DE4414965A1 - Ausgleichsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ausgleichsventil, insbesondere zur Verwendung mit hydraulischen Zylindern. Sie betrifft insbesondere ein Ausgleichsventil mit Einrichtungen zum Abführen eines Überdruckes in hydraulischen Zylindern.

Ausgleichsventile werden verwendet, um ein hydraulisches Fluid in Hydraulikzylindern so zu halten, daß die Kolben in den Zylindern ihre Position ohne Abweichung beibehal­ ten. Ausgleichsventile gibt es in verschiedenen Größen und Verhältnissen, mit verschiedenen Anzahlen von An­ schlüssen, und sie können als Einfachventil oder Doppelven­ til ausgebildet sein. Sie sind erforderlich, wenn sie in Verbindung mit Vierwege-Steuerventilen verwendet werden, da diese Ventile Ventilkolben verwenden, die eine Leckage haben, was ein Driften der Kolben zur Folge haben kann. Ausgleichsventile sind so gebaut, daß eine Leckage mini­ miert wird, und sie sind entweder bei oder an einem zuge­ hörigen Hydraulikzylinder montiert, so daß, wenn eine hy­ draulische Leitung reißt, der Zylinder nicht zusammenbricht, und beispielsweise eine Last fällt, wenn der Zylinder bei­ spielsweise einer Hubeinrichtung oder einem bemannten Korb eines Krans oder dgl. zugeordnet ist. Ausgleichsventile sind selbstentlastend, so daß ein übermäßiger Druckaufbau im Hydraulikzylinder auf einen vorgegebenen Druck abge­ baut wird, wobei ein Teil des Hydraulikfluids aus der Zy­ linderbohrung über das Ausgleichsventil zu einer Ventilöffnung abfließt.

Bei Maschinen, wie z. B. Schlacken-Brech-Maschinen, wie sie in Stahlwerken und dgl. verwendet werden, hat der Operator eine Vielzahl von Schaltern zu betätigen. Zeitweilig muß der Operator diese Schalter mit Handschuhen handhaben. So kann es vorkommen, daß der Operator zufällig falsche Umstände mit falschen Schaltpositionen kombiniert, was zu einem rapiden Anstieg des hydraulischen Druckes im Zylinder führen kann. Wenn beispielsweise das Stangenende eines Werkzeug-Zylinders einer Maschine, wie z. B. einer Schlacken-Brech-Maschine, unbeabsichtigt unter Druck gesetzt wird, beispielsweise durch eine falsche Funktion, wie z. B. falsches Ausfahren, Antreiben oder Anheben. Normalerweise wird durch das Ausgleichsventil der Druck entlastet zur Anpassung an solche Anomalien, wenn aber beispielsweise der Operator unbeabsichtigt einen Rück­ holschalter für den Werkzeug-Zylinder betätigt, während der Zylinder jedoch mechanisch durch eine äußere Kraft vorausge­ zogen wird, beispielweise durch eine Verkeilung des in die Schlacken eingreifenden Werkzeuges, dann kann der Zylinder wegen der rapiden Drucksteigerung reißen. Ein Doppel-Ausgleichs­ ventil kann einen Satz von Tellerventilen aufweisen, zur Druckentlastung bei z. B. 266 kp/cm² (3800 psi) mit einem Ver­ hältnis von 6 : 1, wegen der Geometrie und der Flächen des Aus­ gleichsventils kann ein Verhältnis von 6 : 1 jedoch einen Multi­ plikatoreffekt bei der Druckentlastungseinstellung von 7 : 1 haben. Dies kann dazu führen, daß der Druck im Ventil auf 1400 kp/cm² (20 000 psi) ansteigt. Da ein Zylinderausfall etwa 560-700 kp/cm² auftreten kann, können periodisch teure Zylinder-Ausfälle auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ausgleichs­ ventil so weiterzubilden, daß ein Rückdruck kompensiert wird, der irrtümlich auftritt.

Die Erfindung sieht hierfür einen Kanal vor durch oder um ein feder-vorbelastetes Tellerventil im Ausgleichsventil, wobei der Kanal das hydraulische Arbeitsfluid vom einen Ende des Tellerventiles zum anderen überträgt, um irr­ tümliche, unbeabsichtigte Steigerungen des Arbeitsfluid­ druckes gegen das Tellerventil zu kompensieren, die mit der Druckentlastungsfunktion des Tellerventiles kollidieren könnten.

Vorzugsweise ist der Kanal als Bohrung durch das Tellerven­ til ausgebildet, und er enthält ein inneres Ventil. Dieses Ventil blockiert die Bohrung, wenn ein Steuerdruck an das Tellerventil gelegt wird und ermöglicht es, daß hydrauli­ sches Arbeitsfluid durch die Bohrung auf die Steuerseite das Tellerventiles strömt, wenn ein Rückdruck vorhanden ist, der das Tellerventil in einer Blockier-Position hält.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung werden nach­ folgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 in Draufsicht ein Doppel-Ausgleichs­ ventil nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Ventils nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt im Schnitt ein Ausgleichsventil nach dem Stand der Technik.

Fig. 4 zeigt im Schnitt ein Kegelventil, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt des Doppel-Aus­ gleichsventiles längs der Linie 5-5 von Fig. 1, mit den Verbesserungen ge­ mäß der Erfindung.

Es werden nachfolgend die Fig. 1-4 beschrieben.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Doppel-Ausgleichsventil 10 dargestellt. Das Ventil 10 umfaßt ein erstes Ausgleichs­ ventil 12 und ein zweites Ausgleichsventil 14, wobei die beiden Ventile 12, 14 spiegelbildlich zueinander angeord­ net sind. Das Doppel-Ausgleichsventil 10 hat ein Paar er­ ster Zylinderöffnungen 16, 18 zum Anschluß an einen hydrau­ lischen Zylinder, die den Ausgleichsventilen 12, 14 ent­ sprechend zugeordnet sind.

In Fig. 3 ist ein Teil des Doppel-Ausgleichsventiles 10 im Schnitt dargestellt, wobei der Aufbau des Ausgleichs­ ventiles 12 gezeigt ist. Das Ausgleichsventil 14 ist in seinem Aufbau identisch mit dem Ausgleichsventil 12, und da beide identisch arbeiten, ist nur das Ausgleichsventil 12 dargestellt. Das Ventil 12 ist eingebaut zwischen dem ersten Ventilanschluß 16, der direkt mit einem Anschluß des Hydraulikzylinders 12, der einen Kolben 23 hat, ver­ bunden ist sowie einem zweiten oder Steuer-Anschluß 24, der mit einem Vierwege-Kolben-Steuerventil 25 verbunden ist. Das Steuerventil 25 ermöglicht es, daß hydraulisches Fluid aus dem Zylinder 22 durch den Anschluß 16 des Ventiles 12 und aus dem Steueranschluß 24 ausströmt. Normalerweise kann das hydraulische Arbeitsfluid durch das Ventil 10 zurück­ strömen und insbesondere durch das Ausgleichsventil 12, in­ dem ein Kegelventil 20 in Richtung des Pfeiles 21 gegen die Kraft einer Schraubenfeder 28 verschoben wird. Durch die Bewegung des Kegelventiles 20 in Richtung des Pfeiles 26 ent­ steht ein Spalt 29 zwischen einer kegeligen Ventilfläche 30 und einem Ventilsitz 32, der am Ende einer Büchse 34 aus­ gebildet ist, welche verschiebbar das Kegelventil 20 hält. Das hydraulische Arbeitsfluid strömt dann zum Spalt 29, indem es durch eine Bohrung 36 in eine Kammer 38 strömt, dann um die Büchse 34 und durch Öffnungen 40 in der Büchse zu einer Ringkammer 42, die zwischen der Außenfläche des Kegelven­ tiles 20 und der inneren Oberfläche der Büchse ausgebildet ist, und diese Ringkammer steht in Verbindung mit dem Spalt 29.

Das Kegelventil 20 hat ein Steuer-Ende 44, gegen welches Steuer-Fluid geführt wird, um das Kegelventil in Richtung des Pfeiles 26 zu verschieben, wenn Hydraulikfluid vom Zy­ linder 22 abgeführt werden soll, um eine Rückführung des Kolbens 23 zu ermöglichen. Der Ventilsitz 22 hat einen Durchmesser D_s, der das Verhältnis der Ventileinstellung be­ stimmt im Vergleich mit dem Durchmesser D_p des Steuer-Endes 44 des Kegelventiles 20.

Wenn ein zu hoher Druck des Arbeitsfluides im Hydraulikzy­ linder 22 entsteht, übt der Druck eine Kraft gegen die Diffe­ renzfläche des Ventilsitzes 32 für die konische Ventilfläche 30 und der Dichtung 46 aus und bewirkt dadurch, daß das Ke­ gelventil 20 sich in Richtung des Pfeiles 26 gegen die Kraft der Feder 28 verschiebt ohne Anlegen des Steuer-Druckes. Dies bewirkt eine Selbstentlastungs-Funktion. Die Druck­ entlastung ist auf einen vorgewählten Druck eingestellt, bei­ spielsweise auf etwa 266 kp/cm², abhängig von der beabsich­ tigten Verwendung des Ausgleichsventiles 10.

Das Ventil 10 enthält ein Rückschlagventil 50, welches durch eine Feder 52 geschlossen gehalten wird, ebenso wie durch den hydraulischen Druck vom Hydraulikzylinder 22, der über die Einlaßöffnung 16 angelegt ist. Wenn das Vierwege-Steuerventil 25 einen Druckaufbau über den Anschluß 24 bewirkt, um den Kol­ ben 23 im Zylinder 22 auszufahren, öffnet das Rückschlagven­ til 50 gegen die Vorspannung der Feder 52, so daß Hydraulik­ fluid durch die Bohrung 16 strömen kann. Der hydraulische Druck im Zylinder 22 und damit der über den Einlaßanschluß 16 angelegte Druck kann hoch werden, wenn ein Rückdruck im Anschluß 24 vorhanden ist, der gegen ein zweites Ende 60 des Kegelventiles 20 wirkt. Wenn diese Rückdruck-Kraft zu der Federkraft der Feder 28 hinzuaddiert wird, wird die Entlastungsfunktion des Kegelventiles 20 für alle praktischen Zwecke ausgeschaltet, so daß sich sehr schnell ein exzessiver Druck im Hydraulik­ zylinder 22 aufbauen kann.

Fig. 4 zeigt nun das Kegelventil 20 und die zugehörigen Tei­ le wie die Feder 28, die kegelige Oberfläche 30, den Ventil­ sitz 32 und die Ventilstirnfläche 44, für welche die fol­ genden Parameter und Zusammenhänge gelten. Es sind:
R Ventileinstellverhältnis;
A_s vom Sitz 32 umschlossene Fläche;
A_p Steuerfläche 32;
F_s Federkraft;
P_th thermisch erzeugter hydraulischer Druck am Hydraulikzylinder 22, infolge einer äußeren Erwärmung, z. B. durch Sonnenlicht;
P_c hydraulischer Druck vom Zylinder 22; und
P_v hydraulischer Rückdruck vom Vierwege-Steuer­ ventil 25.

Beim Bestimmen der Verhältnisse, wie z. B. das Ventilent­ lastungsverhältnis von 6 : 1 und der Multiplikatoreffekt von 7 : 1, gelten die folgenden mathematischen Zusammenhänge.

Wenn das Kegelventil 20 als Entlastungsventil arbeitet, muß der Druck im Zylinder 22 die Feder 28 überwinden durch Einwirkung auf die kleine Differenzfläche, die durch die konische Fläche 30 am Kegelventil geschaffen wird. Wenn kein Druck an der Steuerseite 44 des Kegelventiles 20 ansteht, wirkt der über den Anschluß 24 kommende Druck auf den vollen Ventilsitz Durch­ messer D₅, der effektiv bei einem 6 : 1 Ventilverhältnis das Siebenfache der Differenzfläche beträgt. Für jedes kp in der Kammer 29, in welcher die Feder 28 sitzt, muß der Zylinderdruck siebenmal soviel zunehmen. Das Verhältnis 6 : 1 ist exemplarisch für ein Ventilverhältnis. Andere Verhältnisse können für an­ dere Anwendungsfälle benutzt werden. Unabhängig von dem ge­ wählten Ventilverhältnis besteht ein Multiplikatoreffekt bei dem Ventil nach den Fig. 3 und 4.

Nachfolgend wird die Fig. 5 beschrieben.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum Lösen der Probleme, wie sie bei dem Ventil nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 auftreten. In Fig. 5 ist die Einlaßöffnung 16 des Ausgleichs­ ventiles 12 mit dem Hydraulikzylinder 22 verbunden und die Auslaßöffnung 24 ist an das Vierwege-Steuerventil 25 ange­ schlossen in derselben Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3. Das Ausgleichsventil 12 nach Fig. 5 umfaßt jedoch ein Kegelventil 70 und ein Federende 72, welche modifi­ ziert sind und zentrale Bohrungen aufweisen. Das Kegelventil 70 hat eine zentrale Bohrung 74, die sich durch das gesamte Ventil erstreckt, und der Federkopf 72 hat einen Fluidkanal in Form einer zentralen Bohrung 76 mit einem Abschnitt 77 mit kleinem Durchmesser. Nahe bei einem vorderen Ende 78 der zen­ tralen Bohrung des Kegelventiles 70 ist eine Ventilkammer 80 ausgebildet, die ein Kugelventil 82 enthält. Die Ventilkugel 82 kann auf einen Ventilsitz 84 aufliegen und die Bohrung 74 sperren.

In der Ventilkammer 80 ist ein hohler Schaft 86 angeordnet, der eine durchgehende Bohrung 88 mit relativ großem Durchmesser und eine daran anschließende Bohrung 90 mit relativ kleinem Durch­ messer aufweist, wobei die Bohrung 90 in Verbindung mit einer Steuerölkammer 91 steht. In dem hohlen Schaft 86 ist ein Ven­ til 92 ausgebildet, auf dem die Ventilkugel 82 aufliegt, wenn der Fluiddruck in Richtung des Pfeiles 93 wirkt.

Wenn das Ausgleichsventil 12 geöffnet werden soll, wird der Steuerdruck an die Steuerölkammer 91 gelegt und das Steuer­ öl strömt durch die Bohrungen 90 und 88 in die Kammer 80. Hier­ durch wird die Ventilkugel 82 gegen den Sitz 84 angedrückt und dadurch die Bohrung 74 geschlossen. Der hohle Schaft 86 sitzt nicht eng in der Kammer 80, so daß das Steueröl zwi­ schen dem Schaft und der inneren zylindrischen Oberfläche 94 des Ventiles 70 fließen kann, in welchem der Schaft ver­ schiebbar aufgenommen ist. Ein O-Ring 96 verhindert, daß das Steueröl hinter das zylindrische Ende 95 des Kegelventiles 70 fließt.

Das Ventil 70 hat eine Steuerdruckfläche 98, die einen Druck­ flächenbereich A_p haben kann, der sechsmal so groß ist wie die Differenz zwischen der Sitzfläche A_s minus dem Druckflächen­ bereich A_p, was zu einem Ventilverhältnis führt, das wesentlich größer ist als 1 : 1, hier im Beispiel zu einem Verhältnis von 6 : 1.

Ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Konzeptes würde dieselbe Erscheinung wie anhand von Fig. 4 erläutert auch bei dem Kegelventil 70 nach Fig. 5 auftreten, das heißt, es würde ein Multiplikatoreffekt von 7 : 1 auftreten bei einer Ventil­ einstellung bzw. einem Ventilverhältnis von 6 : 1. Um diese Er­ scheinung zu vermeiden, die auftritt, wenn ein Rückdruck vorhanden ist infolge einer falschen Positionierung des Steuerventiles 25, ermöglichen es die Bohrungen 77 und 76 im Federkopf und die Bohrung 74 im Kegelventil 70, daß der Rückdruck durch das Kegelventil 70 hindurchgeht. Der Ventil­ druck wird damit an beide Enden 98 und 100 des Kegelventiles 70 gelegt, wodurch eine Kraft auf das Ventil 70 infolge eines Ventil-Rückdruckes vermieden wird.

Da bei der Ventileinstellung ein Verhältnis von 1 : 1 vor­ handen ist, ergibt sich für jedes kp/cm² des Ventildruckes eine Zunahme der Entlastungseinstellung um 1 kp/cm². Dies ist wesentlich besser als ein Multiplikatoreffekt von 7 : 1.

Der Ventil-Rückdruck wird ausgeglichen, weil das Hydraulik­ fluid, das durch die Bohrungen 78, 76 und 74 strömt, die Ventilkugel 82 vom Sitz 84 abhebt und in die Kammer 80 ein­ strömt. Das Fluid strömt dann in den Raum 97 und übt eine Kraft gegen die Steuerdruck-Fläche 98 aus, die eine Gegen­ kraft zu der Kraft bildet, die auf das zweite Ende 100 des Kegelventiles 70 infolge des Rückdruckes einwirkt. Effektiv wirkt der zu hohe Ventildruck sich selbst entgegen, so daß mit einer Zunahme des Ventildruckes auch eine Zunahme der Entlastung einhergeht.

Das Ventil 70 in Fig. 5 ist hier nur beispielsweise als Kegelventil beschrieben worden, es kann in jeder anderen geeigneten Weise ausgebildet sein, z. B. als Tellerventil, Spindelventil, Schieberventil oder dgl.

Claims (10)

1. Ausgleichsventilanordnung (10) mit wenigstens einem Ausgleichsventil (12), das zwischen einem ersten An­ schluß (16) zum Verbinden des Ausgleichsventiles (12) mit einem Hydraulikzylinder (22) sowie einem zweiten Anschluß (24) zum Verbinden des Ausgleichsventiles (12) mit einer Steuerung (25) angeordnet ist, wobei ein Kegelventil (70) im Ausgleichsventil (12) eingebaut ist, und das Kegelventil (70) eine Steuerfläche (98) an einem ersten Ende hat sowie ein zweites Ende (100), auf das eine Federkraft wirkt sowie eine Ventilfläche (30), die mit einem Ventilsitz (32) zusammenwirkt; wobei ferner eine Feder (28) das Kegelventil (70) in eine geschlossene Position beaufschlagt, in der das hydraulische Arbeitsfluid daran gehindert ist, vom ersten Anschluß (16) zum zweiten Anschluß (24) über eine Lücke (29) zwischen der Ventilfläche (30) und dem Ventilsitz (32) zu fließen, wobei die Feder (28) einen Entlastungsdruck einstellt, der es ermöglicht, daß das Kegelventil (70) öffnet, wenn der an die Ventilfläche (30) angelegte Druck den von der Feder (28) ausgeübten Druck übersteigt; wobei das Ausgleichsventil (12) fer­ ner eine Steuerkammer (91) nahe dem ersten Ende (98) des Kegelventiles (70) aufweist, um ein hydraulisches Steuerfluid in die Kammer einzuführen, um das Kegelven­ til (70) gegen die Kraft der Feder (28) zu verschieben, wenn das Ausgleichsventil (12) geöffnet werden soll, gekennzeichnet durch eine Bohrung (74) durch das Kegel­ ventil (70), die es ermöglicht, daß unter Druck stehendes Hydraulikfluid vom zweiten Ende (100) des Kegelventils (70) zum ersten Ende (98) des Kegelventiles (70) strömt, daß ferner die Bohrung (74) ein inneres Ventil (82) auf­ weist, um zu verhindern, daß hydraulisches Steuerfluid vom ersten Ende (98) des Kegelventiles (70) durch das zweite Ende (100) des Ventiles (70) fließt, daß die Bohrung (76) ferner Mittel aufweist, die es erlauben, daß hydraulisches Arbeitsfluid an dem inneren Ventil (82) vorbeiströmt, wenn es vom zweiten Ende (100) des Ventiles (70) zum ersten Ende (98) des Ventiles (70) fließt, so daß der Druck des hydraulischen Arbeitsfluides auf beide Enden (98, 100) des Kegelventiles (70) wirkt, wenn der Druck des hydraulischen Arbeitsfluides am zweiten Ende (100) des Kegelventiles (70) eine vorgegebene Höhe übersteigt.

2. Ausgleichsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ventil eine Kammer (80) aufweist mit einem ersten und zweiten Ventilsitz (84, 92) an gegenüberlie­ genden Enden sowie eine Kugel (82) in der Kammer (80), daß ferner durch den Steuerdruck des hydraulischen Steuer­ fluides die Bohrung (74) geschlossen wird, indem die Ku­ gel (82) gegen den ersten Sitz (84) gedrückt wird, während ein Rückdruck von der hydraulischen Arbeitsflüssigkeit die Kugel (82) gegen den zweiten Sitz (92) andrückt, so daß das hydraulische Arbeitsfluid von der zweiten Fläche (100) des Tellerventiles (70) durch und zur ersten Fläche (98) des Tellerventiles (70) strömen kann.

3. Ausgleichsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federkopf (72) vorgesehen ist, der eine durchgehen­ de Bohrung (76) hat und gegen das zweite Ende (100) des Ventiles (70) angedrückt wird, daß ferner die Bohrung (76) im Federkopf (72) mit der Bohrung (74) im Ventil (70) fluch­ tet, wodurch das hydraulische Arbeitsfluid durch den Fe­ derkopf (72) in die Bohrung (76) des Kegelventiles (70) strömen kann.

4. Ausgleichsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (76) durch den Federkopf (72) einen Ab­ schnitt (77) mit kleinem Durchmesser hat, wo das hy­ draulische Arbeitsfluid in die Bohrung (76) durch den Federkopf (72) einströmt sowie einen Abschnitt (76) mit relativ großem Durchmesser, der direkt mit der Bohrung (74) im Kegelventil (70) in Verbindung steht.

5. Ausgleichsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfläche (30) des Ventiles (70) kegelig aus­ gebildet ist, und daß der Ventilsitz (32) kreisförmig ist.

6. Ausgleichsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche (98) einen ersten ausgewählten Be­ reich (Ap) hat, und daß der Ventilsitz (32) einen zwei­ ten ausgewählten Bereich (As) bildet, der größer ist als der erste ausgewählte Bereich (Ap), wodurch das Verhält­ nis (R) der ersten ausgewählten Fläche (Ap) dividiert durch die Flächendifferenz zwischen der zweiten Fläche (As) und der ersten Fläche (Ap) ein Ventilverhältnis (R) bildet, das im wesentlichen ein Mehrfaches von 1 ist.

7. Ausgleichsventil nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis (R) zu einem Multiplikatoreffekt führt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Multiplikatoreffekt durch die Bohrung (74) im Ventil (70) kompensiert wird.

8. Ausgleichsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfläche (30) des Ventiles (70) kegelförmig und der Ventilsitz (32) kreisförmig ausgebildet ist.

9. Ausgleichsventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche (98) einen ersten ausgewählten Be­ reich (Ap) hat und der Ventilsitz (32) einen zweiten aus­ gewählten Bereich (As) definiert, der größer ist als der erste ausgewählte Bereich (Ap), und daß das Verhältnis der ersten gewählten Fläche (Ap) dividiert durch die Flächendifferenz zwischen der zweiten Fläche (As) und der ersten Fläche (Ap) ein Ventilverhältnis (R) ergibt, das im wesentlichen ein Mehrfaches von 1 ist.

10. Ausgleichsventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (R) zu einem Multiplikatoreffekt führt, der durch die Bohrung (74) im Ventil (70) kompen­ siert wird.