DE1047560B - Steuer- und Absperrventil, bestehend aus einem Haupt- und einem konzentrisch in diesem angeordneten Hilfsventil - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In hydraulischen und pneumatischen Steuer- und Antriebsanlagen dienen Ventile und Schieber zur Regelung verschiedener Durchflußmengen und zur Einstellung gewünschter Drücke des zu regelnden Mediums. Die Regelung erfolgt entweder wege-, druck- oder zeitabhängig und bringt, jeweils örtlich oder ferngesteuert eingeleitet, die Steuerung durch Betätigung von Ventilen oder Schiebern zur Wirkung.

Im allgemeinen wird die unmittelbare Betätigung der Verschlußstücke nur bei kleinen Drücken und kleinen Querschnitten angewandt. In allen anderen Fällen werden Hilfsventile verwendet. Für die Betätigung der Hilfsventile werden hauptsächlich Elektromagnete verwendet, die entweder ihren Weg in zwei Stufen zurücklegen (erste Stufe: Betätigung des Hilf sventils; zweite Stufe: nach Druckausgleich zwangsweises Betätigen des Hauptventils), oder sie benutzen den Elektromagnet nur für den Initialimpuls zur Betätigung des Hilfsventil, während das Verschlußstück des Hauptventils durch das gesteuerte Druckmittel betätigt wird.

Eine bekannte Ausführung umfaßt zwei oder mehrere mit einem Schieber verbundene Anker, die sich mit diesem zusammen verschieben können und mit je einer Magnetspule gekoppelt sind, die, wenn sie erregt wird, den gekoppelten Anker anziehen kann, um den Schieber entgegen der Wirkung der Feder bis zu einer anderen Stellung hin zu verschieben. Hierbei sind die Magnetspulen so· eingerichtet, daß sie unabhängig voneinander erregt werden.

Diese Ventile sind bei Anlagen, die mit kurzen Steuerzeiten und hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums betrieben werden, nachteilig. Hierbei schnellt das Verschlußstück des Hauptventils bei Fortnahme der Abstützung durch den Betätigungsmagnet mit hoher Beschleunigung auf den Ventilsitz. Im Augenblick der Berührung der beiden Dichtungsflächen muß eine beträchtliche Energie innerhalb der elastischen Verformungsgrenzen des Ventilmaterials abgefangen werden. Bei großen Ventilhüben wird diese Grenze aber leicht überschritten, so daß die Dichtungsflächen bei mehreren tausend. Betätigungen je Arbeitstag bald deutliche Spuren plastischer Verformung zeigen, die zu Undichtigkeiten der Ventile führen. Weiterhin entsteht durch das plötzliche Abstoppen einer langen, im Fluß befindlichen Drucksäule, die bei Verwendung von Wasser als Medium relativ unelastisch ist, ein harter Schlag im gesamten Rohrsystem, der alle Bauelemente über Gebühr beansprucht.

Infolge der zwangsabhängigen Betätigung des Hauptverschlußstückes mit seinen großen Querschnitten schwingt bei feinfühligen Regelaufgaben, die Steuerung sehr oft über den gewünschten Sollwert Steuer- und Absperrventil, bestehend aus einem Haupt- und einem konzentrisch

in diesem angeordneten Hilfsventil

Anmelder:

Deutsche Bundesbahn,
vertreten durch das Bundesbahn-Zentralamt Minden,
Minden (Westf.), Weserglacis 2

Paul Schöde, Wuppertal-Barmen_r

und Dr.-Ing. Wilhelm Köth, Osterath (Ndrh.),

sind als Erfinder genannt worden

hinaus, wenn der Unempfindlidhkeitsbereich nicht sehr breit gehalten wird.

Zur elektromagnetischen Betätigung von. Schiebern oder Ventilen wurde auch schon vorgeschlagen¹, mehrere doppelseitige, auf einer Rollbahn seitlich geführte Elektromagnete kaskadenartig zu verbinden, wobei die einzelnen Magnete je nach Bedarf entweder nacheinander und mit zeitlichem Abstand oder zur Klein- bzw. Konstanthaltung der Schaltzeit einige oder alle Magnete gleichzeitig arbeiten.

Die Erfindung betrifft ein Steuer- und Absperrventil, bestehend aus einem Haupt- und einem konzentrisch in diesem angeordneten Hilfsventil, die durch je einen Magnet über einen Stößel nacheinander geöffnet werden. Sie besteht darin, daß das Verschlußstück des Hauptventils beim Schließen nach Abschalten des zugehörigen Magnets durch den Stößel kurz vor Erreichen des Sitzes aufgefangen und federnd auf dem Magnetfeld des das Hilfsventil betätigenden Magnets abgestützt wird. Dadurch wird eine übermäßige Materialbeanspruchung der Ventilsitze und Verschlußstücke vermieden.

Das Übersteuern eines befohlenen Sollwertes kann weitgehend durch die feinfühligen Steuerkommandos eingeschränkt werden. Um ein Übersteuern durch die Trägheit der Ventilmagnete auszuschließen, wird erfindungsgemäß mindestens die Magnetspule des Hauptventils mit einem dosierten Gegenspannungsimpuls beaufschlagt, der das aufgebaute Magnetfeld schlagartig zusammenbrechen und das Ventil ohne Zeitverzug schiließen läßt.

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Ein weiterer Erfolg wird noch dadurch erreicht, daß der Anteil der Ankerhübe des Hilfsventilmagnets am Hub der Verschlußstücke der Ventile mittels einer in ihrer Länge verstellbaren Stößelstange an eingeregelt wird, daß bei unbelasteten Ventilen und vollem Hub des Steuerventilmagnets nicht nur das Hilfsventil voll-öffnet, sondern auch das Verschlußstück des Hauptventils je nach den gestellten Anforderungen und Bedarf um ein mehr oder weniger großes A^orgabemaß, meist einige Zehntelmillimeter, angelüftet wird.

Ferner sucht die Erfindung die Steuergeschwindigkeit einer Anlage den jeweiligen Betriebsverhältnissen und Genauigkeitsanforderungen anzupassen, was einmal dadurch erreicht wird, daß die Regelkurven der Kommandoanlage durch Festlegung von verschiedenen Schwellwerten mehr oder weniger dicht aneinandergelegt werden, zum anderen in einer Querschnittsvariation der Hilfs- und Hauptventile, ohne die konstruktiven Abmessungen selbst zu ändern, durch mechanische Begrenzung eines Magnethubes. Nachfolgend soll eine Ventilsteuerung eines Antriebes beschrieben werden, wie er z. B. bei hydraulischen Pressen Anwendung finden kann.

Fig. 1 zeigt das Anlagenschema und ein Blockschema der elektrischen Steuereinrichtung;

Fig. 2 zeigt das Haupt- und Hilfsventil mit ihren Magneten; .-. . ■

Fig. 3 gibt die einzelnen Arbeitstakte bei einem Regelvorgang wieder mit qualitativem Verlauf der Querschnittsöffnungen und der zu regelnden Größe. Bei dem Beispiel nach Fig. 1 wird das Medium, z. B. Wasser, aus dem Behälter 1 über die Leitung 2 \on der Pumpe 3 angesaugt und über die Rohrleitung 4 in den Druckspeicher 5 gepumpt. Das Druckwasser wird über die Druckleitung 6 zum Ventilblock 7 geleitet, der zwei zweistufige Ventile 8 und 9 enthält (hier als einfache Ventile dargestellt). Das rechte Ventil 8 wird über den Stößel 10, das linke Ventil 9 über den Stößel 11 betätigt. Bei geöffnetem Ventil 8 fließt das Druckwasser über die Antriebsleitung 12 in den Steuerzylinder 13 und drückt den Kolben mit angeschlossenem Steuergestänge 14 gegen die Feder 15. Bei geöffnetem Ventil 9 strömt das Wasser aus dem Steuerzylinder 13 und der Antriebsleitung 12 über die Rohrleitung 16 in den Behälter 1 zurück. Die Bewegung des Steuergestänges 14 wird mittels einer Übertragungseinrichtung 17 auf den Meßwertgeber 18 gegeben!, der über die Zuleitung 19 gespeist wird und den mechanischen Steuerweg in eine entsprechende elektrische Größe umwandelt. Eine dem mechanischen Steuerweg proportionale Spannung gelangt über die Leitung 20 zum Kommandogeber 21, der als Spannungsvergleicher arbeitet. Der bei Punkt 22 eingespeiste Sollwertgeber 23 setzt eine unabhängige Kenngröße oder die mechanische Bewegung eines Handhebels 25, z. B. Potentiometerknopf, in eine proportionale elektrische Größe um, die über die Leitung 24 ebenfalls auf den Kommandogeber 21 gegeben wird. Als Spannungs- oder Stromvergleichsschaltungen können bekannte Anordnungen verwendet werden, wie Brückenschaltungen cder Kompensationsschaltungen, die beim Überwiegen einer der beiden zu vergleichenden Größen die Anker polarisierter Relais umlegen lassen oder elektronische Einrichtungen zünden lassen, wobei der Schwellwert von mehreren derartigen Einrichtungen z. B. über die Klemmen 26 α bis 26^ beliebig eingestellt werden kann. Die Stellung der einzelnen Relais oder ihre Kombinationen klassifizieren dann verschiedene Steuer!commandos, die über die Leitung 27 die unmittelbaren Steuerschalter 28 betätigen. Zwei dieser Steuerschalter legen die bei 29 eingeführte Speisespannung über die Leitung 30 und 31 an die beiden Elektromagnete der Magnetgruppe 32, die über den Stößel 11 das Ventil 9 öffnen; zwei andere Steuerschalter legen die Magnetspeisespannung über die Leitungen 33 und 34 an die beiden Elektromagnete der Magnetgruppe 35, die über den Stößel 10 das Ventil 8 öffnen.

ίο In Fig. 2 ist eine Magnetgruppe mit zwei Hubmagneten für die Betätigung eines Haupt- und eines Hilfsventils dargestellt, wobei das Hilfsventil 45 vergrößert als Ausschnitt besonders gezeigt wird. Der untere Magnet steht mit seinem Gehäuse 36 auf einer Fundamentplatte. Bei Erregung der Spule 37 durch einen der Steuerschalter 28 in Fig. 1 wird der Magnetanker 38 in das Kraftfeld hineingezogen, maximal bis zum Anschlag gegen den oberen Magnetdeckel 39, durch den die Ankerstange 40 hinausgeführt ist. Diese überträgt die Ankerbewegung auf den zweiten Magnet, entweder auf das ganze Magnetgehäuse bei kaskadischem Aufbau oder, wie in Fig. 2 dargestellt, nur auf den Anker 41. Das Gehäuse 42 des oberen Magnets selbst ruht dabei mit dem Distanzstück 43' auf dem unteren Magnetdeckel 39. Der Anker 41 wird also um den Hub des unteren Magnets angehoben und leitet diese Bewegung über die Ankerstange 44 an den Stößel 10 des Ventils weiter, der das Hilfsventil 45 anhebt, so daß das über dem Verschluß stück 46 des Hauptventils stehende Druckwasser durch die nun freigegebene Ventilöffnung am Sitz 51 unter das Verschlußstück 46 treten kann. Dadurch gelangt einerseits Druckwasser in die Druckleitung 12 (entsprechend Fig. 1 in die Druckleitungen 12 bzw. in die Rohrleitung 16) und verändert damit Druck und Weg im Steuerzylinder 13 der Fig. 1; anderseits findet ein Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite des Hauptventils statt, so daß das Verschluß stück 46 entlastet wird. Erregt man nun auch die Spule 47 des oberen Magnets, so hebt sich sein Anker 41 von der Ankerstange 40 des unteren Magnets ab, bis er gegen den Deckel 48 des oberen Magnets anschlägt. Diese Bewegung wird über die Ankerstange 44 und den Stößel 10 nun unmittelbar auf das Verschlußstück 46 des Hauptventils übertragen. Durch die frei gewordene Öffnung zwischen Verschlußstück 46 und Ventilsitz 49 kann nun das Druckwasser in breitem Querschnitt in die Rohrleitung 12 strömen. Wird dann die Erregung von den Magnetspulen 37 und 47 abgeschaltet und damit die Unterstützung des Stößels 10 weggenommen, so drücken die Feder 50 und der Wasserdruck beide Verschlußstücke 45 und 46 gegen die Dichtungsflächen 51 und 52, so> daß ein weiterer Zufluß abgestoppt wird.

Zur Einstellung der Ventile macht man den Stößel 10 der Fig. 2 in seiner Länge verstellbar, so daß sich damit der Anteil des Magnethubes 38 am Stößelhub 10 variieren läßt. Die Länge des Stößels 10 stellt man an der Mutter 53 so ein, daß bei unbelastetem Ventil und vollem Hub des Ankers 38 nicht nur das Hilfsventil 45 angehoben, sondern auch das Verschluß stück 46 um einige Zehntelmillimeter angelüftet wird.

Wirkungsweise

In Fig. 3 sind die jetzt möglichen Arbeitstakte zusammengefaßt. Das Diagramm enthält über der Zeit als Abszisse zwei Kurvenzüge. Die Ordinaten des unteren Kurvenzuges geben den Verlauf des jeweils geöffneten Ventilquerschnittes wieder, die Ordinaten

des oberen Kurvenzuges die Größe des Zylinderdruckes bzw. den Weg des Steuergestänges 14 der Fig. 1, wenn die dargestellten Arbeitstakte auf das Ventil 8 angewendet werden. Analog verläuft die Steuerwegkurve beim Ventil 9 von hohen zu niedrigeren Werten.

Im Betrieb ergeben sich dann folgende Arbeitstakte:

1. Ventil öffnen

a) Spule 37 des unteren Magnets der Magnetgruppe 35 wird erregt: Anker 38 wird angehoben, Bewegung wird über Ankerstange 40 auf den Stößel 10 übertragen, der das Hilfsventil 45 so· weit öffnet, bis die obere Abschlußfläche des Stößels gegen die Unterkante des Verschlußstückes 46 stößt. Bei großem Druckgefalle reicht die Hubkraft des Magnets im allgemeinen nicht aus, das Hauptventil anzulüften. Erst nach einem gewissen Druckausgleiah kann der Magnet ganz durchziehen und das Verschluß stück 46 um das eingestellte Vorgabemaß von einigen Zehntelmillimetern anlüften. Die Steuerung setzt also sehr weich ein und nimmt dann den geringen Querschnitten entsprechend eine kleine Geschwindigkeit an.

b) Spule 47 des oberen Magneten wird erregt: Der Anker 41 kann erst dann angehoben werden, wenn das Hilfsventil 45 das Verschlußstück 46 so· weit entlastet hat, daß seine Druckbelastung geringer ist, als die Hubkraft des oberen Magnets. Mit dem Durchziehen des oberen Magnets springt die Steuergeschwindigkeit auf den quersahnittbestimmten vollen Wert um.

2. Ventil schließen

&) Spannung vom oberen Magnet wird abgeschaltet: Mit dem Abschalten der Spannung erhält die Spule 47 einen dosierten Gegenspannungsimpuls, der das aufgebaute Magnetfeld schlagartig zusammenbrechen läßt, so daß der Anker 41 unter Vermeidung verzögernder Remanenz ohne Zeitverlust abfallen und das Verschluß stück 46 sofort folgen kann. Kurz vor dem Aufschlag der Dichtungsflächen 52 auf den Sitz 49 wird das Verschluß stück 46 entsprechend dem Vorgabemaß von dem Stößel 10 abgefangen, die sich selbst wieder federnd auf dem Magnetfeld der Spule 37 abstützt. Durchflußmenge und Steuergeschwindigkeit sind damit auf die kleinen Werte des Arbeitstaktes Ia reduziert, so daß die Steuerung sich langsam dem Sollwert nähert.

b) Spannung des unteren Magnets wird abgeschaltet: Nach dem Abschalten der Spannung fällt der Anker 38 ab und schließt bei Bewegungsbeginn das Hauptventil infolge des kleinen Hubes unter Schonung der Dichtungsflächen vollständig. Der Rest der Bewegung dient zum Schließen des Hilfsventils 45. Wenn die Empfindlichkeit der Steuerung es erforderlich macht, kann auch die untere Magnetspule mit einem Gegenspannungsimpuls beschickt werden.

Claims (5)

Patentansprüche.·

1. Steuer- und Absperrventil, bestehend aus einem Haupt- und einem konzentrisch in diesem angeordneten Hilfsventil, die durch je einen Magnet über einen Stößel nacheinander geöffnet werden, ,dadurch gekennzeichnet, daß das Verschluß stück ^"(46) des Hauptventils beim Schließen nach Abschalten des zugehörigen Magnets (41, 47) durch den Stößel (10) kurz vor Erreichen des Sitzes (52) aufgefangen und federnd auf dem Magnetfeld des das Hilfsventil (45) betätigenden Magnets (37, 38) abgestützt wird.

2. Steuerventil mit Antrieb durch Elektromagnete, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung eines Übersteuerns des vorgesehenen Sollwertes außer der automatischen Umschaltung auf kleine Steuergeschwindigkeit die Magnetspulen mit einem dosierten Gegenspannungsimpuls beaufschlagt werden.

3. Steuer- und Absperrventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hübe der kaskadenartig angeordneten Magnete addiert werden und über einen gemeinsamen Stößel (10, 11) und Ankerstangen (40, 44) die Verschlußstücke der Ventile betätigen.

4. Steuer- und Absperrventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergeschwindigkeit durch Längenänderung der Stößel (10, 11) und/oder durch mechanische Begrenzung des Magnethubes geändert werden kann.

5. Steuer- und Absperrventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung verschiedener Steuergeschwindigkeiten die Freigabe unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte der Ventile in Verbindung mit elektrischen Sollwert- und Meßwertgebern über entsprechende Vergleichsschaltungen mit einstellbaren Schwellwerten für die Kommandogeber verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 807 348;

französische Patentschriften Nr. 712 830, 782 053, 740, 1118 949;

USA.-Patentschriften Nr. 2 305 151, 2 388696,
461772, 2 536 813, 2 579 723, 2 587 538.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 012 790.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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