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Federbelastetes Überdruckventil, insbesondere für Druckräume Die Erfindung
bezieht sich auf ein federbelastetes Überdruckventil, insbesondere für Druckräume.
Nach den Vorschriften der Sicherheitsbehörden darf sich der Druck in Druckspeichern
nicht mehr als 10 % über den Betriebsdruck erhöhen, wenn bei Versagen der mit dem
Druckspeicher in Verbindung stehenden Einrichtung, wie z. B. einer hydraulischen
Steuereinrichtung, die volle Förderung der Druckmittelpumpe über das Überdruckventil
abgeführt werden muß.
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Erfahrungsgemäß tritt bei den üblichen bekannten federbelasteten Sicherheitsventilen,
deren Abschlußkörper zwecks Erzielung eines stabilen Verhaltens bis zur vollen Öffnung
mit einem Drosselkonus ausgerüstet sind, eine Druckerhöhung von wesentlich mehr
als 10 % des Betriebsdruckes auf.
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Federbelastete Sitzventile ohne Drosselkonus erfüllen zwar bei ausreichender
Bemessung der lichten Weite der Durchtrittsöffnung die erwähnte, an die Druckerhöhung
geknüpfte Bedingung, jedoch treten bei diesen Ventilen unzulässige Rüttelschwingungen
auf, die zu gefährlichen Druckschwankungen und unerträglichem Geräusch führen.
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Es sind ferner sogenannte vorgesteuerte Sicherheitsventile bekanntgeworden,
welche die Nachteile der vorerwähnten normalen Sicherheitsventile nicht aufweisen.
Die vorgesteuerten Sicherheitsventile sind z. B. mit einem Differentialkolben ausgerüstet,
dessen größere Kolbenfläche im normalen Betriebszustand in einer sogenannten Gegendruckkammer
durch den Druck des Druckmediums im Schließsinn beaufschlagt ist (»Konstruktion«,
1961, S. 381). Mittels eines auf den gewünschten Überdruck ansprechenden
Hilfssteuerorgans, etwa eines kleinen Indikatorkolbens oder eines Kugelventils,
wird entweder die Verbindung zur Gegendruckkammer unterbrochen oder die Gegendruckkammer
mit dem Ablauf verbunden oder auch beide Maßnahmen gleichzeitig durchgeführt, so
daß nur noch die kleinere Kolbenfläche des Differentialkolbens, und zwar im Öffnungssinn,
beaufschlagt wird und damit das Ventil völlig öffnet.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß das relativ kleine Hilfssteuerorgan
immer wieder zu Beanstandungen Anlaß gibt, da es schon bei geringster Verschmutzung
zu Störungen neigt.
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Es ist weiterhin ein Sicherheitsventil bekannt, bei welchem nach einem
eine Überdeckung einer Steuerkante überfahrenen geringen Teilhub eine Differenzfläche
eines Differentialkolbens beaufschlagt wird (USA.-Patentschrift 2 594 626). Dieses
Ventil hat jedoch den Nachteil, daß die Geschwindigkeit, mit welchem es öffnet oder
schließt, nicht variiert werden kann. Besonders beim Schließen kann der Druck weit
unter den Solldruck absinken, was unerwünschte Energieverluste zur Folge hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Überdruckventil zu schaffen, bei
welchem die Drucksteuerung im Druckraum bei allein vom Überdruckventil aufzunehmender
voller Förderung der Druckpumpe nicht mehr als 10% beträgt und welches die erwähnten
Nachteile der bekannten Ventile nicht hat.
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Bei einem federbelasteten Überdruckventil, insbesondere für Druckräume,
dessen Verschlußstück als Differentialkolben ausgebildet ist und eine Steuerkante
zur Steuerung des die Differenzfläche des Kolbens beaufschlagenden Druckes aufweist,
wird dieses Problem nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine mit einer Drosselstelle
versehene Leitung vorgesehen ist, die einerseits mit dem Druckraum, andererseits
mit einem durch die Differenzfläche des Verschlußstückes begrenzten Raum in durch
die Steuerkante gesteuerter oder in ständiger Verbindung steht, wobei der Raum seinerseits
über eine Drosselbohrung in ständiger bzw. in durch die Steuerkante gesteuerter
Verbindung mit einem Raum niedrigeren Druckes als in dem durch die Differenzfläche
begrenzten Raum steht.
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Dabei ist vorzugsweise die Steuerkante einer als Durchlaßöffnung (Ein-
oder Auslaß) für das Druckmedium dienenden Ringnut zugeordnet.
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Ein nach der Erfindung ausgebildetes Überdruckventil öffnet zunächst
bis zu einem bestimmten Hub wie ein normales Ventil mit stabiler Charakteristik.
Dabei reicht diese erste Voröffnungsphase in der Regel nicht aus, um die volle von
der Druckmittelpumpe geförderte Druckmittelmenge abzuführen. Nach Zurücklegung eines
bestimmten Öffnungsweges beim Wirksamwerden der resultierenden größeren Kolbenfläche
führt das Ventil ganz plötzlich einen zusätzlichen Hub im Öffnungssinn aus, wodurch
bei dem im Zeitpunkt dieser plötzlichen Hubbewegung herrschenden Überdruck eine
ebenso plötzliche Ver-
Größerung des Abströmquerschnittes erzielt
wird. Auf Grund dieser Ausbildung erhält man ein völlig stabiles Verhalten des Ventils
in dieser zweiten öffnungsphase, und es treten keinerlei Rüttelschwingungen bzw.
störende Geräusche auf. Durch entsprechende Dimensionierung der Durchflußquerschnitte
ist es ohne Schwierigkeiten möglich, der Gestellten Bedingung zu genügen, daß die
Drucksteigerung nicht 1001o des Betriebsdruckes übersteigen darf, wenn bei überschreiten
des Betriebsdruckes die volle Förderung der Druckpumpe allein über das Überdruckventil
abgeführt wird.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des überdruckventils nach der Erfindung
besteht darin, daß beim Schließvorgang, d. h., wenn die auf den Kolbenschieber im
Öffnungssinn wirkende vom Druckmittel herrührende resultierende Kraft kleiner als
die im Schließsinn wirkende Federkraft wird, nach Ausführung eines entsprechenden,
die zweite Öffnungsphase rückgängig machenden Teilhubes im Schließsinn, die durch
das Druckmittel im Öffnungssinn beaufschlagte Kolbenfläche sich plötzlich verringert
und dadurch das Ventil mit Sicherheit ruckartig geschlossen wird.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung dient als gesteuerte
Kolbenfläche die als Ringfläche ausgebildete Differenzfläche zwischen der Querschnittsfläche
der Kolbenteile mit größerem und kleinerem Durchmesser.
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Wenn die mit einer Drossel versehene Leitung aus dem Druckraum mit
dem durch die Differenzfläche begrenzten Raum in durch die Steuerkante gesteuerter
Verbindung steht, dann steht also zunächst nur die Stirnfläche des Kolbens mit kleinerem
Durchmesser unmittelbar mit dem Druckraum in Verbindung, während z. B. die die Differenzfläche
zwischen dem kleinen und dem großen Kolbendurchmesser darstellende Kolbenringfläche
erst nach Ausführung eines bestimmten Hubes zusätzlich im Öffnungssinn beaufschlagt
wird. Erst dann wird als im öffnungssinn resultierende Kolbenfläche die Summe der
kleinen Stirnfläche und dieser Ringfläche wirksam, welche gleich der Kolbenfläche
des Kolbens mit großem Durchmesser ist.
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Stellt diese Leitung jedoch eine ständige Verbindung zwischen diesen
Räumen her, dann steht zwar von vornherein die Stirnfläche des Kolbens mit dem größeren
Durchmesser unmittelbar mit dem Druckraum in Verbindung, aber die zwischen großem
und kleinem Kolbendurchmesser gebildete Ringfläche, d. h. die Differenzfläche, ist
in diesem Fall in Geschlossenstellung und während der ersten Hubphase im Schließsinn
druckbeaufschlagt, so daß durch das Druckmittel nur eine dem kleineren Kolbendurchmesser
entsprechende resultierende Fläche im öffnungssinn beaufschlagt ist. Nach Ausführung
eines bestimmten Kolbenhubes wird dann diese Ringfläche plötzlich vom Druck des
Druckmittels nach Maßgabe des Verhältnisses der beiden Drosselquerschnitte zueinander
entlastet, so daß dann als im öffnungssinn resultierende druckmittelbeaufschlagte
Fläche die Querschnittsfläche des Kolbens mit größerem Durchmesser wirksam wird.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand zweier Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Darin zeigt F i g. 1 im Längsschnitt ein Überdruckventil, bei welchem
die Stirnfläche des Kolbenteiles mit kleinerein Durchmesser des als Differenzkolben
ausgebildeten Kolbenschiebers unmittelbar mit dem Druckraum in Verbindung steht,
und F i g. 2 im Längsschnitt eine andere Ausführungsform des Ventils, bei welchem
die Stirnfläche des Kolbenteiles mit größerem Durchmesser unmittelbar mit dem Druckraum
in Verbindung steht.
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Bei der Ausführung gemäß F i g. 1 ist im Ventil-P Cr häuse 1 ein als
Differenzkolben ausgebildeter Kolbenschieber längsverschiebbar gelagert. Der Zylinderraum
3 ist unmittelbar an den nicht dargestellten Druckraum angeschlossen, so daß die
Kolbenkreisfläche F1 des Kolbenteils 2' mit kleinerem Durchmesser ständig urmittelbar
druckmittelbeaufschlagt ist. Der hierdurch im Öffnungssinn auf den Kolbenschieber2
einwirkenden Kraft wirkt eine Feder4 entgegen, deren Federkraft mittels der Verstellschraube5
einstellbar ist. überschreitet der auf die Fläche F1 wirkende Druck einen der Federkraft
entsprechenden Wert, dann beginnt sich das Ventil zu öffnen, und der Drosselkonus
6 gibt einen in den Ringraum 7 führenden Ringquerschnitt frei, durch welchen das
Druckmittel in die ins Freie bzw. zum Rücklauf zur Druckmittelpumpe führende Öffnung
8 abströmt. Wenn eine Größere Menge Druckmittel durch die Druckmittelpumpe gefördert
wird als abströmen kann, dann öffnet das Ventil auf Grund des zunehmenden Druckmitteldruckes
immer weiter; bis die Kante 9 des Kolbenschiebers 2 die überdeckung 10 überfahren
hat und dadurch der bisher drucklose Zylinderraum 12 mit dem Ringraum 11 verbunden
ist, der über eine Verbindungsleitung 13 mit einem Drosselglied 14 an den Raum 3
und damit an den Druckraum angeschlossen ist. Somit wird nach überfahren der überdeckung
10 die Ringfläche F2 des Kolbenschiebers 2 ebenfalls im Öffnungssinn beaufschlagt,
so daß der Druckmitteldruck plötzlich auch auf die Fläche F, und damit insgesamt
auf die resultierende Summe der Flächen F, -I- F2 des Kolbenschiebers 2 wirksam
wird, wodurch ein ruckartiges vollständiges Öffnen des Ventils erfolgt. Das über
die Drossel 14 in den Zylinderraum 12 zuströmende Druckmittel fließt über eine Drosselstelle
15 durch eine Öffnung 16 im Gehäuse 1 ins Freie bzw. in den Rücklauf zur Druckmittelpumpe
ab.
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Der Schließvorgang findet in analoger Weise in umgekehrter Folge statt.
Wenn der Druck im Druckraum so weit gesunken ist, daß die Federkraft der Feder 4
größer wird als die auf Grund der Druckbeaufschlagung auf die resultierende Fläche
F1 -f- F2 im Öffnungssinn wirkende Kraft, beginnt das Ventil zu schließen. In dem
Augenblick, in dem der Ringraum 11 durch den Kolbenschieber 2 wieder abgesperrt
wird, verringert sich die druckbeaufschlagte resultierende Kolbenfläche plötzlich
um den Wert F2, was ein ruckartiges kräftiges Schließen des Ventils zur Folge hat.
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Mit 17 ist eine schematisch dargestellte Vorrichtung zum manuellen
Anlüften des Ventils bezeichnet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 ist die
Stirnfläche des Kolbenteiles 2" mit größerem Durchmesser des als Differenzkolben
ausgebildeten Kolbenschiebers 2 dem Zylinderraum 3 zugewendet, der unmittelbar mit
dem Druckraum in Verbindung steht. Der der kreisringförmigen Kolbenfläche F2 zugeordnete
Zylinderraum 12 ist über die Drossel 18 und Verbindungsleitung 19 im Kolbenschieber
2 mit dem Zylinderraum 3 und somit dem Druckraum verbunden,
so daß
in Geschlossenstellung des Ventils und während der ersten Öffnungsphase die Kolbenfläche
F, ständig im Schließsinn druckbeaufschlagt ist. In Geschlossenstellung und
während der ersten Hubphase ist also im öffnungssinn nur eine der Fläche F1 entsprechende
resultierende Kolbenfläche druckbeaufschlagt.
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Wird im Fall des Ansprechens des Ventils nach Ausführung der ersten
Hubphase von der am Kolbenschieber 2 ausgebildeten Steuerkante 20 die überdeckung
10 überfahren, dann wird eine Verbindung zwischen dem Zylinderraum 12 und dem Ringraum
11 hergestellt, der über eine Verbindungsleitung 21 und Drosselglied 22 mit der
freien Atmosphäre bzw. dem Rücklauf zur Druckmittelpumpe verbunden ist. Damit wird
der im Schließsinn wirkende Druckmitteldruck auf die Ringfläche F., abgebaut, so
daß nunmehr die gesamte dem Zylinderraum 3 zugewendete resultierende Zylinderfläche
F1 + F2 im Öffnungssinn plötzlich wirksam wird, was ein ruckartiges vollständiges
öffnen des Ventils zur Folge hat. Das Ventil bleibt so lange offen, bis die im öffnungssinn
wirkende vom Druckmittel herrührende Kraft kleiner als die im Schließsinn wirkende
Federkraft geworden ist. Das Ventil beginnt zu schließen. In dem Augenblick, in
dem die Verbindung zwischen dem Ringraum 11 und Zylinderraum 12 wieder unterbrochen
wird, baut sich im Zylinderraum 12 wiederum der Druckmitteldruck auf, so daß das
Druckmittel im öffnenden Sinn plötzlich nur noch auf die resultierende Fläche F1
wirksam ist. Hierdurch wird ein ruckartiges kräftiges Schließen des Ventils herbeigeführt.
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In beiden Ausführungsbeispielen hat man es durch geeignete Wahl der
der Drosselquerschnitte 14 und 15 bzw. 21 und 22 in der Hand, bei gegebener Federcharakteristik
der Feder 4 die öffnungsgeschwindigkeit und das Ausmaß der öffnung des Ventils während
der zweiten Hubphase festzulegen, wobei jedoch auf den Rückstell-bzw. Schließdruck
Rücksicht zu nehmen ist.