouštěcí a těsnící manžeta (9) je opatřena na čele vybráním ve tvaru V a na ovládacím pístu (10) je proveden náběh (24) o menším průměru než je vnitřní průměr manžety (9).
5. 5. Pojistný ventil podle nároku 1 nebo nároku 1 až 4. vyznačující se tím, že hloubka válcového prostoru (18) kuželky (2) je rovná nebo větší než je vzdálenost radiálních přepouštécích otvorů (16) vnitřního hrdla (25) od čela zátky (7).
6. 6. Pojistný ventil podle nároku 1 nebo nároku 1 až 5. vyznačující se tím, že propouštěcí a těsnící manžeta (9), která je umístěná v pomocném pístu (8) je upravena soudržně s tímto pístem (8).