Sicherheitsventil für druckmittelbetriebene Vorrichtungen
Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil für druckmittelbetriebene Vorrichtungen, insbesondere von Bremsen oder Kupplungen mit einer zur druckmit telbetriebenen Vorrichtung führenden Anschlussöffnung und einer Rücklauföffnung, ferner mit zwei getrennten, parallel geschalteten, in einer Achse angeordneten Drei-Wege-Schaltventilen, durch welche die Zuund Abfuhr des Druckmittels steuerbar ist und die durch z. B. elektromagnetisch auslösbare Vorsteuerventile betätigbar sind, ferner mit einer Druckwaage zum Abschalten der druckmittelbetriebenen Vorrichtung bei Störungen oder Fehlschaltungen eines der Schaltventile oder der Vorsteuerventile.
Es sind Sicherheitsventile für Pressensteuerungen bekannt, bei denen die Arbeitskolben in einer Achse angeordnet und aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Die Arbeitskolben sind mit Verschluss Stücken versehen, welche Längs- und Querbohrungen aufweisen, durch die das Druckmittel nach mehrfacher Umlenkung der Bewegungsrichtung dem Verbraucher zugeführt wird. Wird dieses bekannte Sicherheitsventil von der Arbeitsstellung in die Nullstellung zurückgeschaltet, so strömt das Druckmittel vom Verbraucher durch das Ventil hindurch zurück, wobei ebenfalls die Strömungsrichtung mehrmals umgelenkt wird.
Infolge der mehrmaligen Umlenkung der Strö mungsrichtung des Druckmittels treten beim Schalten, d. h. bei der Beaufschlagung der Presse wie auch bei der Entleerung, Verzögerungen auf.
Von der Industrie wird nun in zunehmendem Masse die Forderung nach immer höheren Hubzahlen gestellt, was kürzere Schaltzeiten, bzw. kürzere Füllund Enleerungszeiten bedingt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitsventil zu schaffen, das kürzere Schaltzeiten bzw. kürzere Füll- und Entleerungszeiten ermöglicht als die bisher bekannten Ventile, und durch das ferner die druckmittelbetätigte Vorrichtung bei Störungen oder Fehlschaltungen zuverlässig stillgesetzt werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Sicherheitsventil zwischen der zur Vorrichtung führenden Anschlussöffnung und der Rücklauföffnung einen mindestens annähernd geradlinig ausgebildeten Durchgangskanal aufweist, der durch die Arbeitskolben der beiden Schaltventile zur Rücklauföffnung hin verschliessbar ist.
Der geradlinige Durchgang zwischen Rücklauf- und Zylinderanschluss d. h. dem Anschluss des Arbeitszy- linders der druckmittelbetriebenen Vorrichtung, gewährleistet schnelle Füll- und Entleerungszeiten, da die Strömungsrichtung des Druckmediums nicht umgelenkt wird und die Strömungswiderstände auf diese Weise sehr klein gehalten werden können.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform können die inneren aufeinander zu gerichteten Enden der Arbeitskolben sowie die ihnen zugeordneten Ventilsitze kegelförmig ausgebildet sein, wobei zweckmässigerweise in jedem der beiden Ventilsitze ein zur Rücklauf öffnung führender Schlitz vorgesehen ist, die von den beiden Arbeitskolben verschliessbar sind.
Die Arbeitskolben können vorteilhafterweise in Längsrichtung durchbohrt ausgebildet sein, um das Druckmittel zuzuführen, wobei zwischen ihnen eine Druckfeder angeordnet sein kann, die sie auseinanderzudrücken sucht. Sie können ferner mit Rückschlagventilen versehen sein, um bei geringem Druckaufbau die Kolben zu schliessen, ehe das Druckmittel zum Verbraucher abströmen kann.
Bei grösserem Füllvolumen kann es zweckmässig sein, ein Durchgangsventil mit grösserem Querschnitt zu verwenden, das durch einen Hilfskolben steuerbar ist.
Gemäss einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird die Druckwaage, die in Form eines in einem Zylinder beweglichen Doppelkolbens ausgebildet sein kann, sowohl direkt an die von den Vorsteuerventilen zu den Schaltventilen führenden Speiseleitungen als auch an die verbraucherseitigen Räume vor den Arbeitskolben angeschlossen.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Druckwaage sowohl betätigt wird, wenn eines der Vorsteuerventile ausfällt als auch dann, wenn einer der Arbeitskolben in der Nullstellung oder in der Schaltstellung blockiert.
Die Verbindungskanäle von der Druckwaage zu den Räumen vor den Arbeitskolben können hierbei durch die letzteren schliessbar sein. Es ist ferner von Vorteil, wenn in die Verbindungskanäle von der Druckwaage zu den Vorsteuerventilen Rückschlagventile eingebaut werden, um eine Entlastung der Druckwaage über die Vorsteuerventile zu verhindern, wenn beispielsweise einer der Arbeitskolben in der Schaltstellung blockiert um dadurch eine Betätigung der Druckwaage herbeizuführen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der
Fig. 1 einen Schnitt durch einer erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Sicherheitsventils in Nullstellung zeigt;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1;
Fig. 3 zeigt das Ventil nach Fig. 1 in Schaltstellung;
Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV von Fig. 3;
Fig. 5 zeigt das Ventil nach Fig. 1 bei einer Fehlschaltung;
Fig. 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie VI-VI von Fig. 5;
Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des Sicherheitsventiles in Null- bzw. in Schaltstellung.
Das vorgeschlagene Sicherheitsventil 10 besteht aus einem Gehäuse 12, in welchem zwei Arbeitskolben 14 und 16 in Bohrungen 15 und 17 beweglich angeordnet sind. Die beiden Kolben liegen in einer Achse und sind aufeinanderzu und voneinander weg bewegbar. Die einander zugewandten Stirnseiten 18 und 20 der beiden Kolben sind ebenso wie die ihnen zugeordneten Ventilsitze 22 und 24 kegelförmig ausgebildet, wobei die Bohrungen 15 und 17 durch eine Zwischenbohrung 25 miteinander in Verbindung stehen.
Die Kolben 14 und 16 sind durch nicht näher bezeichnete Dichtungen gegen die Bohrungen 15 und 17 abgedichtet. Jeder der Kolben ist mit einer in seiner Längsrichtung verlaufenden zentralen durchgehenden Bohrung 26 bzw. 28 (Fig. 2) versehen, durch welche das Druckmittel zugeleitet wird. In den beiden miteinander fluchtenden Bohrungen 26, 28 ist eine Druckfeder 30 angeordnet, deren beide Enden sich an Schultern 32 bzw. 34 abstützen, die in den Bohrungen 26 und 28 vorgesehen sind. Die Druckfeder 30 sucht die beiden Arbeitskolben 14 und 16 auseinanderzudrükken. In jeder der Bohrungen 26 bzw. 28 ist ferner ein Rückschlagventil 36 bzw. 38 eingebaut, auf dessen Zweck noch eingegangen wird.
Das vorgeschlagene Ventil ist, wie in Fig. 2 dargestellt, mit einer Anschlussöffnung 40 versehen, die zum Verbraucher, z. B. dem Arbeitszylinder der Kupplung oder Bremse einer Presse führt. Das Ventil besitzt ferner einer Rücklauföffnung 42, durch welche das Druckmedium drucklos abströmen kann.
Die beiden Öffnungen 40 und 42 sind über einen geradlinigen oder mindestens annähernd geradlinigen Durchgangskanal 44 miteinander verbunden.
Der Durchgangskanal 44 besteht aus zwei Teilen 45 und 47, von denen der Teil 45 zum Verbraucher und der Teil 47 zum Rücklauf führen. Der Teil 45 des Kanales steht über eine einzige Öffnung 46 mit dem zentralen Raum 49 in Verbindung, aus welchem das durch die Bohrungen 26 und 28 zugeführte Druckmittel durch den Teil 45 des Kanales 44 zum Verbraucher oder durch den Teil 47 des Kanales 44 zum Rücklauf abströmen kann. Der Teil 47 des Kanales steht mit diesem zentralen Raum 49 über zwei Schlitze 48 und 50 in Verbindung, die durch einen Steg 52 getrennt sind (Fig. 2).
Die zur Rücklauföffnung 42 führenden Schlitze 48 und 50 öffnen sich, wie insbesondere aus Fig.4 ersichtlich ist, in die Ventilsitze 22 und 24 der Schaltventile 76 und 78, die durch die Arbeitskolben und ihre Ventilsitze gebildet werden.
Die Schaltventile 76 und 78, d. h. ihre Arbeitskammern 77 und 79 stehen über Kanäle 72 und 74 mit Vorsteuerventilen 54 und 76 in Verbindung, welche Ventilsitze 58, 68 bzw. 60, 70 aufweisen. Die Ventilsitze 58 und 60 der beiden Vorsteuerventile sind über Zulaufkanäle 62, 64 und 66 an eine nicht gezeigte Einrichtung zur Lieferung des Druckmittels angeschlossen.
Die Ventilsitze 68 und 70 der Vorsteuerventile dienen zur Entlüftung. Die beiden Vorsteuerventile werden z. B. elektromagnetisch gesteuert, wobei das Vorsteuerventil 56 dem Schaltventil 78 und das Vorsteuerventil 54 dem Schaltventil 76 zugeordnet ist.
Das Sicherheitsventil 10 ist, wie insbesondere die Fig. 1, 3 und 5 zeigen, mit einer Sicherheitseinrichtung in der Art einer sogenannten Druckwaage 80 ausgerüstet, die aus einem Doppelkolben 82 besteht, der in einem Zylinder 83 beweglich ist. Zylinder und Doppelkolben sind beide im Gehäuse 12 angeordnet. Die beiden Stirnflächen 84 und 86 des Doppelkolbens sind entsprechend durch Druckfedern 88 und 90 beaufschlagt. Die Arbeitsräume 85 und 87 (Fig.3) der Druckwaage sind über Kanäle 92 und 94 direkt an die Kanäle oder Speiseleitungen 72 und 74 angeschlossen, die von den Vorsteuerventilen zu den Schaltventilen führen, sowie ausserdem über Kanäle 96 und 98 an die Räume 97 und 99 vor den Arbeitskolben 14 und 16 (Fig. 1). Die Kanäle 96 und 98 öffnen sich, wie z. B.
die Fig. 1 und 3 zeigen, in die Ventilsitze 22 und 24 der Schaltventile.
In die Kanäle 92 und 94 sind, worauf noch eingegangen wird, Rückschlagventile 100 bzw. 102 sowie Drosselstellen 103 bzw. 105 eingebaut. Der Doppelkolben 82 ist ferner mit Schrägflächen 104 und 106 versehen, durch welche ein als Ganzes mit 110 bezeichneter elektrischer Schalter betätigbar ist.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des beschriebenen Ventiles näher erläutert.
In der Stellung nach Fig. 1 sind die beiden Vorsteuerventile 54 und 56 geschlossen, d. h. der Zulauf des Druckmittels ist an den beiden Ventilsitzen 58 und 60 unterbrochen. Weder die Schaltventile 76 und 78 noch die Druckwaage 80 werden in dieser Stellung (Fig. 1 und 2) beaufschlagt. Der Doppelkolben 82 befindet sich in Mittellage, in welche er durch die beiden Federn 88 und 90 eingestellt wird. Der Schalter 110 wird nicht betätigt. Die Arbeitskolben 14 und 16 befinden sich in zurückgezogener Stellung, so dass der Verbraucher mit dem Rücklauf verbunden ist.
Werden nun die beiden Vorsteuerventile 54 und 56 geschaltet, so nehmen sie die in Fig. 3 gezeigte Stellung ein, d. h. die Entlüftungsöffnungen 68 und 70 werden geschlossen und die Ventildurchgänge 58 und 60 geöffnet. Das Druckmittel strömt dann durch die Kanäle 64 und 66, die Durchgänge 58 und 60 und dann durch die Kanäle 72 und 74 in die Arbeitskammern 77 und 79 der Schaltventile 76 und 78. Die äusseren Stirnflächen der Arbeitskolben 14 und 16 werden durch das Druckmittel beaufschlagt, worauf sich die Kolben nach innen aufeinander zu bewegen. Die Rückschlagventile 36 und 38, die in den Bohrungen 28 und 26 der Kolben angeordnet sind, sollen zunächst einen Druckaufbau in den Arbeitskammern 77 und 79 ermöglichen, ehe das Druckmittel zum Verbraucher abströmen kann, d. h.
die Kolben 14 und 16 sollen sich bei geringem Druckaufbau schliessen, ehe der Durchgang für das Druckmittel durch die Rückschlagventile freigegeben wird.
Die Arbeitskolben bewegen sich nun aufeinander zu bis sie auf den Ventilsitzen 22 und 24 aufsitzen, wobei sie die zur Rücklauföffnung 42 führenden Schlitze 48 und 50 schliessen, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Das Druckmittel fliesst nun durch die Bohrungen in den Arbeitskolben hindurch zu dem zentralen Raum 49 (Fig. 3) und von diesem durch die Öffnung 46 in den zum Verbraucher führenden Teil 45 des Durchgangkanales 44.
Die Stirnflächen 84 und 86 der Druckwaage 80 werden beide gleichmässig durch das Druckmittel beaufschlagt, das durch die Leitungen 92 und 94 zuströmt. Die Leitungen 96 und 98, die sich in die Ventilsitze öffnen, sind durch die Arbeitskolben 14 und 16 geschlossen. Die Druckwaage bleibt in ihrer Mittelstellung, so dass der Schalter 110 nicht betätigt wird.
In den Fig. 5 und 6 ist eine Fehlschaltung dargestellt. Beim Einschalten der Vorsteuerventile 54 und 56 hat nur das Ventil 54 geöffnet, während das Ventil 56 z. B. infolge eines Ausfalles der Magnetspule o. dgl.
in der Nullstellung geblieben ist. Der Arbeitskolben 14 wird belastet und bewegt sich auf seinen Ventilsitz zu, während der Arbeitskolben 16 in seiner Nullstellung bleibt. Der Schlitz 50 wird durch den Kolben 14 geschlossen, während der Schlitz 48 geöffnet bleibt. Das Druckmittel strömt daher vom Zulauf durch den geschlossenen Arbeitskolben 14 und durch den offenen Schlitz 48 direkt zum Rücklauf. Das Querschnittsverhältnis zwischen der Vorsteuerung und der Bohrung des Arbeitskolbens beträgt z. B. 1:10, so dass im Inneren des Ventiles nur ein geringer Staudruck verbleibt, der weit unter dem Ansprechdruck des Verbrauchers, d. h. z. B. der Kupplung oder der Bremse einer Presse liegt. Der Verbraucher wird daher durch das Druckmittel nicht beaufschlagt.
Infolge des einseitigen Druckaufbaus im Arbeitsraum 85 der Druckwaage, dem im Arbeitsraum 87 kein äquivalenter Druckaufbau gegenübersteht, da das Vorsteuerventil 56 nicht geschaltet hat, bewegt sich der Doppelkolben in Fig. 5 nach links, wobei durch die Schrägfläche 106 der elektrische Schalter 110 z. B.
über einen Stift 107 betätigt wird. Der Schalter 110 schaltet seinerseits den Hauptschalter der Presse ab, wodurch diese stillgesetzt wird.
Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Stellung der Schaltventile und der Druckwaage ergibt sich auch dann, wenn z. B. beide Vorsteuerventile 54 und 56 richtig schalten, der Arbeitskolben 16 jedoch in Nullstellung blockiert.
Das Druckmittel strömt hierbei durch beide Arbeitskolben hindurch, aber wiederum durch den offenen Schlitz 48 zum Rücklauf ab. Das Druckmittel strömt ferner sowohl durch den Kanal 92 wie auch durch den Kanal 94 in Richtung zur Druckwaage.
Während nun aber der Kanal 96 durch den Arbeitskolben 14 geschlossen ist, so dass sich im Arbeitsraum 85 der Druckwaage ein Druck aufbauen kann, ist der Kanal 98 geöffnet, da der Arbeitskolben 16 sich nicht nach vorn bewegt hat. Das durch den Kanal 94 von der Vorsteuerung her zuströmende Druckmedium kann daher durch den Kanal 98 in den Raum 97 vor dem Arbeitskolben 16 und ebenfalls durch den Schlitz 48 abströmen. Im Arbeitsraum 87 der Druckwaage kann sich daher kein Druck aufbauen, so dass auch in diesem Fall der Doppelkolben 82 sich nach links bewegt und den Schalter 110 betätigt.
Dieselbe Situation entsteht, wenn die Vorsteuerventile aus der in Fig. 3 gezeigten Stellung in die Nullstellung geschaltet werden, der Kolben 14 aber in Schaltstellung blockiert. Der Kolben 16 geht dann in die Nullstellung zurück, da die beiden Kolben durch die Feder 30 auseinandergedrückt werden, wobei er sowohl den Schlitz 48, der zum Rücklauf führt, wie auch die Öffnung des Kanals 98, der zur Druckwaage führt, freigibt. Der Verbraucher wird entlüftet, da der Durchgang 44 zur Rücklauföffnung 42 freigegeben ist.
Ebenso wird der Arbeitsraum 87 der Druckwaage entlüftet, dass das Druckmittel durch den Kanal 98 abströmt. Aus dem Arbeitsraum 85 der Druckwaage kann das Druckmittel dagegen nicht abfliessen, da das Rückschlagventil 100 eine Entlüftung über die Vorsteuerung verhindert und der Kanal 96 durch den in seiner Schaltstellung blockierten Arbeitskolben geschlossen ist. Die Stirnfläche 84 des Doppelkolbens 82 bleibt daher durch das Druckmittel belastet, während die Stirnfläche 86 entlastet wird.Infolge der Druckdifferenz bewegt sich der Doppelkolben aus seiner in Fig. 3 gezeigten Mittelstellung nach links, wobei wiederum der Schalter 110 betätigt wird.
In die Kanäle 92 und 94 können Drosselstellen 103 und 105 eingebaut sein, um kleinere Bewegungsund Schalttoleranzen der Ventile auszugleichen, und einen gleichmässigen Druckaufbau in der Druckwaage zu erreichen. Aus dem gleichen Grunde kann auch der Doppelkolben 82 mit einer seine beiden Stirnseiten verbindenden Drosselstelle versehen sein.
In den Fig. 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform des Sicherheitsventils dargestellt.
Bei grösseren Füllvolumen reicht der Querschnitt der Vorsteuerung zum Beaufschlagen der Bremse oder der Kupplung des Verbrauchers nicht mehr aus, weshalb ein im Gehäuse 12 untergebrachtes Durchgangsventil 120 mit entsprechend grösserem Querschnitt verwendet wird, das von einem Hilfskolben 124 betätigt wird. Das Durchgangsventil 120 ist über einen Kanal 122 direkt an den Zulauf 62 angeschlossen. Der Hilfskolben 124 ist durch eine Kolbenstange 125 mit dem Durchgangsventil gekoppelt und er wird von einem der Vorsteuerventile, im dargestellten Fall vom Ventil 54, über einen Kanal 126 gesteuert. In geöffneter Stellung des Durchgangsventils (Fig. 8) strömt das Druckmittel aus der Zulaufleitung 62 durch den Ven tilsitz 128 und einen Verbindungskanal 130 direkt in den zum Verbraucher führenden Teil 45 des Kanals 44 (Fig. 2).
Die Arbeitskolben sind bei dieser Ausfüh rungsform nicht durchgebohrt, sondern nur jeweils mit einer Sackbohrung versehen, in denen die Feder 30 angeordnet ist, um die Kolben auseinanderzudrücken.
Fällt das Durchgangsventil 120 aus, d. h. bleibt es z. B. in seiner in Fig. 7 gezeigten geschlossenen Stellung, so wird der Verbraucher nicht beaufschlagt.
Bleibt es dagegen, wenn die beiden Vorsteuerventile in Nullstellung zurückgeschaltet werden, in der geöffneten Stellung (Fig. 8), etwa weil der Kolben 124 blockiert, so strömt das zugeführte Druckmittel durch die von den Kolben 14 und 16 freigegebenen Schlitze 48 und 50 ab. Eine Doppelanordnung ist daher für das Durchgangsventil nicht erforderlich.
Die Druckfeder 30, durch welche das Druckmittel aus den Füllräumen der Arbeitskolben über die Entlüftung der Vorsteuerung ausgestossen wird, kann so ausgelegt werden, dass sie eine Schliessung der Arbeitskolben erst bei einem vorgegebenen Druck, z. B. bei mehr als 3 kp je cm2 zulässt. Hierdurch wird ein besonderes Überwachungselement, z. B. ein Druckschalter für den Druck des Arbeitsmediums gespart.
Es kann ferner eine weitere Druckwaage angebaut werden, mit der andere Steuerglieder geschaltet werden können.
Schliesslich ist es vorteilhaft, die Arbeitskolben aus Kunststoff auszuführen, um ihre Masse klein zu halten, wodurch die Beschleunigungs- und damit die Schaltzeiten weiter reduziert werden können.