-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil für Hydrauliksysteme,
vorzugsweise für
den hydraulischen Schreitausbau im Bergbau.
-
Druckbegrenzungsventile
für hydraulische Systeme
haben die Aufgabe, den Druck einer Druckflüssigkeit in hydraulischen Arbeitszylindern,
insbesondere in hydraulischen Stempeln von im Bergbau verwendeten
Ausbaugestellen, auf einen festgelegten Höchstwert zu begrenzen und nach
Erreichen dieses Höchstwertes
den Druck über
die Standzeit des unter Druck stehenden Arbeitszylinders konstant zu
halten. Das Druckbegrenzungsventil muss diesen Anforderungen sowohl
bei konstanter Länge
des Arbeitszylinders als auch bei einer durch externe Kräfte bewirkten
Verkürzung
durch Einschub des Zylinderkolbens genügen. Dies bedeutet, dass das
Druckbegrenzungsventil die durch die Verkürzung der Ausschiebelänge des
Zylinderkolbens verdrängte
Druckflüssigkeit
aus dem Arbeitszylinder abführen
muss. Bei einem Überschreiten
des Öffnungsdrucks öffnet das
Druckbegrenzungsventil und Druckflüssigkeit kann solange entweichen,
bis der Schließdruck
unterschritten wird und das Druckbegrenzungsventil wieder schließt. Dabei
sollen der Öffnungsdruck
und der Schließdruck
möglichst
wenig vom Solleinstelldruck des Druckbegrenzungsventils abweichen.
Eine Hysterese zwischen dem Öffnungsdruck
und dem Schließdruck
muss so groß sein,
dass ein Flattern des Druckbegrenzungsventils vermieden wird. Druckbegrenzungsventile
müssen
Volumenströme
in der Größenordnung
von einigen 100 l/min bis zu einigen 1000 l/min in eine Rücklaufleitung
oder ins Freie abgeben.
-
Es
sind Druckbegrenzungsventile bekannt, bei denen die Schließkraft der
Ventile gegen den Druck der Druckflüssigkeit durch zylindrische
Druckfedern, durch Tellerfedern oder durch Gasdruck erzeugt wird.
Aus dem Stand der Technik sind Kugel- und Kegelsitzventile, Membranventile
und Kolbenschieberventile bekannt.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Druckbegrenzungsventil zu schaffen,
das mit wenigen Bauteilen eine effektive Druckbegrenzung bewirkt.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Druckbegrenzungsventil gemäß Anspruch
1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil
umfasst einen Ventilkörper,
in dem ein Ventilkolben gegen die Kraft einer Druckfeder in axialer
Richtung verschiebbar ist, und einen im Ventilkörper angeordneten Durchflusskanal,
wobei mit dem Ventilkolben ein Ventilzapfen in starrer Verbindung
steht, der mit Hilfe eines im Durchflusskanal vorgesehenen Dichtrings den
Durchflusskanal abgedichtet verschließt, wobei sich zwischen der
radial inneren Seite des Dichtrings und dem Durchflusskanal ein
umlaufender Haltebund derart erstreckt, dass nur auf einer dem Ventilzapfen zugewandeten
Seite des Dichtsitzes eine Öffnung zum
Durchflusskanal hin ausgebildet ist, in deren Bereich der Dichtring
mit dem Ventilzapfen zusammenwirkt. Der Kolbenhub ist so gering,
dass die Verwendung einer kurzen Druckfeder möglich ist, wodurch ein rasches
Erreichen des maximalen Austrittsvolumenstroms und damit ein beschleunigtes
Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils erreicht werden. Bei
einem schlagartigen Druckanstieg im Hydrauliksystem, beispielsweise
durch einen Gebirgsschlag, wird damit eine Beschädigung von nicht überdruckfesten
Komponenten verhindert. Beim Öffnen des
Ventils wird durch den Haltebund vermieden, dass der Dichtring dem
Ventilzapfen folgt und dabei aus dem Dichtsitz herausrollt. Weiterhin
erlaubt die Ver wendung von nur wenigen Bauteilen eine kostengünstige Fertigung
des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils.
-
Weiterhin
ist bei einem erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventil
im geöffneten
Zustand der Querschnitt des Ausströmbereichs an keiner Stelle kleiner
als der Querschnitt des Durchflusskanals. Dadurch werden Verengungen
im Ausströmbereich
vermieden und eine maximale Ausströmgeschwindigkeit der Druckflüssigkeit
bei hohem Durchfluss erreicht.
-
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung und den Unteransprüchen beschrieben.
-
Bei
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils
kann der Dichtring durch den Durchlasskanal in den Dichtsitz einsetzbar
sein. Dies hat den Vorteil, dass ein Austausch des Dichtrings ohne
Zerlegung des Ventilkörpers
erfolgen kann.
-
Vorzugsweise
kann in dem Durchlasskanal ein hohlzylinderförmiger Andruckkolben vorgesehen sein,
wobei eine axiale Andruckfläche
des Dichtsitzes durch eine Stirnfläche des Andruckkolbens gebildet
ist und der Haltebund an der radial inneren Seite der Stirnfläche angeordnet
ist. Der Dichtsitz weist somit insgesamt vier Dichtflächen auf,
wobei eine radial äußere und
eine erste axiale Dichtfläche
im Durchlasskanal des Ventilkörpers
ausgebildet sind. Eine zweite axiale Dichtfläche wird durch die Stirnfläche des
in den Durchlasskanal eingesetzten Andruckkolbens gebildet, der
durch den Druck der Druckflüssigkeit
gegen den Dichtring gepresst wird und diesen wiederum gegen die
erste axiale Dichtfläche
drückt. Schließlich wird
der Dichtring durch den die vierte Dichtfläche bildenden Haltebund an
einer radial nach innen gerichteten Bewegung gehindert. Die zweiteilige
Ausgestaltung des Dichtsitzes zusammen mit dem ohne weitere Befestigungsmittel
in einer Montagestellung gehaltenen Andruckkolben erlaubt eine besonders
einfache Montage des Druckbegrenzungsventils. Auch ein Austausch
des Dichtrings kann mit geringem Aufwand durchgeführt werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann in dem Durchlasskanal eine erste Stufe als Anschlag für den Andruckkolben
ausgebildet sein, wodurch der Durchmesser des Durchlasskanals in
Richtung vom Dichtring weg vergrößert ist,
und an einer radialen Außenseite
des Andruckkolbens kann eine zur ersten Stufe komplementäre und mit
dieser zusammenwirkende zweite Stufe ausgebildet sein. Hierdurch wird
ein Endanschlag für
den Andruckkolben gebildet, der eine übermäßige Pressung des Dichtrings vermeidet.
-
Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann sich der Haltebund
von der radialen Stirnfläche
zu einem dem Ventilzapfen zugewandeten Ende hin verjüngen. Hierdurch
wird erreicht, dass der Dichtring hinreichend fest in dem Dichtsitz
fixiert wird. Insbesondere wird eine gewisse radial nach außen wirkende
Vorspannung des Dichtrings erzielt.
-
Bevorzugt
kann der Dichtring mittels über
die Andruckfläche
und/oder den Haltebund übertragener Kräfte in Richtung
der Öffnung
zum Durchflusskanal verformbar sein. Durch die Verformung wird der
Dichtring geringfügig
durch die Öffnung
hindurch radial nach innen gedrückt.
Der radial nach innen gedrückte Abschnitt
des Dichtrings wirkt in geschlossenem Zustand des Ventils mit dem
Ventilzapfen zusammen, wobei dieser wiederum einen Gegendruck auf
den Dichtring ausübt.
Durch die derart erzielte Pressung des Dichtrings wird die Dichtigkeit
des Druckbegrenzungsventils bis zum Erreichen des Öffnungsdrucks gewährleistet.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils
kann der Ventilzapfen die Form eines Kreiszylinders mit einer weitgehend
ebenen Endfläche
aufweisen. Dadurch wird die Fertigung unter dem Aspekt niedriger
Kosten weiter vereinfacht. Ferner entfallen die bei einem Hohlkolben üblichen
radialen Bohrungen. Außerdem
kann der Ventilzapfen an seinem äußeren Ende
eine Fase aufweisen, die das Eindringen des Ventilzapfens in den
Dichtring während
des Schließens
erleichtert. Der Ventilzapfen kann bevorzugt massiv ausgeführt sein.
-
Vorteilhafterweise
kann der Durchmesser des Ventilzapfen gleich dem Außendurchmesser
des Haltebundes an seinem dem Ventilzapfen zugewandeten Ende sein.
Hierdurch wird sichergestellt, dass der Ventilzapfen bei geschlossenem
Druckbegrenzungsventil eine ausreichende Pressung auf den Dichtring
ausübt.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann sich der Ventilzapfen bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil
in axialer Richtung um weniger als die Hälfte der Schnurdicke des Dichtrings durch
diesen hindurch erstrecken. Hierdurch wird der notwendige Kolbenhub
weiter reduziert, da der Ventilzapfen nur so viel Hubweg in den
Dichtring hinein benötigt,
dass eine abgedichtete Verbindung zwischen dem Ventilzapfen und
dem Dichtring erreicht wird. Es ist für die Funktion des Druckbegrenzungsventils
nicht erforderlich, dass sich der Ventilzapfen in das Innere des
durch den Haltebund begrenzten Raumes hinein erstreckt oder an den
Haltebund anstößt.
-
Vorzugsweise
kann sich in einer weiteren Ausführungsform
zwischen dem Ventilkolben und dem Ventilkörper eine Dichtung befinden.
Diese Dichtung verhindert ein Eindringen von Schmutz oder Druckflüssigkeit
in den Federraum. Dies erlaubt die Verwendung von Druckfedern, die
nicht notwendigerweise aus rostfreiem Stahl gefertigt sein müssen und
deshalb bessere Federeigenschaften aufweisen, und erhält ferner
die Betriebsfähigkeit
des gesamten Druckbegrenzungsventils. Weiterhin schützt die
Dichtung die mittels Fett geschmierte Führung des Ventilkolbens vor
Verschmutzung und/oder vor einer Auswaschung des Fetts.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann der Ventilkolben federseitig eine Bohrung aufweisen. Der Durchmesser
der Bohrung ist bevorzugt etwas größer als der Durchmesser der
Druckfeder, so dass sich die Druckfeder in den Ventilkolben hinein
erstrecken kann. Dabei kann die Tiefe der Bohrung etwa ein Viertel
bis die Hälfte
der Federlänge
betragen. Gleichzeitig ist dadurch am Ventilkolben ein Führungsflansch
geschaffen, der eine präzise Führung des
Ventilkolbens im Ventilgehäuse
durch eine große
Kolbenlänge
ohne eine gleichzeitige Vergrößerung der
Baulänge
des Druckbegrenzungsventils ermöglicht.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des Druckbegrenzungsventils kann der Ventilkörper zwei Gehäuseteile
aufweisen, die gegeneinander verstellbar sind und durch ein Sicherungselement
gegeneinander fixierbar sind. Dies kann insbesondere dadurch erreicht
werden, dass die beiden Gehäuseteile über ein
Gewinde miteinander verbunden sind. Durch das Verstellen der Gehäuseteile
gegeneinander kann eine unterschiedliche Vorspannung der Druckfeder
erreicht werden, die den Öffnungs-
bzw. Schließdruck
des Druckbegrenzungsventils definiert. Damit wird eine Justierung
des Öffnungsdrucks
ermöglicht.
Durch das Sicherungselement, beispielsweise eine Verstemmung, eine
Kontermutter, ein in Bohrungen einsteckbarer Splint oder Klebstoff,
können
beide Gehäuseteile
gegeneinander fixiert werden, damit ein unbeabsichtigtes Verstellen
des Öffnungs-
bzw. Schließungsdrucks
verhindert wird.
-
Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann an einem erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventil
eine Codierung, insbesondere eine Farbcodierung, vorgesehen sein,
die den Öffnungsdruck
des Ventils angibt. Durch diese Farbcodierung wird die Gefahr einer
Verwechselung von äußerlich
gleichen, aber bei unterschiedlichen Öffnungsdrucken öffnenden
Druckbegrenzungsventilen vermindert. Der Vorteil einer Farbcodierung
gegenüber
einer anderweitigen Kennzeichnung, wie beispielsweise einer Beschriftung,
ergibt sich aus einer erleichterten Erkennbarkeit auch bei schlechten Lichtverhältnissen,
wie sie häufig
untertage anzutreffen sind.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
können
die Oberflächen
des Ventilkörpers,
des Ventilkolbens und/oder des Ventilzapfens zumindest abschnittsweise
gehärtet
sein. Die Oberflächen
der besagten Elemente sind durch die große Strömungsgeschwindigkeit der Druckflüssigkeit
beim Druckabbau in besonderem Maße einem Erosionsverschleiß ausgesetzt.
Durch eine Oberflächenhärtung kann
dieser Erosionsverschleiß vermindert
werden.
-
Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Ziele der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,
das anhand der Zeichnung erläutert
wird; in diesen zeigen:
-
1 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils
in einem geschlossenen Zustand;
-
2a eine
Schnittansicht eines Teilbereichs des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils
gemäß 1 in
einem geschlossenen Zustand; und
-
2b eine
Schnittansicht eines Teilbereichs des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils
gemäß 2a in
einem offenen Zustand.
-
In 1 ist
ein beispielhaftes Druckbegrenzungsventil 10 in einem geschlossenen
Zustand in einer Schnittansicht dargestellt. Das Druckbegrenzungsventil 10 weist
einen Ventilkörper 12 auf,
der aus einem oberen Gehäuseteil 14 und
einem unteren Gehäuseteil 16 besteht,
die über
ein Gewinde 15 miteinander verschraubt und durch eine Verstemmung 17 gegen
unbeabsichtigtes Verdrehen gegeneinander gesichert sind. In einem
Federraum 20 des oberen Gehäuseteils 14 ist eine
Druckfeder 18 angeordnet, die sich mit ihrem einen Ende
am stirnseitigen, äußeren Ende
des oberen Gehäuseteils 14 und
mit ihrem anderen Ende an einem im oberen Gehäuseteil 14 geführten Ventilkolben 22 abstützt. Dabei
erstreckt sich ein Teil der Druckfeder 18 in das Innere eines
ringförmigen
Führungsflansches 25,
der durch eine Bohrung 23 im Ventilkolben 22 ausgebildet
ist. Eine zwischen dem Ventilkolben 22 und dem oberen Gehäuseteil 14 angeordnete
Dichtung 24 schließt den
Federraum 20 nach außen
ab. Ferner ist am stirnseitigen, äußeren Ende des oberen Gehäuseteils 14 eine
Farbcodierung 36 vorgesehen, die den Solleinstelldruck
des Druckbegrenzungsventils 10 anzeigt.
-
Wie
man in den 2a und 2b, die
einen Bereich des Druckbegrenzungsventils 10 um den Ventilzapfen 26 und
den Dichtring 28 herum ausschnittsweise und gegenüber 1 vergrößert darstellen,
gut erkennen kann, ist ein Ventilzapfen 26 einstückig mit
dem Ventilkolben 22 ausgeführt. Alternativ kann der Ventilzapfen 26 in
starrer Verbindung, beispielsweise in Schraubverbindung, mit dem
Ventilkolben 22 stehen. Die Länge des Ventilzapfens 26 ist
etwas kleiner als sein Durchmesser. Der Ventilkolben 22 weist
im Bereich des Zapfens 26 einen ausgerundeten Freistich 21 auf,
der das Ausströmen
der Druckflüssigkeit
sowie eine Bearbeitung des Ventilzapfens 26 während des
Fertigungsprozesses erleichtert.
-
Gemäß den 1, 2a und 2b ist
im unteren Gehäuseteil 16 des
Ventilkörpers 12 ein
sich in axialer Richtung erstreckender Durchflusskanal 30 ausgebildet.
An der kolbenseitigen Stirnfläche
des unteren Gehäuseteils 16 ist
eine auf den Durchflusskanal 30 zulaufende Einführschräge 31 ausgebildet, die
das Einführen
des Ventilzapfens 26 in den Durchflusskanal 30 erleichtert.
-
Im
Durchflusskanal 30 ist ein zur Einführschräge 31 unmittelbar
benachbarter Dichtsitz 29 für einen Dichtring 28 angeordnet,
der mit insgesamt vier Flächen
mit dem Dichtring 28 in Kontakt steht, wobei eine axiale
Dichtfläche 40 im
unteren Gehäuseteil 16 im
Bereich des Durchflusskanals 30 auf der der Einführschräge 31 gegenüberliegenden
Stirnfläche
ausgebildet ist. Eine zur axialen Dichtfläche 40 senkrechte
radial äußere Dichtfläche 38 wird
durch die Innenwand des Durchflusskanals 30 gebildet.
-
Eine
zweite axiale Dichtfläche
wird durch eine als Andruckfläche 42 ausgebildete
Stirnfläche eines
in den Durchlasskanal 30 eingesetzten, als Hohlzylinder
ausgestalteten Andruckkolbens 44 gebildet, wobei dieser
durch den Druck der Druckflüssigkeit
leicht gegen den Dichtring 28 gedrückt wird und diesen wiederum
gegen die axiale Dichtfläche 40 drückt. Schließlich wird
der Dichtring 28 an einer radial nach innen gerichteten
Bewegung durch einen radial innen an der Andruckfläche 42 anschließenden Haltebund 46 gehindert,
der mit seiner Innenseite 48 die vierte Dichtfläche bildet.
Die Höhe
des Haltebundes ist geringer als die Schnur dicke des Dichtrings 28,
so dass zwischen der axialen Dichtfläche 40 und dem Haltebund 46 eine Öffnung verbleibt.
-
Der
Haltebund 46 verjüngt
sich zu seinem dem Ventilzapfen 26 zugewandten Ende, so
dass die Innenseite 48 gegenüber der radial äußeren Dichtfläche 38 geneigt
ist und diese eine Art Konus bilden. Hierdurch wird durch den eingesetzten
Andruckkolben 44 eine Presskraft auf den Dichtring 28 ausgeübt, die
diesen in Richtung auf die Öffnung
hin etwas verformt.
-
Der
Andruckkolben 44 weist an seinem Außenumfang eine Stufe 50 auf,
die seinen Durchmesser in einem der Andruckfläche 42 gegenüberliegenden
Abschnitt vergrößert. Im
Durchflusskanal ist eine weitere Stufe 52 ausgebildet,
die zur Stufe im Andruckkolben 50 komplementär ist und
einen Anschlag für
den Andruckkolben 44 bildet, welcher die auf den Dichtring 28 ausübbare Pressung
begrenzt.
-
Gemäß 2a,
die das Druckbegrenzungsventil 10 in einem geschlossenen
Zustand zeigt, erstreckt sich der Ventilzapfen 26 so weit
durch den Dichtring 28 hindurch, dass der Dichtring 28 im
Bereich einer Dichtkante 27 des Ventilzapfens 26 den Durchflusskanal 30 abgedichtet
verschließt.
-
Unter
Druck stehende Druckflüssigkeit
tritt mit dem Andruckkolben 44 in Kontakt, so dass dieser auf
den Dichtring 28 sowohl eine über die Andruckfläche 42 übertragene
Kraft in axialer Richtung als auch eine über die Innenseite 48 des
Haltebundes 46 übertragene,
zusätzlich
radial wirkende Kraft ausübt, die
den Dichtring 28 letztendlich radial nach innen etwas verformt.
Hierdurch wird ein vollständiges
Andrücken
des Dichtrings 28 an die Dichtkante 27 erzielt.
-
Während des Öffnungsvorgangs
des Druckbegrenzungsventils 10 wirkt außerdem die Innenseite 48 des
Haltebundes 46 einem Bestreben des Dichtrings 28 entgegen,
dem sich in Öffnungsrichtung
bewegenden Ventilzapfen 26 bedingt durch den hohen Druck
der Druckflüssigkeit
zu folgen und damit den Dichtsitz 29 zu verlassen.
-
2b stellt
das Druckbegrenzungsventil 10 in einem geöffneten
Zustand dar, wobei der Ventilzapfen 26 so weit aus dem
Durchflusskanal 30 entfernt ist, dass die Dichtkante 27 nicht
mehr in Kontakt mit dem Dichtring 28 steht und Druckflüssigkeit
aus dem Durchflusskanal 30 durch im oberen Gehäuseteil 14 angeordnete
radiale Öffnungen 32 entweichen kann.
-
Gemäß 1 verhindert
eine um das obere Gehäuseteil 14 herum
angeordnete, die radialen Öffnungen 32 verdeckende
Elastomerdichtung 33 ein Eindringen von Schmutz oder Fremdkörpern in
den Dichtbereich des Druckbegrenzungsventils 10. Durch
ihre Elastizität
setzt die Elastomerdichtung 33 der ausströmenden Druckflüssigkeit
nur einen unwesentlichen Widerstand entgegen und gibt während des
Ausströmens
die radialen Öffnungen 32 durch Abheben
vom oberen Gehäuseteil 14 frei.
-
- 10
- Druckbegrenzungsventil
- 12
- Ventilkörper
- 14
- oberes
Gehäuseteil
- 15
- Gewinde
- 16
- unteres
Gehäuseteil
- 17
- Verstemmung
- 18
- Druckfeder
- 20
- Federraum
- 21
- Freistich
- 22
- Ventilkolben
- 23
- Bohrung
- 24
- Dichtung
- 25
- Führungsflansch
- 26
- Ventilzapfen
- 27
- Dichtkante
- 28
- Dichtring
- 29
- Dichtsitz
- 30
- Durchflusskanal
- 31
- Einführschräge
- 32
- radiale Öffnung
- 33
- Elastomerdichtung
- 36
- Farbcodierung
- 38
- radial äußere Dichtfläche
- 40
- axiale
Dichtfläche
- 42
- Andruckfläche
- 44
- Andruckkolben
- 46
- Haltebund
- 48
- Innenseite
- 50
- Stufe
im Andruckkolben
- 52
- Stufe
im Durchflusskanal