DE3123224C2 - Elektrisch betätigbares hydraulisches Steuerventil - Google Patents

Abstract

Das elektrisch betätigbare hydraulische Steuerventil wird im Öffnungssinne von einem elektrischen Antriebsmechanismus im Schließsinne durch das zurückfließende hydraulische Druckmittel betätigt. Die Verwendung in schlagwettergefährdeten Bereichen des untertägigen Bergbaus macht es notwendig, die dem elektrischen Antriebsmechanismus zugeführte elektrische Leistung auf 10 Watt zu begrenzen. Um dennoch zum Öffnen des Ventiles die erforderliche große Leistung erbringen zu können, enthält der elektrische Antriebsmechanismus einen Energiespeicher vorzugsweise in Form einer Druckfeder (9), die mittels eines von einem leistungsschwachen elektrischen Getriebemotor (19) angetriebenen Spanngetriebes (11, 15; 12, 16) vorgespannt wird, welches zum Öffnen des Ventiles die in der Druckfeder (9) gespeicherte Energie schlagartig freigibt und anschließend zum Schließen des Ventiles den Schließweg für den Schließkörper (4) des Ventiles dadurch freigibt, daß es ein die Druckfeder (9) abstützendes Widerlager (10) für eine Verschiebung in der Schließrichtung freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares hydraulisches Steuerventil, insbesondere zur Verwendung in schlagwettergefährdeten Bereichen des untertätigen Grubenbetriebes, dessen Schließkörper im Öffnungssinne durch einen elektrischen Antriebsmechanismus und im Schließsinne durch das zurückfließende hydraulische Druckmittel verschiebbar ist

Bei elektrisch betätigbaren hydraulischen Steuerventilen, die in schlagwettergefährdeten Bereichen des untertätigen Grubenbetriebes eingesetzt werden, muß sichergestellt sein, daß durch die den Ventilen zugeführte elektrische Energie keine Schlagwetter gezündet werden können. Die bisher üblichen elektrisch betätigbaren hydraulischen Steuerventile sind als Magnetventile ausgebildet, bei denen die Betätigung des Schließkörpers im Öffnungssinne durch einen elektrischen Hubmagneten erfolgt. Um mit einem derartigen Hubmagneten den Schließkörper in die Öffnungsstellung zu bewegen und in der Öffnungsstellung zu halten, wird eine verhältnismäßig große elektrische Leistung benötigt, die im Bereich der Energieversorgung eine entsprechende Spannung und Stromstärke erforderlich macht. Um ein derartiges System schlagwettersicher zu machen, müßten nicht nur die elektrischen Hubmagnete schlagwettersicher gekapselt werden, sondern es müßten auch sämtliche elektrischen Zuleitungen schlagwettersicher ausgeführt werden, was beispielsweise bei Verwendung des Steuerventiles an einem selbstvorrückenden hydraulischen Strebausbau mit einer großen Zahl von Steuerventilen εη den Ausbauelementen und den Rückzylindern außerordentlich aufwendig ist. Aus diesem Grunde hat man sich in der Praxis bisher im wesentlichen auf hydraulisch betätigbare Steuerventile beschränkt.
Zu diesen hydraulisch betätigbaren Steuerventilen, bei denen der Schließkörper hydraulisch verstellt wird, gehören auch die sogenannten Pilotventile, die gegebenenfalls auch elektrisch ansteuerbar ausgebildet werden können. Bei diesen Pilotventilen wird ein Vorsteuerventil mit verhältnismäßig geringer Schaltenergie angesteuert, welches seinerseits eine hydraulische Hilfsenergie zur Betätigung des Schließkörpers steuert. Derartige Pilotventile sind jedoch sehr aufwendig und wegen der kleinen Strömungsquerschnitte im hydraulischen Hilfskreis störanfällig.

Als ohne besondere Schutzmaßnahmen schlagwettersicher gelten elektrische Anlagen, bei denen durch entsprechende Maßnahmen sichergestellt ist, daß die elektrische Leistung 10 Watt nicht überschreiten kann. Solche als eigensicher bezeichenten Anlagen werden Untertage in der Regel für Fernmeldeeinrichtungen, Meßoder Regelgeräte oder allenfalls für die Beleuchtung verwendet. Für die direkte elektrische Betätigung beispielsweise von Magnetventilen reicht eine Leistung von 10 Watt bei weitem nicht aus, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß die Umschaltzeit kurz sein muß, wenn das Steuerventil exakt arbeiten soll. Gerade für eine schnelle Umschaltung werden große Leistungsspitzen benötigt, die erheblich über 10 Watt liegen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektrisch betätigbares hydraulisches Steuerventil zu schaffen, welches bei einer Begrenzung der zugeführten Leistung auf 10 Watt ausreichend schnell umschalten kann. Hierdurch soll erreicht werden, daß das gesamte elektrische Energieversorgungssystem der Steuerventile beispielsweise eines selbstvorrückenden Strebiusbaus eigensicher ausgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem elektrisch betätigbaren hydraulischen Steuerventil der eingangs genannten Art vor, daß der elektrische Antriebsmechanismus einen mit geringer elektrischer Leistung aufladbaren, den Schließkörper betätigenden Energiespeicher enthält, welcher zum öffnen des Ventiles die zum Verschieben des Schließkörpers in die Öffnungsstellung erforderliche Energie schlagartig freigibt und zum Schließen des Ventiles den Schließweg des Schließkörpers freigibt

Bei einem Steuerventil gemäß der Erfindung genügt . für das Aufladen des Energiespeichers eine elektrische Leistung von nicht mehr als 10 Watt. Die zum schnellen Verschieben des Schließkörpers in die Öffnungsstellung erforderliche Energie wird in dem Energiespeicher gespeichert und beim öffnen des Ventiles schlagartig freigesetzt. Damit der Schließkörper beim Schließen des Ventiles unter dem Einfluß des Druckmittels schnell wieder in die Schließstellung zurückkehren kann, gibt der Energiespeicher bei Einleitung des Schließvorganges den Schließweg für den Schließkörper frei. Dann wird der Energiespeicher wieder aufgeladen und in Be-Teitschaftsstellung gehalten, damit ein neuer Schaltzyklus beginnen kann.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß wegen der geringen elektrischen Leistung alle elektrischen Schaltvorgänge direkt mit Halbleiter-Schaltelementen, beispielsweise mit Transistoren, geschaltet werden können.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der als Druckfeder ausgebildete Energiespeicher zwischen einem Widerlager und einem auf den Schließkörper einwirkenden Schubelemente angeordnet ist, die beide in Wirkrichtung der Druckfeder jeweils um die Länge des Federweges begrenzt verschiebbar an dem Ventilgehäuse geführt sind und jeweils mit elektromotorisch angetriebenen Spanngetrieben verbunden sind, weiche das Schubelement und das Widerlager untere Spannung der Feder über einen großen Drehweg des elektromotorischen Antriebes gegeneinander verschieben und nach vollständiger Spannung der Druckfeder zunächst das Schubelement und dann das Widerlager entgegen der Spannrichtung schlagartig freigeben.

Bei dieser Ausführungsform des Steuerventiles gemäß der Erfindung genügt für den elektromotorischen Antrieb ein kleiner Drehmotor mit 10 Watt Leistungsaufnahme. Die zum schnellen Verschieben des Schließkörpers in die Öffnungsstellung erforderliche Energie wird in der Feder gespeichert und bei Freigabe des Schubelementes schlagartig freigesetzt. Damit der Schließkörper unter dem Einfluß des Druckmittels anschließend schnell wieder in die Schließstellung zurückkehren kann, wird anschließend an die Freigabe des Schubelementes das Widerlager freigegeben, so daß sich der Schließkörper unter Verschiebung der entspannten Feder und des Widerlagers schnell in die Schließstellung bewegen kann. Anschließend wird mittels der Spanngetriebe und über einen ausreichend großen Drehweg des leistungsschwachen Motors das Widerlager wieder in die Spannstellung verbracht und das Schubelement in der Spannstellung gehalten, so daß ein neuer Schaltzyklus beginnen kann.

Die erwähnten beiden Spanngetriebe sind zweckmäßig als Nockengetriebe ausgebildet, welche über Betätigungshebel auf das Schubelement bzw. das Widerlager einwirken. Derartige Nockengetriebe sind einfach und robust im Aufbau, so daß sich bei Verwendung von solchen Getrieben eine ausgezeichnete Funktionssicherheit und lange Standzeiten ergeben.
Die Nockenscheiben der beiden Spanngetriebe sitzen zweckmäßig auf einer gemeinsamen Antriebswelle und sind derart gegeneinander verdreht, daß bei Verdrehung der Antriebswelle zunächst zum Öffnen des Ventiles das dem Schließkörper zugeordnete Schubelement und darauf zum Schließen des Ventiles das Widerlager freigegeben wird. Hierdurch kann die Aufeinanderfolge

von öffnen und Schließen trotz des leistungsschwachen elektromotorischen Antriebes verhältnismäßig kurz sein.

Weiterhin sind auf der Antriebswelle zusätzlich Schaltnocken zur Betätigung der elektrischen Schalter des elektromotorischen Antriebes angeordnet

Um ungewollte Fehlbetätigungen des Ventiles zu vermeiden, ist schließlich vorgesehen, daß zwischen dem Schubelement und dem Schließkörper ein Druckstück angeordnet ist, dessen Dicke mindestens dem Schließweg des Schließkörpers entspricht und welches mittels einer Verschiebeeinrichtung zwischen Schubelement und Schließkörper einschiebbar bzw. herausziehbar ist. Aufgrund dieser Merkmale verbleibt der Schließkörper in jedem Falle in der Schließstellung, solange das Druckstück herausgezogen ist.

Dabei ist zweckmäßig die Verschiebeeinrichtung für das Druckstück von einem Elektromagneten betätigbar, welcher das Druckstück gegen die Wirkung einer Feder zwischen Schubelement und Schließkörper einschiebt. Auf diese Weise ist das Ventil nur dann betätigbar, wenn dieser Elektromagnet angesteuert ist.

Zusätzlich ist die Verschiebeeinrichtung zweckmäßig von Hand betätigbar, um im Notfalle das Steuerventil durch Herausziehen oder Hineinschieben des Druckstückes schließen oder öffnen zu können.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Steuerventil gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; F i g. 2 einen horizontalen Schnitt durch den aus F i g. 1 hervorgehenden Betätigungsmechanismus;
F i g. 3 in ähnlicher Darstellung wie in F i g. 1 eine zweite Ausführungsform des Betätigungsmechanismus. In der Zeichnung ist das Ventilgehäuse mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der hydraulische Teil des Steuerventiles weist einen Druckanschluß 2 und einen Rücklaufanschluß 3 auf. Zwischen beiden befindet sich ein Schließkörper 4, der mittels eines elastischen Kompensators 5 gegen einen dem Ventilgehäuse 1 zugeordneten Ventilsitz 6 anpreßbar ist.

Der Schließkörper 4 ist mit einem Betätigungsstößel 7 verbunden, auf welchen das Schubelement 8 des den Schließkörper 4 betätigenden elektrischen Antriebsmechanismus einwirkt. Das Schubelement 8 seinerseits wird von einem als Druckfeder 9 ausgebildeten Energiespeicher betätigt, welcher sich an einem Widerlager 10 abstützt. Sowohl das Widerlager 10 als auch das Schubelement 8 sind in der Wirkrichtung der Druckfeder 9 jeweils um die Länge des Federweges begrenzt verschiebbar am Ventilgehäuse 1 und aneinander geführt. Die Führung am Ventilgehäuse 1 erfolgt durch zwei

doppelarmige Gabelhebel 11 und 12, die um parallele Achsen 13 und 14 gegenläufig schwenkbar an dem Ventilgehäuse 1 gelagert sind und mit ihren gegabelten Hebelarmen am Schubelement 8 bzw. am Widerlager 10 angreifen. Die den gegabelten Hebelarmen gegenüberliegenden Hebelarme der Gabelhebel 11 und 12 stützen sich jeweils an Nockenscheiben 15 und 16 eines insgesamt mit 17 bezeichneten Spanngetriebes ab. Die Nokkenscheiben 16 und 15 sitzen auf einer gemeinsamen Nockenwelle 18, die von einem stark untersetzten elek-Irischen Getriebemotor mit 10 Watt Leistung angetrieben wird. Die Nockenscheiben 15 und 16 sind derart auf der Nockenwelle 18 angeordnet, daß beim Verdrehen der Nockenwelle 18 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung zunächst der mit dem Schubelement 8 verbundene Gabelhebel 11 und danach der mit dem Widerlager 10 verbundene Gabelhebel 12 schlagartig freigegeben werden. Auf der Nockenwelle 18 sitzt weiterhin ein Schaltnocken 20, welcher über einen elektrischen Schalter 21 den Versorgungsstromkreis des Getriebemotors 19 schaltet

Zwischen dem Schubelement 8 und dem Betätigungsstößel 7 des Schließkörpers 4 ist weiterhin ein Druckstück 22 angeordnet, dessen Dicke mindestens dem Schließweg des Schließkörpers 4 entspricht und welches mit einer Verschiebeeinrichtung 23 verbunden ist. Mit dieser Verschiebeeinrichtung 23 kann das Druckstück 22 zwischen den Betätigungsstößel 7 des Schließkörpers 4 und das Schubelement 8 eingeschoben werden oder zwischen diesen Teilen herausgezogen werden. Die Verschiebeeinrichtung 23 für das Druckstück 22 enthält einen mit 10 Watt elektrischer Leistung betätigten Elektromagneten 24, welcher das Druckstück 22 gegen die Wirkung einer Feder 25 zwischen das Schubelement 8 und dem Betätigungsstößel 7 des Schließkörpers 4 einschieben kann. Die Feder 25 ist so stark bemessen, daß sie das Druckstück 22 bei fehlender Erregung des Elektromagneten 24 zurückzieht Die Verbindungsstange 26 zwischen dem Stößel 27 des Elektromagneten 24 und dem Druckstück 22 ist elastisch ausgebildet, so daß das Druckstück 22 den Bewegungen des Schubelementes 8 und des Betätigungsstößels 7 des Schließkörpers 4 folgen kana Der Stößel 27 des Elektromagneten 24 ist weiterhin mit einem Handgriff 28 versehen, mit welchem eine Nothandbetätigung des Druckstückes 22 möglich ist.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Steuerventil funktioniert wie folgt Zunächst befindet sich der Schließkörper 4 unter dem Einfluß des am Druckan- ■ schluß 2 anstehenden Druckmitteldruckes in der Schließstellung. Das Druckstück 22 befindet sich in der zurückgezogenen Stellung, so daß vom Schubelement 8 keine Kräfte auf den Schließkörper 4 übertragen werden können. Dann wird das Ventil durch Verdrehen der Nockenwelle 18 in die Bereitschaftsstellung verbracht, die dann erreicht ist wenn die Nockenscheiben 15 und 16 über die Gabelhebel 11 und 12 unter Spannung der Druckfeder 9 das Widerlager 10 um seinen Verschiebeweg angehoben und das Schubelement 8 um seinen Verschiebeweg herabgedrückt haben.

Soll das Ventil geöffnet werden, so werden gleichzeitig der Elektromagnet 24 und der Getriebemotor 19 eingeschaltet Hierdurch schiebt sich das Druckstück 22 in die Lücke zwischen dem Schubelement 8 und dem Betätigungsstößel 7 des Schließkörpers 4, so daß nunmehr Kräfte von dem Schubelement 8 auf den Schließkörper 4 übertragen werden können. Durch Verdrehen der Nockenweile 18 wird das an der Nockenscheibe 15 gleitende Ende des das Schubelement 8 betätigenden Gabelhebels 12 schlagartig freigegeben, so daß die zuvor gespannte Druckfeder 9 sich entspannen kann und über das Schubelement 8, das Druckstück 22 und den Betätigungsstößel 7 den Schließkörper 4 in die Öffnungsstellung verschiebt. In der Öffnungsstellung schaltet der Schaltnocken 20 den Getriebemotor 19 ab, so daß das Ventil in der Öffnungsstellung verbleibt. Diese Situation ist in der Zeichnung dargestellt.

Soll das Ventil geschlossen werden, so wird der Getriebemotor 19 wieder eingeschaltet und die Nockenwelle 18 verdreht, bis die Nockenscheibe 16 das Ende des das Widerlager 10 betätigenden Gabelhebels 12 freigibt. Hierdurch kann sich die entspannte Druckfeder 9 zusammen mit dem Schubelernent 8 um der. Verschiebeweg des Widerlagers 10 nach unten verschieben, so daß der Verschiebeweg des vom Druckmitteldruck betätigten Schließkörpers 4 freigegeben wird. Zusätzlich kann gleichzeitig durch Abschalten des Elektromagneten 24 des Druckstücks 22 zurückgezogen werden, so daß auch hier der Verschiebeweg für den Schließkörper 4 freigegeben wird. Durch weiteres Verdrehen der Nokkenwelle 18 kann das Ventil dann unter Spannung der Druckfeder 9 wieder in die Bereitschaftsstellung verbracht werden, so daß ein neuer Schaltzyklus beginnen kann.

Im Notfalle kann das Ventil jederzeit dadurch geschlossen werden, daß das Druckstück 22 mittels des Handgriffes 28 zurückgezogen wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 entspricht in allen wesentlichen Einzelheiten dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 1 und 2. Hier ist jedoch die Druckfeder 9 durch einen Stickstoffblasenfederspeicher ersetzt, der im wesentlichen die gleiche Funktion hat, wie die Druckfeder 9.

Bezugszeichenliste

1	= Ventilgehäuse
2	= Druckanschluß
3	= Rücklaufanschluß
4	= Schließkörper
5	= Kompensator
6	= Ventilsitz
7	= Betätigungsstößel
8	= Schubelement
9	= Druckfeder
10	= Widerlager
11	= Gabelhebel
12	= Gabelhebel
13	= Achse
14	= Achse
15	= Nockenscheibe
16	= Nockenscheibe
17	= Spanngetriebe
18	= Nockenwelle
19	= Getriebemotor
20	= Schaltnocken
21	= Schalter
22	= Druckstück
23	= Verschiebeeinrichtung
24	= Elektromagnet
25	= Feder
26	= Verbindungsstange
27	= Stößel
28	= Handgriff
29	= Stickstoffblasenfederspeicher

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   I. Elektrisch betätigbares hydraulisches Steuerventil, insbesondere zur Verwendung in schlagwettergefährdeten Bereichen des untertätigen Grubenbetriebes, dessen Schließkörper im Öffnungssinne durch einen elektrischen Antriebsmechanismus und im Schließsinne durch das zurückfließende hydraulische Druckmittel verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Antriebsmechanismus (8—21) einen mit geringer elektrischer Leistung aufladbaren, den Schließkörper (4) betätigenden Energiespeicher (9,29) enthält, welcher zum Öffnen des Ventiles die zum Verschieben des Schließkörpers (4) in die Öffnungsstellung erforderliche Energie schlagartig freigibt und zum Schließen des Ventiles den Schließweg des Schließkörpers (4) freigibt.
2. 2. Steuerventil nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der als Druckfeder (9) ausgebildete Energiespeicher zwischen einem Widerlager (10) und einem auf den Schließkörper (4) einwirkenden Schubelement (8) angeordnet ist, die beide in Wirkrichtung der Druckfeder (9) jeweils um die Länge des Federweges begrenzt verschiebbar an dem Ventilgehäuse (1) geführt sind und jeweils mit elektromotorisch angetriebenen Spanngetrieben (11, 15; 12,16) verbunden sind, welche das Schubelement (8) und das Widerlager (10) unter Spannung der Druckfeder (9) über einen großen Drehweg des elektromotorischen Antriebes (19) gegeneinander verschieben und nach vollständiger Spannung der Druckfeder (9) zunächst das Schubelement (8) und dann das Widerlager (10) entgegen der Spannrichtung schlagartig freigeben.
3. 3. Steuerventil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spanngetriebe (11, 15; 12, 16) als Nockengetriebe ausgebildet sind, welche über Betätigungshebel (13t 14) auf das Schubelement (8) bzw. das Widerlager (10) einwirken.
4. 4. Steuerventil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenscheiben (15; 16) der beiden Spanngetriebe (11, 15; 12, 16) auf einer gemeinsamen Antriebswelle (18) sitzen und derart gegeneinander verdreht sind, daß bei Verdrehung der Antriebswelle (18) zunächst zum Öffnen des Ventiles das dem Schließkörper (4) zugeordnete Schubelement (8) und darauf zum Schließen des Ventiles das Widerlager (10) schlagartig freigegeben wird.
5. 5. Steuerventil nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebswelle (18) zusätzlich Schaltnocken (20) zur Betätigung der elektrischen Schalter (21) des elektromotorischen Antriebes (19) angeordnet sind.
6. 6. Steuerventil nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schubelement (8) und dem Schließkörper (4) ein Druckstück (22) angeordnet ist, dessen Dicke mindestens dem Schließweg des Schließkörpers (4) entspricht und welches mittels einer Verschiebeeinrichtung (23) zwischen Schubelement (8) und Schließkörper (4) einschiebbar bzw. herausziehbar ist.
7. 7. Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung (23) für das Druckstück (22) durch einen Elektromagneten (24) betätigbar ist, welcher das Druckstück (22) gegen die Wirkung einer Feder (25) zwischen Schubelement (8) und Schließkörper (4) einschiebt
8. 8. Steuerventil nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung (23) zusätzlich von Hand betätigbar ist