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Druckmittelantrieb für ein Ventil oder ähnliche Verschlußeinrichtung
Die Erfindung betrifft einen Druckmittelantrieb für ein Ventil oder ähnliche Verschlußeinrichtungen
mit einer zu Beginn des Öffnungshubes größeren Antriebskraft, bestehend aus einem
Hauptkolben kleineren Durchmessers und einem auf einer Kolbenstange des Hauptkolbens
verschiebbaren Hilfskolben größeren Durchmessers.
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Gemäß einem bereits vorgeschlagenen Druckmittelantrieb dieser Art
wird die erhöhte Antriebskraft zu Beginn des Öffnungshubes dadurch erzielt, daß
eine Steigerung des Druckes eintritt. Das führt leicht zu Dichtungsschwierigkeiten,
insbesondere dann, wenn es sich um Ventile oder Verschlußvorrichtungen handelt,
die an schwer zugänglichen Stellen sitzen. Außerdem besitzt dieser Druckmittelantrieb
den Nachteil, daß er eine geringere Antriebskraft am Ende des Schließhubes aufweist.
Dieser Nachteil ist im übrigen allen bekanntgewordenen Druckmittelantrieben für
Ventile oder andere Verschlußeinrichtungen eigen, die mit erhöhter Antriebskraft
zu Beginn des öffnungshubes arbeiten. Derartige Antriebe sind wohl für einige Betriebsfälle
durchaus geeignet, bei denen diese kleinere Antriebskraft am Ende des Schließhubes
keine Schwierigkeiten mit sich bringt. Es gibt aber eine große Anzahl von Betriebsfällen,
wo neben einer größeren Antriebskraft zu Beginn des CSffnungshubes auch eine größere
Antriebskraft am Ende des Schließhubes erforderlich bzw. erwünscht ist, um einen
absolut sicheren Verschluß zu erzielen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dieses Problem nur
dann als befriedigend gelöst anzusehen ist, wenn die Antriebskraft am Ende des Schließhubes
vergrößert, bei Beginn des öffnungshubes noch weiter vergrößert und beim restlichen
Öffnungshub wieder verkleinert wird, wobei wesentlich ist, daß alle diese Änderungen
der Antriebskraft während der beiden Hübe bei gleichbleibenden Druckverhältnissen
vor sich gehen, so daß keine zusätzlichen Dichtungsschwierigkeiten entstehen und
die Dichtung nur den gleichbleibenden Druckverhältnissen des Druckmittels zu entsprechen
braucht.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß ein durch
die Bewegung des Hauptkolbens und des Hilfskolbens betätigtes Steuermittel vorgesehen
ist, welches den zwischen Hauptkolben und Hilfskolben liegenden geschlossenen Zylinderraum
während des ersten Teiles des Schließhubes mit dem an der anderen Seite des Hauptkolbens
liegenden druckbeaufschlagten Zylinderraum, am Ende des Schließhubes dagegen mit
der Rückleitung verbindet, während zu Beginn des Öffnungshubes der druckbeaufschlagte
Hilfskolben über einen kurzen Weg den Hauptkolben kraftschlüssig mitnimmt und im
restlichen Teil des Öffnungshubes das Druckmittel ausschließlich in dem zwischen
Hilfskolben und Hauptkolben liegenden Zylinderraum arbeitet. Auf diese Weise ist
erreicht, daß bei völlig gleichbleibendem Druck die Antriebskraft in den gewünschten
Phasen der beiden Hübe größer oder kleiner wird, und zwar genau in dem vorausbestimmten
Maße.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt;
es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt eines Druckmittelantriebs nach der Erfindung
in der geöffneten Ruhestellung mit eingezeichnetem Schaltschema, F i g. 2 einen
Schnitt entsprechend F i g. 1 beim Schließhub, F i g. 3 einen solchen Schnitt nahe
dem Ende des Schließhubes, F i g. 4 einen Schnitt entsprechend F i g. 1 am Ende
des Schließhubes, F i g. 5 einen Schnitt gemäß F i g. 1 kurz nach Beginn des Öffnungshubes,
F i g. 6 diesen Schnitt in einer weiteren Stellung des Öffnungshubes, F i g. 7 eine
weitere Stellung des Öffnungshubes. Auf dem einen Ende einer Kolbenstange 1 ein
Hauptkolben 2 angeordnet, der mit Hilfe von Kolbenringen 3 in einem Zylinder 4 abdichtend
geführt ist. Die Kopfseite des Zylinders 4 ist durch ein, Endstück 5
verschlossen,
während das andere Ende des Zylinders 4 an einem Gehäuse 6 befestigt ist, das mit
einem Flansch 7 versehen ist, mit dessen Hilfe es auf einem Schieber, Ventil oder
einer ähnlichen Verschlußeinrichtung befestigt werden kann. Die untere öffnung des
Gehäuses 6 ist durch einen Deckel 8 dicht verschlossen, und die Kolbenstange 1 ist
unter Zwischenschaltung von Dichtungsringen 9 hindurchgeführt.
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Um die Kolbenstange 1 herum ist unmittelbar über dem Deckel 8 ein
Hilfskolben 10 angeordnet, der mittels eines Kolbenringes 11 gegen die Innenwandung
des Gehäuses 6 abgedichtet ist. Die Bohrung des Gehäuses 6 besitzt einen größeren
Durchmesser als die des Zylinders 4. Der Hilfskolben 10 ist auf der Kolbenstange
1 frei verschiebbar, gegen diese aber mittels eines Dichtungsringes 12 abgedichtet.
In einer ringförmigen Aussparung auf der Oberseite des Hilfskolbens 10 ist ein mit
Öffnungen versehener Abstandsring 13 angeordnet, um den herum eine Schraubenfeder
14 liegt, die sich gegen den Boden der Aussparung abstützt. Das obere Ende der Schraubenfeder
14 stützt sich in einer entsprechenden Aussparung eines Steuerschiebers 15 ab, der
gleichfalls um die Kolbenstange 1 herum angeordnet, aber nicht gegen diese abgedichtet
ist.
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Der Steuerschieber 15 ist aber dichtend in der Bohrung des Gehäuses
6 angeordnet. Die Oberseite des Steuerschiebers 15 ist mit einer als Abstandsteil
16 dienenden Verlängerung versehen, die an der Stirnseite einen Dichtungsring 17
trägt. Zwischen dem Abstandsteil 16 und der Kolbenstange 1 liegt eine Schraubenfeder
18, die stärker als die Schraubenfeder 14 ist. Die Schraubenfeder 18 stützt sich
auf einem Innenflansch des Steuerschiebers 15 ab, der in den Raum zwischen dem Steuerschieber
15 und der Kolbenstange 1 hineinragt.
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Im Endstück 5 des Zylinders 4 ist ein Kanal 21 zur Zu- bzw. Abführung
des Druckmittels angeordnet. Das Gehäuse 6 ist mit einem Kanal 22 versehen, der
der Zu- bzw. Abführung des Druckmittels nach bzw. von der Unterseite des Hilfskolbens
10 dient, und mit Kanälen 23, 24 und 25, die in den Raum zwischen Hilfskolben 10
und Steuerschieber 15 im Höhenbereich desselben und in den Raum zwischen Steuerschieber
15 und Hauptkolben 2 münden. Diese Kanäle sind an den Druckmittelkreislauf angeschlossen.
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Ein von Hand verstellbarer Schieber 26 läßt drei Stellungen zu, nämlich
eine mittlere Stellung, wobei zwei Leitungen 27 und 28 mit einem Sammelbehälter
29 verbunden sind, eine untere Stellung, wobei die Leitung 27 mit der Druckmittelzufuhr
30 und die Leitung 28 mit der Rückleitung 29 verbunden ist, und eine obere Stellung,
worin die Leitung 28 mit der Druckmittelzufuhr 30 und die Leitung 27 mit der Rückleitung
29 verbunden ist. Die Leitung 28 verzweigt sich in eine Leitung 31, die mit dem
Kanal 22 in Verbindung steht, und eine Leitung 32, die nach einem kombinierten Rückschlag-Drosselventil
33
führt. Von dem Ventil 33 geht eine Leitung 34 zum Riegel eines entriegelbaren
Rückschlagventils 35 und weiter nach den Kanälen 23 und 24, mit denen sie über zwei
in entgegengesetztem ,Sinne arbeitende Rückschlagventile 36 bzw. 37 verbunden ist.
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Die Leitung 27 verzweigt sich in eine Leitung 38, die über das Rückschlagventil
35 nach dem Kanal 21 führt, und eine Leitung 39, die über den Riegel eines zweiten
entriegelbaren Rückschlagventils 40 und ein weiteres Rückschlagventil41 mit dem
Kanal 24 verbunden ist. Schließlich ist der Kanal 21 noch über das Rückschlagventi140
und ein weiteres Rückschlagventil 42 mit dem Kanal 25 verbunden.
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Die beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: In der geöffneten
Ruhestellung der zu bedienenden Vorrichtung, z. B. eines Ventils, steht die Kolbenstange
1 mit dem Hauptkolben 2 in der obersten Stellung und der von Hand zu bedienende
Schieber 26 in seiner mittleren Stellung (F i g. 1). In dieser mittleren Stellung
des Schiebers 26 ist sowohl die Leitung 27 als auch die Leitung 28 mit der Rückleitung
29 verbunden.
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Der Raum zwischen dem Hilfskolben 10 und dem Deckel 8 ist also
über den Kanal 22 und die Leitung 31 mit der Rückleitung verbunden, und die
übrigen Zylinderräume sind alle verschlossen, nämlich der Kanal 21 durch die Rückschlagventile
35 und 42, der Kanal 25 durch das Rückschlagventi140 und der Kanal
23 durch das Rückschlagventil36. Der Hilfskolben 10 wird durch die Schraubenfeder
14 in seiner unteren Stellung gehalten, weil der Kanal 22 unmittelbar mit der Rückleitung
verbunden ist. Die Länge der Schraubenfeder 14 ist derart gewählt, daß der Steuerschieber
15 gerade vor dem Kanal 24 steht und diesen verschlossen hält.
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In der oben beschriebenen Stellung des Schiebers 26 ist die Kolbenstange
1 blockiert, unabhängig von der jeweiligen Höhenlage des Hauptkolbens 2.
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Wenn die zu bedienende Vorrichtung, z. B. ein Ventil, geschlossen
werden soll, wird der Schieber 26
in die untere Stellung bewegt, so daß die
Leitung 27 mit der Zufuhr 30 und die Leitung 28 mit der Rückleitung 29 verbunden
ist. Das Druckmittel kann nun über die Leitungen 27 und 38 und das Rückschlagventil35
in den Kanal 21 gelangen, wodurch die Oberseite des Hauptkolbens 2 druckbelastet
wird. Über die Leitung 39 arbeitet das Druckmittel weiter auf den Riegel des entriegelbaren
Rückschlagventils 40, so daß dieses Rückschlagventil entriegelt wird. Das Druckmittel
im Zylinderraum unter dem Hauptkolben 2 wird durch den Hauptkolben 2 druckbelastet,
und infolge des Größenunterschiedes zwischen den Arbeitsflächen von Oberseite und
Unterseite des Kolbens 2 wird das Druckmittel an der Unterseite des Kolbens 2 entgegen
dem Arbeitsdruck über den Kanal 25, das Rückschlagventil42 und das entriegelte Rückschlagventi140
weggedrückt. Der Hauptkolben 2 mit der Stellstange 1 wird durch eine kleine Kraft
herunterbewegt, die gleich dem Arbeitsdruck multipliziert mit dem Flächenunterschied
zwischen Oberseite und Unterseite des Hauptkolbens 2 ist. Die Kanäle 22 und 24 bleiben
durch das Rückschlagventil 36 bzw. den Steuerschieber 15 verschlossen.
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Der Schließhub geht weiter, bis der Hauptkolben 2 die Schraubenfeder
18 erreicht. Weil die Schraubenfeder 18 stärker als die Schraubenfeder 14 ist, wird
beim Erreichen dieses Punktes die Schraubenfeder 14 zuerst zusammengedrückt, so
daß der Steuerschieber 15 mit herunterbewegt wird. Das Druckmittel zwischen
dem Steuerschieber 15 und dem Hilfskolben 10
kann durch den Raum zwischen
der Kolbenstange 1 und dem Steuerschieber 15 entweichen. Wenn der Steuerschieber
15 so weit bewegt ist, daß er die Stellung in F i g. 2 passiert hat, kommt der Raum
unter dem Hauptkolben 2 in Verbindung mit dem Kanal 24. Das Druckmittel kann nun
aus diesem Raunt
über das Rückschlagventil 37, die Leitung 34, das
Rückschlagventil des kombinierten Ventils 33 und die Leitungen 32 und 28 nach der
Rückleitung 29 entweichen (F i g. 3). Weil das Druckmittel jetzt nicht mehr entgegen
dem Arbeitsdruck zu entweichen braucht, sondern unmittelbar nach der Rückleitung
29 geht, wird die Kolbenstange nun mit einer größeren Kraft heruntergedrückt, entsprechend
dem Arbeitsdruck multipliziert mit Tier Oberfläche der Oberseite des Hauptkolbens
2. Diese größere Kraft drückt nun den Verschlußteil des Ventils fest auf seinen
Sitz. .Sobald der Widerstand des Verschlußteils gleich der auf die Kolbenstange
1 ausgeübten Kraft ist, bleibt diese mit dem Hauptkolben 2 stehen. Der Schieber
26 kann jetzt, wenn erwünscht, in die mittlere Stellung gebracht werden. Die erreichte
Stellung der Kolbenstange 1 bleibt dann blockiert, weil sie sich nicht weiter herunterbewegen
kann und das Zurückbewegen des Hauptkolbens 2 nach oben durch die Rückschlagventile
35 und 42 verhindert wird.
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Zum Heraufbewegen der Kolbenstange 1 muß der Schieber 26 in die obere
Stellung geschoben werden (F i g. 4). Dadurch wird die Leitung 28 mit der Zufuhr
30 und die Leitung 27 mit der Rückleitung 29 verbunden. Das Druckmittel hat nun
über die Leitungen 28 und 31 Zutritt zum Kanal 22 und über die Leitung 32 und den
Drosselteil des kombinierten Ventils 33 bei reduziertem Druck Zutritt zur Leitung
34. Der Riegel des entriegelbaren Rückschlagventils 35 wird dadurch entriegelt,
so daß das Druckmittel aus der oberen Zylinderkammer über den Kanal 21, das entriegelte
Rückschlagventil 35 und die Leitungen 38 und 27 nach der Rückleitung 29 entweichen
kann. Das Druckmittel hat über die Leitung 34 und das Rückschlagventil36 weiter
Zutritt zum Kanal 23.
Abhängig von der durch die Kolbenstange 1 erreichten
unteren Endlage kann die Mündung des Kanals 23 im Zylinderraum zwischen dem Hilfskolben
10
und dem Steuerschieber 15 verschlossen sein oder nicht, was aber für die
Wirkung der Vorrichtung gleichgültig ist, weil bei geöffneter Mündung des Kanals
23 das dem Zylinderraum zugeführte Druckmittel über den Durchgang zwischen dem ,Steuerschieber
15 und der Kolbenstange 1 wieder aus diesem Raum entweichen kann. Es kommt dann
in den Raum zwischen dem Steuerschieber 15 und dem Hauptkolben 2, der über den Kanal
24, das Rückschlagventil 41 und die Leitungen 39 und 27 mit der Rückleitung verbunden
ist. Der Kanal 25 ist durch das Rückschlagventil 40 verschlossen.
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Das Druckmittel, das über den Kanal 22 unter den Hilfskolben 10 gelangt,
wird diesen heraufbewegen, bis dessen Abstandsring 13 gegen den Steuerschieber 15
stößt. Das Druckmittel, das gegebenenfalls über den Kanal 23 unter den Steuerschieber
15 gelangt, kann auch dann noch nach dem Raum über dem Steuerschieber 15 entweichen,
und zwar über die öffnungen, die zu diesem Zweck im Abstandsring 13 angeordnet sind.
Der Hilfskolben 10 mit dem Abstandsring 13 und der Steuerschieber 15 bewegen sich
nun als ein Ganzes nach oben, bis der Dichtungsring 17 sich gegen die Unterseite
des Hauptkolbens 2 legt, so d'aß der Hilfskolben 10, der Steuerschieber 15 und der
Hauptkolben 2 mechanisch gekuppelt sind. Der Druckmitteldurchgang vom Kanal 23 über
den Raum um die Kolbenstange 1 zum Kanal 24 wird dadurch verschlossen, so daß der
volle Druck nun auf den Hauptkolben 2 übertragen wird. Da die ringförmige Oberfläche
des Hilfskolbens 10 beträchtlich größer als die Fläche der Oberseite des Hauptkolbens
2 sein kann, kann die Kraft, die jetzt auf die Kolbenstange 1 ausgeübt wird, beträchtlich
größer sein als die Kraft, die am, Ende des Schließhubes auf die Kolbenstange 1
ausgeübt wurde. Der Verschlußteil eines Ventils wird nun von seinem Sitz hinwegbewegt,
wobei sich die Kolbenstange 1 mit dem Steuerschieber 15 und dem Hilfskolben 10 zusammen
nach oben bewegt. Sobald bei der Bewegung der genannten Teile nach oben die Mündung
des Kanals 24 durch den Steuerschieber 15 verschlossen wird, wird der Abfluß aus
dem Zylinderraum zwischen dem Steuerschieber 15 und dem Hauptkolben 2 blockiert,
so daß in diesem Raum ein Druck aufgebaut wird, der die mechanische Kupplung des
Steuerschiebers 15 mit dem Hauptkolben 2 löst. Auf den Hauptkolben 2 wirkt jedoch
noch immer das Druckmittel über den ringförmigen Raum zwischen der Kolbenstange
1 und dem Steuerschieber 15 und auch über den mechanisch mit demselben gekuppelten
Hilfskolben 10, der das Druckmittel in dem Raum zwischen Hauptkolben, 2 und Steuerschieber
15 zusammendrückt. Der Steuerschieber 15 kommt nun gegen Vorsprünge der Unterkante
des Zylinders 4 und bleibt in einer Stellung stehen, in der er den Abfluß über den
Kanal 24 blockiert (F i g. 6 und 7). Der Hauptkolben 2 mit der Kolbenstange 1 wird
jedoch durch den Druck des über 23 zugeführten Druckmittels langsam weiter nach
oben bewegt (F i g. 7). Wenn die Kolbenstange 1 in ihrer oberen Endlage angekommen
ist, kann man den Schieber 26 wieder in die mittlere Stellung bringen, so daß die
Lage der Kolbenstange 1 blockiert bleibt.
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Mit Hilfe des Drosselteiles des kombinierten Ventils 33 kann man den
Druck des über den Kanal 23 zufließenden Druckmittels derart regeln, daß ein zu
schnelles Bewegen der Kolbenstange 1 nach oben verhindert wird. Dadurch erreicht
man auch ein geschmeidigeres Einsetzen des Öffnungshubes, weil dann nicht gleichzeitig
der volle Druck an beiden Seiten des Hilfskolbens 10 wirkt.