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Überdruckventilpatrone, insbesondere für hydraulische Grubenstempel
Die Erfindung betrifft eine überdruckventilpatrone, insbesondere für hydraulische
Gruberstempel, mit einem in einer zylindrischen Bohrung eines Gehäuseteils gegen
die Rückstellkraft einer Feder verschiebbaren, am Umfang durch einen O-Ring abgedichteten
Schieberkolben der einen mit der Hoehdruckseite in Verbindung stehenden Axialkanal
und.
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hiervon abzweigende} am Kolbeninufang mündende Radialkanäle aufweist.
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Eine Überdruckventilpatrone dieser Art ist aus DBP 1 303 157 bekannt.
Bei diesem überdruckventil münden die Radialkanäle
des Schieberkolbens
in einer ringnutartigen Aus senkung am Kolbenumfang, die zwischen zwei zylindrischen
Suhrungsflächen des Schieberkolbens liegt und flach-konisch in die genannten Führungsflächen
ausläuft. Die Verbindung zur Abfluß seite wird somit über die Aussenkungen des Schieberkolbens
hergestellt, welche im Ansprechpunkt des Uberdruckventils den in einer Ringnut des
Ventilgehäuses sitzenden O-Ring überlaufen und dabei einen Durchfluß Spalt angenähert
über die gesamte Ringfläche des O-Ringes herstellen, über den das hydraulische Druckmittel
aus dem Stempeldruckraum in den Ablauf abfließt. Ein Uiberdruckventil dieser Bauart
zeichnet sich vor allem durch hohe Ansprechgenauigkeit bei zugleich verhältnismäßig
geringer spezifischer Belastung des O-Ringes aus. Es ermöglicht eine feinfühlige
Drucksteuerung, ohne daß die Gefahr besteht, daß beim Ansprechen des Überdruckventils
der Druck im Stempeldruckraum zu stark unter den Nenndruck abfällt und damit der
Stempel unerwünscht stark entlastet wird. Andererseits wird bei stärkerem überdruck
der in der zylindrischen Bohrung geführte Schieberkolben so weit verschoben, daß
die flachen Aussenkungen des Kolbens den O-Ring so weit überlaufen, daß ein entsprechend
größerer Abflußquerschnitt geöffnet wird. Es ist damit sichergestellt, daß der Druck
im Stempeldruckraum und damit die Lastaufnahme des Stempels genau hubabhängig gesteuert
werden.
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Der Erfindung liegt vornehmlich die Aufgabe zugrunde, die
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sich bewährte tlberdruckventilpatrone dieser bekannten Bauart so auszubilden, daß
unter Wahrung der zuverlässigen Arbeitsweise des Ventils im Bedarfsfall erheblich
größere Druckflüssigkeitsmengen Je Zeiteinheit aus dem Druckraum abfließen können.
Dies soll möglichst erreicht werden, ohne daß die Abmessungen der Ventilpatrone,
insbesondere ihre radialen Abmessungen, erhöht zu werden brauchen. Das Erfordernis,
bei dem am Ventil eingestellten Ansprechdruck größere Flüssigkeitsmengen je Zeiteinzeit
aus dem Druckraum in den Ablauf abzulassen, ergibt sich insbesondere bei schlagartigen
Belastungen des Stempels, wie sie sich vor allem bei Gebirgsschlägen oder schlagartigen
Hangendabsenkungen einstellen können. In diesem Fall muß der Stempel möglichst rasch
zum Einschub gebracht werden, um eine Beschädigung oder Zerstörung des Stempels
tu vermeiden.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schieberkolben von
einem stirnseitig vom Hochdruckmedium beaufschlagten Steuerkolben betätigt ist,
dessen Durchmesser erheblich kleiner ist als der Durchmesser des Schieberkolbens,
und daß der Axialkanal des Schieberkolbens über mindestens eine Umfangsaussparung
und mindestens einen Verbindungskanal des Gehäuseteils mit dem Druckraum verbunden
ist.
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Bei dieser Ausgestaltung der Uberdruckventilpatrone dient der als
Blindkolben oder einfacher Kolbenstößel auegebildete
Steuerkolben
lediglich zur Hubsteuerung des eigentlichen Schieberkolbens, der aufgrund seiner
wesentlich größeren Abmessungen mit Axial- und Radialkanälen großen Durchlaßquerschnitts
versehen werden kann, so daß bei schlagartigen Belastungen, wie vor allem bei Gebirgsschlägen,
die für den raschen Stempeleinschub erforderliche große Flüssigkeitsmenge Je Zeiteinheit
aus dem Druckraum abfließen kann, ohne daß andererseits aber die genaue und feinfühlige
Drucksteuerung des Überdruckventils im Normalbetrieb in Frage gestellt wird. Der
größere Schieberkolben läßt sich dabei in besonders zweckmäßiger Weise so anordnen,
daß er hydraulisch im wesentlichen druckausgeglichen ist.
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Das bedeutet, daß der Steuerkolben im wesentlichen nur die auf den
Schieberkolben wirkende Federkraft der Ventilfeder bzw. des Federsystems zu überwinden
braucht, um den Schieberkolben in Offnungsrichtung des Ventils zu verstellen.
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Aufgrund der vergleichsweise kleinen Abmessungen des Steuerkolbens
braucht trotz der erheblich größeren Abmessungen des Schieberkolbens die Schließkraft
der Ventilfeder gegenüber den herkömmlichen Ventilen nicht erhöht zu werden, so
daß auch keine Federn größerer Abmessungen benötigt werden.
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Um einen Druckausgleich des Schieberkolbens zu erzielen, empfiehlt
es sich, die zylindrische Bohrung des den Schieberkolben aufnehmenden Gehäuseteils
an der dem Steuerkolben zugewandten Seite des Schieberkolbens über mindestens
einen
Querkanal, vorzugsweise jedoch mehrere in Umfangsrichtung versetzte Querkanäle,
an den Ablauf anzuschließen, so daß in jedem Betriebszustand des Ventils der Schieberkolben
an beiden Kolbenseiten mit dem Ablauf in Verbindung steht. Die Anordnung läßt sich
in zweckmäßiger Weise so treffen, daß der in dem genannten Gehäuseteil unabhängig
von dem Schieberkolben geführte Steuerkolben mit seinem Kolbenende in eine stirnseitige
Ausnehmung des Schieberkolbens einfaßt und sich hier gegen den Schieberkolben abstützt.
Dabei kann das sich gegen den Schieberkolben legende Ende des Steuerkolbens als
balliger Kolbenkopf ausgebildet sein, um sicherzustellen, daß die Steuerkräfte des
vom Hochdruckmedium beaufschlagten Steuerkolbens möglichst mittig auf den in der
zylindrischen Bohrung geführten Schieberkolben übertragen werden.
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Die Umfangsaussparung des Schieberkolbens, über welche die Verbindung
zum Hochdruckraum geschaffen wird, weist eine axiale Länge auf, die mindestens etwa
gleich dem Arbeitshub des Schieberkolbens ist. Sie steht zweckmäßig über mehrere
in Umfangsrichtung versetzte Radialkanäle mit dem zentralen Axialkanal des Schieberkolbens
in Verbindung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind an dem Gehäuseteil des
Ventils mehrere über den Umfang der zylindrischen Bohrung verteilt angeordnete und
an der Innenwandung der zylindrischen Bohrung mündende Verbindungskanäle angeordnet,
wobei der Schieberkolben entsprechend
mehrere mit dem Axialkanal
in Verbindung stehende radiale Anschlußkanäle aufweist, die in der nutartigen Umfangsaussparung
des Schieberkolbens münden. Am Schieberkolben können in Axialrichtung versetzt zwei
oder mehr Gruppen von Radialkanälen angeordnet sein, welche vorzugsweise auf Lücke
gesetzt und mit dem gemeinsamen Axialkanal verbunden sind. Die Radialkanäle münden
zweckmäßig am Umfang des Schieberkolbens Jeweils in einer flach-konischen Aussenkung.
Diese flachen Aussenkungen können sich am Umfang überschneiden.
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Insbesondere in fertigungstechnischer Hinsicht ist es zweckmäßig,
wenn zum Verschluß des Axialkanals des Schieberkolbens ein Schraubstopfen od.dgl.
vorgesehen wird, der an der Abfluß seite des Schieberkolbens in diesen eingeschraubt
wird und der zugleich den Federteller für die Ventilfeder trägt.
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In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 eine Uberdruckventilpatrone gemäß der Erfindung im
Axialachnitt; Fig. 2 schematisch eine Ausführungsvariante des Schieberkolbens, der
hier mit zwei axial versetzten Gruppen von Radialkanälen versehen ist.
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Die dargestellte Uberdruckventilpatrone besteht aus einem topf- oder
kappenförmigen Gehäuseteil 10 und einem hiermit
verschraubten,
als Schraubstopfen ausgebildeten Gehäuseteil 11, welches eine zentrale zylindrische
Bohrung 12 für einen Schieberkolben 13 aufweist. Der in der zylindrischen Bohrung
12 geführte Schieberkolben 13 ist mit einem zentralen Axialkanal 14 versehen, der
einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist und mit seinem im Eolbeninneren
liegenden Ende mit radialen Anschlußkanälen 15 des Schieberkolbens in Verbindung
steht, deren Durchmesser erheblich kleiner ist als der Durchmesser des Axialkanals
14. Der Gesamtquerschnitt der radialen AnschluB-kanäle ist Jedoch etwa gleich dem
Durchflußquerschnitt des Axialkanals 14. Insgesamt können z.B. vier um jeweils 900
oder sechs um Jeweils 600 bzw. acht um Jeweils 450 in Umfangsrichtung versetzte
radiale Anschlußkanäle 15 am Schieberkolben 13 vorgesehen sein. Die Anschlußkanäle
15 münden in einer Umfangsaussparung 16 des Schieberkolbens, die als Ringnut ausgebildet
ist deren Breite, gemessen in Achsrichtung des Schieberkolbens, mindestens etwa
gleich dem Arbeitshub des Schieberkolbens ist.
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An dem stopfenartigen Gehäuseteil 11 sind in Umfangsrichtung versetzt
mehrere axiale Verbindungskanäle 17 angeordnet, die innen in Radialbohrungen 18
enden, welche ihrerseits an der zylindrischen Innenwand der Bohrung 12 münden und
zum Außenumfang des Gehäuseteils 11 hin mittels Verschlußorgane 19 verschlossen
sind. Der Gesamt-Durchlaßquerschnitt der Verbindungskanäle 17 und der Radialbohrungen
18
ist mindestens gleich dem Durchlaßquerschnitt des Axialkanals 14 des Schieberkolbens.
Die Verbindungskanäle 17 stehen über ihre an der Stirnseite des Gehäuseteils 11
mündenden Öffnungen 20 mit dem Stempeldruckraum in Verbindung.
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Zur Steuerung des Schieberkolbens 13 ist ein als Kolbenstößel ausgebildeter
Steuerkolben 21 in dem Gehäuseteil 11 axial verschieblich geführt, der mit seinem
innenliegenden balligen Kolbenkopf 22 in eine stirnseitige Ausnehmung 23 des Schieberkolbens
13 einfaßt und dessen äußere Kolbenstirnfläche 24 vom Druck im Stempeldruckraum
belastet ist.
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Der unter dem Schieberkolben befindliche Raum der zylindrischen Bohrung
12 ist über mehrere in Umfangsrichtung versetzt angeordnete Querkanäle 25 mit dem
Ablauf verbunden und mittels einer am Schieberkolben angeordneten 0-Ring-Dichtung
26 gegenüber der Hochdruckseite abgedichtet. Der Innenraum des topfförmigen Gehäuseteils
10, welches die Ventilfeder 27 aufnimmt, ist ebenfalls an den Ablauf angeschlossen.
Der Schieberkolben 13 ist demgemäß druckausgeglichen.
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Der Axialkanal 14 des Schieberkolbens ist mittels eines Schraubstopfens
28 verschlossen, welcher zugleich den Federteller 29 der Ventilfeder 27 trägt. Die
Ventilfeder 27 kann aus einer Einzelfeder oder aus einem Federsystem mehrerer Federn
bestehen.
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Am Schieberkolben 13 sind gegenüber den Kanälen 15 axial
versetzt
mehrere Radialkanäle 30 angeordnet, die innen in dem Axialkanal 14 und außen in
einer flach-konischen Aussenkung 31 des Schieberkolbens münden. Insgesamt sind z.B.
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vier bis acht in gleichen Umfangsabständen angeordnete Radialkanäle
30 vorgesehen, deren flach-konischen Aussenkungen 31 sich gegebenenfalls überschneiden,
so daß eine flache, rinnenförmige Umfangsaussparung am Schieberkolben gebildet wird.
In einer Ringnut des Gehäuseteils 11 sitzt ein 0-Ring 32, der den Schieberkolben
im Schließzustand des Ventils am Umfang abdichtet.
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Bei steigendem Druck im Stempeldruckraum wird der auf seiner äußeren
Kolbenfläche 24 vom Hochdruck belastete Steuerkolben 21 verstellt, wobei er den
Schieberkolben 13 gegen die Rückstellkraft der Feder 27 in der zylindrischen Bohrung
12 verschiebt. Da der Schieberkolben 13 im wesentlichen druckausgeglichen ist, braucht
der Steuerkolben nur die Kraft der Ventilfeder 27 zu überwinden. Bei der Bewegung
des Schieberkolbens 13 in Öffnungsrichtung bewegen sich die flach-konischen Aussenkungen
31 des Schieberkolbens über den 0-Ring 32 hinweg, wodurch zwischen Schieberkolben
und 0-Ring angenähert ein ringförmiger Öffnungsspalt geschaffen wird, über den das
Hochdruckmedium in den Innenraum des Gehäuseteils 10 und damit in den Ablauf abfließt.
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Über die Kanäle 17, die Radialbohrungen 18, die nutartige Umfangsaussparung
16 und die Kanäle 15, 14 und 30 steht der Schieberkolben 13 während seiner Hubbewegung
in ständiger
Verbindung mit dem Stempeldruckraum. Da der Schieberkolben
einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist, der um ein Mehrfaches größer
ist als der Durchmesser des Steuerkolbens, können entsprechend die Querschnitte
der Anschlußbohrungen und Verbindungskanäle groB bemessen werden, so daß im Ansprechpunkt
des tberdruckventils verhältnismäßig große Flüssigkeitsmengen je Zeiteinheit aus
dem Stempeldruckraum abfließen können. Bei schlagartigen Belastungen, insbesondere
Gebirgaschlägen, erfolgt daher ein rascher Einschub des Stempels.
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Die Radialkanäle 30 des Schieberkolbens werden zweckmäßig in gleichmäßigen
Umfangsabständen angeordnet, um eine möglichst symmetrische Belastung des 0-Ringes
32 und einen einwandfreien Abfluß des Druckmediums beim Offnen des Uberdruckventils
sicherzustellen.
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Das beschriebene Uberdruckventil ist von hoher Puntionssicherheit
und kann trotz der großen Strömungsquerschnitte der Durchlaßkanäle mit verhältnismäßig
kleinen Abmessungen gebaut werden. Vorteilhaft sind auch der verhältnismäßig geringe
Fertigungsaufwand sowie die einfache Wartung des Ventils, welches sich b.B. zum
Auswechseln der Dichtungen leicht auseinanderbauen und wieder zusammenbauen läßt.
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Gemäß Fig. 2 sind an dem Schieberkolben 13 zwei axial gegeneinander
versetzte Gruppen von Radialkanälen 30 und 30' vorgesehen, die am Umfang des Schieberkolbens
jeweils
in einer flach-konischen Aussenkung 31 münden und die,
wie dargestellt, vorzugsweise in Umfangsrichtung auf Lücke gesetzt sind. Vorteilhafterweise
umfaßt Jede Gruppe mindestens vier in gleichen Winkelabständen angeordnete Radialkanäle
30 bzw. 30'. Der Gesamt-Durchlaßquerschnitt der Kanäle 30, 30' ist etwa gleich dem
Querschnitt des Axialkanals 14 und der hiermit verbundenen Anschlußbohrungen. Der
Hub des Schieberkolbens ist so groß, daß bei schlagartigen Stempelbelastungen die
Radialkanäle 30, 30' beider Gruppen den 0-Ring 32 überlaufen und damit einen großen
Abflußquerschnitt öffnen. Diese Ausführung des Uberdruckventils könnte auch dann
verwendet werden, wenn kein Steuerkolben 21 für die Schieberkolbenbetätigung vorgesehen
ist.