DE2741509A1

DE2741509A1 - Einrichtung zur erzeugung von druckimpulsen

Info

Publication number: DE2741509A1
Application number: DE19772741509
Authority: DE
Inventors: Keith Moodie
Original assignee: HEALTH AND SAFETY EXECUTIVE
Current assignee: HEALTH AND SAFETY EXECUTIVE
Priority date: 1976-09-21
Filing date: 1977-09-15
Publication date: 1978-03-23
Also published as: JPS5359178A; GB1580904A; FR2365045A1; US4280326A

Description

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ma. ing. K. HÖLZER

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Augsburg, den 12. September 1977

Health and Safety Executive,

Regina House, 295, Old Marylebone Road, London NWl

England

Einrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

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Insbesondere handelt es sich dabei um einen Druckverstärker zur Erzeugung von Hochdruck-Druckmittelimpulsen„

Als Anwendungsgebiet der Erfindung kommen Bergbau, Tunnelvortrieb, Steinbruchbetrieb und andere Einsatzgebiete in Frage, bei denen die Erzeugung einer Folge von Hochdruckimpulsen zur Einwirkung auf das abzubauende Material nützlich ist.

Es ist bereits ein Druckverstärker vorgeschlagen worden, der große Entlastungsventile aufweist und bei welchem das zugehörige Leitungssystem außerhalb des Zylinders des Druckverstärkers angeordnet ist. Die Entlastungsventile dienen dazu, Druckmittel, das sich vorderhalb des einen großen Durchmesser aufweisenden Teils eines Stufenkolbens befindet und dessen Stirnfläche beaufschlagt, schnell entweichen zu lassen, so daß der Kolben sich zwecks Erzeugung eines Impulses schnell nach vorne bewegen kann.

Bei dem bereits vorgeschlagenen Druckverstärker ist in dem engeren Abschnitt des den Stufenkolben aufnehmenden Zylinders eine Dichtungsanordnung vorgesehen, die in beiden Richtungen längs der Zylinderbohrung abdichten soll. Diese Dichtungsanordnung muß dem hohen Druck des aus dem

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Druckverstärker auszustoßenden Druckmittels standhalten können. Es hat sich gezeigt, daß derartige Hochdruckdichtungen im Eetrieb vergleichsweise häufig ausfallen und deshalb zu Reparaturzwecken leicht zugänglich sein sollten.

Ferner kann es bei einem Stufenkolben-Druckverstärker der bereits vorgeschlagenen Art vorkommen, daß die jeweils beim nächsten Druckimpuls auszustoßende Druckflüssigkeitsmenge während des vorhergehenden Kolbenrücklaufs nicht zur Xolbenvorderseite strömt, was zu Schäden am Druckverstärker führen kann, wenn der nach vorne gedrängte Kolben anfänglich auf nur sehr geringen Widerstand stößt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das die schnelle Vorwärtsbewegung der Stufenkolbenanordnung steuernde Ventil innerhalb des Druckverstärkergehäuses angeordnet werden kann, so daß große externe Entlastungsventile und das zugehörige Leitungssystem entfallen können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

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Die Erfindung bringt den technischen Fortschritt, daß das erwähnte Ventil innerhalb der die Stufenkolbenanordnung aufnehmenden Zylinderanordnung untergebracht ist und damit keine äußeren Entlastungsventile erforderlich sind. Außerdem bringt die Erfindung den Vorteil, daß die Dichtungsanordnung zwischen dem kleinen Kolben der Stufenkolbenanordnung und dem zugehörigen Zylinderteil nur in einer Richtung wirksam zu sein braucht und deshalb einfacher ausgebildet sein kann. Weiterhin ermöglicht die Erfindung die leicht zugängliche Anordnung dieser Hochdruck-Dichtungsanordnung. Außerdem ermöglicht es die Erfindung, einen Druckverstärker so auszubilden, daß im Vergleich zu bekannten Druckverstärkern kaum eine Gefahr besteht, daß beim Kolbenrücklauf die für den nächsten Druckimpuls erforderliche Druckmittelmenge nicht vor die Stufenkolbenanordnung strömt.

Der kleine Kolben befindet sich in einem kleinen Zylinder und dient im Betrieb zur Verstärkung des Druckes von im kleinen Zylinder befindlichem Druckmittel, um impulsweise einen Druckflüssigkeitsstrahl aus dem kleinen Zylinder auszustoßen.

Vorzugsweise sind die Querschnittsflächen des großen Kolbens und des Hilfskolbens im wesentlichen gleich.

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Der Druckmittelbehälter enthält vorzugsweise Druckgas, und zwar zweckmäßigerweise ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff. Der maximale Gasdruck im Betrieb der Einrichtung liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 280 kp/cm²o

Die in den kleinen Zylinder eingeleitete Flüssigkeit, deren Druck mittels der Einrichtung zu verstärken ist, ist zweckmäßigerweise ein Gemisch aus Wasser und einem kleinen Anteil wasserlöslichem öl. Ein Gemisch aus 3 Gew.-55 wasserlöslichem öl und Wasser ist besonders geeignet. Die Einrichtung kann maximale Plüssigkeitsdrücke

im Bereich von etwa 12 000 kp/cm erzeugen.

Das zwischen dem großen Zylinder und dem Hilfszylinder befindliche Ventil ist vorzugsweise ein schnell wirkendes Ventil mit einem beweglichen Ventilelement, das einen kreisförmigen oder ringförmigen Querschnitt besitzt und mit einem ringförmigen Ventilsitz zusammenwirkt. Das bewegliche Ventilelement kann mittels Druckmittelbeaufschlagung seiner vom Ventilsitz abgewandten Stirnfläche gegen den Ventilsitz gedrängt werden. Das Ventil öffnet in diesem Fall, wenn über dem beweglichen Ventilelement eine dieses vom Ventilsitz wegdrängende Druckdifferenz steht.

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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Pig. I einen Längsschnitt durch eine Einrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen nach der Erfindung, und

Figo 2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausfuhrungsform einer solchen Einrichtung.

Der in Fig. 1 gezeigte Druckverstärker enthält einen Druckmittelbehälter 1, der um das offene Ende eines großen Zylinders 2 herum verläuft. Der Druckmittelbehälter 1 weist einen Ringraum auf, dessen radial innere Wandung durch die Wand des großen Zylinders gebildet ist. Diese Anordnung ermöglicht die Konstruktion eines großen Zylinders, der im Betrieb nur wenig belastet und deshalb nur geringen Biegebeanspruchungen ausgesetzt ist. In dem großen Zylinder 2 ist ein großer Kolben 3 verschiebbar, dessen rückwärtige Stirnfläche einen Teil der Begrenzung des Druckmittelbehälters 1 bildet. Nicht in Fig. 1 dargestellt sind Mittel zur Speisung des Druckmittelbehälters

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mit Stickstoff unter einem Druck von etwa 280 kp/cm aus einem Gashilfspumpensystemo

Der große Kolben 3 ist über zwei Zugstangen 5 mit einem Hilfskolben 6 verbunden. Dieser Hilfskolben weist einen verhältnismäßig großen, etwa demjenigen des großen Kolbens 3 entsprechenden Durchmesser auf und ist in einem Hilfszylinder 14 verschiebbar. Am Hilfskolben 6 ist ein kleiner Kolben 15 befestigt, der in einer innerhalb eines kleinen Hochdruckzylinders 16 gebildeten Kammer 20 verschiebbar ist. Die Kolben 3» 6 und 15 sind jeweils mit strömungsmitteldicht an der zugehörigen Zylinderwand anliegenden Dichtungen versehen und bilden zusammen eine Stufenkolbenanordnung.

Die Kolben 3 und 6 sind durch eine Wand 7 voneinander getrennt, in welcher die Zugstangen 5 strömungsmitteldicht gleitend verschiebbar sind. Die Wand 7 bildet das tragende Konstruktionsteil der gesamten Einrichtung und die beiden Zylinder 2 und I¹I ragen nach entgegengesetzten Seiten von dieser Wand weg. Der Druckmittelbehälter 1 weist, wie bereits gesagt, einen ringförmigen Teil auf, der um den großen Zylinder 2 herum verläuft und an der Wand 7 endigt. Der kleine Hochdruckzylinder 16 befindet sich innerhalb eines Außenzylinders 17, der sich seinerseits an das von der Wand 7 entfernt gelegene Ende des Zylinders Ik an-

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schließt. Der Außenzylinder 17 und der Zylinder 14 werden mittels einer Vielzahl von Zugstangen 18 zusammengehalten, welche den Außenzylinder 17 mit der Wand 7 verbinden.

Die Wand 7 ist mit einer Durchtrittsöffnung 8 versehen. Diese Durchtrittsöffnung verbindet eine von der Wand 7, dem großen Zylinder 2 und der vorderen Stirnfläche des großen Kolbens 3 begrenzte Kammer 9 mit einer von der Wand 7, dem Hilfszylinder lH und der hinteren Stirnfläche des Hilfskolbens 6 begrenzten Kammer 10. Innerhalb der Durchtrittsöffnung 8 befindet sich ein Ventil mit einem beweglichen Ventilelement 11 und einem ringförmigen metallenen Ventilsitz 12, mit welchem das bewegliche Ventilelement zwecks Schließens des Ventils zusammenwirken kann_o Das bewegliche Ventilelement 11 ist in einer zylindrischen Sackbohrung der Wand 7 verschiebbar« Sein Verschiebbarkeitsbereich entlang der genannten Sackbohrung ist einerseits durch das Ende dieser Sackbohrung und andererseits durch den Ventilsitz 12 begrenzt. Entfernt sich das Ventilelement 11 vom Ventilsitz 12, so verbindet ein Ringkanal 13 die Kammer 9 mit der Kammer 10.

Ein zur Kammer 20 führender Einlaßkanal 30 ist innerhalb der Kolben 6 und 15 gebildet und steht mit der Kammer 10 in Verbindung. An dem nahe der Kammer 20 liegenden Ende des Einlaßkanals 30 ist ein Rückschlagventil 21

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angeordnet, das einen Druckmittelrückstrom aus der Kammer 20 in die Kammer 10 verhindert. Das im kleinen Ilochdruckzylinder 16 verschiebbare Ende des kleinen Kolbens 15 ist mit einer Hochdruckdichtung 19 versehen. Aus der Kammer 20 führt ein Auslaßkanal 30 heraus, der zu einer Düsengruppe innerhalb eines Bergbauwerkzeugs, beispielsweise eines Meißels oder Hammers, führen kann·

Weiter weist die Einrichtung drei Druckmittelkanäle zur Zufuhr von Druckmittel von externen Steuerventilen zu verschiedenen Teilen der Einrichtung auf. Ein Druckmittelkanal 2k steht mit der Kammer 10 in Verbindung, ein weiterer Druckmittelkanal 25 steht mit der Kammer 9 in Verbindung und ein Druckmittelkanal 26 führt in eine Kammer 29, die zwischen dem beweglichen Ventilelement und dem Boden der Sackbohrung in der Wand 7 gelegen ist. Die Vorwärtsbewegung der Stufenkolbenanordnung, d.h. in der Zeichnung die Bewegung nach links, ist durch ein Polster 27 begrenzt, mit welchem die vordere Stirnfläche des großen Kolbens 3 in Berührung kommt.

Der in Fig. 1 gezeigte Druckverstärker arbeitet in folgender Weise:

In der Ruhelage der Einrichtung befinden sich die Kolben 3 und 6 am vordersten Ende ihres Hubweges, d.h.

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in der Zeichnung in ihrer am weitesten links liegenden Stellung, wobei der Kolben 3 am Polster 27 anliegt. Das im Behälter 1 befindliche Druckgas drängt die Stufenkolbenanordnung in diese Stellung, und eine Rückwärtsbewegung der Kolben aus dieser Stellung erfolgt durch Beaufschlagung der vorderen Stirnfläche des Kolbens 3 mit Druckmittel. Die Einrichtung wird zwecks Erzeugung eines IIochdruck-Flüssigkeitsimpulses aus der Kammer 20 gespannt, indem zunächst das Ventil 11 durch Einleiten von Druckflüssigkeit durch den Kanal 26 in die Kammer 29, wodurch das bewegliche Ventilelement 11 gegen den Ventilsitz 12 gedrängt wird, geschlossen wird. Nach dem Schließen des Ventils wird durch den Kanal 25 weiteres Druckmittel in die Kammer 9 hineingepumpt. Der Druck des durch die Kanäle 25 und 26 eingeleiteten Druckmittels beträgt etwa

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350 kp/cm , und es hat sich als zweckmäßig erwiesen, als Druckmittel ein Gemisch aus Wasser und 3 % wasserlöslichem Ül zu verwenden. Das unter diesem Druck in die Kammer 9 eingeleitete Druckmittel erzeugt eine Druckdifferenz über dem großen Kolben 3, welche diesen im Zylinder 2 nach hinten drängte Diese Rückwärtsbewegung des großen Kolbens bewirkt eine gleich große Rückwärtsbewegung des Hilfskolbens 6 im Zylinder Ik₀ Durch diese Verschiebung des Kolbens 6 wird Druckmittel aus der Kammer 10 herausgedrückt, das teilweise durch den Kanal 30 und das Rückschlagventil

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in die Kammer 20 strömt oder durch den Kanal 2*1 abfließt« Der Kanal 2k steht mit einem Überdruck-Rückschlagventil in Verbindung, das erst öffnet und ein Ausströmen von Druckmittel aus dem Kanal 2h ermöglicht, wenn der Druck

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im Kanal 2k etwa 7 kp/cm übersteigt. Polglich füllt das Druckmittel aus der Kammer 10 über den Kanal 30 erst die

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Kammer 20, bis der Druck 7 kp/cm übersteigt, wonach der Rest des in der Kammer 10 eingeschlossenen Druckmittels durch den Kanal 2k abströmen kann.

Am Ende der Rückwärtsbewegung der Kolben 3 und 6 nehmen diese die in Fig. 1 gezeigten Positionen ein» Die Kammer 20 ist mit Druckmittel gefüllt, das wegen des Rückschlagventils 21 diese Kammer nicht mehr durch den Kanal verlassen kann. Eine Vorwärtsbewegung des Kolbens 15 bewirkt deshalb ein Ausstoßen des Druckmittels aus der Kammer 20 durch den am vorderen Kammerende beginnenden Auslaßkanal 31. Eine schnelle Vorwärtsbewegung des Kolbens 15 zur Erzeugung eines hohen Druckmitteldruckes in der Kammer 20 wird durch Entspannen des Druckmitteldruckes im Kanal 26 erreicht. Infolge der daraus resultierenden Entspannung des Druckes in der Kammer 29 drängt das Druckmittel in der Kammer 9 das bewegliche Ventilelement 11 nach rückwärts, wodurch das Ventil geöffnet wird. Dadurch wird der Druck in der Kammer 9 entlastet, indem das Druckmittel durch den Kanal 13 in die Kammer 10 strömen kann»

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Infolge dieser Druckentlastung bewegt sich der Kolben 3 im Zylinder 2 unter dem Druck des im Behälter 1 enthaltenen Gases nach vorne₀ Die sich ergebende schnelle Vorwärtsbewegung des Kolbens 15 stößt Druckmittel aus der Kammer in Form eines Hochdruckstrahles mit Drücken von etwa

12 000 kp/cm durch die Düse aus» Wenn der Kolben 3 das Ende seiner Vorwärtsbewegung im Zylinder 2 erreicht, wiederholt sich der eben beschriebene Zyklus.

Das Ventil 11, 12 wirkt also als Entlastungsventil, Es befindet sich innerhalb der die Stufenkolbenanordnung aufnehmenden Konstruktionsteile des Druckverstärkers, so daß kein externes Entlastungsventil mit dem zugehörigen leistungsfähigen Leitungssystem erforderlich ist«

Die Dichtung 19 dient nur dazu, die Hochdruckflüssigkeit in der Kammer 20 zu halten. Sie ist nicht auch noch dazu erforderlich, einen Flüssigkeitsübertritt aus dem vorderhalb des Kolbens 6 gelegenen Raum in die Kammer 20 zu verhindern. Die Dichtung zwischen dem Zylinder 16 und dem Kolben 15 kann deshalb verhältnismäßig einfach ausgebildet sein, und die in Fig. 1 gezeigte Konstruktion ermöglicht eine leichte Zugänglichkeit der Dichtung 19.

Während des Zurückziehens des Kolbens 6 wirkt in die Kammer 20 einströmendes Arbeitsmittel mit einem Druck von

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7 kp/cm auf das Rückschlagventil 21. Die Gefahr, daß das Ventil 21 hängenbleibt und den Durchtritt von Arbeitsmittel verhindert und daß die Kammer 20 leer bleibt oder nicht vollständig gefüllt wird, ist dementsprechend klein_β

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit des Druckverstärkers. Viele Bauteile sind ähnlich wie bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 1 ausgebildet und mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Arbeitsweise der in Fig_e 2 gezeigten Anordnung entspricht derjenigen der Einrichtung nach Fig. 1.

Die Anordnung nach Fig. 2 enthält nur eine Zugstange 5» die in der Längsachse der Stufenkolbenanordnung liegt. Das bewegliche Ventilelement 11 ist demzufolge ringförmig» Der große Kolben 3 ist mit zwei Dichtungen 35 und 36 versehen, zwischen denen ein Ringraum 37 liegt. Mit diesem Ring— raum 37 steht eine Bohrung 38 in Verbindung, durch welche zwischen den Dichtungen 35 und 36 eingeschlossenes Druckmittel abgeführt werden kann.

Der große Kolben 3 trägt eine Kolbenstange 39, die eine nicht gezeigte Ventilsteuerung betätigt, um die Druckmittelströmungen durch die Kanäle 25 und 26 entsprechend der Position der Stufenkolbenanordnung in den Zylindern zu steuern. In der vorderen Stirnfläche des großen Kolbens

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ist eine axiale Ausnehmung ^O gebildet, die bei in seiner vordersten Stellung befindlichem Kolben 3 das Ventilgehäuse des beweglichen Ventilelements 11 aufnimmt. Ein Durchtrittskanal ¹Jl ermöglicht dabei ein gesteuertes Ausströmen des zwischen dem Ventilgehäuse und dem großen Kolben 3 in der Aussparung ¹JO eingeschlossenen Druckmittels, wodurch eine Polsterwirkung erzielt wird, wenn die Stufenkolbenanordnung ihre vorderste Position erreicht« Bei mit Druckgas gefülltem Druckmittelbehälter 1 befindet sich der große Zylinder 2 in Längsrichtung unter Zugspannung,, Die Anordnung eines ringförmigen Druckgasbehälters um den großen Zylinder 2 herum ermöglicht die Ausbildung des großen Zylinders derart, daß im Betrieb geringere Biegespannungen auftreten als bei einem nicht abgestützten Druckzylinder.

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Claims

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enanordnung, die einen großen Kolben und mechanisch gekuppelten kleinen Kolben

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ORIGINAL INSPECTED

und des Hilfskolbens (6) im wesentlichen gleich groß sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Kolben (15) in einem kleinen Zylinder (16) geführt ist und daß die vom kleinen Zylinder umschlossene Kammer (20) mit einem ioinlaßkanal (30) und einem Auslaßkanal (31) in Verbindung steht, durch welch letzteren ein Druckmittelstrahl ausgestoßen werden kann.

¹J. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelbehälter (1) Druckgas enthält«

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Ventil (11, 12) ein kreisförmiges oder ringförmiges bewegliches Ventilelement (11) und einen damit zusammenwirkenden ringförmigen Ventilsitz (12) aufweist.

6ο Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel (26, 29) zum Beaufschlagen der vom Ventilsitz (10) abgewandten Stirnfläche des beweglichen Ventilelements (11) mit einem Druckmitteldruck, um das bewegliche Ventilelement gegen den Ventilsitz zu drängen.

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7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der große Kolben (3) und der Hilfskolben (6) durch eine Zugstange miteinander gekuppelt sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der große Kolben (3) und der Hilfskolben (6) durch eine Mehrzahl von Zugstangen (5) miteinander gekuppelt sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelbehälter (1) einen ringförmigen Raum aufweist, dessen radial innere Wandung durch die Wand des großen Zylinders (2) gebildet ist.

1Oo Einrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche Ί bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (30), mit welchem die vom kleinen Zylinder (16) umschlossene Kammer (20) in Verbindung steht, im kleinen Kolben (15) und im Hilfskolben (6) gebildet ist und mit dem hinterhalb des Hilfskolbens befindlichen Raum (10) des Hilfszylinders (14) in Verbindung steht.

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