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Betätigungsvorrichtung mit Rückschnellfederung.
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Zur Betätigung spezieller Einrichtungen, wie z.B. eines Ventils, sind
seit langem Vorrichtungen bekannt, bei denen im allgemeinen hydraulisch erzeugte
hin und hergehende Bewegungen in eine entsprechende Drehbewegung ungesetzt werden,
wodurch die Einrichtung ein- oder ausgeschaltet, d.h. ein Ventil geöffnet oder geschlossen
werden kann. Derartige Ventile und damit auch ihre Betätigungsvorrichtungen liegen
oft an unzugänglichen Stellen wie z.B. unter Wasser, und müssen bei Kraft- oder
Antriebsausfall sofort in eine ganz bestimmte Stellung gebracht werden, z.B.
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sofort geschlossen werden. Dies hat zur Entwicklung von Betätigungsvorrichtungen
mit Rückschnellfederung oder äquivalenten Sicherheitsvorrichtungen geführt.
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Im allgemeinen bestehen derartige Betätigungsvorrichtungen mit Rückschnellfederung
aus einem Gehäuse mit Organen zur Betätigung einer angeschlossenen Einrichtung wie
eines Ventils, einem an dieses Gehäuse angeschlossenen Druckzylinder mit einem über
seine Kolbenstange mit den Betätigungsorganen verbundenen Kolben und einem gegenüberliegend
an das Gehäuse angeschlossenen Zylinder mit einer über die Kolbenstange des Druckzylinderkolbens
zusammendrückbaren Rückschnellfeder.
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Dabei wird bei Ausfall des den Kolben im Druckzylinder in die eine
Betriebslage, z.B. die Einschaltstellung des über die Betätigungsorgane betätigbaren
Ventils, beaufschlagenden Arbeitsmediums die beim Zusammendrücken der Rückschnellfeder
in dieser gespeicherte Kraft frei, sodaß die Feder in ihre Ausgangs- oder entspannte
Lage zurückschnellt und das angeschlossene Ventil in diesem Beispiel schlagartig
schließt.
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Der große Nachteil derartiger Betätigungsvorrichtungen ist ihre Anfälligkeit
gegenüber einer Aggresivität des sie umgebenden Mediums wie beispielsweise Wasser.
Dies rührt daher, daß während des Kolbenhubes die vor ihm befindliche Luft oder
ein sonstiges Medium aus dem Zylinder entfernt werden muß. Dies bedeutet aber, daß
bei Verwendung eines üblichen Druckkolbens in dem die Rückschnellfederung beherbergenden
Zylinder dieser nicht völlig dicht gegenüber dem ihn umgebenden Medium abgeschlossen
werden kann,
sodaß dieses u.U. empfindliche Innenteile wie die Federung
angreifen und zerstören kann. Tritt dieser Fall ein, so muß bei den bisher üblichen
Ausführungen die Vorrichtung völlig zerlegt oder im Ganzen ausgetauscht werden.
Schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist aber auch die Umstellung einer derartigen
Vorrichtung auf andere Betriebswerte und schließlich geht oft beim Zurückdrücken
des Kolbens im Druckzylinder während der Entspannung der Rückschnellfeder viel Federkraft
verloren, sodaß die Umschaltung der zu betätigenden Einrichtung, beispielsweise
eines Ventils, nicht mit der gewünschten Schnelligkeit erfolgt.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und hat sich die Aufgabe
gestellt eine Betätigungsvorrichtung mit Rückschnellfederung, insbesondere zur Betätigung
eines Ventils, der vorgenannten Art in der Weise auszubilden, daß der die Betätigungsorgane
bei Druckbeaufschlagung in einer Richtung in Bewegung setzende Druckzylinder ebenso
wie der die Rückschnellfederung beherbergende Zylinder bei Bedarf schnell und bequem
gegen einen anderen Zylinder mit unterschiedlicher Leistung austauschbar ist, ohne
daß hierzu die gesamte Betätigungsvorrichtung zerlegt und ausgebaut werden muß,
daß die Rückschnellfederung vor korrosiven Einflüssen des die Vorrichtung umgebenden
Mediums geschützt ist und daß das den Druckzylinderkolben beaufschlagende Arbeitsmedium
zur Unterstützung seiner rücläufigen Bewegung wenigstens teilweise herangezogen
werden kann.
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Die Erfindung löst die Aufgabe einmal dadurch, daß der die Rückschnellfeder
beherbergende Zylinder aus einem an beiden Enden
durch Stirndeckel
gegenüber dem ihn umgebenden Medium abgedichteten Rohrstück besteht und durch wenigstens
eine in axialer Richtung durch ihn hindurchgehende Zugstange lösbar mit dem Betätigungsgehäuse
verbunden ist, daß zum Zusammendrücken der Rückschnellfeder eine auf der Zugstange
leicht verschiebbare und mit sehr viel Spiel in den Zylinder eingesetzte Druckplatte
vorgesehen ist, an deren von der Rückschnellfeder abgewandten Seite die Kolbenstange
des Kolbens des Druckzylinders angreift.
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Des weiteren sieht die Erfindung vor, daß der Druckzylinder aus einem
Rohrstück mit an beiden Enden angesetzten Stirndeckeln besteht, daß durch dieses
Rohrstück und zumindest teilweise durch beide Stirndeckel axial verlaufende Zugstangen
hindurchgehen, von denen wenigstens eine auch durch das Betätigungsgehäuse hindurchgeht
und an dessen vom Druckzylinder abgewandten Seite befestigt ist, und daß auf wenigstens
einer der Zugstangen ein durch ein Arbeitsmedium beaufschlagbarer Kolben leicht
verschiebbar angeordnet ist, welcher auf seiner Kolbenstange Kupplungsorgane zur
Verbindung mit den Betätigungsorganen im Betätigungsgehäuse trägt, und daß die durch
den Druckzylinder und das Betätigungsgehäuse hindurchgehende Zugstange wenigstens
durch einen Teil des am Betätigungsgehäuse anliegenden Stirndeckels des Zylinders
der Rückschnellfederung hindurchgeht. Ferner ist erfindungsgemäß für den Druckzylinder
ein Anschluß für ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium zur Beaufschlagung des
Kolbens während seines Arbeitshubes und eine wenigstens einen Teil des unter Druck
stehenden Arbeitsmediums bei gegenläufiger Kolbenbewegung zu dessen Gegenseite führende
Einrichtung vorgesehen.
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Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen; es zeigen: Figur 1 einen Vertikalschnitt
durch eine Betätigungsvorrichtung mit Rückschnellfederung der bisher üblichen Bauart;
Figur 2 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figur
3 einen Teilschnitt durch die Rückschnellfederung aus Figur 2 in vergrößertem Maßstab;
und Figur 4 einen Teilschnitt durch eine Abwandlung der Figur 3.
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Die in Figur 1 dargestellte handelsübliche Bauart einer Betätigungsvorrichtung
mit Rückschnellfederung besitzt ein in der Mitte liegendes Betätigungsgehäuse 10,
einen Druckzylinder 20 und einen Zylinder mit Rückschnellfederung 30. Die beiden
Zylinder sind in Anschlußkappen 11 eingeschraubt, welche am Betätigungsgehäuse 10
ausgebildet sind. In beiden Zylindern sind durch eine Kolbenstange 21 miteinander
verbundene Kolben axial verschiebbar eingesetzt. Bei einer hin und hergehenden Bewegung
dieser beiden Kolben durch Einwirkung eines in den Druckzylinder 20 über nicht dargestellte
Leitungen eingeführten Druckmediums wird über einen Stift, welcher an der Kolbenstange
21 befestigt ist, ein Gabelkopf 30 innerhalb des Gehäuses 10 hin und hergeschwenkt,
welcher auf einer Ventilspindel 50
befestigt ist und-infolgedessen
diese verdreht. Wenn sich der linke Kolben 31 nach links bewegt, drückt er dabei
die Feder 32 zusammen. Die dadurch in der Feder gespeicherte Kraft ergibt die Rückschnellkraft,
durch welche die Kolben und die mit ihrer Kolbenstange 21 verbundene Ventilspindel
50 bei nachlassendem Druck auf den rechten Kolben in entgegengesetzter Richtung
zurückpreßt. Bei einem Ausfall des Druckmitteldruckes bezw.
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bei einem Absinken des Druckes unter einen bestimmten Sicherheitswert
wird infolgedessen das durch den Druckmitteldruck beispielsweise geöffnete Ventil
geschlossen. Bei der Bewegung des Kolbens 31 nach links baut sich vor ihm, d.h.
in dem von der Rückschnellfeder 32 eingenommenen Zylinderraum, ein starker Druck
auf, falls keine Möglichkeit vorgesehen wird, um den Zylinder zu entlüften. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein einfacher Entlüfter 33 im Stirndeckel
35 des Zylinders angedeutet, der naturgemäß auch irgendwie anders ausgebildet sein
kann und lediglich andeuten soll, daß irgendwelche Einrichtungen vorgesehen werden
müssen, um für einen Ausgleich des im Zylinder 30 durch die Bewegung des Kolbens
31 verdrängten Mediums zu sorgen. Gewöhnlich wird die Feder 32 mit Hilfe eines in
den Kolben 31 oder eine vor diesem liegende Druckplatte eingreifenden Spannbolzens
34 auf einen bestimmten Wert vorgespannt.
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Eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung mit Rückschnellfederung
ist in ihrem Gesamtaufbau in Figur 2 dargestellt. Sie besitzt ein stark schematisch
im Schnitt dargestelltes Betätigungsgehäuse 110 mit einem darin drehbar auf einer
Ventilspindel 50 verkeilten Gabelkopf 140. Der Druckzylinder 120 besitzt ein
mittleres
Rohrstück 124, welches an beiden Enden durch Stirndeckel 122 und 123 verschlossen
ist. Innerhalb dieses Zylinders ist ein Kolben 125 auf eine Kolbenstange 121 mittels
einer Mutter aufgeschraubt. Gleichzeitig wird der Kolben durch zwei Zugstangen 126
und 127 geführt, wobei im Kolben entsprechende Durchgangsbohrungen vorgesehen sind.
Die erforderlichen Öffnungen und Anschlußleitungen für das Druckmittel, um den Kolben
125 nach links zu verschieben, sowie zur erforderlichen Entlüftung des Zylinders
sind nur schematisch dargestellt.
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Die erwähnten Zugstangen 126 und 127 dienen nicht nur zur Führung
des Kolbens und zur Aufnahme seitlicher Kräfte, sondern sie dienen auch dazu, um
die Einzelteile des Druckzylinders fest miteinander zu verbinden. Außerdem werden
sie gleichzeitig dazu herangezogen, um die drei Hauptteile der Betätigungsvorrichtung
fest miteinander zu verbinden. So greift die Zugstange 126 mit ihrer außenliegenden
Mutter am außenliegenden oder rechten Stirndeckel 123 des Druckzylinders 120 an,
geht durch diesen Zylinder und das mittlere Betätigungsgehäuse 110 hindurch und
ist in einen Ansatz 138a des Stirndeckels 138 des Zylinders 130 eingeschraubt. Die
andere Zugstange 127 geht von dem Stirndeckel 123 des Druckzylinders 120 durch diesen
Druckzylinder hindurch und ist in einen Flansch des Mittelgehäuses 110 eingeschraubt.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung auch andere Befestigungen der Zugstangen
möglich. Bei derartigen Betätigungsvorrichtungen kann es oft erforderlich sein,
die Stärke der Betätigungskraft zu verändern. Die zur Verfügung stehende Betätigungskraft
ist u.a. eine Funktion der Kolbenfläche. Infolgedessen werden oftmals Zylinder mit
unterschiedlichen
Durchmessern verwendet. Dies wird durch die vorbeschriebene
erfindungsgemäße Ausbildung wesentlich erleichtert, da hierbei nur die beiden Zugstangen
126 und 127 entfernt zu werden brauchen, woraufhin nach Abnahme des Stirndeckels
123 die den Kolben 125 auf seiner Kolbenstange 121 befestigende Mutter abgeschraubt
und der Zylinder als Ganzes abgenommen und ausgetauscht werden kann.
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Bei der in Figur 2 schematisch dargestellten Versorgung des Druckzylinders
120 mit Druckmittel wird während des Arbeits-oder Drucktaktes das Druckmedium von
der rechten Seite her in den Druckzylinder eingespeist. Ein vor dem sich infolgedessen
nach links bewegenden Kolben 125 befindliches Medium entweicht, wie dies in Figur
2 angedeutet ist, durch eine Öffnung, welche durch ein Einwegventil gesteuert wird.
Während der Rückschnellfederung und der sich dadurch ergebenden gegenläufigen Bewegung
des Kolbens wird infolgedessen diese Öffnung durch das Ventil verschlossen. Erfindungsgemäß
ist nunmehr außerdem vorgesehen, daß bei einer Rücklaufbewegung des Kolbens nach
rechts das dabei von ihm auf der rechten Zylinderseite zusammengepreßte Druckmedium
zur anderen Zylinderseite abgeleitet wird, wodurch die Kolbenbewegung in dieser
Richtung unterstützt werden kann. In Figur 2 ist dieser Vorgang einer bisher unbekannten
Leistungserhöhung dargestellt.
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Auf der anderen Seite des mittleren Betätigungsgehäuses 110 befindet
sich der Zylinder 130 mit der Rückschnellfederung.
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Dieser Zylinder besitzt ein Rohrstück 136 sowie Stirndeckel 137 und
138, welche mit dem Rohrstück fest verbunden sind. Außerdem
sind
zwei Zugstangen 141 und 142 vorgesehen, von denen die obere Zugstange 141 (Fig.3)
in den innenliegenden Stirndeckel 138 eingeschraubt ist, während auf ihr außenliegendes
Gewindeende eine Mutter 143 aufgeschraubt ist, welche gegen den äußeren Stirndeckel
137 drückt. Die andere Zugstange 142 geht durch die beiden Stirndeckel 137 und 138
hindurch und ist in einen Flansch 111 des Betätigungsgehäuses 110 eingeschraubt,
während auf ihr äußeres Ende eine Mutter 144 aufgeschraubt ist, welche wiederum
gegen den Zylinderdeckel 137 drückt. Da außerdem die Zugstange 126 des Druckzylinders
120, welche durch den Druckzylinder und das Betätigungsgehäuse hindurchgeht, in
den Stirndeckelansatz 138a des Zylinders 130 eingeschraubt ist, ergibt sich eine
einwandfreie feste Verbindung der beiden Zylinder 120 und 130 mit dem in der Mitte
liegenden Betätigungsgehäuse 110.
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In dem Zylinder 130 für die Rückschnellfederung sind eine oder mehrere
Druckplatten 151 und 153 vorgesehen, welche entsprechende Bohrungen aufweisen, um
auf den Zugstangen 141 und 142 leicht hin und hergleiten zu können. Da das Innere
der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Zylinder 130 im allgemeinen zur Längsachse
symmetrisch ist, sind die Zylinder nur zur Hälfte im Schnitt dargestellt. Wie die
Figuren 3 und 4 zeigen, können je nach der erforderlichen Federkraft eine oder mehrere
derartiger Druckplatten vorgesehen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur
3 sind zwei Spiralfedern 171 und 172 vorgesehen, von denen die erste zwischen den
Druckplatten 151 und 153 und die zweite zwischen der Druckplatte 153 und dem Stirndeckel
137 liegt. Die bei der Ausführung gemäß Figur 4 vorgesehene Einzelfeder 171 liegt
zwischen der Druckplatte 151
und dem Stirndeckel 137. Der Stirndeckel
138 und sein Ansatz 138a besitzt eine Mittelbohrung, durch welche das eine Ende
der Kolbenstange 121 in den Zylinder eintreten kann. Dieses Kolbenstangenende greift
in eine mittiere Vertiefung 152 der Druckplatte 153 ein.
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Bei Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Druckmittel
wie Preßluft oder eine geeignete Druckflüssigkeit wie beispielsweise ein Hydrauliköl
von der rechten Seite her in den Zylinder 120 tFig.2) eingeleitet, wodurch der Kolben
125 nach links gedrückt wird. Dadurch bewegt sich gleichzeitig die Kolbenstange
121 nach links und verschwenkt über den auf ihr befestigten Zapfen 190, der in einen
Schlitz 191 des Gabelkopfes 140 eingreift, diesen Gabelkopf um seine Achse, welche
mit der Achse der Ventilspindel 150 zusammenfällt, sodaß diese entsprechend verdreht
wird und das Ventil betätigt. Gleichzeitig schiebt die Kolbenstange 121 bei ihrer
Linearbewegung die Druckplatte 151 im Zylinder 130 ebenfalls nach links und drückt
infolgedessen die Federn 171 und 172 (Fig.3) bezw. die Einzelfeder 171 (Fig.4) zusammen.
Wenn nun der Kolben 125 rechtsseitig druckentlastet wird, um beispielsweise das
Ventil umzuschalten, oder weil die Druckmittelzufuhr aus irgendeinem Grunde unterbrochen
wird, so werden durch die in den Federn 171 und 172 gespeicherte Federkraft die
Druckplatten 151 und 153 nach rechts gepreßt, sodaß die Kolbenstange 121, der Zapfen
190 und der Kolben 125 ebenfalls nach rechts gedrückt werden. Dadurch wird über
den Gabelkopf 140 die Ventilspindel 150 in der entgegengesetzten Richtung zu vorher
verdreht.
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Dieser Vorgang entspricht im Grunde dem bei den bisher üblichen Betätigungsvorrichtungen
mit Rückschnellfederung gemäß Figur 1.
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Durch die baulichen Unterschiede der erfindungsgemäßen Ausbildung
lassen sich jedoch gewisse weitere Funktionen und Vorteile erreichen.
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Wie bereits erwähnt, ist durch die Verwendung der Zugstangen bei der
erfindungsgemäßen Ausbildung der Austausch eines oder auch beider Zylinder mit wenigen
Handgriffen möglich, ohne daß dazu die gesamte Betätigungsvorrichtung ersetzt werden
muß. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn aus irgendwelchen Gründen die Federkraft
im Zylinder 130 verändert werden soll. Es ist fraglos wesentlich einfacher, den
Zylinder als Ganzes auszutauschen, als die Betätigungsvorrichtung im wesentlichen
zerlegen zu müssen oder die gesamte Betätigungsvorrichtung gegen eine andere auszutauschen.
Durch die erfindungsgemäße kompakte Bauweise läßt sich die Rückschnellfeder auch
wesentlich einfacher und sicherer vorspannen und wesentlich einfacher als bisher
in das Rohrstück einsetzen.
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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Ausführung bestehtaber vielleicht
darin, daß es nicht mehr erforderlich ist, den Zylinder gegenüber dem ihn umgebenden
Medium zu entlüften. Wie bereits erwähnt, können derartige Betätigungsvorrichtungen
in stark korrosiven Räumlichkeiten eingebaut werden oder an Stellen, an denen eine
Entlüftung sehr kostenaufwendige Zusatzeinrichtungen erforderlich macht, wobei ein
Einbau unter Wasser ein typisches Beispiel bildet. Bei den bisher üblichen Betätigungsvorrichtungen
wurden im Zylinder mit der Rückschnellfederung Kolben verwendet,
welche
gegenüber der Zylinderwandung druckdicht gerührt waren.
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Infolgedessen baute sich vor der jeweils vorderen Kolbenfläche ein
Druck auf. Wenn dieser Druck nicht aus dem Zylinder abgeführt wird, kann infolgedessen
die Kolbenbewegung stark gehemmt werden.
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Aus diesem Grunde wurden Entlüfter wie das Organ 33 in Figur 1 vorgesehen,
durch welche das im Zylinder 30 befindliche Medium beim Druckhub des Kolbens 31
entweichen und beim Rücklauf des Kolbens wieder in den Zylinderraum einströmen konnte.
Da die diese Vorrichtung umgebende Luft oder ein anderes Medium jedoch stark korrosiv
sein kann, ergeben sich schwerwiegende nachteilige Einflüsse auf die Innenteile
des Zylinders. Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung anstelle des
dicht an den Zylinderwandungen anliegenden Kolbens eine Druckplatte verwendet, welche
mit so viel Spiel in das Rohrstück eingesetzt ist, daß ein Druckausgleich vor und
hinter dieser Druckplatte bei jeder ihrer Bewegungen erzielt wird. Infolgedessen
sind keine zusätzlichen Anordnungen erforderlich, um eine Druckentlastung des Zylinders
herbeizuführen. Durch das Eindringen und wieder Herausziehen der Kolbenstange 121
ergibt sich allerdings eine gewisse Druckveränderung innerhalb des Zylinders, welche
jedoch derart unbedeutend ist, daß sie auf verschiedene Weise sehr einfach ausgeglichen
werden kann. Wenn beispielsweise der Zylinder 131 mit einer Flüssigkeit wie einem
Öl gefüllt wird, braucht bei der Füllung nur dafür Sorge getragen zu werden, daß
das Öl nicht den gesamten Zylinderraum füllt, sodaß noch Raum für eine Ausdehnung
zur Verfügung steht. Zusätzlich kann angesichts der geringen Menge des verdrängten
Füllmediums ein entsprechender Ausgleichbehälter im geschlossenen Kreislauf an den
Zylinder angeschlossen werden. In jedem Fall ist das zirkulierende Füllmedium nicht
korrosiv, sodaß eine Beschädigung der Inneteile durch Korrosion nicht zu befürchten
ist.
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Ansprüche: