DE1264908C2

DE1264908C2 - Ueberdruckventil, insbesondere fuer hohe druecke

Info

Publication number: DE1264908C2
Application number: DE1962B0068786
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 4330 Mülheim; Neeff Joachim Dipl.-Ing. 4630 Bochum Hertel
Original assignee: Bochumer Eisenhütte Heintzmann & Co., 4630 Bochum
Priority date: 1961-10-25
Filing date: 1962-09-10
Publication date: 1976-03-18
Also published as: NL296090A; GB1042500A; DE1264908B; AT285261B; NL284181A; LU40753A1; DE1258224C2; BE624042A; DE1258224B; GB1009755A; NL130143C

Description

Gegenstand des Patents 12 58 244 bildet ein Überdruckventil, insbesondere für hohe Drücke, dessen Absperrkörper vom Druckmitteldruck im öffnungssinn

und durch mindestens ein Federelement im Schließsinn belastet ist, welches als aus einem kautschukartigen Werkstoff bestehender Formkörper ausgebildet ist und sich dadurch kennzeichnet, daß der Formkörper aus einem cau*.»»» "«'""· —.— ^^^χ>·.^.ι^ jnuMum.saii 3 Elastomer besteht, welches eine Shore-Härte A von mindestens 80° und ein Elastizitätsmodul (bei Zimmertemperatur) von mindestens 100 kg/cm² besitzt. unJ daß der Formkörper zur möglichst weitgehenden Verringerung bzw. Vorwegnahme seiner Restverformung bis weit über seine im normalen Betrieb auftretende Druckbeanspruchung vorgepreßt ist. Die Erfindung der Hauptpatentanmcldmig beruht auf der Erkenntnis, daß aus der überaus großen Anzahl der gummiartigen Werkstoffe sowie aus der immer noch sehr großen Zahl der kautschukartigen Kunststoffe ein sehr kleiner Teil, nämlich diejenigen Elastomere, die extrem hart und besonders strukturfest sind sowie eine Shore-Härte A von mindestens 80° und einen Elastizitätsmodul (bei Zimmertemperatur) von mindestens 100 kg/cm- besitzen und die ferner zur möglichst weitgehenden Verringerung bzw. Vorwegnahme ihrer Restverformung bis weit über ihre im normalen Betrieb auftretende Druckbeanspruchung vorgepreßt worden sind, völlig überraschende und nicht vorhersehbare Federungseigenschaften aufweisen, die sie für die Herstellung von Ventil-Federkörpern hervorragend geeignet erscheinen lassen. Um zu dieser Erkenntnis zu gelangen, war es zunächst erforderlich, aus der außerordentlich großen und selbst von einem hervorragenden Fachmann nicht mehr zu übersehenden Vielzahl von gummiartigen Werkstoffen und der kaum geringeren Anzahl von kautschukartigen Kunststoffen diejenige außerordentlich kleine Gruppe herauszufinden, die sich — *^pas weder zu erwarten noch vorherzusehen war — in ganz besonderer Weise für den der Erfindung des Hauptpatents zugrunde liegenden besonderen Zweck eignet. Außerdem bedurfte es noch der Erkenntnis, daß der aus der allein in Frage kommenden engbegrenzten kleinen Kunststoffgruppe bestehende und ganz speziel-Ie Eigenschaften aufweisende Federkörper bis. weit über seine im normalen Betrieb auftretende Druckbeanspruchung vorgepreßt werden muß, um seine Restverformung möglichst weitgehend zu verringern bzw. völlig vorwegzunehmen.

Durch eine derartige Vorpressung des Kunststoff-Formkörpers erhält dieser eine im Dauerbetrieb mit hinreichend großer Genauigkeit gleichbleibende Federcharakteristik, so daß das nut einem solchen Kunststoff-Federkörper ausgerüstete Ventil eine über seine gesamte Einsatzzeit gleichbleibende öffnuiigscharakteristik besitzt. Auch verhältnismäßig harte kautschukartige Kunststoffe würden ohne die Vorpressung des Formkörpers gemäß der Hauptpatentanmeldung nach dem Ansprechen des Ventils eine gewisse Restverformung aufweisen, die nicht nur eine starke Hysteresis des aus Kunststoff bestehenden Federkörpers, sondern außerdem eine laufende Veränderung der Öffnungscharakteristik bzw. ein fortschreitendes Absinken des Öffnungsdruckes zur Folge hätte, was derart aiisgebildete Ventile für alle Anwendungszwecke, bei denen es auf die Einhaltung eines ständig gleichbleibenden Ansprechdruckes ankommt, unbrauchbar machen würde. Diese äußerst nachteilige Wirkung tritt naturgemäß in noch weitaus stärkerem Maße ein, sofern man den (λ Federkörper des Ventils aus einem der üblichen kautschukartigen Kunststoffe mit mittlerer Shore-Härip A von etwa 20 bis 60" herstellt. Bei derartigen Kunststoffen lassen sich diese nachteiligen Eigenschaften auch durch eine etwaige Vorpressung des Formkörpers nicht beseitigen. Bei einem aus Gummi bestehenden Formkörper wäre eine solche Vorpressung zur möglichst weitgehenden Vorwegnähme der Restverformung überhaupt nicht möglich, da hierzu die Strukturfestigkeit von Gummi bei weitem nicht ausreicht.

Lediglich bei extrem harten und besonders strukturfesten Elastomeren mit einem Shore-Härtegrad von mindestens 80° Shore A und einem Elastizitätsmodul von mindestens 100 kg/cm² (bei Zimmertemperatur) läßt sich die Restverformung so weitgehend verringern, daß sie praktisch als vorweggenommen angesehen werden kann. Die Folge hiervon ist, daß der Kunststoff-Federkörper bei den beim Ansprechen des Ventils auftretenden hohen Druckbelastungen — und zwar auch bei einem sehr häufigen Ansprechen — keinerlei bleibende Verformung mehr erfährt.

Ein gemäß dem Hauptpatent ausgebildetes, aus Kunststoff bestehendes Federelement besitzt gegenüber den bekannten, insbesondere aus Stahl bestehenden Ventilfedern den Vorteil einer wesentlich einfacheren und um ein Vielfaches billigeren Herstellung, da ein derartiger aus Kunststoff bestehender Formkörper beispielsweise durch Pressen, Spritzen, Schleudern oder Gießen hergestellt werden kann und im Gegensatz zu den bekannten Metallfedern keinerlei nachträglicher Oberflächenbearbeitung bedarf. Infolgedessen belaufen sich die Herstellungskosten des Ventils nach dem Hauptpatent bei gleichem Ansprechdruck und gleichem Öffnungsquerschnitt nur auf einen kleinen Bruchteil, beispielsweise etwa ein Zehntel, der Herstellungskosten eines mit einer metallischen Schließfeder ausgerüsteten Überdruckventil, so daß schon allein aus diesem Grund die Hauptpatenianmeldung eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bekannten Überdruck- und Sicherheitsventilen mit sich bringt. Trotz dieser wesentlich geringeren Herstellungskosten sind jedoch die Federungseigenschaften des bei dem Überdruckventil nach dem Hauptpatent verwendeten Kunststoff-Federkörpers wesentlich günstiger und besser als die der bekannten metallischen Schließfedern.

Des weiteren weist das Ventil nach dem Hauptpatent gegenüber den bekannten Überdruck- und Sicherheitsventilen den Vorteil eines wesentlich einfacheren Aufbaus und einer geringeren Zahl von Einzelteilen auf, was deren Zusammenbau bzw. deren laufende Überwachung und Wartung erheblich vereinfacht und überdies eine weitere Minderung der Herstellungskosten zur Folge hat. Der aus einem extrem harten und besonders strukturfesten Elastomer bestehende Federkörper ist weitgehend unempfindlich gegen aggressive Flüssigkeiten, gegen öl, Basen und Säuren, so daß seine Federcharakteristik auch unter ungünstigen bzw. rauhen Arbeitsbedingungen, wie sie beispielsweise in für den Untertagebetrieb bestimmten hydraulischen Grubenstempeln gegeben sind, durch derartige Einflüsse praktisch keinerlei Veränderung erfährt. Da bei einem olchen aus einem besonders harten und strukturfesten Elastomer bestehenden Formkörper im Gegensatz zu den meist aus mehreren übereinander angeordneten Tellcrfcdcrn bestehenden Schließfedern der bekannten Ventile lediglich eine gewisse innere Walkarbeit, jedoch praktisch keinerlei äußere Reibung eintritt, wird auch die bei den bekannten Ventilen unvermeidliche Veränderung der öffnungscharaktcnstik des Ventils durch Korrosion und Abrieb der Federelemente

vermieden, so daß sich eine über sehr lange Betriebszeiten praktisch gleichbleibende Öffnungscharakteristik und damit eine gegenüber den bekannten Ventilen um ein Vielfaches längere Lebensdauer ergibt.

Schließlich zeichnet sich das Ventil nach dem Hauptpatent noch durch ein gegenüber den bekannten, durch metallische Schließfedern belasteten Überdruckventilen wesentlich geringeres Gewicht sowie durch erheblich kleinere Abmessungen aus, was vor allem für seine Verwendung bei transportablen Gegenständen, wie z. B. hydraulischen Grubenstempeln für den untertägigen Grubenbetrieb, von besonderer Bedeutung ist.

Ein weiteres Merkmal des Hauptpatents besteht darin, daß der Formkörper eine im wesentlichen zylindrische oder prismatische Grundform aufweist. Dabei wird der Formkörper im allgemeinen als homogener Vollkörper ausgebildet, was den Vorteil hat. daß ein derartiger Formkörper außerordentlich leicht und billig, beispielsweise durch Strangpressen, Gießen oder Spritzen, gegebenenfalls in Form eines endlosen Stranges, hergestellt werden kann, der anschließend durch einen einfachen Schneidvorgang unterteilt und auf die jeweils erforderliche Länge zurechtgeschnitten wird. Der Formkörper wird dabei im allgemeinen in bezug auf die Öffnungsrichtung des Ventils rotationssymmetrisch ausgebildet.

Gemäß einem weiteren Merkmal des Hauptpatents werden für den Formkörper in erster Linie kautschukartige Kunststoffe mit einer Shore-Härte A von Vorzugsweise etwa 95° verwendet. Dabei soll der Elastizitätsmodul derartiger kautschukartiger Kunststoffe (bei Zimmertemperatur) vorzugsweise etwa 800 bis 1000 kg/cm² betragen. Die bislang gebräuchlichen kautschukartigen Kunststoffe besitzen demgegenüber eine wesentlich geringere Shore-Härte sowie einen wesentlich geringeren Elastizitätsmodul.

Als für die Herstellung derartiger Formkörper besonders geeignet haben sich alterungsbeständige und abriebfeste Polyurethan-Kautschuke mit einer Shore-Härte von etwa 95° Shore A erwiesen. Derartige extrem harte Polyurethan-Kautschuke zeichnen sich nicht nur durch einen besonders hohen, von Temperaturänderungen relativ unabhängigen Elastizitätsmodul von etwa 1000 kg/cm² aus, sondern haben darüber hinaus den Vorteil einer sehr geringen Hysteresis und sind außerdem außerordentlich beständig gegen aggressive Medien, öl, Benzin und Sauerstoff. Schließlich zeichnen sich derartige extrem harte Polyurethan-Kautschuke auch durch eine sehr hohe Abriebfestigkeit und Strukturfestigkeit aus, während sie andererseits leicht im Preß-, Gieß- oder Schleudergußverfahren zu verarbeiten sind.

Ein weiteres Merkmal des Hauptpatents besteht darin, daß der Formkörper bis mindestens auf das Doppelte seiner beim Ansprechdruck auftretenden Druckbeanspruchung vorgepreßt wird. Insbesondere bei Formkörpern, die in Öffnungsrichtung des Ventils größere Abmessungen besitzen als quer dazu, erfolgt die Vorpressung zweckmäßig in der Weise, daß der Formkörper in Richtung der im Betrieb auftretenden Druckbeanspruchung um etwa 20% gegenüber seiner Ausgangslänge in dieser Richtung zusammengepreßt wird. Durch eine solche Vorpressung erhält man einen Federkörper, der nahezu hysteresisfrei ist und bei einem auch bei längerer Einsatzdauer praktisch unveränderten Druckmitteldruck öffnet und schließt.

Das Überdruckventil nach dem Hauptpatent wird erfindungsgemäß dadurch weiter verbessert, daß der Formkörper mit seitlichem Spiel in einer in an sich bekannten Weise nicht unter dem Zuflußdruck stehenden Ventilkammer angeordnet und von mindestens einem unter dem Zuflußdruck stehenden, etwa rohrförmig ausgebildeten Leitungselement durchsetzt ist, welches gegenüber der den Formkörper aufnehmenden Ventilkamtrier abgedichtet ist, und daß der Formkörper vom Zuflußdruck lediglich mittelbar in an sich bekannter Weise über den Absperrkörper des Ventils belastet ist, welcher in gleichfalls bekannter Weise eine vom Zuflußdruck im Öffnungssinn und entgegengesetzt zur Strömungsrichtung belastete Kolbenfläche besitzt, die vorzugsweise wesentlich kleiner bemessen ist als der Zufluß- und/oder Abströmquerschnitt des Ventils.

Während in den Fällen, in denen der Absperrkörper in Abströmrichtung des Druckmittels vom Zuflußdruck belastet ist, die vom Zuflußdruck im Öffnungssinn beaufschlagte Fläche des Absperrkörpers mindestens dem Öffnungsquerschnitt des Ventils entsprechen muß, ist es bei einem vom Zuflußdruck entgegengesetzt zur Abströmrichtung des Druckmittels im Öffnungssinn belasteten Absperrkörper ohne weiteres möglich, die druckbelastete Fläche des Absperrkörpers wesentlich kleiner zu halten. Bei einem derartigen sich entgegengesetzt zur Abslrömrichtung des Druckmittels öffnenden Ventil ist die Größe des Abströmquerschnittes des Ventils völlig unabhängig von der vom Zuflußdruck im Öffnungssinn belasteten Fläche des Absperrkörpers, so daß es auch bei einer vergleichsweise kleinen vom Zuflußdruck im Öffnungssinn belasteten Fläche des Absperrkörpers ohne weiteres möglich ist, einen ausreichend großen Abströmquerschnitt für das abfließende Druckmittel vorzusehen. Durch die erfindungsgeniäß vorgeschlagene Ausbildung des Überdruckventils ergeben sich besondere Vorteile bei sehr hohen Druckmitteldrücken, wie sie beispielsweise in hydraulischen Grubenstempeln und sonstigen hydraulischen Ausbauelementen für den untertägigen Grubenbetrieb vorhanden sind. Auch bei einem Druckmitteldruck von mehreren hundert Atmosphären ist es bei dem Überdruckventil nach der Erfindung ohne weiteres möglich, die auf den Absperrkörper vom Zuflußdruck im Öffnungssinn ausgeübte Kraft sehr gering zu halten, so daß eine entsprechend klein bemessene Federkraft ausreicht, um den Absperrkörper im Schließsinn zu belasten. So ist es beispielsweise möglich, die vom Zuflußdruck im Öffnungssinn belastete Fläche des Absperrkörpers nur etwa ein Zehntel so groß zu machen, wie es bei den üblichen, sich in Abströmrichtung des Druckmittels öffnenden Überdruckventilen dei Fall ist. Dies hat naturgemäß den Vorteil, daß der der Absperrkörper im Schließsinn belastende, aus Kunst stoff bestehende Federkörper eine wesentlich kleinen Schließkraft aufzubringen braucht und entsprechenc kleiner und leichter dimensioniert werden kann. Di« gegenüber den üblichen sich in Abströmrichtung de: Druckmittels öffnenden Überdruckventilen wesentlicl geringeren, den Absperrkörper im Öffnungssinne sowii im Schließsinn belastenden Kräfte führen ferner zi einem wesentlich feinfühligeren Arbeiten bzw. Anspre chen des Überdruckventils. Außerdem werden hier durch selbst bei sehr hohen Druckmitteldrucken von 40 bis 600 Atmosphären jegliche Flattererscheinungen de Absperrkörpers in der Nähe des Ansprechdrucke vermieden.

Während bei den sich in Abströmrichtung de Druckmittels öffnenden Ausführungsformen des Übei

ύ>

druckventil nach dem Hauptpatent der als Federelemente dienende, aus einem extrem harten und besonders strukturfesten Elastomer bestehenden Formkörper sich auf der Abflußseite der Ventilöffnung befindet, ist dieser bei dem erfindungsgemäß vorgesL'hlagencn Ventil auf der Zuflußseite der Ventilöffnung angeordnet. Würde man auf diesen aus einem F.lastomci besiehenden Formkörper allseitig den Zuflußdruck des Druckmittels einwirken lassen, so würde er weitgehend seine Federungseigensehaften verlieren, bzw. seine Federcharakteristik würde von dem jeweils auf ihn einwirkenden Zuflußdruck abhängig sein. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, den aus einem Elastomer bestehenden Formkörper in einer nicht unter dem Zuflußdruck stehenden Venlilkamtner so anzuordnen, daß er vom Zuflußdruck lediglich mittelbar über den Absperrkörper des Ventils beiastet ist. Mit anderen Worten, es ist erforderlieh, den Zuflußdruck insbesondere von den Seitenwandungen des Formkörpers fernzuhalten und jegliche unerwünschte bzw. nachteili ge Beeinflussung der Federungseigensehaften dieses l'ormkörpcrs durch den Zuflußdruck zu vermeiden. Bei dem crfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil kann sich der vom Zuflußdruck ausschließlich im Öffnungssinn des Absperrkörpers belastete Formkörper bei 2s Überschreiten des Ansprechdruckes frei verformen bzw. seitlich etwas ausbauchen, so daß die Federcharakteristik des Formkörpers von dem jeweils herrschenden Zuflußdruck völlig unabhängig ist. Außerdem wird bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Überdruck ventil — was insbesondere für die Verwendung desselben im untertägigen Grubenbetrieb von Bedeutung ist — das Druckmittel völlig von dem Elastomer-Formkörper ferngehalten. Infolgedessen können sich irgendwelche im Druckmittel enthaltenen aggressiven Bestandteile in keiner Weise auf den gegen Säuren und Basen gegebenenfalls nicht ganz beständigen Werkstoff des Elastomer-Formkörpers auswirken. Da insbesondere bei hydraulischen Ausbaueinrichtungen für den untertätigen Grubenbetrieb als Druckmittel häutig Wasser, und zwar Grubenwasser, verwendet wird, das in der Regel aggressive Bestandteile, wie z. B. Säuren oder Basen, enthält, ist eine solche Abschirmung des Elastomer Formkörpers für alle Anwendungszwecke des untertägigen Grubenbetriebes von großer praktischer Bedeutung.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils besteht darin, daß nach dem Öffnen des Ventils die Federkraft des Formkörpers und der Strömungsdruck des ausströmenden Druckmittels in derselben Richtung wirken, wodurch das Schließen des Ventils nach dem Absinken des Druckmitteldruckes unter den Ansprechdruck wesentlich beschleunigt wird. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn es darauf ankommt, nach einem Ansprechen des Ventils jegliches noch so geringes Abfallen des Druckmitteldruckes unter den das Öffnen des Ventils bewirkenden Ansprechdruck zu vermeiden und zu erreichen, daß das Ventil nach dem Austreten einer sehr geringen Druckmittelmenge wieder sofort und zuverlässig schließt. Derartige Ventileigenschaften sind gleichfalls besonders wichtig bei hydraulischen Grubenstempeln oder sonstigen hydraulischen Ausbauelementen für den untertägigen Grubenbetrieb, bei denen unter allen Umständen vermieden werden muß, daß der im Druckraum herrschende Druckmitteldruck beim öffnen des Überdruckventils in zu starkem Maße absinkt und der Stempel bzw. das Ausbauelement hierdurch mehr oder weniger drucklos wird.

Fs is! bereits ein Überdruckventil für hydraulische Grubenstempel bekannt, bei welchem als Federelement ein aus Gummi oder einem sonstigen elastischen Werkstoff bestehender Formkörper verwendet wird. Dieser Formkörper ist hülsenförmig ausgebildet und mit dem als Ventilspindel ausgebildeten Absperrkörper sowie einer den Formkörper umschließenden Metallbüchse durch Aufvulkanisieren fest verbunden. Ventilspindeln, Formkörper und Metallbüchse bilden hierbei einen einheitlichen Körper, der in das Ventilgehäuse eingesetzt und in diesem durch eine Schraubkappe gehalten ist. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Überdruckventil ist bei dieser bekannten Bauart der a;is einem elastischen Werkstoff bestehende hülsenförmige Formkörper nicht innerhalb einer Ventilkammer mit seitlichem Spiel gelagert. Des weiteren fehlt das Merkmal, daß der Formkörper von mindestens einem unter dem Zuflußdruck stehenden, etwa rohrförmig ausgebildeten Leitungselement durchsetzt ist. Ferner ist dieses nicht vorhandene Leitungselement nicht gegenüber einer den Formkörper aufnehmenden Ventilkammer abgedichtet. Dieses zum Stand der Technik gehörende Überdruckventil stimmt mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil lediglich insoweit überein, als der hülsenförmige Formkörper vom Zuflußdruck lediglich mittelbar über den Absperrkörper des Ventils belastet ist. welcher seinerseits vom Zuflußdruck entgegengesetzt zur Abströmrichtung des Ventils belastet ist.

Des weiteren gehört ein durch eine metallische Schließfeder im Schließsinn belastetes Überdruckventil zum Stand der Technik, bei welchem der Absperrkörper vom Zuflußdruck entgegengesetzt zur Abströmrichtung des Druckmittels im Öffnungssinn beiastet ist. Die metallische Schließfeder befindet sich hierbei in einer unter dem Zuflußdruck stehenden Ventilkammer, so daß genau die umgekehrten Verhältnisse vorliegen wie bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil. Der Absperrkörper ist bei dieser bekannten Bauari zwar von einer koaxialen Bohrung durchsetzt; jedoch steht diese im Gegensatz zu dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil nicht unter dem Zuflußdruck, sondern ist mit der Abströmseite des Ventils verbunden. Ferner steht bei dieser bekannten Bauart die metallische Schließfeder allseitig unter dem Einfluß des Zuflußdrukkes, so daß auch das weitere Merkmal des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils nicht erfüllt ist, daß der Federkörper vom Zuflußdruck lediglich mittelbar über den Absperrkörper des Ventils belastet is

Würde man die metallische Schließfeder dieses bekannten Überdruckventils durch einen aus elastischem Werkstoff bestehenden Formkörper ersetzen, se würde dieser Formkörper allseitig ständig unter dem Einfluß des Zuflußdruckes stehen, wodurch seine Federungseigensehaften in einer absolut unzulässiger Weise verändert bzw. in solchem Maße beeinträchtigi wurden, daß ein auch nur halbwegs befriedigende; Arbeiten des Ventils nicht zu erreichen ist. Der au« elastischem Werkstoff bestehende Formkörper würd« hierbei eine von der Höhe des jeweiligen Zuflußdrucke! abhängige, mehr oder weniger starke radiale sowie auel· axiale Zusammenpressung erfahren, wodurch die Öffnungscharakteristik dieses Formkörpers in einei völlig unkontrollierbaren Weise verändert würde. Dei Formkörper würde hierbei seine Federungseigenschaf ten weitgehend verlieren, wobei die dann nod verbleibende, im übrigen völlig unbefriedigende und füi

509 612/34:

709

12 ü4908

die Praxis unbrauchbare Federchaiakteristik in Abhängigkeit vorn jeweiligen Zuflußdruck erheblichen Schwankungen unterliegen würde.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsiorm der Erfindung ist das an die Zuflußleitung angeschlossene Leitungselement mit seinem zuflußseitigcn Ende im Ventilgehäuse dichtend befestigt, wahrend auf seinem entgegengesetzten Rndabschnitt ύ·:ν Absperrkörpei längsverschieblich und dichtend gefütut ist. Hierdurch ei halt der Absperrkörper gleichzeitig eine Zentrierung und zuverlässige Führung, so daß ein Verkanten desselben beim öffnen oder Schließen ausgeschlossen und stets ein absolut zuverlässiges und gleichmäßiges Arbeiten des Ventils gewährleistet ist. Statt dessen ist es jedoch auch möglich, den Absperrkörper an dem einen Ende des I eitungselementes dichtend zu befestigen, während sein entgegengesetzter Lndabschnitt in einer an die Zufiußleitung angeschlossenen Bohrung des Ventilgchäuses längsverschieblich und dichtend geführt ist.

Der Formkörper wird zweckmäßig als mit einer axialen Ausnehmung versehener, etwa zylindrischer oder prismatischer Hohlkörper ausgebildet, wobei es sich im allgemeinen empfiehlt, dem Formkörper die Form eines Hohlzylinders von verhältnismäßig großer Wandstärke zu geben. Die Wandstärke des Hohlzylinders wird vorzugsweise etwa entsprechend einem Drittel bis zu einem Fünftel seines Außendurchmessers bemessen, während der Außendurchmesser des als Hohlzylinder ausgebildeten Forinkörpers mindestens gleich, vorzugsweise jedoch um etwa 20 bis 50% größer ist als seine axiale Länge.

An Stelle eines einzelnen Formkörpers können gegebenenfalls auch mehrere untereinander vorzugsweise gleich ausgebildete Teilformkörper von etwa zylindrischer oder prismatischer Grundform vorgesehen werden, welche mit ihren Längsachsen parallel und im seitlichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Teilformkörper werden dabei zweckmäßig etwa gleichmäßig verteilt um das unter dem 7ijf!ußdruck stehende Leitungiclement sowie mit etwa gleichem radialem Abstand zu diesem angeordnet. Im aligemeinen wird man jedoch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ventil mit einem einzelnen, aus einem kautschukartigen Kunststoff mit hoher Shore-Härte und hohem Elastizitätsmodul bestehenden Formkörper ausrüsten.

In den Fällen, in denen der Formkörper aus mehreren Teilformkörpern besteht, empfiehlt es sich, diese Teilformkörper mit deren Stirnseiten gegen gemeinsame Abstützelemente abzustützen, von denen mindestens einer zur Vorspannung der Teilformkörper verstellbar ausgebildet ist. Die Teilformkörper können hierbei mit ihren Stirnseiten mit den Abstützeiementen durch Kleben, Vulkanisieren od. dgl. druck-, schub- und torsionsfest verbunden sein. Selbstverständlich ist es auch bei einem einzelnen, beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildeten Formkörper möglich, diesen entsprechend des Hauptpatents an seinen Stirnseiten mit Abstützelememen druck-, schub- und torsionsfest zu verbinden bzw. wenigstens eines dieser Abstützelemen-Ie verstellbar auszubilden, um den Formkörper vorspannen zu können.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die im Öffnungssinn beaufschlagte Kolbenoberfläche des Abiperrkörpers durch eine sich zum Ventilsitz hin konisch erweiternde Kegelstumpfmantelfläche zu bilden, wobei Abspen körper und Ventilsitz zweckmäßig derart ausgebildet werden, daß der Absperrkörper durch den .Siromungsdruck des abströmenden i »itickmitiels in Schiießsinn belastet wird.

I.ine weitere Verbesserung ergibt sich dadurch, dal der Abspenkörper zusätzlich eine vom Zuflußdrucl <■ ständig im Schiießsinn beaufschlagte Ringoberfläcl« aufweist, die nur um ein geringes Maß kleiner ist alseini vom Zuflußdriick im Öffnungssinn beaufschlagte KoI benflache. Hierdurch ist es möglich, die auf der Absperrkörper im Öffnungssinn einwirkende, durch der

ι« Ziiflußdrijck ausgeübte Kraft besonders gering zi halten, so daß eine entsprechende sehr kleine Feder kraft ausreicht, um den Absperrkörper bis zurr Ansprechdruck in seiner Schließsteilumr zu halten. Au diese Weise kann man beispielsweise die im öffnungs

ι? sinn wirksame Differenz-Kolbcnfläche des Absperrkör pers so klein halten, daß sie sich nur auf einen kleiner Bruchteil, beispielsweise etwa auf ein Zwanzigstel bi! ein r'ünf/.igslel. der Querschnittsfläche des Formkörper; beläuft.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand mehrerei Allsführungsbeispiele veranschaulicht. Es zeigt

I ig. I einen mit einem Ventil nach der Erfindung ausgerüsteten hydraulischen Grubenstempel, teilweise im Schnitt,

F ig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der Fig.lir größerem Maßsi.ib,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 111 -111 der F i g. 2, I· ig. 4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Ventils nach der Erfindung.

Die F-i g. 1 bis 3 veranschaulichen einen Anwendungsfall der I ilindung, bei dem das erfindungsgemäße Überdruckventil in einem hydraulischen Grubenstempel verwendet wird. Der hydraulische Grubenstempel weist die übliche Ausbildung auf, die η der Zeichnung

nur schematisch angedeutet ist. und besteht im wesentlichen aus einem Außenstempel 1, einem Innenstempel 2, einer als Führung für den Innenstempel dienenden, am inneren Ende des Außenstempels vorgesehenen Abschlußkappe 3, einem Kopfstück 4 und

einem Fußsiück 5. Der Innenstempel 2 ist in dem Außenstempel 1 mittels eines Stempelkolbens 6 längsverschieblich und dichtend geführt. Der Stempelkolben 6 weist eine Axialbohrung 7 auf, die die Innenräume 8 und 9 des Außen- und Innenstempels 1

bzw. 2 druckmittelleitend miteinander verbindet, so dafl

nicht nur der Innenraum 8 des Außenstempels 1

sondern auch der größere Teil des Innenraumes 9 des

Innenstempels 2 als Druckraum dient.

Die den Druckräumen 8 und 9 zugeordneten Ventile

sind in einem Ventilgehäuse 10 von im wesentlichen zylindrischer Grundform zusammengefaßt. Das Ventilgehäuse 10 ist zwischen dem Kopfstück 4 und dem Stempelkolben 6 in den Innenstempe! 2 eingeschaltet und mit den beiden rohrförmigen Teilen des Innenstem-

pels 2 durch eine Schraubverbindung 11 lösbar verbunden.

Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, sind innerhalb des Ventilgehäuses 10 sämtliche dem Stempeldruckraum 8,9 zugeordnete Ventile angeordnet, und

zwar in radialer Anordnung sowie um etwa 120° sternförmig zueinander versetzt. Diese Ventile sind das Überdruckventil 12, das Füllventil 13 und das Raubventil «4. Die Ventile 12, 13,14 stehen über Kanäle 15,16,17 mit der Druckmittel- und -ableitung 18 der Druckräu-

me 8, 9 in Verbindung. Die Ventile 13, 14 sind durch übliche Schraubenfedern 19 bzw. 20 in Schließstellung gehaltene Ventile. Die in der Zeichnung nur schematisch angedeutete Vorrichtung für die Betätigung des

2

25

30

Raubventil 14 ist mit 23 bezeichnet.

Im Gegensatz zu den Ventilen Π und 14 ist das Federelemcni des Überdruckventils '2 als aus einem kautschukartigen Kunststoff mit großer Shore-Härte und hohem Elastizitätsmodul bestehender Formkörper s ausgebildet, der bei allen Ausführungsbeispieleii mit 24 b/w. 24;i bezeichnet ist. Als Werkstoi! fur der· Formkörper 24 bzw. 24«i konimcii kaulschukanige. extrem harte Kunststoffe aus der Gruppe der vernetzten Polyurethane, z. B. Vukollanc oder Phoeno- .■..■ lane (eingetragene Warenzeichen) mit einer Shore-Hiirte von 9t Shore A und einem Elastizitätsmodul von etwa 1000 kg/cm², in Frage. Der Kunstsiofiurmkörper

24 weist bei dem Ausfi'ihrungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 üK' Fcirni eines Hohlzylinders von verhältnismäßig großer Wandstärke auf, wobei die Wandstärke des Hohlzylinders etwa einem Viertel des Aullendurchmessers des Hohlzylinders entspricht. Der Außendurchmesser des Hohlzylinders ist bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführung um etwa 25% größer als seine axiale Länge.

Wie insbesondere F i g. 2 erkennen läßt, wird der Formkörper 24 von einem über die Leitungen 15, 18 unter dem Zuflußdruck (Betriebsdruck) stehenden Leitungsclcment 25 durchsetzt, welches gegenüber der den Formkörper aufnehmenden Ventilkammer 26 abgedichtet ist. Das Leitungselemcnt 25 is" rohrförmig ausgebildet und besteht aus el·- in metallischen Werkstoff, z. B. aus rostfreiem Stahl. Das Leitungselement 25 ist mit seinem einem Ende 27 im Ventilgehäuse 26 dichtend mittels Gewinde 28 und Ringschnurdichtung 29 befestigt, während auf seinem entgegengesetzten Endabschnitt der Absperrkörper 30 mittels Kolbenbzw. Dichtungsring 31 längsverschiebiich und dichtend geführt ist.

Der Absperkörper 30 ist von dem durch das ₍j Leitungselement 25 aus den Druckräumen 8, 9 des Grubenstempels herangeführten Zuflußdruck entgegengesetzt zur Abströmrichtung χ des Druckmittels in öffnungsrichtiing y des Ventils belastet. Der Formkörper 24 ist auf der Zuflußseite der Ventilöffnung 15 in der _4C nicht unter dem Zuflußdruck stehenden Ventilkammer 26 in solcher Weise angeordnet, daß er auf dem überwiegenden Teil seiner axialen Länge sowohl gegenüber der Wandung der Ventilkammer 26 als auch gegenüber der Außenwandung des Leitungselementcs ^₅

25 ein radiales Spiel von mindestens 1 bis 2 mm aufweist. Mit 32 ist ein verstellbares Widerlager bezeichnet, das an seiner dem Absperrkörper 30 zugekehrten Stirnseite mit einem scheibenförmigen Einsatz 33 versehen ist, der aus einem ähnlichen Werkstoff wie der Formkörper 24 besteht. Mittels des verstellbaren Widerlagers 32 ist die Vorspannung des Formkörpers 24 und damit der Ansprechdruck des Ventils 12 verstellbar.

Die beiden Stirnseiten des als Hohlzylinder ausgebildeten Formkörpers 24 sind in ringnutartigen Vertiefun- gen des Absperrkörpers 30 bzw. des Abstützclementes 34 gelagert, derart, daß die stirnseitigen Enden des Formkörpers 24 auf einem sehr kurzen Längenabschnitt von beispielsweise 1 bis 2 mm hülsenförmig von dem Absperrkörper 30 bzw. dem Abstützelement 34 umgriffen werden. Die Stirnseiten des Formkörpers 34 werden außerdem zweckmäßig an dem Absperrkörper 30 und dem Abstützelement 34 durch Kleben, Vulkanisieren od. dgl. befestigt.

F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher an Stelle eines einzelnen Formkörpers mehrere untereinander gleich ausgebildete Teilformkörper 24a von etwa zylindrischer Grundform vorgesehen sind, weiche mit ihiei Längsachsen parallel und in seitlichem Abstand zueinander yngeordnet sind. Diese Teilformkörper 24;) sind um das zentrale, unier dem Zuflußdruck stehende Leitungselement 25 gleichmäßig verteilt und angeordnet ijnd stützen sich mit ihrer einen Stirnseite gegen den ■bsperrkörpcr 30 uno mit ihrer anderen Stirnseite gi'g'jn ein für alle Teilformkörper gemeinsames Absiützelemcnt ^4 ab. mit welchem sie durch Kleben, Vulkanisieren od. dgl. druck-, schub- und torsionsl'est verbunden sind.

de Wirkungsweise ties in den Y i g. 1 bis J dargestellten Überdruckventils ist folgende:

Mitteis ties verstellbaren Widerlagers 32 wird zunächst der Druck eingesielh, bei dem das Vcv.il! öffren, d. h. der Absperrkörper 30 von dem scheibenförmigen Einsatz. 33 abheben soll. Der Formkörper 24 v¹ ird dabei je nach der Verstellung des Widerlagers 33 mJir oder weniger stark zusammengepreßt, wodurch dieser den Absperrkörper 30 mit einer entsprechend großen Fecerkraft gegen den Ventilsitz drückt.

Der in den Pnickräumen 8, 9 des Grubenstempels herrschende Druckmitteldruck pflanzt sich über die Leitungen 18 und 15 sowie das rohrförmige Leitungselement 25 bis zu dem durch das verstellbare Widerlager 32 gebildeten Ventilsitz fort. Der Absperrkörper 30 weist ein·; sich zum Ventilsitz hin konisch erweiternde Kegelstumpfmantelfläche 35 auf, die durch den Zuflußdruck, d. h. den in den Druckräumen des Stempels herrschenden Druckmitteldruck, im Öffnungssinn \ des Absperrkörpers 30 belastet ist. Der Außividurchmesscr der Kolbenfläche 35 ist mit D bezeichnet. Außerdem wc;st der Absperrkörper 30 eine weitere Ringkolbenfläche 36 auf. die vom Zuflußdruck ständig im Schließsinn des Ventils, d. h. in Richtung x, belastet ist. Die Ririgkolbenfläche 36. deren Durchmesser mit d bezeichnet ist, ist um ein geringes Maß kleiner bemessen als die vom Druckmitteldruck in Richtung y, d. h. im Öffnungssinn, beaufschlagte Ringkolbenfläche 35, so daß insgesamt gesehen der Absperrkörper 30 durch den Zuflußdruck im Öffnungssinn des Ventils, d. h. in Richtung y. belastet wird, allerdings nur auf einer sehr kleinen Differenzkolbenfläche, die wesentlich kleiner ist als der Zuflußquerschnitl des Ventils, d. h. der Querschnitt der Leitungen 15 und 25, aber auch wesentlich kleiner als der Querschnitt der Abströmöffnungen 37. Gibt man der im Öffnungssinn y wirksamen Differenzkolbenfläche beispielsweise eine Größe von 10 mm-', so genüg* bei einem Druckmitteldruck von 500 Atmosphären eine Federkraft von 50 kg, um den Absperrkörper in seiner Schließstellung zu halten.

Wenn der auf die Differenz der beiden Kolbenflächen 35 und 36 einwirkende Zuflußdruck den durch die Vorspannung des Formkörpers 24 eingestellten Ansprechdruck überschreitet, wird der Absperrkörper 3C in Richtung y unter elastischer Zusammenpressung de; Formkörpers 24 von dem als Ventilsitz dienender scheibenförmigen Einsatz 33 des Widerlagers 3i abgehoben. Das unter Überdruck stehende Druckmitte kann nunmehr in Richtung χ durch das Überdruckventi hindurch abströmen und durch die Abströmöffnungei 37 des verstellbaren Widerlagers abfließen. Bein Abheben des Absperrkörpers 30 wird der Formkörpe 24 in geringem Maße tonnenförmig verformt, ohne dal seine Seitenwandungen jedoch mit der Wandung de Ventilgehäuses 26 oder der des Leitungselementes 25 ii Berührung kommen, da zwischen diesen ein ausreichen des radiales Spiel 38,39 vorgesehen ist

Beim Abströmen des unter Überdruck stehende

709

Druckmittels in Richtung χ wird der Absperrkörper 30 durch den sich ausbildenden Strömungsdruck des abströmenden Druckmittels im Schließsinn, d. h. in Richtung x. belastet. Da sowohl die Federkraft des Formkörpers 24 als auch der Strömungsdruck des abströmenden Druckmittels in Richtung χ wirken, wird ein sehr schnelles Sehließen des Absperrkörpers 30 erreicht, sobald der Druckmitteldruck unter den Ansprechdruck des Ventils abgesunken ist. Das Leitungselement 25 dient hierbei als Zentrierung und Führung für den Absperrkörper 30.
Das erfindungsgemäße Ventil läßt sich nicht nur bei hydraulischen Grubenstempeln, Stützen oder sonstigen hydraulischen Ausbauelementen für den untertägigen Grubenbetrieb anwenden, sondern überall da, wo bei hvdrauschen oder pneumatischen Einrichtungen, Anlagen und Geräten Überdruck- bzw. Sicherheitsventile benötigt werden bzw. eine Überwachung von Druckmitteldrücken erforderlich ist. Beispielsweise läßt es sich unter anderem als Überdruckventil oder Sicherheitsventil für hydraulische Arbeitsmaschinen der verschiedensten Art, z. B. hydraulische Rieht- und Biegepressen, verwenden oder aber für hydraulische Vorschub- oder Hebevorrichtungen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

12 64S08

Patentansprüche:

1- Überdruckventil, insbesondere für hohe Drücke, dessen Absperrkörper vom Druckmitteldruck im öffnungssinn und durch mindestens ein Federelement im Schließsinn belastet ist, welches als aus einem kautschukartigen Werkstoff bestehender Formkörper ausgebildet ist, der aus einem extrem harten und besonders strukturfesten Elastomer besteht, welches eine Shore-Härte A von mindestens 80° und einen Elastizitätsmodul (bei Zimmertemperatur) von mindestens 100 kg/cm² besitzt, wobei der Formkörper zur möglichst weitgehenden Verringerung bzw. Vorwegnahme seiner Restverformung bis weit über seine im normalen Betrieb auftretende Drnckbeanspruchung vorgepreßt ist, nach Patent 12 58 224, dadurch gekennzeichnet, daß *ier Formkörper (24) mit seitlichem Spiel in einer in fin sich bekannter Weise nicht unter dem Zuflußtiruck stehenden Ventilkammer (26) angeordnet und Von mindestens einem unter dem Zuflußdruck ♦tehenden, etwa rohrförmig ausgebildeten Leitungselement (25) durchsetzt ist, welches gegenüber der ilen Formkörper (24) aufnehmenden Ventilkammer

(26) abgedichtet ist, und daß der Formkörper (24) Vom Zuflußdruck lediglich mittelbar in an sich bekannter Weise über den Absperrkörper (30) des Ventils belastet ist, welcher in gleichfalls bekannter Weise eine vom Zuflußdruck im öffnungssinn (y) Und entgegengesetzt zur Strömungsrichtung (x) belastete Kolbenfläche (35) besitzt, die vorzugsweise wesentlich kleiner bemessen ist als der Zufluß-Und/oder Abströmquerschnitt des Ventils.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an die Zuflußleitung (15) angeschlossene Leitungselement (25) mit seinem zuflußseitigen Ende

(27) im Ventilgehäuse (26) dichtend befestigt ist, während auf seinem entgegengesetzten Endab· Schnitt der Absperrkörper (30) längsverschieblich und dichtend geführt ist.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Ende des Leitungselementes (25) der Absperrkörper (30) dichtend befestigt ist. Während sein entgegengesetzter Endabschnitt (27) in einer an die Zuflußleitung (15) angeschlossenen Bohrung des Ventilgehäuses (26) längsverschieblich und dichtend geführt ist.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (24) als mit einer axialen Ausnehmung versehener etwa zylindrischer oder prismatischer Hohlkörper ausgebildet ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (24) die Form eines Hohlzylinders von ve^rhältnismäßig großer Wandstärkebesitzt.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Hohlzylinders (24) etwa einem Drittel bis einem Fünftel seines Außendurch- (₎₀ messers entspricht.

7. Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des als Hohlzylinder ausgebildeten Formkörpers (24) mindestens gleich, vorzugsweise jedoch um etwa 20 bis (,5 50% größer ist als seine axiale Länge.

8. Ventil nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle eines einzelnen Formkörpers (24) mehrere untereinander vorzugsweise gleich ausgebildete Teilformkörper (24a) von etwa zylindrischer oder prismatischer Grundform vorgesehen sind, welche mit ihren Längsachsen parallel und in seitlichem Abstand zueinander angeordnet sind.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilformkörper (24a) etwa gleichmäßig verteilt um das unter dem Zuflußdruck stehende Leitungselement (25) sowie mit etwa gleichem radialem Abstand zu diesem angeordnet sind.

10. Ventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der gegebenenfalls aus mehreren Teilen bestehende Formkörper (24 bzw. 24a) auf dem überwiegenden Teil seiner axialen Länge sowohl gegenüber dem unter dem Zuflußdruck stehenden Leitungselement (25) als auch gegenüber der Ventilkammerwandung (26) mit radialem Spiel (38,39) gelagert ist.

11. Ventil nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilformkörper (24a) sich mit ihren Stirnseiten gegen gemeinsame Abstützelemente (30, 34) abstützen, von denen mindestens eines zur Vorspannung der Teilformkörper verstellbar ausgebildet ist.

12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilformkörper (24a) mit ihren Stirnseilen mit den Abstützelementen (;:. B. 34) durch Kleben, Vulkanisieren od. dgl. druck-, schub- und torsionsfest verbunden sind.

13. Ventil nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die im Öffnungssinn (y) belastete Kolbenfläche (35) des Absperrkörpers (30) durch eine sich zum Ventilsitz hin konisch erweiternde Kegelstumpfmantelfläche gebildet ist.

14. Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperrkörper (30) zusätzlich eine vom Zuflußdruck ständig im Schließsinn (x) beaufschlagte Ringkolbenfläche (36) aufweist, die nur um ein geringes Maß kleiner ist als seine vom Zuflußdruck im Öffnungssinn (y) beaufschlagte Kolbenfläche (35).

15. Ventil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die im öffnungssinn wirksame Differenzkolbenfläche (35 minus 36) des Absperrkörpers (30) sich nur auf einen kleinen Bruchteil, beispielsweise etwa auf ein Zwanzigstel bis ein Fünfzigstel, der Querschnittsfläche des Formkörpers (24) beläuft.

Ib. Ventil nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Absperrkörpers (30) und des Ventilsitzes (32, 33), daß der Absperrkörper (30) durch den Strömungsdruck des abströmenden Druckmittels im Schließsinn (xjbelastet ist.

17. Ventil nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (32, 33) zur Vorspannung des Formkörpers (24) in axialer Richtung (x-yj des Formkörpers (24) verstellbar ausgebildet ist.