DE8235289U1 - Hydraulischer Zylinder, insbesondere Grubenstempel, mit kombinierter Funktion - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen kombiniert wirksamen, d.h. auch pneumatisch lasttragenden, hydraulischen Zylinder, insbesondere einen Grubenstempel, zur elastischen Aufnahme statischer und/oder dynamischer Belastungskräfte, wie Stoßartiger plötzlicher Belastungen, beispielsweise eines Gebirgsschlags, bei dem schnell erfolgende, schlagartige und normale Belastungen meistens übertreffende Kräfte auftreten.

Eine der wichtigsten Aufgaben der hydraulischen Grubenstempel besteht in der Aufnahme der sich aus dem Gestein ergebenden statischen und/oder dynamischen Belastungen, in dem letzten Fall zweckmäßig durch die elastische Akkumulation der Energie. Es ist allgemein bekannt, daß um so größere dynamische Belastungen auftreten können _f «je größer die Energiespeicherfähigkeit bis zum Erreichen des zum Bruch führenden Druckes ist.

Zur Lösung der Aufgabe sind zahlreiche, insbesondere die Umstände des Gebirgsschlags berücksichtigende Lösungen, be-

Die eine ausschließlich auf dem hydraulischen System beruhende Gruppe der Lösungen sichert die Konvergenz (worunter die Zusamffiendrückfähigkeit bzw. die Verkürzung des Stempels durch Auflast oder durch Quellen des Aufstandsbodens zu verstehen ist) des Grubenstempels in dem erforderlichen Maß, das heißt, die Aufnahme der auftretenden stoßartigen , den statischen Druck im allgemeinen überschreitenden Belastungskräfte mit mechanischen und hydraulischen Mitteln, bzw. ausschließlich durch die Verwendung hydraulischer ergänzender Einrichtungen.

Diese ergänzenden Einrichtungen sind die sogenannten Gebirgsschlagventile.

Ein mit einem mechanisch-hydraulischen Gebirgsschlagventil versehener Grubenstempel -ist z.B. in den Patentschriften-SU-PS 571 610 und DE-AS 21 300 472 beschrieben. Der in der deutschen Patentschrift beschriebene Grubenstempel verfügt ausschließlich über ein hydraulisch betätigtes Gebirgsschlagventil.

Im allgemeinen besteht bei diesen Lösungen der Nachteil darin, daß der Anschluß des Gebirgsschlagventils an den hydraulischen Druckraum einen zu geringen Querschnitt aufweist, wodurch das Gebirgsschlagventil infolge der Trägheit des Druckraumes und des Ventils nicht imstande ist, bei einem schnellen Anstieg der Belastung den schädlichen Überdruck und die sich daraus ergebende überlastung zu verhindern. Dazu kommt noch, daß das Gebirgsschlagventil nur eine unelastische oder beschränkt elastische Konvergenz ermöglicht.

Es ist auch eine Lösung bekannt, bei der die elastische Konvergenz durch die Anwendung eines in Richtung des Außenzylinders offenen, mit Flüssigkeit aufgefüllten Innenzylinders erhöht wird (z.B. die deutsche Patentschrift DE-PS 26 36 791). In diesem Fall sichert die elastische Zusammendrückbarkeit der Mehrflüssigkeit - infolge des offenen Innenzylinders - die zur Akkumulierung der Energie erforderliche Fähigkeit und verlängert gleichzeitig die Zeit des Druckanstiegs.

Die auf diese Weise erreichbare elastische Konvergenz, die Energiespeicherfähigkeit und die verlängerte Dauer des Druckanlaufs sind günstiger. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß die Elastizität des Grubenstempels von der Lage des Innenzylinders abhängt. In einer geschlossenen Stellung ist der Grubenstempel steifer, auch die elastische Konvergenz

ist niedriger. Bei einer schnell vor sich gehenden, schlagartigen Belastung ist die Dauer des Druckanstiegs zur sicheren Funktion des Gebirgsschlagventils im. allgemeinen zu kurz.

In der französischen Patentschrift FR-PS 75 04 902 ist eine Lösung beschrieben, bei der in dem Kolbenkopf des Innenzylinders ein Gasakkumulator mit einer Membran vorgesehen ist. Die Innenwand der Membran grenzt eine Gaskammer ab, während die Außenwand über die am Ende des Innenzylinders ausgebildete Bohrung mit dem hydraulischen Druckraum des Grubenstempels in Verbindung steht.

Dieser Lösung wurde das Ziel gesetzt, die bei einer plötzlichen schlagartigen Belastung auftretende Druckwelle zu dämpfen, bzw. die erforderliche Zeitspanne zum öffnen des * herkömmlichen Sicherheitsventils sicherzustellen.

Hingegen begrenzt der hohe Widerstand der kleindimensionierten Bohrung nachteilig und bedeutend den druckausgleichenden energieabsorbierenden Einfluß des Gasakkumulators. \ Würde aber die Verbindungsbohrung erweitert werden, würde die Membran bereits bei einer Vorspannungserhöhung von 500 bar bei einem atmosphärischen Druck des hydraulischen Kreises zerstört werden. Auch die Erhöhung des Rauminhalts des Gasakkumulators scheint nicht zweckmäßig zu sein, da bereits der Widerstand der Bohrung die Bedingungen der Belastungsaufnahme bestimmt. Erfolgreich kann der Grubenstempel nur zur Absorption einer verhältnismäßig geringen dynamischen Energie von begrenztem Maß eingesetzt werden, und zwar mit der Voraussetzung, daß der im hydraulischen

Raum des Grubenstempels sich ausbildende Druck den zulässi-

& gen Wert nicht übertrifft. Gleichzeitig weist der Gruben-

stempel eine weichere Charakteristik auf. Damit ist die Ge-

- fahr größer, daß der Innenzylinder mit seinem Metall auf

den Boden des Außenzylinders aufschlägt, insbesondere wenn der Schlag in einer annähernd geschlossenen Stellung ausge-

S übt wird.

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Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten nachteiligen Charakteristiken der herkömmlichen Lösungen zu beseitigen, d.h. einen hydraulischen Zylinder mit kombinier- % ter Funktion zu entwickeln, der bei gleichen Dimensionen

in der Lage ist, herkömmliche Werte überschreitende Schlägel energien zu akkumulieren, der eine elastische Konvergenz in der erforderlichen Größe aufweist, bei dem die Anstiegsperiode der Belastung auch unter kritischen Verhältnissen genügend lang ist, bei dem gleichzeitig ein kräftiger metallischer Anschlag verhindert wird oder wenigstens dieser Vorgang bedeutend gedämpft bzw. verlangsamt ist.

' ' Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Zylinder mit einem Außenzylinder und wenigstens einem darin angeordneten Innenzylinder, mit einem Ventilsystem und eventuell mit einem oder mehreren Gebirgsschlag- und/oder sonstigen Ventil(en), der dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen dem Außenzylinder und dem Innenzylinder ein hydraulischer Druckraum ausgebildet ist, daß mit dem hydraulischen Druckraum ein Gasraum verbunden ist und daß in dem hydraulischen Druckraum ein sich in den Innenzylinder anpassender Hohlansatz vorgesehen ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des hydraulischen Zylinders ist der Gasraum in dem Innenzylinder und/oder in dem Hohlansatz ausgebildet, wobei der Gasraum und der hydraulische Druckraum mittels eines Kolbens voneinander getrennt sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Gasraum außerhalb des Außenzylinders angeordnet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Martei des Hohlansatzes und/oder der sich anpassende Hohlraum des Innenzylinders mit einem "besfeiiimfcen Spiel mit einer

oder mehreren Durchmesserabstufung(en) ausgebildet. Es ist als vorteilhaft zu betrachten, wenn das Spiel zwischen den sich anpassenden Teilen in Richtung der Verschiebung eine abnehmende Tendenz aufweist.

Es kann vorteilhaft sein, wenn der Gasraum aus einer Membran und aus einem Flüssigkeitspolster zwischen der Membran, dem Kolben und dem Innenzylinder bzw. der Innenwand des Hohlansatzes ausgebildet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführung ist in dem Innenzylinder, gegebenenfalls zwischen der Membran und dem Innenzylinders, bzw. in dem Hohlansatz ein Mantel vorgesehen. Es besteht die Möglichkeit, die Membran l^ei einer weiteren vorteilhaften Ausführung als Rohrmembran auszugestalten.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Mantel und/oder die Stirnfläche des Kolbens mit einer Dichtung versehen ist.

Bei den gegebenen Belastungs- und Anwendungsfällen ist es fraglos vorteilhaft, wenn der Gasraum zweckmäßig mit Edelgas mit einem den Wert 1,4 überschreitenden adiabatischen Exponenten aufgefüllt wird.

Die Erfindung wird anhand einiger vorteilhafter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der beiliegenden Zeichnung, die den erfindungsgemäßen hydraulischen Zylinder im Längsschnitt darstellt, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Grubenstempel, in dem der Gasraum innerhalb des Innenzylinders angeordnet ist,

Fig. 2 eine Lösung, bei der der Gasraum des Grubenstempels von einer elastischen Membran innerhalb des Innenzylinders gebildet wird,

Fig. 3 eine Lösung, bei der der Gasraum in dem Hohlansatz des Außenzylinders angeordnet ist,

Fig. 4 eine Anordnung, "bei der der Sasraum durch die in dem Hohlansatz des Außenzylinders vorhandene Membran erzeugt wird.

Die Bestandteile der Zylinder sowie deren Kennzeichnung sind in allen Ausführungsbeispielen wie folgt: 11 Außenzylinder, 12 Innenzylinder, 13 hydraulischer Druckraum, 14 Gasraum, 15 Kolben-, 16 Boden, 17 Hohlansatz, 18 Membran, 19 Flüssigkeitspolster, 20 Füllventil, 21 Bohrung, 22 Mantel, 23 Füllarmatur, 24 Füllsystem und 25 Entlüftung.

Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen trennt der in dem Innenzylinder 12 angeordnete Kolben 15 den zwischen dem Außenzylinder 11 und dem Innenzylinder 12 vorhandenen hydraulischen Druckraum 13 und den Gasraum 14 voneinander ab. Dieser Kolben 15 ist im Inneren des InnenZylinders 12 verschiebbar und ist an seinem Mantel sowie an dei- Stirnfläche mit einer Dichtung versehen, mit der er in seiner Endstellung auf dem Innenzylinder 12 aufschlägt. Der Gasraum 14 befindet sich in dem hinter dem Kolben 15 liegenden Teil des InnenZylinders 12, der mittels der Füllarmatur 23 (in dem Beispiel nach Fig. 2 mit dem Füllsystem 24) auf den erforderlichen Vorspanndruck aufgefüllt werden kann. Es ist zweckmäßig, für den Vorspanndruck einen höheren Wert zu wählen, als den Ausblasdruck des (hier nicht dargestellten) herkömmlichen Sicherheitsventils, da sich auf diese Weise der Grubenstempel bei einer langsamen Konvergenz wie ein herkömmlicher Stempel verhält, während die Dichtheit des Gasraums 14 in diesem Fall von der Dichtung an der Stirnfläche des nun stehenden Kolbens 15 sichergestellt wird.

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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die in dem Inneren des Innen Zylinders 12 angeordnete elastische Membran 18 den Gasraum 14. Die Membran 18 ist in dem Mantel 22 angeordnet, der die aus elastischem Material gefertigte Membran stützt, da die Membran 18 und der durch die Membran gebildete Gasraum 14 kleiner sind als der Innenraum des InnenZylinders 12.

Innerhalb des Mantels 22 ist der Raum zwischen dem Kolben 15 und der Membran 18 mit dem Flüssigkeitspolster 19 ausgefüllt,, der sich unter dem Druck des Gasraumes "14 vorspannend das Einklemmen der Membran 18 bei der Verschiebung des Kolbens 15 verhindert. Zur Auffüllung des Flüssigkeitspolsters 19 sind das in dem Kolben 15 angeordnete Füllventil 20 und die Entlüftungsbohrung 21 vorgesehen. Die Membran 18 kann über das Füllsystem 24 aufgefüllt bzw. auf den gewünschten Druckwert eingestellt werden.

Bei den Ausführungen nach Fig. 1 und Fig. 2 ist an dem Boden 16 des Außenzylinders 11 ein Hohlansatz 17 ausgebildet, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Hohlraumes des Innenzylinders 12 unter dem Kolben 15. Vorteilhaft können an beiden sich anschließenden Elementen mehrere Durchmesserabstufungen ausgebildet werden, wodurch die Durchmesserdifferenzen, bzw. das Spiel fortlaufend vermindert wird.

Bei den Anordnungen nach Fig. 3 und 4 ist der Gasraum in dem an dem Boden 16 des Außenzylinders 11 ausgestalteten Hohlansatz 17 in dessen Innerem ausgebildet. Die Auffüllung des Gasraums 14 und die Einstellung des darin herrschenden erforderlichen Gasdrucks finden über die Füllarmatur 23 statt. Auch in diesem Fall ist zweckmäßigerweise für den Wert des Vorspanndruckes ein höherer Wert als der Ausblasedruck des herkömmlichen Sicherheitsventils zu wählen.

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Bei beiden Lösungen ist der Gasraum 14 von dem ar. dem offe- : nen Ende des Hohlansatzes 17 angeordneten Kolben begrenzt,

dessen Dichtungen jenen nach Fig. 1 und 2 entsprechen. Der \ Kolben 15 trennt den Gasraum 14 von dem hydraulischen

'"-■ Druckraum 13 ab. Bei der Anordnung nach Fig. 3 stellt der

Gasraum 14 eigentlich den von dem Kolben 15 abgeschlossenen Teil des Hohlansatzes 17 dar.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird hier der Gasraum 14 durch die in dem Hoiilansatz 17 angeordnete elastische Membran 18 gebildet. In diesem Fall ist zwisctien dem Kolben 15 und der Membran 18 ein Flüssigkeitspolster 19 mit der ;■ ' ^ selben Zielsetzung, wie bei der Lösung nach Fig. 2, angeordnet. Das Flüssigkeitspolster 19 wird mit dem Füllventil 20 aufgefüllt, die Entlüftung des Hohlraums kann über die Entlüftungs- und Ablaßbohrung 21 erfolgen.

Die Lösungen nach Fig. 3 und 4 können weiterhin dadurch charakterisiert werden, daß der Hohlansatz 17 in den Hohlraum des Innenzylinders 12 einpaßt. Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, Durchmesserabstufungen mit immer enger werdenden Spaltmaßen auszubilden. Die Auffüllung des Innenzylinders 12 erfolgt durch den Entlüfter 25.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen, vorangehend ausführlich beschriebenen hydraulischen Zylinder ist,wie folgt:

Wenn dem Innenzylinder 12 des hydraulischen Zylinders eine sich rasch erfolgende schlagartige, dynamische Belastung hoher Energie aufgebracht wird, nimmt der Druck der in dem hydraulischen Druckraum vorhandenen Flüssigkeit zu und erreicht den zum Ingangsetzen des Kolbens 15 erforderlichen Wert, der praktisch dem Vorspanndruck des Gasraumes 14 bzw. des Flüssigkeitspolsters 19 entspricht. Durch die Erhöhung des hydraulischen Druckes verschiebt sich der

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Kolben 15 in Richtung des Gasraumes 14. Damit nimmt der Druck des Gases infolge der Kompression zu bzw. ist der Grubenstempel in der Lage, die Schlagenergie zu speichern.

Auf diese Weise hangt der in dem Grubenstempel auftretende größte hydraulische Druck von dem Anfangsdruck des Gasraumes 14 und der Art und Menge des Gases ab und verglichen mit dem herkömmlichen Stempel kann er unter gleichen Umständen wesentlich niedriger ausgebildet sein. Die Dauer

des Druckaufbaus verlängert sich, wodurch ein genügend großer Zeitraum zum öffnen des Sicherheitsventils bzw. des eventuell verwendeten Gebirgsschlagventils zur Verfügung steht.

Wenn der hydraulische Zylinder in einer dem geschlossenen Zustand naheliegenden Stellung einer so hohen dynamischen Kraftwirkung ausgesetzt wird, die eine größere Konvergenz hervorrufen würde, als der Abstand zwischen dem Boden 15 und dem Innenzylindex 12, trennt der Innenzylinder 12, der sich infolge der Kraftwirkung fortbewegt, den Innenraum des InnenZylinders von dem auch den Kohlansatz umschließenden hydraulischen Druckraum 13. Der Innenzylinder 12 gleitet nämlich auf den Hohlansatz 17 und der Druckausgleich kann ausschließlich über den dazwischen verbleibenden Spalt erfolgen. So kann durch die hydrodynamische Bremsung die Wirkung des starken und schadhaften metallischen Aufschlags vermieden oder wenigstens bedeutend vermindert werden.

Die als Beispiel vorgezeigten Lösungen erschöpfen keineswegs das Schutzbegehren der Erfindung, innerhalb dessen noch zahlreiche abweichende Lösungen möglich sind. So kann z.B. der Gasraum mit einer Rohrmembran ausgestaltet werden, und auch eine Anordnung außerhalb des hydraulischen Zylinders ist möglich.

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Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemäßen hydraulischen Zylinders können wie folgt zusammengefaßt werden: - . .

1. Bei Schlägen von so hoher Energie, die das öffnen des Gebirgsschlagventils des herkömmlichen Grubenstempels und den Ablaß der Flüssigkeit bewirkt, erreicht der Druck den für das Öffnen des Gebirgsschlagventils eingestellten Wert nicht, so daß der Stempel bzw. der Ausbau aktiv bleiben.

, >. 2. Beim Auftreten weiterer, noch höherer Schlagenergien, die die Zerstörung eines herkömmlichen Grubenstempels bewirken würden, wird bei dem erfindungsgemäßen hydraulischen Zylinder ein den kritischen Wert unterschreitender Druck erzeugt bzw. es ist genügend Zeit zum Öffnen der Gebirgsschlag- und sonstiger Ventile vorhanden. Dadurch sind die Spitzenwerte der Belastungen viel niedriger, wodurch eine bedeutende Maß- und Gewichtsverringerung bei den hydraulischen Zylindern bzw. bei den diese verwendenden Ausbauten ermöglicht wird. Die Belastungsfähigkeit wird dabei gleichzeitig erhöht.

3. Auch bei einer den Gebirgsschlag begleitenden, rasch

erfolgenden dynamischen Belastung von hoher Kraft kann der starke metallische Aufschlag vermieden werden, der zur Beschädigung, bzw. zur Zerstörung der hydraulischen Zylinder führen würde.

4. Nach dem Aufhören der dynamischen überlastung stellen sich die Druckverhältnisse in dem Druckraum des hydraulischen Zylinders durch die Ausdehnung des Gasraums auf elastische Weise zurück.

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5. Die elastische Konvergenz des hydraulischen Zylinders hängt nicht von der eingeschobenen Oder ausgezogenen Stellung des Grubenstempels ab.

6. Der Querschnitt des Gasraumes entspricht nahezu jenem des Innenzylinders, so daß die druckausgleichende und energieabsorbierende Fähigkeit auch bei einer plötzlichen, schnellen, schlagartigen Belastung dank der kombinierten Funktion ungestört und ohne Beschränkung wirksam ist.

' 7. Durch die entsprechende Wahl des Füllstoffes des Gasraumes können die Umstände der Energieabsorption und des Belastungsanstiegs geregelt werden.

8. Der hydraulische Zylinder weist einen einfachen Aufbau auf und vom Standpunkt der Arbeitsssicherheit und Betriebsführung ist seine Anwendung günstig.

Zusammenfassung

Claims (10)

-2- lsprüche

1. Hydraulischer Zylinder mit* einem Außenzylinder und wenigstens einem darin angeordneten Innenzylinder, mit einem Ventilsystem und eventuell mit einem oder mehreren Gebirgsschlag- und/oder Sicherheitsventilen, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem AuBenzylinder (11) und dem Innenzylinder (12) ein hydraulischer Druckraum (13) ausgebildet ist, daß mit dem hydraulischen Druckraum (13) ein Gasraum (14) verbunden ist und daß in dem hydraulischen Druckraum (13) ein in.den Innenzylinder (12) einpassender Hohlansatz (17) angeordnet ist.

2. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum (14) in dem Innenzylinder

(12) und/oder in dem Hohlansatz (17) ausgebildet ist und daß der Gasraum (14) und der hydraulische Druckraum

(13) mittels eines Kolbens (15) voneinander getrennt sind.

3. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum (14) außerhalb des Auöenzylinders (11) angeordnet ist.

4. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Hohlansatzes (17) und/oder der sich anpassende Hohlraum des Innenzylinders (12) mit einem bestimmten Spiel mit einer oder mehreren Durchmesserstuf ungen ausgebildet sind.

5. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsspiel in Richtung der Verschiebung abnimmt.

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6. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum (14) aus einer Membran (18) und aus einem zwischen der Membran (18), dem Kolben (15) und dem Innenzylinder (12) bzw. der Innenwand des Hohlansatzes (17) im Bedarfsfall angeordneten Flüssigkeitspolster (19) ausgebildet ist.

7. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Innenzylinder (12), gegebenenfalls zwischen der Membran (18) und dem Innenzylinder (12) bzw. in dem Hohlansatz (17) ein Mantel (22) angeordnet ist. . ^

8. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (18) als Rohrmembran ausgebildet ist.

9. Hydraulischer Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Mantel und/oder an der Stirnfläche des Kolbens (15) eine Dichtung angeordnet ist.

10. Hydraulischer Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung des Gasraumes (14) zweckmäßig Edelgas ist mit einem adiabatischen Exponenten, der größer als 1,4 ist.

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