DE19708741C2 - Druckgesteuertes 3/2-Wegeventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein druckgesteuertes 3/2-Wegeventil für HFA-Flüssigkeiten, das in eine zentrale, durch einen Schraubverschluss nach aussen abgeschlossene Aufnahmebohrung eines Ventilgehäuses eingesetzt ist und die Anschlüsse A zu einem Druckmittelverbraucher, P von einer Hochdruckleitung und T von einer Rücklaufleitung zum Tank aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Druckgesteuerte 3/2-Wegeventile für HFA-Flüssigkeiten werden im Bergbau zur Steuerung von hydraulischen Schreitausbaugestellen verwendet, die das Hangende beim Abbau von Kohleflözen mit grosser Stützkraft abstützen. Die Schreitausbaugestelle sind entlang einer Strebfront von bis zu 300 Meter Länge nebeneinander aufgestellt. Sie folgen dem fortschreitenden Abbaubetrieb im Streb, indem sie abwechselnd nacheinander vorschreiten. Die Stützkräfte werden von grossvolumigen Stempeln bei einem Druck von 320 bar ausgeübt. Zur Steuerung werden elektro-magnetisch betätigbare Vorsteuerventile eingesetzt, mit denen die druckgesteuerten 3/2-Wegeventile angesteuert werden, um das Druckmittel aus einer Hochdruckleitung den angeschlossenen Verbrauchern, insbesondere den Stempeln zuzuführen. Für die Steuergeräte steht aufgrund der beengten räumlichen Verhältnisse im Untertagebetrieb nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung, wobei die Ventile trotz grosser Durchflussquerschnitte kleine Abmessungen aufweisen sollen.

Die in grosser Anzahl an die Druckmittelleitung des Strebs angeschlossenen Druckmittelverbraucher des Ausbaus verursachen im laufenden Abbaubetrieb durch häufig wiederkehrende Schaltvorgänge erhebliche Druckwechselbelastungen, die als Druckstösse auf die Abdichtungen in den Ventilen zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite einwirken. Die Druckstösse belasten auch im statischen Zustand die in eine zentrale Aufnahmebohrung des Ventilgehäuses eingesetzten Bauteile des Ventils, wo sie mit der von aussen eingebrachten Bundring-Verschraubung in ihrer Einbaulage gehalten sind. Das toleranzbedingte Spiel der Ventilbauteile untereinander lässt kleine, durch die Druckwechselbelastungen hervorgerufene Bewegungen zu, die sich auf die Verschraubung und auf die Aussenabdichtungen der Ventilbauteile auswirken. Die Verschraubung kann sich im Dauerbetrieb durch die Druckwechselbelastungen lockern, so dass auch an den O-Ring-Abdichtungen verstärkte Reibbewegungen auftreten, die Verschleiß sowie Undichtigkeiten herbeiführen und die Funktion des Ventils beeinträchtigen.

Beim weiter oben beschriebenen und zum internen Stand der Technik der Patentanmelderin gehörenden 3/2-Wegeventil wird die Schaltsicherheit des Ventils auch durch die Ausbildung der Dichtflächen an Ventilsitz und Ventilkegel beeinflusst. Vorteilhaft ist eine Materialpaarung von Kunststoff auf Stahl, die toleranzausgleichend wirkt und rechtzeitig eine gute Abdichtung herbeiführt. Im Dauerbetrieb und bei Druckwechselbelastungen unter hohem Druck werden jedoch die aus Kunststoff gefertigten Ventilsitze und deren Halterungen verformt, wodurch wiederum Undichtigkeiten auftreten.

Durch die DE 195 44 592 A1 ist ein gattungsfremdes 2-Wege-Einbauventil bekannt, bei dem die Lebensdauer des Ventils dadurch erhöht werden kann, dass über eine Unstetigkeit sich berührender Flächen eine einwandfreie Ventilfunktion gewährleistet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer und Schaltgenauigkeit von bei hohen Drücken und häufig auftretenden Druckwechselbelastungen einsetzbaren 3/2-Wegeventilen für HFA-Druckflüssigkeiten zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemässe 3/2-Wegeventil ist den eingangs gestellten Anforderungen gut angepasst und in kompakter und funktionssicherer Bauweise aus wenigen Bauteilen zusammengesetzt. Mit relativ kleinen Abmessungen werden Durchflussquerschnitte der Nenngrössen 13 oder 16 für die angeschlossenen Verbraucher erreicht. Das Wegeventil schaltet bei positiver Überdeckung, wobei der Steuerkolben die Rücklaufleitung zum Tank verschliesst, bevor der Ventilkolben vom Dichtsitz abhebt und Druckflüssigkeit aus der Hochdruckleitung zum angeschlossenen Druckmittelverbraucher abströmen lässt. Der Ventilkolben des 3/2-Wegeventils dichtet auf der Kegelfläche eines aus hochfestem Kunststoff gefertigten Dichtsitzringes ab, der in einer stufenförmigen Aufnahme eines hülsenförmigen Dichtsitzträgers kraft- und formschlüssig eingespannt ist. Der Steuerkolben dichtet auf einem Dichtring aus Stahl ab, der in der Aufnahme des Dichtsitzträgers gegen den Dichtsitzring des Ventilkolbens anliegt und mit dem Dichtsitzträger stirnseitig bündig abschliesst. Der Ventilsitzträger ist in der Aufnahmebohrung des Ventilgehäuses zwischen dem Führungsring und der Steuerkolbenführung angeordnet, so dass die von dem Schraubverschluss ausgehende Spannkraft direkt auf die Einbauteile wirkt. Diese Spannkraft vermeidet die Lockerung der Einbauteile und verhindert den Verschleiß der O-Ring-Abdichtungen durch auftretende Druckwechselbelastungen. Der gegenüber mechanischen Beanspruchungen empfindliche, aus Kunststoff gefertigte Dichtsitzring des Ventilkolbens ist innerhalb der Aufnahme geschützt eingespannt. Der Dichtsitzring kann unter Druckbelastung nicht auswandern, aber auch nicht durch die Spannkraft der Verschraubung verformt werden. Die erfindungsgemäße Ausbildung erhöht die Anzahl der Lastwechsel, die das 3/2- Wegeventil im Dauerbetrieb ausführen kann, und somit die Lebensdauer ganz erheblich.

Die vorteilhafte Abstimmung von Bauform und Querschnittsabmessungen verbessert auch die Schaltgenauigkeit des 3/2-Wegeventils. Das aus der Differenz der gegeneinandergerichteten, druckbelasteten Steuerflächen resultierende Kräfteverhältnis am Steuerkolben wird zu Gunsten der in Schließrichtung wirksamen Schließkraft deutlich erhöht. Der Druckraum im Steuerkolben wird gegenüber der Rücklaufleitung zum Tank auch im Dauerbetrieb durch den Steuerkolben sicher abgesperrt, ohne dass Undichtigkeiten durch abgenutzte Dichtflächen hervorgerufen werden erhöht. Der Druckraum im Steuerkolben wird gegenüber der Rücklaufleitung zum Tank auch im Dauerbetrieb durch den Steuerkolben sicher abgesperrt, ohne dass Undichtigkeiten durch abgenutzte Dichtflächen hervorgerufen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert. Das druckgesteuerte 3/2-Wegeventil ist in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellt.

Die Bauteile des 3/2-Wegeventils sind in einer Aufnahmebohrung 1 eines Ventilgehäuses 2 eingesetzt. In der Aufnahmebohrung 1 sind eine Ausgleichsbüchse 3 im Bohrlochtiefsten sowie ein Führungsring 4, ein hülsenförmiger Ventilsitzträger 5 und eine tassenförmige Steuerkolbenführung 6 angeordnet. Nach außen wird die Aufnahmebohrung 1 durch einen Schraubverschluss 7 verschlossen, der mit einem Gewinde 8 in die Aufnahmebohrung 1 eingedreht ist und mit der inneren Stirnseite kraftschlüssig gegen die Steuerkolbenführung 6 anliegt, so dass in fertig montiertem Zustand auf die vorgenannten Einbauteile des Ventils eine Spannkraft ausgeübt wird.

In der Aufnahmebohrung 1 ist ein hohlkobenförmig ausgebildeter Ventilkolben verschiebbar geführt. Der Führungsring 4 umfasst den Ventilkolben 9 zum offenen Ende hin am Schaft, während der Ventilsitzträger 5 und die Steuerkolbenführung 6 den Ventilkolben 9 mit Abstand umgreifen. Der Ventilkolben 9 weist einen kranzförmig aus seiner Außenmantelfläche vorspringenden Kegelflächenring 10 auf, der in der dargestellten Schließstellung des Ventils auf einer kegelförmig abgeschrägten Kolbendichtfläche 12 eines korrospondierenden, aus hochfestem Kunststoff gefertigten Kunststoffdichtsitzring 11 zur Anlage kommt. Der Kunststoffdichtsitzring 11 ist zusammen mit einem aus Stahl gefertigten Stahldichtsitzring 13 in einer stufenförmig umlaufenden Aufnahme 14 des Ventilsitzträgers 5 untergebracht, wobei der Stahldichtsitzring 13 mit dem Ventilsitzträger 5 stirnseitig bündig abschließt und den Kunststoffdichtsitzring 11 auf der zur Dichtfläche abgewandten Seite mit einer einwärts abgeschrägten, nicht bezeichneten Ringfassung formschlüssig umgreift.

Die von dem Schraubverschluss 7 ausgeübte Spannkraft hält auch den Stahldichtsitzring 13 in der Aufnahme 14 fest eingespannt, so dass der Kunststoffdichtsitzring 11 des Ventilkolbens 9 in der Aufnahme 14 des Ventilsitzträgers 5 über den Stahldichtsitzring 13 sowohl formschlüssig untergebracht als auch kraftschlüssig gehalten ist.

Zwischen dem Ventilkolben 9 und der Steuerkolbenführung 6 wird ein Ringspalt 15 gebildet, in dem ein hohlzylindrischer Steuerkolben 16 verschiebbar geführt ist. An der zum Stahldichtsitzring 13 zugewandten Seite des Steuerkolbens 16 befindet sich eine konisch zulaufende Kegeldichtfläche 17, die beim Verschieben des Steuerkolbens 16 in die nicht dargestellte Öffnungsstellung auf einer korrospondierenden Ringdichtfläche 18 zur Anlage gebracht wird.

An dem Ventilgehäuse befinden sich die Anschlüsse P von einer Hochdruckleitung, T von einer Rücklaufleitung zum Tank, A von einem angeschlossenen Druckmittelverbraucher sowie ST von einer Steuerdruckleitung. Der Anschluss P mündet in einem Zulaufkanal 19 des Ventilsitzträgers 5 ein, von dem über den Umfang verteilt angeordnete Zulauf­ öffnungen 20 zum Druckraum des Ventilkolben 9 abzweigen. Der Anschluss T führt zu einem Ablaufkanal 21 in der Steuerkolbenführung 6, von dem Ablauföffnungen 22 zum Druckraum des Ventilkolbens 9 abzweigen.

In der Wandung des Kolbenschaftes des Ventilkolbens 9 sind steuerkolbenseitig vom Kegelflächenring 10 Radialbohrungen 23 vorgesehen, die in der gezeigten Schließstellung des Ventils in der Höhe des Stahldichtsitzringes 13 zu den Ablauföffnungen 22 in der Steuerkolbenführung offen stehen. In der Öffnungsstellung des Ventils sind die Zulauföffnungen 20 zu den Radialbohrungen 23 geöffnet. Der Anschluss A ist durch eine Axialbohrung 24 in der Ausgleichsbuchse 3 mit dem Druckraum im Ventilkolben 9 verbunden. Der Steuerdruck wird vom Anschluss St über Querbohrungen 25 im Schraubverschluss 7 und durch eine Längsbohrung 26 in der Steuerkolbenführung 6 auf die Ringfläche des Steuerkolbens 16 geleitet. Der Steuerkolben 16 weist einen gegenüber dem Durchmesser am Außenmantel zur Kegeldichtfläche 17 hin abgesetzten Abschnitt 27 mit einem kleineren Durchmesser auf, dessen Ringfläche kleiner ist als die gegenseitige, vom Steuerdruck belastete Ringfläche.

Die zur Abdichtung der Ventilbauteile eingesetzten O-Ring-Stützringelemente sind ohne Bezugszeichen dargestellt.

Die Zeichnung zeigt das 3/2-Wegeventil in der Schließstellung. Der Ventilkolben 9 dichtet mit dem Kegelflächenring 10 auf dem Kunststoffdichtsitzring 11 den Zulauf vom Anschluss P aus der Hochdruckleitung ab. Der Ventilkolben 9 wird durch den auf der Ringfläche des Kegelflächenringes 10 anstehenden Druck der Druckflüssigkeit aus der Hochdruckleitung sowie durch den Andruck einer nur gestrichelt dargestellten Ventilfeder 28 in der Schließstellung gehalten. Der Steuerkolben 16 befindet sich jetzt in der Öffnungsstellung, wobei der Verbraucheranschluss A zum Druckraum im Ventilkolben 9 offen und über die Radialbohrungen 23, die Ablauföffnungen 22 und den Ablaufkanal 21 in der Steuerkolbenführung 6 mit dem Anschluss T der Rücklaufleitung zum Tank verbunden ist.

Zum Öffnen des 3/2-Wegeventils wird Druckflüssigkeit von einem nicht dargestellten, vorgeschalteten elektromagnetisch betätigbaren Steuerventil über den Anschluss ST der Steuerdruckleitung sowie über die Querbohrungen 25 und der Längsbohrung 26 auf die Ringfläche des Steuerkolbens 16 und auf die steuerkolbenseitige Stirnseite des Ventilkolbens 9 geleitet. Aufgrund der vorgegebenen Flächenverhältnisse wird zunächst der Steuerkolben 16 mit der Kegeldichtfläche 17 auf die Ringdichtfläche 18 des Stahldichtsitzringes 13 angedrückt. Der Steuerkolben 16 trennt dann den an das Ventil angeschlossenen Druckmittelverbraucher von der Rücklaufleitung zum Tank. Der anstehende Steuerdruck verstellt daraufhin den Ventilkolben 9 in die Öffnungsstellung, wobei der Ventilkolben 9 mit dem Kegelflächenring 10 vom Kunststoffdichtsitzring 11 abhebt und den Durchfluss der Druckflüssigkeit vom Anschluss P über den Zulaufkanal 19, die Zulauföffnungen 20 sowie den Radialbohrungen 23 im Ventilkolben 9 zu dem bei A angeschlossenen Druckmittelverbraucher freigibt.

Bezugszeichenliste

1

Aufnahmebohrung

2

Ventilgehäuse

3

Ausgleichsbuchse

4

Führungsring

5

Ventilsitzträger

6

Steuerkolbenführung

7

Schraubverschluss

8

Gewinde

9

Ventilkolben

10

Kegelflächenring

11

Kunststoffdichtsitzring

12

Kolbendichtfläche

13

Stahldichtsitzring

14

Aufnahme

15

Ringspalt

16

Steuerkolben

17

Kegeldichtfläche

18

Ringdichtfläche

19

Zulaufkanal

20

Zulauföffnungen

21

Ablaufkanal

22

Ablauföffnungen

23

Radialbohrungen

24

Axialbohrung

25

Querbohrungen

26

Längsbohrung

27

Abschnitt

28

Ventilfeder

Claims (4)

1. Druckgesteuertes 3/2-Wegeventil für HFA-Flüssigkeiten, das in eine zentrale, durch einen Schraubverschluss (7) nach außen abgeschlossene Aufnahmebohrung (1) eines Ventilgehäuses (2) eingesetzt ist und die Anschlüsse A zu einem Druckmittelverbraucher P von einer Hochdruckleitung und T von einer Rücklaufleitung zum Tank aufweist, wobei ein hohlkolbenförmig ausgebildeter Ventilkolben (9) in der zentralen Aufnahmebohrung (1) an einem den Kolbenschaft zum offenen Ende hin umfassenden Führungsring (4) axial verschiebbar geführt und ein Ventilsitzträger (5) zwischen dem Führungsring (4) und einer Steuerkolbenführung (6) in der Aufnahmebohrung (1) angeordnet ist und der Ventilsitzträger (5) und die Steuerkolbenführung (6) den Ventilkolben (9) mit Abstand umgreifen und zur Bohrungswand offene, mit Zulauf (20) und Ablauföffnungen (22) für die Druckflüssigkeit versehene Zulauf (19) und Ablaufkanäle (21) aufweisen, die an die Hochdruckleitung einerseits und an die Rücklaufleitung zum Tank andererseits anschließbar sind und der Ventilkolben (9) mit einem kranzförmig aus seiner Außenmantelfläche vorspringenden Kegelflächenring (10) versehen ist, der in der Schließstellung des Ventils auf einem korrospondierem Dichtsitz zwischen den Zulauf - (20) und Ablauföffnungen (22) in dem hockdruckseitigen Ventilsitzträger (5) und der tankseitigen Steuerkolbenführung (6) abdichtend aufliegt und der Ventilkolben (9) an der offenen Stirnseite mit dem in das Ventilgehäuse (2) einmündenden Anschluss A verbunden und tankseitig vom Kegelflächenring (10) mit Radialbohrungen (23) versehen ist sowie ein mit einem Steuerdruckmittel beauschlagbarer, hohlzylindrischer Steuerkolben (16) in einem zwischen der Steuerkolbenführung (6) und dem Ventilkolben (9) gebildeten Ringspalt (15) bis über die Ablauföffnungen (22) der Steuerkolbenführung (6) verschiebbar ist, wobei der Steuerkolben (16) das Ventil in der Öffnungsstellung auf einer Kegeldichtfläche (17) zum Tankanschluss T abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kunststoffdichtsitzring (11) und ein Stahldichtsitzring (13) für den Ventilkolben (9) und den Steuerkolben (16) in einer stufenförmig umlaufenden Aufnahme (14) eines hülsenförmigen Ventilsitzträgers (5) formschlüssig gekammert und die Einzelbauteile des 3/2-Wegeventils durch den Schraubverschluss (7) im Ventilgehäuse 2 kraftschlüssig verspannt sind.

2. Druckgesteuertes 3/2-Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffdichtsitzring (11) auf der Hochdruckseite des Ventilkolbens (9) aus einem hochfesten Kunststoff gefertigt und zwischen dem Ventilsitzträger (5) und der aus Stahl gefertigten Stahldichtsitzring (13) des Steuerkolbens (16) auf der Tankseite eingesetzt ist, der stirnseitig mit dem Ventilsitzträger (5) bündig abschließt.

3. Druckgesteuertes 3/2-Wegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahldichtsitzring (13) des Steuerkolbens (16) den Kunststoffdichtsitzring (11) des Ventilkolbens (9) auf der zur Kolbendichtfläche (12) abgewandten Seite mit einer einwärts abgeschrägten Ringfassung formschlüssig umgreift.

4. Druckgesteuertes 3/2-Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (16) eine gegenüber dem Durchmesser am Außenmantel zur Kegeldichtfläche (17) hin abgesetzten Abschnitt (27) mit einem kleineren Durchmesser aufweist, dessen Ringfläche kleiner ist als die gegenseitige, vom Steuerdruck belastete Ringfläche.