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Kolbenpackung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpackung aus Kautschuk oder ähnlichem Material und in diesem eingebetteten ringförmigen Gewebeelementen und auf'ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Packung.
Es sind Packungen mit ringförmigen Gewebeeinlagen bekannt, die nicht bis zum äusseren Umfang der Packung reichen, so dass nur deren elastisches Material dem Verschleiss ausgesetzt ist.
Bei andern bekannten Packungen bestehen die bis zur Reibungsfläche der Packung eingebetteten Einlagen aus Gewebsbändern, deren Schuss- und Kettenfäden parallel bzw. senkrecht zum Bandrand verlaufen, wodurch die tangential zur Reibungsfläche liegenden Fäden dem Verschleiss ausgesetzt sind und herausgerissen werden. Bei beiden Ausführungsformen ist die Verschleissfestigkeit der Packung nicht genügend.
Die Erfindung zielt darauf alb, die Verschleissfestigkeit einer Kolbenpackung mit im Kautschuk
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gen Gewebeelementen wesentlich zu erhöhen.
Sie besteht im Wesen darin, dass die Schussund Kettenfäden der Gewdbeelemente, wie bekannt, in einer zur Packungsachse senkrechten Ebene liegen und in einem Winkel von etwa 450 zu den Tangentialebenen der äusseren Packungsfläche geneigt sind untd deren Enden mit ihren Querschnitten bis zur äusseren Umfangsfläche der Packung reichen. Nach einem Merkmal der Erfindung ist die Verstärkung in an sich bekannter Weise durch übereinander gestapelte Ringe gebildet und besteht jeder dieser Ringe aus einem schräggeschnittenen Gewebeband, das an der die Innenfläche bildenden Kante mit Ausnehmungen versehen und anschliessend flach um einen Kern aufgewickelt ist, so dass die Ränder der V-förmigen Ausnehmungen im wesentlichen zusammenfallen, wobei die Enden des Bandes in bekannter Weise zu einem Ring zusammengeschlossen sind.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Verstärkungsringes für die Kolbenpakkung ist dadurch gekennzeichnet, dass man aus einer Gewebe-, z. B. einer LeiríwaÍ1dbahn, Schrägbänder ausschneidet, deren einer Rand mit Vför- migen Ausschnitten versehen wird, worauf das in dieser Weise ausgeschnittene Band um einen Kern aufgewickelt wird, so dass der mit Ausnehmungen versehene Rand in Berührung mit dem Kern steht und die Ränder der Ausnehmungen im wesent- lichen ineinander fallen, wobei das Band auf eine. der Länge der Abwicklung des Ringes ent- sprechende Länge geschnitten wird und die bei- den Enden in an sich bekannter Weise zu einem Ring vereinigt werden.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindung- gemässen Kolbenpackung unter Verwendung der Verstärkungsringe gemäss der Erfindung besteht darin, dass man in einer Form die Geweberinge übereinander schichtet, Kautschuk oder einen ent- sprechenden geeigneten Werkstoff zugibt und das ganze unter Druck vulkanisiert, so dass die Gewebeeinlagen und der übrige Werkstoff zuverlässig miteinander vereint sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können aus einer Geweibe-, z. B. Leinwandbahn, Schrägbänder ausgeschnitten, einer der Ränder jedes Bandes mit V-förmigen Ausschnitten versehen, das Band schraubenförmig um einen Kern gewickelt werden, wobei die Ausschnitte dem Kern zugewandt sind und die Ränder der Ausschnitte im wesentlichen aneinanderliegen, so dass jeder Schraubengang im wesentlichen einen flachen Ring bildet, während man anschliessend die gesamte so erhaltene Schraubeneinlage in eine Form einbringt, Kautschuk oder einen entsprechenden geeigneten Werkstoff hinzufügt und das ganze unter Druck vulkanisiert, so dass die Einlage und der Werkstoff zuverlässig miteinander vereint sind.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Kolben, der mit einer Dichtungsgarnitur gemäss der Erfindung ausgestattet ist im teil weisen Längsschnitt, Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Verstärkungsring, der nach den bisher bekannten Verfahren hergestellt ist, Fig. 3 die Ansicht einer Leinwandbahn, die ge-
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kelvorganges nach dem erfindungsgemässen Verfahren, Fig. 5 ist ein teilweiser Längsschnitt durch eine Aufrollvorrichtung in schematischer Darstellung, Fig. 6 zeigt eine schematische Teildarstel-
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Der Kolben 1 ist gemäss Fig. 1 auf einer Kolbenstange 2 angeordnet und mittels einer Mutter 3 befestigt.
Der Kolben besteht aus einem Mittelstück 10 und ist mit zwei Packungen 4 ausgestattet, die an ihren Enden Dichtungslippen 7 zur Erhöhung der Abdichtung gegenüber dem Zy, linder 8 der Pumpe aufweisen. Die beidseits des Mittelstückes 10 befindlichen Teile der Packungen 4 sind mittels Leinwandeinlagen 9 verstärkt. Diese Anordnung gemäss Fig. 1 ist an sich bekannt ; in der Regel wird die Verstärkung 9
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gebildet.stellt ist, dargestellt. Man erhält ihn, indem man gleichzeitig eine gewisse Anzahl von Ü1bereinan- dergelegten Leinwandbahnen ausstanzt. Es ergibt sich hiebei ein beachtlicher Verschnitt, denn die inneren Teile 22, die der mittleren Ausnehmung der Garnitur entsprechen, sowie grosse Teile der Gewebebahn, die ausserhalb des Ringes liegen, können nicht mehr verwendet werden.
Ein weiterer Nachteil der Verstärkungen nach Fig. 2 besteht in ihrer geringen Widerstandskraft ge-
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eine schnelle Abnutzung der Garnitur an ihrem Umfang auftritt, u. zw. an den Schnittpunkten mit einer der parallel zu den Fäden verlaufenden Achsen x-x oder y-y. Dieser Umstand muss der Tatsache zugeschoben werden, dass die Schussfäden 11 bzw. die Kettfäden 12 nach Sehnen an die konzentrischen Kreise angeordnet sind, welche den Ring nach Fig. 2 begrenzen. In der Nähe der Schnittpunkte dieser Grenzkreise mit den Achsen x-x und y-y ist die Länge der Sehnen sehr gering, der Faden wird in den Knotenpunkten des Gewebes nicht gehalten und durch Reibung leicht entfernt.
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Zerstören der Verstärkungseinlagen 9 unbrauchbar werden.
An Schlammpumpen bei Erdbohrungen durchgeführte Vergleichsversuche haben erwiesen, dass Kolbendichtungsgarnituren mit Verstärkungsringen gemäss Fig. 2 eine um einen beachtlichen Bruchteil geringere Lebensdauer gegenüber Garnituren gemäss der Erfindung aufweisen.
Gemäss der Erfindung wird die Verstärkungseinlage 9 der Garnitur 4 in folgender Weise erhalten : Eine Gewebebahn aus Verstärkungsleinwand ist in Fig. 3 dargestellt, wobei die Schussfäden 19 und die Kettfäden 20 quadratische Zwischenräume bilden ; die Leinwandbahn wird, nach zuvor erfolgter, geeigneter Behandlung gemäss bekannten Verfahren in Bänder nach den parallelen Geraden 2. ? geschnitten, wie diese gestrichelt in der Zeichnung wiedergegeben sind und unter einem Winkel von etwa 450 gegenüber den Gewebefäden verlaufen. Die Schneidabfälle können hiebei praktisch vernachlässigt werden.
Anschliessend wird jedes Band an einer seiner Längskanten mit dreieckförmigen Ausschnitten 13 ausgestattet, wie diese in Fig. 4 dargestellt sind, die den Aufwickelvorgang eines Gewebebandes 18 um eine Rolle 17 wiedergibt, wobei die Ausnehmungen an der Innenseite des auf diese Weise gebiLdeten Verstärkungsringes 25 liegen.
Das Ausschneiden der Ausschnitte ist nötig, um ein sofortiges Aufrollen der Bänder zu ermöglichen. Während diesem Aufrollen nähern sich die Ränder 14 einer Ausnehmung 13 einander und bilden einen einzigen Schlitz 15, der sich über eine schwache Länge des Innenbereiches der Verstärkungseinlage erstreckt und während der Herstellung der Dichtungsgarnitur in ihrer Form ausgeglichen wird. Die unter ungefähr 450 gegen- über den Längsrändern des Bandes 18 verlaufenden Schuss- und Kettfäden nehmen während des Aufrollvorganges eine gekrümmte Lage ein und befinden sich im Inneren des Verstärkungsringes unter gewissen Winkeln a, b, c, und d, die gegenüber den entsprechenden Tangenten z-z und z'-z'von Null verschieden sind. Diese Tangenten sind dabei an den inneren bzw. den äusseren Umfang des Verstärkungsringes gelegt.
Es ist nun festzustellen, dass in keinem Fall die Fäden in Richtung der Tangenten z-z und z'-z' verlaufen, so dass die Bildung von schwachen Punkten, wie sie bei den bekannten und in Fig.
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mieden wird. Anderseits sind die Schnittabfälle, die in erster Linie auf das Einschneiden der Ausnehmungen 13 zurückzuführen sind, wesentlich geringer als die unvermeidlichen Abfälle im Falle der Herstellung von Ringen gemäss Fig. 2.
Der unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebene Arbeitsgang erlaubt es deshalb, Verstärkungsringe 25 herzustellen, die nach einem Radius 16 getrennt sind, nach welchem die Enden 23 und 24 eines Bandes 18 auf gewünschte Länge geschnitten werden. Diese Ringe gemäss Fig. 4 werden anschliessend in einer Form gestapelt und man beendet die Herstellung der Garnitur, indem man in diese Form in geeigneter Weise vorbehandelten und zubereiteten Kautschuk einführt, den man gemäss einem bekannten Verfahren mit den 1Jeinwandv'arstärtkungstlÌngen zusammenvulkani- siert.
Indessen erlaubt es die Verwendung eines
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der Verstärkungseinlage 9 zu erhöhen und die
Kosten für die Herstellung zu verringern, wie sie durch das umständliche Einstapeln der Rin- ge bedingt sind, denn man kann gemäss einem teren Merkmal der Erfindung auf die Her-
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stellung von Einzelringen verzichten und die Herstellung der Verstärkung 9 für die Garnitur 4 in einem einzigen Arbeitsgang vornehmen. Es genügt hiefür, das Band 18 schraubenförmig um die Rolle 17 aufzuwickeln, wobei die Verstärkungsschichten sich kontinuierlich übereinander legen und die gewünschte Stärke der Verstärkungseinlagen in Richtung, der Rollenachse 17 bilden, die senkrecht zur Bildebene der Fig. 4 liegt.
Die Ausnehmungen 13 erleichtern das Aufrollen des Bandes 18. Sobald nämlich dieses Band eine beachtliche Breite aufweist, würde man das sofortige Aufrollen um die Rolle 17 nicht vornehmen können, ohne Faltenbildungen herbeizuführen oder die Verstärkung konkav oder konvex auszubilden. Ein weiterer Nachteil würde in der Aufwendung beträchtlicher Zugkräfte auf die Fäden liegen, so dass diese der Gefahr des Zerrei- ssens während des Aufrollvorganges ausgesetzt wären. Das Einschneiden der Ausnehmungen 13 schaltet nicht nur die vorstehend erwähnten Nachteile aus, sondern führt zu einem weiteren, unerwarteten und sehr wichtigen Ergebnis. Trotz des Vorhandenseins der Ausnehmungen ist es nämlich unmöglich, eine vollständige Bbenflächigkeit der Ringe 25 nach Fig. 4 zu erreichen.
In der Praxis greifen die durch die Ränder 14 der Ausnehmungen 13 begrenzten Abschnitte ineinander und lagern sich im Inneren einer Verstärkungswindung sowie zwischen zwei benachbarten Verstärkungswindungen übereinander. Versuche, die Leinwandlagen auszureissen, haben gezeigt, dass man auf diese Weise eine Erhöhung der Starrheit des Erzeugnisses und des Widerstandes der Lagen im Bereiche der zentralen Bohrung gegen Herausreissen erreicht. Diese technische Wirkung stellt einen erheblichen Vorteil, z. B. bei der Anwendung derartiger Verstärkungen aus Geweben auf Garnituren von Stopfbüchsen für Kolbenstangen, dar.
Das schraubenförmige Aufwinden der Bänder 18 ist nur schwierig durchzuführen und infolgedessen zu kostspielig, soweit es von Hand durchgeführt werden müsste, wobei indessen die Handarbeit das übliche Herstellungsverfahren bei der Erzeugung von mit Gewebeeinlage verstärkten Kautschukdichtungen darstellt. Dagegen wird dieses Spiralwickelverfahren wirtschaftlich tragbar und vorteilhaft, wenn man sich einer mechanischen Vorrichtung bedient, wie diese nachstehend beispielhaft, aber ohne Einschränkungen, beschrieben ist.
Die Wickelvorrichtung gemäss der Erfindung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt und besteht aus einer senkrechten Welle 26, die in Achsrichtung verschiebbar ist und über einen nichtdargestellten Motor in Drehung versetzt wird. Diese Welle befindet sich innerhalb eines Kolbens 29, wobei zwischen beiden Teilen Wälzlager 30 und 31 angeordnet sind. Der Kolben 29 ist gegen Drehung gesichert, indessen zusammen mit der Welle 26 im Zylinder 32 längs verschiebbar. Die Dichtigkeit zwischen Kolben und Zylinder wird durch Dichtungen 33 und 34 hergestellt. Der Zylinder 32 weist Zylinderräume 36 und 37 auf, die mit öl gefüllt sind und voneinander durch einen Vorsprung 35 im Kolben 29 getrennt werden. Im Zylinderraum 36 ist eine Schraubendruckfeder 45 untergebracht. Die Verbindung zwischen den Zylinderräumen 36 und 37 wird durch Verbindungswege 38 und 39 hergestellt.
Ein Rückschlagventil 40 verhindert das oberere- ten des Oles vom Zylinderraum 37 in den Zylin- derrajum 36 über den Verbindungsweg 38. Die Verbindungsleitung 39 kann mittels eines Hahnes 41 abgesperrt werden. Die Welle 26 ist an ihrem oberen Ende mit einem Bund 27 versehen, der
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oben durch eine Mitnehmerscheibe 28 verlängert und endet in einem Kernansatz 17, welcher der Mittelöffnung der herzustellenden Verstärkungseinlage 9 entspricht. Die Verstärkungseinlage 9 wird durch Aufrollen des Bandes 18 gebildet, das sich im Sinne des Pfeiles F von einer Abnahmespule 44 abrollt.
In der Zeichnung sind die Abstände zwischen den einzelnen Schraubengängen der Verstärkungseinlagen 9 absichtlich übertrieben dargestellt, um die Schraulbenform klarer erkennen zu lassen ; tatsächlich liegen die Schraubengänge unter der Wirkung der Feder 45 dicht aneinander. Die Verstärkungseinlage 9 kommt nach oben zu gegen Rollen 43 zum Anschlag, die sich um waagrechte Achsen 42 frei drehen, welche ihrerseits an nicht dargestellten Maschinengestellen ortsfest gelagert sind. Die Umdrehungsgeschwindigkeiten der Rollen 43 sind umso grö- sser, je weiter sich die Rollen von der Welle 26 entfernt befinden. Die Rollen 43 sind gegen jede Längsbewegung in ihrer Achsrichtung 42 gesichert. Die Achsen 42 sind am Gehäuse angelenkt.
Sie sind während der Herstellung der Verstärkungseinlage starr verriegelt und können am Ende des Arbeitsganges entfernt werden, um die Verstärkungseinlage freizulegen und von der Mitnehmerscheibe 28 abzuheben.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt : Zu Beginn des Herstellungsvorganges befindet sich die Mit- nehmerscheirbe 28 in Hochlage und der Hahn 41 ist geschlossen. Das Ende des Bandes 18 wird zwischen Mitnehmerscheibe 28 und Rollen 43 eingeführt. Die Welle 26 wird in Drehung versetzt, die Mitnehmerscheibe 28 nimmt das Band 18 über nichtdargestellte Klammern mit und bringt es in Drehung, wobei das Band um den
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scheibe 18 nach unten, der Kolben 29 drückt die Feder 45 zusammen und verdrängt das 01 aus dem Zylinderraum 36 durch die Vertin- dungsleitung 38 in den Zylinderraum 37.
Die
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Verstärkungseinlage 9 bleibt unter der Druckwirkung der Feder 45, die erforderlich ist, um die Mitnahme des Bandes 18 und den Aufwickelvorgang sicherzustellen, denn die Starrheit des Bandes und die Biegung würden eine Verformung der Schraubengänge herbeiführen, wenn die Ver- stärkungseinlage 19 njicht zusammengedrückt würde. Wenn die Verstärkungseinlage 9 eine ausreichende Stärke angenommen hat, wird der Antriebsmotor für die Welle 26 angehalten und das Band 18 abgeschnitten. Diese Arbeitsgänge können automatisch durch bekannte und nichtdar-
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ssend werden die Achsen 42 entfernt und die Verstärkung 9 von der Mitnehmerscheibe 28 abgehoben.
Die Mitnehmerscheibe 28 kann nach dem Entfernen der Achsen 42 nicht hochsteigen, da sie in ihrer Bewegung durch das im Zylinderraum . 37 eingeschlossene d gehalten Ist, welches den Zylinder 29 festhält. Man öffnet also den Hahn 41, um. die Mitnehmerscheibe 28 unter der Wirkung der Feder 45 hochsteigen zu lassen, wobei der Kolben 29 das öl aus dem Zylinderraum 37 durch die Verbindungsleitung 39 in den Zylinderraum 36 eintreten lässt. Anschliessend kann man den Arbeitsgang nach Schliessen des Hahnes 41 von neuem wiederholen.
Es versteht sich, dass die beschriebene Ausführungsform lediglich als Beispiel, nicht aber einschränkend zu verstehen ist, da. Abänderung- formen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist die Erfindung nicht begrenzt auf Dichtungsgarnituren für die Abdichtung von hin- und hergehenden Teilen, wie z. B. Dichtungsgarnituren für Kolben oder Stopfbuchsen, ferner nicht auf Dichtungsgarnituren im allgemeinen, sondern sie erstreckt sich auf alle Arten von natürlichem und synthetischem Kautschuk, Kunststoffen u. dgl. und auf jeden andern Werkstoff, der mittels der Verstärkungsbahnen versteift werden kann, bei denen die glei-
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als Verstärkungsbahn solche mit natürlichen, organischen, synthetischen, mineralischen, metallischen und andern Fällen verwenden.
Die Fäden können in sich einfädig und mehrfädig sein und in letzterem Falle verschiedenen Drall aufweisen. Auch können sie verschiedene, z. B. kreisförmige oder andere Querschnitte haben. Die Verstärkungseinlagen brauchen nicht notwendigerweise Kreisquerschnitt aufweisen, sie können eine angenähert vieleckige Form aufweisen, sofern die Ecken in ausreichendem Masse abgerundet sind.
Auch können die Einlagen von der prismatischen Form abweichen. Würden z. B. die Schnittlinien 21 gemäss Fig. 3 anders als nach parallelen Geraden verlaufen, so könnte man Bänder verschiedener Breiten verwenden, um konische Verstärkungseinlagen zu bilden. Die Linien 21 könnten gekrümmt sein, um Einlagen geeigneter Form herzustellen oder um das Aufrollen der Bänder 18 um die Rolle 17 zu erleichtern. Die parallelen
Geraden 21 gemäss Fig. 3 könnten weiterhin un- ter einem von 450 verschiedenen Winkel geneigt sein, um z. B. einer andern Einstellung eines an- dern Gewebes angepasst zu werden. Die Ausneh- mungen 13 könnten auch, anstatt dreieckig zu sein, eine Trapezform oder jede andere Form an- nehmen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kolbenpackung aus Kautschuk oder ähnli- chem Material und in diesem eingebetteten ring- förmigen Gewebeelementen, dadurch gekennzeich- net, dass die Schuss- und Kettenfäden der Gewe- beelemente, wie bekannt, in einer zur Packungs- achse senkrechten Ebene liegen und in einem Win- kel von etwa 450 zu den Tangentialebenen der äusseren Packungsfläche geneigt sind und deren
Enden mit ihren Querschnitten bis zur äusseren
Umfangsfläche der Packung reichen.