DE3342405A1 - Absperrventil - Google Patents

Description

Bochumer Eisenhütte Heintzmann GmbH & Cq«KG, Bessemerstr.80^

4630 Bochum 1

Absperrventil

Die Erfindung richtet sich auf ein Absperrventil mit großer Schalthäufigkeit für unter hohem Druck stehende Fluide gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter Hochdruck wird hierbei ein Druck oberhalb 1.000 bar verstanden. Bei derartigen Drücken sind Dichtkegel und Dichtsitz durchweg metallisch ausgebildet. Der Dichtsitz, besteht in aller Regel aus einer mehr oder weniger scharfen Kante an der Mündung einer Ventilgehäusebohrung, an die dann der Dichtkegel angepreßt wird und dabei die erforderliche Dichtwirkung erzeugt. Das Arbeitsfluid. ist Wasser, gegebenenfalls mit Zusätzen vermischt.

Bei solchen Ventilen führen indifferente Zustände, insbesondere bei einem nur wenig geöffneten Ventil, d.h. bei einem kleinen Spalt zwischen dem Dichtkegel und dem Dichtsitz schnell zu Zerstörungen des. Dichtsitz.es. Die bei Drücken oberhalb 1.000 bar außerordentlich hohen Strömungsgeschwindig keiten des Fluids im Dichtspalt rufen dann Kavitation und Materialauswaschungen hervor. Um den Dichts.itζ zu entlasten und eine hohe Betätigungsfrequenz, (große Schalthäufigkeit) zu erreichen, ist es vorteilhaft, das Ventil möglichst rasch zu öffnen und auch rasch zu schließen. Diese Maßnahme führt aber zu enorm hohen Druckspitzen in dem Hydrauliksystem in welches, das Absperrventil eingegliedert ist. Folgen dieser Druckspitzen sind Brüche in den Rohr- oder Schlauchleitungen des .Hydrauliksystems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe .zugrunde, das im Oberbegriff deü Anupruchu 1 beschriebene AbEsperrventil so au

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verbessern, daß bei seiner Betätigung die nicht zu vermeidend Druckspitzen klein gehalten und somit keine oder nur unbedeutende Rückwirkungen auf das Hydrauliksystem hervorgerufen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindu: in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Durch die Ausbildung eines dem kegelmantelförmigen Dichtsit ζ bei in die Aufnahmebohrung eingetauchtem Drosselkolben vorgelagerten Drosselspalts wird jetzt in denkritischei Situationen kurz vor dem Aufsitzen des Dichtkegels auf der Dichtfläche sowie unmittelbar nach dem Abheben des Dichtkegeis von der Dichtfläche ein Betriebszustand geschaffen, bej welchem nahezu kein Fluüdruck im Dichtflächenbereich vorhander ist. Damit ist auch die Strömungsgeschwindigkeit im Dichtspalt sehr klein, so daß die verschleißfördernde Wirkung des hochgespannten Fluids unwirksam ist.

Die Länge des Drosselspalts sollte so bemessen sein daß ein ausreichender Druckabbau bei vertretbarem Ventildimensionen und Fluidtemperaturen erzielbar ist. Die Mindestlänge kann z.B. 1/5 des Durchmessers des Drosselkolbens betragen.

Die Schaltcharakteristik eines solchen Ventils ist sehr weich, womit eine Erhöhung der Ventilstandzeit und eine erhebliche Senkung der Druckspitzen im Hydrauliksystem erreicht wird. "

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ΛΒ1ΛΙΜΛΙ

Während des Schließvorgangs entsteht beim Eintauchen des Drosselkolbens in die Aufnahmebohrung ein ständig länger werdender Drosselspalt, in welchem der Pluidstrom zunehmend gedrosselt wird. Dabei wird der hohe Fluiddruck auf nahezu null bar gesenkt. Im Augenblick des Aufsitzens des Dichtkegels auf der Dichtfläche ist kein nennenswerter Druck und dadurch auch keine Strömungsgeschwindigkeit mehr vorhanden, durch welche Kavitationen oder Materialauswaschungen hervorgerufen werden. Vielmehr werden während des Schließvorgangs die sich bisher im Bereich des Ventilsitzes auswirkende Beanspruchungen in den Bereich des Drosselspalts verlagert, und zwar hier auf eine Fläche, die um ein Vielfaches größer ist als die Dichtsitzfläche.

Beim öffnen des Ventils bricht der im Drosselspalt bis zur Dichtfläche anstehende Fluiddruck zusammen, da durch den engen Drosselspalt nicht genügend Fluid nachfließen kann, um den Druck aufrechtzuerhalten. Erst bei weiterem Hinausbewegen des Drosselkolbens aus der Aufnahmebohrung und sich damit verkürzendem Drosselspalt, d.h. mit nachlassender Drosselwirkung, baut sich auch am Ventilausgang der am Ventil eingang anstehende Fluiddruck auf.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungsgemäße Absperrventile sind hochdruckwasserunterstützte Schneidköpfe von in untertägigen Grubenbetrieben eingesetzten Maschinen zum Lösen von Kohle oder anderen Mineralien.

Die Merkmale im Anspruch 2 stellen sicher, daß im Moment des Aufsetzens des Drosselkolbens auf der Dichtfläche keine unzulässig hohen Materialbeanspruchungen entstehen, die zu Schäden an der Dichtfläche führen könnten.

Unter Anwendung der Merkmale im Anspruch 3 wird eine definierte linienförmige Abstützung erreicht und damit

eine einwandfreie Dichtwirkung erzielt. Nur die gerundete Dichtkante kommt an der Dichtfläche zur Anlage.

Die Einlaufschräge an der Mündung der Aufnahmebohrung gemäß Anspruch 4 erleichtert das einwandfreie Einführen des Drosselkolbens beim Schließvorgang.

Die Merkmale des Anspruchs 5 erlauben eine vereinfachte Fertigung mit geringerer Passungsgenauigkeit, da sich der Einsatzkörper radial bewegen und dadurch exakt zum Drosselkolben ausrichten kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläuteri Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein geschlossene: Absperrventil;

Figur 2 einen Längsschnitt durch das geöffnete Absperrventil und

Figuren

3 bis. 5 in vergrößerter Darstellung den Ventilsit

bereich in drei verschiedenen Schalt -

Situationen.

Das in den Figuren 1 und 2 veranschaulichte Absper ventil 1 bildet Bestandteil eines Hydrauliks.ys.tems mit einem Fluiddruck über 1.000 bar. Als Fluid gelangt gegebenenfalls mit Zusätzen versehenes Wasser zur Anwendung.

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Das Ventilgehäuse 2 wird in Längsrichtung von eine Betätigungsstoßel 3 durchsetzt, der in Richtung der Schließposition (Figur 1) durch eine Druckfeder 4 belastet ist. Der Betätigungsstoßel 3 weist zwei zylindrische Führungsabschnitt 5₃ 6 auf, die mit ihren Enden 7, 8 jeweils stirnseitig aus de Ventilgehäuse 2 ragen. Im mittleren Längenbereich 9 ist der Betätigungsstoßel 3 eingeschnürt. In Richtung zum Führungsabschnitt 5 schließt sich an die Einschnürung 9 ein Dichtkegel

10 als stirnseitiger Bestandteil eines zylindrischen Drosselkolbens 11 an.

Der Dichtkegel 10 wirkt mit einer kegelmantelförmig Dichtfläche 12 in einem Einsatzkörper 13 zusammen. Die Dichtfläche 12 ist endseitig einer in dem Einsatzkörper 13 ausgeformten zylindrischen Aufnahmebohrung 14 für den Drosselkolbe

11 angeordnet. Der Einsatzkörper 13 is.t in eine Ausnehmung 15 des Ventilgehäuses 2 eingesetzt. Ein Dichtring 16 übernimmt die radiale Abstützung gegenüber dem Ventilgehäuse 2. Die axiale Lage ist durch einen auch der Lagerung des Führungsabschnitts 5 dienenden Einschraubteil 17 gesichert. Der andere Führ.ungsabschnitt 6 ist teils unmittelbar im Ventilgehäuse 2 und teils in einer Schraubbuchse 18 gelagert. Mit 19 ist ein Dichtring zwischen dem Führungsabschnitt 5 und dem Einschraubteil 17, mit 20 ein Dichtring zwischen dem Einschraubteil 17 und dem Ventilgehäuse 2 und mit 21 ein Dichtring zwischen dem Führungsabschnitt 6, dem Ventilgehäuse 2 und der Schraubbuchse 18 bezeichnet.

Beidseitig des Einsatzkörpers 13 sind Fluidaufnahmfi räume 22, 23 ausgebildet, die an den Ventileingang 24 bzw, an den Ventilausgang 25 angeschlossen sind.

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BAD QRiQfMAL

Aus den Figuren 3 bis 5 ist deutlich. z.u erkennen., daß durch entsprechende Bemaßung des. Außend.urchmessers des Drosselkolbens 11 im Vergleich zum Innendurchmesser der Aufnai bohrung 14 ein Drosselspalt 26 zwischen Aufnahmebohrung 14 unc Drosselkolben 11 gebildet ist. Ferner ist zu sehen, daß die Kante 27 zwischen dem Dichtkegel 10 und. der Zylindermantelfläche 28 des Dros.selkolbens 11 gerundet ist. Insbesondere aus Figur 5 ist erkennbar, daß der Kegelwinkel cc. des Dichtkegels 10 kleiner als der Kegelwinkel /3 der Dichtfläche 12 bemessen ist. Die Mündungskante 29 der Aufnahmebohrung 14 im Einsatzkörper 13 ist als Einlaufschräge ausgestaltet. Der Winkel kann zwischen 5° und 45° betragen.

Die Länge L der Einschnürung 9 (Figur 1) ist im Vergleich zu der Dicke D des Einsatzkörper 13 so bemessen, daß der Durchflußquerschnitt in jeder Stellung des Betätigung: stößeis. 3 ausreichend groß ist.

Die Wirkungsweise des Absperrventils 1 ist wie fol,

Schließvorgang:

Bei geöffnetem Ventil 1 (Figuren 2 und 3) wird der Betät;igungsstößel 3 zunächst nur durch die Kraft der Feder 4 in Richtung des Pfeils Z bewegt. Bei der weiteren Verlagerung wirkt außerdem eine Beschleunigungskraft auf den Betätigungsstößel 3 ein, deren Größe sich aus der Größe der Ringfläche 3 am Drosselkolben 11 multipliziert mit der jeweiligen Differen des am Ventileingang 24 und am Ventilausgang 25 anstehenden Drucks ergibt. Die Größe der Ringfläche 30 ergibt sich durch Subtraktion des Durchmessers des Drosselkolbens 11 und des Führungsabschnitts 5. Der Bewegungsvorgang wird außerdem durc

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BAD ORiGlKJAL

die am Ventilausgang 25 entstehende Prucka.bnah.nie unterstützt..

Taucht der Drosselkolben 11 gemäß Figur 4 in die Aufnahmebohrung 14 ein, entsteht zad.sch.en dem. Pros.seIkQIben V und der Aufnahmebohrung 14 ein Drosselspalt 26, durch den der Fluidstrom vom Ventileingang 24 zum Ventilausgang 25 zunehmencL verringert und der Fluiddruck laufend, abgebaut wird. Hat der Drosselkolben 11 die Schließstellung gemäß Figur 5 erreicht, i hat der Drosselspalt 26 eine Länge, die etwa 1/5 des Durchmessers des Drosselkolbens 11 entspricht. Kurz vor dem Aufsetzen des Dichtkegels 10 auf der Dichtfläche 12 ist dann der Fluiddruck auf nahezu null bar abgebaut worden, so daß im Dichtspalt 31 keine wesentliche Strömung mehr herrscht, wodurch auch keine Kavitation und Materialauswaschungen mehr auftreter können.

Öffnungsvorgang:

Beim Öffnen des Absperrventils 1 (Figuren 1 und 5) wird zunächst eine äußere Kraft auf den Betätigungsstößel 3 in Richtung des Pfeils A ausgeübt. Im Drosselspalt 26 steht der Fluiddruck bis zur kegelmantelförmigen Dichtfläche 12 an. Im Moment des öffnens wird der bis zu diesem Zeitpunkt drucklose Ventilraum 32 stirnseitig des Dichtkegels 10 mit dem Drosselspalt 26 verbunden, wodurch der im Dichtkegelbereich anstehende Druck zusammenbricht, dadurch den engen Drosselspalt 26 nicht mehr genügend Fluid nachfließen kann, um den Druck aufrechtzuerhalten. Im Zuge der weiteren Öffnungsbewegung des Drosselkolbens 11 (Figur 4) baut sich der am Ventileingang 24 anstehende Druck in dem Umfeig am Ventilausgang 25 auf, in welchem die Länge des Drosselspalts 26 abnimmt.

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Claims (5)

ρ at ε ν -T ä'W w Ä L τ ε : :. : DR.-ING. W. STUHLMANN - DIPL.-iNG*. R."WILLERT DR.-ING. P. H. OIDTMANN AKTEN-NR. 769 *eSO BOCHUM 1,23. 11. I983 PostachlleBfach 10 2* BO Ihr Zeichen Bergstraße 159 Fernruf O234· / 518 57 Teleer. Stuhlmannpatent Telex 825 3S1 swop d Patentansprüche;

1. Absperrventil mit großer Schalthäufigkeit für unter hohem Druck stehende Fluide, insbesondere Hochdruckwasser, das einen an einem Betätigungsstößel ausgebildeten Dichtkegel aufweist, der durch den Fluiddruck und eine federelastische Rückstellkraft gegen einen Dichtsitz im Ventilgehäuse andrückbar ist, dadurch gekenn zeichnet , daß der in der Schließposition an einem kegelmanteiförmigen Dichtsitz (12) zur Anlage gelangende Dichtkegel (10) stirnseitiger Bestandteil eines zylindrischen Drosselkolbens (11) bildet und die Dichtfläche (12) endseitig einer zylindrischen Aufnahmebohrung (lH) für den DrosselkolbC? (11) angeordnet ist, wobei durch entsprechende Bemaßung des Außendurchmessers des Drosselkolbens (.11) im Vergleich zum Innendurchmesser der Aufnahmebohrung (14) ein Drosselspalt (2 zwischen Aufnahmebohrung (14) und Drosselkolben (11) gebildet ist.

2. Absperrventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kante (27) zwischen dem Dichtkegel (10) und der Zylindermantelfläche (28) des Drossel kolbens (11) gerundet ist.

3. Absperrventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kgelwinkel {cC ) des Dicht kegeis (10) kleiner als der Kegelwinkel (/3) der Dichtfläche (12) bemessen ist.

4. Absperrventil nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß an der Mündung der Aufnahme bohrung (lh) eine Einlaufschräge (29) vorgesehen ist.

5. Absperrventil nach einem der Ansprüche I₃ 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Dichtfläche (12) und die Aufnahmebohrung (14) in einem gegenüber dem Ventilgehäuse (2) über eine umfangsseitige Dichtung (16) abgestützten Einsatzkörper (13) ausgebildet sind.

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