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Grubenstempel mit teleskopartig ineinanderschiebbarem Ober- und Unterstempel
Die im Bergbau bisher fast ausschließlich benutzten Grubenstempel aus Holz zur Abstützung
des Hangenden haben im allgemeinen befriedigt, doch zwang der zunehmende Holzmangel
zur Einführung von Stahlstempeln, obwohl diese schwerer sind. Die bekannten Konstruktionen
aus Stahl, deren Grundprinzipien auf Reibungswiderstand beruhen, sind den Holzstempeln
leistungsmäßig überlegen, doch werden handlichere Formen mit geringerem Gewicht
verlangt.
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Die Erfindung verwirklicht durch Verwendung nahtloser zylindrischer
Rohre und einer neuartigen Stempelmechanik, die eine günstige Materialausnutzung
gestattet, einen Grubenstempel, der leicht und handlich ist.
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Erfindungsgemäß umschließt den zylindrischen Oberstempel am ganzen
Umfang ein Schleppkeil mit selbsthemmendem Keilwinkel, der in einem geteilten Segmentring
ruht, der seinerseits von einem ungeteilten Außenring mit selbst- oder nichtselbsthemmendem
Neigungswinkel umschlossen ist, wobei der Reibungsschluß am Oberstempel durch Handhebelbetätigung
eingeleitet wird. Auch können ein oder mehrere nichtselbsthemmend konisch ineinandergreifende
zusätzliche Klemmringpaare mit ein-oder mehrfach geteilten Innenringen auf einer
zylindrischen Verlängerung des Schleppkeils so angeordnet sein, daß sie einerseits
am Segmentring, andererseits über einen Federtopf am Unterstempelrohr anliegen.
`''eitere auf dem vorbezeichneten Prinzip beruhende Ausführungsformen sind in der
anschließenden Beschreibung erläutert.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in fünf Abbildungen erläutert.
Abb.
i zeigt einen Teillängsschnitt des Grubenstempels mit einteiliger Klemmvorrichtung,
Abb. 2 einen gleichen -Schnitt einer Alternativlösung, Abb. 3 den Teillängsschnitt
durch einen Stempel mit Klemmringsätzen, Abb.4 einen Schnitt durch eine kombinierte
Klemm- und Federvorrichtung; Abb.5 zeigt ein Arbeitsdiagramm mit verschiedenem Kraft-Weg-Verlauf.
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In Abb. i ist der normalerweise aus nahtlosem Rohr ohne mechanische
Bearbeitung gefertigte Oberstempel i mit angeschweißter Kopfplatte in dem gleichfalls
aus nahtlos gezogenem Rohr gefertigten Unterstempel 2 zentral geführt, wobei die
Führungslänge bei ganz ausgezogenem Stempel so groß ist, daß die Knickfestigkeit
auch in der Verbindung erhalten bleibt. Am oberen Ende des Unterstempels 2 ist in
einer gehäuseartigen Erweiterung die Klemmvorrichtung untergebracht, so daß sie
gegen äußere Einflüsse geschützt ist. Die Klemmvorrichtung besteht im wesentlichen
aus dein Schleppkeil 3, der unmittelbar am Oberstempel i anliegt. Dieser ein- oder
mehrfach geteilte Schleppkeil 3 ist an seinem konischen Teil in einem ein-oder mehrfach
geteilten Segmentring 4 und letzterer in einem einteiligen Außenring 5 gelagert.
In den .Außenring 5 greifen in gegenüberliegender Anordnung Zapfen des Betätigungshebels
7 und in den Segmentring 4 gleichfalls zum Betätigungshebel gehörende zylindrische
Exzenternocken ein, die je nach Lage des Handhebels ein Schließen oder Lösen der
Klemmvorrichtung bewirken. In der gezeichneten Darstellung befindet sich der Betätigungslrebel
in Schließstellung. Die Feder 6 hat die Aufgabe, Schleppkeil 3 und Segmentring 4
in stets gleicher Ausgangsstellung zu halten. Beim Setzen des Stempels wird zunächst
der Betätigungshebel 7 in seine horizontale Lage geschwenkt, wobei durch die Exzenterwirkung
der Hebelnocken der Außenring 5 entgegen der Konusneigung vom Segmentring 4 abgezogen
und die Klemmvorrichtung gelöst wird. Nachdem der nun verschiebbare Oberstempel
i in seine vorgesehene Stellung gehoben ist, wird der Betätigungshebel ? nach unten
gedrückt, d. h. der Außenring 5 über den Segmentring ,4 geschoben, so daß dieser
radial gegen den Schleppkeil 3 und dieser wiederum gegen den Oberstempel i gepreßt
wird. Der Anpreßdruck kann in gewissen Grenzen durch die Größe des Exzenterweges
bestimmt werden. Da der Außenring 5 den radialen Anpreßdruck nun selbsttätig erhalten
muß, ist es notwendig, daß sein Neigungswinkel selbsthemmend ist, jedoch soll die
Selbsthemmung nicht größer als unbedingt notwendig sein, da beim Lösen der Klemmvorrichtung
das Abziehen des Außenringes 5 mit zunehmender Selbsthemmung erschwert würde.
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Bei Belastung des Oberstempels wirkt sich die Differenz zwischen dem
stets größeren Reibungskoeffizienten der ungeschmiertenOberstempelaußenfläche und
dem der geschmierten Neigungsfläche zwischen Schleppkeil und Segmentring mitnehmend
auf den Schleppkeil 3 aus, d. h. der Schleppkeil wandert mit dem Oberstempel so
lange nach unten, also in den Segmentring hinein, bis der Schleppkeil 3 nach Zurücklegung
des Weges X, der gleich der radialen Elastizität des Oberstempelrohres innerhalb
der Schleppkeillänge plus der des Außenringes 5, dividiert durch 2 - tg a ist, gegen
den Unterstempel anliegt. Durch Wahl der Exzenterpressung bzw. des Weges X oder
beide Maßnahmen gleichzeitig kann die Stempelkraft P1 (Abb. 5) bestimmt werden.
Falls eine veränderliche Stempelkraft P1 im Betrieb verlangt wird, kann durch geeignete
Mittel, beispielsweise Beilegeringe zwischen Schleppkeil und Anschlag oder durch
axiale Verstellung des Schleppkeiles 3 mittels Gewindestellschrauben gegenüber dem
Gehäuse in Richtung des Weges X vor dem Spannen, eine Schleppwegeinstellung
X erreicht werden. Der Neigungswinkel x
muß auf jeden Fall unter Beachtung
der Oberstempelreibung selbsthemmend sein und darf maximal den Wert von
nicht überschreiten, wobei (i) der Reibungsbeiwert am Stempelrohr und y der Reibungsbeiwert
an der Neigungsfläche des Schleppkeiles ist.
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Zum Lösen der Klemmvorrichtung wird der 13ctätigungshebel 7 wieder
in seine horizontale Lage bewegt, wobei der selbstheininend auf dein Seginentring
4 haftende Außenring 5 gelöst wird. Durch die Feder 6 wird der Schleppkeil 3 wieder
in seine Ausgangsstellung gehoben, so daß nach erneutem Herunterdrücken des Hebels
7 die \'oi"last l',, (Abb.5) wieder eingestellt ist, wie sie für ein ordnungsmäßiges
Setzen des Stempels verlangt wird.
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Normalerweise ist das Obersternpelrohr auf seiner ganzen Länge zylindrisch
ausgeführt, womit der Stempelwiderstand, wie in Abb.5 veranschaulicht, nach Errechnung
von 1'1 während des ganzen Stempelweges gleich bleibt. Wird aber ein nach P1 ansteigender
Stempelwiderstand beispielsweise bis P2 verlangt, wie in Abb. 5 dargestellt, so
kann dies durch zunehmende Oberflächenrauheit oder durch Konizität des Oberstempels
erreicht werden, wobei in ersterem Falle der veränderliche Reibungsbeiwert, in letzterem
die zunehmende Anpressung des Schleppkeiles bestimmend sind.
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Durch die günstige Materialanordnung der zylindrischen Stempelrohre
im Sinne größten Knickwiderstandes und die optimale Verteilung der Schleppkeilreibfläche
über den Oberstempelumfang sowie die hierdurch mögliche gedrungene Bauweise ist
der Gesamtmaterialaufwand und damit das Stempelgewicht im Verhältnis zu den bekannten
Stempelkonstruktionen äußerst niedrig. Außerdem ist die weitestgehend ausgeglichene
Spamiungsverteilung in allen Stempelteilen ein Anreiz für die Verwendung hochwertiger
Stahlqualitäten und auch von Leichtmetall, wodurch weitere Forteile hinsichtlich
des Gewichts erzielt werden können. Handliche Form und geringes Gewicht, die für
einen Grubenstempel erforderlichen äußeren Vorans-
Setzungen, sind
somit beim Gegenstand der Erfindung gegeben.
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Abb. 2 zeigt -ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Grubenstempel
gemäß der Erfindung. Abweichend von Abt. i kann der Segmentring ii mehrfach geteilt
sein, da der Betätigungshebel 16 nicht direkt mit ihm in Verbindung steht und so
eine Verschiebung einzelner Segmente ausgeschlossen ist. Der Segmentring i i ist
an beiden Enden entgegengesetzt konisch ausgeführt und beiderseitig von Außenringen
umschlossen, wobei beispielsweise an einer Seite das Gehäuse 13 gleichzeitig als
Außenring ausgebildet ist. Die Konuswinkel y des Segmentringes sind im Gegensatz
zii Ahl>. i nichtselbsthemmend, so daß nach erfolgtem Spannen die Kleminspannung
zwangsweise erhalten ])leiben muß. Hierzu ist die am Abschlußring 1.3 und Zwischenring
14 dargestellte Verzahnung vorgesehen, die zur Verschiebung des Außenringes 12,
also zur Vorspannung des Schleppkeiles 1o dient und selbsthemmend wirkt, so daß
ein ungewolltes Lösen der Klemmvorrichtung unmöglich ist. Der Betätigungshebel 16
ist durch einen Bolzen 17 im Abschlußring i5 gelagert und greift finit seinem vorderen
Ende in den Zwischenring 14 ein, der bei einer Schwenkbewegung des Betätigungshebels
ini Sinne der Verzahnung tangential verdreht wird. Die Feder 18 sorgt wiederum für
die stets gleiche Lage des Schleppkeiles io und des Segmentringes i i. Auch hier
ist der Weg X maßgebend für den Stempelwiderstand, wie es ebenso mit den gleichen
Mitteln, wie zu Abt. t beschrieben, möglich ist, den Verlauf der Stempelcharakteristik
zu :indern.
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Auch die Ausführung nach Abt. 3 elltsliriclit ü1 der Wirkung derjenigen
nach Abt. r. Der Außenring ist hier durch das Gehäuse ersetzt und der Schleppkeil
21 mit einer zylindrischen Verlängerung versehen, auf der ein oder mehrere Kleinniringsätze
zusätzlich angeordnet sind. Bei einer Belastung des Oberstempels i9 wird durch die
\"orspannung der Schleppkeil 21, wie in AN). i beschrieben, mitgenommen,
wobei sich der Seginentring 22 gegen den Außenring 23 und dieser gegen einen konischen,
ein- oder mehrfach geteilten Innenring 24 abstützt. Der Stempelwiderstand wird dabei
um den Reibeffekt dieser zusätzlichen Klemmringe erhöht. Ist der Stempelwiderstand
aus der Schleppkeilreibung allein P kg, so erhöht er sich bei ciiwin zusätzlichen
Klemmringpaar auf
Für das zweite Klenmiringpaar 23, 26, für das nun P1 die belastende Kraft ist, erhöht
sich der Stempelwiderstand auf
Bei jedem weiteren Klemmringsatz 27, 28 nimmt der Exponent um i zu, so daß bei n
Kleminringsätzen der Stempelwiderstand P, = P-an ist.
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Der Schleppkeil 21, der bei ungespannter Klemmvorrichtung durch die
Feder 32 in seiner Ausgangsstellung gehalten wird, findet nach X mm Weg über den
Federteller 31 seine Begrenzung iin Federtopf 3o, der wiederum am LTnterstempelrohr
2o anliegt. Das GeliätiSe 29, das gleichzeitig als :\tißenring für die Klemmvorrichtung
dient, ist hierbei um den Weg X plus dem zur Vorspannung der Kleinmvorrichtung notwendigen
Exzenterhub nach unten bewegt worden, so daß es f mm vom Federtopfbund absteht.
Wird nun zum Lösen der Klemmvorrichtung der Betätigungshebel 33 in seine horizontale
Lage geschwenkt, so hebt sich das Gehäuse 29 zunächst um den Exzenterhub an, uni
nach vollkommenem J:ntspannen auch der nichtselbstlieminenden Klemmringpaare am
Federbund zur Anlage zu kommen. Der Oberstempel i9 kann nun wieder frei verschoben
werden. Soll die Stempelcharakteristik nach P1 steigend verlaufen, so kann (lies
auch hier wieder mit den gleichen Mitteln erreicht werden, wie sie unter Abt. i
beschrieben sind.
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Die Kleinnivorrichtung einschließlich der zusätzlichen Kleminringpaare
ist in einem Gehäuse 29 zttsaininengefafit, so daß alle Stempelteile für sich gefertigt
und gelagert werden können. Beim Zusammenbau des Stempels wird dieses Aggregat in
einer topfartigen Verlängerung des Unterstempels aufgenommen.
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Der ill :\b1).4 dargestellte Grubenstempel entspricht in seiner äußeren
Form den vorbeschriebenen, zeigt in Wirkung und Aufbau jedoch grundsätzliche Unterschiede.
Die hier wieder in prinzipiell gleicher Weise ausgeführte und angeordnete KleinmvorrichtUlu;
36, 37, 38 und 43, .44 stützt sich finit dein Seginentring 37 gegen den Bund 39
des Führungstopfes, der gegen eine Feder 4o, 41 bekannter Bauart. im vorliegenden
Falle eine Ringfeder, anliegt. Wird nach geschlossener Klemmvorrichtung der Oberstempel
34 belastet, so verschiebt sich gemeinsam mit der Zusanimendriickung der Feder der
Schleppkeil 36 im Segmentring 37, bis er nach l nini gegen den Bund 39 anliegt.
Anschließend spannt sich die Feder allein weiter, bis der Bund 39 am Unterstempel
seinen Anschlag findet. Der Stempelweg bis P1 kg ist also X + Y mm (Abb.
3). s()11 I'1 nicht überschritten werden oder lediglich finit steigender Tendenz
bis P3 verlaufen, so muß die J#Jemmkraft, d. li. der Schleppkeilwiderstand, oder,
finit anderen Worten, der \\"eg X entsprechend bestimmt werden. Soll dagegen der
Stempelwiderstand größer als P1 sein, so steigt er nach P1 zunächst ohne Weg bis
auf beispielsweise P4 an, um dann in dieser Höhe oder wiederum mit steigender Tendenz
bis P, zu verlaufen. Es ist also erforderlich, den Weg X entsprechend P4 größer
anzunehmen.
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Die Feder 40, 41 stützt sich gegen einen Bund 42 des Unterstempels
33 ab, von dem sich der Gehäusehoden 43 uln den Weg X - 1- beim Spannen der Feder
40, 41 entfernt. Wird zum Lösen der Klemmvorrichtung
der Betätigungshebel
in seine horizontale Lage gebracht, so wird das Gehäuse 38 um den Exzenterhub angehoben,
so daß der Segmentring 37 und damit der Schleppkeil frei werden. Die Entspannungskräfte
der Feder 4o, 41 heben nun die Klemmvorrichtung einschließlich Gehäuse nach oben,
bis alle Teile ihre Ausgangsstellung wieder einnehmen und für den nächsten Spannvorgang
bereit sind.