DE3341643A1

DE3341643A1 - Vorgesteuertes druckentlastungs- und steuerventil

Info

Publication number: DE3341643A1
Application number: DE19833341643
Authority: DE
Inventors: Jürgen Täby Gaydoul
Original assignee: Hydro Blaster AG
Current assignee: Hydro Blaster AG
Priority date: 1983-11-17
Filing date: 1983-11-17
Publication date: 1985-05-30

Description

Vorgesteuertes Druckentlastungs- und Steuerventil
Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Druckentlastungs- und Steuerventil mit einem in einem Gehäuse beweglich geführten Ventilschließkörper in Gestalt eines Hauptkolbens mit Differenz flächen, welche vom Hochdruck des zu regulierenden Mediums in entgegengesetztem Sinne beaufschlagt werden, und mit einem Vorsteuerventil, welches bei Betätigung eine Schließkraft auf den Hauptkolben ausübt, so daß dieser mit einer an seinem Schließende angeordneten Sitzfläche gegen einen Ventilsitz gedrückt wird.
Ein bekanntes Absperrventil dieser Art (Prospekt der Firma Dr. H. Tiefenbach GmbH & Co., 4300 Essen, Bundesrepublik Deutschland) weist ein gesondertes, elektromagnetisch betätigbares Vorsteuerventil auf, das wahlweise die Hochdruckseite oder die Niederdruckseite mit einer Arbeitsfläche des Hauptkolbens verbindet. Wird durch elektromagnetisches Betätigen des Vorsteuerventils die Hochdruckseite mit der Arbeitsfläche verbunden, so wird der Arbeitskolben im öffnungssinne betätigt, so daß eine Sitzfläche den Ventilsitz zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Ventils freigibt. Bei einem derartigen Ventil kommt es beim Öffnen und SchlieBen zu einem plötzlichen Druckanstieg bzw. -abfall, der zu unerwünschten Druckschlägen führt. Außerdem kann es beim Öffnen und Schließen zu instabilen Zuständen des Hauptkolbens kommen, welche sich in einem "Flattern" des Ventils manifestieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Absperrventil der eingangs beschriebenen Art in einfacher Konstruktion zu schaffen, das ein weiches Öffnen und Schließen des Ventils unter Vermeidung instabiler Zustände des Ventilschließkörpers gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Ventil der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Vorsteuerventil einen durch ein Fluid beaufschlagbaren Steuerkolben umfaßt, der koaxial mit dem Hauptkolben angeordnet ist, daß der Steuerkolben über einen Plunger mit einem an dem Vorsteuerende des Hauptkolbens angeordneten Vorsteuerventilsitz zusammenwirkt, daß der Hauptkolben von einer Drossel überbrückt ist, welche die Hochdruckseite des Ventils mit der Vorsteuerseite des Hauptkolbens verbindet, so daß der Hauptkolben in zu regulierendem Medium schwimmend angeordnet ist, daß der Hauptkolben von einer Bohrung durchsetzt ist, welche den Vorsteuerventilsitz mit der Niederdruckseite des Ventils radial innerhalb der Sitzfläche verbindet, und daß die vom Hochdruck beaufschlagten Differenzflächen sowie die Querschnitte der Drossel und der Bohrung des Hauptkolbens so bemessen sind, daß von dem Medium bei betätigtem Steuerkolben und durch den Plunger gesperrtem Vorsteuerventilsitz eine resultierende Druckkraft in Schließrichtung auf den Hauptkolben zum Absperren des Ventilsitzes ausgeübt wird.
Bei dem Ventil nach der Erfindung ist aufgrund des Zusammenwirkens zwischen dem fluidbetätigten Steuerkolben, der vorzugsweise durch Fremdenergie, z. B.
Druckluft, betätigbar ist, mit dem Hauptkolben erreicht, daß beim Schließen des Ventils zuerst der Vorsteuerventilsitz gesperrt wird, so daß der Steuerkolben den Hauptkolben über den Plunger in seine Schließstellung bewegt. Beim Öffnen des Ventils kommt zuerst der Steuerkolben vom Vorsteuerventilsitz frei, so daß ein sanfter Druckausgleich über die Bohrung im Hauptkolben und die Drossel erzielt wird. Erst dann kommt der Hauptkolben mit seiner Sitzfläche vom Ventilsitz frei. So sind Druckschläge bzw. ein Flattern des Hauptkolbens beim öffnen und Schließen des Ventils vermieden.
Wesentlich ist eine sorgfältige Dimensionierung der Differenzflächen des Hauptkolbens. Vorzugsweise ist hierzu gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die in Schließrichtung beaufschlagte Ringfläche des Hauptkolbens zwischen dem Vorsteuerventilsitz und seinem äußeren Umfang größer als die in Öffnungsrichtung beaufschlagte Ringfläche an seinem Schließende ist. Die beiden genannten Differenzflächen verhalten sich nach Feststellungen des Erfinderszueinander wie der Hochdruck gegenüber dem Vorsteuerdruck auf der Vorsteuerseite, so daß der Hauptkolben beim öffnen bzw.
Schließen eine zur Bewegung der Steuerkolben proportionale Bewegung macht.
Wichtig ist auch die Anordnung und Gestaltung der Drossel so, daß ein ausreichender Durchfluß gewährleistet und Verstopfungsgefahr vermieden ist. Zu diesem Zweck ist die Drossel von mindestens einer, torzugsweise zwei Axialnuten am Umfanges Hauptkolbens gebildet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung im Hauptkolben eine am Vorsteuerventilsitz mündende Bohrungserweiterung aufweist, deren Durchmesser etwas kleiner als der Plungerdurchmesser ist, und daß der Plunger über eine Kegelstumpffläche mit dem Vorsteuerventilsitz zusammenwirkt. Durch die Bohrungserweiterung wird die Größe einer gegenüber dem Vorsteuer- ventilsitz verbleibenden Ringfläche am Plunger bestimmt, über welche der durch die Drossel zugeführte Hochdruck auf den Plunger in Richtung entgegen dem Steuerdruck wirken kann. Die Ringfläche soll nicht zu groß sein, damit die Gegenkraft zu der am Steuerkolben aufgebrachten Steuerdruckkraft nicht zu groß wird. Andererseits ist eine ausreichende Gegenkraft erwünscht, um bei abfallenden Steuerdruck zum Öffnen des Ventils eine durch den Hochdruck erzeugte aktive Druckkraft im Öffnungssinne des Steuerkolbens zur Verfügung zu haben.
Die in öffnungsrichtung beaufschlagte Ringfläche am Hauptkolben ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch geschaffen, daß der Hauptkolben über einen Teil seiner Länge in einer Führungsbohrung im Gehäuse geführt ist und auf der dem Ventilsitz zuge-Wandten Seite einen über eine Ring schulter anschließenden Ansatz aufweist, an dessen freiem Ende die kegelstumpfförmig ausgebildete Sitzfläche ausgebildet ist, welche mit dem Ventilsitz zusammenwirkt. An dem Ansatz sind die Druckkräfte ausgeglichen; er dient lediglich zur Verbesserung der Strprmngsverhältnisse.
Sowohl der Steuerkolben als auch der Hauptkolben sind zweckmäßig in Öffnungsrichtung durch Federkraft beaufschlagt. Diese Federkraft spielt im Vergleich zu den im System auftretenden Druckkraft jedoch nur eine untergeordnete Rolle. Bei Ausfall des Steuerdruckes sorgt sie jedoch für ein zwangsläufiges öffnen des Ventils.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Absperrventil gemäß der Erfindung und Fig. 2 ein Diagramm, in welchem über dem Durchfluß die Druckverläufe bei einem Ventil nach dem Stand der Technik und bei dem Ventil nach der Erfindung dargestellt sind.
Das gezeigte Ventil hat ein Gehäuse 1. Auf der Niederdruckseite des Gehäuses 1 ist ein Deckel 2 daran angeschraubt, welcher von einem Auslaß T zur Niederdruckseite bzw. zum Tank hin durchsetzt ist. Der Deckel 2 unterstützt einen Ventilsitz 3. Dieser Ventilsitz 3 hat einen freien Durchlaßquerschnitt 32, der sich zum Hochdruckanschluß P des Gehäuses 1 hin öffnet. Koaxial mit dem Ventilsitz ist ein Hauptkolben 4 in einer Bohrung des Gehäuses 1 aufgenommen. Der Hauptkolben 4 ist von einer zentralen Bohrung 41 durchsetzt. An der dem Ventilsitz zugewandten Seite hat der Hauptkolben 4 einen Ansatz 42, der über eine Ringschulter 43 an den Hauptkolben 4 anschließt. An dem Ventilsitz 3 gegenüberliegenden Ende des Ansatzes 42 ist eine kegelstumpfförmige Sitzfläche 45 ausgebildet. Der Kolben 4 ist mit zwei am Umfang versetzten Axialnuten 48 versehen, die eine Drossel bilden und von denen in Fig. 1 nur eine gezeigt ist. Die gesamte Drosselquerschnittsfläche ist kleiner als der Querschnitt der zentralen Bohrung 41. Zur Entlastung der Drossel ist eine Ringut 44 in den Kolben eingearbeitet.
Aufgrund der beschriebenen Konstruktion "schwimmt" der Hauptkolben im Eigenmedium, d.h. in dem das Ventil passierenden Fluid.
Die den Hauptkolben 4 durchsetzende Bohrung 41 geht am anderen Ende des Hauptkolbens in eine Bohrungserweiterung 46 über. Am Ende dieser Bohrungserweiterung ist ein Vorsteuerventilsitz 47 ausgebildet. Mit diesem Vorsteuerventilsitz 47 wirkt eine Kegelstumpffläche 51 an einem Plunger 5 zusammen, welcher mittels O-Ringen 52 abge- dichtet koaxial zum Hauptkolben 4 in einer entsprechend abgesetzten Gehäusebohrung verschieblich ist.
Der Plunger 5 geht über eine Schulter 53 in eine am Ende mit Gewinde versehene Stange 54 über, welche eine Bohrung in einem Steuerkolben 6 durchsetzt. Uber eine auf das Ende der Stange aufgeschraubte Mutter 55 ist der Plunger 5 mit dem Steuerkolben 6 fest verbunden.
Der Steuerkolben 6 ist über eine Druckanschlußöffnung 61 auf der in Fig. 1 linken Seite, d. h. in Schließrichtung des Hauptkolbens 4, mit einem unter Druck stehenden Medium, wie Druckluft beaufschlagt. Die Öffnung 61 ist in einem Deckel 62 ausgebildet, der druckdicht einen den Druckraum 63 und den Gegendruckraum 64 des Steuerkolbens 6 enthaltenden Zylinder 65 abschließt.
Der Zylinder 65 ist mittels Schrauben 66 am Gehäuse 1 dicht befestigt. Der Gegendruckraum 64 steht über eine Bohrung 66 mit der Atmosphäre in Verbindung.
Der Steuerkolben 6 selbst ist gegenüber der Innenwand 67 des Zylinders 63 mittels eines'O-Ringes 68 abgedichtet, de ein Gleiten des Steuerkolbens 6 im Zylinder 63 zuläßt.
Der Ventilsitz 3 hat gegenüberliegend der kegelstumpfförmigen Sitzfläche 45 am Hauptkolben 4 eine dazu -passend gestaltete Sitzfläche 31.
Eine Druckfeder 9 ist mit Vorspannung zwischen dem Ventilsitz 3 und der Ringschulter 43 am Hauptkolben 4 aufgenommen.
Eine Druckfeder 19 ist zwischen dem Gehäuse 1 und dem Steuerkolben 6 ebenfalls mit Vorspannung aufgenommen.
Die Federn 9 bzw. 19 drücken den Hauptkolben 4 bzw.
den Steuerkolben 6 in Öffnungsstellung.
Das beschriebene Absperrventil arbeitet wie folgt: 1. Schließen Der Steuerkolben 6 wird über den Druckanschluß 61 mit unter Druck stehendem Steuermedium (Luft) beaufschlagt und mit dem Plunger 5 gegen den Druck des Mediums (Wasser und/oder Öl) im Ventil gegen den Sitz 47 des im Eigenmedium schwimmenden Hauptkolbens4 verschoben. Auf diese Weise wird die Bohrung 41 im Hauptkolben auf der Vorsteuerseite abgesperrt. Unter Hochdruck P stehendes Medium gelangt aber immer noch über die Drossel 48 in den Vorsteuerraum V, wobei die Fördermenge und der Druck jedoch über die Drossel reduziert bzw. verzögert werden.
Sobald der Ventilsitz 47 des Hauptkolbens verschlossen ist, wirkt in Fig. 1 gesehen nach rechts, d. h. in Schließrichtung, der so reduzierte Vorsteuerdruck V auf die Ringfläche 49. Im Gegensinne wirkt auf den Hauptkolben der Druck P auf die Ringfläche 43 plus 45 minus 32.Die Kraft der Feder 9 ist im Vergleich zu den hydraulischen Druckkräften -vernachlässigbar. Auf den Plungerkolben 5 wirkt bei geschlossenem Sitz 47 in Richtung entgegen der SchlieB-richtung einehydraulische: Druckkraft aus dem Vorsteuerdruck V multipliziert mit der Ringfläche, die sich aus der Differenz der Querschnittsfläche 56 des Plungerkolbens 5 minus dem Querschnitt der Bohrungserweiterung 46 ergibt. Diese Druckkraft wirkt zusammen mit der vernachlässigbaren Kraft der Feder 19 entgegen dem Betätigungssinn des Steuerkolbens 6.
Der Steuerdruck des Steuermediums, der im Steuerraum 63 auf die große Fläche des Steuerkolbens wirkt, überwindet diesen Gegendruck, so daßwikgesagt,der Sitz 47 durch den Plungerkolben 5 sanft verschlossen und anschließend der Hauptkolben 4 sanft in Schließrichtung gegen den Sitz 31 gedrückt wird.
Aufgrund der beschriebenen Konstruktion sind bei dem beschriebenen Schließvorgang Druckschläge und ein Flattern des Hauptkolbens 4 vermieden.
Der geschlossene Zustand bleibt solange aufrechterhalten, wie der Druck des Steuermediums im Raum 63 aufrechterhalten wird.
2. Öffnen Wird der Druck des Steuermediums im Raum 63 abgesenkt, so fährt zunächst der Steuerkolben 6 unter der Wirkung der auf ihn in Öffnungsrichtung wirkenden Kräfte (Kraft auf die Ringfläche 56 minus 46) in Öffnungsrichtung, so daß die Kegelstumpffläche 51 am Plunger 5 vom Sitz 47 freikommt. Dann kann das Medium aus der Vorsteuerkammer V über die Bohrung 41 im Hauptkolben 4 abströmen. Da die Drossel 48 kleineren Querschnitt als die Bohrung 41 hat, fällt der Druck in der Vorsteuerkammer V gegenüber dem Hochdruck P ab. Die Drossel 48 bestimmt-!den Zulauf in die Vorsteuerkammer V. Die auf den Hauptkolben 4 nach rechts (in Fig. 1 gesehen) wirkende.Druckkraft setzt sich zusammen aus der Druckkraft auf die Ringfläche 43 (P . 43) und der Druckkraft auf die Differenzfläche am rechten Kolbenende (P - (45-32)). Diese Kraft (P (43+45-32) wird größer als die Kraft V : 49 in der Vorsteuerkammer V auf die in Fig. 1 linke Ringfläche des Hauptkolbens, was den Kolben 4 zum Plunger 5 hin drückt und den Sitz 47 wieder schließt. Die Kraft in der Vorsteuerkammer V baut sich wieder auf und gleicht sich dem jetzt etwas abgefallenen.Druck P an. Diese Wechselwirkung zwischen öffnen und Schließen des Hauptkolbens 4 ergibt einen langsamen Druckabbau . Der Hauptkolben 4 läuft dabei stets dem Steuerkolben 6 bzw. Plunger 5 nach. Die axiale Bewegungsgeschwindigkeit und der Hub bestimmen den zeitlichen Verlauf des Druckabbaues bzw. Druckanstiegs. Es herrscht auf- grund der beschriebenen Konstruktion folgende Proportionalität: Hochdruck P - Ringfläche 49 oder Vorsteuerdruck V Ringfläche --(43+45-32) P ' (49) = V (43+45-32).
Somit hebt also der Hauptkolben 4 vom Ventilsitz 3 proportional zur Bewegung des Steuerkolbens 6 diesem nachlaufend ab. Das Medium strömt außer über die Drossel 48, die Vorsteuerkammer V und die Bohrung 41 im Hauptkolben nun direkt von der Hochdruckseite P über den Sitz 3 zur Niederdruckseite T des Ventils.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den Druckverlauf über dem Durchfluß für das oben anhand der Fig. 1 beschriebene Ventil (durchgezogene Kurve) und für das in der Beschreibungseinleitung beschriebene Ventil nach dem Stand der Technik (gestrichelte Kurve). Es ist ersichtlich, daß im Gegensatz zu dem bekannten Ventil, bei dem das plötzliche Druckentlasten bzw. der plötzliche Druckanstieg zu Druckschlägen führt, ein sanfter Druckanstieg bei dem beschriebenen Ventil ohne jegliche Druckschläge erreicht ist.

Claims

Patentansprüche 1. Vorgesteuertes Druckentlastungs- und Steuerventil mit einem in einem Gehäuse beweglich. geführten Ventilschließkörper in Gestalt eines Hauptkolbens mit Differenzflächen, welche vom Hochdruck des zu regulierenden Mediums in entgegengesetztem Sinne beaufschlagt werden, und mit einem Vorsteuerventil, welches bei Betätigung eine Schließkraft auf den Hauptkolben ausübt, so daß dieser mit einer an seinem Schließende angeordneten Sitzfläche gegen einen Ventilsitz gedrückt wird, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Vorsteuerventil (5,6:,47) . einen durch ein Fluid bzw. eine Feder beaufschlagbaren Steuerkolben(6)umzaBt,der koaxial mit dem Hauptkolben ( 4 ) angeordnet ist, daß der Steuerkolben ( 6 ) über einen Plunger ( 5 mit einem an dem Vorsteuerende (.42) des wauptkolbens (4) angeordneten Vorsteuerventilsitz ( 47) zusammenwirkt, daß der Hauptkolben ( 4 ) von einer Drossel (48 überbrückt ist, welche die Hochdruckseite (P) des Ventils mit der Vorsteuerseite (V) des Hauptkolbens ( 4 ) verbindet, so daß der Hauptkolben im zu regulierenden Medium schwimmend angeordnet ist, daß der Hauptkolben von einer Bohrung (41 ) durchsetzt ist, welche den Vorsteuerventilsitz (47 ) mit der Niederdruckseite (T) des Ventils radial innerhalb der Sitz fläche (45 ) verbindet, und daß die vom Hochdruck beaufschlagten Differenzflächen (43,49) sowie die Querschnitte der Drossel (48) und der Bohrung (41) des Hauptkolbens (4) so berrressen sind, daß von dem Medium bei betätigtem Steuerkolben (6) und durch den Plunger ( 5 ) gesperrtem Vorsteuerventilsitz (47 ) eine resultierende Druckkraft in Schließrichtung auf den Hauptkolben ( 4 ) zum Absperren des Ventilsitzes ausgeübt wird.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die in Schließrichtung beaufschlagte Ringfläche (.49.) des Hauptkolbens ( 4 zwischen dem Vorsteuerventilsitz (47 ) und seinem äußeren Umfang größer als die in Öffnungsrichtung beaufschlagte Ringfläche (43) an seinem Schließende (42) ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Drossel von mindestens einer, vorzugsweise zwei Axialnuten (48) oder separate Bohrung im Gehäuse am Umfang des Hauptkolbens (4) gebildet ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,. dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Bohrung (41 ) im Hauptkolben ( 4 ) eine am Vorsteuerventilsitz ( 47) mündende Bohrungserweiterung ( 46) aufweist, deren Durchmesser etwas kleiner als der Plungerdurchmesser (56.) ist, und daß der Plunger ( 5 ) über eine Kegelstumpffläche (51 ) mit dem Vorsteuerventilsitz (47) zusammenwirkt.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Hauptkolben (4) über einen Teil seiner Länge in einer Führungsbohrung im Gehäuse (1) geführt ist und auf der dem Ventilsitz (3) zugewandten Seite einen über eine Ringschulter (43) anschließenden Ansatz (42) aufweist, an dessen freiem Ende die kegelstumpfförmig ausgebildete Sitzfläche (45) ausgebildet ist, welche mit dem Ventilsitz (3) zusammenwirkt.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch g e k e n'n z e i c h -n e t, daß in den Hauptkolben (4) eine Ringnut (44) zur Entlastung der Strömungsverhältnisse in der Drossel (48) eingearbeitet ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß sowohl der Steuerkolben (6) als auch der Hauptkolben (4) in öffnungsrichtung durch Federkraft beaufschlagt sind.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß dem Steuerkolben (6) und dem Hauptkolben (4) je eine Feder (19 bzw. 9) zugeordnet sind.