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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft ein Mehrwegeventil zur Rückleitung von Flüssigkeiten
aus einem Zylinder eines hydraulischen Systems mit einer Hauptsteuereinheit und
einem Tank.
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Zylinder eines hydraulischen Systems der vorstehenden Art werden
unter anderem als Rückzylinder zum Rücken von Schild und Förderer beim hydraulischen
Grubenbau verwendet. Dabei wird von einer Hydraulikpumpe Flüssigkeit über das Schaltventil
einer Hauptsteuereinheit auf die Kolbenseite eines hydraulischen Zylinders gedruckt,
dessen Kolben dadurch ausgefahren wird. Beim Einfahren des Kolbens wird durch eine
Umschaltung in der Hauptsteuereinheit die Kolbenstangenseite des Zylinders beaufschlagt,
während zugleich die Kolbenseite entlastet wird. Je schneller die Kolbenseite entlastet
werden kann, um so rascher kann der Kolben wieder einfahren und die Schreitzeiten
verkürzt werden. Dabei tritt jedoch regelmäßig das Problem auf, daß sich beim Rückfluß
der Flüssigkeit aus der Kolbenseite ein Staupunkt in der Hauptsteuereinheit ergibt,
der ein rasches Zurückfahren des Kolbens in den Zylinder verhindert.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt
der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein druckgesteuertes Mehrwegeventil als "Schnellentlastungsventil"
zu schaffen, welches ohne zusätzliche Fremdenergien in völlig selbsttätiger Weise
einen raschen Rückfluß der Flüssigkeit aus der Kolbenseite bei Beaufschlagung des
Kolbens auf der Kolbenstangenseite gewährleistet und trotzdem ein ungehindertes,
rasches Ausfahren des Kolbens bei Beaufschlaung der Kolbenseite sicherstellt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Mehrwegeventil
ein Gehause mit drei Anschlüssen aufweist, von denen ein erster mit der Hauptsteuereinheit,
von denen ein zweiter zum ersten koaxial angeordneter Anschluß mit dem Tank und
von denen ein dritter Anschluß mit einer Kolbenseite eines Zylinders verbunden ist,
wobei unter Wirkung der Flüssigkeit koaxial zwischen dem ersten und dem zweiten
Anschluß ein Ventilkörper verschiebbar ist, der bei höherer Druckbeaufschlagung
des ersten Anschlusses diesen zum dritten Anschluß auf einen ersten, relativ geringen
Durchströmquerschnitt zur Kolbenseite hin öffnet und zugleich den zweiten Anschluß
zum Tank verschließt und der bei höherer Druckbeaufschlagung des dritten Anschlusses
diesen zum zweiten Anschluß mit einem zweiten, relativ großen Durchströmquerschnitt
zum Tank freigibt und zugleich den dritten zum ersten Anschluß teilweise zur Haupt
steuereinheit geöffnet hält. Durch diese Anordnung wird ein Ventil geschaffen, das
entgegen dem Bestreben des auf diesem
Fachgebiet tätigen Durchschnittsfachmannes
nicht eine eindeutig definierte Schließstellung aufweist, sondern lediglich bei
Druckbeaufschlagung der Kolbenseite des Zylinders den zweiten Anschluß in Richtung
zum Tank verschließt, der hingegen bei höherer Druckbeaufschlagung des dritten Anschlusses
den zweiten Anschluß mit großem Durchströmquerschnitt zum Tank freigibt und zugleich
auch den ersten Anschluß nicht etwa abschließt, sondern zumindest teilweise geöffnet
hält. Dadurch kann die Flüssigkeit im Zylinder von der Kolbenseite über einen großen
Durchströmquerschnitt direkt in den Tank und über einen kleineren Durchströmquerschnitt
über die Hauptsteuereinhe it unter Abbau des Staudruckes gleichfalls zum Tank gelangen.
Durch den auf diese Weise erheblichen vergrößerten und mit geringeren Druckverlusten
behafteten Ausflußquerschnitt der Flüssigkeit von der Kolbenseite des Zylinders
zum Tank kann diese Kolbenseite auch relativ rasch entleert und somit der Kolben
eingefahren werden. Da der zweite Anschluß zum Tank als drucklos betrachtet werden
darf, hängt die Schaltstellung des Ventilkörpers im wesentlichen von der Druckdifferenz
zwischen dem ersten und dritten Anschluß ab. Bei einem Druckgefälle vom dritten
zum ersten Anschluß schaltet der Ventilkörper auf eine Offenstellung zum Tank. Hingegen
bei einem Druckgefälle vom ersten zum dritten Anschluß auf eine Schließstellung
zum Tank.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Ventilkörper
zylindrisch ausgebildet,
an dessen dem zweiten Anschluß zugekehrten
Ende ein Dichtring und an dessen dem ersten Anschluß zugekehrten Ende eine starre,
mit dem ersten, relativ geringen Durchströmquerschnitt bildenden Durchflußöffnungen
versehene Scheibe und davor eine auf dem Ventilkörper relativ bewegliche, den ersten,
geringen Durchströmquerschnitt wahlweise freigebende oder verengende Schaltscheibe
angeordnet ist. Durch die auf dem Ventilkörper relativ bewegliche Schaltscheibe
können die Durchflußöffnungen in der starren Scheibe freigegeben oder verengt werden.
Diese Sc .tstellung der Schaltscheibe ist wiederum abhängig von der bereits dargelegten
Druckdifferenz zwischen erstem und drittem Anschluß.
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Ein sich in der Erprobung bewährter Ventilkörper weist einen Dorn
auf, auf dem nacheinander in Richtung vom zweiten zum ersten Anschluß des Ventilgehäuses
der Dichtring, eine Führungshülse mit zylindrischem Rücksprung, darauf die relativ
verschiebliche Schaltscheibe und abschließend die starre Scheibe mit den Durchflußöffnungen
angeordnet ist. Der Dorn ist vorteilhaft als Schraube mit Kopf und Außengewinde
ausgebildet, auf dem die Führungshülse über die mit einem entsprechenden Innengewinde
versehene starre Scheibe und den elastischen Dichtring gegen den Kopf verspannbar
ist.
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Um den Ventilkörper mit eindeutig definiertem Hub im Ventilgehäuse
unterzubringen und dadurch wiederum den zweiten, relativ großen Durchströmquerschnitt
- auch nachjustierbar - einstellen zu
können, ist das Ventilgehäuse
an einem Ende des ersten oder zweiten Anschlusses mit einem Innengewinde versehen,
dessen lichte Weite größer als der größte Durchmesser des Ventilkörpers ist und
in welches ein Außengewinde einer mit einer O-Ring-Dichtung abgedichteten Schraubmuffe
eingreift. Da der zweite Anschluß im wesentlichen als drucklos betrachtet werden
darf, ist vorteilhaft die Schraubmuffe an dem Ende dieses zweiten Anschlusses des
Ventilgehäuses zum Tank angeordnet und mit einem der Form des Dichtringes des Ventilkörpers
angepaßten Ventilsitz versehen.
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Zur Vermeidung von Betriebsstörungen infolge von eventuellen Flatter-,
Taumel- oder Kippbewegungen des Ventilkörpers ist der Ventilkörper des Ventilgehäuses
sowohl von der Führungshülse als auch von der starren Scheibe geführt.
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In einem Versuch einer Ausführungsform der Erfindung hat sich herausgestellt,
daß für ein teilweises Offenhalten des dritten zum ersten Anschluß in Richtung zur
Hauptsteuereinheit es ausreichend ist, wenn der Außendurchmesser der starren Scheibe
zur Bohrung im Ventilgehäuse eine Gleitpassung von etwa d 8 zu H 7 aufweist. Dadurch
verbleibt zwischen dem Außendurchmesser der starren Scheibe und der Bohrung im Ventilgehäuse
ein Spalt von ca. 1,2/10 mm - 1,5/10 mm als Restdurchströmquerschnitt.
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Der erste, relativ geringe Durchströmquerschnitt hingegen wird von
vier symmetrisch um 900 zueinander versetzte, in der starren Scheibe
angeordneten
Durchflußöffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 3 mm gebildet, die bei Anlage
der starren Scheibe am Ventilgehäuse nur teilweise von dessen Anschlagfläche verdeckt
sind. Es versteht sich, daß durch entsprechende Anbringung von kleinen Nuten bzw.
Rinnen am Außenumfang der starren Scheibe und an ihrer der Anschlagfläche des Ventilgehäuses
zugekehrten Stirnseite der restliche Durchströmquerschnitt bei Offenstellung des
zweiten, relativ großen Durchströmquerschnittes noch vergrößert werden kann. Indes
kommt es darauf insofern nicht an, wie sich das Strömungsmedium ohnehin den Weg
des geringsten Strömungswiderstandes sucht. Und dieser Weg des geringsten Strömungswiderstandes
ist zweifellos der Weg vom dritten zum zweiten Anschluß bei geöffnetem, zweiten,
relativ großen Durchströmquerschnitt zum Tank.
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Zur Vermeidung von Betriebsstörungen bestehen der Dichtring und die
verschiebliche Schalt scheibe aus Kunststoff, z.B. aus Polymethylenoxid. Ferner
sind im Ventilgehäuse am Ende eines jeden Anschlusses zur Strömungsrichtung querverlaufende
Öffnungen zum Einsatz einer Kerbklammer eines Steckanschlusses angeordnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Dabei zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch das neue Mehrwegeventil bei geöffnetem,
ersten, relativ geringen Durchströmquerschnitt und bei geschlossenem, zweiten,relativ
großen
Durchströmquerschnitt zum Tank, Fig. 2 einen Querschnitt
durch das neue Ventil bei geöffnetem, zweiten, relativ großen Durchströmquerschnitt
zum Tank und bei nur noch teilweise geöffnetem Weg vom dritten zum ersten Anschluß,
und Fig. 3 die schematische Anordnung des neuen Mehrwegeventils innerhalb eines
hydraulischen Systems. erste/ Ausgehend von Fig. 3 sind der Anschluß 1, der zweite
Anschluß 2 und der dritte Anschluß 3 des neuen Mehrwegeventils 4 innerhalb eines
hydraulischen Systems 5 angeordnet. Dieses hydraulische System 5 besteht im wesentlichen
aus einer Hauptsteuereinheit 6, einer Hydraulikpumpe 7, einem Tank 8 und einem hydraulischen
Zylinder 9. Die Kolbenseite 10 des hydraulischen Zylinders 9 ist mit dem dritten
Anschluß 3 des Mehrwegeventils 4 über die Leitung 11 verbunden. Der erste Anschluß
1 des Mehrwegeventils 4 ist über die Leitung 12 mit der Hauptsteuereinheit 6 verbunden,
während letztere über die Leitung 13 mit der Kolbenstangenseite 14 des Hydraulikzylinders
9 in Verbindung steht. Der zweite Anschluß 2 des Mehrwegeventils 4 führt über die
Leitung 15 ebenso zum Tank 8 wie die Leitung 16 von der Hauptsteuereinheit 6. Die
Hydraulikpumpe 7 beaufschlagt über die Leitung 17 die Hauptsteuereinheit 6.
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Dieses hydraulische System arbeitet in Verbindung mit dem neuen Mehrwegeventil
4 folgendermaßen: Zum Ausfahren der Kolbenstange 18 beaufschlagt
die
Hydraulikpumpe 7 über die Leitung 17 und die entsprechend geschaltete Haupt steuereinheit
6, ferner über die Leitung 12 und den ersten Anschluß 1, den dritten Anschluß 3
und die Verbindungsleitung 11 die Kolbenseite des Hydraulikzylinders 9. Dadurch
fährt die Kolbenstange 18 aus.
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Zum Widereinfahren der Kolbenstange 18 muß die Kolbenstangenseite
14 von der Hydraulikpumpe 7 beaufschlagt und zugleich die Kolbenseite 10 des Hydraulikzylinders
9 zum Tank 8 hin geöffnet werden. Bei den bisher bekannten hydraulischen Sysçemen
entsteht bei der Entleerung der Kolbenseite 10 des Hydraulikzylinders 9 regelmäßig
ein Staupunkt an der Stelle 19 der Hauptsteuereinheit 6, wenn man die Verbindungsleitungen
11 und 12 unter Fortlassung des neuen Mehrwegeventils 4 verbindet. Dieser Staupunkt
an der Stelle 19 kommt deshalb zustande, weil das Flüssigkeitsvolumen an der Kolbenseite
10 größer und damit die Ausflußgeschwindigkeit bei gleichen unterstellten Strömungsquerschnitten
größer als an der Kolbenstangenseite 14 ist. Die Ausflußzeit der Hydraulikflüssigkeit
von der Kolbenseite 10 in den Tank 8 ist das entscheidende Kriterium zum raschen
Einrücken der Kolbenstange 18 und damit beispielsweise auch ein entscheidendes Kriterium
für die Schreitzeit beim hydraulischen Grubenausbau, wenn der Hydraulikzylinder
9 als Rückzylinder zum Rücken von Schild und Förderer Verwendung findet.
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Erfindungsgemäß wird diese Ausflußzeit der Hydraulikflüssigkeit von
der Kolbenseite 10 des
Hydraulikzylinders 9 in den Tank 8 durch
das neue, erfindungsgemäße Mehrwegeventil 4 erheblich herabgesetzt, wodurch die
Kolbenstange 18 rascher eingerückt werden kann. Gemäß seiner Funktion, an einer
Stelle, z.B. 10, eines hydraulischen Systems 5 für eine rasche Druckminderung bzw.
Druckentlastung zu sorgen, kann das neue Mehrwegeventil 4 auch als "Schnellentlastungsventil"
bezeichnet werden.
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Dieses neue Mehrwege- bzw, Schnellentlastungsventil 4 ist im Längsschnitt
in den Fig. 1 und 2 in zwei unterschiedlichen Funktionsstellungen dargestellt. Dabei
sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Dieses neue Ventil 4 weist
ein Gehäuse 20 mit den drei Anschlüssen 1, 2 und 3 auf.
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Der erste Anschluß 1 ist zum zweiten Anschluß 2 koaxial angeordnet,
wohingegen der dritte Anschluß 3 etwa senkrecht dazu einmündet. Koaxial zwischen
dem ersten Anschluß 1 und dem zweiten Anschluß 2 ist im Ventilgehäuse 20 ein Ventilkörper
21 verschiebbar angeordnet. Je nach Druckdifferenz zwischen dem ersten Anschluß
1 und dem dritten Anschluß 3 kann der Ventilkörper 21 die in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Positionen einnehmen. Gemäß Fig. 1 wirkt vom Anschluß 1 her ein erhöhter Druck auf
den Ventilkörper 21. In diesem Fall gibt der Ventilkörper 21 einen ersten, relativ
geringen Durchströmquerschnitt 22 frei Gemäß Fig. 2 ist die Druckbeaufschlagung
vom Anschluß 3 höher als beim Anschluß 1, wodurch der Ventilkörper 21 einen zweiten,
relativ großen
Durchströmquerschnitt 23 zum Anschluß 2 und damit
zum Tank 8 gemäß Fig. 3 freigibt.
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Der Ventilkörper 21 ist zylindrisch ausgebildet und besteht im wesentlichen
aus einem Dorn 24 mit Kopf 25 und Außengewinde 26, auf dem nacheinander in Richtung
vom zweiten 2 zum ersten Anschluß 1 des Ventilgehäuses 20 ein Dichtring 27 eine
Führungshülse 28 mit zylindrischem Rücksprung 29, darauf eine relativ verschiebliche
Schalt scheibe 30 und abschließend eine starre Scheibe 31 angeordnet sind.
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Die starre Scheibe 31 ist mit einem dem Außengewinde 26 des Dornes
24 entsprechenden Innengewinde 32 versehen, wodurch über die starre Scheibe 31 die
Führungshülse 28 und der Dichtring 27 gegen den Kopf 25 des Dornes 24 elastisch
verspannt werden können, da der Dichtring 27 elastisch ausgebildet ist. Die starre
Scheibe 31 weist vier symmetrisch um 90° zueinander versetzte Durchflußöffnungen
33 auf, die in ihrer Gesamtgröße etwa den ersten, relativ geringen Durchströmquerschnitt
22 zur Kolbenseite 10 hin bilden.
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Der unbestimmte Ausdruck "etwa" ist dahingehend zu verstehen, daß
zum ersten, relativ geringen Durchströmquerschnitt 22 auch der Spalt zwischen dem
Außenumfang 34 der starren Scheibe 31 und der Zylinderwandung 35 des Ventilgehäuses
20 hinzuzurechnen ist, der aufgrund einer Gleitpassung entsteht. Dieser Spalt beträgt
beispielsweise bei einer Gleitpassung von d 8 zu H 7 ca. 0,12 bis 0,15 mm. Da dieser
letztgenannte Spalt auch bei Anlage der Schalt scheibe 30 an den Öffnungen 33 gemäß
Fig. 2 bestehen bleibt, wird
der Weg vom Anschluß 3 zum Anschluß
l und umgekehrt nie völlig verschlossen, was in völliger Intention zur Erfindung
steht.
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Denn gemäß dieser Erfindung kommt es bezüglich der Schnellentlastung
wesentlich darauf an, daß der Rückfluß der Druckflüssigkeit von der Kolbenseite
10 des Hydraulikzylinders 9 über den Anschluß 3 des Schnellentlastungsventils 4
zum Tank 8 möglichst rasch vonstatten geht. Hierzu ist von Nutzen, daß der zweite
Durchströmquerschnitt 23 möglichst groß ausgebildet ist und zugleich der Weg vom
dritten zum ersten Anschluß zumindest teilweise geöffnet bleibt, da auch eine teilweise
Öffnung - hier der Spalt durch die Gleitpassung zwischen Außenmantel 34 der Scheibe
31 und der Zylinderwandung 35 des Gehäuses 20 - zum zweiten, großen Durchströmquerschnitt
23 hinzuzuaddieren ist. Aus diesem Grunde bedeutet von der Aufgabenstellung des
Erfindungsgegenstandes her ein dichter Abschluß des Weges vom Anschluß 3 zum Anschluß
1 gemäß Fig. 2 bei Öffnung des zweiten großen Durchströmquerschnittes 23 in jedem
Fall eine verschlechterte Nachahmung des Erfindungsgedankens.
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Der Dichtring 27 und die Schaltscheibe 30 bestehen vorteilhaft aus
einem dauerhaft haltbaren Kunststoff, z.-B. aus Polymethylenoxid.
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Das Ventilgehäuse 20 ist im dargestellten Fall am Ende des zweiten
Anschlusses 2 mit einem Innengewinde 36 versehen, dessen lichte Weite 37 größer
als der größte Durchmesser 38 des Ventilkörpers 21 ist.
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In das Innengewinde 36 greift eine mit einer
O-Ring-Dichtung
39 abgedichtete Schraubmuffe 40 ein. Diese Schraubmuffe 40 beinhaltet zugleich den
Anschluß 2 zum Tank 8. Sämtliche Anschlüsse 1, 2 und 3 sind mit zur Strömungsrichtung
in Richtung der Pfeile 41, 42, 43 querverlaufenden Öffnungen 44 zum Einsatz bekannter,
nicht dargestellter Kerbklammern eines Steckanschlusses versehen.
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Gemäß Fig. 1 soll der Anschluß 1 eine höhere Druckbeaufschlagung
als der Anschluß 3 erfahren. Dadurch dringt Druckflüssigkeit vom Anschluß 1 her
durch die Öffnungen 33 in der starren Scheibe 31 und verschiebt die Schaltscheibe
30 auf dem zylindrischen Rücksprung 29 so weit,bis sie an der Führungshülse 28 in
Anlage gelangt. Zugleich wird dadurch der gesamte Ventilkörper 21 in Richtung des
Pfeiles 41 derart verschoben, bis der Dichtring 27 mit einem seiner Form angepaßten
Ventilsitz 45 der Schraubmuffe 40 in dichtende Anlage gelangt. Bei dieser Stellung
des Ventilkörpers 21 gelangt die Druckflüssigkeit vom Anschluß 1 über den Anschluß
3 und die Leitung 11 zur Kolbenseite 10 des Hydraulikzylinders 9 gemäß Fig. 3.
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Beim Einfahren der Kolbenstange 18 gemäß Fig. 3 erfolgt am Anschluß
3 des Schnellentlastungsventils 4 eine höhere Druckbeaufschlagung als am Anschluß
1; dadurch wird die Schalt scheibe 30 auf dem zylindrischen Rücksprung 29 der Führungshülse
28 so weit verschoben, bis sie mit der starren Scheibe 31 in Anlage gelangt. Hiernach
wird der Ventilkörper 21 so weit entgegen der Richtung des Pfeiles 41 verschoben,
bis
er gemäß Fig. 2 mit der Anschlagfläche 46 des Ventilgehäuses 20 in Anlage gelangt.
Dadurch wird zugleich der zweite, große Durchströmquerschnitt 23 zwischen Dichtring
27 und Ventilsitz 45 zum Anschluß 2 geöffnet. Aber auch der Weg vom Anschluß 3 zum
Anschluß 1 ist keineswegs dicht, so daß über die bereits beschriebenen, vorhandenen
Spalte der Gleitpassung, durch Undichtigkeit zwischen der Schaltscheibe 30 und den
Öffnungen 33 sowie zwischen der starren Scheibe 31 und der Anschlagfläche 46 Druckflüssigkeit
vom Anschluß 3 zum Anschluß 1 durchtreten kann, soweit es die Druckdifferenz einerseits
und der große Durchströmquerschnitt 23 als Weg des geringsten Strömungswiderstandes
andererseits zulassen.
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"Automatisch schaltendes Ventil zur raschen Absenkung eines Staudruckes
in einer hydraulischen Leitung" Stückliste: Anschluß 1 2 3 Mehrwegeventil 4 hydraulisches
System 5 Hauptsteuereinheit 6 Hydraulikpumpe 7 Tank 8 hydraulischer Zylinder 9 Kolbenseite
10 Leitung 11 12 13 15 16 17 Kolbenstangenseite 14 Kolbenstange 18 Staupunkt 19
Ventilgehäuse 20 Ventilkörper 21 Durchströmquerschnitt 22 23 Dorn 24 Kopf 25 Außengewinde
26
| Dichtring 27 |
| Führungshülse 28 |
| zylindrischer Rücksprung I 29 |
| Schalt scheibe 30 |
| starre Scheibe 31 |
| Innengewinde 32 36 |
| Durchflußöffnungen 33 |
| Außenumfang d. starren Scheibe 34 |
| Zylinderwandung 35 |
| lichte Weite von 36 37 |
| Durchmesser von Ventilkörper 38 |
| O-Ring-Dichtung 39 |
| Schraubmuffe 40 |
| Pfeil 41 42 43 |
| Öffnungen 44 |
| Ventilsitz 45 |
| Anschlagfläche 46 |
Leerseite