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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Spülung eines hydraulischen Ventils, umfassend einen Ventilkörper, wenigstens zwei Hauptanschlüsse, wenigstens ein Hauptschließglied zur Steuerung eines Hauptvolumenstroms und wenigstens ein Steuerschließglied zur Vorsteuerung, wobei das wenigstens eine Hauptschließglied durch den Druck eines Steuerfluids in einem Vorsteuerraum angesteuert wird, wobei der Volumenstrom des Steuerfluids von wenigstens einem Hauptanschluss, der als Zulauf betrieben wird, in einem Steuerabzweig entnommen wird und wobei in dem Zulauf des Steuerfluids zu dem Vorsteuerraum wenigstens ein Sieb angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein hydraulisches Sitzventil, umfassend einen Ventilkörper, wenigstens ein Hauptschließglied und wenigstens ein mit einer Verstelleinrichtung zur Steuerkraftübertragung verbundenes Steuerschließglied zur hydraulischen Vorsteuerung.
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Zum Schließen vorgesteuerter Sitzventile in einem Hydrauliksystem muss Öl über Blenden in dem oder den Hauptkolben vom Hauptanschluss in den Vorsteuerraum fließen. Wenn eine Blende verstopft, kann kein Volumenstrom in den Vorsteuerraum gelangen, die Hauptschieber schließen nicht mehr und können bei Proportionalventilen sogar weiter öffnen. Das Risiko kann durch Siebe verringert, aber nicht ausgeschlossen werden. Das Problem betrifft alle intern vorgesteuerten Sitzventile.
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Hydraulisch vorgesteuerte Ventile können somit durch Kontamination mit Schmutzpartikeln oder thermische Schockwirkung am vollständigen Schließen gehindert werden bzw. verklemmen. Damit ist es nicht mehr möglich, einen hydraulischen Volumenstrom sicher zu stoppen, was zu gefahrbringenden Zuständen an der Maschine führen kann; insbesondere, wenn sich Personen im Gefahrenbereich der Maschine befinden. Ausfallmechanismen sind einerseits Fremdkörper oder Beschädigungen zwischen bzw. an den Dichtflächen des Hauptschiebers, welche zu unvollständigem Schließen oder mangelhafter Abdichtung führen. Andererseits können Verschmutzungen des Blendensystems für die hydraulische Vorsteuerung des Hauptschiebers das Schließen desselben gänzlich verhindern. In einigen Anwendungen, z. B. beim Halten schwebender Lasten, sind Sitzventile vorteilhaft, da sie im Gegensatz zu leckagebehafteten Schieberventilen eine nahezu ideale Abdichtung gewährleisten. Somit wird ein ungewolltes Absacken der Last vermieden. In vielen sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie beispielsweise Masten von Autobetonpumpen, Kränen oder Hubarbeitsbühnen, wird ein Performance Level PL=d oder PL=e gefordert. Dieser ist nur durch sicheres Schließen mittels eines zweiten Abschaltpfads erreichbar.
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Eine Steigerung der funktionalen Sicherheit lässt sich durch Reihenschaltung von zwei Ventilen realisieren. Schließt eines von beiden nicht komplett, so wird der Volumenstrom immer noch durch das zweite Ventil gestoppt. Die Reihenschaltung zweier Ventile benötigt allerdings mehr Bauraum und Material als ein Einzelventil, zumal mit zwei Ventilen auch zwei Magnetsysteme, Kabel und elektrische Ansteuerkanäle erforderlich sind. Zudem ist nicht ausgeschlossen, dass beide Ventile durch Kontamination der Vorsteuerblenden am sicheren Schließen gehindert werden. Dies wäre ein Fehler gemeinsamer Ursache, für dessen Vermeidung es bisher keine befriedigende Lösung gibt.
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Siebe an den Hauptanschlüssen der Ventile wären eine denkbare Lösung, wobei Schmutz dann im Strömungspfad zwischen mehreren Ventilen gefangen bleibt und zudem die Siebe den großen Strömungskräften des Hauptvolumenstroms ausgesetzt wären, vor allem mit zunehmender Verunreinigung. Daher wäre von keiner langen Lebendauer auszugehen. Darüber hinaus erzeugen Siebe im Hauptvolumenstrom zusätzlichen Druckabfall, welcher unter energetischem Aspekt nachteilig ist.
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Aus den Druckschriften
DE 10 2005 020 419 A1 und
DE 102 07 463 A1 sind bereits ein Sitzschieber bzw. ein Gasventil mit zwei konzentrischen Tellern bekannt, die eine Redundanz aufweisen. Die Schieber sind koaxial auf einem Führungsstab angeordnet. Ein Schieber wird über einen externen Stößel bedient, ein anderer Schieber über einen internen Elektromagneten. Die Betätigung erfolgt teils vorgesteuert über einen gemeinsamen Aktor. Aus der Druckschrift
EP 2 976 558 B1 ist darüber hinaus ein sitzreinigungsfähiges Doppelsitzventil mit einer gemeinsamen mechanischen Betätigung bekannt. Falls ein Sitz verklemmt, schließt noch der andere. Es sind Reinigungsmodi vorgesehen, in denen Gas einen einzelnen, knapp geöffneten Sitz zu einem dritten Anschluss hin durchströmt. Die bekannten Lösungen sind nur gegen Undichtigkeiten und kleine Fremdkörper geschützt, ermöglichen jedoch in keinem Fall eine entkoppelte Bewegung beider Schieber.
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Die Druckschrift
DE 103 23 595 A1 zeigt ein hydraulisches Vorsteuerprinzip der Kraftrückführung, jedoch nur mit einem einzelnen Hauptkolben.
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Es sind hydraulische und pneumatische Ventile mit zwei koaxial geführten Schiebern, die bereits eine Redundanz ermöglichen, bekannt, jedoch ohne unabhängige Bewegung beider Hauptschieber über deren gesamten Verfahrbereich und ohne die Möglichkeit einer gemeinsamen Ansteuerung über einen einzelnen Antrieb, z. B. einen Proportionalmagnet.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das proportionale Steuern und sichere Stoppen eines hydraulischen Volumenstroms unter Einwirkung von unerwünschten, aber nicht vollständig vermeidbaren Schmutzpartikeln im Fluid auf das Ventil zu erreichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Spülung eines hydraulischen Ventils. Das hydraulische Ventil umfasst einen Ventilkörper, wenigstens zwei Hauptanschlüsse, wenigstens ein Hauptschließglied zur Steuerung eines Hauptvolumenstroms und wenigstens ein Steuerschließglied zur Vorsteuerung. Das wenigstens eine Hauptschließglied wird durch den Druck eines Steuerfluids in einem Vorsteuerraum angesteuert, wobei der Volumenstrom des Steuerfluids von wenigstens einem Hauptanschluss, der als Zulauf betrieben wird, in einem Steuerabzweig entnommen wird. In dem Zulauf des Steuerfluids zu dem Vorsteuerraum ist wenigstens ein Sieb angeordnet.
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Nach der Erfindung weist jeder der Hauptanschlüsse jeweils einen der Steuerabzweige auf und ist für einen wechselweisen Betrieb als Zulauf oder als Ablauf vorgesehen. Das Ventil ist für eine Durchströmung hinsichtlich des Hauptvolumenstroms in wenigstens zwei Richtungen vorgesehen. Der Volumenstrom des Steuerfluids wird zumindest zeitweise und/oder zumindest als ein Spülvolumenstrom über den dem Ablauf nächstliegenden Steuerabzweig dem Ablauf zugeleitet. Dabei wird das nächstliegende Sieb von dem Steuervolumenstrom entgegen dem Zulauf zu dem Vorsteuerraum durchströmt und dadurch gereinigt. Damit wird das für die Vorsteuerung gerade nicht benötigte Sieb in entgegengesetzter Richtung zum Ablauf-Hauptanschluss hin betrieben, was bei einem Wechsel der Durchströmungsrichtung des Ventils geschieht und wobei die Siebe wechselweise gereinigt werden. Sie werden dadurch automatisch, durch ein Selbstreinigungssystem, gereinigt; dies geschieht ohne weitere Maßnahmen und im laufenden Betrieb.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Spülvolumenstrom über ein steuerbares Spülschließglied abgezweigt. Die Größenordnung des Spülvolumenstroms ist auslegungsabhängig, vorzugsweise ca. 1 % vom Volumenstrom des Hauptstrompfads bei Vollöffnung. Bei Ausführung des Ventils als Proportionalventil setzt der Spülstrom proportional zum Ansteuersignal ein, bevor mit zunehmendem Ansteuersignal der Hauptvolumenstrom ebenfalls proportional einsetzt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein hydraulisches Sitzventil, umfassend einen Ventilkörper, wenigstens ein Hauptschließglied und wenigstens ein mit einer Verstelleinrichtung zur Steuerkraftübertragung verbundenes Steuerschließglied zur hydraulischen Vorsteuerung. Nach der Erfindung sind in dem Ventilkörper wenigstens zwei mittels der hydraulischen Vorsteuerung angesteuerte Hauptschließglieder in Reihenschaltung, ein erstes Hauptschließglied und ein zweites Hauptschließglied, angeordnet, wobei beide Hauptschließglieder über ihren gesamten Verfahrbereich zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung unabhängig voneinander bewegbar sind.
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Es hat sich zur einfachen Herstellung, Erhöhung der Funktionssicherheit und der Einsparung von Bauraum als günstig erwiesen, wenn das erste und das zweite Hauptschließglied koaxial ineinander angeordnet und axial bewegbar sind. Das Sitzventil kann ausgeführt sein als ein Proportionalventil oder als ein Schaltventil. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das erfindungsgemäße Sitzventil eine Anordnung zur Spülung eines hydraulischen Ventils, wie sie zuvor beschrieben wurde, umfasst.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Sitzventil einen Außenhauptschieber, einen Innenhauptschieber und einen Spülschieber. Der Außenhauptschieber umfasst seinerseits eine untere erste Außenhauptschieberkolbenfläche, eine untere zweite Außenhauptschieberkolbenfläche und eine obere Außenhauptschieberkolbenfläche. Der Innenhauptschieber umfasst eine untere erste Innenhauptschieberkolbenfläche, eine untere zweite Innenhauptschieberkolbenfläche und eine obere Innenhauptschieberkolbenfläche. Der Spülschieber umfasst eine untere erste Spülschieberkolbenfläche, eine untere zweite Spülschieberkolbenfläche und eine obere Spülschieberkolbenfläche. Die vorgenannten Flächen stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander, um die erfindungsgemäße Funktion einschließlich der Vorsteuerung zu ermöglichen. Die Flächenverhältnisse rufen in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen an den Hauptanschlüssen in Bezug zum Vorsteuerdruck im Vorsteuerraum die für die Funktion wesentlichen Bewegungen der Schließelemente hervor. Im Einzelnen sind nach der Erfindung die folgenden Flächenverhältnisse vorgesehen:
- a. untere erste Außenhauptschieberkolbenfläche ist gleich x Mal die untere zweite Außenhauptschieberkolbenfläche,
- b. untere erste Außenhauptschieberkolbenfläche und die untere zweite Außenhauptschieberkolbenfläche sind zusammen gleich der oberen Außenhauptschieberkolbenfläche,
- c. die untere zweite Innenhauptschieberkolbenfläche ist gleich x Mal der unteren erste Innenhauptschieberkolbenfläche,
- d. die untere zweite Innenhauptschieberkolbenfläche und die untere erste Innenhauptschieberkolbenfläche sind zusammen gleich der oberen Innenhauptschieberkolbenfläche,
- e. die untere erste Spülschieberkolbenfläche ist gleich der unteren zweiten Spülschieberkolbenfläche,
- f. die untere erste Spülschieberkolbenfläche und die untere zweite Spülschieberkolbenfläche sind zusammen gleich der oberen Spülschieberkolbenfläche.
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Das bevorzugte Sitzventil weist Flächenverhältnisse auf, bei denen x gleich 2 ist.
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Das Sitzventil in seiner bevorzugten Ausgestaltung weist folgenden Funktionsablauf auf. Die Magnetkraft des Proportionalmagneten drückt den Vorsteuerschieber hinunter, zu den Hauptschiebern hin, nach und nach bis in den Anschlag und entgegen der Kraftwirkung der Koppelfeder. Dadurch öffnet sich die Steuerkante des Vorsteuerschiebers und es fließt Vorsteueröl über den Steuerablauf ab. Der Vorsteuerdruck in dem Vorsteuerraum sinkt in der Folge.
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Durch den geringeren Vorsteuerdruck beginnen sukzessive die Bewegungen der Hauptschieber. Der erste Hauptschieber hebt sich und staucht damit die Koppelfeder. Diese drückt auf den Vorsteuerschieber gegen den Proportionalmagnet und drückt den Vorsteuerschieber wieder zurück in eine mittlere Gleichgewichtslage.
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Die Position des ersten Hauptschiebers ist nun von der Magnetkraft abhängig: Je mehr Magnetkraft durch den Proportionalmagnet aufgebracht wird, desto mehr Federstauchung ist für das Gleichgewicht des Vorsteuerschiebers nötig und umso weiter hebt sich der erste Hauptschieber bis zum Gleichgewicht. Dabei bleibt der Vorsteuerdruck etwa konstant.
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Wenn der erste Hauptschieber den oberen Anschlag seiner Offenstellung erreicht hat, dann erst fällt der Vorsteuerdruck weiter ab, weil sich die Kräftebilanz am Hauptschieber durch den Anschlag ändert. Bisher wurde der Vorsteuerdruck durch die Flächenverhältnisse am schwebenden Hauptschieber bestimmt. Mit dem am Anschlag angekommenen Hauptschieber ist das Flächenverhältnis am Spülschieber entscheidend.
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Der Spülschieber öffnet erst bei einem kleineren Vorsteuerdruck. Bis dieser erreicht ist, drückt der Magnet den Vorsteuerschieber aus dem vormaligen Gleichgewicht weiter hinunter in Richtung der Hauptschieber, sodass mehr Vorsteueröl abfließt und der Vorsteuerdruck fällt. Dies geschieht, weil der Spülschieber noch nicht öffnet und daher keine weitere Federstauchung stattfindet, die den Vorsteuerschieber gegen den Magnet in die Gleichgewichtslage zurückdrücken würde.
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Der fallende Vorsteuerdruck ermöglicht das Öffnen des nächsten Schiebers, des Spülschiebers. Der proportionale Öffnungsvorgang wiederholt sich dann mit dem Spülschieber und zuletzt mit dem zweiten Hauptschieber, nachdem der Spülschieber seinen oberen Anschlag im ersten Hauptschieber erreicht hat.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens ein Prüfkanal so zwischen den Hauptanschlüssen angeordnet, dass er in Schließstellung des Sitzventils einen Indikatorvolumenstrom hervorruft, wenn eines der Hauptschließglieder, nämlich der mit dem niedrigeren Anschlussdruck verbundene Hauptschieber, unvollständig schließt. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die wenigstens eine Verstelleinrichtung als ein elektrisch steuerbarer Proportionalmagnet ausgebildet ist.
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Nach einer alternativen Ausführungsform ist das Steuerschließglied redundant ausgeführt und umfasst zwei separate Schließglieder in Reihenschaltung. Diese sind bevorzugt ebenfalls, vergleichbar mit den Hauptschließgliedern, koaxial beweglich angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ein mithilfe eines Magnets proportional steuerbares hydraulisches Sitzventil, welches durch die vorliegende Erfindung nicht durch Kontamination oder Fremdkörper zum Ausfall gebracht werden kann. Eine Störung durch mangelndes sicheres Schließen kann verhindert werden. Das Ventil ist beidseitig, d. h. in beiden Hauptströmungsrichtungen, sitzdicht.
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Das Ventil ist proportional steuerbar. Der proportional nutzbare Bereich kann bei entsprechender Auslegung vergrößert werden. Eine wesentliche Vergrößerung des proportionalen Bereichs ist möglich über eine Verringerung der tolerierbaren Fehler- bzw. Fremdkörpergröße.
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Neben der Redundanz durch zwei Hauptschließglieder führt insbesondere der Spülstrom, der das ablaufseitige Sieb rückwärts durchströmt, zur vorteilhaften Erhöhung der Funktions- und Betriebssicherheit.
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Im Vergleich mit einem konventionellen, vergleichbaren Ventil ist beim erfindungsgemäßen Sitzventil der Materialaufwand und der Platzbedarf geringer, da pro Strömungspfad nur ein Hauptventil nötig wird und - sofern das Steuerschließglied redundant ausgeführt ist - kein Abschaltventil für die Vorsteuerung erforderlich ist. Demgegenüber müsste ein konventionelles Ventil mit einer vergleichbaren Redundanz pro Pfad zwei vollständige Hauptventile und zusätzlich ein gemeinsames Abschaltventil für die Vorsteuerung einsetzen. Folglich wird auch eine geringere Anzahl von Magnetspulen zur Ansteuerung benötigt.
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Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
- 1: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit einfachem Vorsteuerschieber (ohne Spülfunktion);
- 2: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit einfachem Vorsteuerschieber und Spülfunktion sowie Prüfkanal;
- 3: schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit einfachem Vorsteuerschieber und Spülfunktion sowie Prüfkanal im geschlossenen Zustand;
- 4: schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit einfachem Vorsteuerschieber und Spülfunktion sowie Prüfkanal im vollständig geöffneten Zustand;
- 5: schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit einfachem Vorsteuerschieber und Spülfunktion sowie Prüfkanal mit Darstellung der Flächenverhältnisse;
- 6: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils in Ruhelage;
- 7: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit Magnetkraft am Vorsteuerschieber im Totbereich;
- 8: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit steigender Magnetkraft am Vorsteuerschieber - das dem Hochdruck zugewandte Hauptschließglied öffnet;
- 9: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit weiter steigender Magnetkraft am Vorsteuerschieber - der Spülstrom setzt ein;
- 10: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit weiter steigender Magnetkraft am Vorsteuerschieber - das dem Niederdruck zugewandte Hauptschließglied öffnet und der Hauptvolumenstrom setzt ein;
- 11: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils in Vollöffnung;
- 12: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit redundantem Vorsteuerschieber und Prüfkanal (ohne Spülfunktion);
- 13: schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit redundantem Vorsteuerschieber und Spülfunktion sowie Prüfkanal im geschlossenen Zustand;
- 14: geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines unbestromten erfindungsgemäßen Sitzventils im Fehlerfall mit einem klemmenden äußeren Schieber
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- 15: geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines unbestromten erfindungsgemäßen Sitzventils im Fehlerfall mit einem klemmenden inneren Schieber.
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1 zeigt schematisch mit einem Schaltplan auf der linken Seite und einer geschnittenen Ansicht auf der rechten Seite eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit einfachem Vorsteuerschieber 16 ohne Spülfunktion. Das Sitzventil 1 ist so aufgebaut, dass ein Hauptvolumenstrom durch einen Ventilkörper 2 zwischen einem ersten Hauptanschluss 11 und einem zweiten Hauptanschluss 12 redundant gesteuert werden kann. Dies erfolgt durch ein erstes und ein zweites Hauptschließglied 30, 40. Ein dritter Anschluss am Sitzventil 1 ist ein Steuerablauf 13.
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Beide in dem Ventilkörper 2 längsbeweglich angeordneten Hauptschließglieder 30, 40 sind jeweils über eine Koppelfeder 15, 18 mit einem Steuerschließglied, dem Vorsteuerschieber 16, mechanisch gekoppelt. Durch eine Verstelleinrichtung, in der dargestellten Ausführungsform ein Proportionalmagnet 22, wird der Vorsteuerschieber 16 elektrisch angesteuert. Der Proportionalmagnet 22 wirkt dabei gegen die Koppelfeder 18 und öffnet den Vorsteuerschieber 16.
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Die Hauptschließglieder 30, 40 sind unabhängig voneinander und über ihren gesamten Wirkungsbereich frei axial zwischen einer geschlossen Stellung und einer Offenstellung beweglich. Nach einer alternativen Ausführungsform besitzt der Innenhauptschieber 40 im Außenhauptschieber 30 einen unteren Anschlag, der nur eine kurze Bewegung erlaubt. Im konkreten, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel macht der proportionale Bereich statt ca. 55 % dann ca. 70 % Magnetkraft am Proportionalmagnet 22 bis zur Vollöffnung des Sitzventils 1 aus. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass nur noch eine begrenzte Toleranz gegenüber Fremdkörpern besteht. Ein Verklemmen bei größerer Öffnung als der Fremdkörpertoleranz führt zu unzulässiger Restöffnung des Sitzventils 1.
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Die hydraulische Kopplung zwischen den Hauptschließgliedern 30, 40 und dem Vorsteuerschieber 16 erfolgt über einen Vorsteuerraum 24. Das von den Hauptanschlüssen 11, 12 über Steuerabzweige 50, 51, Blenden 54, 55 und den Vorsteuerraum 24 dem Vorsteuerschieber 16 zufließende Öl läuft bei geöffnetem Vorsteuerschieber 16 über eine Steuerkante 20 zum Steuerablauf 13 hin ab. Dies geht mit einem Druckabfall im Steuerraum 24 einher, dessen Wirkung für die Funktion des Sitzventil 1 essenziell ist und in den nachfolgenden 6 bis 11 näher erläutert wird.
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Für die Funktion des erfindungsgemäßen Sitzventils 1 sind weiterhin die Flächenverhältnisse zwischen den oberen Schieberkolbenflächen 34, 44 sowie den unteren Hauptschieberkolbenflächen 36, 37, 46, 47 der beiden Hauptschließglieder 30, 40 essenziell. Während die oberen Schieberkolbenflächen 34, 44 mit dem Vorsteuerraum 24 hydraulisch verbunden sind, sind die unteren Hauptschieberkolbenflächen 36, 37, 46, 47 mit den Hauptanschlüssen 11, 12 hydraulisch verbunden. Die Wirkungen der Flächenverhältnisse werden zu 5 näher erläutert.
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Weiterhin wird der Zulauf zum Vorsteuerraum 24 von den Hauptanschlüssen 11, 12 her jeweils mit einem Sieb 52, 53 vor Verunreinigungen geschützt. Die Siebe sind zwischen den Steuerabzweigen 50, 51 und den Blenden 54, 55 angeordnet. Der mechanische Aufbau des Sitzventils 1 ist im Wesentlichen koaxial, insbesondere was die Hauptschließglieder 30, 40 betrifft.
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2 zeigt schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit einfachem Vorsteuerschieber 16 und Spülfunktion sowie einem Prüfkanal 70. Im Falle einer Undichtigkeit im Bereich des Ventilsitzes 32 fließt bei Hochdruck am Hauptanschluss 12 und Niederdruck am Hauptanschluss 11 ein definierter Leckagestrom über den Prüfkanal 70 und den defekten Sitz 32 und macht dadurch den Defekt diagnostizierbar. Ein Defekt am Sitz 42 ist über die Prüfleckage durch den Prüfkanal 70 diagnostizierbar, wenn an Hauptanschluss 11 der höhere Druck anliegt und an Hauptanschluss 12 der geringere.
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Durch die Spülfunktion werden die Siebe 52, 53 entgegen ihrer Strömungsrichtung, in der sie die Filterwirkung entfalten, von Öl durchspült. Dadurch können sich im Sieb 52, 53 gefangene Fremdkörper lösen und werden in den Hauptvolumenstrom rückgespült. Dafür ist es notwendig, dass das Sitzventil 1 nicht immer nur in eine Richtung betrieben wird, sondern dass der Hauptvolumenstrom die Richtung wechselt, also in einem ersten Betriebszustand vom ersten Hauptanschluss 11 zum zweiten Hauptanschluss 12 und in einem zweiten Betriebszustand vom zweiten Hauptanschluss 12 zum ersten Hauptanschluss 11.
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Während die in 1 beschriebenen Elemente ebenfalls vorhanden und der besseren Übersicht wegen hier nicht nochmals bezeichnet wurden, kommt insbesondere ein Spülschieber 60 hinzu. Dieser weist ebenfalls eine obere Spülschieberkolbenfläche 64 und zwei untere Spülschieberkolbenflächen 66, 67 auf. Die Flächenverhältnisse werden in 5, der Funktionsablauf einschließlich der Spülfunktion wird in den nachfolgenden 6 bis 11 näher erläutert.
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3 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit einfachem Vorsteuerschieber 16 und Spülfunktion sowie Prüfkanal 70 im geschlossenen Zustand. Der Proportionalmagnet 22 ist stromlos und dadurch der Vorsteuerschieber 16 geschlossen.
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Je nach Hauptströmungsrichtung wird entweder über den Steuerabzweig 50 oder über den Steuerabzweig 51 der Vorsteuerraum 24 mit dem Öldruck des jeweils höheren Druckniveaus versorgt. Am Steuerablauf 13 tritt kein Öl aus, im Vorsteuerraum 24 ist deshalb kein Druckabfall zu verzeichnen, sodass der Vorsteuerdruck den Außenhauptschieber 30 gegen den äußeren Ventilsitz 32 und den Innenhauptschieber 40 gegen den inneren Ventilsitz 42 drückt. Das Sitzventil 1 ist redundant durch beide Hauptschieber 30, 40 geschlossen.
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Der Prüfkanal 70 würde in dem Fall, wenn nur eines der beiden Hauptschließglieder 30, 40 geschlossen ist, für eine minimale Leckage und damit für eine Diagnostizierbarkeit des Fehlers sorgen. Die nähere Funktion des Prüfkanals 70 wird zu den 14 und 15 näher erläutert.
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4 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit einfachem Vorsteuerschieber 16 und Spülfunktion sowie Prüfkanal 70 im vollständig geöffneten Zustand. Der Proportionalmagnet 22 entfaltet die maximale Kraftwirkung, der Vorsteuerschieber 16 ist vollständig geöffnet und über den Steuerablauf 13 läuft so viel Öl ab, dass es trotz Zulaufs über einen der Steuerabzweige 50, 51 im Vorsteuerraum 24 zu einem Druckabfall kommt. Der Öldruck im Hauptvolumenstrom drückt daher mangels entsprechenden Gegendrucks aus dem Vorsteuerraum 24 beide Hauptschließglieder 30, 40 in ihre Endposition in Offenstellung. Das Sitzventil 1 ist vollständig geöffnet.
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Zugleich ist auch der Spülschieber 60 aus seinem Ventilsitz nach oben gedrückt und geöffnet, sodass es zur Rückspülung eines der Siebe 52, 53 kommt, wie weiter unten näher erläutert.
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5 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit einfachem Vorsteuerschieber 16 und Spülfunktion sowie Prüfkanal 70 mit Darstellung der Flächenverhältnisse, die zur erfindungsgemäßen Funktion führen, wie sie in den nachfolgenden 6 bis 11 näher erläutert wird. In der dargestellten Ausführungsform ist x=2, was sich als optimaler Faktor der Flächenverhältnisse erwiesen hat.
- • untere erste Spülschieberkolbenfläche 66 = untere zweite Spülschieberkolbenfläche 67,
- • untere erste Spülschieberkolbenfläche 66 + untere zweite Spülschieberkolbenfläche 67 = obere Spülschieberkolbenfläche 64,
- • untere zweite Innenhauptschieberkolbenfläche 47 = 2 * untere erste Innenhauptschieberkolbenfläche 46,
- • untere zweite Innenhauptschieberkolbenfläche 47 + untere erste Innenhauptschieberkolbenfläche 46 = obere Schieberkolbenfläche 44,
- • untere erste Außenhauptschieberkolbenfläche 36 = 2 * untere zweite Außenhauptschieberkolbenfläche 37,
- • untere erste Außenhauptschieberkolbenfläche 36 + untere zweite Außenhauptschieberkolbenfläche 37 = obere Schieberkolbenfläche 34.
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Beide Hauptschließglieder 30, 40 sind damit so bemessen, dass ihre von unten, aus dem Hauptvolumenstrom her druckwirksamen Flächen zu 2/3 mit den Hauptanschlüssen 11 bzw. 12 hydraulisch verbunden sind und zu 1/3 mit dem Zwischenraum zwischen beiden Hauptschiebersitzen.
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Die unteren druckwirksamen Flächen des Spülschiebers 60 sind zu je 50 % mit den Hauptanschlüssen 11 bzw. 12 hydraulisch verbunden. In der Folge öffnet der Spülschieber 60 unabhängig von der Hauptströmungsrichtung (entweder von Hauptanschluss 11 nach Hauptanschluss 12 oder von Hauptanschluss 12 nach Hauptanschluss 11) als zweiter.
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Die resultierende Öffnungsreihenfolge der Schließglieder 30, 40, 60 ist:
- 1. In Strömungsrichtung des Hauptvolumenstroms erstes Hauptschließglied 30 oder 40 (da die druckwirksame Fläche, die untere erste Außenhauptschieberkolbenfläche 36 bzw. die untere zweite Innenhauptschieberkolbenfläche 47, die einen Flächenanteil von 2/3 ausmachen, mit Hochdruck verbunden);
- 2. Spülschieber 60 (da 50 % druckwirksame Fläche an Hochdruck);
- 3. zweites Hauptschließglied 30 oder 40 (da 1/3 der druckwirksamen Fläche, die untere zweite Außenhauptschieberkolbenfläche 37 bzw. die untere erste Innenhauptschieberkolbenfläche 46, mit Hochdruck verbunden).
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6 zeigt schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 in Ruhelage, in der der Fluiddruck an Hauptanschluss 11 alle Schieber 30, 40, 60 von oben, vom Vorsteuerraum 24 her, sitzdicht zudrückt. Insbesondere wird der Außenhauptschieber 30 gegen den äußeren Ventilsitz 32 und der Innenhauptschieber 40 gegen den inneren Ventilsitz 42 gedrückt. Der Vorsteuerdruck im Vorsteuerraum 24 bleibt entsprechend dem am ersten Hauptanschluss 11 oder am zweiten Hauptanschluss 12 anliegenden Öldruck konstant hoch, da wegen des unbestromten Proportionalmagneten 22 der Vorsteuerschieber 16 geschlossen ist und über den Steuerablauf 13 kein Öl abfließt.
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7 zeigt schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit einsetzender Magnetkraft des Proportionalmagneten 22 am Vorsteuerschieber 16 im Totbereich. Der Vorsteuerschieber 16 öffnet, Öl beginnt durch die Blende 54 im Innenhauptschieber 40 zu fließen und der Vorsteuerdruck im Vorsteuerraum 24 sinkt durch Abfluss des Öls über den Steuerablauf 13.
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Hier und auch in den nachfolgenden Figuren wird die Strömungsrichtung des Steuervolumenstroms in der geschnittenen Ansicht durch eine Punktlinie oder durch eine dünne Linie mit Pfeilen und im Schaltplan durch einzelne Pfeile neben den Leitungen veranschaulicht.
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8 zeigt schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit weiter einsetzender Magnetkraft des Proportionalmagneten 22 am Vorsteuerschieber 16. In der Folge hebt der Innenhauptschieber 40, das dem Hochdruck zugewandte Hauptschließglied, proportional zum Anstieg der Magnetkraft von dem inneren Ventilsitz 42 ab und beginnt zu öffnen. Das Sitzventils 1 insgesamt bleibt jedoch noch geschlossen, da der weiterhin geschlossene Außenhauptschieber 30 den Hauptvolumenstrom noch unterbricht.
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9 zeigt schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit weiter steigender Magnetkraft am Vorsteuerschieber 16, der Innenhauptschieber 40 ist bis zum Anschlag geöffnet und der Vorsteuerdruck im Vorsteuerraum 24 sinkt weiter. Der Spülschieber 60, der 50 % untere Fläche an Hauptanschluss 11 hat und der Außenhauptschieber 30 hingegen nur 33 %, öffnet deshalb vor dem Außenhauptschieber 30 proportional zu der auf den Steuerschieber 16 wirkenden Magnetkraft.
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In der Folge setzt der Spülstrom ein. Dazu fließt ein Teil des Steuervolumenstroms, der am Steuerabzweig 51 vom Hauptvolumenstrom abgezweigt wird, nicht in den Vorsteuerraum 24, sondern wird durch den Spülschieber 60 abgenommen. Das durch den Spielschieber 60 abgezweigte Öl wird über die Rückseite des Siebs 53, bezogen auf den Normalbetrieb des Siebs 53 und dessen Filterwirkung hinsichtlich dem Vorsteuerraum 24 zufließenden Öls, und den Steuerabzweig 50 in den Hauptvolumenstrom zurückgeführt. Indem das Sieb 53 von der Rückseite her durchströmt wird, werden dort möglicherweise festhängende Fremdkörper ausgespült.
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10 zeigt schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit weiter steigender Magnetkraft am Vorsteuerschieber 16. Der Spülschieber 60 hat seinen Anschlag im Innenhauptschieber 40 erreicht und in der Folge sinkt der Vorsteuerdruck noch weiter. Der Außenhauptschieber 30, das dem Niederdruck zugewandte Hauptschließglied, hebt von seinem äußeren Ventilsitz 32 ab und öffnet proportional zum Anstieg der Magnetkraft des Proportionalmagneten 22. Der Außenhauptschieber 30 öffnet und mit der Öffnung des in Strömungsrichtung zweiten Hauptschiebers 30 setzt der Hauptvolumenstrom durch das Sitzventil 1 ein.
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11 zeigt schematisch einen Schaltplan und eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit weiter steigender Magnetkraft am Vorsteuerschieber 16. Der Außenhauptschieber 30 ist nun ebenfalls geöffnet bis zum Anschlag, der Vorsteuerdruck im Vorsteuerraum 24 sinkt nahezu auf den Druck am Steuerablauf 13 ab.
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12 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 mit redundantem Vorsteuerschieber 16, 16' und Prüfkanal 70, jedoch ohne Spülfunktion. Die Funktion des Prüfkanals 70 wird in den 14 und 15 näher erläutert.
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Auch der redundante Vorsteuerschieber 16, 16' ist koaxial angeordnet und verhindert einen unkontrollierten Druckverlust im Vorsteuerraum 24 durch Abfluss des Öls über den Steuerablauf 13, zum Beispiel bei einem klemmenden Vorsteuerventil 16.
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13 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils mit redundantem Vorsteuerschieber 16, 16' und Spülfunktion sowie Prüfkanal 70 im geschlossenen Zustand. Die Spülfunktion wird, wie zuvor bereits beschrieben, durch den Spülschieber 60 gesteuert und durch ein Durchströmen des jeweils zu spülenden Siebs 52, 53 von seiner Rückseite her, in der entgegengesetzten Richtung zum Normalbetrieb bei der Vorsteuerung, realisiert.
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14 zeigt schematisch eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sitzventils 1 im Fehlerfall mit einem klemmenden Außenhauptschieber 30, wobei das Sitzventil 1 dennoch mit dem Innenhauptschieber 40 allein sicher schließt. Das Sitzventil 1 ist unbestromt, d. h. der Proportionalmagnet 22 wird nicht angesteuert.
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In beiden Hauptströmungsrichtungen ist der Fehler äußerlich nicht erkennbar, wird aber erkennbar gemacht durch eine hervorgerufene Ölleckage, einen Indikatorvolumenstrom, der durch den Prüfkanal 70 austritt. Verläuft die Hauptströmungsrichtung von dem zweiten Hauptanschluss 12 zum ersten Hauptanschluss 11, so tritt der Indikatorvolumenstrom in den Steuerabzweig 51 ein und aus dem Prüfkanal 70 aus. Dort kann der Indikatorvolumenstrom entweder im ersten Hauptanschluss 11 detektiert werden oder der unerwartete, geringfügige Volumenstrom wird ohne weiteres im System erkennbar, beispielsweise durch ein langsames, gefahrloses Absinken einer Last oder eines Arbeitselements.
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15 zeigt geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines unbestromten erfindungsgemäßen Sitzventils 1 im Fehlerfall mit einem klemmenden Innenhauptschieber 40. Das Sitzventil 1 ist unbestromt, d. h. der Proportionalmagnet 22 wird nicht angesteuert. Das Ventil schließt sicher mit dem Außenhauptschieber 30 allein.
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Eine Detektion des Fehlers wird hier ebenfalls durch den Prüfkanal 70 ermöglicht. Im Falle einer Hauptdurchströmungsrichtung von Hauptanschluss 11 nach Hauptanschluss 12 fließt der Indikatorvolumenstrom vom Hauptanschluss 11 durch den Steuerabzweig 51 und den Prüfkanal 70 zum Hauptanschluss 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil, Sitzventil
- 2
- Ventilkörper
- 11
- erster Hauptanschluss
- 12
- zweiter Hauptanschluss
- 13
- Steuerablauf
- 15
- Koppelfeder
- 16
- Steuerschließglied, Vorsteuerschieber
- 18
- Koppelfeder
- 20
- Steuerkante
- 22
- Verstelleinrichtung, Proportionalmagnet
- 24
- Vorsteuerraum
- 30
- erstes Hauptschließglied, Außenhauptschieber
- 32
- äußerer Ventilsitz
- 34
- obere Außenhauptschieberkolbenfläche
- 36
- untere erste Außenhauptschieberkolbenfläche
- 37
- untere zweite Außenhauptschieberkolbenfläche
- 40
- zweites Hauptschließglied, Innenhauptschieber
- 42
- innerer Ventilsitz
- 44
- obere Innenhauptschieberkolbenfläche
- 46
- untere erste Innenhauptschieberkolbenfläche
- 47
- untere zweite Innenhauptschieberkolbenfläche
- 50,51
- Steuerabzweig
- 52,53
- Sieb
- 54, 55
- Blende
- 60
- Spülschließglied, Spülschieber
- 64
- obere Spülschieberkolbenfläche
- 66
- untere erste Spülschieberkolbenfläche
- 67
- untere zweite Spülschieberkolbenfläche
- 68
- Spülschieberfeder
- 70
- Prüfkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005020419 A1 [0006]
- DE 10207463 A1 [0006]
- EP 2976558 B1 [0006]
- DE 10323595 A1 [0007]
