DE2914981C3 - Druckbegrenzungsventil für hydraulische Grubenstempel - Google Patents
Druckbegrenzungsventil für hydraulische GrubenstempelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil für hydraulische
Grubenstempel entsprechend der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Art.
Druckbegrenzungsventile, deren federbelasteter Ventilkolben
mit vier oder auch mehr Radialbohrungen versehen ist, sind
für die Verwendung bei hydraulischen Grubenstempeln, wie
sie insbesondere bei hydraulischem Schreitausbau zum Einsatz
kommen, vielfach bekannt, z. B. aus dem DE-GM 19 45 206,
der DE-OS 24 08 106, der DE-OS 17 50 834 und der FR-PS
1 149 979. An die Druckbegrenzungsventile für hydraulischen
Schreitausbau werden bekanntlich ungewöhnlich hohe Forderungen
gestellt. Wichtig ist vor allem, daß die Druckbegrenzungsventile
eine hohe Ansprechgenauigkeit aufweisen
und diese auch über längere Zeit unverändert beibehalten.
Bei den hohen Arbeitdrücken von nicht selten 400 bis 500 bar
der verwendeten Öl-Wasser-Emulsion sollen die Druckbegrenzer
keinem unzulässig hohem Verschleiß, insbesondere
keinem Strahlverschleiß, unterliegen. Außerdem sollen
die Ventile unempfindlich sein gegenüber den im untertägigen
Bergbau herrschenden rauhen Betriebsbedingungen.
Die Druckbegrenzungsventile der vorgenannten Art erfüllen
die gestellten Forderungen an sich zufriedenstellend. Allerdings
sind diese Ventile zumeist nur auf verhältnismäßig
kleine Durchflußmengen ausgelegt, was in der Praxis im allgemeinen
genügt, da beim Ansprechen der Ventile im Überlastfall
im allgemeinen nur eine geringe Flüssigkeitsmenge abgeführt
werden muß. Anders liegen aber die Verhältnisse z. B.
dann, 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 u. U. 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
hydraulische Betriebsdruck in der Praxis nicht unerheblichen
Schwankungen unterliegt, kann es auch in diesem Fall
zu den genannten Beschädigungen der Druckbegrenzungsventile
kommen.
Man hat bei Druckbegrenzungsventilen der vorgenannten Art,
die allerdings nur mit vier radialen Abströmbohrungen engen
Querschnitts versehen sind, vorgeschlagen, die den O-Ring
aufnehmende Ringnut in verhältnismäßig dichtem Abstand von
dem abströmseitigen Ende des Führungsgliedes anzuordnen,
derart, daß der Abstand der Ringnut von der oberen Auflagefläche
für den Kopf des Ventilkolbens nicht wesentlich
größer ist als der Durchmesser des O-Ringes (DE-OS
28 03 283). Dabei soll der Außendurchmesser der Auflagefläche
für den Kopf des Ventilkolbens größer sein als der
Durchmesser der Ringnut, so daß die resultierende Kraft
der Ventilfeder außerhalb des mittleren Durchmessers der
Ringnut an der oberen Auflagefläche für den Kopf des Ventilkolbens
angreift.
Schließlich ist es bei O-Ringdichtungen auch schon bekannt,
in den Ringnuten Stützringe aus Kunststoff einzubringen,
gegen die sich der O-Ring abstützt, um das Eindringen des
O-Ring-Werkstoffes in den Dichtspalt bei den hohen Drücken
zu verhindern (Sonderdruck aus "Ölhydraulik und Pneumatik",
3. Jg., Heft 7, Oktober 1959).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckbegrenzungsventil
der gattungsgemäßen Art bei Wahrung seiner bewährten Funktionssicherheit
und hohen Ansprechgenauigkeit so auszugestalten,
daß auch größere Durchflußmengen in der Größenordnung
von 50 l/min sicher abgeführt werden können.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im
Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventil sind die
inneren Strömungsquerschnitte des Ventils und insbesondere
seines Ventilkolbens aufgrund der Erhöhung der Anzahl der
radialen Abströmbohrungen so groß bemessen, daß die gewünschten
großen Flüssigkeitsmengen sicher abgeführt werden
können. Die Erhöhung der Strömungsquerschnitte kann
dabei erfolgen, ohne daß die Abmessungen des Ventils und
seiner Einzelteile gegenüber denjenigen herkömmlicher
Druckbegrenzungsventile 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
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 in Gestalt
eines Flachringes.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventil 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
der verhältnismäßig dünne Steg zwischen der abströmseitigen
Nutflanke und der benachbarten Stirnfläche des Führungsgliedes
durch die über den Kolbenkopf auf das Führungsglied
wirkenden hohen Federkräfte nicht verformt werden kann. Die
Anordnung der O-Ringnut in verhältnismäßig geringem Abstand
von dem abströmseitigen Stirnende des Führungsgliedes hat
vor allem den Vorteil, daß der Ventilkolben 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 Druckflüssigkeitsmengen
günstige Strömungsverhältnisse zu erzielen,
wird zweckmäßig das Verhältnis des Durchmessers der Axialbohrung
des Kolbenschaftes zu dem Durchmesser der radialen
Abströmbohrungen so gewählt, daß es zumindest angenähert
4 : 1 beträgt, wobei, wie erwähnt, vorzugsweise sechs radiale
Abströmbohrungen am Ventilkolben 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 Er
findung im Axialschnitt;
Fig. 2 den bei dem Druckbegrenzungsventil nach
Fig. 1 verwendeten Ventilkolben in größe
rem 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 Kolben
kopfes.
Das dargestellte Druckbegrenzungsventil 10 weist ein nach
Art einer Ventilpatrone ausgebildetes Ventilgehäuse mit
einer zylindrischen Gehäusehülse 11 und einem Führungs
glied 12 auf, welches in das offene Ende der Gehäusehül
se 11 eingeschraubt ist. Das Führungsglied 12 ist mit
einer durchgehenden axialen Führungsbohrung 13 versehen,
in der ein Ventilkolben 14 mit seinem zylindrischen Kol
benschaft 15 geführt ist.
Wie insbesondere die Fig. 2 und 3 zeigen, weist der Ven
tilkolben 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 ver
schiebbar 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 Gehäuse
hülse 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 einmün
den und die mit ihren äußeren Enden in konischen Erwei
terungen 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 Ab
strömbohrungen 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 Axialboh
rung 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 Füh
rungsglied 12 in Nähe seines oberen, abströmseitigen
Endes eine Ringnut 27 auf, die einen O-Ring 28
aufnimmt, welcher im Schließzustand des Ventils den engen Drossel
spalt zwischen Ventilschaft 15 und Führungsglied 12 ab
dichtet. In der O-Ringnut 27 befindet sich ferner ein
als Flachring ausgebildeter, vorzugsweise aus hoch
verschleißfestem Kunststoff bestehender Stützring 29,
der sich an der abströmseitigen Nutflanke 30 der O-Ring
nut 27 abstützt. Der O-Ring 28 legt sich gegen den Stütz
ring 29, der z. B. eine Stärke von 0,8 mm hat.
Die als Anlagefläche für den Stützring 29 dienende Nut
flanke 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. Infolge
dessen 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 Ven
tilfeder 20 zu verhindern, ist der Kolbenkopf 16 an sei
ner der Stirnfläche 31 zugewandten Basis so bemessen,
daß sein Durchmesser hier größer ist als der Durchmes
ser der O-Ringnut 27 am Nutgrund. Infolgedessen stützt
sich der Kolbenkopf 16 außerhalb des Durchmesserberei
ches der Ringnut 27 und demgemäß außerhalb des dünnwan
digen Stegteils 32 an der Stirnfläche 31 des Führungs
gliedes 12 ab, wie dies vor allem Fig. 4 zeigt. Der Kol
benkopf 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 Arbeits
druck 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 schie
ben und den Strömungsquerschnitt zur Abströmseite des
Ventils, d. h. in den Rücklauf freigeben, mit dem die Ge
häusehülse 11 in Verbindung steht. Je nach dem Öffnungs
weg des Ventilkolbens 14 wird ein mehr oder weniger großer
Abströmquerschnitt geöffnet. Der größte Abströmquerschnitt
ist dann vorhanden, wenn sämtliche sechs radialen Ab
strömbohrungen 23 mit vollem Querschnitt die Stirnflä
che 31 des Führungsgliedes 12 überlaufen haben und da
her voll in dem Innenraum der Gehäusehülse 11 münden.
Senkt sich der Druck wieder unter den eingestellten Druck
wert, so wird der Ventilkolben 14 unter der Rückstell
kraft der Ventilfeder 20 wieder in die Schließstellung
zurückgeschoben.
Zwischen der zylindrischen Außenfläche des Kolbenschaf
tes 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 ge
nannten Spalt kriecht, was zu einer raschen Zerstörung
des O-Ringes führen würde, ist der verschleißfeste Stütz
ring 29 vorgesehen, der unter dem Druck des hochbelaste
ten O-Ringes 28 eine elastische Verformung erfährt, die
seinen Innendurchmesser verringert, so daß sich der Stütz
ring in den Spalt zwischen Kolbenschaft 15 und Innenwan
dung 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 Durchmes
ser des Kolbenschaftes 15, so daß sich eine geringe Haft
reibung 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 ver
läuft.
Claims (6)
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 mindestens fünf 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
- - 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,
- - 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,
- - 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.
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 das
Verhältnis des Durchmessers der Axialbohrung (22) des
Kolbenschaftes (15) zu dem Durchmesser der radialen
Abströmbohrungen (23) zumindest angenähert 4 : 1 beträgt.
4. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis
3, 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.
5. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Flanken (30) der O-Ringnut (27) vom Nutgrund zur
Nutöffnung hin gegeneinander divergieren.
6. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stützring (29) aus einem Flachring aus verschleißfestem
Kunststoff besteht.
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