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Druckmittel-Steuerventil, insbesondere für
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ein hydraulisches Schlagwerkzeug.
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Die Erfindung betrifft ein Druckmittel-Steuerventil, insbesondere
für ein hydraulisches Schlagwerkzeug, bei dem ein Hammerkolben durch ein Druckmittel,
insbesondere durch eine Druckflüssigkeit in einen Gasdruckraum oder einen Gasdruckzylinder
gepreßt wird. Nachdem ein vorbestimmtes Druckmittelvolumen in den den Hammerkolben
bewegenden Ringraum eingepreßt worden ist, wird der Druckmitteldruck weggenommen
und unter der Wirkung der Energie, die in dem im Gasdruckzylinder enthaltenen komprimierten
Gas enthalten ist, wird der Hammerkolben schlagartig vorwärts bewegt. Als Gas wird
vorzugsweise ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff,verwendet.
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Bei diesen bekannten Schlagwerkzeugen erfolgt üblicherweise die Umsteuerung
des Druckmittels im Sinne der Zuführung zum und der Rückführung aus dem Ringraum
in Abhängigkeit vom Gasdruck oder von der Position des Hammerkolbens im Zylinder.
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Bei dem Versuch, Schlagwerkzeuge zu entwickeln, die höhere
Schlagenergien
abgeben und höhere Frequenzen aufweisen als du bisher der Fall war, haben sich die
bisher bekannten Druckmittelsteuerventile als unzureichend ergeben. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß, wenn eine ausreichende Energieaufnahme der Gasfeder erreicht
werden soll, ein sehr großer Ringraum für das Druckmittel erforderlich wird und
dementsprechend große Druckmittelflüssigkeits-Volumina gesteuert werden müssen.
Die bei den bisherigen Druckmittel-Steuerventilen begrenzten Durchflußmengen des
Druckmittels,bei dessen Zuführung zum und dessen Abführung aus dem Psingraum,begrenzten
die Schlagenergie des hydraulischen Schlagwerkzeuges, denn diese hängt von der Menge
und Geschwindigkeit des Druckmittels ab, die dem Ringraum zu- und aus ihm abgeführt
werden kann. Es hat sich als zweckmäßig gezeigt, Hochdruck-Vorsteuer-Ventilsysteme
für die Steuerung des Druckmittels zu verwenden.
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Infolge der Wechselwirkung der verschiedenen Parameter des Systems
war es notwendig, Druckspeicher zu verwenden, um den Druckmittelfluß innerhalb des
Systems soweit auszugleichen, daß Schäden am Hydrauliksystem vermieden werden konnten,
wobei die Verbesserung in Bezug auf einen Parameter oft Nachteile in Bezug auf andere
Parameter mit sich brachte.
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Bei der Benutzung des Gasdruckes zur Steuerung hat die Temperatur
des Gases eine Einwirkung auf den Wirkungsgrad des Schlagwerkzeuges, was dazu führen
kann, daß der Wirkungsgrad erheblich vermindert wird. Auch die Steuerung anhand
der Stellung des Kolbens im Zylinder bringt bei hohen Frequenzen von beispielsweise
600 Schlägen pro Minute Schwierigkeiten mit sich und sie kann bei diesen hohen Schlagfrequenzen
aus
dem Takt fallen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckmittel-Steuerventil
zu schaffen, das insbesondere bei einem hydraulischen Schlagwerkzeug die Nachteile
der bisherigen Steuerventile vermeidet, insbesondere dann, wenn das Schlagwerkzeug
mit hohen Schlagfrequenzen arbeiten soll.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Druckmittel-Steuerventil, insbesondere
für ein hydraulisches Schlagwerkzeug, das gekennzeichnet ist durch zwei in je einer
Druckmittel leitung angeordnete, den Druckmittelfluß steuernde, im voraus bestimmter
Folge bewegte Ventilkörper, die beide einem veränderlichen Druck ausgesetzt sind,
gegen den sie den Druckmittelfluß freigeben.
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Dadurch, daß beide Ventilkörper dem veränderlichen Druck, nämlich
dem Gasdruck, ausgesetzt sind, wird eine zuverlässige Steuerung auch bei hohen Schlagfrequenzen
erreicht.
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Hierzu ist es zweckmäßig, daß der Druck, dem die beiden Ventilkörper
ausgesetzt sind, diesen aus einem gemeinsamen Druckraum, nämlich dem Gasdruckraum
des Schlagwerkzeuges zugeführt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes
der Erfindung sind die in der Druckmittelzuleitung angeordneten Verschließteile
unter Einschaltung eines toten Ganges miteinander verbunden, so daß ein Verschließteil
eine die Öffnung einleitende Bewegung vollendet, ehe es das mit ihm zusammenwirkende
Verschließteil vom Ventilsitz abhebt und dadurch den Druckmittel fluß freigibt.
Hierdurch wird erreicht, daß eine große enge des Druckmittels sehr schnell in den
Ringraum des Schlagwerkzeuges eintritt,
sobald der Druckmitteldruck
im Ringraum das vorgesehene Minimum erreicht hat.
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Es ist zweckmäßig, daß die unter Einschaltung eines toten Ganges miteinander
verbundenen Schließteile ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkender Ventilkegel
und ein Verzögerungskolben sind, wobei der Verzögerungskolben längsverschieblich
im Ventilkegel angeordnet ist und der Verzögerungskolben dem Druck des Druckmittels
in der Druckmittelzuleitung ausgesetzt ist und bei Bewegung unter diesem Druck den
Ventilkegel erst nach Erreichen eines an diesem angeordneten Anschlages vom Ventilsitz
abhebt.
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Diese Anordnung führt dazu, daß zum erforderlichen Zeitpunkt große
Mengen des Druckmittels schlagartig in den Ringraum des Schlagwerkzeuges eintreten.
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Hierzu ist es zweckmäßig, daß in dem dem Ventilsitz zugewandten Teil
des Ventilkegels ein Flansch angeordnet ist, der einen Anschlag für den Verzögerungskolben
bildet und daß das Verhältnis der dem Druckmittel ausgesetzten Flächen des Ventilkegels
und des Verzögerungskolbens so ausgebildet ist, daß unter dem Einfluß des Druckmitteldruckes
sich der Verzögerungskolben bewegt, ehe eine Bewegung des Ventilkegels 21 erfolgt.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform des Gegenstandes der
Erfindung, bei der die in der Druckmittelzuleitung angeordneten Verschließteile
einen Zapfen aufweisen, der mit dem Verschließteil zusammenwirkt, das in der Druckmittelrückleitung
angeordnet ist und das Verschließteil bewegt, wenn die anderen Verschließteile sich
in ihre Schließstellung bewegen. Hierdurch wird erreicht, daß nach Erreichen des
vorbestimmten Höchstdruckes im Ringraum des Schlagwerkzeuges
unverzüglich
der Druckmittelabfluß aus dem Ringraum beginnt. Diese Maßnahme erlaubt hohe Schlagfrequenzen.
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Außerdem ist es zweckmäßig, daß das Verschließteil der Druckmittelrückleitung
ein tassenförmiger Ventilteller ist, der in axialer Richtung in einer Rückfiußkammer
zur Steuerung des Druckmittels in und außer Berührung mit einem Ventilsitz bewegbar
ist, wobei die Bewegung in Öffnungsrichtung durch den obengenannten Zapfen erfolgt,
wenn die in der Druckmittelzuleitung angeordneten Verschließteile sich in ihre Schließstellung
bewegen. Bei dieser Ausbildung ergeben sich konstruktive Vorteile auf der Druckmittelabflußseite
des Ventiles, insbesondere lassen sich auch dort große Querschnitte ohne Schwierigkeiten
unterbringen und die Möglichkeit des plötzlichen öffnens wird begünstigt.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, daß auf der Druckmittelabflußseite des
Ventiles eine Kolben- und Zylinderanordnung vorhanden ist, wobei der veränderliche
Druck der Öffnungsbewegung des als Verschließteil dienenden Ventilkegels ent gegenwirkt.
Dies hat zur Folge, daß der Abfluß des Druckmittels aus dem Ringraum des Schlagwerkzeuges
beendet wird, sobald dort der Druckaufbau für den nächsten Schlag beginnt Es wird
also auch hierdurch eine hohe Schlagfrequenz möglich.
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Zur baulichen Vereinfachung ist es zweckmäßig, daß der Kolben der
Kolben- und Zylinderanordnung der Rückflußseite des Ventiles koaxialverlaufend mit
dem konkaven Mittelteil des tassenförmigen Ventiltellers verbunden ist und daß der
Raum innerhalb des Zylinders mit der Atmosphäre verbunden ist. Es würde zu einer
Veringerung der erreichbaren Schlagfrequenz
des Schlagwerkzeuges
führen, wenn der gesammte Raum innerhalb des Zylinders vom Druck beaufschlagt werden
müßte, es genügt zum Schließen des Abflußventiles, wenn diese Druckbeaufschlagung
in einem kleinen Raum erfolgt.
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Eine bestimmte Ausbildung des Druckmittel-Steuerventiles gemäß der
Erfindung weist ein Gehäuse und eine Druckmittelzuleitung und eiæ Drucknittelrückleitung
auf, sowie darin angeordnete Verschließteile, die den Druckmittelfluß zwischen ihnen
und den zugeordneten Ventilsitzen steuern, wobei die Verschließteile mechanisch
derart aufeinander einwirken, daß bei Schließen der in der Druckmittelzuleitung
angeordneten Verschließteile das in der Druckmittelrückleitung angeordnete Verschließteil
in die öffnungsstellung gebracht wird, wobei das öffnen der Verschließteile unter
der Wirkung des gegen sie anstehenden Druckmitteldruckes erfolgt und wobei auf die
Verschließteile ein gemeinsamer Druck in Schließrichtung auf den ihren Sitzen abgewandten
Seiten einwirkt und wobei die in der Druckmittelzuleitung angeordneten Verschließteile
den gemeinsamen Druck unter dem Druckmitteldruck in der Druckmittelzuleitung erhöhen,
ehe diese Verschließteile von dem zugehörigen Sitz abgehoben werden.
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Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Druckmittel-Steuerventiles
gemäß der Erfindung erfolgt dadurch, daß es an ein hydraulisches Schlagwerkzeug
angeschlossen ist, das einen abgestuften Hauptkolben aufweist, der in einem Zylinder
beweglich ist und einen Ringraum, wobei koaxial zum Hauptkolben ein Meißel oder
ein ähnlich beaufschlagbares Werkzeug angeordnet ist, wobei ein Steuerkolben gegen
den Hauptkolben abgestützt ist, der an seinem freien Ende einen Bereich vergrößerten
Durchmessers aufweist, der
in einem Gasdruckzylinder beweglich
ist, mit dem die ihren Sitzen abgewandten Seiten der Verschließteile verbunden sind,
so daß ein geschlossenes Drucksystem entsteht, dessen Volumen veränderlich ist und
dessen Druck dem Offnen der Verschließteile entgegenwirkt.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Druckmittel-Steuerventiles
gemäß der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
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In der Zeichnung ist das Druckmittel-Steuerventil in seiner Gesamtheit
mit 11 bezeichnet und es dient dazu, ein in seiner Gesamtheit mit 12 bezeichnetes
Schlagwerkzeug zu steuern. Das Ventil besitzt ein zylindrisches Gehäuse 13 mit einer
abgestuften Innenbohrung. Die Enden des zylindrischen Gehäuses 13 sind durch Verschlußstopfen
14 und 15, die beispielsweise eingeschraubt sind, verschlossen. Die abgestufte Bohrung
im Gehäuse 13 dient unter anderem dazu, dieses Gehäuse in eine Zuflußkammer 17 und
eine Rückflußkammer 18 zu trennen. Außerdem dient dieser Bereich dazu, den Zapfen
19 eines Verzögerungskolbens 20 zu führen.
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Der Verzögerungskolben 20 befindet sich in der Zuflußkammer 17 und
der Zapfen 19 erstreckt sich bis in die Rückflußkammer 18. Der Verzögerungskolben
20 befindet sich innerhalb der Bohrung eines Ventilkegels 21, der begrenzt innerhalb
der Zuflußkammer 17 beweglich ist und bei seiner Bewegung in und außer Berührung
mit einem Ventilsitz 22 gelangen kann.
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Der Ventilsitz schließt sich an den Flansch 16 an und der Zapfen 19
stützt sich gegen das konkave Mittelstück 23 eines becherförmigen Ventilkegels 24
ab, der sich im Rückflußraum 28 befindet und darin unter dem Einfluß des Zapfens
19 in und außer Berührung mit einem zugehörigen Ventilsitz 25 gebracht werden kann,
der sich in der Ruckflußleitung
befindet.
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Der Ventilsitz 22, der mit dem Ventilkegel 21 zusammenwirkt, schließt
sich an einen Zuflußraum 26 an, dem durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte
Pumpe über einen Zuflußanschluß 27 Druckmittel zugeführt wird. Bei entsprechender
Ventilstellung wird das Druckmittel über die Zuführungsleitung 28 dem Ringraum 50
des Schlagwerkzeuges zugeführt. Der Ventilsitz 25 wirkt mit dem Ventilkegel 24 zusammen
und dieser Ventilkegel befindet sich in einer Rückflußkammer 18. Der Rückflußraum
29 erhält über die Rückführungsleitung 30 Druckflüssigkeit aus dem Ringraum 50 des
Schlagwerkzeuges und führt diese Druckflüssigkeit bei geeigneter Ventilstellung
zum Abfluß-Anschluß 31. Dieser Anschluß ist mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten
Flüssigkeitsbehälter verbunden.
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Innerhalb der Zuflußkammer 37 befindet sich ein Anschlag 32, der mit
einem nach außen gerichteten Flansch 33 des Ventilkegels 21 zusammenwirkt und die
Bewegung des Ventilkegels 21 in Richtung der Außenseite der Zuflußkammer 17 begrenzt.
Die entgegengesetzte Bewegung des Ventilkegels 21 wird durch Anschlag gegen den
Ventilsitz 22 begrenzt, während der Verzögerungskolben 20 innerhalb des Ventilkegels
21 axial verschieblich ist zwischen einem Anschlag 34, der sich auf der Innenseite
des Ventilkegels 21 befindet und einem radial nach innen gerichteten Flansch 35
am vorderen Ende des Ventilkegels 21. Der Verzögerungskolben 20 ist entsprechend
dem radial nach innen gerichteten Flansch des Ventilkegels 21 abgestuft, so daß
er mit diesem Flansch 35 zusammenwirkt.
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Die ringförmige vordere oder innere Kreisringfläche 36 des Ventilkegels
24 ist abgestuft, wobei ein sich nach vorne erstreckender Flansch 37 ergibt. Dieser
Flansch 37 erstreckt sich, bei geschlossenem Rückflußventil, in eine kreisringförmige
Vertiefung des Flansches 16. Hierdurch wird der Rückfluß des Druckmittels in die
kreisringförmige Vertiefung 38 zunächst verhindert und damit die Verbindung zum
Rückflußraum 29 unterbrochen.
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An seinem zur Ventilmitte gerichteten Ende und koaxial damit, besitzt
der Ventilkegel 24 einen Kolben 39, der in einer Führungsbohrung 40 verschiebbar
ist. Diese Bohrung 40 ist im Verschlußstopfen 15 angeordnet.Die Bohrung 40 beginnt
innerhalb der Rückflußkammer 18 und steht dann mit einer Leitung 41 in Verbindung,
die zum Gasdruckraum bzw. Gasdruckzylinder 43 des Schlagwerkzeuges führt, und zwar
über Radialbohrungen 44 im Verschlußstopfen 15.
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Auch eine Seite des mit dem Zapfen 19 verbundenen D8mpfungskeTben
Ao sowie des Ventilkegels 21, auf ihrer von dem Zapfen 19 abgewandten Seite,sind
mit dem Gasdruckraum oder dem Gasdruckzylinder 43 über eine Leitung 45 verbunden.
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Der Raum 46 hinter dem Ventilkegel 24, der innerhalb der Rückflußkammer
18 beweglich ist, ist mit der Atmosphäre verbunden und zwar durch den Verschlußstopfen
15 hindurch, in dem sich ein hierzu dienender Kanal 47 befindet.
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Das in der Zeichnung nur schematisch dargestellte Schlagwerkzeug besitzt
einen abgestuften Hauptkolben 48, der innerhalb eines Zylinders 49 beweglich ist
und auf diese Weise
einen Hammer-Ringraum 50 begrenzt. Außerdem
ist mit dem Hauptkolben 48 ein Meißel 51 koaxial angeordnet, der vom Hauptkolben
48 beaufschlagt wird und außerdem einen Steuerkolben 52, der sich gegen den Hauptkolben
48 abstützt und der an seinem vom Hauptkolben 48 abgewandten Ende einen Bereich
53 mit einem vergrößerten Durchmesser aufweist. Dieser Bereich 53 bewegt sich innerhalb
eines Gasdruckraumes oder Gasdruckzylinders 43. Er ist dem in diesem Gasdruckraum
oder Gasdruckzylinder herrschenden Druck ausgesetzt.
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Das Druckmittel-Steuerventil gemäß der Erfindung und das daran angeschlossene
hydraulische Schlagwerkzeug arbeiten wie folgt: Es wird angenommen, daß der Gasdruck
innerhalb der Zuflußkammer 17,der auf den Verzögerungskolben 20 einwirkt, ausreicht,
um den Ventilkegel 21 gegen den Sitz 22, bei der Stellung des Steuerkolbens 52,
zu halten. Dann wird Druckmittel, es handelt sich insbesondere um ein flüssiges
Druckmittel, durch die Einlaßöffnung 27 gegen den Verzögerungskolben 20 geführt
und verschiebt diesen, in der Zeichnung gesehen, nach links. Dies hat eine Druckmittelzuführung
zum Ringraum 50 zur Folge und dementsprechend erhöht sich der Gasdruck im Gasdruckraum
oder Gasdruckzylinder 43, was dazu führt, daß der Ventilkegel 21 auf dem Ventilsitz
22 bleibt, denn der Ringraum 54 zwischen dem Sitz 22 und dem l¢nendurchmesser des
Ventilkegels 21 ist geringer als die Ringfläche 55, die durch den Innendurchmesser
des Ventilkegels 21 und dessen Außendurchmesser gebildet wird.
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Wenn der Verzögerungskolben 20 den Anschlag 34 erreicht, dann führt
seine weitere Bewegung dazu, daß der Ventilkegel 21
von dem zugehörigen
Ventilsitz 22 abgehoben wird, so daß über den gesamten Querschnitt des Ventilkegels
21, der sich dann plötzlich vom Ventilsitz 22 abhebt, die Einlaßöffnung 27 für die
Druckflüssigkeit schlagartig mit dem Ringraum 50 des Schalgwerkzeuges verbunden
wird.
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Der Ventilkegel 21 beendet seine Öffnungsbewegung erst dann, wenn
seiner nach außen gerichteter Flansch 33 gegen den Anschlag 32 des Verzögerungskolbens
20 stößt.
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Da der Steuerkolben 52 weniger Gas verdrängt als der Verzögerungskolbeh
20, entläßt das Druckmittel-Steuerventil mit großer Geschwindigkeit Druckflüssigkeit
in den Ringraum 50 des Schlagwerkzeuges. Dadurch wird der Gasdruck in dem Gasdruckraum
oder Gasdruckzylinder 43 des Schlagwerkzeuges erhöht und dies hat zur Folge, daß
der Verzögerungskolben 20 und der Ventilkegel 21 in der , in der Zeichnung gesehen,
rechten Richtung verschoben werden, so daß der Ventilkegel 21 auf seinen Ventilsitz
22 zur Auflage kommt.
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Während des letzten Teiles der Bewegung des Kolbens 20 berührt dessen
Zapfen 19 den Ventilkegel 24 des Rückflußteiles des Ventiles 11 und hebt den Ventilkegel
24 von seinem Sitz 25 ab.
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Beim Arbeitshub des Hauptkolbens 48 des Schlagwerkzeuges 12 wirkt
der Druckmitteldruck im Ringraum 50 auf die Kreisringfläche 36, die sich am Ventilkegel
24 befindet, ein und beschleunigt den Ventilkegel 24 über einen Weg 56, bis die
zurückkommende Druckflüssigkeit auf die volle Fläche des Ventilkegels 24 einwirken
kann. Dadurch wird der Ventilkegel 24 gegen den Gasdruck verschoben, der aus der
Gasdruckkammer bzw. dem Gasdruckzylinder 43 über die Leitung 41 und über die radialen
Kanäle 44 auf den Kolben 39 einwirkt.
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Der Gasdruck im Gasdruckraum oder Gasdruckzylinder 43 beschleunigt
den Hauptkolben 48, der dann wiederum den Meißel 51 beschleunigt.
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Während der Zeit, in der der Verzögerungskolben 20 seinen Weg zurücklegt,
fließt Druckflüssigkeit vom Ringraum 50 zu einem Behälter durch den Abfluß-Anschluß
31, bis der Ventilkegel 24 durch die Wirkung des Kolbens 39 auf seinen Sitz 25gelangt.