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Mehrstufiger hydraulischer Grubenstempel Die Erfindung betrifft einen
mehrstufigen hydraulischen Grubenstempel mit mindestens drei teleskopartig ineinandergeführten
rohrförmigen Stempelteilen, die in allen Teleskopstufen mit gleichem Widerstand
einschieben.
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Bekannt sind mehrstufige Grubenstempel, die aus drei gegeneinander
verschiebbaren Teleskoprohren bestehen, von denen das den größten Durchmesser aufweisende
Rohr mit einer Fußplatte versehen ist und den Unterstempel bildet, während die beiden
anderen Teleskoprohre ausschiebbar in dem Unterstempel gelagert sind. Das Teleskoprohr
mit dem kleinsten Durchmesser trägt eine Kopfplatte. Es besitzt außerdem einen Füllstutzen,
an dem eine Hochdruckleitung angeschlossen werden kann, um den Stempel mit Druckflüssigkeit
zu speisen. Die für das Aus- und Einschieben des Stempels wirksamen Kolbenflächen
der einzelnen Teleskoprohre sind verschieden groß. Das bedeutet, daß bei einer Einstellung
des überdruckventils auf einen bestimmten öffnungsdruck die Stützkraft des Stempels
sprungartig ansteigt, wenn nach dem vollständigen Einschieben des die Kopfplatte
tragenden Teleskoprohres der weitere Stempeleinschub durch Einschieben des in dem
Unterstempel gleitenden mittleren Teleskoprohres erfolgt. Der Grund für das sprungartige
Ansteigen der Stützkraft liegt darin; daß dann außer der Kolbenfläche des die Kopfplatte
tragenden Teleskoprohres die ringförmige Kolbenfläche des im Unterstempel gleitenden
Teleskoprohres zusätzlich wirksam wird. Der Stempel besitzt daher auf Grund der
verschieden großen wirksamen Kclbenflächen über seine gesamte Auszugslänge mehrere
Lastbereiche, oder, mit anderen Worten, die Tragfähigkeit des Stempels ist über
seinen gesamten Versteilbereich nicht gleichbleibend, sondern je nach seiner Auszugslänge
verschieden groß. Dies führt dazu, daß die Stützkräfte, die von den Stempeln auf
das Hangende ausgeübt werden, unter Umständen sehr stark voneinander abweichen.
Eine gleichmäßige Abstützung des Hangenden mit untereinander gleichen Stützkräften
der Stempel läßt sich daher in vielen Fällen mit den bekannten Teleskopstempeln
nicht erzielen.
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Man hat auch schon vorgeschlagen, einen mehrstufigen Hydraulikstempel
so auszubilden, daß er in allen Stufen, d. h. auf seinem gesamten Verstellbereich
praktisch gleichen Einschubwiderstand aufweist. Zu diesem Zweck hat man die Hochdruckräume
der einzelnen Einschubstufen, die auch hier verschieden große Kolbenflächen aufweisen,
gegeneinander abgedichtet und jedem Hochdruckraum ein besonderes Überdruckventil
zugeordnet. Die Überdruckventile der einzelnen Einschubstufen sind dabei enstprechend
den verschiedenen Drücken in den Druckräumen auf verschiedene Ansprechdrücke eingestellt.
Der Nachteil dieser Anordnung besteht vor allem darin, daß infolge der gegeneinander
abgeschlossenen Hochdruckräume jeder Raum beim Setzen des Stempels über eigene Zuleitungen
gesondert gespeist werden muß. Außerdem ist der Stempel im Aufbau verhältnismäßig
kompliziert und daher störungsanfällig und teuer, da er mehrere gegeneinander abgedichtete
Hochdruckräume und zu diesen führende Zuleitungen und außerdem für gleiche Funktionen
mehrere Ventile benötigt.
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Die Erfindung bezweckt, Teleskopstempel dieser Art, die in allen Stufen
gleichen oder nahezu gleichen Einschubwiderstand besitzen, zu verbessern.
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Gemäß der Erfindung sind die wirksamen Kolbenflächen der einzelnen
Teleskopstufen des Stempels gleich oder nahezu gleich, wobei für alle Teleskopstufen
ein gemeinsames Entlastungsventil vorgesehen ist. Ein Stempel mit diesen Merkmalen
der Erfindung hat den Vorteil, daß er bei Verwendung nur eines einzigen überdruck-
bzw. Entlastungsventils auf seiner vollen Einschublänge gleichbleibende oder nahezu
gleichbleibende Tragfähigkeit besitzt. Der Stempel weist also keine verschiedenen
Lastbereiche innerhalb der einzelnen Stufen auf, wie dies bei bekannten Teleskopstempeln
der Fall ist. Da der Stempel für sämtliche Einschubstufen nur einen einzigen Flüssigkeitsdruckraum
und auch nur ein einziges Entlastungsventil aufweist, ist er in seinem Aufbau wesentlich
vereinfacht und in seiner Betriebssicherheit erheblich verbessert. Auch der Aufwand
für die Abdichtung des Hochdruckraumes ist gegenüber solchen Stempeln, die mehrere
gegeneinander abgedichtete Druckräume besitzen, wesentlich verringert. Durch geeignete
Dimensionierung
der wirksamen Kolbenflächen läßt sich die Anordnung in vorteilhafter Weise derart
gestalten, daß die Drucksteigerung der Flüssigkeit, hervorgerufen beim Setzvorgang
oder bei der Auflastung durch das Gebirge, immer das Teleskoprohr mit dem größeren
Durchmesser, welches auch eine größere Druck- und Knickfestigkeit besitzt, ausschiebt,
bevor das Teleskoprohr mit dem kleineren Durchmesser ausgeschoben wird. Beim Einschieben
des Stempels unter Hangendbelastung wird bei dieser Anordnung dagegen zunächst das
mit kleinerem Durchmesser versehene Teleskoprohr auf voller Länge eingefahren, bevor
sich das mit dem größeren Durchmesser versehene Teleskoprohr einschiebt.
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Um das Einschieben des Stempels beim Rauben zu beschleunigen, ist
in dem Stempel vorzugsweise ein gegenüber dem Flüssigkeitsdruckraum abgedichteter
Vakuumraum angeordnet, in dem beim Ausfahren des Stempels durch Verschieben eines
Kolbens od. dgl. ein Unterdruck erzeugt wird, der beim Rauben des Stempels zum Einschieben
der Teleskopteile wirksam wird. Zweckmäßig geschieht dies in der Weise, daß in einem
der Teleskopteile des Stempels eine aus einer Rohrhülse od. dgl. bestehende Zylinderkammer
fest angebracht wird, in der ein mit einem anderen Teleskopteil fest verbundener
Kolben beim Ein- und Ausschieben der Teleskopteile so verschoben wird, daß beim
Ausfahren der Teleskoprohre durch Zurückgleiten des Kolbens ein Vakuum in der Zylinderkammer
erzeugt wird, welches das Bestreben hat, den ausgefahrenen Teleskopteil in seine
Ausgangsstellung zurückzuziehen, und welches diesen Vorgang bewerkstelligt, sobald
durch öffnen des Raubventils ein Ausfluß aus dem Stempeldruckraum freigegeben ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, in
der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt durch einen
Grubenstempel dargestellt ist.
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Der hydraulische Grubenstempel besteht aus drei Teleskoprohren 1,
2 und 3. Das den größten Durchmesser aufweisende Teleskoprohr 1 bildet den Unterstempel
und ist mit einer Fußplatte 4 versehen, mit welcher der Stempel auf dem Liegenden
steht. Das einen mittleren Durchmesser aufweisende Teleskoprohr 2 bildet die erste
Stufe des Stempels. Es besteht ebenfalls aus einem zylindrischen Rohr, dessen äußerer
Durchmesser etwas geringer ist als der Innendurchmesser des Rohres 1. Am unteren
Ende des Teleskoprohres 2 ist ein Kolben 5 fest angebracht, in welchem sich Verbindungsbohrungen
5a und 5 b befinden. Am oberen Ende des Teleskoprohres 2 ist eine
Abschlußhülse 6 mit Handgriff 6a mittels mehrerer Spannstifte 7 befestigt. Die Spannstifte
7 liegen in Ringnuten, die durch halbkreisförmige Ausnehmungen an dem Rohr 2 und
der Abschlußhülse 6 gebildet sind. Sie werden von außen durch Öffnungen 6 b in die
Ringnut eingetrieben und zum Zwecke des Lösens der Verbindung aus dieser Öffnung
wieder herausgezogen. Ferner befindet sich am oberen Ende des Teleskoprohres 2 eine
Führungsbuchse 6 c, die von der Abschlußhülse 6 in ihrer Lage gesichert wird. Eine
ähnliche Abschlußhülse, jedoch ohne Handgriff, sowie eine Führungsbuchse 6 c befinden
sich auch an dem oberen Ende des Unterstempels 1.
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Das den kleinsten Durchmesser aufweisende Teleskoprohr 3 besitzt an
seinem Ende einen Ringkolben 8, an welchem sich ein beispielsweise aus Kunststoff
bestehender Gleitring 9 und eine Dichtung 10 befinden. Ein Gleitring und eine Dichtung
dieser Art sind auch an dem Kolben 5 des Teleskoprohres 2 angebracht. Am Kopf des
Teleskoprohres 3 ist eine Kopfplatte 11 mittels Spannstiften 12 lösbar befestigt.
Unterhalb der Kopfplatte 11 ist in dem Rohr 3 ein als Ventilgehäuse dienendes Zwischenstück
13 fest angebracht, welches die Stempelventile aufweist. An dem Zwischenstück befindet
sich ein Füllstutzen 14 mit einem Verschlußstopfen 15, der gegen die Wirkung einer
Feder 16 in den Füllstutzen hineingedrückt werden kann. Am stempelseitigen Ende
des Füllstutzens 14 ist ein Rückschlagventil angeordnet. Das Rückschlagventil besteht
aus einer Kegelmanschette 17, die von einer Feder 18 belastet ist und in einer konischen
Verengung 19 des Ventilgehäuses verschiebbar ist.
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Ferner befinden sich in dem Zwischenstück 13 ein nicht dargestelltes
überdruck- und Raubventil, zu welchem die Verbindungsbohrung 13 a führt, sowie ein
Ventil 20 für die Auszugsbegrenzung. Das Ventil 20 wird durch eine Zugfeder 21 normalerweise
in Offenstellung gehalten. Die Druckflüssigkeit wird, wie erwähnt, über den Füllstutzen
14, das Rückschlagventil 17 und das Auszugsbegrenzungsventil 20 in den Flüssigkeitsdruckraum
des Stempels gefördert. Die Teleskoprohre 1, 2 und 3 stehen im Inneren über Kanäle
22 am Fuß des Rohres 3 und über die Bohrungen 5 a und 5 bin dem Kolben 5 des Rohres
2 in Verbindung. Der Stempel besitzt also einen einzigen Flüssigkeitsdruckraum,
der sich über die drei Teleskoprohre erstreckt.
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Das mit kleinstem Durchmesser versehene Teleskoprohr 3 stützt sich
mit der Kreisfläche F1 auf der im Flüssigkeitsdruckraum befindlichen Druckflüssigkeit
ab. Die Druckflüssigkeit wirkt auf diese Fläche F1 im Sinne eines Ausschiebens des
Rohres 3 (wirksame Kolbenfläche). Die Fläche F1 setzt sich aus zwei Teilflächen
zusammen, und zwar einerseits aus der Ringfläche 8 a des Kolbens 8 und andererseits
aus der Fläche 23 des Zwischenstücks 13 im oberen Teil des Rohres 3. Die Kolbenfläche
des Rohres 2 wird gebildet aus der Ringfläche F4, die sich aus der Differenz der
Flächen F2 und F, ergibt. Diese Kolbenfläche wird wirksam, sobald der Innenstempel
3 ganz eingeschoben ist.
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Bei gleicher Größe der wirksamen Kolbenflächen F, und F4 ergibt sich
bei gleichbleibendem Öffnungsdruck für das Entlastungsventil über den gesamten Einsinkweg
des Stempels ein konstanter Einsinkwiderstand. Die beiden Innenstempel 2 und 3 werden
beim Setzen etwa gleichzeitig ausgefahren. Unter Belastung schiebt immer der Innenstempel
3 infolge seiner geringen Kolbenreibung zuerst ein. Falls jedoch die Fläche F4,
was besonders zweckmäßig ist, etwas größer als die Fläche F1 ausgeführt wird, wird
beim Auflasten des Stempels immer eine Einstellung der Rohre zueinander erfolgen,
die das Teleskoprohr 2 vorrangig bis zu seiner vollen Verstellbarkeit am Gesamtausschub
beteiligt, und zwar dadurch, daß die Differenzfläche, die sich aus F,-F4 ergibt,
durch den Flüssigkeitsdruck im Sinne des Ausschiebens wirkt und bei Anlage der Kopfplatte
auch eine nach oben gerichtete Relativverschiebung gegenüber dem Rohr 3 erzwingt.
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Um diesen Effekt zu erreichen, braucht der Unterschied in der Größe
der Kolbenflächen F1 und F4 jedoch nur sehr gering zu sein. Es wird daher auch nur
ein geringer Anstieg in der Lastaufnahme erzielt, wenn nach dem Einschieben des
Teleskoprohres 3 das Teleskoprohr 2 sich einzuschieben beginnt.
Das
Teleskoprohr 2 besitzt gegenüber dem Teleskoprohr 3 zweckmäßig günstigere statische
Werte, da es höheren Knickbeanspruchungen unterliegt. Selbstverständlich ist aber
die Tragfähigkeit des Rohres 3 so groß, daß es die durch das Überdruckventil eingestellte
Stempelbelastung mit Sicherheit aufnehmen kann.
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In dem Unterstempel 1 befindet sich ein Hohlkolben 24, an dem fußseitig
eine Stützscheibe 25 fest angebracht ist. Die Stützscheibe 25 ist mittels einer
Dichtung 25 a gegenüber der Zylinderwandung abgedichtet. Der in den Druckraum des
Stempels herrschende Flüssigkeitsdruck beaufschlagt die Stützscheibe 25 einseitig,
so daß die Stützscheibe und der Hohlkolben in der gezeichneten Stellung am Boden
des Unterstempels 1 gehalten wird. Der Hohlkolben 24 ist jedoch, bezogen auf seine
Längsachse und für einen kleinen Winkelbereich, beweglich im Unterstempel 1 angeordnet.
Die Begrenzung der geringen Beweglichkeit ermöglicht eine Schraube 26, die in dem
Fußstück 4 verschraubt ist. Durch die Beweglichkeit des Hohlkolbens ergibt sich
in. gewissen Grenzen eine Einstellmöglichkeit des Hohlkolbens zu dem Kolben 5 des
Teleskoprohres 2. Eine Verklemmung infolge einer Zwangsführung des Teleskoprohres
2 an dem Hohlkolben 1 wird daher vermieden.
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Der Hohlkolben trägt an seinem oberen Ende einen abgedichteten eingeschraubten
Verschlußstopfen 27, der mit seinem überstehenden Kragen 27a den Ausschub des Kolbens
5 und des Rohres 2 begrenzt.
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Der Hohlkolben 24 bewegt sich beim Einschub des Teleskoprohres 2 in
den Unterstempel 1 in eine Rohrhülse 28 hinein, die auf dem Kolben 5 koaxial angebracht
ist. Im Innenraum der Rohrhülse 28 herrscht Unterdruck (nahezu Vakuum), welches
beim Rauben des Stempels den Einschub des Teleskoprohres 2 in den Außenstempel 1
beschleunigt. Der Unterdruck in der Rohrhülse 28 entsteht dadurch, daß der mit dem
Hohlkolben 24 verschraubte Stopfen 27 bei ganz eingeschobenem Rohr 2 montiert wird.
Hierbei füllt der Hohlkolben 24 die Rohrhülse 28 nahezu aus. Beim Ausschieben des
Teleskoprohres 2 aus dem Unterstempel wird daher, da ein Nachströmen von Luft oder
Druckflüssigkeit durch die Abdichtungen der Rohrhülse 28 und der Verschlußstopfen
27 und 30 verhindert wird, in der Rohrhülse ein Unterdruck erzeugt, der auf die
Fläche 29 des Verschlußstopfens 30 am oberen Ende der Rohrhülse wirkt und die Rohrhülse
zusammen mit dem Kolben 5 und dem Teleskoprohr 2 nach unten zieht, wenn bei geöffnetem
Raubventil die Flüssigkeit aus dem Stempeldruckraum entweichen kann.
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Um nach der Montage des Stempels etwaige in der Rohrhülse 28 verbleibende
Luft zu entfernen, ist in dem Verschlußstopfen 27 ein Entlüftungsventil 35 angebracht,
welches über den Hohlkolben 24 und über Bohrungen 31 und 32 in der Stützscheibe
und der Fußplatte einen Zugang nach außen besitzt. Über das Entlüftungsventil kann
beim vollständigen Zusammenschieben des Stempels die Luft durch die Bohrungen nach
außen entweichen.
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Das für die Ausschubbegrenzung des Teleskoprohres 3 dienende Ventil
20 in dem Zwischenstück 13 wird durch die Zugfeder 21 normalerweise in Offenstellung
gehalten. An dem Schaft 20a des Ventils ist ein biegsames Zugseil 33 beispielsweise
aus Nylon befestigt, welches mit seinem anderen Ende an dem Verschlußstopfen 30
der Rohrhülse 28 angebracht ist. Beim Ausfahren des Teleskoprohres 3 strafft sich
das Seil 33 und zieht schließlich das Ventil 20 gegen die Rückstellkraft
der Zugfeder 21 in Schließstellung, wenn die volle Ausschublänge erreicht ist. Da
bei verschlossenem Ventil 20 die von außen über den Füllstutzen 14 zugeführte Druckflüssigkeit
keinen Zutritt mehr zu dem Druckraum des Stempels besitzt, ist ein weiteres Ausfahren
des Stempels dann nicht mehr möglich.
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Durch die Anordnung des Ausschubbegrenzungsventils ergeben sich verschiedene
Vorteile: Der Ausschub des Teleskoprohres 3 braucht nicht mehr über die Führungsbuchsen
6 c und Abschlußhülsen 6 unter Abfangen erheblicher Kräfte begrenzt zu werden. Dadurch
können die Führungsbuchsen 6 c dünnwandig ausgeführt werden, wodurch auch das Spiel
zwischen den Teleskoprohren verringert wird. Außerdem hat der Kragen des Verschlußstopfens
als Ausschubbegrenzung für das Rohr 2 hierbei nur eine vergleichsweise geringe Kraft
aufzunehmen. Schließlich ist auch vorteilhaft, daß auf das Ventilgehäuse bzw. das
Zwischenstück 13 keine Kraft wirken kann, die es vom Rohr 3 zu trennen versucht.
Das Zwischenstück kann daher mit einfachen Elementen, z. B. mit Schrauben 34 oder
Stiften, mit dem Rohr 3 verbunden werden.
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Um den Stempel zu setzen, wird das Anschlußorgan einer Hochdruckleitung,
zweckmäßig in Gestalt einer Setzpistole, an dem Füllstutzen angeschlossen und hiermit
verriegelt. Beim Ansetzen der Setzpistole wird der Verschlußstopfen 16 so weit nach
innen gestoßen, daß über die in ihm angeordneten Kanäle die Flüssigkeit zu dem Rückschlagventil
19 gelangen kann. Das Rückschlagventil wird durch den Flüssigkeitsdruck geöffnet,
wodurch die Flüssigkeit über das geöffnete Ausschubbegrenzungsventil 20 in den Stempeldruckraum
strömen kann. Sobald sich in dem Stempeldruckraum ein Flüssigkeitsdruck aufbaut,
werden die Innenstempel 2 und 3 ausgefahren, wobei sich spätestens bei Anlage der
Kopfplatte gegen ein festes Widerlager durch den dann weiter ansteigenden Flüssigkeitsdruck
der mit dem größeren Rohrdurchmesser und mit dem größeren Kolben versehene Innenstempel
n bis zu seiner möglichen Auszuglänge am Gesamtausschub vorrangig beteiligt. Hierbei
tritt gegebenenfalls eine Relativverschiebung des Innenstempels 2 gegenüber dem
Innenstempel 3 im Sinne des Ausschubs ein.
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Im Betrieb wirkt der Flüssigkeitsdruck über das Ausschubbegrenzungsventil
20 und die Bohrung 13 a auf das auf eine bestimmte Lasthöhe eingestellte Überdruckventil.
Bei Überschreiten dieser Lasthöhe öffnet das Überdruckventil, so daß Flüssigkeit
nach außen bzw. in einen Vorratsraum, der von dem Stempel getrennt oder aber mit
diesem verbunden sein kann, entweichen kann. Unter Belastung schiebt sich zunächst
der Innenstempel 3 auf seiner ganzen Länge ein, da nur auf diesen eine Einschubkraft
wirkt. Der Innenstempel 2 wird dabei durch die Reibung seiner Kolbendichtung und
durch eine Kraft, die dem Produkt aus Flüssigkeitsdruck und Flächenüberschuß
(F4 - F1) entspricht, in seiner Lage gehalten. Anschließend wird über den
ganz eingeschobenen Innenstempel 3 der Innenstempel 2 eingeschoben, wobei die Lastaufnahme
des Stempels geringfügig ansteigt.
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Zum Rauben des Stempels wird das Raubventil geöffnet, wodurch die
Flüssigkeit aus dem Druckraum nach außen bzw. in den Vorratsbehälter entweichen
kann.
Das Einschieben des Stempels wird, wie beschrieben, durch das Vakuum in dem Zylinderraum
28 beschleunigt, so daß sich der Raubvorgang sehr schnell und gefahrlos gestaltet.
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Der Innenstempel 3 stützt sich in eingeschobenem Zustand entweder
mit dem Zwischenstück 13 auf der Abschlußhülse 6 des Innenstempels 2 oder mit seinem
Kolben 8 auf dem Kolben 5 des Innenstempels 2 auf. Er kann sich aber auch mit der
unteren Fläche 23 des Zwischenstückes 13 auf dem Verschlußstopfen
30 der Rohrhülse 28 aufstützen.
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Der Stempel kann als Einzelstempel oder als Bestandteil eines wandernden
hydraulischen Ausbauelements, beispielsweise eines Ausbaurahmens, zum Einsatz gelangen,
wobei die Füllstutzen der einzelnen Stempel so miteinander verbunden sein können,
daß alle Stempel eines wandernden, maschinell vorrückbaren Ausbauelements gleichzeitig
gesetzt werden können.
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Das zur Beschleunigung des Raubvorgangs dienende Vakuumsystem kann
in gleicher oder ähnlicher Weise auch bei normalen zweiteiligen Hydraulikstempeln,
die lediglich einen einzigen Innenstempel besitzen, zur Anwendung kommen. Zweckmäßig
ist dies vor allem für solche zweiteiligen Stempel, die im Inneren keine eigene
Setzpumpe aufweisen, die also von außen her über Hochdruckleitungen gespeist werden.
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Schließlich läßt sich auch das den Stempelausschub automatisch begrenzende
Ausschubbegrenzungsventil bei den zweiteiligen Hydraulikstempeln verwenden, und
zwar insbesondere bei solchen Stempeln, die keine eingebaute Setzpumpe aufweisen.
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Der Stempel gemäß der Erfindung kann in grundsätzlich gleicher Bauart
auch als Vorschubzylinder für Abbaufördermittel oder für ähnliche Zwecke verwendet
werden.