DE10233316A1

DE10233316A1 - Vorsteuerventil

Info

Publication number: DE10233316A1
Application number: DE10233316A
Authority: DE
Inventors: Juergen Tschoepe; Jens Titschert; Dirk Abel; Patrick Hantke; Werner Reinelt; Franz-Heinrich Suilmann
Original assignee: DBT Automation GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2003-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vorsteuerventil 10 mit einem Ventilgehäuse 1 mit mindestens einer Zulauföffnung 3 für eine Druckflüssigkeit und einer Ablauföffnung 4, einem im Ventilgehäuseinnenraum 2 des Ventilgehäuses 1 angeordneten Schließkörper 6 und einem Aktor, der durch Anlegen einer Steuerspannung den Schließkörper zum Verschließen der Zulauföffnung 3 oder Verschließen der Ablauföffnung 4 verstellt. Der Aktor besteht erfindungsgemäß aus einem piezoelektrischen Aktor 9 und die Verstellung des Schließkörpers 6 erfolgt über eine Volumenänderung, insbesondere Längenänderung, des piezoelektrischen Aktors 9 beim Anlegen der Steuerspannung. Mit den Vorsteuerventilen kann aufgrund der ausgenutzten Eigenschaften der Piezokeramik 9 eine weitere Absenkung der elektrischen Leistungsaufnahme und eine Reduzierung der insgesamt Untertage zu installierenden Leistung erreicht werden. Zwischen dem piezoelektrischen Aktor 9 und dem Schließkörper 6 ist eine mittels Schwenkhebel 12 umgesetzte Wegübersetzung vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorsteuerventil mit einem Ventilgehäuse mit mindestens einer Zulauföffnung für eine Druckflüssigkeit und einer Ablauföffnung, einem im Ventilgehäuseinnenraum des Ventilgehäuses angeordneten Schließkörper und einem Aktor, der durch Anlegen einer Steuerspannung den Schließkörper zum Verschließen der Zulauföffnung oder Verschließen der Ablauföffnung verstellt.
Gattungsgemäße Vorsteuerventile dienen zum Schalten von nachgeordneten Hauptsteuerventilen, über die beispielsweise ein hydraulischer Hubzylinder oder andere hydraulische Aggregate betätigbar sind. Gattungsgemäße Vorsteuerventile und die diesen nachgeordneten Hauptsteuerventile werden u. a. im untertägigen Bergbau eingesetzt. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problemstellung wird daher unter Bezugnahme auf dieses bevorzugte Anwendungsgebiet für die Vorsteuerventile beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch in anderen Gebieten der Technik, insbesondere in Gebieten mit ähnlichen Problemstellungen, vorteilhaft Anwendung finden.
Im Bergbau werden zum untertägigen Abbau von Lagerstätten entlang der gesamten Abbaufront Ausbauschilde eingesetzt, die nebeneinandergestellt den freigelegten Abbauraum unterstützen und mit Abbaufortschritt selbständig vorschreiten. An einer Abbaufront kann hierbei ein Verbund von bis zu 350 Ausbauschildeinheiten bzw. Schreitausbaueinheiten eingesetzt werden, die eine Abstützung des Strebs auf einer Gesamtlänge von etwa 500 m erzielen. Jeder Schreitausbauschild weist mehrere hydraulische, längenverstellbare Stempel, Rückzylinder und weitere Zylinder auf, für deren Steuerung wiederum eine Vielzahl von Schaltventilen benötigt wird, um die im jeweiligen Schreit- bzw. Setzzustand der Ausbauschilde erforderlichen Funktionen ausführen zu können.
Im untertägigen Bergbau werden zur Zeit zur Betätigung der Schaltventile elektrisch angesteuerte Magnetventile eingesetzt. Da im untertägigen (Steinkohlen-) Bergbau die elektrisch betriebenen Steuerungen wegen der ständig gegebenen Schlagwettergefahr durch eigensichere Stromkreise abzusichern sind, ist die aufbringbare Schaltkraft der im eigensicheren Stromkreis erregten Magnete vergleichsweise gering. Zum Schalten eines Ventils mit elektrischem Magnet muß in der Anzugsphase stets die volle elektrische Leistung eingesetzt und auf den Anker übertragen werden. Es war daher früher nicht möglich, in einem eigensicheren Stromkreis mehrere Elektromagnete gleichzeitig zu schalten.
Um dieses Problem zu beheben, wurden in der DE 32 29 835 erstmals Steuervorrichtungen für Ventile vorgeschlagen, die zur Minimierung der Leistungsaufnahme beim Schalten der Ventile eine Haltestromabsenkung einsetzen. Mit der Haltestromabsenkung kann nach dem Schaltvorgang die Spannung in der Magnetspule erheblich herabgesetzt werden, so daß zum statischen Halten der Öffnungsstellung des Ventils nur ein geringer Strom fließen muß. Dieser geringe, aufrechtzuhaltende Stromfluß in den Elektromagneten führt zu deren Erwärmung, die an die Umgebung abgeführt werden muß. Eine weitere Minimierung der Leistungsaufnahme kann nur über extrem aufwendige mechanische Konstruktionen der Kraftübertragung vom Magnetanker auf den Schließkörper erreicht werden. Der hiermit verbundene geringe nutzbare Magnethub bedingt jedoch einen erheblichen Fertigungsaufwand bei den Ventilen, der deren Kosten erhöht und mittlerweile ausgereizt scheint. Trotz allem besteht weiterhin insbesondere im untertägigen Bergbau ein Bedarf, die elektrische Leistungsaufnahme zum Schalten der Vorsteuerventile weiter reduzieren zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vorsteuerventil zu schaffen, das für eine weitere Absenkung der elektrischen Leistungsaufnahme zum Schalten der Vorsteuerventile sorgt, wobei für die Vorsteuerventile eine gute Abdichtung des Dichtsitzes zur Vermeidung von Leckagen gewährleistet sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Aktor ein piezoelektrischer Aktor ist und die Verstellung des Schließkörpers über eine Volumenänderung, insbesondere Längenänderung des piezoelektrischen Aktors bei Anlegen der Steuerspannung erfolgt. Piezoelektrische Aktoren werden meist von speziellen Keramiken bzw. Piezokeramiken gebildet, die durch Anlegen einer Spannung ihre Geometrie ändern. Die Leistungsaufnahme des einzelnen piezoelektrischen Aktors zur Erzielung einer Volumenänderung, insbesondere Längenänderung, ist vergleichsweise niedrig, wobei als weiterer besonderer Vorteil der piezoelektrischen Aktoren ausgenutzt werden kann, daß zum Halten einer bestimmten Volumenänderung keine oder allenfalls nur eine geringe Leistungsaufnahme des piezoelektrischen Aktors erforderlich ist. Eine entgegengesetzte Längen- bzw. Volumenänderung kann bei den piezoelektrischen Aktoren durch Abschalten der Steuerspannung bzw. durch Anlegen einer Steuerspannung mit umgekehrtem Vorzeichen erzielt werden. Mit der Erfindung wird nun vorgeschlagen, die vorgenannten Eigenschaften der piezoelektrischen Aktoren gezielt zur Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme in einem Strebausbau mit einer Vielzahl von zu schaltenden Vorsteuerventilen auszunutzen. Hierzu wird bei Vorsteuerventilen die Längenänderung des piezoelektrischen Aktors, die bei Anlegen einer Steuerspannung zwangsläufig eintritt, in eine Verstellbewegung für den Schließkörper umgesetzt und hierdurch eine Absenkung der Leistungsaufnahme und eine Reduzierung der insgesamt Untertage zu installierenden Leistung erreicht.
Piezoelektrische Aktoren wie Piezokeramiken weisen bekanntermaßen bei Anlegen der Steuerspannung eine extrem hohe Dynamik und sehr hohe Stellkräfte auf. Gleichzeitig sind jedoch die Längenänderungen der Piezokeramiken und damit die mit der Längenänderung realisierbaren Stellwege sehr klein. Piezoelektrische Aktoren haben im Vergleich zu elektromagnetischen Aktoren ein differentes Druck-, Signal- bzw. Kraft-/Hubverhalten, so daß Standardlösungen, wie sie für elektromagnetische Ventile in vielen technischen Gebieten bekannt sind, auf Ventile und Ventilsteuerungen mit piezoelektrischen Aktoren nicht übertragen werden können. Der einzige der Anmelderin bekannte Ansatz, piezoelektrische Antriebe zur Ventilsteuerung im untertägigen Bergbau einzusetzen, ist in der DE 195 47 149 A1 offenbart. Als piezoelektrischer Aktor wird allerdings ein Biegeaktor bzw. Bimorph-Aktor vorgeschlagen, der selbst das Schließorgan bildet und dessen Verstellbewegung unmittelbar zum Verschließen der jeweiligen Öffnungen führt. Eine Übertragung des in der DE 195 47 149 A1 offenbarten Prinzips auf die vorliegende erfindungsgemäße Umsetzung der Längenänderung des piezoelektrischen Aktors in eine Verstellbewegung ist jedoch nicht möglich.
In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorsteuerventils ist zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Schließkörper eine Wegübersetzung vorgesehen, so daß trotz kleiner Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors ein ausreichender Hub des Schließkörpers zum vollständigen Verschließen der Zulauf- bzw. Ablauföffnung im Ventilgehäuseinnenraum erreicht werden kann. Die Wegübersetzung kann hierbei vorzugsweise einen Schwenkhebel umfassen, da entsprechende Schwenkhebel einen einfachen Aufbau haben und vergleichsweise dauerfest ausgebildet werden können.
Bei einer Ausführungsform kann der Schwenkhebel mit einem Schalthebelende aus dem Ventilgehäuse herausragen und die Volumen- bzw. Längenänderung des piezoelektrischen Aktors ist auf das aus dem Ventilgehäuseinnenraum herausragende Schwenkhebelende übertragbar. Diese Ausgestaltung bietet den weiteren Vorteil, daß der piezoelektrische Aktor ebenfalls außerhalb des Ventilgehäuseinnenraums angeordnet ist, so daß eine vollständige Trennung und damit eine Abdichtung zwischen der elektrischen Seite für die Steuerung des Vorsteuerventils und der fluidischen Seite des Vorsteuerventils erfolgt. Um bei dem entsprechend ausgebildeten Vorsteuerventil auch nach einer Vielzahl von Verstellbewegungen des Schließkörpers ein quasi 100%iges, hermetisches Verschließen der Dichtsitze an der Zulauf- und Ablauföffnung erzielen zu können, kann der Schwenkpunkt des Schwenkhebels dann als elastisches Lager ausgeführt sein, das sowohl eine Schwenkbewegung des Schwenkhebels als auch eine Nachstellbewegung des Schließkörpers in Längsrichtung des Schwenkhebels zuläßt. Das elastische Lager kann hierbei von einer flexiblen Membran gebildet sein, die vorzugsweise Teil der Ventilgehäusewand ist und die Trennung der Fluidseite von der elektrischen Seite des Vorsteuerventils bewirkt.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Schwenkhebel vollständig im Ventilgehäuseinnenraum angeordnet und um einen vorzugsweise von einem Festlager in einer der Innenwände des Ventilgehäuseinnenraums gebildeten Schwenkpunkt schwenkbar, wobei die Volumen- bzw. Längenänderung des piezoelektrischen Aktors auf den Schwenkhebel zwischen dem Schwenkpunkt und dem freien, mit dem Schließkörper versehenen Ende des Schwenkhebels übertragbar ist. Vorzugsweise ist dann zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Schwenkhebel ein vorzugsweise starrer, in einer abgedichteten Führung axialbeweglich aufgenommener Übertragungskörper wie ein Schaltstößel od. dgl. angeordnet, welcher eine Dichtung wie insbesondere einen O-Ring od. dgl. durchgreift, um eine Trennung der elektrischen Seite des Vorsteuerventils von der Fluidseite zu gewährleisten.
Die Möglichkeit, eine Nachstellbewegung des Schließkörpers mittels des elastischen Lagers ausführen zu können, ist besonders vorteilhaft, wenn der Schließkörper halbkugel- oder kugelförmig ist und die Zulauföffnung und die Ablauföffnung mit Kugeldichtsitzen ausgeführt sind, so daß Toleranzen im Kugeldichtsitz weitestgehend ausgeglichen werden können. Diese Eigenschaft bietet hierbei grundsätzlich den Vorteil einer preiswerten Herstellbarkeit des Ventils, da andernfalls eine sehr aufwendige, hochpräzise Fertigung aller Komponenten erforderlich wäre. Vorzugsweise kann der halbkugel- oder kugelförmige Schließkörper gegenüber dem Kugeldichtsitz keine Rotationsbewegung durchführen, so daß selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kein Verdrehen des Schließkörpers, mithin auch kein Verschleißen des Ventilsitzes, auftritt. Der Schwenkhebel kann zumindest im Bereich des Schließ- bzw. Ventilkörpers ein von einem kreisförmigen Querschnittsprofil abweichendes Profil aufweisen, dem die Innenkontur des Schließkörpers für einen drehfesten und steifen Verbund zwischen Schließkörper und Schwenkhebel angepaßt ist. Günstig ist ferner, wenn der Schließ- bzw. Ventilkörper auf dem Schwenkhebel eine geringfügige Bewegung in Längsrichtung des Schwenkhebels ausführen kann, so daß die mit dem elastischen Lager erzielbare Axialbewegung unterstützt wird oder ggf. auf ein elastisches, axialbewegliches Lager auch verzichtet werden kann. Der Schließkörper kann auf dem Schwenkhebel ggf. auch derart befestigt bzw. angeordnet sein, daß er sich selbsteinstellend an einen optimalen Dichtsitz anpaßt.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorsteuerventils ist der Schwenkhebel permanent mit einer Schließ- bzw. Rückstellkraft beaufschlagt, die den Schließkörper in Grundausdehnung des piezoelektrischen Aktors in Schließstellung mit der Zulauföffnung drückt und deren Wirkungsrichtung am Schalthebel entgegengesetzt zur Volumen- bzw. Längenänderungsrichtung des piezoelektrischen Aktors ist. Durch den entsprechenden Aufbau bewirkt die Schließkraft eine automatische Rückstellung des Schließkörpers in die Ausgangsstellung, d. h. in den Dichtsitz an der Zulaufleitung, wenn der piezoelektrische Aktor nicht mit einer Steuerspannung zur Volumenausdehnung angeregt wurde. Die hohen Stellkräfte des piezoelektrischen Aktors können hierbei die in entgegengesetzte Richtung wirkende Schließ- bzw. Rückstellkraft ohne weiteres überwinden.
Bei einer Ausführungsform ist der Krafterzeuger für die Schließkraft außerhalb des Ventilgehäuseinnenraums angeordnet und greift am Schwenkhebelende an. Durch diese Anordnung kann nicht nur die gegensinnige Krafteinleitung in den Schwenkhebel in einer Ebene erfolgen, sondern es kann auch gewährleistet werden, daß sich im Ventilgehäuseinnenraum, der je nach Wahl der Druckflüssigkeit ggf. mit Wasser bzw. einer Wasser-Öl- Emulsion gefüllt ist, keine rostanfälligen Teile befinden. Alternativ kann der Krafterzeuger für die Schließkraft am Schwenkhebel innerhalb des Ventilgehäuseinnenraums angreifen und zwischen dem Krafterzeuger und dem Schwenkhebel ist ein vorzugsweise starrer, in einer abgedichteten Führung axialbeweglich aufgenommener Übertragungskörper wie ein Kolben, eine Druckstange oder ein Schaltstößel angeordnet.
Der Krafterzeuger für die Schließkraft kann vorzugsweise eine Druckfeder umfassen. Alternativ kann der Krafterzeuger für die Schließkraft Bestandteil einer Sicherheitsschaltung sein und aus einem hydraulisch beaufschlagten, vorzugsweise starren und in einer abgedichteten Führung axialbeweglich aufgenommenen Übertragungsglied wie einem Kolben bestehen. Entsprechende Sicherheitsschaltungen sind als sogenannte Totmanneinrichtungen bekannt.
Piezoelektrische Aktoren erfahren, wie weiter oben dargelegt, bei Anlegen einer, Steuerspannung nur geringe Volumen- bzw. Längenänderungen unter Erzeugung vergleichsweise hoher Stellkräfte. Gleichzeitig sind piezoelektrische Aktoren, insbesondere Piezokeramiken, äußerst anfällig gegenüber Temperaturschwankungen. Die erfindungsgemäßen Vorsteuerventile sind daher vorzugsweise mit einer Kompensationseinrichtung oder -schaltung zum Ausgleich von temperaturänderungsbedingten Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors zu versehen.
Das bevorzugte Verwendungsgebiet des Vorsteuerventils ist der untertägige Bergbau. Die Zulauföffnung mündet dann in eine Drucklaufleitung und die Ablauföffnung in eine Rücklaufleitung, wobei der Ventilgehäuseinnenraum eine zusätzliche Auslaßöffnung aufweist, die in eine Verbraucheranschlußleitung mündet. Für eine derartige Verwendung kann zusätzlich eine Sicherheitsschaltung (Totmanneinrichtung) mit einem entgegen der Wirkungsrichtung der Längenänderung des piezoelektrischen Aktors verschiebbaren, am Schwenkhebel angreifenden und hydraulisch über die Druckleitung beaufschlagten, vorzugsweise starren und in einer abgedichteten Führung axialbeweglich aufgenommenen Übertragungsglied wie einem Kolben vorgesehen sein, um ungewünschten Fehlschaltungen des Vorsteuerventils durch das Personal vorzubeugen.
Für die Verwendung der Steuerventile im untertägigen Bergbau sollte die Steuerspannung für die piezoelektrischen Aktoren im vorzugsweise eigensicheren, elektrischen Leistungsbereich liegen. Ferner ist für den Einsatz im untertägigen Bergbau von Vorteil, wenn die Schaltungselektronik für den piezoelektrischen Aktor in das Vorsteuerventil integriert ist und/oder das Vorsteuerventil über ein Bussystem, insbesondere einen Profitus, ansteuerbar ist und/oder eine modulare Einheit bildet. Da in einem Strebausbau eine Vielzahl von zu schaltenden Vorsteuerventilen vorgesehen sind, kann eine Busanbindung der Schalteinrichtungen für die piezoelektrischen Aktoren zu einer deutlichen Vereinfachung der Ansteuerung des Strebausbaus insgesamt führen. Die piezoelektrischen Aktoren begünstigen hierbei die Anbindung an Bussysteme, da sie selbst nur eine geringe Leistungsaufnahme aufweisen, so daß auch bei eigensicheren Bussystemen die mit diesen übertragbaren geringen elektrischen Leistungen zur Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren ausreichen. Für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorsteuerventile in explosionsgefährdeten Bereichen ist es ferner günstig, wenn die Ansteuerelektronik zur Erzeugung der erforderlichen Steuerspannung, die bis etwa 200 V betragen kann, mit dem piezoelektrischen Aktor vollständig eingekapselt ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Vorsteuerventil mit piezoelektrischem Aktor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 schematisch ein Vorsteuerventil mit piezoelektrischem Aktor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 schematisch ein Vorsteuerventil entsprechend Fig. 2 mit zusätzlicher Sicherheitsschaltung; und
Fig. 4 schematisch ein Vorsteuerventil mit piezoelektrischem Aktor und Sicherheitsschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines insgesamt mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Vorsteuerventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das ein Ventilgehäuse 1 umfaßt, welches einen Ventilgehäuseinnenraum 2 umschließt, in welchem ein hier als Kugelventil gezeigter Schließkörper 6 angeordnet ist. Das Ventilgehäuse 1 weist eine in eine Druckleitung P mündende Zulauföffnung 3, eine in eine Rücklaufleitung T mündende Ablauföffnung 4 und eine Auslaßöffnung 5 auf, die den nicht verschließbaren Anschluß an eine Verbraucheranschlußleitung A bildet. Das Druckfluid in der Druckleitung P kann beispielsweise aus einer Wasser-Öl-Emulsion bestehen, wie sie zur Steuerung der Hub- und Schreitzylinder von untertägigen Ausbaugestellen bevorzugt Anwendung findet.
Der Schließkörper 6 des Vorsteuerventils 10 ist kugelförmig und bildet ein Kugelventil, das in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Vorsteuerventils 10 am Kugeldichtsitz 7 der Einlaßöffnung, wie dargestellt, oder am Kugeldichtsitz 8 der Auslaßöffnung 4 anliegt (nicht dargestellt). Die Verstellbewegung des Schließkörpers 6 wird mittels eines schematisch als Piezokeramik in Stapelbauweise dargestellten piezoelektrischen Aktors 9 bewirkt, an den mittels einer nicht gezeigten, außerhalb des Ventilinnenraums 2 angeordneten elektrischen Schaltung eine geeignete Steuerspannung angelegt wird. Fig. 1 zeigt den piezoelektrischen Aktor 9 in seiner minimalen Grundausdehnung, d. h. bevor erstmals eine elektrische Spannung an ihn angelegt wurde. Der piezoelektrische Aktor 9 wirkt hier unmittelbar auf das Schaltende 11 eines Schwenkhebels 12 ein, der an seiner in Fig. 1 linken Schalthebelspitze 13 den kugelförmigen Schließkörper 6 trägt. Der Schwenkhebel 12 ist um einen Schwenkpunkt 14 schwenkbar, der in eine flexible, ein elastisches Lager bildende Membran 15 integriert ist. Die Anordnung des Schwenkhebels 12 relativ zum Schwenkpunkt 14, insbesondere die Länge des sich außerhalb des Ventilgehäuseinnenraums 2 befindlichen Längenabschnitts 12' des Schwenkhebels 12 relativ zum Abschnitt 12 ", bewirkt eine Wegübersetzung der Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 9 um den Faktor von hier etwa 4 : 1, so daß trotz nur geringer Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors 9 ein ausreichender Hub des Schließkörpers 6 im Gehäuseinnenraum 2 des Ventilgehäuses 1 erzielt werden kann. Da die mit dem piezoelektrischen Aktor 9 aufbringbare, mit Pfeil F schematisch gezeigte Kraft vergleichsweise groß ist, kann trotz der über die unterschiedlichen Hebellängen 12', 12" bewirkten Wegübersetzung eine ausreichende Dichtkraft des Schließkörpers 6 am Kugeldichtsitz 8 der Ablaufleitung 4 erzielt werden. Mit der Feder 16 als Krafterzeuger für die Schließ- bzw. Rückstellkraft F_R wird der Anpreßdruck des Schließkörpers 6 an den Kugelventildichtsitz 7 der Einlaßöffnung 3 aufgebracht, wobei die Feder 16 wie der piezoelektrische Aktor 9 außerhalb des Ventilgehäuseinnenraums 2 angeordnet ist und am Schalthebel 12 in entgegengesetzter Richtung zur Kraft F wirkt. Die das elastische Lager erzeugende, den Schwenkpunkt 14 umfassende Membran 15 bildet eine der Gehäusewandungen des Ventilgehäuses 1 und läßt eine Nachstellbewegung des Schließkörpers 6 in Längsrichtung des Schwenkhebels 12 zu, so daß der kugelförmige Schließkörper 6 selbst bei Verschleiß der Kugelventildichtsitze 7 bzw. 8 eine vollständige Verschließung der jeweiligen Öffnung erreichen kann.
Der piezoelektrische Aktor 9 kann als monokristalline Piezokeramik oder vorzugsweise als Stapelaktor oder Streifenaktor aufgebaut sein. Die Kraftübertragung auf den Schalthebel kann auch mittelbar erfolgen, u. a. um eine Temperaturkompensation erreichen zu können. Die Elektronik zum Ansteuern des Aktors 9eines jeden Vorsteuerventils 10 ist auf nicht gezeigte Weise in dieses integriert und kann an ein Bussystem, insbesondere einen Profibus, angeschlossen werden. Um Druckstöße im gesamten Hydrauliksystem einer Strebausbauanlage zu vermeiden, sollten die Schaltzeiten, mit denen die piezoelektrischen Aktoren ansteuerbar sind, beeinflußbar sein. Dies würde auch die mechanischen, auf die gesamte Anlage wirkenden Belastungen sowie Druckspitzen im Hydrauliksystem reduzieren bzw. vermeiden.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Vorsteuerventil 110 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Schwenkhebel 112 vollständig im Ventilgehäuseinnenraum 102 innerhalb des Ventilgehäuses 101 angeordnet und mit seinem einen Ende schwenkbar mittels eines Festlager 120 in der Innenwand 121 des Ventilgehäuseinnenraums 102 gelagert. Das Ventilgehäuse 101 weist wiederum eine in eine Druckleitung P mündende Zulauföffnung 103, eine in eine Rücklaufleitung T mündende Ablauföffnung 104 und eine Auslaßöffnung 105 auf, die den nicht verschließbaren Anschluß an eine Verbraucheranschlußleitung A bildet. Auch hier bildet der am freien Ende des Schwenkhebels 112 angeordnete Schließkörper 106 ein Kugelventil, das in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Vorsteuerventils 110 am Kugeldichtsitz 107 der Zulauföffnung 103, wie dargestellt, oder am Kugeldichtsitz 108 der Auslaßöffnung 104 anliegt (nicht dargestellt). Die Kugeldichtsitze 107, 108 sind auswechselbar und als vom Ventilgehäuse 101 separate Bauteile wie z. B. als Düsen ausgeführt.
Der piezoelektrische Aktor 109 und eine Rückstellfeder 116 sind unmittelbar im bzw. am Ventilgehäuse 101 angeordnet, wobei die Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 109 mittels eines starren Schaltstößels 122 als Übertragungskörper auf den Schwenkhebel 112 übertragen wird. Der Schaltstößel 122 ist axialbeweglich in einer zugehörigen Führung 123 im Ventilgehäuse 101 geführt und durchgreift einen in einer Nut 125sitzenden O-Ring 124; die Führung 123 und der Dichtring 124 gewährleisten eine Trennung zwischen der Elektrik des Aktors 109 und dem Ventilgehäuseinnenraum 102. Der Schaltstößel 122 liegt in geringem Abstand vom Festlager 120 am Schwenkhebel 112 an, wobei auch hier ein Hebelverhältnis von etwa 4 : 1 gewählt worden ist. Axial fluchtend mit der Wirkungsachse des Aktors 109 ist ein mit der Rückstellfeder 116 vorgespannter Schaltstößel 132 angeordnet, um eine Rückstellkraft F_R auf den Schwenkhebel 112 aufzubringen. Auch der Schaltstößel 132 ist abgedichtet und axialbeweglich in einer zugehörigen Führung 133 aufgenommen, um einen ungewollten Fluidaustritt aus dem Ventilgehäuseinnenraum 102 zu verhindern.
Das in Fig. 3 gezeigte Vorsteuerventils 150 hat im wesentlichen den Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Vorsteuerventils und funktionsgleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Beim Vorsteuerventil 150 ist zusätzlich eine Sicherheitsschaltung 160 entsprechend einer sog. Totmanneinrichtung vorgesehen. Die Sicherheitsschaltung 160 umfaßt einen Kolben 161, der axialbeweglich und mittels des O-Rings 165 abgedichtet in einer Führung 166 im Ventilgehäuse 151 geführt ist und der mit dem Fluiddruck in der Druckleitung P beaufschlagt ist, sofern über die Leitungen 163, 164 und 162 eine Fluidverbindung zur Rückseite des Kolbens 161 besteht. Die Fluidverbindung entspricht der Notsituation, da im Normalbetrieb über ein nicht gezeigtes, z. B. in der Leitung 164 angeordnetes und elektrisch betätigtes Schließventil die Fluidverbindung unterbrochen ist und der Kolben 161 druckfrei geschaltet ist.
Auch bei dem in Fig. 4 gezeigten Vorsteuerventil 210 ist eine Sicherheitsschaltung (Totmanneinrichtung) 260 vorgesehen, die eine Fluidverbindung zwischen der Druckleitung P und der Rückseite des Kolbens 261 umfaßt. Abweichend vom in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird hier die Rückstellkraft auf den Schwenkhebel 212 mit dem Kolben 261 der Sicherheitsschaltung 260 aufgebracht. Der Kolben 261 ist axial fluchtend zum Schaltstößel 122 des piezoelektrischen Aktors 109 angeordnet und ersetzt die bei den vorherigen Ausführungsbeispielen vorgesehene Rückstellfeder. Das Vorsteuerventil 210 kann nur dann durch den Aktor 109 geschaltet werden, wenn die Fluidverbindung zwischen der Druckleitung P und der Rückseite des Kolbens 261 unterbrochen ist.

Claims

1. Vorsteuerventil mit einem Ventilgehäuse mit mindestens einer Zulauföffnung (3; 103) für eine Druckflüssigkeit und einer Ablauföffnung (4; 104), mit einem im Ventilgehäuseinnenraum (2; 102) angeordneten Schließkörper (6; 106) und einem Aktor (9; 109), der durch Anlegung einer Steuerspannung den Schließkörper (6; 106) zum Verschließen der Zulauföffnung (3; 103) oder Verschließen der Ablauföffnung (4; 104) verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor ein piezoelektrischer Aktor (9; 109) ist und die Verstellung des Schließkörpers (6; 106) über eine Volumenänderung, insbesondere Längenänderung, des piezoelektrischen Aktors (9; 109) bei Anlegen der Steuerspannung erfolgt.

2. Vorsteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem piezoelektrischen Aktor (9; 109) und dem Schließkörper (6; 106) eine Wegübersetzung vorgesehen ist.

3. Vorsteuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegübersetzung einen Schwenkhebel (12; 112; 212) umfaßt.

4. Vorsteuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkhebel (12) mit einem Schwenkhebelende (11) aus dem Ventilgehäuseinnenraum (2) hinausragt und die Volumen- bzw. Längenänderung des piezoelektrischen Aktors (9) auf das Schwenkhebelende (11) übertragbar ist.

5. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Aktor (9) außerhalb des Ventilgehäuseinnenraums (2) angeordnet ist.

6. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkpunkt (14) des Schwenkhebels (12) in einem elastischen Lager vorgesehen ist, das eine Schwenkbewegung des Schwenkhebels (12) und eine Nachstellbewegung des Schließkörpers (6) in Längsrichtung des Schwenkhebels (12) zuläßt.

7. Vorsteuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Lager von einer flexiblen Membran (15) gebildet ist, die vorzugsweise Teil der Ventilgehäusewand (1) ist.

8. Vorsteuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkhebel (112; 212) vollständig im Ventilgehäuseinnenraum (102) angeordnet ist und um einen vorzugsweise von einem Festlager (120) in einer der Innenwände (121) gebildeten Schwenkpunkt schwenkbar ist, wobei die Volumen- bzw. Längenänderung des piezoelektrischen Aktors (109) auf den Schwenkhebel (112; 212) zwischen dem Schwenkpunkt und dem freien, mit dem Schließkörper (106) versehenen Ende des Schwenkhebels (112; 212) übertragbar ist.

9. Vorsteuerventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem piezoelektrischen Aktor (109)und dem Schwenkhebel (112; 212) ein vorzugsweise starrer, in einer abgedichteten Führung (123) axialbeweglich aufgenommener Übertragungskörper wie ein Schaltstößel (122) angeordnet ist.

10. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (6; 106) halbkugel- oder kugelförmig ist und die Zulauföffnung (3; 103) und die Ablauföffnung (4; 104) mit Kugeldichtsitz (7; 8; 107, 108) ausgeführt sind.

11. Vorsteuerventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der halbkugel- oder kugelförmige Schließkörper (6; 106) gegenüber dem Kugeldichtsitz (7; 8) keine Rotationsbewegung ausführen kann.

12. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkhebel (12) zumindest im Bereich des Schließkörpers (6) ein nicht kreisförmiges Querschnittsprofil aufweist, dem die Innenkontur des Schließkörpers (6) angepaßt ist.

13. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise halbkugel- oder kugelförmige Schließkörper (6) auf dem Schwenkhebel (12) eine geringfügige Axialbewegung ausführen kann.

14. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkhebel (12; 112; 212) permanent mit einer Schließkraft (F_R) beaufschlagt ist, die den Schließkörper (6; 106) in Grundausdehnung des piezoelektrischen Aktors (9; 109) in Schließstellung mit der Zulauföffnung (3; 103) drückt und deren Wirkungsrichtung am Schwenkhebel (12; 112; 212) entgegengesetzt zur Volumen- bzw. Längenänderungsrichtung des piezoelektrischen Aktors (9; 109) ist.

15. Vorsteuerventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafterzeuger (16) für die Schließkraft (F_R) außerhalb des Ventilgehäuseinnenraums (2) angeordnet ist und am Schwenkhebelende (11) angreift.

16. Vorsteuerventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafterzeuger (116) für die Schließkraft (F_R) am Schwenkhebel (112; 212) innerhalb des Ventilgehäuseinnenraums (102) angreift und daß zwischen dem Krafterzeuger (116) und dem Schwenkhebel (112; 212) ein vorzugsweise starrer, in einer abgedichteten Führung axialbeweglich aufgenommener Übertragungskörper (132; 261) wie ein Schaltstößel, ein Kolben oder eine Druckstange angeordnet ist.

17. Vorsteuerventil nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafterzeuger (16; 116) für die Schließkraft (F_R) eine Druckfeder umfaßt.

18. Vorsteuerventil nach Anspruch 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafterzeuger für die Schließkraft Bestandteil einer Sicherheitsschaltung (260) ist und aus einem hydraulisch beaufschlagten, vorzugsweise starren und in einer abgedichteten Führung axialbeweglich aufgenommenen Übertragungsglied wie einem Kolben (261) besteht.

19. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch eine Kompensationseinrichtung oder -schaltung zum Ausgleichen von temperaturänderungsbedingten Volumen- bzw. Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors.

20. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselektronik für den piezoelektrischen Aktor in das Vorsteuerventil integriert ist und/oder das Vorsteuerventil über einen Bus, insbesondere Profibus, ansteuerbar ist und/oder das Vorsteuerventil mit der Schaltungselektronik eine modulare Einheit bildet.

21. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil (10; 110; 150; 210) für den untertägigen Bergbau bestimmt ist, wobei die Zulauföffnung (3; 103) in eine Druckleitung (P) und die Ablauföffnung (4; 104) in eine Rücklaufleitung (T) mündet und der Ventilgehäuseinnenraum (2; 102) eine weitere Auslaßöffnung (5; 105) aufweist, die in eine Verbraucheranschlußleitung (A) mündet.

22. Vorsteuerventil nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Sicherheitsschaltung (160; 260) mit einem entgegen der Wirkungsrichtung der Längenänderung des piezoelektrischen Aktors (109) verschiebbaren, am Schwenkhebel (112; 212) angreifenden und hydraulisch über die Druckleitung (P) beaufschlagten, vorzugsweise starren und in einer abgedichteten Führung (166) axialbeweglich aufgenommenen Übertragungsglied wie einem Kolben (161; 261).

23. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung im eigensicheren, elektronischen Leistungsbereich liegt.

24. Vorsteuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik zur Erzeugung der erforderlichen hohen Steuerspannung (ca. 200 V) mit dem Piezoaktor vollständig eingekapselt ist.