DE3518472C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil, insbesondere für den Schreitausbau, mit einem innerhalb einer Längsbohrung eines Ventilgehäuses entlang mindestens eines in einer umlaufenden Ringnut eingelegten O-Ringes bis zu einem Anschlag verschieblichen Ventilkolben, der bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Soll-Einstelldruckes entgegen der Kraft einer Feder oder eines Federsystems axial verschiebbar ist und Druckflüssigkeit von der Eingangsseite des Gehäuses durch eine im Ventilkolben angeordnete Axialbohrung und mehrere davon abzweigende Radialbohrungen zu einer Ausgangsseite des Ventilgehäuses durchströmen läßt und der bei Erreichung oder Unterschreitung des vorgegebenen Soll-Einstelldruckes unter der Wirkung der Feder oder des Federsystems in seine Schließstellung zurückschiebbar ist, in der mindestens ein Teil der Austrittsöffnungen der Radialbohrungen von der der Eingangsseite zugekehrten Vorderkante der Ringnut überschnitten ist.

Ein Druckbegrenzungsventil dieser Art ist aus dem DE-GM 83 12 106 bekannt geworden. Dieses Druckbegrenzungsventil hat sich in der Praxis vielfach bewährt, ist jedoch bezüglich seiner Druckbegrenzung bzw. Druckentlastung auf relativ geringe Volumenströme von 0,4 bis 100 l/min beschränkt. Aus diesem Grunde muß zum Abfangen von höheren Drücken, zum Beispiel von Gebirgsschlägen, neben diesem Druckbegrenzungsventil an den jeweiligen Stempeln des Schreitausbaus zusätzlich ein relativ großes Gebirgsschlagventil angeordnet werden. Bekannte Gebirgsschlagventile sind jedoch derart voluminös, daß sie entweder nur innerhalb eines Stempels oder getrennt davon auf einem eigenen Sockel angeordnet werden müssen, was nicht nur deren Reparatur und Wartung erheblich erschwert und verteuert, sondern auch den Schreitausbau durch relativ große Anschlüsse und große Baumaße erheblich behindert.

Die Güte derartiger Druckbegrenzungsventile wird im wesentlichen durch die Druckdifferenz zwischen Öffnungs- und Schließdruck, der Höhe des Durchflußstromes in l/min und ihrer Einsatzgrenze bestimmt. Dabei ist eine möglichst geringe Druckdifferenz zwischen Öffnung und Schließung, bei einer möglichst kurzen Öffnungs- bzw. Ansprechzeit ebenso vorteilhaft, wie ein möglichst großer Volumenstrom pro Zeiteinheit und möglichst geringe Baumaße des Druckbegrenzungsventils selbst. Und schließlich ist eine möglichst hohe Standzeit auch nach zigtausenden von Öffnungs-Schließintervallen bei derartigen Ventilen erwünscht, um bei relativ langer Lebensdauer und einwandfreiem Schließverhalten Beschädigungen der Hydraulik im Schreitausbau oder bei ihrem sonstigen Einsatz zu verhindern.

Ein weiteres Druckbegrenzungsventil anderer Art ist aus der FR-PS 11 49 979 bekanntgeworden. Darin weist der Ventilkolben zwei Abspritzstufen in Form zwei unmittelbar untereinander sowie versetzt zueinander angeordneter Lochreihen, die jedoch zur O-Ring-Dichtung einen relativ weiten Abstand aufweisen, daher zwischen Öffnungs- und Schließphase einen relativ großen Kolbenhub bedingen und somit auch eine entsprechend lange Öffnungszeit nachsichziehen. Trotz ihrer Zweistufigkeit ist auch dieses Druckbegrenzungsventil nur auf relativ geringe Drücke und Durchflußvolumina bei einem ungünstigen Durchflußverhalten begrenzt.

Nach den Betriebsempfehlungen für den Steinkohlenbergbau hinsichtlich der "Anforderungen an hydraulische Steuerungen für Schreitausbau" soll der Arbeitsbereich der Ventile zwischen Öffnen und Schließen im ersten Betriebsjahr mindestens innerhalb einer Toleranzgrenze von ± 10% vom Soll-Einstelldruck liegen. Der Öffnungsdruckanstieg Δ p soll kleiner ≦ 75 bar bei einem Durchflußstrom im Bereich von 0 bis 15 l/min liegen.

Bei Druckbegrenzungsventilen für große Durchflußströme soll der Schließdruck der Ventile im ersten Betriebsjahr maximal - 20% vom Soll-Einstelldruck abweichen. Bei einem Öffnungsdruckanstieg Δ p ≦ 150 bar soll der Durchflußstrom in einem Bereich von 0 bis 30 l/min liegen. Zur Funktionssicherheit wird ferner verlangt, daß bei mindestens tausend Arbeitsspielen unter Prüfstandbedingungen bei einer Durchflußzeit je Arbeitsspiel von 3 Sekunden ein Durchflußstrom von 30 l/min erreicht wird. Bei großen Durchflußströmen von über tausend Litern, wie sie bei den entsprechend voluminösen vorbekannten Gebirgsschlagventilen erforderlich sind, ändern sich die Druckdifferenzen zwischen Öffnungs- und Schließdruck erheblich gegenüber den vorgenannten Werten.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Druckbegrenzungsventil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei relativ geringen Abmessungen sowohl bei möglichst kleinen Volumenströmen im unteren Druckbereich als auch bei möglichst großen Volumenströmen bei großen Druckspitzen infolge von Gebirgsschlägen möglichst geringe Druckdifferenzen zwischen Öffnungsdruck und Schließdruck bei äußerst geringer Öffnungszeit sicherstellt und dennoch bei möglichst kleinen Anschlußmaßen an einen Stempel oder an ein hydraulisches System anschließbar ist und welches eine lange Lebensdauer des O-Ringes aufweist und somit eine lange Funktionssicherheit des Ventils gewährleistet. Mit anderen Worten soll ein Druckbegrenzungsventil geschaffen werden, das in einem einzigen Ventil sowohl die Vorteile eines vorbekannten kleinen Druckbegrenzungsventils und eines großen Gebirgsschlagventils in sich vereinigt und dennoch an den jeweiligen Stempeln problemlos und rasch anschließbar ist, den Schreitausbau nicht behindert sowie wartungs- und reparaturfreundlich ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des eingangs genannten Gattungsbegriffes erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

• a) Der einteilige Ventilkolben weist in einem Abstand zwei Lochreihenpaare auf, von denen mindestens eine Lochreihe eines Lochreihenpaares seine Öffnungsstellung geringfügig vor der korrespondierenden Lochreihe des anderen Lochreihenpaares erreicht,
• b) die Summe der Querschnittsflächen der Radialöffnungen der Lochreihenpaare verhält sich zur Innenquerschnittsfläche des Ventilkolbens wie 1,4 : 1 bis 1,5 : 1,
• c) sämtliche O-Ringe weisen eine Shore-Härte von mindestens 90 Shore-A auf.

Durch diese Ausbildung wird ein Druckbegrenzungsventil geschaffen, das sowohl die Funktion eines kleinen Druckbegrenzungsventils als auch die eines großen Gebirgsschlagventils in sich vereinigt. Wie Untersuchungen überraschend ergeben haben, beträgt zwischen einem Schließdruck von 380 bar und einem Öffnungsdruck von 450 bar der Durchflußstrom über tausend Liter pro Minute. Durch diese geringe Druckdifferenz sowie aufgrund seiner insgesamt vierstufigen Ausbildung kann dieses Ventil sowohl als Druckbegrenzungsventil für geringe Durchflußströme als auch als Gebirgsschlagventil mit großen Durchflußströmen bei relativ geringer Druckdifferenz zwischen Öffnungs- und Schließwert eingesetzt werden. Die Öffnungszeit betrug nur 6 bis 7 Millisekunden.

Diese Wirkung wird durch die im letzten Halbsatz des Oberbegriffes des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erzielt, da die Öffnungszeit eine Funktion dieses minimierten Hubweges ist.

Durch die beiden Lochreihenpaare und das Merkmal a) öffnet zunächst die der Ausgangsseite des Ventilgehäuses nächstgelegene Lochreihe des einen Lochreihenpaares, sodann die hierzu geringfügig versetzte korrespondierende Lochreihe des anderen Lochreihenpaares, hiernach wiederum die zweite Lochreihe des ersten Lochreihenpaares und schließlich die zweite Lochreihe des anderen Lochreihenpaares.

Durch das Merkmal b) wird weitgehend der Strömungs- und Umlenkungswiderstand um 90° zwischen Axial- und Radialbohrungen kompensiert, wobei sich ein Wert von 1,43 : 1 als besonders vorteilhaft herausgestellt hat.

Die Shore-Härte gemäß dem Merkmal c) führte überraschend dazu, daß selbst nach über 80 000 Arbeitsspielen noch keine Verschleißerscheinungen der Dichtungen festgestellt werden konnten.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieses neuen Druckbegrenzungsventils weist das Ventilgehäuse eine Gesamtlänge von ca. 260 mm, einen größtmöglichen Außendurchmesser von 55 mm und der Ventilkolben einen Innendurchmesser von 11 mm und einen Außendurchmesser von 13 mm auf, wobei die insgesamt 48 Radialöffnungen der Lochreihen mit je einem Durchmesser von 1,9 mm versehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel verhält sich vorteilhaft die Summe der Querschnittsflächen der Radialöffnungen der Lochreihenpaare zur Innenquerschnittsfläche des Ventilkolbens wie 1,43 : 1.

Bei dieser Ausführungsform erreichen sämtliche Radialöffnungen nach einem Hubweg von bereits ca. 5 mm ihre vollständige Öffnungsstellung.

Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Ventilfeder eine zylindrische Schraubenfeder, die bei einer Vorspannkraft bis zu 600 kp einen Toleranzbereich von 21 kp/mm bis 25 kp/mm aufweist. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Federrate von 22,5 kp/mm erwiesen. Die Ventilfeder ist mit einem mittleren Windungsdurchmesser von 34 mm, einem Drahtdurchmesser von 9,5 mm, mit zehn Windungen und mit einer Gesamtlänge (ohne Vorspannung) von 140 mm versehen. Bei einem Schließdruck des Druckbegrenzungsventils von 380 bar auf der Eingangsseite ist die Ventilfeder auf ca. 500 kp vorgespannt. Die Ventilfeder stützt sich mit ihrem einen Ende gegen eine Schließmutter mit Außengewinde, die mittels eines am Ventilgehäuse gehaltenen Splintes nach Vorspannung der Ventilfeder gegen Verdrehungen gesichert ist, und mit ihrem anderen Ende gegen einen Ventilteller ab, an dessen anderer Seite der Kopf des Ventilkolbens anliegt. Da bei dieser vorteilhaften Ausführungsform der Splint zur Sicherung der Schließmutter quer zur Längsachse des Druckbegrenzungsventils eingesetzt ist, kann er zum raschen Auswechseln durch eine Querbohrung innerhalb der Mutter bis zu einer Innensechskantöffnung vorgetrieben und somit das Druckbegrenzungsventil rasch geöffnet und entsprechend gewartet werden.

Um ein Eindringen von Hydraulikflüssigkeit und von korrosiven Partikeln in den Federraum zu unterbinden, die unter Umständen zu einer Änderung der Federkennlinie führen können, ist der Federraum durch eine O-Ring-Dichtung gegenüber der Auslaßseite abgedichtet. Dieser O-Ring kann wahlweise im Ventilgehäuse oder im Ventilkolben angeordnet werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das der Einlaßseite zugekehrte Lochreihenpaar durch eine O-Ring-Dichtung und das der Auslaßseite zugekehrte Lochreihenpaar durch zwei O-Ring-Dichtungen gegenüber der Auslaßseite abgedichtet. Zwischen der O-Ring-Dichtung des Federraumes und der nächstliegenden O-Ring-Dichtung des zweiten Lochreihenpaares sind in der Wand des Ventilgehäuses mindestens sechs, die Auslaßseite dieses Lochreihenpaares bildende Auslaßöffnungen angeordnet. Ferner sind zwischen der O-Ring-Dichtung für das der Einlaßseite zugekehrte Lochreihenpaar und der unteren O-Ring-Dichtung für das zweite Lochreihenpaar weitere sechs, die Auslaßseite für das diesem zugekehrten Lochreihenpaar bildende Auslaßöffnungen am Ventilgehäuse angeordnet. Diese Anordnung in Verbindung mit dem zur Lösung der Aufgabe beschriebenen Merkmal a) ergibt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, wenn das erste Lochreihenpaar in bezug auf seine Öffnungsstellung von ca. 0,4 mm vor dem der Auslaßseite zugekehrten Lochreihenpaar in bezug auf dessen Öffnungsstellung am Ventilkolben angeordnet ist.

Um ein Zusammenpressen der Ventilfeder auf Block und damit eine nachteilige Änderung ihrer Kennlinie zu verhindern, weist das Ventilgehäuse zwischen der O-Ring-Dichtung für das der Einlaßseite zugeordnete Lochreihenpaar und der unteren O-Ring-Dichtung für das der Auslaßseite zugeordnete Lochreihenpaar einen Erweiterungsraum auf, in dem ein mit dem Ventilkolben relativ unbeweglich verbundener Anschlagflansch gegen eine Anschlagkante des Ventilgehäuses verschiebbar ist. Da der maximale Hub des Ventilkolbens beim Fahren des Anschlagflansches gegen die Anschlagkante des Ventilgehäuses so bemessen ist, daß bei dieser Stellung des Ventilkolbens in seiner maximal ausgefahrenen Stellung die Ventilfeder noch nicht auf Block gefahren ist, kann sie auch ihre vorteilhafte lineare Federcharakteristik mit einer besonders vorteilhaften Federrate von 22,5 kp/mm nicht ändern.

Zur Sicherstellung eines wartungsfreundlichen sowie äußerst funktionssicheren Druckbegrenzungsventils ist sein Ventilgehäuse zweiteilig ausgebildet, von denen das eine große Gehäuseteil den Federraum, eine Führungsbohrung für den Ventilkolben und den Erweiterungsraum aufweist, wohingegen das zweite kleine Gehäuseteil aus einem den Anschluß des Ventils an ein Hydrauliksystem aufweisendes Verschraubungsteil mit Außengewinde besteht, welches ebenfalls eine Führungsbohrung für den Ventilkolben sowie die O-Ring-Dichtung für das erste Lochreihenpaar aufweist und mit dem großen Gehäuseteil bis zu einem zentrierenden Anschlag verschraubt und in dieser Lage durch einen Splint mit dem großen Gehäuseteil verbunden und gegen Verdrehungen gesichert ist. Durch den zentrierenden Anschlag des großen Gehäuseteils, gegen den die Stirnfläche des kleinen Gehäuseteils durch Verschraubung gepreßt wird, ist es in besonders vorteilhafter Weise zur Sicherstellung einer einwandfreien Abdichtung des Ventilkolbens möglich, die Führungsbohrung für den Ventilkolben des kleinen Gehäuseteils zur Führungsbohrung des großen Gehäuseteils mit einem Spiel von maximal 0,005 mm zu versehen. Das ist insofern wesentlich, wie ein Verkanten des Ventilkolbens in den Führungsbohrungen des großen und des kleinen Gehäuseteils unmittelbar zu einer Funktionsunfähigkeit des gesamten Druckbegrenzungsventils führen würde. Ferner soll jedoch die Gleitpassung zwischen Ventilkolben und Führungsbohrungen so eng wie nur möglich bemessen werden, um eine hohe Effektivität der Dichtungen bei entsprechend großer Standzeit sicherzustellen.

Um ein Herausfallen des Ventilkolbens in unbelastetem Zustand, zum Beispiel vor der Montage des Druckbegrenzungsventils, zu verhindern, ist das kleine Gehäuseteil an seiner Einlaßseite mit einer gegenüber der Führungsbohrung für den Ventilkolben kleineren Auslaßbohrung mit einer Haltekante für den Ventilkolben versehen.

Um das neue, auch als Gebirgsschlagventil äußerst wirksame Druckbegrenzungsventil problemlos an einen Stempel oder an ein sonstiges Hydrauliksystem anschließen zu können, ist das kleine Gehäuseteil mit einem Anschluß mit einem metrischen Gewinde von beispielsweise M 40×2 mm versehen. Hierzu weist der Außenumfang des kleinen Gehäuseteils das vorgenannte metrische Gewinde auf.

Zur Gewährleistung eines möglichst geringen Hubes, der bei dem vorbeschriebenen Ventil von der Schließstellung zur Öffnungsstellung ca. 5 mm beträgt, ist es besonders vorteilhaft, die Wanddicke der Ringnut der beiden der Auslaßseite nächstliegenden O-Ring-Dichtungen in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm zu bemessen, wobei sich eine Wanddicke von 1,8 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt hat. Denn diese Wanddicke beeinflußt in jedem Fall den Hub des Ventilkolbens von seiner Schließ- bis zu seiner vollständigen Öffnungsstellung. Je kürzer dieser Hub bemessen ist, um so kürzer ist die Öffnungszeit, die bei diesem Ventil eine von keinem anderen Ventil bislang erreichte Kürze von 6 bis 7 Millisekunden aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt des neuen Druckbegrenzungsventils,

Fig. 2 die Federkennlinie der als zylindrische Schraubenfeder ausgebildeten Ventilfeder und

Fig. 3 das Durchflußverhalten des neuen Ventils anhand eines Diagrammes, in dem anhand von fünf Meßpunkten der Druck p in bar über dem Durchflußstrom V in l/min aufgetragen ist,

Fig. 4 den tatsächlichen Kurvenverlauf von Fig. 3 bei Mittelung zwischen den Meßpunkten.

Das neue Druckbegrenzungsventil (1) gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem großen Gehäuseteil (2), einem kleinen Gehäuseteil (3), einem darin verschieblich angeordneten Ventilkolben (4) und der Ventilfeder (5). Das kleine Gehäuseteil (3) ist mit seinem Außengewinde (6) in ein entsprechendes Innengewinde (7) des großen Gehäuseteils (2) eingeschraubt. An seinem anderen Ende weist das große Gehäuseteil (2) gleichfalls ein Innengewinde (8) auf, in welches eine Schließmutter (9) mit entsprechendem Außengewinde (10) eingeschraubt ist. Nach Vorspannung der Feder (5), welches durch entsprechendes Einschrauben der Schließmutter (9) erfolgt, wird in eine Bohrung (11) ein Splint (12) eingeschlagen und auf diese Weise die Schließmutter (9) gegen Verdrehungen gesichert und damit die Vorspannung der Ventilfeder (5) gehalten.

Zum Lösen der Schließmutter (9) wird der Splint (12) durch die Bohrung (11) bis zu einer Mehrkantausnehmung (13) mit entsprechender Weite eingeschlagen und daraus entfernt.

Der einteilige Ventilkolben (4) weist in einem Abstand (A) Lochreihenpaare (14, 15) auf. Die einzelnen Lochreihen eines jeden Lochreihenpaares (14, 15) sind mit 14′, 14′′ und mit 15′, 15′′ bezeichnet.

Das erste, der Einlaßseite (18) zugekehrte Lochreihenpaar (14) ist durch eine O-Ring-Dichtung (17) und das zweite, der Auslaßseite (20) zugekehrte Lochreihenpaar (15) ist durch zwei O-Ring-Dichtungen (19, 19′) gegenüber der Auslaßseite (20) abgedichtet. Jedes Lochreihenpaar (14, 15) besteht aus zwei unmittelbar übereinander angeordneten sowie zueinander versetzten Lochreihen (14′, 14′′ bzw. 15′, 15′′) mit je zwölf gleich großen Radialöffnungen (21), deren Durchmesser im vorliegenden Fall 1,9 mm beträgt. Die O-Ringe der einzelnen O-Ring-Dichtungen (17, 19, 19′) sind mit 17′, 19′′ und 19′′ bezeichnet. Außer diesen O-Ring-Dichtungen (17, 19, 19′) ist der Ventilkolben (4) mit einer weiteren O-Ring-Dichtung (22) und einem entsprechenden O-Ring (22′) versehen, welcher den die Ventilfeder (5) aufnehmenden Federraum (5′) gegenüber der Auslaßseite (20) abdichtet. Dadurch können in den Federraum (5′) keine Schmutzpartikel und Hydraulikflüssigkeit eindringen, die äußerst korrosiv sein kann.

Die Ventilfeder (5) ist im vorliegenden Fall mit einem mittleren Windungsdurchmesser (D) von 34 mm, einem Drahtdurchmesser (d) von 9,5 mm, ohne Vorspannung mit einer Gesamtlänge von 140 mm und mit zehn Windungen versehen. Die Ventilfeder (5) stützt sich mit ihrem einen Ende gegen die Schließmutter (9) und mit ihrem anderen Ende gegen einen Ventilteller (23) ab, an dessen anderer Seite der Kopf (4′) des Ventilkolbens (4) anliegt.

Zwischen der O-Ring-Dichtung (22) für den Federraum (5′) und der nächstliegenden O-Ring-Dichtung (19′) des zweiten Lochreihenpaares (15) sind in der Wand des Ventilgehäuses (2) mindestens sechs die Auslaßseite (20′) dieses Lochreihenpaares (15) bildende Auslaßöffnungen (24) angeordnet. Zwischen der O-Ring-Dichtung (17) für das erste Lochreihenpaar (14) und der unteren O-Ring-Dichtung (19) für das zweite Lochreihenpaar (15) befinden sich sechs weitere, die Auslaßseite (20′′) für das erste Lochreihenpaar (14) bildende Auslaßöffnungen (25) im Ventilgehäuse (2). Außerdem weist das Ventilgehäuse (2) zwischen der O-Ring-Dichtung (19) für das zweite Lochreihenpaar (15) einen Erweiterungsraum (26) auf, in dem ein mit dem Ventilkolben (4) relativ unbeweglich verbundener Anschlagflansch (27) gegen eine Anschlagkante (28) des Ventilgehäuses (2) verschiebbar ist. Im vorliegenden Fall ist der Anschlagflansch (27) stoffschlüssig mit dem Ventilkolben (4) verbunden. Es ist jedoch auch eine lösbare Befestigung möglich.

Sämtliche Auslaßöffnungen (24, 25) im Ventilgehäuse (2) sind durch einen entropieelastischen, unter dem Druck der abgelassenen Hydraulikflüssigkeit die Auslaßöffnungen (24, 25) freigebenden Gummiring (29, 30) abgedeckt, der in je eine umlaufende Ringnut (31, 32) am Außenumfang des Ventilgehäuses (2) eingelegt ist.

Das große Gehäuseteil (2) weist eine Führungsbohrung (33) für den Ventilkolben (4), die O-Ring-Dichtungen (19, 19′), die Auslaßöffnungen (24, 25) und den Erweiterungsraum (26) auf, während das kleine Gehäuseteil (3) eine weitere Führungsbohrung (34) für den Ventilkolben (4), die O-Ring-Dichtung (17) für das erste Lochreihenpaar (14), eine im Durchmesser gegenüber der Führungsbohrung (34) kleinere Einlaßbohrung (35) und eine Haltekante (36) für den Ventilkolben (4) beinhaltet. In unbeaufschlagtem Zustand wird durch die Haltekante (36) der Ventilkolben (4) am Herausfallen aus dem Gehäuse (2, 3) gehindert. Das kleine Gehäuseteil (3) wird in das große Gehäuseteil (2) so weit eingeschraubt, bis seine Stirnseite (3′) mit dem zentrierenden Anschlag (2′) in Anlage gelangt. In dieser Lage wird der Splint (37) eingeschlagen und auf diese Weise das kleine Gehäuseteil (3) gegenüber dem großen Gehäuseteil (2) gegen Verdrehungen gesichert. In dieser Lage weist die Führungsbohrung (33) für den Ventilkolben (4) des großen Gehäuseteils (2) zur Führungsbohrung (34) des kleinen Gehäuseteils (3) ein Spiel von maximal 0,005 mm auf, so daß der Ventilkolben (4) nicht zwischen den zwei Führungsbohrungen (33, 34) verkanten bzw. klemmen kann.

Die Gesamtlänge des Ventilgehäuses (2, 3) beläuft sich bei einem Maßstab von etwa 1 : 1 bei dem dargestellten Druckbegrenzungsventil auf ca. 260 mm, weist einen größtmöglichen Außendurchmesser (D _o ) von 55 mm auf, während der Ventilkolben (4) mit einem Innendurchmesser (d _i ) von 11 mm und mit einem Außendurchmesser (d _a ) von 13 mm versehen ist. Die Summe der Querschnittsflächen der Radialöffnungen (21), die je mit einem Durchmesser von 1,9 mm versehen sind, verhält sich zur Innenquerschnittsfläche des Ventilkolbens (4) wie 1,43 : 1.

Nach einem Hubweg von ca. 5 mm haben die Lochreihen (14′, 14′) die O-Ring-Dichtung (17) und die Lochreihen (15′, 15′) die O-Ring-Dichtung (19′) überfahren und ihre vollständigen Öffnungsstellungen erreicht. Da bei diesem neuen Druckbegrenzungsventil das erste Lochreihenpaar (14) in bezug auf die vorbeschriebene Öffnungsstelle um ca. 0,4 mm vor dem zweiten Lochreihenpaar (15) in bezug auf dessen Öffnungsstellung am Ventilkolben (4) angeordnet ist, erfolgt die Öffnung in insgesamt folgenden vier Stufen:

Zunächst überfährt die Lochreihe (14′) des ersten Lochreihenpaares (14) die O-Ring-Dichtung (17). Sodann überfährt die zum ersten Lochreihenpaar (14) um 0,4 mm versetzte Lochreihe (15′) die O-Ring-Dichtung (19′), hiernach überfährt die zweite Lochreihe (14′) des Lochreihenpaares (14) wiederum die O-Ring-Dichtung (17) und schließlich überfährt auch die zweite Lochreihe (15′) des zweiten Lochreihenpaares (15) die O-Ring-Dichtung (19′), so daß nunmehr die vollständige Öffnungsstellung des Druckbegrenzungsventils (1) erreicht ist. Dieses wechselseitige Überfahren der O-Ring-Dichtung (17, 19′) und das damit verbundene Ablassen der Hydraulikflüssigkeit über die beiden zueinander versetzten Auslaßöffnungen (24, 25) führt nicht nur zu einer äußerst günstigen Druckverteilung und einem günstigen Abströmverhalten, sondern trägt auch mit Sicherheit zu dem hervorragenden Durchflußverhalten dieses Druckbegrenzungsventils bei, welches in sich sowohl die vorteilhaften Eigenschaften eines kleinen Druckbegrenzungsventils als auch eines großen Gebirgsschlagventils in sich vereinigt.

Zur Erzielung einer äußerst geringen Öffnungszeit von nur 6 bis 7 Millisekunden bei seiner Funktion als Gebirgsschlagventil trägt auch der kurze Hubweg von nur 5 mm des Ventilkolbens (4) bei. Um diesen Hubweg möglichst gering zu halten, ist vorteilhaft die Wanddicke (38) der zur O-Ring-Dichtung (19′) gehörenden Ringnut sowie die Wanddicke (39) der zur O-Ring-Dichtung (17) gehörenden Ringnut in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm bemessen und liegt bei der hier in Rede stehenden Ausführungsform des neuen Druckbegrenzungsventils bei ca. 1,8 mm. Ferner ist hier vorteilhaft die Gleitpassung zwischen dem Ventilkolben (4) und den Führungsbohrungen (33, 34) im Ventilgehäuse (2, 3) auf eine Größe von h 7/H 7 zuzüglich der entsprechenden Verschleißmaße der zu dieser Passung gehörenden Arbeitslehren bemessen. Diese Verschleißmaße kann der Fachmann den deutschen Industrienormen 7163 und 7164 entnehmen.

Die spezielle Ausbildung des kleinen Gehäuseteils (3) erlaubt einen wahlweisen Anschluß an einen Stempel oder an ein sonstiges hydraulisches System mit den bekannten üblichen Verbindungsabmessungen. Hierzu braucht lediglich die äußere Konfiguration des kleinen Gehäuseteils (3) geändert und das vorhandene Gehäuseteil (3) gegen ein anderes ausgetauscht zu werden, ohne daß dazu weitere Teile des Druckbegrenzungsventils geändert werden müssen. Im vorliegenden Fall ist der kleine Gehäuseteil (3) an seiner Dichtungsfläche (40) mit einem bekannten DN-20-Steckanschluß versehen, jedoch an seiner Außenfläche (41) derart verstärkt, daß dort eine nicht dargestellte Kupplungsklammer für einen DN-25-Anschluß angesetzt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, das kleine Gehäuseteil (3) an seiner Außenfläche mit einem metrischen Gewinde von M 40×2 mm für einen Schraubanschluß oder anderen Gewinden oder Steckanschlüssen zu versehen.

In Fig. 2 ist die Kennlinie der Ventilfeder (5) dargestellt, die im vorliegenden Fall eine Federrate (früher Federsteifigkeit) in ihrem dargestellten linearen Verlauf von 22,5 kp/mm aufweist.

In Fig. 3 ist das vorteilhafte Durchflußverhalten des neuen Druckbegrenzungsventils dargestellt. Auf der Abszisse ist der Volumenstrom (V) in l/min und auf der Ordinate der Druck p auf der Einlaßseite (18) in bar aufgetragen. Hiernach haben die Messungen die Meßpunkte (42, 43, 44, 45, 46) ergeben. Eine geradlinige Verbindung dieser Meßpunkte (42 bis 46) ergibt den strichpunktierten Verlauf. Das tatsächliche Durchflußverhalten wird jedoch durch die zwischen den Meßpunkten (42 bis 46) gemittelte Diagrammlinie gemäß Fig. 4 gekennzeichnet. Hiernach steht fest, daß bei einem Volumenstrom von über tausend Litern pro Minute zwischen dem Öffnungs- bzw. Schließdruck von 380 bar und einem Öffnungsdruck von 450 bar lediglich eine Druckdifferenz Δ p von 70 bar liegt. Ein derartiges Durchflußverhalten in Verbindung mit einer Öffnungszeit von nur 6 bis 7 Millisekunden kann man auch ohne Berücksichtigung der geringen Baumaße dieses Ventils nur als ausgezeichnet bezeichnen.

In Versuchen hat sich überraschend herausgestellt, daß das vorbeschriebene Druckbegrenzungsventil für einen Einstelldruckbereich von 360 bar bis 420 bar geeignet ist und einen Nennvolumenstrom von 1000 l/min bei einem Öffnungsdruck von 380 bar aufweist. Dieses Druckbegrenzungsventil arbeitet selbst unter erhöhter, stoßartiger Belastung mit einer Schlagarbeit von 150 kNm bis zu Druckspitzen von 700 bar und Druckanstiegsgeschwindigkeiten von 45 bar/ms einwandfrei und weist hierbei eine Ventilöffnungszeit von nur 6 Millisekunden auf.

Bezugszeichenliste

1 Druckbegrenzungsventil
2 großes Gehäuseteil
2′ zentrierender Anschlag
3 kleines Gehäuseteil
3′ Stirnseite des Gehäuseteils 3
4 Ventilkolben
5 Ventilfeder
5′ Federraum
6 Außengewinde des Gehäuseteils 3
7, 8 Innengewinde des Gehäuseteils 2
9 Schließmutter
10 Außengewinde der Schließmutter 9
11 Bohrung
12, 37 Splint
13 Mehrkantausnehmung
14, 15 Lochreihenpaare
14′, 14′′ Lochreihen des Lochreihenpaares 14
15′, 15′′ Lochreihen des Lochreihenpaares 15
17, 19, 19′, 22 O-Ring-Dichtungen
17′, 19′′, 19′′′, 22′ O-Ringe der O-Ring-Dichtungen 17, 19, 19′, 22
18 Einlaßseite
20 Auslaßseite
20′ Auslaßseite des Lochreihenpaares 15
20′′ Auslaßseite des Lochreihenpaares 14
21 Radialöffnungen
23 Ventilteller
24, 25 Auslaßöffnungen im Ventilgehäuse 2
26 Erweiterungsraum im Ventilgehäuse 2
27 Anschlagflansch
28 Anschlagkante
29, 30 Gummiringe der Auslaßöffnungen 24, 25
31, 32 Ringnut
33, 34 Führungsbohrungen
35 Einlaßbohrung
36 Haltekante im Gehäuseteil 3
38, 39 Wanddicke der zu den O-Ring-Dichtungen gehörenden Ringnuten 31, 32
40 Dichtungsfläche des Gehäuseteils 3
41 Außenfläche des Gehäuseteils 3
42, 43, 44, 45, 46 Meßpunkte
D Windungsdurchmesser der Ventilfeder 5
d Drahtdurchmesser
D _o  Außendurchmesser der Ventilgehäuse 2, 3
d _i Innendurchmesser des Ventilkolbens 4
d _a  Außendurchmesser des Ventilkolbens 4
p Druck
V Volumenstrom

Claims (26)

1. Druckbegrenzungsventil, insbesondere für den Schreitausbau, mit einem innerhalb einer Längsbohrung eines Ventilgehäuses entlang mindestens eines in einer umlaufenden Ringnut eingelegten O-Ringes bis zu einem Anschlag verschieblichen Ventilkolben, der bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Soll-Einstelldruckes entgegen der Kraft einer Feder oder eines Federsystems axial verschiebbar ist und Druckflüssigkeit von der Eingangsseite des Gehäuses durch eine im Ventilkolben angeordnete Axialbohrung und mehrere davon abzweigende Radialbohrungen zu einer Ausgangsseite des Ventilgehäuses durchströmen läßt und der bei Erreichung oder Unterschreitung des vorgegebenen Soll-Einstelldruckes unter der Wirkung der Feder oder des Federsystems in seine Schließstellung zurückschiebbar ist, in der mindestens ein Teil der Austrittsöffnungen der Radialbohrungen von der der Eingangsseite zugekehrten Vorderkante der Ringnut überschnitten ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) der einteilige Ventilkolben (4) weist in einem Abstand (A) zwei Lochreihenpaare (14, 15) auf, von denen mindestens eine Lochreihe (14′) eines Lochreihenpaares (14) seine Öffnungsstellung geringfügig vor der korrespondierenden Lochreihe (15′) des anderen Lochreihenpaares (15) erreicht,
• b) die Summe der Querschnittsflächen der Radialöffnungen (21) der Lochreihenpaare (14, 15) verhält sich zur Innenquerschnittsfläche des Ventilkolbens (4) wie 1,4 : 1 bis 1,5 : 1,
• c) sämtliche O-Ringe (17, 19′, 19′′, 22′) weisen eine Shore-Härte von mindestens 90 Shore-A auf.

2. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (5) eine zylindrische Schraubenfeder ist, die bei einer Vorspannkraft bis zu 600 kp eine etwa lineare Federkennlinie mit einer Federrate in einem Toleranzbereich von 21,5 kp/mm bis 25 kp/mm aufweist.

3. Druckbegrenzungsventil nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (5) einen mittleren Windungsdurchmesser (D) von 34 mm, einen Drahtdurchmesser (d) von 9,5 mm, ohne Vorspannung eine Gesamtlänge von 140 mm und 10 Windungen besitzt.

4. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (5) bei einem Druck von 380 bar auf der Eingangsseite (18) des Ventils (1) auf ca. 500 kp vorgespannt ist.

5. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ventilfeder (5) mit ihrem einen Ende gegen eine Schließmutter (9) mit Außengewinde (10), die mittels eines am Ventilgehäuse (2) gehaltenen Splintes (12) nach Vorspannung der Ventilfeder (5) gegen Verdrehungen gesichert ist, und mit ihrem anderen Ende gegen einen Ventilteller (23) abstützt, an dessen anderer Seite der Kopf (4′) des Ventilkolbens (4) anliegt.

6. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ventilfeder (5) aufnehmende Federraum (5′) durch eine O-Ring-Dichtung (22) gegenüber der Auslaßseite (20) abgedichtet ist.

7. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die O-Ring-Dichtung (22) gleichfalls im Ventilgehäuse (2) angeordnet ist.

8. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die O-Ring-Dichtung (22) am Ventilkolben (4) angeordnet ist.

9. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lochreihenpaare (14, 15) aus zwei unmittelbar übereinander angeordneten sowie gegeneinander versetzten Lochreihen (14′, 14′, 15′, 15′) mit je zwölf Radialöffnungen (21) bestehen.

10. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in seiner Schließstellung das der Einlaßseite (18) zugekehrte Lochreihenpaar (14) durch eine O-Ring-Dichtung (17) und daß das der Auslaßseite (20) zugekehrte Lochreihenpaar (15) durch zwei O-Ring-Dichtungen (19, 19′) gegenüber der Auslaßseite (20) abgedichtet sind.

11. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialöffnungen (21) einer jeden Lochreihe (14′, 14′, 15′, 15′) in an sich bekannter Weise in gleicher Höhe am Ventilkolben (4) angeordnet sind und unmittelbar benachbarte Lochreihen (14′, 14′, 15′, 15,) einen lotrechten Lochreihenabstand (a) von ca. 3 mm aufweisen und der lotrechte Abstand (A) zwischen den der jeweiligen Auslaßseite (20′, 20′) nächstgelegenen Lochreihen (14′, 15′) zueinander ca. 30 mm beträgt.

12. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der O-Ring-Dichtung (22) für den Federraum (5′) und der nächstliegenden O-Ring-Dichtung (19′) des der Auslaßseite (20) zugekehrten Lochreihenpaares (15) in der Wand des Ventilgehäuses (2) mindestens sechs, die Auslaßseite (20′) dieses Lochreihenpaares (15) bildende Auslaßöffnungen angeordnet sind.

13. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der O-Ring-Dichtung (18) für das erste Lochreihenpaar (14) und der unteren O-Ring-Dichtung (19) für das der Einlaßseite (20) zugekehrte Lochreihenpaar (15) weitere sechs, die Auslaßseite (20′) für das erste Lochreihenpaar (14) bildende Auslaßöffnungen (25) im Ventilgehäuse (2) angeordnet sind.

14. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (2) zwischen der O-Ring-Dichtung für das der Einlaßseite (18) zugeordnete Lochreihenpaar (14) und der unteren O-Ring-Dichtung (19) für das der Auslaßseite (20) zugeordnete Lochreihenpaar (15) einen Erweiterungsraum (20) aufweist, in dem ein mit dem Ventilkolben (4) relativ unbeweglich verbundener Anschlagflansch (27) gegen eine Anschlagkante (28) des Ventilgehäuses (2) verschiebbar ist.

15. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagflansch (27) stoffschlüssig mit dem Ventilkolben (4) verbunden ist.

16. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Auslaßöffnungen (24, 25) im Ventilgehäuse (2) durch je einen entropieelastischen, unter dem Druck der abgelassenen Hydraulikflüssigkeit die Auslaßöffnungen (24, 25) freigebenden Gummiring (29, 30) abgedeckt sind, der in je eine umlaufende Ringnut (31, 32) am Außenumfang des Ventilgehäuses (2) eingelegt ist.

17. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse zweiteilig ausgebildet ist, von denen das eine große Gehäuseteil (2) den Federraum (5′), eine Führungsbohrung (33) für den Ventilkolben (4) und den Erweiterungsraum (26) aufweist, wohingegen das zweite, kleine Gehäuseteil (3) aus einem den Anschluß des Ventils an ein Hydrauliksystem aufweisendes Verschraubungsteil (3) mit Außengewinde (6) besteht, welches ebenfalls eine Führungsbohrung (34) für den Ventilkolben (4) sowie die O-Ring-Dichtung (17) für das erste Lochreihenpaar (14) aufweist und mit dem großen Gehäuseteil (2) bis zu einem zentrierenden Anschlag (2′) verschraubt und in dieser Lage durch einen Splint (37) mit dem großen Gehäuseteil (2) verbunden und gegen Verdrehungen gesichert ist.

18. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbohrung (34) für den Ventilkolben (4) des kleinen Gehäuseteils (3) zur Führungsbohrung (33) des großen Gehäuseteils (2) ein Spiel von max. 0,005 mm aufweist.

19. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das kleine Gehäuseteil (3) an seiner Einlaßseite (18) eine gegenüber der Führungsbohrung (34) für den Ventilkolben (4) kleinere Einlaßbohrung (35) mit einer Haltekante (36) für den Ventilkolben (4) aufweist.

20. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (2, 3) eine Gesamtlänge von ca. 260 mm, einen größtmöglichen Außendurchmesser (D _o ) von 55 mm und der Ventilkolben (4) einen Innendurchmesser (d _i ) von 11 mm und einen Außendurchmesser (d _a ) von 13 mm aufweist, wobei die insgesamt 48 Radialöffnungen (21) der Lochreihen (14′, 14′, 15′, 15′) mit je einem Durchmesser von 1,9 mm versehen sind.

21. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Querschnittsflächen der Radialöffnungen (21) der Lochreihenpaare (14, 15) zur Innenquerschnittsfläche des Ventilkolbens (4) sich wie 1,43 : 1 verhält.

22. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Hubweg von ca. 5 mm sämtliche Radialöffnungen (21) ihre vollständige Öffnungsstellung erreichen.

23. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lochreihenpaar (14) in bezug auf seine Öffnungsstellung ca. 0,4 mm vor dem zweiten Lochreihenpaar (15) in bezug auf dessen Öffnungsstellung am Ventilkolben (4) angeordnet ist.

24. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (38, 39) der Ringnut der beiden der Auslaßseite (20′, 20′′) nächstliegenden O-Ring-Dichtung (19′, 17) in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm liegt.

25. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitpassung zwischen Ventilkolben (4) und den Führungsbohrungen (33, 34) im Ventilgehäuse (2, 3) h 7/H 7 zuzüglich der entsprechenden Verschleißmaße der zu dieser Passung gehörenden Arbeitslehren bemessen ist.

26. Druckbegrenzungsventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Gehäuseteil (3) mit einem Anschluß mit einem metrischen Gewinde von M 40×2 mm versehen ist.