DE19849829A1 - Federstößelventil - Google Patents

Abstract

Für den Einsatz im untertägigen Berg- und Tunnelbau vorgesehene Druckbegrenzungsventile können im Ansprechfall gleichmäßig öffnen und eine optimal große Menge des Druckmediums passieren lassen, weil der zweite Ventilkolben 12 einen größeren Durchmesser aufweist und zwar einen deutlich größeren Durchmesser als der erste Ventilkolben 11. Form und Art des zweiten Kolbens 12 verhindern ein ungleichmäßiges Öffnen des Druckbegrenzungsventils und ein zu frühes oder ein häufiges Zwischenschließen des Ventils, was in der Regel sogar dazu führt, dass der zu schützende Stempel doch eine Teilbeschädigung oder gar volle Beschädigung erfährt, nur weil die notwendige Menge des Druckmediums nicht in der notwendig kurzen Zeit abgeführt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federstößelventil für den hydraulischen Stempelaus­ bau im untertägigen Berg- und Tunnelbau mit einem rohrförmigen Ventilgehäuse mit Ventilfeder und einem diese abstützenden Federteller sowie in einer Führung gegen die Ventilfeder verschieblichen, in axialer Richtung hintereinander angeordneten Ventilkol­ ben, wobei der erste Ventilkolben über das Druckmedium mit seinen Radialbohrungen bis in Höhe von Querbohrungen verfahrbar ist, über die das Druckmedium beim An­ sprechen des Ventils unter Umgehung des Federraums abspritzen kann.

Derartige Druckbegrenzungsventile sind beispielsweise aus der DE-OS 35 08 986.5-12 bekannt. Diese Druckbegrenzungsventile werden eingesetzt, um den unter­ tägigen Ausbau vor Überlastung zu schützen. Solche Überlastungen können auftreten, wenn der Ausbau aufgrund der auftretenden Konvergenz zusammengeschoben wird, sodass der Druck in den einzelnen Stempeln ansteigt. Solche plötzlich auftretenden Konvergenzen sind oft Folge sogenannter Gebirgsschläge. Um eine Überlastung zu vermeiden, wird ein Teil der in den Stempeln anstehenden Druckflüssigkeit durch die Druckbegrenzungsventile genau dann abgeführt, wenn ein kritischer Druck von bei­ spielsweise über 400 bar auftritt. Hierzu sind diese Druckbegrenzungsventile mit einer Ventilfeder ausgerüstet, die im Ventilgehäuse zwischen dem auf dem Ventilkolben aufgesetzten Federteller einerseits und der Stellschraube andererseits angeordnet ist. Über den Ventilkolben und über den Federteller wird die Ventilfeder dann bei auftre­ tender Überlast zusammengedrückt, sodass der Ventilkolben in der Ventilbohrung sich verschiebt und dabei einen O-Ring überfährt, sodass das hinter ihm anstehende Druck­ medium aus dem Stempel durch das Druckbegrenzungsventil in die Atmosphäre Ab­ strömen kann. Aus der Fig. 4 ist dabei ein Druckbegrenzungsventil bekannt, das zwei in axialer Richtung angeordnete Ventilkolben aufweist, wobei der erste die Axial- und die Radialbohrungen aufweist, während der zweite dafür sorgt, dass das Druckmedium nicht in den Federraum eindringen kann, sondern vorher über die Querbohrungen zwangsweise abströmt. Um den Federraum völlig trocken zu halten, ist zusätzlich auch für den in axialer Richtung zweiten Ventilkolben eine O-Ringdichtung vorgesehen.

Unabhängig von der Verwendung eines oder zweier Ventilkolben ist bei derartigen Druckbegrenzungsventilen ein unruhiges Ventilverhalten und eine relativ steile Kenn­ linie im Ansprechfall gegeben. Grund hierfür ist im Wesentlichen, dass im heutigen Berg- und Tunnelbau die Druckbegrenzungsventile nicht mehr im Bereich des Stempel­ fußes angeordnet sind, sondern vielmehr mit dem Stempelfuß über eine Leitung verbun­ den sind, sodass sie in gewissem Abstand zum Liegenden abspritzen können. Aufgrund der nicht zu vermeidenden Vibrationen wird der Ventilkolben nicht mit der notwendi­ gen Gleichförmigkeit verschoben, sondern vielmehr so, dass es zu einem ungleichmäßi­ gen, frühzeitigen oder sonstigen Ventilverhalten kommt und eben auch zu einer ungün­ stigen Kennlinie.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Federstößelventil mit größerer Durchflussmenge, verbessertem Ventilverhalten und flacherer Kennlinie zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zweite Ventilkol­ ben den Druck im Wasserkasten gezielt mitaufnehmend ausgebildet ist.

Durch die besondere Formgebung und Wirkung des zweiten Ventilkolbens ist erreicht, dass der erste Ventilkolben und der zweite Ventilkolben zusammen sehr gleichmäßig verfahren werden, wenn das Druckmedium die vorgegebene Grenze über­ steigt. Beide Ventilkolben verschieben dann gezielt und geführt gegen die Kraft der Ventilfeder, sodass der erste Ventilkolben mit seinen Radialbohrungen den abdichten­ den O-Ring gleichmäßig überfährt und die Druckflüssigkeit bzw. das Druckmedium freigibt, sodass dieses unter Umgehung des Federraums abspritzen kann. Dabei wird der Druck dieses Druckmediums gleichzeitig mit dazu ausgenutzt, um den entsprechend ausgebildeten zweiten Ventilkolben gegen die Kraft der Ventilfeder zu verschieben.

Eine insgesamt flachere Kennlinie aber vor allem auch ein verbessertes Ventil­ verhalten, d. h. ein ruhigerer Verlauf ist die Folge, wobei vorteilhaft hinzukommt, dass nun auch der erste Ventilkolben so geformt und ausgerüstet werden kann, dass große Durchflussmengen an Druckmedium passieren können, vor allem aber auch dadurch, dass durch das gleichmäßige und ruhige Öffnen des Federstößelventils insgesamt Ver­ kantungen u. ä. vermieden werden, sodass das Ventil so lange geöffnet bleibt, wie dies zum Abbau des Überdrucks im Stempel erforderlich ist und um dann auch gleichmäßig und ruhig wieder zu schließen, ohne dass es zu einem sogenannten "Flattern" kommen kann.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Ventilkolben mit einem vergrößerten Boden, an dem der erste Ventilkolben anliegt, ausgerüstet ist. Rundum den Kopf des ersten Ventilkolbens herum ergibt sich somit eine entsprechende Fläche, die für das gleichmäßige Verschieben des entspre­ chend größeren zweiten Ventilkolbens mitverantwortlich ist und damit auch dafür, dass ein ungleichmäßiges oder zitterndes Öffnen der Ventilteile unterbleibt.

Eine weitere zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils ist die, bei der der zweite Ventilkolben einen gegenüber dem Durchmesser des ersten Ventil­ kolbens größeren Durchmesser aufweist. Der zweite Ventilkolben verfügt somit nicht nur über einen entsprechend größeren Boden oder eine entsprechend größere Boden­ fläche, sondern der gesamte zweite Ventilkolben ist im Gesamtdurchmesser deutlich größer als der erste Ventilkolben, was zu der schon mehrfach erwähnten gleichmäßigen Öffnung des Ventils entscheidend beiträgt.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der zweite Ventilkolben eine um 50-100% oder darüberliegende Bodenfläche aufweist. Die entsprechende Masse des zwei­ ten Ventilkolbens sichert somit das weiter oben erläuterte gleichmäßige Öffnungsverhal­ ten des Ventils und damit auch einen ruhigen Verlauf des Öffnungsvorganges, sodass auch dann, wenn die Zuleitung zum Druckbegrenzungsventil durch den anstehenden Druck in Schwingungen oder in sonstige Belastungen gerät, diese schädlichen Einflüsse auf den Öffnungsvorgang nicht einwirken können.

Die beschriebenen Vorteile bei der Montage aber auch beim Betrieb des Druck­ begrenzungsventils sind insbesondere gegeben, wenn der zweite Ventilkolben in eine Bohrung in der verlängerten Führung eingepasst und gegenüber dem Federraum abge­ dichtet oder dass auf eine Dichtung verzichtet ist. Der ja einen wesentlich größeren Durchmesser aufweisende zweite Ventilkolben kann in der ihm angepassten Bohrung gleichmäßig hin- und herbewegt werden, wobei es hier auf eine Abdichtung des Feder­ raums nicht ankommt, sodass auf die in der Regel teure Dichtung verzichtet werden kann.

Mit dem Begriff Wasserkasten ist der Raum bezeichnet, der um die beiden Ven­ tilkolben herum verbleibt, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, dass der Wasser­ kasten und die Querbohrungen einen Staudruck im Wasserkasten erzeugend ausgebildet sind. Der Druck des ausströmenden Druckmediums soll ja mit dazu benutzt werden, den Öffnungsvorgang zu vergleichmäßigen und den zweiten Ventilkolben und damit natürlich auch den ersten Ventilkolben gleichmäßig zu bewegen. Dies wird durch die entsprechende Ausbildung des Wasserkastens erreicht, der zusammen mit den Querboh­ rungen verhindert, dass der entsprechende Staudruck sich zu schnell abbaut. In der Regel werden die Querbohrungen einen geringeren Durchmesser aufweisen, als der Wasserkasten, sodass das ausströmende Druckmedium zumindestens begrenzt daran gehindert ist, allerdings ohne dass es zu einem ungleichmäßigen oder gar zu geringem Abströmen des Druckmediums kommen kann.

Ein Einpassen des zweiten Ventilkolbens in die entsprechende Bohrung in der verlängerten Führung wird dadurch erleichtert und auch der Strömungsvorgang des abströmenden Druckmediums begünstigt, dass der Boden des zweiten Ventilkolbens randseitig angeschrägt ist. Dabei wird diese Schräge relativ klein gehalten, sodass sie aber immerhin im Endbereich des Verschiebens des zweiten Ventilkolbens rundum ihn und um die Bohrung in der verlängerten Führung ein ergänzender kleiner Stauraum für das Druckmedium ergibt.

Weiter vorne ist ausgeführt worden, dass der erste Ventilkolben einen deutlich geringeren Durchmesser als der zweite Ventilkolben aufweist. Ein gleichmäßiges Anlie­ gen und damit auch eine gleichmäßige Beeinflussung des zweiten Ventilkolbens durch den ersten Ventilkolben ist dadurch sichergestellt, dass der erste Ventilkolben mit ei­ nem Kopf am vergrößerten Boden des zweiten Ventilkolbens flächig, vorzugsweise über einen abgeflachten Kopf anliegt.

Sowohl die auftretenden Kräfte wie aber insbesondere das gleichmäßige Öffnen des Ventils mit optimaler bzw. optimierter Kennlinie wird erreicht, weil der zweite Ventilkolben und Federteller eine kompakte oder eine geteilte Baueinheit bildende und vorzugsweise als als Drehteil ausgebildet sind. Beide Teile bilden somit ein gemein­ sames Bauteil, das günstig zu montieren aber auch ansonsten zu handhaben ist und dass insbesondere den Öffnungsvorgang wie weiter vorne schon erläutert günstig beeinflus­ sen kann.

Zur weiteren Optimierung des Öffnungsverhaltens des erfindungsgemäßen Ven­ tils ist vorgesehen, dass die verlängerte Führung bzw. die den zweiten Ventilkolben aufnehmende Bohrung eine die einwandfreie Führung des Ventilkolbens gewährleisten­ de Länge aufweist. Dies bedeutet, dass eine entsprechend lange Führung und ein ent­ sprechend bemaßter Ventilkolben erforderlich sind, um die beschriebene Wirkung des im Durchmesser größeren zweiten Ventilkolbens sicherzustellen und damit die beschrie­ benen Vorteile zu gewährleisten. Es reicht nicht, wenn die verlängerte Führung ledig­ lich eine Art Ring ergibt, der sich um den zweiten Ventilkolben herumlegt. Der Ventil­ kolben muss schon etwa die Länge des ersten Ventilkolbens aufweisen und dement­ sprechend ist auch die verlängerte Führung zu bemessen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Federstößelventil mit einer größeren Durchflussmenge geschaffen ist, weil die beiden in axialer Richtung angeord­ neten Ventilkolben sich vorteilhaft gegenseitig so beeinflussen und ein gleichmäßiges Öffnen des Ventils sichern, sodass es nicht zu einem unbeabsichtigten kurzzeitigen Wiederschließen oder gar einem Flattern des Ventils kommen kann. Vielmehr strömt bei einem Ansprechen des Druckbegrenzungsventils das Druckmedium über den ge­ samten notwendigen Zeitraum gleichmäßig aus, ohne dass es wieder zu einem früh­ zeitigen Schließen kommt, das erst dann auftritt, wenn der Überdruck auch wirklich abgebaut ist. Dadurch, dass eine entsprechend große Durchflussmenge in kürzester Zeit das Druckbegrenzungsventil passiert, ist damit gleichzeitig aber auch eine Überbean­ spruchung des Stempels, den das Druckbegrenzungsventil sichert, verhindert. Das ver­ besserte Ventilverhalten und die flachere Kennlinie führt zu längeren Standzeiten des Druckbegrenzungsventils aber auch zu einem genauen Ansprechen und zu einem gleich­ mäßigen Öffnen, sodass damit ein optimierter Schutz für die damit ausgerüsteten Hy­ draulikstempel verbunden ist. Es zeigt sich dabei, dass ein derart ausgebildetes Feder­ stößelventil gleichzeitig auch leichter zu montieren ist, zumal es nun nicht mehr auf eine möglichst kurze Verbindungsleitung zwischen dem Fußbereich des Stempels und dem Ansatzpunkt oder dem Fixierpunkt des Druckbegrenzungsventils ankommt. Selbst bei längeren Leitungen werden die schädlichen Schläge oder Beeinflussungen des Druckbegrenzungsventils ausgeglichen, sodass dieses wichtige Bauteil auch bei hoch­ sensiblen Hydraulikstempeln oder Ausbaugestellen zu einer verbesserten Betriebssicher­ heit führt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Federstößelventil im Längsschnitt und

Fig. 2 eine vergrößerte Wiedergabe des Übergangsberei­ ches zwischen den beiden Ventilkolben.

Das in Fig. 1 wiedergegebene Ventil 1 mit einem Ventilgehäuse 2 ist ein so­ genanntes Federstößelventil. Mit dem eigentlichen Ventilgehäuse 2 ist eine Führung 3 über ein Gewinde 4 verbunden, wobei hier eine sogenannte verlängerte Führung 5 zwischengeschoben ist, die ebenfalls über ein Gewinde verfügt, sodass die einzelnen Bauteile miteinander verschraubt werden können.

Innerhalb des Federraumes 7 des Ventilgehäuses 2 ist eine Ventilfeder 8 unter­ gebracht, die sich einmal an der Stellschraube 24 und zum anderen an dem Federteller 9 abstützt. Der Federteller 9 ist im dargestellten Beispiel mit dem zweiten Ventilkolben 12 zu einer Baueinheit zusammengefügt.

Auf diese Weise wird der zweite Ventilkolben 12 bei Ansprechen des ersten Ventilkolbens 11 in der Bohrung 10 gegen den Federteller 9 und damit die Ventilfeder 8 verschoben. Der Öffnungsvorgang des Ventils 1 ist dann abgeschlossen, wenn die Radialbohrungen des ersten Ventilkolbens 11 den O-Ring 14 passiert haben, sodass die Druckflüssigkeit über die Querbohrungen 16, 17 abströmen kann. Dabei gelangt des Druckmedium zunächst in den Wasserkasten 18, der mit den Querbohrungen 16, 17 so ausgebildet ist, dass sich ein gewisser Staudruck einstellt, der den Öffnungsvorgang insbesondere des zweiten Ventilkolbens 12 mit vorteilhaft beeinflusst.

Der Boden 19 des zweiten Ventilkolbens ist deutlich größer als der Kopf 22 des ersten Ventilkolbens 11. Der Boden 19 bzw. das Unterteil des zweiten Ventilkolbens 12 verfügt über Schrägen 20, sodass sich beim eingeschobenen zweiten Ventilkolben 12 in dem Endbereich der Bohrung 10 eine Art Ringkanal ergibt.

Der Kopf 22 des Ventilkolbens 11 verfügt über eine Abflachung, sodass sich eine Andruckfläche 23 ergibt. Der Kopf 22 des Ventilkolbens 11 liegt damit entspre­ chend breit am Boden 19 des zweiten Ventilkolbens 12 an. Der Federraum 7 ist durch den zweiten Ventilkolben 12 nur begrenzt abgedichtet. Dies ist aber auch nicht von Wichtigkeit, weil die im Federraum 7 gelagerte bzw. angeordnete Ventilfeder 8 aus entsprechend nicht rostendem Material gefertigt ist. Die Ventilfeder stützt sich einmal an der Stellschraube 24 und zum anderen am Federteller 9 ab, wobei die Kraft der Ventilfeder 8 durch die im Gewinde 25 verschraubbare Verstellschraube 24 eingestellt werden kann, je nach Notwendigkeit.

In der Stellschraube 24 ist eine Auslassbohrung 26 vorgesehen, sodass sogar ggf. Druckflüssigkeit dann austreten kann, wenn sie sich durch die Bohrung 10 hin­ durch am Ventilkolben 12 vorbeigeschlängelt haben sollte. In die Innenwand 27 ist das Gewinde 25 eingeschnitten, über das die Stellschraube 24 entsprechend eingestellt wer­ den kann. Fig. 1 verdeutlicht, dass ein relativ weiter Verschiebeweg vorgegeben ist.

Die Bohrung 10 einerseits und der zweite Ventilkolben 12 andererseits sind korrespondierend ausgebildet, sodass der zweite Ventilkolben 12 einwandfrei in der Bohrung 10 verschiebbar ist. Er hat eine glatte Kolbenwand 28, wobei auch die Boh­ rungswand 29 entsprechend bearbeitet ist, um ein Verschieben des zweiten Ventilkol­ bens 12 nicht zu behindern.

Die einzelnen Teile des Ventils 1 sind an Hand der Fig. 1 erläutert worden, wobei Fig. 2 lediglich eine vergrößerte Wiedergabe des Übergangsbereiches zwischen den beiden Ventilkolben 11, 12 ist. Hier ist deutlich erkennbar, dass der zweite Ventil­ kolben 12 im Bereich des Bodens 19 die Schräge 20 aufweist und dass sich insgesamt ein vergrößerter Wasserkasten 18 ergibt, der mit dazu beiträgt, dass sich ein Staudruck ergibt, über den die Bewegung des zweiten Ventilkolbens mit beeinflusst ist.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (10)

1. Federstößelventil für den hydraulischen Stempelausbau im untertägi­ gen Berg- und Tunnelbau mit einem rohrförmigen Ventilgehäuse (2) mit Ventilfeder (8) und einem diese abstützenden Federteller (9) sowie in einer Führung (3) gegen die Ventilfeder (8) verschieblichen, in axialer Richtung hintereinander angeordneten Ventil­ kolben (11, 12), wobei der erste Ventilkolben (11) über das Druckmedium mit seinen Radialbohrungen (15) bis in Höhe von Querbohrungen (16, 17) verfahrbar ist, über die das Druckmedium beim Ansprechen des Ventils (1) unter Umgehung des Federraums (7) abspritzen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilkolben (12) den Druck im Wasserkasten (18) gezielt mitaufneh­ mend ausgebildet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilkolben (12) mit einem vergrößerten Boden (19), an dem der erste Ventilkolben (11) anliegt, ausgerüstet ist.

3. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilkolben (12) einen gegenüber dem Durchmesser des ersten Ventil­ kolbens (11) größeren Durchmesser aufweist.

4. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilkolben (12) eine um 50-100% oder darüberliegende Boden­ fläche aufweist.

5. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilkolben (12) in eine Bohrung (10) in der verlängerten Führung eingepasst und gegenüber dem Federraum (7) abgedichtet oder dass auf eine Dichtung verzichtet ist.

6. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkasten (18) und die Querbohrungen (16, 17) einen Staudruck im Was­ serkasten (18) erzeugend ausgebildet sind.

7. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (19) des zweiten Ventilkolbens (12) randseitig angeschrägt ist.

8. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilkolben (11) mit einem Kopf (22) am vergrößerten Boden (19) des zweiten Ventilkolbens (12) flächig, vorzugsweise über einen abgeflachten Kopf anliegt.

9. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweiter Ventilkolben (12) und Federteller (9) eine kompakte oder eine geteilte Baueinheit bilden und vorzugsweise als Drehteile ausgebildet sind.

10. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verlängerte Führung (5) bzw. die den zweiten Ventilkolben (12) aufnehmende Bohrung (10) eine die einwandfreie Führung des Ventilkolbens (12) gewährleistende Länge aufweist.