DE2914981C2

DE2914981C2 - Druckbegrenzungsventil für hydraulische Grubenstempel

Info

Publication number: DE2914981C2
Application number: DE2914981A
Authority: DE
Inventors: Walter 4600 Dortmund Weirich
Original assignee: Gewerkschaft Eisenhutte Westfalia GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 1979-04-12
Filing date: 1979-04-12
Publication date: 1987-01-08
Anticipated expiration: 1999-04-13
Also published as: DE2914981A1; FR2454035B1; GB2046407A; AU535461B2; US4313463A; CA1136953A; DE2914981C3; FR2454035A1; ZA801618B; AU5657780A; GB2046407B

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil für hydraulische Grubenstempel mit in einem Ventilgehäuse angeordnetem Ventilkolben, der sich mit seinem Kolbenkopf gelenkbeweglich gegen ein federbelastetes Druckstück abstützt und der mit seinem Kolbenschaft in der Führungsbohrung eines Führungsgliedes geführt ist, mit einer Axialbohrung des Kolbenschaftes, die sich von dem freien Ende des Kolbenschaftes bis in Nähe des Kolbenkopfes erstreckt und hier mit radialen Abströmbohrungen verbunden ist, die in konische Erweiterungen am zylindrischen Kolbenschaft auslaufen, und mit einem sich dichtend gegen den Kolbenschaft legenden O-Ring, der in einer Ringnut in Nähe des abströmseitigen Endes der Führungsbohrung sitzt.
Solche Druckbegrenzungsventile für hydraulische Grubenstempel, wie sie beim hydraulischen Schreitausbau verwendet werden, sind z. B. aus DE-GM 19 45 206 bekannt. An die Druckbegrenzungsventile für hydraulischen Schreitausbau werden bekanntlich ungewöhnlich hohe Forderungen gestellt. Wichtig ist vor allem, daß die Druckbegrenzungsventile ihre hohe Ansprechgenauigkeit über lange Zeit unverändert beibehalten und daß sie bei den hohen Arbeitdrücken von 400 bis 500 bar der verwendeten Öl- Wasser-Emulsion keinem unzulässig hohen Verschleiß, insbesondere Strahlverschleiß, unterliegen. Außerdem sollen die Ventile unempfindlich gegenüber den im untertägigen Bergbau herrschenden rauhen Betriebsbedingungen sein.
Die Ventile der eingangs genannten Art erfüllen die gestellten Forderungen in hervorragendem Maße. Allerdings sind diese Ventile nur auf verhältnismäßig kleine Durchflußmengen ausgelegt, was in der Praxis an sich genügt, da beim Ansprechen der Ventile im Überlastfall im allgemeinen nur eine geringe Flüssigkeitsmenge abgeführt werden muß. Anders liegen jedoch die Verhältnisse, wenn die hydraulischen Stempel mit einer Setzlast gesetzt werden sollen, die größenordnungsmäßig der Stempel-Nennlast entspricht, auf welche die Druckbegrenzungsventile eingestellt sind. In diesem Fall können die Druckbegrenzungsventile bereits beim Setzvorgang ansprechen mit der Folge, daß die über die Setzleitung zufließenden hohen Flüssigkeitsmengen unter Umständen über die sich öffnenden Druckbegrenzungsventile abgeführt werden müssen. Da die Druckbegrenzungsventile aber auf solche hohen Durchflußmengen nicht ausgelegt sind, besteht die Gefahr der Beschädigung und Zerstörung der Ventile.
Die vorgenannten Schwierigkeiten lassen sich auch nicht dadurch zuverlässig beheben, daß der Ansprechdruck der Druckbegrenzungsventile auf einen Wert eingestellt wird, der geringfügig unterhalb der Stempel-Nennlast liegt. Da der Betriebsdruck in der Praxis nicht unerheblichen Schwankungen unterliegt, kann es auch in diesem Fall zu den genannten Beschädigungen der Druckbegrenzungsventile kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckbegrenzungsventil der eingangs genannten Art bei Wahrung seiner bewährten Funktionstüchtigkeit und hohen Ansprechgenauigkeit so auszugestalten, daß auch größere Durchflußmengen in der Größenordnung von 50 l/min abgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilkolben an seinem Kolbenschaft mindestens fünf radiale Abströmbohrungen aufweist, und daß in der O-Ringnut des Führungsgliedes ein an der abströmseitigen Nutflanke anliegender elastischer Stützring angeordnet ist, gegen welchen sich der O-Ring abstützt. Vorzugsweise sind sechs Abströmbohrungen vorgesehen.
Bei dieser Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils sind also die inneren Strömungsquerschnitte des Ventils und insbesondere seines Ventilkolbens unter Erhöhung der Anzahl der radialen Abströmbohrungen so stark erhöht, daß die gewünchten großen Flüssigkeitsmengen abgeführt werden können. Diese Erhöhung der Strömungsquerschnitte kann erfolgen, ohne daß die Abmessungen des Ventils und seiner Einzelteile gegenüber den herkömmlichen Ventilen verändert werden. Der Öffnungsweg des Ventilkolbens und demgemäß die Relativbewegung der radialen Abströmbohrungen innerhalb der Kolbenführung sind abhängig von der Durchflußmenge, wobei sich mit steigendem Öffnungsweg des Ventilkolbens ein steigender Abströmquerschnitt öffnet. Um zu verhindern, daß der O-Ring aufgrund der Erhöhung der Anzahl der radialen Abströmbohrungen bei den großen Durchflußmengen und Arbeitsdrücken in den engen Spalt zwischen Ventilkolben und Kolbenführung gedrückt wird und vorzeitig verschleißt, ist der genannte Stützring vorgesehen, der den O-Ring an der Abströmseite stützt und der vorzugsweise so ausgebildet ist, daß er unter dem Druck des sich verformenden O-Ringes eine elastische Querverformung erfährt, die seinen Innendurchmesser verringert, wodurch der Spalt zwischen Ventilkolben und Kolbenführung so weit geschlossen wird, daß ein Einkriechen des O-Ringes in den Spalt wirksam verhindert wird. Für den Stützring kann ein einfacher Kunststoffring aus verschleißfestem Kunststoffmaterial, der z. B. eine Stärke von etwa 0,8 mm erhält, verwendet werden. Vorzugsweise wird als Stützring ein Flachring vorgesehen.
Es empfiehlt sich, die O-Ringnut so in das Führungsglied einzustechen, daß ihre Flanken vom Nutgrund zur Nutöffnung hin gegeneinander divergieren. Die Nutflanke, an der sich der Stützring abstützt, ist dabei z. B. 2 bis 4° zur Radialebene nach außen geneigt, wodurch die Ausstellung des Stützringes in den Führungsspalt begünstigt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils ist die den Stützring abstützende Nutflanke der O-Ringnut in einem axialen Abstand von dem abströmseitigen Ende des Führungsgliedes angeordnet, der kleiner ist als die Breite der O-Ringnut. Dabei weist der Kolbenkopf des Ventilkolbens einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der O-Ringnut. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Federkraft zumindest überwiegend oder vollständig außerhalb des Durchmessers der O-Ringnut über den Kolbenkopf gegen das Führungsglied abgestützt wird. Diese Maßnahme ermöglicht es, die O-Ringnut in der gewünschten Weise möglichst nahe an das abströmseitige Ende der Führungsbohrung zu legen und zugleich sicherzustellen, daß die verhältnismäßig dünnen Stege zwischen der abströmseitigen Nutflanke und der benachbarten Stirnfläche des Führungsgliedes durch die über den Kolbenkopf auf das Führungsglied wirkenden hohen Federkräfte nicht verformt werden können. Die Anordnung der O-Ringnut in verhältnismäßig geringem Abstand von dem abströmseitigen Stirnende des Führungsgliedes hat den Vorteil, daß der Kolbenschieber einen verhältnismäßig kleinen Öffnungshub hat, so daß sich eine kleine Ansprechzeit des Druckbegrenzungsventils ergibt. Außerdem begünstigt diese Maßnahme in Verbindung mit der Drosselwirkung des engen Führungsspaltes die Ausbildung eines Staudruckes an der Abströmseite des O-Ringes, so daß sich an diesem im Schließzustand des Ventils weitgehend ein Druckausgleich einstellt.
Um im Hinblick auf die Ableitung der großen Durchflußmengen günstige Strömungsverhältnisse zu erzielen, kann das Verhältnis des Durchmessers der Axialbohrung des Kolbenschaftes zu dem Durchmesser der radialen Abströmbohrungen zumindest angenähert 4 : 1 betragen, wobei, wie erwähnt, vorzugsweise sechs radiale Abströmbohrungen vorgesehen werden. Das Verhältnis des Durchmessers der Führungsbohrung zu dem Durchmesser der Axialbohrung des Kolbenschaftes liegt zweckmäßig zwischen 1,5 : 1 und 2 : 1.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Druckbegrenzungsventil gemäß der Erfindung im Axialschnitt;
Fig. 2 den bei dem Druckbegrenzungsventil nach Fig. 1 verwendeten Ventilkolben in größerem Maßstab;
Fig. 3 einen Querschnitt nach Linie III-III der Fig. 2;
Fig. 4 in größerem Maßstab einen Teilschnitt zur Darstellung der O-Ringnut nebst Stützring und O-Ring sowie der Ausbildung des Kolbenkopfes.
Das dargestellte Druckbegrenzungsventil 10 weist ein nach Art einer Ventilpatrone ausgebildetes Ventilgehäuse mit einer zylindrischen Gehäusehülse 11 und einem Führungsglied 12 auf, welches in das offene Ende der Gehäusehülse 11 eingeschraubt ist. Das Führungsglied 12 ist mit einer durchgehenden axialen Führungsbohrung 13 versehen, in der ein Ventilkolben 14 mit seinem zylindrischen Kolbenschaft 15 geführt ist.
Wie insbesondere die Fig. 2 und 3 zeigen, weist der Ventilkolben 14 einen Kolbenkopf 16 mit einer balligen, als Kugelkappe ausgebildeten Kopffläche 17 auf. Der ballige Kolbenkopf 16 stützt sich in einer Kugelpfanne 18 eines Druckstückes 19 ab, welches in der Gehäusehülse 11 verschiebbar angeordnet ist. Das Druckstück 19 bildet einen Ventilteller, an dem sich eine Ventilfeder 20 abstützt, die in Schließrichtung des Druckbegrenzungsventils wirkt. Die Ventilfeder 20 stützt sich mit ihrem anderen Ende gegen die Bodenfläche 21 der Innenbohrung der Gehäusehülse 11 ab.
Im Ventilschaft 15 ist eine Axialbohrung 22 angeordnet, die sich von dem freien Ende des Ventilschaftes 15 bis in Nähe des Kolbenkopfes 16 erstreckt. Außerdem weist der Ventilschaft 15 sechs in gleichen Umfangsabständen angeordnete radiale Abströmbohrungen 23 auf, die in Nähe des innenliegenden Endes in die Axialbohrung 22 einmünden und die mit ihren äußeren Enden in konischen Erweiterungen 24 des zylindrischen Kolbenschaftes auslaufen. Die Anordnung ist gemäß Fig. 3 so getroffen, daß jeweils zwischen zwei benachbarten konischen Erweiterungen 24 der radialen Abströmbohrungen 23 ein Stegteil 26 mit zylindrischer Führungsfläche verbleibt, mit welchem sich der Kolbenschaft 15 in der zylindrischen Führungsbohrung 13 des Führungsgliedes 12 führt.
Das Verhältnis des Durchmessers der Axialbohrung 22 des Kolbenschaftes 15 zu dem Durchmesser der radialen Abströmbohrungen 23 beträgt zweckmäßig zumindest angenähert 4 : 1. Bei einem Durchmesser der Axialbohrung 22 von 4 mm beträgt demgemäß der Durchmesser jeder einzelnen radialen Abströmbohrung 23 etwa 1 mm.
Das Verhältnis des Durchmessers der Führungsbohrung 13 des Führungsgliedes 12 zu dem Durchmesser der Axialbohrung 22 des Kolbenschaftes 15 kann etwa 1,5 : 1 bis 2 : 1 betragen. Bei einem Durchmesser der Axialbohrung 22 von 4 mm beträgt der Durchmesser der Führungsbohrung 13 z. B. etwa 7 mm.
Wie insbesondere die Fig. 1 und 4 zeigen, weist das Führungsglied 12 in Nähe seines oberen, abströmseitigen Endes eine Ringnut 27 auf, die einen O-Ring 28 aufnimmt, welcher im Schließzustand des Ventils den engen Drosselspalt zwischen Ventilschaft 15 und Führungsglied 12 abdichtet. In der O-Ringnut 27 befindet sich ferner ein als Flachring ausgebildeter, vorzugsweise aus hochverschleißfestem Kunststoff bestehender Stützring 29, der sich an der abströmseitigen Nutflanke 30 der O-Ringnut 27 abstützt. Der O-Ring 28 legt sich gegen den Stützring 29, der z. B. eine Stärke von 0,8 mm hat.
Die als Anlagefläche für den Stützring 29 dienende Nutflanke 30 befindet sich in einem axialen Abstand X von der abströmseitigen Stirnfläche 31 des Führungsgliedes 12, der kleiner ist als die Breite der O-Ringnut 27, in Axialrichtung der Führungsbohrung 13 gemessen. Infolgedessen ist hier ein sehr schmaler Steg zwischen der O-Ringnut 27 und der Stirnfläche 31 vorhanden, dessen Stärke z. B. 1 bis 1,5 mm beträgt. Um eine Verformung dieses schwachen Steges durch die hohen Kräfte der Ventilfeder 20 zu verhindern, ist der Kolbenkopf 16 an seiner der Stirnfläche 31 zugewandten Basis so bemessen, daß sein Durchmesser hier größer ist als der Durchmesser der O-Ringnut 27 am Nutgrund. Infolgedessen stützt sich der Kolbenkopf 16 außerhalb des Durchmesserbereiches der Ringnut 27 und demgemäß außerhalb des dünnwandigen Stegteils 32 an der Stirnfläche 31 des Führungsgliedes 12 ab, wie dies vor allem Fig. 4 zeigt. Der Kolbenkopf 16 weist im Bereich des schwachen Stegteils 32 an der Unterseite eine ringförmige Einziehung 33 auf.
Im Einsatz faßt das Druckbegrenzungsventil 10 mit einem zylindrischen Ansatz 34 des Führungsgliedes 12 dichtend in eine (nicht dargestellte) Gehäusebohrung ein, die mit dem Druckraum eines hydraulischen Grubenstempels oder einer Stempelgruppe in Verbindung steht. Der Arbeitsdruck wirkt daher in Gegenrichtung zu der Ventilfeder 20 auf den Ventilkolben 14. Übersteigt der Arbeitsdruck die Federschließkraft, so wird der Ventilkolben 14 gegen die Rückstellkraft der Ventilfeder 20 verschoben, wobei die radialen Abströmbohrungen 23 sich über den O-Ring schieben und den Strömungsquerschnitt zur Abströmseite des Ventils, d. h. in den Rücklauf freigeben, mit dem die Gehäusehülse 11 in Verbindung steht. Je nach dem Öffnungsweg des Ventilkolbens 14 wird ein mehr oder weniger großer Abströmquerschnitt geöffnet. Der größte Abströmquerschnitt ist dann vorhanden, wenn sämtliche sechs radialen Abströmbohrungen 23 mit vollem Querschnitt die Stirnfläche 31 des Führungsgliedes 12 überlaufen haben und daher voll in dem Innenraum der Gehäusehülse 11 münden. Senkt sich der Druck wieder unter den eingestellten Druckwert, so wird der Ventilkolben 14 unter der Rückstellkraft der Ventilfeder 20 wieder in die Schließstellung zurückgeschoben.
Zwischen der zylindrischen Außenfläche des Kolbenschaftes 15 und der zylindrischen Führungsfläche der axialen Führungsbohrung 13 des Führungsgliedes 12 ist im Bereich des Steges 32 ein enger Drosselspalt von z. B. 0,01 mm vorhanden. Um zu verhindern, daß der elastische O-Ring 28 unter den außerordentlich hohen Arbeitsdrücken von 300 bis 500 bar und bei den hohen Durchflußmengen in den genannten Spalt kriecht, was zu einer raschen Zerstörung des O-Ringes führen würde, ist der verschleißfeste Stützring 29 vorgesehen, der unter dem Druck des hochbelasteten O-Ringes 28 eine elastische Verformung erfährt, die seinen Innendurchmesser verringert, so daß sich der Stützring in den Spalt zwischen Kolbenschaft 15 und Innenwandung der Führungsbohrung 13 hinein verformt und dadurch ein Einkriechen des O-Ringes 28 in den Spalt unmöglich macht. Der Innendurchmesser des O-Ringes 28 ist etwa gleich oder nur geringfügig kleiner als der Durchmesser des Kolbenschaftes 15, so daß sich eine geringe Haftreibung zwischen dem O-Ring und dem Kolbenschaft ergibt.
Es empfiehlt sich, die O-Ringnut 27 so einzustechen, daß ihre beiden Nutflanken vom Nutgrund in Richtung auf den Kolbenschaft 15 gegeneinander divergieren, derart, daß zumindest die Nutflanke 30 unter einem kleinen Winkel von z. B. etwa 2° gegenüber der Radialebene geneigt verläuft.

Claims

1. Druckbegrenzungsventil für hydraulische Grubenstempel mit in einem Ventilgehäuse angeordnetem Ventilkolben, der sich mit seinem Kolbenkopf gelenkbeweglich gegen ein federbelastetes Druckstück abstützt und der mit seinem Kolbenschaft in der Führungsbohrung eines Führungsgliedes geführt ist, mit einer Axialbohrung des Kolbenschaftes, die sich von dem freien Ende des Kolbenschaftes bis in die Nähe des Kolbenkopfes erstreckt und hier mit radialen Abströmbohrungen verbunden ist, die in konische Erweiterungen am zylindrischen Kolbenschaft auslaufen, und mit einem sich dichtend gegen den Kolbenschaft legenden O-Ring, der in einer Ringnut in Nähe des abströmseitigen Endes der Führungsbohrung sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (14) an seinem Kolbenschaft (15) mindestens fünf radiale Abströmbohrungen (23) aufweist, und daß in der O-Ringnut (27) des Führungsgliedes (12) ein an der abströmseitigen Nutflanke (30) anliegender elastischer Stützring (29) angeordnet ist, gegen welchen sich der O-Ring (28) abstützt.

2. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schaft (15) des Ventilkolbens (14) sechs radiale Abströmbohrungen vorgesehen sind.

3. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stützring (29) abstützende Nutflanke (30) der O-Ringnut (27) in einem axialen Abstand (X) von dem abströmseitigen Ende des Führungsgliedes (12) angeordnet ist, der kleiner ist als die Breite der O-Ringnut, und daß der Kolbenkopf (16) einen Außendurchmesser hat, der größer ist als der Durchmesser der O-Ringnut (27), wobei die Federkraft zumindest überwiegend außerhalb des Durchmessers der O-Ringnut über den Kolbenkopf gegen das Führungsglied (12) abgestützt ist.

4. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (29) aus verschleißfestem Kunststoff besteht.

5. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring ( 29) aus einem Flachring besteht.

6. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Axialbohrung (22) des Kolbenschaftes (15) zu dem Durchmesser der radialen Abströmbohrungen (23) zumindest angenähert 4 : 1 beträgt.

7. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Führungsbohrung (13) zu dem Durchmesser der Axialbohrung (22) zwischen etwa 1,5 : 1 und 2 : 1 liegt.

8. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (30) der O-Ringnut (27) vom Nutgrund zur Nutöffnung hin gegeneinander divergieren.