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überdruckventil für hydraulische Stützen, z. B. hydraulische Grubenstempel
Die Erfindung bezieht sich auf ein in Abhängigkeit von der Durchflußmenge selbsttätig
regelndes überdruckventil für längenveränderliche hydraulische Stützen, z. B. hydraulische
Grubenstempel.
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Bei den bekannten hydraulischen Stütz- und Hebevorrichtungen, insbesondere
hydraulischen Stempeln, die alle nach dem Prinzip von Zylindern mit einem in demselben
sich verschiebenden Kolben unter Zwischenschaltung einer hydraulischen Flüssigkeit
arbeiten, fällt dem Überdruckventil die wichtigste und schwierigste Aufgabe zu.
Die Anforderungen, die an ein solches Ventil gestellt werden, sind schon vielfach
in der Literatur erörtert, und es sind auch schon Vorschläge zur Lösung dieser Fragen
gemacht worden. Diese Bemühungen führten vielfach nicht zu den gewünschten Ergebnissen,
weil diese überdruckventile großen Beanspruchungen ausgesetzt sind und weil die
Kontaktflächen zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz einem erheblichen Verschleiß
unterliegen.
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Infolge der erforderlichen Nachgiebigkeit solcher gleichmäßig tragender
hydraulischer Elemente mit konstanter Traglast von 30 000 bis 40 000 kg mit hydraulischen
Flüssigkeitsdrücken von 350 bis 450 kg/cm°- und Einschubhüben bis 800 mm müssen
diese hydraulischen Systeme die Druckkräfte des einsinkenden Hangenden aufnehmen.
Hierbei wird die gesamte Arbeit, die je 1 mm Einschubweg 30 bis 40 mgk ohne Berücksichtigungen
der dynamischen Wirkungen des einsinkenden Hangenden beträgt, an der Kontaktfläche
zwischen Ventilsitz und Ventilkörper vernichtet. Wie die Erfahrungen zeigten und
auch in der Literatur hierüber berichtet wurde, ergeben sich bei bisher bekannten
Überdruckventilen schon nach verhältnismäßig kurzen Einschubhüben von wenigen Metern
mehr oder weniger starke Verschleißerscheinungen, die insbesondere durch Erosion
und Erwärmung der Kontaktflächen durch die geschoßartig entweichende hydraulische
Flüssigkeit verursacht werden.
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Schon bei geringfügiger Erosion an den Kontaktflächen zwischen Ventilsitz
und Ventilkörper kann daher die notwendige vollkommene Abdichtung während der Einschubpausen
verlorengehen und die Dauer-Tragfähigkeit des hydraulischen Elementes vermindern
oder ganz zum Erliegen bringen, wodurch die Eigenschaft als Stützelement hinfällig
werden kann. Einen weiteren wesentlichen Einfluß auf die Betriebsweise der Überdruckventile
haben auch die Viskosität und die Kompressibilität der hydraulischen Flüssigkeit
sowie auch die unter dem Kolben stehende Flüssigkeitsmenge und die elastische Verformung
der Gefäßwandungen und aller in den Stützkraftfluß eingeschalteten Bestandteile.
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Von wesentlicher praktischer Bedeutung ist ferner bei hydraulischen
Stützen, daß das Maß des Druckabfalles beim Ansprechen der Überdruckventile möglichst
klein gehalten wird.
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Es kommt somit in erster Linie auf die Verschleißbeständigkeit derjenigen
Kontaktflächen zwischen Ventilsitz und Ventilkörper an, die für die Dauerabdichtung
während der Einschubpausen veranwortlich sind. Auch muß die Betriebscharakteristik
den Betriebsverhältnissen angepaßt sein.
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Diesen Forderungen ist nach der Erfindung dadurch Genüge getan, daß
auf der dem Ventilsitz gegenüberliegenden Abströmseite des Ventilkörpers eine durch
den Ventilkörper selbst und einen feststehenden Öffnungsrand gebildete Drosselstelle
für die Betriebsflüssigkeit vorgesehen ist und der Ventilkörper zwischen dem Ventilsitz
und dem Öffnungsrand in einem sonst geschlossenen Druckraum unter dem Einfluß des
Druckes und der Menge der Betriebsflüssigkeit (Öffnungsdruck) auf der einen Seite
sowie auf der anderen Seite unter dem Einfluß des Druckes eine Rückstellfeder steht,
deren Kraftzunahme je 1 mm Federweg das 0,6- bis 1,2fache der Öffnungskraft beträgt.
Bei einem solchen Ventil ist die Energievernichtung von den Kontaktflächen zwischen
Ventilsitz und Ventilkörper weggenommen und die Umwandlung der frei werdenden potentiellen
Energie zum Großteil hinter die Ventil-Kontaktflächen gelegt, so daß an den Ventil-Kontaktflächen
nur noch geringe Verschleißkräfte auftreten können. Diese geringen Verschleißkräfte
gewährleisten bei
entsprechender Wahl der Werkstoffe und der Konstruktionsform
die vollkommene Abdichtung der Ventil-Kontaktflächen auch während der Einschubpausen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilkörper
als Kugel ausgebildet und in dem Druckraum zentrisch zu dem Ventilsitz und dem Öffnungsrand
geführt. Zweckmäßig ist dabei der Öffnungsrand an einem auswechselbaren Führungskörper
vorgesehen. Diese Ausbildung hat den Vorzug besonderer Einfachheit.
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Ein weiterer Vorteil ist nach der Erfindung dadurch erzielt, daß die
Druckeinwirkung der Rückstellfeder auf den Ventilkörper durch Abschrägung der Anlagefläche
der Druckübertragungsnadel am Ventilkörper exzentrisch erfolgt. Hierdurch wird eine
rotierende Ventilkugel senkrecht zur Längsachse des Ventils erreicht. Durch die
Rotation wird die Ventilkugel gleichzeitig auf den Ventilsitz laufend eintouchiert
und dauernd dicht gehalten. Der Verschleiß der Kontaktfläche wird infolgedessen
stark vermindert. Außerdem wird ein etwaiger Verschleiß auf die ganze Kugeloberfläche
gleichmäßig verteilt.
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Der Herstellung der Ventilkugel aus hochwertigen gehärteten Werkstoffen
sind Grenzen gesetzt. Der Ventilsitz mit der Kontaktfläche kann jedoch aus beliebig
hochwertigen, verschleißfesten Werkstoffen, z. B. Stelliten, Wolfram-Karbid-Hartmetallen,
Siliziumkarbid usw., bestehen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilgehäuse
zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Teile miteinander verschraubt und mittels
einer Polyamiddichtung in ihrer gegenseitigen Lage gesichert sind.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das Ventil; Fig.2 ist ein Längsschnitt
des im Grundsatz gleichen Ventils, jedoch etwas anderer Ausführungsart, eingebaut
in einen Stempelkopfteil eines Grubenstempels mit mechanisch angetriebener Pumpe,
bei dem das Ventil mit Hilfe eines einfachen Hülse rasch gewechselt werden kann;
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Ventil-Kugelführungsring nach der Schnittlinie
A-A in Fig. 1; Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Druckübertragungsnadel nach
dem Schnitt B-B in Fig. 1; Fig.5 zeigt das Federdiagramm der Tellerfedersäule mit
den Belastungslinien für 20, 30 und 35 t Traglast.
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Die Ventilhülse 28 (Fig. 2) und die Pumpenkurbel 29 haben eine gemeinsame
geometrische Achse. Die Steilheit der Kennlinie der Feder 7 beträgt etwa 50 kg je
1 mm Federhub. Das Überdruckventil (Fig. 1) besteht aus dem Ventil-Kugelführungsring
1, in dem der Ventilkörper, z. B. die Ventilkugel 3, axial geführt ist, und dem
Ventilsitz 2, an dessen Kontaktfläche 8 sich die Ventilkugel 3 aufsetzt und durch
die Federsäule 7, das Federführungsstück 6 und die Druckübertragungsnadel 5 mit
der Federkraft P, P' und P" für 20, 30 oder 35 t Traglast nach Fig. 5 angepreßt
wird.
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Der Ventilkugel-Führungsring 1 ist in seiner Höhe 9 so bemessen, daß
die aufliegende Ventilkugel 3 noch einen Hub von etwa 0,3 bis 0,6 mm ausüben kann,
bevor sie den Öffnungsrand 10 der Abschluß- und Führungsplatte 4 berühren kann.
Der Durchmesser der inneren Bohrung 11 der Führungsplatte 4 stimmt im allgemeinen
mit dem Durchmesser der inneren Bohrung 11 des Ventilsitzes 2 überein.
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Die Druckübertragungsnadel5 ist oben kalottenartig abgerundet und
durch Anlage an dem Federführungsstück 6 axial geführt.
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Am unteren Teil ist die Druckübertragungsnadel 5 in der Bohrung 11
der Führungsplatte 4 geführt und um 5 bis 10° abgeschrägt, so daß die Ventilkugel
3 exzentrisch zur geometrischen Mittelachse belastet wird. Wenn nun die Ventilkugel
3 einen Hub ausführt, so rollt dieselbe an der Innenwand des Kugelführungsringes
ab und wird bei jedem Ventilhub etwas gedreht, so daß nach jedem Hub die Ventil-Kontaktfläche
der Kugel gegenüber der Ventilsitz-Kontaktfläche 8 verdreht wird. Die Ventilkugel
3 wird daher im Verlaufe ihrer Funktion ständig senkrecht zur Längsachse rotieren.
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Der Ventil-Kugelführungsring 1, der Ventilsitz 2 und die Führungsplatte
4 bilden zusammen einen zylindrischen Körper, welcher im geteilten Ventilgehäuse
12,13 zentrisch angeordnet ist. Der Zylinderkörper 1, 2 und 4 wird durch Zusammenschrauben
(Gewinde 14) der beiden Gehäuseteile 13, 14 festgehalten und durch den O-Ring 15
abgedichtet. In dem Gehäuseteil 13 ist ein Expansionsraum 16 vorgesehen, der durch
Drosselbohrungen 17, 18 mit dem Hochdruckraum 20 der hydraulischen Stütze über die
Kanäle 19 verbunden ist. Am Gewindeteil 21 des Gehäuseteils 13 ist ein Gegenkolben
22 (Fig. 2) vorgesehen. Der Gegenkolben 22 hat die Aufgabe, den Hochdruckraum 23
gegenüber der Außenluft abzudichten und gleichzeitig den aus Kunststoff bestehenden
Raub-Ventilsitz 24 auf seine Sitzfläche 25 dichtend und sichernd festzupressen.
Als Vordichtung und Gegenkolben ist noch der Kolben 26 vorgesehen, der am Gehäuseteil
13 ausgebildet ist. Die Federkraft P, P' oder P" kann durch Einstellen der
Verstellkappe 27 der gewünschten Tragkraft entsprechend eingestellt werden.
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Das beschriebene Ventil wirkt wie folgt: Im Falle, daß die hydraulische
Flüssigkeit im Hochdruckraum den der Traglast entsprechenden hydraulischen Druck
(350 bis 450 atü) entsprechend der eingestellten Traglast erreicht bzw. überschritten
hat, wird der Ventilkörper 3 entgegen der Federkraft P, P' oder P" um einen bestimmten
Betrag von der Kontaktfläche 8 des Ventilsitzes abgehoben.
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Es strömt infolgedessen hydraulische Flüssigkeit aus dem Expansionsraum
16 unter dem Einfluß des Überdruckes und der Expansionskraft der kompressiblen hydraulischen
Flüssigkeit über die geöffnete Kontaktfläche 8 in den Druckraum 30 des Kugelführungsringes
1.
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Der sich in diesem Raum 30 anstauende Druck wird selbsttätig durch
den Hub des Kugelventils 3 eingesteuert dadurch, daß sich der Ausflußspalt zwischen
der Ventilkugel 3 und dem Öffnungsrand 10 in der Führungsplatte 4 auf einen
bestimmten kleineren Querschnitt einstellt. Hierdurch wird an der Kontaktfläche
8, die für die Dichtheit des hydraulischen Systems während der Ruhepausen maßgeblich
ist, eine ungefährliche, keine Erosion mehr verursachende laminare Strömung auftreten.
Diese Strömung wird sich bis zur Durchflußkante 10 fortsetzen. Erst an der Durchflußkante
10, die für die Abdichtung im Ruhezustand des hydraulischen Systems unwichtig ist,
wird
die schädliche turbulente gesehoßartige Strömung mit höchstem
Druckgefälle von mehreren 100 atü in den Raum 31 einströmen und unter Ausnutzung
der Dämpfung durch die Staudrossel 32 in den drucklosen Vorratsraum 33 für die hydraulische
Betriebsflüssigkeit abströmen. Eine weitere Dämpfung der hydraulischen Flüssigkeit
aus dem Expansionsraum 16 über die Kontaktfläche 8 wird durch die Drossel 17 hervorgerufen.
Die Wirkung der Drossel ist von der Kompressibilität (bzw. Expansionskraft) der
hydraulischen Flüssigkeit sowie von der unter dem Kolben und im Hochdruckraum 20
anstehenden Menge der hydraulischen Flüssigkeit abhängig.