-
Die
Erfindung betrifft einen beheizbaren Zylinder zur Aufheizung einer
Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn in einer
Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung von Faserstoffbahnen,
im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs
1; ferner eine Trockenvorrichtung.
-
Beheizbare
Zylinder finden in Trockenanordnungen von Maschinen zur Herstellung
und/oder Veredelung von Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen
Faserstoffbahn Verwendung. Diese sind in den unterschiedlichsten
Ausführungen
vorbekannt, wobei der Zylindermantel, an welchem die Faserstoffbahn
entlang geführt
wird, zumindest teilweise von innen mittels eines heißen Fluides
beaufschlagbar ist. Der Zylindermantel kann dabei je nach Ausführung einschalig,
zwei- oder mehrschalig ausgeführt
sein.
-
Ausführungen
zur Steigerung der Trocknungsleistung mit einschaliger Bauweise
und mit zusätzlicher äußerer Beaufschlagung
des den Zylindermantel umschlingenden Stützbandes mit einem gasförmigen oder
flüssigen
Medium sind aus den Druckschriften
DE 10 2004 017 810 A1 sowie
DE 197 23 163 A1 vorbekannt.
-
Die
Druckschrift
DE
10 2004 017 810 A1 offenbart einen beheizten Zylinder zur
Trocknung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn
oberhalb dessen eine Druckhaube angeordnet ist, der ein fluides
Medium zugeführt
wird. Die Druckhaube besteht hier aus einzelnen, sich jeweils in
Bahnlaufrichtung erstreckenden und nebeneinander liegenden Elementen
oder Zellen, die jeweils einzelne Anschlüsse für die Zu- oder Abführung eines Mediums
aufweisen.
-
Aus
der Druckschrift
DE
197 23 163 A1 ist eine Trockenpartie vorbekannt, bei welcher
einem einschaligen Zylinder eine mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium
beaufschlagbare Überdruckhaube
zum Zwecke der Kühlung
des Stützbandes
für die
Faserstoffbahn zugeordnet ist.
-
Bei
der zweischaligen Bauweise, welche durch eine erste innere Manteleinheit
und eine zweite äußere Manteleinheit
charakterisiert ist, wird das Fluid in den in radialer Richtung
zwischen der inneren und der äußeren Manteleinheit
gebildeten Zwischenraum eingeleitet. Durch die zweischalige Ausführung kann
das Temperaturgefälle
zwischen der Zylinderoberfläche
und dem eingeleiteten Fluid, insbesondere Dampf, reduziert werden.
Die innere Manteleinheit kann dabei entweder auf einer separaten
Trageinheit angeordnet, insbesondere gelagert sein oder aber bildet
diese. Derartige zweischalige Anordnungen von Zylindern sind beispielsweise
aus den Druckschriften
DE
10 2004 017 811 A1 und
WO 2004/067978 A1 vorbekannt.
-
Aus
der Druckschrift
DE
10 2004 017 811 A1 ist eine gattungsgemäße zweischalige Ausführung bekannt,
bei welcher die innere Manteleinheit mit der äußeren Manteleinheit über Verbindungselemente drehfest
verbunden ist. Die Verbindungselemente sind beispielsweise als Stifte
ausgeführt,
welche durch eine der beiden Manteleinheiten hindurch geschoben
werden und mit der jeweils anderen Manteleinheit kraftschlüssig, formschlüssig oder
stoffschlüssig
verbunden sind. Die Abdichtung des Druckraumes zwischen der inneren
und der äußeren Manteleinheit
erfolgt in axialer Richtung über
ein Deckelelement, welches sich über
die gesamte radiale Erstreckung des Zylinders erstreckt und auch
den von der inneren Manteleinheit umschlossenen Innenraum mit abdichtet.
Das Deckelelement ist mit der äußeren Manteleinheit
fest verbunden und im Bereich der Mittenachse des Zylinders gelagert.
-
Eine
weitere zweischalige Ausführung
mit einem Zylinderdeckel zur Abdichtung des Druckraumes zwischen
innerer und äußerer Manteleinheit
mit Befestigung sowohl an der inneren und der äußeren Manteleinheit, vorzugsweise
mit Erstreckung in radialer Richtung auch über den von der inneren Manteleinheit
umgrenzten Innenraum offenbart
WO 2004/067978 A1 .
-
In
beiden Ausführungen
kann die innere Manteleinheit auch als Trageinheit fungieren. Diese ist
dann durch größere Abmessungen
bzw. Dicken als die äußere Manteleinheit
in radialer Richtung charakterisiert. Dabei kommt es bei einem derartigen zweischaligen
Aufbau insbesondere im instationären Betrieb,
beispielsweise beim Aufheizen oder Abkühlen des Zylinders, bei Abriss
oder Überführen der
Faserstoffbahn zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der
verschiedenen Zylinderschalen, insbesondere der inneren und der äußeren Manteleinheit
aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten. Eine
Temperaturänderung
an der dünneren
Außenschale
erfolgt wesentlich schneller als an der häufig dickeren Tragkonstruktion
beziehungsweise der inneren Manteleinheit. Die Folge sind Verspannungen
infolge von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen, insbesondere
in axialer Richtung zwischen der inneren und der äußeren Manteleinheit, die
zu erhöhten
Belastungen, insbesondere der Verbindung mit der äußeren Manteleinheit
sowie der Verbindungselemente und zu einer Verschlechterung der
Abdichtung am Deckel führen,
wobei die Dichtheit nicht mehr sicher gewährleistet ist. Eine hohe Häufigkeit
des Auftretens sowie die Größe der mechanischen
Beanspruchungen der Verbindungselemente auf Scherung und Biegung,
der Anschlusselemente und der Verformungen an den Durchgangsöffnungen
kann bis zum Versagen der Verbindungselemente durch irreversible
Schädigung
führen,
was sich in einem erhöhten
Wartungsaufwand niederschlägt.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen beheizbaren Trockenzylinder
der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die mechanische
Beanspruchung der Verbindungselemente und Anschlusselemente bedingt
durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von innerer und äußerer Manteleinheit
in axialer Richtung zueinander weitestgehend minimiert und somit
durch diese hervorgerufene irreversible Schädigungen vermieden werden,
wodurch eine sichere Funktionsweise gewährleistet sowie die Verfügbarkeit
für das
gesamte System erhöht
werden kann.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung ist
durch die Merkmale der Ansprüche
1 und 21 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen
beschrieben.
-
Ein
beheizbarer Zylinder umfasst eine erste innere Manteleinheit und
eine zweite äußere Manteleinheit,
die unter Bildung wenigstens eines mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium,
insbesondere einem heißen
Fluid beaufschlagbaren Hohlraumes zueinander in radialer Richtung
angeordnet sind. Der Hohlraum ist stirnseitig über Mittel zur Abdichtung verschließbar, insbesondere
druck- und flüssigkeitsdicht.
Die innere Manteleinheit und die unter Bildung wenigstens eines
Hohlraumes diese umschließende äußere Manteleinheit
sind über
Verbindungsmittel miteinander gekoppelt, so dass eine Lagefixierung zumindest
in radialer und Umfangsrichtung zueinander, eventuell auch in axialer
Richtung gegeben ist. Zur Vermeidung und Kompensation der Auswirkungen
unterschiedlicher Wärmeausdehnungskapazitäten, die
sich in einer Relativbewegung in axialer Richtung zwischen der inneren
und der äußeren Manteleinheit
widerspiegeln, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Verbindungselemente
derart auszugestalten, dass diese die Verschiebungen, die durch
die unterschiedlichen Dehnungen an einer der Manteleinheiten aufgrund
des Temperaturgefälles
hervorgerufen werden, zumindest beschränkt, d.h. bis zu einer bestimmten
vordefinierten Größe unter
reversibler Verformung zulassen können, wobei die mechanische
Beanspruchung des einzelnen Verbindungselementes in diesem Betriebsbereich
möglichst
gering gehalten wird. Dazu werden Maßnahmen vorgesehen, die die
ansonsten sofortige Scherbeanspruchung des Verbindungselementes
im Bereich der Verbindungsfuge zwischen den einzelnen Manteleinheiten
bei Relativbewegung der Manteleinheiten in axialer Richtung zueinander
vermeiden. Diese beinhalten das Vorsehen von Möglichkeiten zur reversiblen
Verformung an den Verbindungselementen bei axialer Ausdehnung der äußeren Manteleinheit und/oder
Maßnahmen
an den einzelnen Manteleinheiten selbst.
-
Durch
die erfindungsgemäße Gestaltung werden
zum einen die Verbindungselemente selbst weniger kritischen Beanspruchungen
ausgesetzt und ferner auch die Anschlusselemente, insbesondere die
Lochlaibungen der Durchgangsöffnungen
nicht verformt. Ein Abstützen
der Schrauben in den Bohrungen darf nicht auftreten.
-
Gemäß einer
ersten Ausführung
wird das einzelne Verbindungselement durch eine der beiden miteinander
zu verbindenden Manteleinheiten frei von einer Verbindung miteinander
mit einem Spiel in axialer Richtung geführt. Dieses erlaubt im genannten
Belastungsfall der axialen Ausdehnung beispielsweise der äußeren Manteleinheit
begrenzt eine freie reversible Dehnung und Biegung des Verbindungselementes
im Durchführungsbereich
frei von einer Abstützung
an der Innenfläche
der Durchgangsöffnung selbst
innerhalb des Spielbereichs. Der Vorteil der reinen Biegebeanspruchung
liegt darin, dass die Schraube nur in einem definierten Bereich
gebogen wird und keine Schubbeanspruchung auftritt.
-
Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Verringerung der
Belastung eines einzelnen Verbindungselementes und damit zur möglichen
kostengünstigeren
Auslegung die theoretisch mögliche
aktive Biegelänge
eines einzelnen Verbindungselementes zwischen zwei Einspannbereichen
möglichst
groß gewählt. Um
unnötige
Materialverdickungen an den einzelnen Manteleinheiten zu vermeiden,
wird nur die Durchgangsöffnung
verlängert
und in diesem Bereich eine Verstärkung
vorgenommen.
-
Eine
Vergrößerung der
aktiven Biegelänge wird
durch die Vergrößerung des
Abstandes der beiden Einspannspannbereiche und damit der Vergrößerung der
Länge des
Verbindungselementes zwischen den zwei Einspannbereichen erzielt.
Die Verlängerung
der Biegelänge
ermöglicht
eine Relativbewegung zwischen den Manteleinheiten in axialer Richtung
bei gleichzeitiger oder versetzter reversibler Verformung des Verbindungselementes,
wobei dieses aufgrund der Vergrößerung des
Hebels der die Verformung bewirkenden und durch die Verschiebung
bedingten Kraft bei gleichem axialen Verschiebeweg geringeren Beanspruchungen
aufgrund des kleineren Biegewinkels ausgesetzt ist. Dadurch kann eine
Verbindung in radialer und in Umfangsrichtung zwischen den Manteleinheiten
mit in radialer Richtung ausgerichteten Verbindungselementen mit
geringer mechanischer Beanspruchung erzielt werden, wodurch die
Verfügbarkeit
für das
Gesamtsystem insgesamt erhöht
werden kann.
-
Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführung
werden Verbindungselemente gewählt,
die eine der Manteleinheiten unter Beibehaltung eines Spieles durchdringen
und mit der anderen kraftschlüssig,
formschlüssig
und/oder stoffschlüssig
verbunden sind, wobei die beiden Manteleinheiten in radialer Richtung
verspannt werden. Dazu ist in einer der Manteleinheiten eine Durchgangsöffnung vorgesehen,
welche durch größere Querschnittsabmessungen
charakterisiert ist als die Außenabmessungen
der Querschnittsfläche
des Verbindungselementes, wobei die Differenz das Spiel bestimmt.
Die Durchführung
erfolgt durch die erste oder zweite Manteleinheit und die eigentliche
Befestigung dann jeweils an der anderen zweiten oder ersten Manteleinheit
oder umgekehrt. Die Durchführungslänge bestimmt
dabei die theoretisch nutzbare Biegelänge für das Verbindungselement. Bei
Relativbewegung erfolgt dann eine Verformung am Verbindungselement frei
von einer direkten Abstützung
in der Durchgangsöffnung
der Manteleinheit bis zum Anschlag an deren Innenfläche. Um
dabei die Belastung des Verbindungselementes insgesamt möglichst
gering zu halten, wird gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführung
die aktive Biegelänge
durch Verlängerung der
Verbindungselemente und der Durchgangsöffnungen verlängert.
-
Dies
kann durch
- a) örtliche oder sich über Bereiche
in axialer und/oder Umfangsrichtung ausgerichtete Verdickungen an
der jeweiligen Manteleinheit, insbesondere der inneren Manteleinheit
in radialer Richtung, oder
- b) die Zuordnung eines separaten Elementes zur jeweiligen Manteleinheit,
insbesondere der Innenfläche
der inneren Manteleinheit erfolgen.
-
Das
Vorsehen zusätzlicher
separater Elemente bietet den Vorteil einer einfachen Montage und leichten
Nachrüstbarkeit
auch in bestehende Systeme.
-
Die
Durchgangsöffnung
wird vorzugsweise derart gestaltet, dass diese zwei Abstützbereiche
unter Belastung charakterisiert, wobei diese Abstützbereiche
durch eine Abstufung im Querschnitt über die Erstreckung der Durchgangsöffnung in
radialer Richtung realisiert werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausführung
wird zumindest eine Querschnittsänderung
in Durchführungsrichtung
vorgesehen.
-
Die
Durchgangsöffnung
weist dabei hinsichtlich der Geometrie vorzugsweise die gleiche
Querschnittsgeometrie wie die Außenkontur des Verbindungselementes
auf, die sich lediglich durch die Dimensionierung zur Erzielung
des Spiels unterscheidet. Die Querschnittsänderung ist in radialer Richtung
durch eine Erweiterung charakterisiert. Dies bedeutet, dass sich
in Richtung der Durchführung
des Verbindungselementes von der inneren Mantelfläche in Richtung
der Außenfläche der
inneren Manteleinheit die Durchgangsöffnung vergrößert. Die
Vergrößerung wird
gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführung
durch Zuordnung eines separaten Elementes, beispielsweise einer
Hülse erzielt.
Die einzelne Hülse
kann dabei entweder ortsfest an der Manteleinheit, insbesondere
dem Innenumfang der inneren Manteleinheit angeordnet sein oder aber ohne
feste Verbindung zu dieser. Im ersten Fall ist eine Verbindung durch
Stoffschluss denkbar. Für eine
Vielzahl von Verbindungselementen kann das separate Element auch
in Leistenform ausgeführt werden,
wobei die Leiste sich quer über
die gesamte Erstreckung des beheizbaren Zylinders oder in Umfangsrichtung
erstreckt. Beide Möglichkeiten
sind dadurch charakterisiert, dass diese auch für konventionelle innere Manteleinheiten
zum Einsatz gelangen können.
Dabei wird jedoch die separate Lösung
besonders bevorzugt, da hier zum einen eine Unabhängigkeit
gegenüber
eventuellen Trageinrichtungen oder Stützeinrichtungen gegeben ist
und ferner eine individuelle Einstellbarkeit für das einzelne Verbindungselement
gegeben ist.
-
Ferner
ist es möglich,
bereits bei der Herstellung der inneren Manteleinheit, zumindest
der die innere Manteleinheit bildenden Schale, hier Vorsprünge vorzusehen,
die die Anordnung für
die Verbindungselemente charakterisieren und durch entsprechende
Verdickungen in radialer Richtung ausgebildet sind.
-
Weitere
Ausführungsformen
sind durch Maßnahmen
charakterisiert, die im wesentlichen an der äußeren Manteleinheit vorgenommen
werden. Bei dieser kommt es lediglich darauf an, die Durchführungsöffnung entsprechend
so zu dimensionieren, dass eine entsprechende axiale Bewegbarkeit bei
thermischer Ausdehnung in einem bestimmten Maß möglich ist.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung wird
nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen
folgendes dargestellt:
-
1a verdeutlicht
in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Axialschnittes durch
einen beheizbaren Zylinder eine erste besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführung;
-
1b verdeutlicht
anhand einer Detailansicht gemäß 1a die
besonders vorteilhafte Ausführung
I der Verbindungsmittel und eine weitere Ausführung II;
-
2a und 2b verdeutlichen
eine erste alternative Ausführung
zur Realisierung der Vergrößerung der
Biegelänge
eines Verbindungselementes in zwei Ansichten;
-
3a und 3b verdeutlichen
eine zweite alternative Ausführung
zur Realisierung der Vergrößerung der
Biegelänge
in zwei Ansichten.
-
Die 1a verdeutlicht
in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Axialschnittes den
Grundaufbau einer besonders vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Zylinders 1 zur Aufheizung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder
einer anderen Faserstoffbahn für
den Einsatz in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung von
Faserstoffbahnen. Ein derartiger Zylinder 1 findet als
beheizbarer Zylinder 1 in einer Trockenpartie von Maschinen
zur Herstellung und/oder Veredelung von Faserstoffbahnen Verwendung.
Der Zylinder 1 umfasst einen Zylindermantel 2,
der zumindest teilweise von innen mittels eines heißen Fluides,
insbesondere einem Gas oder Dampf beaufschlagbar ist. Der Zylindermantel 2 ist
in radialer Richtung betrachtet durch einen zweischaligen Aufbau
charakterisiert. Dazu umfasst dieser eine erste innere Manteleinheit 3,
die mit einer zweiten äußeren Manteleinheit 4 unter
Bildung zumindest eines mit dem heißen Fluid, insbesondere Druckmittel
beaufschlagbaren Hohlraumes 5 den Zylindermantel 2 bildet.
Innere und äußere Manteleinheit 3, 4 bilden
dabei zwei Zylinderschalen mit einer Mittenachse M3 und
M4, welche der Mittenachse M1 des
Zylinders 1 entsprechen und sind koaxial zueinander angeordnet.
Die Erstreckung in axialer Richtung erfolgt parallel zu den Mittenachsen
M3 und M4. Die einzelne
Manteleinheit 3 bzw. 4 kann je nach Ausführung einschichtig
oder mehrschichtig aufgebaut sein.
-
Der
Hohlraum 5 weist einen ein- oder mehrteiligen im wesentlichen
ringförmigen
Querschnitt auf, der zwischen einer Innenfläche 6 der äußeren Manteleinheit 4 und
einer Außenfläche 7 der
inneren Manteleinheit 3 gebildet wird. Je nach Ausgestaltung der
ersten inneren Manteleinheit 3 kann diese als separate
Einheit ausgeführt
sein, die mit einem Kern, der die Tragfunktion übernimmt, verbunden ist, insbesondere
drehfest. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, dass die innere Manteleinheit 3, wie in
der 1 beispielhaft dargestellt, als
Hohlkörper,
insbesondere zylindrischer Hohlkörper
ausgeführt
ist und gleichzeitig die Trageinheit 9 bildet. Die innere
Manteleinheit 3 ist in diesem Fall mit einer größeren Dicke D3 in radialer Richtung ausgebildet als die
Dicke D4 der äußeren Manteleinheit 4.
Die seitliche Abdeckung zumindest des durch die innere Manteleinheit 3 gebildeten
Hohlraumes erfolgt über
wenigstens einen Deckel 10, hier bei beidseitiger Öffnung beziehungsweise
beidseitig offener innerer Manteleinheit 3 über zwei
Deckel 10.1 und 10.2. Über die Deckel 10.1, 10.2 erfolgt
im dargestellten Fall auch die Lagerung des Zylinders 1,
insbesondere die Verbindung der inneren Manteleinheit 3 mit
dem einzelnen Deckel 10.1, 10.2 zu einer Baueinheit
in Form der Trageinheit 9.
-
Die
Kopplung zwischen der inneren Manteleinheit 3 und der zweiten äußeren Manteleinheit 4 erfolgt über Verbindungsmittel 8 zwischen
innerer und äußerer Manteleinheit 3, 4,
die der Fixierung der Lage von innerer und äußerer Manteleinheit 3, 4 zueinander
dienen, wobei hier insbesondere eine Fixierung der Lage zueinander
in Umfangsrichtung, radialer Richtung als auch zusätzlich in
axialer Richtung erfolgt. Die Verbindungsmittel 8 können verschiedenartig
ausgeführt
sein. Im einfachsten Fall umfassen diese Verbindungselemente 11 zwischen
der inneren Manteleinheit 3 und der äußeren Manteleinheit 4, welche
ebenfalls verschiedenartig ausgeführt sein können. Die konkrete Ausführung ist
insbesondere von der Ausgestaltung der gewünschten Verbindung zwischen
der äußeren Manteleinheit 4 und
der inneren Manteleinheit 3, insbesondere der Trageinheit 9, sowie
den baulichen Gegebenheiten abhängig.
Die Verbindung kann durch Kraftschluss, Formschluss und/oder Stoffschluss
erzeugt werden. Die Verbindungselemente 11 können dabei
entweder hohlwandig ausgeführt
sein oder aber aus Vollmaterial bestehen. Ferner können die
Verbindungselemente 11 im Querschnitt betrachtet durch
eine beliebige Geometrie charakterisiert sein, beispielsweise eine
runde, rechteckige oder sechseckige Form aufweisen. Die Querschnittsgeometrie
kann je nach gewünschtem Belastungsprofil
auch quer über
die Gesamtlänge der
Verbindungselemente 11 betrachtet wechseln. Die Verbindungselemente 11 werden
bezogen auf die theoretische Mittenachse M3 der
ersten inneren Manteleinheit 3 in radialer Richtung hinsichtlich
ihrer Mittenachse M11 in Einbaulage fluchtend
oder parallel durch Durchgangsöffnungen 12 entweder
in der äußeren Manteleinheit 4 oder
aber der inneren Manteleinheit 3 geführt und vorzugsweise durch
Schrauben, Schweißen,
insbesondere Reibschweißen,
oder durch Kleben, Löten,
Klemmen oder andere Techniken mit der jeweils anderen Manteleinheit,
d.h. der inneren Manteleinheit 3 und/oder der äußeren Manteleinheit 4 verbunden.
Ferner besteht auch die hier nicht dargestellte Möglichkeit,
die Verbindungselemente 11 zwei- oder mehrteilig auszuführen. Für die Verbindung
von Teilen der Verbindungselemente 11 untereinander sind
die verschiedensten Möglichkeiten
mit Kraftschluss, Formschluss oder Stoffschluss denkbar.
-
In 1a werden
die Verbindungselemente 11 jeweils durch eine Durchgangsöffnung 12 an
der inneren Manteleinheit 3 geführt und sind mit der äußeren Manteleinheit 4 zumindest
kraftschlüssig, formschlüssig oder
stoffschlüssig
verbunden. Im einfachsten Fall werden die Verbindungselemente 11 als
Schrauben 13 ausgeführt,
die zumindest in dem, in Einbaulage in die äußere Manteleinheit 4 hineinreichenden
Bereich 14 ein Gewinde 15 aufweisen, welches mit
einem komplementär
dazu ausgeführten Gewinde 16 an
der äußeren Manteleinheit 4 in
Wirkverbindung bringbar ist. Die Verspannung der beiden Manteleinheiten 3, 4 in
radialer Richtung erfolgt zwischen der Verbindung über die
Gewinde im Bereich der äußeren Manteleinheit 4 und
dem Kopf der Schraube 13. Eine andere Möglichkeit besteht beispielsweise
darin, anstatt der Gewinde einen Stoffschluss oder eine andere formschlüssige oder
kraftschlüssige
Verbindung vorzusehen. Um nun die Relativbewegung in axialer Richtung
zwischen den Manteleinheiten 3 und 4 mit geringer
mechanischer Beanspruchung insbesondere der äußeren Manteleinheit 4 und
der Verbindungselemente 11 zu gewährleisten, sind die Verbindungselemente 11 erfindungsgemäß derart
ausgeführt
und angeordnet, dass diese eine axiale Ausdehnung der äußeren Manteleinheit 4 wie
durch Doppelpfeil angedeutet zumindest beschränkt in einer vordefinierten
Größe zulassen
und somit die Verbindungselemente 11 nicht sofort auf Scherung
in der Verbindungsfuge beansprucht werden.
-
Im
einfachsten Fall wird die bei gleichem Durchmesser der Durchgangsöffnung wie
der Außendurchmesser
des Verbindungsmittels 11 bei bekannten Ausführungen
sofort einsetzende Scherbeanspruchung durch eine Biegebeanspruchung
der einzelnen Verbindungselemente 11 ersetzt. Dazu ist lediglich
eine Vergrößerung der
Erstreckung der Durchgangsöffnung 12 im
Querschnitt betrachtet zumindest in axialer Richtung gegenüber den äußeren Abmessungen
der Verbindungselemente 11 erforderlich, beispielsweise
durch Ausführung
der Durchgangsöffnungen
in Form von größeren Bohrlochdurchmessern,
Langlöchern,
deren maximale Abmessung sich parallel zur Mittenachse M1 des Zylinders 1 erstreckt. Die
Durchführung
des Verbindungselementes 11 erfolgt somit mit Spiel, welches
die aktive Biegelänge
des Verbindungselementes beeinflusst. Die Lagefixierung der beiden
Manteleinheiten 3 und 4 zueinander wird in radialer
Richtung und in Umfangsrichtung aufgrund der Verspannung zwischen
beiden Manteleinheiten 3 und 4 in radialer Richtung
sicher gewährleistet,
wobei das einzelne Verbindungselement 11 in axialer Richtung
bei thermischer Ausdehnung der äußeren Manteleinheit 4 auf
Biegung beansprucht wird, wie gemäß 1b in einer
zusätzlichen
Detailansicht II aus einem Axialschnitt gemäß 1a für ein Verbindungselement 11II beispielhaft wiedergegeben. Die Ausführung II stellt
die sich bei axialer Ausdehnung und damit erfolgender Verschiebung
des Verbindungsbereiches um a ergebende Situation bei beibehaltener
herkömmlicher
Dicke D3 der inneren Manteleinheit 3 dar,
welche der Erstreckung l12-II der Durchgangsöffnung 12II entspricht. Der Innendurchmesser
dl12 der Durchgangsöffnung 12II ist
größer als
der Außendurchmesser
dA11 des Verbindungselementes 11 im
Durchfuhrbereich in Einbaulage. Dadurch wird bei thermischer Ausdehnung
und der dadurch bedingten axialen Verschiebung der äußeren Manteleinheit 4,
insbesondere der Verbindung zwischen innerer und äußerer Manteleinheit 3, 4,
diese Verschiebung beschränkt
bis zum Anliegen des Verbindungselementes 11 am Innenumfang
der Durchgangsöffnung 12II frei von mechanischer Beanspruchung
der inneren Manteleinheit 3 und weitestgehend auch der äußeren Manteleinheit 4 mit
geringer mechanischer Beanspruchung des Verbindungselementes 11II auf Biegung zugelassen. Der Biegewinkel βII entspricht dem
Winkel zwischen der Mittenachse M12 der
Durchgangsöffnung 12II und M11 des
Verbindungselementes 11II in der
Belastungssituation. Die theoretisch mögliche Biegelänge entspricht
hier der Länge
l11-II in Einbaulage, d.h. der möglichen
Erstreckung des Verbindungselementes in der Durchgangsöffnung 12.
-
Bei
der Ausführung
gemäß 1a als
eine erste besonders vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung wird
zusätzlich
zur Reduzierung der Belastungen der einzelnen Schrauben 13 die
theoretisch mögliche
Biegelänge
noch durch Verlängerung
des Verbindungselementes 11 vergrößert und die dadurch erforderliche
Verlängerung
der Durchgangsöffnung 12 vorzugsweise
durch das Vorsehen einer Verstärkung
in Form eines separaten Elementes, ganz besonders bevorzugt in Form
einer Hülse 21 erzeugt.
Dies ist anhand eines Ausschnittes aus einer Ausführung gemäß 1a als
Detail l in der 1b wiedergegeben, wobei zur
Verdeutlichung lediglich nur ein derartiges Verbindungselement 11 dargestellt
ist. Auch hier ist die Durchgangsöffnung 12 an der inneren
Manteleinheit 3 in axialer Richtung betrachtet durch eine
größere Erstreckung als
die Außenabmessung
des Verbindungselementes 11 in diesem Bereich charakterisiert.
Der Durchmesser dl12 ist größer als
der Außendurchmesser
dA11 des Verbindungselementes 11 in
Einbaulage im Bereich der Durchgangsöffnung 12. Dadurch
wird bei thermischer Ausdehnung und der dadurch bedingten axialen
Verschiebung im Bereich der äußeren Manteleinheit 4,
insbesondere der Verbindung zwischen innerer und äußerer Manteleinheit 3, 4,
diese beschränkt
bis zum Anliegen des Verbindungselementes 11 am Innenumfang
der Durchgangsöffnung 12 frei
von mechanischer Beanspruchung der inneren Manteleinheit 3 und
mit geringer mechanischer Beanspruchung des Verbindungselementes 11 auf
Biegung zugelassen. Erkennbar ist, dass gemäß Ausführung II aufgrund der kurzen
zur Verfügung
stehenden Biegelänge
l11-II das einzelne Verbindungselement 11II bei gleicher Größe der durch thermische Ausdehnung
der äußeren Manteleinheit 4 wie
in Detail l bedingten axialen Verschiebung der äußeren Manteleinheit 4 gegenüber der
inneren Manteleinheit 3 um a stärker beansprucht wird, da hier
der Biegwinkel βII größer ist.
Die für
Ausführung
I vorgeschlagene Vergrößerung der
Verformungslänge
l11 für
das Verbindungselement 11 bedingt eine Vergrößerung der Führungslänge für das einzelne
Verbindungselement 11, insbesondere eine Vergrößerung der
Länge l12 der Durchgangsöffnung 12 in radialer
Richtung ausgehend von der Mittenachse M1 des
Zylinders 1 betrachtet. Um eine nahezu konstante Steigung
der sich bei thermischer Ausdehnung der äußeren Manteleinheit 4 in
axialer Richtung ergebenden Biegelinie für das einzelnen Verbindungselement 11 zu
gewährleisten,
wird das Verbindungselement 11 in einer Durchgangsöffnung 12 geführt, welche
durch zwei unterschiedliche Querschnittsbereiche charakterisiert
ist, einen ersten Teilbereich 17 und einen zweiten Teilbereich 18.
Beim ersten Teilbereich 17 handelt es sich bei der in der 1a dargestellten
Ausführung
um den in radialer Richtung ausgehend von der Mittenachse M3 zur ersten inneren Manteleinheit 3 in Richtung
zur zweiten Manteleinheit 4 liegenden ersten Bereich der
Durchgangsöffnung 12.
Der zweite Teilbereich 18 ist der Bereich, der im Bereich
der Außenfläche 7 der
ersten inneren Manteleinheit 3 vorliegt. Der Durchmesser
beziehungsweise der Querschnitt A18 der
Durchgangsöffnung 12 im
Bereich der Verbindungsfuge mit der äußeren Manteleinheit 4 ist dabei
größer als
der Querschnitt A17 im Teilbereich 17,
insbesondere in der Verbindungsfuge zwischen Hülse 21 und innerer
Manteleinheit 3. Die Durchgangsöffnung 12 ist somit
durch wenigstens eine Stufe charakterisiert. Die Abstufung dient
dazu, um ein Anliegen des Befestigungselementes in der Bohrung zu
verhindern.
-
Der
Biegewinkel β bei
gleicher axialer Ausdehnung der äußeren Manteleinheit 3 und
damit Verschiebung a ist bei Ausführung I kleiner als bei Ausführung 11.
Die Normalstellung ist für
beide Ausführungen
I und II mittels unterbrochener Linie angedeutet.
-
Die
beiden Bereiche – hier
in der Funktionsdarstellung – sind
mit 19 und 20 bezeichnet. Diese können auf
unterschiedliche Art und Weise erzeugt werden.
-
Gemäß der Ausführung I
in 1b, die eine besonders vorteilhafte Ausführung darstellt,
kann die innere Manteleinheit 3 ihre herkömmlichen
Dicke D3 beibehalten, wobei die größere Biegelänge l11 durch eine größere Erstreckung des Verbindungselementes 11 entlang
der Mittellinie M11 erzielt wird, und die dazu
erforderliche Durchgangsöffnung 12 durch
Vorsehen eines zusätzlichen
leicht hinzufügbaren
Verlängerungs-
und Führungselementes
in Form einer Hülse 21 erzeugt
wird. Die Hülse 21 ist
dabei hinsichtlich der Geometrie ihrer Durchgangsöffnung 23 an
die Außenkontur
des Verbindungselementes 11 angepasst. Die Hülse 21 ist
dabei hinsichtlich ihrer Mittenachse M21 derart
ausgerichtet und gegenüber der
inneren Manteleinheit 3 angeordnet, insbesondere im Bereich
der Innenfläche 22 der
inneren Manteleinheit 3, dass diese mit der Mittenachse
M12 der Durchgangsöffnung 12 an der inneren
Manteleinheit 3 in Ausgangslage, fluchtet. Die Hülse 21 bildet
dabei den ersten Teilbereich 17 der Durchgangsöffnung 12, während der
zweite Teilbereich 18 sich von der durch die innere Manteleinheit 3 erstreckenden
Durchgangsöffnung 24 gebildet
wird. Die Hülse 21 weist dabei
vorzugsweise über
ihre Erstreckung in axialer Richtung, welche in Einbaulage der Erstreckung
in radialer Richtung entspricht, einen konstanten Querschnittsverlauf
auf. Der Querschnitt A21 der Hülse 21, insbesondere
der Querschnitt A23 der Öffnung 23 in der Hülse 21,
ist vorzugsweise über
die Erstreckung parallel zur Mittenachse M12 der
Durchgangsöffnung 12 konstant
und durch geringere Abmessungen als der Querschnitt A12 der
Durchgangsöffnung 12 an
der inneren Manteleinheit 3 charakterisiert. Dabei ist
entscheidend, dass sich in Durchführungsrichtung des Verbindungselementes 11 eine
Querschnittserweiterung ergibt. Dabei muss ein Mindestabstand der Schraube
zur Bohrung gewährleistet
sein. Die Schraube darf nicht anliegen, d.h. ist frei von einer Berührung der
Innenfläche
der Bohrung.
-
Die
Stufung und damit die durch diese entstehenden Bereiche 19, 20 werden
durch das Zusammenfügen
von Hülse 21 und
innerer Manteleinheit gebildet. Denkbar wäre auch, die Abstufung innerhalb
der Hülse 21 und/oder
der Durchgangsöffnung 24 der
inneren Manteleinheit vorzusehen.
-
Die
Hülse 21 selbst
kann dabei entweder form-, kraft- oder stoffschlüssig an der inneren Manteleinheit 3 befestigt
werden oder aber ist frei von einer direkten Befestigung und wird
lediglich über
das Verbindungselement 11 gegenüber der Innenfläche 22 der
inneren Manteleinheit 3 durch die Verspannung in Funktionslage
hinsichtlich seiner Lage gegenüber
der inneren Manteleinheit 3 definiert. Vorzugsweise wird
jedoch eine Befestigung gewählt,
wobei dann eine genaue Lagezuordnung erfolgt, insbesondere hinsichtlich
der einzelnen Durchgangsöffnungen 23 an
der Hülse 21 und
der inneren Manteleinheit 3 zueinander.
-
Die 1a und 1b verdeutlichen
dabei eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung. Bei dieser sind
keine weiteren Modifikationen, insbesondere der inneren Manteleinheit 3 erforderlich.
Es kann auf herkömmliche
Ausführungen
eines beheizbaren Zylinders 1 mit einem zweischaligen Aufbau
des Zylindermantels 2 zurückgegriffen werden und die
erfindungsgemäße Lösung damit
auch in bestehenden Systemen nachgerüstet werden. Es sind lediglich
zusätzlich
die für
die Verlängerung
der Durchgangsöffnung 12 in
radialer Richtung erforderlichen Verlängerungselemente in Form von
Hülsen 21 vorzusehen.
-
Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterentwicklung wird die erfindungsgemäße Ausführung der
Verbindungsmittel 8, welche bedingt eine axiale Verschiebbarkeit
in der Verbindung zulassen mit einer Abdichtung des Hohlraumes 5 in
axialer Richtung über
entsprechende Abdichteinrichtungen 27 kombiniert, um die
axiale Verschiebung der äußere Manteleinheit
frei von einer Einwirkung und Verspannung gegenüber der inneren Manteleinheit
zuzulassen. Die Abdichteinrichtung 27 umfasst jeweils ein
stirnseitig am Zylinder 1 angeordnetes ringförmiges Deckelelement 28,
welches gegenüber
der Trageinheit 9, insbesondere der inneren Manteleinheit 3, in
axialer Richtung verschiebbar gelagert ist. Das ringförmige Deckelelement 28 dient
dabei lediglich der Abdichtung des Hohlraumes 5. Die Verschiebung erfolgt
unter Beibehaltung der Abdichtung des Hohlraumes 5, insbesondere
der Abdichtwirkung zwischen dem ringförmigen Deckelelement 28 und
der inneren Manteleinheit 3 und dem ringförmigen Deckelelement 28 und
der äußeren Manteleinheit 4. Das
ringförmige
Deckelelement 28 ist dazu im Querschnitt betrachtet als
scheibenförmiges
Element mit in Umfangsrichtung verlaufenden und sich in axialer Richtung
erstreckenden Vorsprüngen
ausgebildet. Diese bilden die an einer Dichtpaarung mit der inneren
und der äußeren Manteleinheit 3, 4 beteiligten Flächenbereiche
am ringförmigen
Deckelelement 28. Um die Dichtwirkung aufrechtzuerhalten
ist es erforderlich, das ringförmige
Deckelelement 28 in seiner axialen Lage immer in einer
abdichtenden Position zu fixieren. Dies erfolgt über eine Lagereinrichtung 29 mit
axialer Verschiebbarkeit des ringförmigen Deckelelementes 28 und
mit Anschlagsfunktion, d.h. Begrenzung der axialen Bewegbarkeit
des ringförmigen
Deckelelementes 28. Die hier im einzelnen nicht dargestellte
Lagereinrichtung umfasst beispielsweise Befestigungselemente für das ringförmige Deckelelement 28 zur
Fixierung der Lage in Umfangsrichtung und in radialer Richtung und
ferner zur Führung
und Realisierung einer Verschiebbarkeit in axialer Richtung. Die
Befestigungsmittel übernehmen
die Funktion einer Führungseinrichtung
zur Führung
des ringförmigen
Deckelelementes 28 bei Verschiebung in axialer Richtung.
Die Lagefixierung des ringförmigen Deckelelementes
in axialer Richtung erfolgt dabei beispielsweise über Energiespeichereinrichtungen, umfassend
wenigstens eine Federeinrichtung, die zwischen einem axialen Anschlag
und dem ringförmigen
Deckelelement 28 in axialer Richtung angeordnet ist. Diese
stützt
sich einerseits am Befestigungselement, bei Ausführung in Form eines Bolzens
oder einer Schraube an dessen Kopf ab und auf der anderen Seite
an der vom Zylinder 1 weggerichteten Stirnseite des ringförmigen Deckelelementes 28.
Dem ringförmigen
Element 28 sind in Umfangsrichtung eine Mehrzahl derartiger
Lagereinrichtungen 29 zur Befestigung bzw. Lagerung an
der inneren Manteleinheit 3 zugeordnet, die vorzugsweise
in gleichmäßigen Abständen in
Umfangsrichtung angeordnet sind.
-
Neben
den in der 1 dargestellten Hülsen 21 ist
es theoretisch auch denkbar, hier leistenförmige Elemente 25 zu
verwenden, wobei die Leisten gemäß 2a in
einem Axialschnitt durch einen Zylinder 1 zur Vereinfachung
der Montage vorzugsweise zusätzlich
mit der inneren Manteleinheit 3 über entsprechende hier im einzelnen
nicht dargestellte Verbindungselemente verbunden sind oder aber
eine bauliche Einheit mit dieser bilden. Bei Verbindung mit der
inneren Manteleinheit 3 kann die Kopplung kraft-, form-
oder stoffschlüssig
erfolgen. In diesem Fall werden die Leisten 25 vorzugsweise
ebenfalls mit der gewünschten
Dicke zur Erzielung der erforderlichen oder gewünschten Verformungslänge für das Verbindungselement 11 und
vorzugsweise mit gleichem Material wie die innere Manteleinheit 3 hergestellt. Die
den ersten Teilbereich 17 der Durchgangsöffnung 12 bildenden
Durchgangsöffnungen 23 sind
in den Leisten 25 vorgesehen und die weiteren, den zweiten Teilbereich 18 bildenden
Durchgangsöffnungen 24 in der
inneren Manteleinheit 3, wobei auch hier die Querschnittsabmessungen
derart gewählt
sind, dass in Richtung zur ersten Manteleinheit 3 eine
Verbreiterung der Durchgangsöffnung 12 erfolgt.
Auch in diesem Fall sind keine zusätzlichen Modifikationen erforderlich,
außer
dem zusätzlichen
Vorsehen der der Leisten 25. Die einzelnen Leisten 25 sind
dann, wie in 2b wiedergegeben, vorzugsweise
in gleichmäßigen Abständen zueinander
in Umfangsrichtung an der Innenseite 22 der inneren Manteleinheit 3 angeordnet
und erstrecken sich vorzugsweise im wesentlichen über die
axiale Erstreckung eines derartigen Zylinders 1.
-
Denkbar
wäre auch
eine hier nicht dargestellte Unterteilung der Leisten 25 in
axialer Richtung, wobei eine Mehrzahl von hintereinander in axialer Richtung
angeordneten Leisten 25 sich dann über die axiale Erstreckung
des Zylinders 1 erstreckt.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführung
gemäß 3 kann es ferner vorgesehen sein, die
innere Manteleinheit 3 zumindest in den von den Verbindungselementen 11 durchsetzten
Bereichen mit ringförmigen
in Umfangsrichtung verlaufenden Verstärkungen in Form von Leisten
oder Vorsprüngen 26 vorzusehen, über welche
die Durchgangsöffnungen 12 realisiert
werden. Dabei kann die zumindest einstufige Ausführung mit Vergrößerung des
Querschnittes in radialer Richtung nach außen betrachtet dann in einer
Durchgangsöffnung 12 realisiert
werden. Dies bedingt jedoch entsprechende Materialverstärkungen
in den Verbindungselementbereichen. Die 3a verdeutlicht
dabei anhand einer Schnittdarstellung in einer Ansicht von Rechts
die sich über den
gesamten Innenumfang 22 erstreckende Verstärkung 26.
Die 3b verdeutlicht anhand einer Detailansicht einen
Ausschnitt aus einem Axialschnitt.
-
Verdeutlichen
die 1 bis 3 Ausführungen, die
die Ausgestaltung möglicher
Verbindungen durch Führung
durch die innere Manteleinheit 3 und Kopplung mit der äußeren Manteleinheit 4 beschreiben,
ist es ferner denkbar, auch die Verbindungselemente durch die äußere Manteleinheit 4 zu
führen
und die Verbindung mit der inneren Manteleinheit 3 vorzunehmen.
In diesem Fall wird die Umgebung für das Verbindungselement 11 und
das Verbindungselement selbst derart ausgeführt, dass eine axiale Verschiebung
beziehungsweise Ausdehnung der äußeren Manteleinheit,
egal in welche Richtung, zumindest in einem bestimmten Ausdehnungsbereich
keine Auswirkung auf die Anschlusselemente und das Verbindungselement
selbst aufweist.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung ist
nicht auf die Ausführung
der 1 bis 3 beschränkt. Jedoch stellen
die 1a und die Ausführung I gemäß 1b I eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar. Andere Modifikationen
der erfindungsgemäßen Lösung sind
denkbar. Entscheidend ist, dass die Verbindungselemente zwischen
der äußeren und
der inneren Manteleinheit 3, 4 derart angeordnet,
ausgelegt und dimensioniert sind, dass eine axiale Verschiebbarkeit
unter Verringerung der Belastbarkeit beziehungsweise bis zu gewissen
Grenzen mit geringer mechanischer Beanspruchung des Verbindungselementes
erlaubt werden.
-
- 1
- Zylinder
- 2
- Zylindermantel
- 3
- erste
innere Manteleinheit
- 4
- zweite äußere Manteleinheit
- 5
- Zwischenraum
- 6
- Innenfläche
- 7
- Außenfläche
- 8
- Mittel
zur Lagefixierung
- 9
- Trägereinheit
- 10
- Verbindungselement
- 11
- Stift
- 12
- Durchgangsöffnung
- 13
- Schraube
- 14
- Bereich
- 15
- Gewinde
- 16
- Gewinde
- 17
- Teilbereich
- 18
- Teilbereich
- 19
- Bereich
- 20
- Bereich
- 21
- Hülse
- 22
- Innenfläche
- 23
- Durchgangsöffnung
- 24
- Durchgangsöffnung
- 25
- Leiste
- 26
- Vorsprung
- 27
- Abdichteinrichtung
- 28
- ringförmiges Deckelelement
- 29
- Lagereinrichtung
- A17
- Querschnitt
erster Teilbereich
- A18
- Querschnitt
zweiter Teilbereich
- M3
- Mittenachse
der inneren Manteleinheit
- M4
- Mittenachse
der äußeren Manteleinheit
- M1
- Mittenachse
des Zylinders
- M11
- Mittenachse
des Verbindungselementes
- M12
- Mittenachse
der Durchgangsöffnung
- l11, l11-II
- Biegelänge des
Verbindungselementes
- l12, l12-II
- Länge der
Durchgangsöffnung
- l21
- Länge der
Hülse