DE19623489C1 - Sicherheitsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil ins besondere für eine Überlastschutzein­ richtung für eine mechanische Presse, die zumindest einen Antriebspunkt und ein im Kraftfluß liegendes Druckkissen aufweist, das mit einem vorgespannten Druckmittel gefüllt ist, das bei Überlast durch das Sicherheitsventil gesteuert ausströmen kann, mit einem Ventilkolben, der von einem hohlzylindrischen Gehäuseteil aufgenommen und in diesem Gehäuseteil mit einer Halte kraft beaufschlagt gegen eine Dichtfläche drückend den Druckmittelfluß von einer Druckmitteleinlaßöffnung zu einer Druckmit­ telauslaßöffnung sperrend angeordnet ist und der von einem zugeordneten, im Über­ lastfall angesteuerten Hochgeschwindigkeitsstellglied im Gehäuseteil entgegen dieser Haltekraft axial verschiebbar ist.

Mechanische Pressen sind zum Schutz vor Beschädigung durch kraftmäßige Überla­ stung während des Arbeitshubes durch Überlastschutzeinrichtungen geschützt. Diese Überlastschutzeinrichtungen können einfache im Kraftfluß der Maschine liegende Brechelemente sein. Diese Brechelemente bilden das schwächste Glied in der Kette der die Umformkraft übertragenden Bauteile und brechen bei Überschreitung einer vorausberechneten maximalen Beanspruchung, so daß der Kraftfluß in der Maschine unterbrochen und damit eine Beschädigung verhindert wird.

Nachteilig bei einer mit solcher Art Brechelementen ausgestatteten Überlastschutz­ einrichtung sind neben deren Trägheit der vergleichsweise große Aufwand beim Wechseln der Elemente nach einem Überlastfall sowie die Auslöseunsicherheit, die - bedingt durch Alterungsvorgänge und Materialermüdung - eine ständige Gefahr für die Maschine darstellen.

Andere bekannte Ausführungen von Überlastschutzeinrichtungen benutzen ein hy­ draulisches Druckpolster im Maschinenstößel, über das die Umformkraft übertragen wird. Kommt es während des Arbeitshubes der Maschine zu einer unzulässig hohen Belastung, so wird hierbei über ein Ventil oder eine Ventilkombination oder über an­ dere Betätigungselemente der Ablaß des hydraulischen Druckpolsters geöffnet und dadurch der Kraftfluß der Maschine unterbrochen. Bei schnellaufenden Maschinen mit großen Hubzahlen kommt es darauf an, den Druckabbau im Druckpolster innerhalb weniger Millisekunden und somit während eines geringen Stößelweges zu bewerk­ stelligen, damit bereits der erste Überlasthub sicher unterbrochen wird. Hierfür sind Ventile mit Hochgeschwindigkeitsstelleinheiten entwickelt worden.

Ein solches Ventil ist aus DD 2 55 701 A1 bekannt. Bei diesem Ventil ist in einem Ventilgehäuse ein Ventilabsperrkolben mit einem daran befestigten Gaskolben axial beweglich eingebaut und wird mit Hilfe einer koaxial angeordneten, sich stirnseitig am Ventilgehäuse abstützenden Rückstellfeder in seiner Ausgangsstellung gehalten. In dieser Ausgangsstellung ist die Dichtfläche geschlossen und somit die unter Druck stehende Kammer einer Ringnut, die aus Ventileinlaßbohrungen gespeist wird, vom drucklosen Raum der Ablaufbohrung getrennt. Beim Auftreten einer unzulässigen Be­ lastung wird mit Hilfe eines geeigneten elektrischen Systems eine Zündkapsel gezün­ det. Infolge des durch Zündung der Treibladung entstehenden Gasdruckes wird der Gaskolben mit dem Ventilabsperrkolben beschleunigt und somit die Dichtfläche frei­ gegeben, so daß über den entstehenden Ringspalt der in der Ringnut und den Ventil­ einlaßbohrungen herrschende Druck durch das über die Ablaufbohrung abfließende Druckmittel abgebaut wird. Durch die Bewegung des Ventilabsperrkolbens wird gleichzeitig die Rückstellfeder gespannt, wobei eine zusätzliche Dämpferfeder ein Zu­ rückprallen des Absperrkolbens verhindern soll. Nach der Freigabe einer Aus­ strömdüse für das Gas beginnt die Schließbewegung des Ventilabsperrkolbens durch die sich nun entspannende Rückstellfeder.

Problematisch ist bei einem solchen Ventil mit Hochgeschwindigkeitsstelleinheit das Abbremsen der sehr hoch beschleunigten Massen der bewegten Teile, insofern, daß man einerseits selbstverständlich Zerstörungen von Bauteilen vermeiden, andererseits aber auch keine unverhältnismäßig langen Bremswege in Kauf nehmen möchte.

Die Verwendung einer mechanischen Feder zum Zwecke des Abbremsens geht auf­ grund der erforderlichen großen Dimensionen einer solchen Feder mit einem ver­ gleichsweise großen Materialeinsatz und damit massiven Bauweise für den Auf­ schlagdämpfer einher. Infolge der extrem schnellen Beschleunigung ist ein weiteres Problem bei Verwendung derartiger mechanischer Federn darin zu sehen, daß die Fe­ dern allein durch die eigene Massenträgheit gesetzt werden, ohne daß der zulässige Federweg auch nur annähernd ausgeschöpft wird. Es entsteht abhängig von der zu beschleunigenden Masse ein vergleichsweise harter Aufschlag, der letztlich zur Zer­ störung von Bauteilen führen kann. Auch das Problem des Zurückprellens des Ventil­ kolbens, was zu einem ungewollt frühen Schließen des Ventils führen kann, ist hier­ bei nicht befriedigend gelöst.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitsventil der eingangs genannten Art zu schaffen, daß sich im Überlastfall bei Gewährleistung einer minima­ len Ansprechzeit gegenüber herkömmlichen Sicherheitsventilen durch eine verbes­ serte Endlagendämpfung des Ventilkolbens auszeichnet, wobei insbesondere Prell­ erscheinungen vermieden werden sollen. Außerdem sollen Baugröße und Materialauf­ wand möglichst gering sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Sicherheitsventil der vorgenannten Art erfindungsge­ mäß dadurch gelöst, daß der Ventilkolben auf seiner Mantelfläche mit einem Gleitsitz versehen ist, der einen ringförmigen Bremskolben trägt, und daß der Ventilkolben fer­ ner über ein auf der Mantelfläche hervorstehendes Anlageelement verfügt, und der Bremskolben in der den Druckmittelfluß sperrenden Stellung des Ventilkolbens beab­ standet vom Anlageelement angeordnet ist, so daß im Überlastfall der Ventilkolben zunächst eine vorgegebene Wegstrecke ohne zusätzliche Dämpfung zurücklegt bis das Anlageelement am Bremskolben zur Anlage kommt und die weitere axiale Bewe­ gung durch Mitnahme des Bremskolbens gedämpft ist, dadurch, daß der Bremskolben in ein mit Druckmittel gefülltes Teilvolumen des Hohlzylinders im Gehäuseteil ein­ taucht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zur Einstel­ lung der Bremscharakteristik das als Dämpfungsraum dienende Teilvolumen mit zu­ mindest einer Drosselstelle versehen ist, aus der das Druckmittel entweichen kann.

Weitere vorzugsweise Ausbildungsformen der Erfindung sind Gegenstand der weite­ ren Unteransprüche 3 bis 16.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Beispiels und einer zugehörigen Zeich­ nung näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt in einer teilweise geschnittenen Darstellung ein erfindungsge­ mäßes Sicherheitsventil, wobei die obere Hälfte der Darstellung das Ventil im ge­ sperrten, die untere Hälfte im teilweise geöffneten Zustand zeigt. Das Sicherheits­ ventil verfügt über einen Ventilkolben 1, der auf seiner äußeren Mantelfläche mit ei­ nem Gleitsitz für einen ringförmig ausgebildeten Bremskolben 2 versehen ist. Ventil­ kolben 1 und Bremskolben 2 sind in einem im wesentlichen hohlzylindrischen Ge­ häuseteil 3 aufgenommen. Die Ruhelage des bezüglich der Ventilkolbenlängsachse koaxial angeordneten Bremskolbens 2 ist dabei mittels zweier Sprengringe 4 festge­ legt, wobei der eine Sprengring 4 in einer in die Mantelfläche des Ventilkolbens 1 eingearbeiteten Ringnut und der andere Sprengring 4 in einer in die Innenfläche des Gehäuseteils 3 eingebrachten Ringnut sitzt. Die Funktion des zweiten Sprengringes 4 kann selbstverständlich auch von einem in der Bohrung des Gehäuseteiles 3 angeord­ neten Absatz übernommen werden. Der Ventilkolben 1 ist hohlzylindrisch ausgebildet und verfügt über eine offene Seite, zu der in der gesperrten Stellung des Ventils in ei­ nem vorgegebenen Abstand eine die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens 1 in der Endphase zusätzlich dämpfende Feder 5 angeordnet ist, und über eine geschlossene Seite, in deren Randbereich eine Dichtfläche angearbeitet ist, die in der gesperrten Stellung an einer Dichtfläche 18 eines Dichtringes 6 zur Anlage kommt, wodurch der über eine Einlaßöffnung 11 mit Druckmittel gefüllte, einen bezüglich des Außen­ durchmessers des Bremskolben 2 geringfügig größeren Durchmesser aufweisende zylindrische Hohlraum vom sich in axialer Richtung anschließenden, mit einer Aus­ laßöffnung 12 versehenen und gleichfalls zylindrisch, jedoch mit einem kleineren Durchmesser als der Ventilkolben 1 ausgebildeten Hohlraum des Gehäuseteils 3 ge­ trennt ist. Zum Ventilgehäuse gehört ferner ein ringförmiges Gehäuseteil 7, das den mit Druckmittel gefüllten Hohlraum des Gehäuseteils 3 an der dem Dichtring 6 ge­ genüberliegenden Seite abschließt und in dem der Ventilkolben 1 bei seiner axialen Bewegung geführt ist. Das Ventil verfügt außerdem über ein topfförmiges Gehäuse­ teil 9, von dem die Feder 5 aufgenommen ist. Darüber hinaus stützt sich am Boden dieses Gehäuseteiles 9 eine Feder 10 ab, die in den hohlzylindrischen Bereich des Ventilkolbens 1 hineinragt und innen an der geschlossenen Seite des Ventilkolbens 1 angreift und diesen mit einer vorgegebenen Haltekraft mit seiner Dichtfläche gegen die Dichtfläche 18 des Dichtringes 6 drückt, wodurch der Druckmittelfluß von der Einlaßöffnung 11 zur Auslaßöffnung 12 gesperrt ist. Die Dichtflächen bilden vor­ zugsweise die Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Kegelwinkel der an den Ventilkolben 1 angearbeiteten Dicht­ fläche spitzer als der Kegelwinkel der Dichtfläche 18 am Dichtring 6 ist, z. B. 40° bzw. 45° Hierdurch wird eine linienförmige Anlage erreicht, die sich durch eine gute Schmiegung und hohe Stabilität der Dichtkante auszeichnet. Das ringförmige und das topfförmige Gehäuseteil 7 bzw. 9 sind mittels Befestigungselementen 19, z. B. Schrauben, lösbar am Gehäuseteil 3 befestigt. Die Feder 10 kann als mechanische oder auch als Gasfeder ausgeführt sein.

Der Ventilkolben 1 ist mit einem auf seiner Mantelfläche hervorstehenden, in der Art eines Absatzes ausgebildeten Anlageelement 13 versehen. Das Anlageelement 13 ist dabei so plaziert, daß in der geschlossenen Stellung des Ventilkolbens 1 und damit in der Ruhelage des Bremskolbens 2 zwischen Bremskolben 2 und Anlageelement 13 ein vorgegebener Abstand verbleibt. An seiner geschlossenen Seite ist der Ventilkol­ ben 1 mit einem Gaskolben 17 verbunden. Ventilkolben 1 und Gaskolben 17 können aber auch, wie in der Zeichnung dargestellt, ein einziges Teil bilden. Der Gaskolben 17 hat einen kleineren Durchmesser als der die Druckmittelauslaßöffnung 12 aufwei­ sende zylindrische Hohlraum des Gehäuseteils 3 und wird in einem sich in axialer Richtung an diesem Hohlraum anschließenden gleichfalls zylindrischen Hohlraum des Gehäuseteils 3 geführt, der von einem in das Gehäuseteil 3 eingeschraubten Hochge­ schwindigkeitsstellglied, hier in Form einer elektrisch betätigbaren Zündkapsel 8, ab­ geschlossen ist.

Das Sicherheitsventil kann vorzugsweise in Überlastschutzeinrichtungen für mechani­ sche Pressen Verwendung finden, die zumindest einen Antriebspunkt und ein im Kraftfluß liegendes Druckkissen aufweisen, das mit einem vorgespannten Druckmittel gefüllt ist.

Das Sicherheitsventil funktioniert wie folgt:
Beim Auftreten einer unzulässigen Belastung, z. B. während eines Arbeitshubes der vorgenannten Presse, wird mit Hilfe eines geeigneten elektrischen Systems die Zünd­ kapsel 8 gezündet. Infolge des durch die Zündung der Treibladung sich entwickelnden Gasdruckes wird der Gaskolben 17 mit dem Ventilkolben 1 entgegen der durch die Feder 10 aufgebrachten Haltekraft beschleunigt und somit die Dichtfläche 18 freige­ geben, so daß über den entstehenden Ringspalt der im die Ventil-Einlaßöffnung 11 aufweisenden Hohlraum herrschende Druck durch das nun über die Auslaßöffnung 12 abfließende Druckmittel abgebaut wird. Dabei legt der Ventilkolben 1 zunächst eine vorgegebene Wegstrecke ohne zusätzliche Dämpfung zurück und zwar bis das Anla­ geelement 13 am Bremskolben 2 zur Anlage kommt. Erst ab diesem Zeitpunkt nimmt der Bremskolben 2 an der weiteren axialen Bewegung des Ventilkolbens 1 teil, mit der Wirkung, daß dessen Bewegung nun zusätzlich gedämpft wird dadurch, daß der Bremskolben 2 in ein mit dem Druckmittel gefülltes Teilvolumen 14 des die Einlaßöff­ nung 11 aufweisenden Hohlzylinders eintaucht. Zur Einstellung einer bestimmten Bremscharakteristik ist es günstig, wenn das als Dämpfungsraum dienende Teilvolu­ men 14 mit zumindest einer Drosselstelle versehen ist, aus der das Druckmittel ent­ weichen kann. Die Drosselstelle kann z. B. als Spalt 15 zwischen Bremskolben 2 und Innenwand des Gehäuseteils 3 ausgebildet sein. Durch eine entsprechende konstruk­ tive Gestaltung der Drosselstelle läßt sich die Bremscharakteristik in weiten Grenzen variieren. So läßt sich ein zu starker Anstieg des Bremsdruckes in der Anfangsphase des Bremsens durch einen konisch ausgeführten Drosselspalt vermeiden.

Die in der Endphase der Abbremsung mittels Bremskolbens 2 noch vorhandene restli­ che Bewegungsenergie des Ventilkolbens 1 wird zusätzlich mit Hilfe der am Boden des Gehäuseteils 9 befestigten und koaxial zur Feder 10 angeordneten Feder 5 auf einem vergleichsweise kurzen Weg aufgefangen. Im Vergleich zu den Dämpfungsfe­ dern herkömmlicher Ventilkonstruktionen kann hier eine verhältnismäßig gering di­ mensionierte mechanische Feder eingesetzt werden. Die Feder 5 soll auch die Rest­ energie aufnehmen können, wenn sich durch Erwärmung des beispielsweise als Druckmittel dienenden Öles stärkere Änderungen der Viskosität ergeben und die Dämpfungsleistung dadurch schwächer wird. In der Endstellung des Ventilkolbens 1 gibt der Gaskolben 17 eine Ausströmdüse 16 für das Treibgas frei. Es beginnt die Schließbewegung des Ventilkolbens mit Hilfe der gespannten Feder 10. Der in einer Ringnut auf der Mantelfläche des Ventilkolbens 1 sitzende Sprengring 4 sorgt dafür, daß der Bremskolben 2 wieder in seine Ausgangsstellung überführt wird und in der sperrenden Stellung des Ventilkolbens 1 am in Höhe der Einlaßöffnung 11 in der Ringnut des Gehäuseteils 3 sitzenden Sprengring 4 zur Anlage kommt. Nach dem Schließen des Ventils und dem Einsetzen einer neuen Zündkapsel ist das Ventil wie­ der betriebsbereit.

Selbstverständlich ist es denkbar, anstelle des vorstehend beschriebenen Hochge­ schwindigkeitsstellgliedes auch solche einzusetzen, die beispielsweise elektromagne­ tisch oder elektrohydraulisch durch Drahtexplosion oder Funkenentladung in einer Flüssigkeit betätigbar sind.

Claims (16)

1. Sicherheitsventil, insbesondere für eine Überlastschutzeinrichtung für eine me­ chanische Presse, die zumindest einen Antriebspunkt und ein im Kraftfluß lie­ gendes Druckkissen aufweist, das mit einem vorgespannten Druckmittel ge­ füllt ist, das bei Überlast durch das Sicherheitsventil gesteuert ausströmen kann, mit einem Ventilkolben, der von einem hohlzylindrischen Gehäuseteil aufgenommen und in diesem Gehäuseteil mit einer Haltekraft beaufschlagt ge­ gen eine Dichtfläche drückend den Druckmittelfluß von einer Druckmittelein­ laßöffnung zu einer Druckmittelauslaßöffnung sperrend angeordnet ist und der von einem zugeordneten, im Überlastfall angesteuerten Hochgeschwindig­ keitsstellglied im Gehäuseteil entgegen dieser Haltekraft axial verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (1) auf seiner Mantelfläche mit einem Gleitsitz versehen ist, der einen ringförmigen Bremskolben (2) trägt, und daß der Ventilkolben (1) ferner über ein auf der Mantelfläche hervorstehendes Anlageelement (13) verfügt, und der Bremskolben (2) in der den Druckmittelfluß sperrenden Stellung des Ventilkolbens (1) beabstandet vom Anlageelement (13) angeordnet ist, so daß im Überlastfall der Ventilkolben (1) zunächst eine vorgegebene Wegstrecke ohne zusätzliche Dämpfung zurücklegt bis das Anlageelement (13) am Bremskolben (2) zur Anlage kommt und die weitere axiale Bewegung durch Mitnahme des Bremskolbens (2) gedämpft ist, da­ durch, daß der Bremskolben (2) in ein mit Druckmittel gefülltes Teilvolumen (14) des Hohlzylinders im Gehäuseteil (3) eintaucht.

2. Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Bremscharakteristik das als Dämpfungsraum dienende Teilvo­ lumen (14) mit zumindest einer Drosselstelle versehen ist, aus der das Druckmittel entweichen kann.

3. Sicherheitsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle als Spalt (15) zwischen Bremskolben (2) und Innenwand des Ge­ häuseteils (3) ausgebildet ist.

4. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Bewegung des Ventilkolbens (1) im Bereich seiner Endstellung durch eine zusätzliche Feder (5) gedämpft ist.

5. Sicherheitsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Feder (5) eine mechanische Feder ist.

6. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhelage des Bremskolbens (2) in der den Druckmittelfluß sperrenden Stellung des Ventilkolbens (1) zum Beispiel mittels zweier Sprengringe (4) festgelegt ist, wobei der eine Sprengring (4) in einer in die Mantelfläche des Ventilkolbens (1) und der an­ dere Sprengring (4) in einer in Höhe der Druckmitteleinlaßöffnung (11) in die Innenflä­ che des Gehäuseteiles (3) eingearbeiteten Nut sitzt.

7. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (1) zumindest teilweise als Hohlzylinder ausgebildet ist.

8. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ventilkolben (1) in der den Druckmittelfluß von der Einlaßöffnung (11) zur Auslaßöffnung (12) sperrenden Stellung haltende Kraft von einer sich einerseits am Gehäuse und andererseits am Ventilkolben (1) abstützenden Feder (10) erzeugt ist.

9. Sicherheitsventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (10) eine mechanische Feder ist.

10. Sicherheitsventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (10) eine Gasfeder ist.

11. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 4 bis 5 und einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Feder (5) und die die Haltekraft erzeugende Feder (10) zueinander koaxial angeordnet sind.

12. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochgeschwindigkeitsstellglied elektromagnetisch betätigbar ist.

13. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochgeschwindigkeitsstellglied elektrohydraulisch durch Drahtexplosion oder Funkenentladung in einer Flüssigkeit betätigbar ist.

14. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Hochgeschwindigkeitsstellglied aus einer elektrisch betätigbaren, eine Treibla­ dung enthaltenden Zündkapsel (8) besteht, wobei der durch Zünden der Treibladung entstehende Gasdruck auf einen mit dem Ventilkolben (1) verbundenen Gaskolben (17) wirkt.

15. Sicherheitsventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (1) mit dem antreibenden Gaskolben (17) ein einziges Teil bildet.

16. Sicherheitsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (18) die Mantelfläche eines Kegelstumpfes bildet.