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Steuerventil mit von außen einstellbarem Ventilquerschnitt Die Erfindung
bezieht sich auf ein Steuerventil für hydraulische Anlagen, insbesondere hydraulische
Arbeitsmaschinen, wie Pressen, Hämmer od. dgl.
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Bei hydraulischen Maschinen dieser Art mit Akkumulatorbetrieb richtet
sich die Strömungsgeschwindigkeit des Druckmediums in den Steuerventilen nach dem
zur Verfügung stehenden Drucküberschuß. Dieser Drucküberschuß, der sich in Geschwindigkeit
umsetzt, ergibt sich aus dem Druck im Akkumulator abzüglich des Druckes im Zylinder
sowie des Druckverlustes durch Strömungswiderstände. Der Druck im Zylinder wiederum
ergibt sich aus der Summe aller am Kolben wirkenden Kräfte und Widerstände und der
Kolbenfläche.
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Da die am Kolben wirkenden Widerstände (Pakkungsreibung, Gleitreibung
in den Führungen) sowie auch die Druckverluste, die durch Strömungswiderstände (Rohrleitungen,
Armaturen) hervorgerufen werden, im voraus nicht genau zu bestimmen sind, läßt sich
der für eine vorgegebene Kolbengeschwindigkeit notwendige Ventilquerschnitt nur
annähernd festlegen. Es besteht daher die Notwendigkeit, den Ventilquerschnitt nach
der Montage der Maschine nachträglich den jeweiligen Verhältnissen anzupassen. Dies
geschieht in der Weise, daß das Ventil bzw. die Ventile wieder ausgebaut und die
Auslaßbohrungen des unterhalb des Ventilsitzes befindlichen Ventilkorbes den Erfordernissen
entsprechend teilweise verschlossen oder aufgebohrt werden, um den Querschnitt auf
das der vorgeschriebenen Kolbengeschwindigkeit entsprechende Maß zu bringen. Meist
ist ein mehrmaliges Nacharbeiten der Auslaßbohrungen und damit ein mehrmaliger Aus-
und Einbau des Steuerventils erforderlich. Dieser Nachteil soll durch die Erfindung
ausgeschaltet werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein in seinem Grundaufbau an sich bekanntes
Steuerventil, das mit einer zur Führung des Ventilverschlußstückkegels dienenden
Führungsbüchse und einem von der Führungsbüchse unabhängigen, mit der Führungsbüchse
nicht in Berührung stehenden Ventilsitz versehen ist, wobei ein von außen zu betätigendes
Regelteil, z. B. die Führungsbüchse, bei sonst festliegenden Strömungsverhältnissen
die Größe des Durchlaßquerschnittes bestimmt und in der jeweiligen, an einer Anzeigevorrichtung
ablesbaren Stellung arretierbar ist.
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Derartige Ventile mit von außen einstellbarem Durchlaßquerschnitt
sind als Niederdruckventile an sich schon bekannt. Bei einem bekannten Niederdruckventil
dieser Art ist die Ventilkegelführungsbüchse drehbar im Ventilgehäuse gelagert und
in einem den Zuflußquerschnitt beherrschenden Teil der Führungsbüchse sind mehrere
verschieden große Drosselbohrungen eingelassen, von denen jeweils eine durch Drehung
der Führungsbüchse vor die im Gehäuse befindliche Zuflußbohrung blendenartig vorgelegt
werden kann, so daß der Zuflußquerschnitt entsprechend der vorgelegten Drosselbohrung
verkleinert wird. Der Nachteil dieses Ventils ist der, daß keine stufenlose Regelung
möglich ist, und es ist ebenso wenig möglich, bei einer durch Verschleiß aufgetretenen
Vergrößerung der eingestellten Drosselbohrung ein Nachregeln vorzunehmen.
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Bei einem anderen bekannten Niederdruckventil, das stufenlos regelbar
ist und bei dem gleiche Verstellwege, d. h. gleiche Drehwege der Führungsbüchse,
gleichen Querschnittsveränderungen entsprechen, ist die Unterkante der Führungsbüchse
nach einer Kurve abgesetzt, die sich bei Drehung der Führungsbüchse vor die Zuflußbohrung
schiebt und dadurch den Zuflußquerschnitt mehr oder minder begrenzt. Bei diesem
Ventil ergibt sich der Nachteil, daß je nach eingestelltem Grad immer ein anderer
Teil der als Kurve ausgebildeten Unterkante der Führungsbüchse vor die Zuflußbohrung
zu liegen kommt, so daß der durch Erosion auftretende Verschleiß an der Kurve nur
partiell auftritt und die Kurvenform verändert. Dadurch wird auch die von der Form
der Kurve abhängige Drosselwirkung verändert, und bei einem gegebenenfalls notwendig
werdenden Nachregeln ist das Verhältnis von Verstellweg zur Querschnittsveränderung
unterschiedlich. Eine gegebenenfalls vorgesehene Skala zum Ablesen der jeweils eingestellten
Stellung der Führungsbüchse wird in dem gleichen Maße ungenau.
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Die gleichen von Niederdruckventilen her bekannten Konstruktionsprinzipien
- nämlich durch teilweises
Verschließen der Einlaßbohrung für das
Betriebsmedium den Ventilquerschnitt zu verändern -bei einem Hochdruckventil anzuwenden
ist wegen der dort herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeit und dem somit erhöht
auftretenden Verschleiß praktisch unmöglich. Außerdem ergibt sich bei diesen Konstruktionen
stets ein einseitiger Zufluß des Betriebsmediums, was wegen der damit verbundenen
einseitigen Belastung des Ventilkegels und des Ventilsitzes bei Hochdruckventilen
ebenfalls nicht tragbar wäre. Für ein Steuerventil gilt ferner noch die Forderung,
eine äußerst häufige und schnell hintereinander stattfindende Schaltfolge zuzulassen,
wobei das öffnen und Schließen des Ventils meist schlagartig erfolgen muß. Dieses
schlagartige öffnen bzw. Schließen setzt voraus, daß der Arbeitsweg des Ventils
möglichst klein gehalten wird. Dies wiederum macht es notwendig, die Einlaßbohrung
für das Betriebsmedium so flach wie möglich zu gestalten. Um aber bei einer flachen
Einlaßbohrung den erforderlichen Durchlaßquerschnitt zu erzielen, muß die Bohrung
entsprechend breit ausgeführt werden, bzw. es müssen mehrere Teilquerschnitte, also
mehrere auf den Umfang verteilte kleine Einlaßbohrungen vorgesehen werden, die dann
- wie bei Hochdruckventilen bekannt über einen Ringkanal versorgt werden. Auch zur
Vermeidung von einseitigen Belastungen ist der Ringkanal für ein Hochdruckventil
praktisch uner-Iäßlich.
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Die zuvor beschriebenen bekannten Niederdruckventile mit von außen
durchführbarer Voreinstellung lassen aber die Anbringung eines Ringkanals nicht
zu, da die Drosselung dort zwischen Gehäuse und der Führungsbüchse, also außerhalb
des eigentlichen Ventils stattfindet. Zur Vermeidung einseitiger Belastungen sowie
auch zur Schaffung eines kurzen Arbeitsweges des Ventilkegels kann bei einem Hochdruckventil
auf einen im Gehäuse vorgesehenen Ringkanal nicht verzichtet werden. Die Drosselurig
muß folglich innerhalb des Ventils erfolgen und soll aus Gründen des Verschleißes
über einen möglichst breiten Querschnitt geschehen, keinesfalls aber im Bereich
der Ventildichtflächen.
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Das erfindungsgemäße Ventil erfüllt alle diese Forderungen und zeichnet
sich gegenüber bekannten Ventilen dadurch aus, daß der Durchflußquerschnitt einer
Durchlaßöffnung für das Betriebsmedium, vorzugsweise der Einlaßöffnung, als ein
von zwei selbständigen, ringförmigen Ventilbauteilen, nämlich der Führungsbüchse
und des Ventilkegels begrenzter, ringsum offener Ringspalt ausgebildet ist und daß
mindestens eines der den Ringspalt begrenzenden Ventilbauteile, vorzugsweise die
Führungsbüchse, axial in Längsrichtung verstellbar im Ventilgehäuse gelagert ist.
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Auf diese Weise ist mit sehr einfachen Mitteln, nämlich durch Längsverstehen
der Führungsbüchse ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Bauteile, eine Veränderung des
Ventilquerschnittes möglich. Gegenüber den bekannten Niederdruckventilen ist der
für ein Hochdruckventil wesentliche technische Fortschritt gegeben, daß das Betriebsmedium
von allen Seiten ringsum fließen kann, so daß keine einseitigen Belastungen auftreten
und daß sich die Kanten der den Ringspalt begrenzenden Ventilbauteile bei einem
Verschleiß durch Erosion des Betriebsmediums längs des Umfanges gleichmäßig abnutzen,
sich aber im Verlauf und Form nicht verändern, so daß auch später trotz aufgetretenem
Verschleiß bei einer hierdurch notwendig werdenden Nacheinstellung des Durchlaßquerschnittes
das Verhältnis von Verstellweg zur Querschnittsveränderung konstant bleibt und sich
gegenüber einem neuen Ventil nicht verändert.
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Die axiale Verstellbarkeit der Führungsbüchse wird erfindungsgemäß
sehr einfach dadurch ermöglicht, daß diese mittels Gewinde im Ventilgehäuse gehalten
ist und durch mehr oder minder tiefes Einschrauben auf den gewünschten Abstand zu
dem den Ringspalt begrenzenden Ventilsitz einstellbar ist. Ein ungewolltes Verstellen
der Führungsbüchse kann, wie in bekannter Weise bei bekannten Ventilen geschehen,
durch eine Verriegelungseinrichtung verhindert werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt:
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Steuerventil; Fig. 2 zeigt
das gleiche Ventil ebenfalls im Längsschnitt, aber mit einer besonderen mechanischen
Befestigung des Ventilsitzes; Fig.3 veranschaulicht andeutungsweise die Ausbildung
einer Arretiervorrichtung zur Arretierung der Führungsbüchse.
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Die Fig. 1 zeigt ein Ventilgehäuse 1, in das das erfindungsgemäße
Steuerventil eingesetzt ist. Der Ventilsitz 2, der in bekannter Weise korbartig
ausgebildet ist, wird, da er nach unten mittels der Dichtung 3 abgedichtet ist,
durch den auf die Ringfläche 4 (D2-d2) wirkenden Betriebsdruck gegen seine
Auflagefläche gepreßt und gehalten. Zur Führung des Ventilverschlußstückkegels 4
dient eine Führungsbüchse 5, die in bezug auf den Ventilsitz 2 eine selbständige
Baueinheit darstellt und mit dem Ventilsitz auch nicht in Berührung steht, so daß
zwischen Ventilsitz 2 und Führungsbüchse 5 ein ringsum offener Ringspalt F entsteht.
Die Führungsbüchse 5 wird nach außen durch eine fest eingeschraubte Federbuchse
6 verschlossen, in deren Kopfplatte sich ein Entlüftungsventil ? befindet. In den
Ventilverschlußstückkegel 4 ist ein kleiner Entlastungsventilkegel 8 eingebaut,
der eine Federkappe 9 trägt, auf der sich eine in der Federbüchse 6 geführte Druckfeder
10 abstützt. Durch die Kraft dieser Druckfeder 10 wird der Ventilverschlußstückkegel
4 über die Federkappe 9 und Entlastungsventilkegel 8 auf den Ventilsitz 2 aufgepreßt
und das Ventil in Schließstellung gehalten. Zum Öffnen des Ventils dient ein von
außen zu beaufschlagender Stößel 11, der durch die Bodenplatte des Ventilsitzes
2 hindurchgeführt ist und der bei einer Hubbewegung zuerst den Entlastungsventilkegel
8 und später auch den Ventilverschlußstückkegel4 anhebt.
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Das Druckmedium; z. B. Druckwasser, das durch die Einlaßbohrung 12
einströmt, gelangt zuerst in einen in das Ventilgehäuse 1 eingearbeiteten Ringkanal
13. Von hier wird das Druckmedium durch Ausgleichskanäle 14 in einen oberhalb des
Ventilverschlußstückkegels 4 befindlichen Druckraum 15 innerhalb der Führungsbüchse
5 eingeleitet, wodurch sowohl der Entlastungsventilkegel 8 als auch der Ventilverschlußstückkegel4
zusätzlich zu der Kraft der Druckfeder 10 geschlossen gehalten wird. Das öffnen
des Ventils geschieht durch den Stößel 11, der bei einer Aufwärtsbewegung zunächst
nur den Entlastungsventilkegel 8 gegen die Kraft der Druckfeder 10 und gegen die
Kraft des auf dem Entlastungsventilkegel lastenden Betriebsdruckes anhebt. Das Druckmedium
fließt
dann an dem Entlastungskegel 8 vorbei in einen unterhalb des Ventilverschlußstückkegels
4 befindlichen Druckraum 16, so daß sich auch hier ein Druck aufbaut. Herrscht in
den Druckräumen 15 und 16 annähernd gleicher Druck, so wird durch den Stößel 11
auch der Ventilverschlußstückkegel4 entgegen der Kraft der Druckfeder 10 nach oben
geschoben. Das Druckmedium kann dann aus dem Ringkanal 13 durch den Ringspalt F
direkt in den Druckraum 16 einströmen, von wo es durch die in den Ventilkorb eingearbeiteten
Auslaßöffnungen 17 in den Ringkanal 18 gelangt, um durch die Auslaßbohrung
19 abzufließen.
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Das Ventil ist so konstruiert, daß der Querschnitt des Ringspaltes
F der kleinste Strömungsquerschnitt ist. Um diesen Querschnitt des Ringspaltes F
verkleinern oder vergrößern zu können, ist die Führungsbüchse 5 mittels eines Gewindes
20 in das Ventilgehäuse 1 eingeschraubt. Durch mehr oder minder tiefes Einschrauben
der Führungsbüchse 5 läßt sich der Abstand zwischen Unterkante Führungsbüchse und
Oberkante Ventilsitz, also der Querschnitt des Ringspaltes F, beliebig verändern.
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Um ein bequemes Einschrauben der Führungsbüchse 5 in das Ventilgehäuse
1 zu ermöglichen, ist der aus dem Ventilgehäuse 1 herausragende Kopf der Führungsbüchse
5 derart ausgebildet, daß ein Werkzeug angesetzt werden kann. Im Ausführungsbeispiel
ist der Kopf als Sechskant 21 ausgebildet, um einen Schraubenschlüssel aufsetzen
zu können.
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Das Einstellen des Ventilquerschnittes geschieht folgendermaßen: Es
sei angenommen, daß die rechnerisch ermittelte Höhe des Ringspaltes F gleich dem
Maß H sei. Bei der Montage des Ventils wird dann die Führungsbüchse 5 zunächst so
weit in das Ventil- ; gehäuse 1 eingeschraubt, daß die Unterkante der Führungsbüchse
5 auf der Oberkante des Ventilsitzes 2 anliegt. Alsdann wird das Maß A - Oberkante
Ventilgehäuse 1 bis Oberkante Sechskant 21 der Führungsbüchse 5 - ausgemessen. Durch
Zurückschrauben der Führungsbüchse 5 um den Betrag H stellt sich zwischen der Führungsbüchse
5 und dem Ventilsitz 2 ein Spalt gleicher Höhe ein, womit der Querschnitt des Ringspaltes
F auf den rechnerischen Wert eingestellt ist. Ist ein Nachstellen des Ventilquerschnittes,
also des Ringspaltes F, erforderlich, so wird durch weiteres Ein- oder Ausschrauben
der Führungsbüchse 5 die Höhe des Ringspaltes F vergrößert oder verkleinert, bis
der Ventilquerschnitt den Verhältnissen angepaßt ist.
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Um nach erfolgter Querschnittseinstellung des Ventils die Führungsbüchse
5 in der eingestellten Höhe zu arretieren, ist eine am Ventilgehäuse 1 befestigte
Arretiervorrichtung 22 vorgesehen. Eine solche Arretiervorrichtung kann, wie in
Fig.3 dargestellt, aus einer einfachen Klemmleiste 22 bestehen, die mit dem Sechskant
21 der Führungsbüchse zusammen wirkt. Diese Klemmleiste 22, die mittels zweier Schrauben
fest auf dem Ventilgehäuse aufgeschraubt wird, ist mit fünf Rastkerben 23 versehen.
In jede 6 dieser Kerben 23 kann der Sechskant 21 mit einer seiner Spitzen eingerastet
werden, so daß bei einer Umdrehung des Sechskantes dreißig verschiedene Raststellungen
möglich sind. Natürlich kann aber auch jede andere Art von Arretiervorrichtung ange-
6 vandt werden. An der Arretiervorrichtung oder auf dem Ventilgehäuse 1 kann eine
Skala aufgetragen werden, die Anhaltspunkte für eine Feinverstellung der Führungsbüchse
gibt (vgl. die römischen Ziffern in Fig. 3).
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Da die Konstruktion des Ventils die Verwendung von Sprengringdichtungen
notwendig macht, sind die Druckräume 13 und 18 durch zwei hintereinandergeschaltete
Dichtungselemente 24 gegeneinander abgedichtet, so daß jedes Dichtungselement nur
von einer Seite beaufschlagt wird. Die Dichtungsringe haben D-förmigen Querschnitt,
um die Einstechnuten, in denen sie gelagert sind, möglichst weitgehend auszufüllen.
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Garantiert der Betriebsdruck kein absolutes Halten des Ventilsitzes
2 gegenüber den in den Führungen des Stößels 11 beim Aufwärtshub auftretenden Reibungskräften,
so kann der Ventilsitz auch so, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgeführt werden. Hier
wird der Ventilsitz 2' mittels einer Ringmutter 25 am Ventilgehäuse befestigt. Ferner
ist auch insofern eine Abwandlung in der Konstruktion möglich, daß statt der Einlaßöffnung
die Auslaßöffnung für das Betriebsmedium als ringsum offener Ringspalt ausgebildet
wird. Bei einer derartigen Konstruktion wären die Führungsbüchse und der Ventilsitz
aus einem Stück zu fertigen, was jedoch neben gewissen fertigungstechnischen Schwierigkeiten
den Nachteil mit sich brächte, daß bei einer Längsverstellung der Führungsbüchse
zwecks einer Querschnittsveränderung sich auch die Höhe des Ventilsitzes verändern
würde, was wiederum eine Nachregulierung der Hubeinrichtung, insbesondere des den
Ventilverschlußstückkegel anhebenden Stößels erfordern würde. Darüber hinaus ließe
sich das Ventil beispielsweise auch als Drosselventil verwenden, wobei die Konstruktion
jedoch so getroffen werden müßte, daß die Verstellung der Führungsbüchse 5 zur Regulierung
des Ventilquerschnittes durch eine beispielsweise durch Handrad zu betätigende Spindel
herbeigeführt wird.