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Die Erfindung betrifft eine Höchstdruckplungerpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung ist im Maschinenbau, insbesondere bei der Schaffung von Höchstdruckplungerpumpen, die als Kraftwerk Hochleistungswasserstrahlschneidanlagen verwendet werden, einsetzbar. Dazu gehören: Wasserstrahlschneidung und -rei-nigung, das Schneiden von Erzeugnissen mit komplexem Profil aus Blechmaterial (Metall, Kunststoff, Keramik usw.); präzise Schneidung von Baumaterialien (Beton, Glas); Schneidung und Reinigung von Röhrwerken; Schneidung von Zierstein, Abdeckstein; Schneidung von Naturstein während des Schachtabteufen, Schneidung von Geschoßhüllen und der Auswaschung von Sprengstoffen zur weiteren wirtschaftlichen Verwendung; Schneidung von U-Boot-Hüllen zum Verwerfen; Schneidung von Anlagen und Rohrwerken beim Außerbetriebsetzen von Reaktoren in der Kernenergetik, sowie in anderen Branchen und Hochdruckpumpanlagen mit einem Betriebsdruck von bzw. über 100 MPa. Bekannt ist eine Höchstdruckplungerpumpe mit einem Gehäuse und einem Kopfstück mit einem Block. In dem Block befindet sich ein Druckventil, das mit einem Austrittsventil kommuniziert, ein zu ihm koaxiales Ventil mit einem Sattel, das mit einem Eintrittskanal kommuniziert, sowie ein in einem Gehäuse eingestellte schwimmende Hülse (Zylinder) und eine andere Hülse, die innerhalb der ersten Hülse gleitet (mit der Möglichkeit eines ständigen Kontakts), in der (mit der Möglichkeit, einen Spielraum zwischen dem Ventilblock und den Hülsen zu decken) sich eine Verdichtungshülse und ein den Ventilen koaxialer Plunger, wobei der Hohlraum zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse der Pumpe mit einem Kanal in der Wand des Gehäuse verbunden ist. (Patent
Russische Föderation Nr. 2030637 , kl. F04B 53/00 Veröffentlichungsdatum 1995)
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Die oben beschriebene Bauweise gewährleistet in der Praxis keine zuverlässige Leistung der Pumpe bei einem Höchstdruck (über 300 MPa) und keinen hohen Verbrauch am Austritt (über 25 l/min).
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Dies lässt sich darauf zurückführen, dass die Frequenz der hin- und hergehenden Plungerbewegungen zur Sicherung eines hohen Verbrauchs der Flüssigkeit am Austritt (bei konstanten geometrischen Dimensionen der Betriebskammer) erhöht werden soll, da bei einer Frequenz der Bewegungen der Musterplungerpumpe über 2–3 Hz eine Reibungskraft mit der Kontaktoberfläche des Plungers und der Schwimmhülse wesentlich gesteigert wird, wegen des Mangels an Schmierung und Temperaturverformung der in Kontakt befindlichen Teile, was zur Hemmung des Plungers in der Hülse führen kann. Bei einem weiteren Betrieb werden die kontaktierenden Teile intensiv abgebraucht wegen der Erweiterung des radialen Spielraums, was zur Senkung des Drucks in der Betriebskammer und zu großen Verlusten am Austritt führt.
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Die oben genannten Probleme werden durch eine Erfindung (
RF Nr. 2150026 , kl. F04B 53/00, Veröffentlichungsjahr 2000) gelöst, wo dank der Veränderung des Baus der Betriebskammer und einer neuen Stellung des Plungers mit der Möglichkeit des Eintritts in den inneren Hohlraum des Einbaus (Ventilblocks) mit der Bildung einer Betriebskammer verbunden ist, wobei der innere Hohlraum des Einbaus stufenartig ist und die Ventile zueinander koaxial und zu dem Hohlraum senkrecht gelegt sind. Das erlaubt den spezifischen Energieverbrauch wesentlich zu vermindern, die Nutzwirkung der Pumpe und die Lebenszeit der Teile und Baugruppen zu erhöhen und das bei einer Plungerbewegungsfrequenz über 5 Hz, einem Austrittsdruck bis 600 MPa und einem Verbrauch über 25 l/min.
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Ebenfalls bekannt ist eine Höchtsdruckplungerpumpe, die ein Gehäuses mit einem verbundenen Kopfstück mit einem Einbau (Ventilblock) aufweist, in dem sich ein Druckventil befindet, das mit einem Austrittsventil, einer Schwimmhülse (Zylinder), die mit dem Einbau (Zylinderblock) kontaktiert, einem in der Hülse (Zylinder) befindlichen Plunger, einer Verdichtungsgruppe und einem Einsaugventil besteht. Die Ventile sind zu dem Plunger koaxial gelegt, wobei sich der Einbau (Ventilblock) im Kopfstück und im Gehäuse befindet mit einer möglichen Spannung der Verdichtungsguppe, die koaxial auf den Plunger eingestellt ist und sich einerseits gegen das Ende der Hülse (Zylinders) und andererseits gegen den Gehäuseteil abstützt. Das Gehäuse deckt den Anschluss zwischen dem Einbau (Ventilblock) und der Hülse (Zylinder) ab. Der Plunger weist einen Achshohlraum auf, der mit einer Zusatzspeisungskammer und einem Achskanal eines Einsaugventils, der in der Endöffnung des Plungers befestigt ist und eine Betriebskammer bildet, die mit dem Achskanal des Druckventils gekoppelt ist (Patent
RF Nr. 2247262 , kl. F04B 53/00, Veröffentlichungsjahr 2004).
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Diese Erfindung löst die gleichen Probleme wie die vorherige, kann jedoch einen zuverlässigen Betrieb der Pumpe nur bei einem Druck des Betriebsmediums bis 300 MPa sicherstellen.
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Die oben genannten Pumpen sichern zwar die Zuspeisung von Betriebsflüssigkeit, z. B. in die Schneiddüse, unter einem Druck von 300 MPa und höher, ihre Herstellung ist aber aufwändig.
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Sie sind unzuverlässig beim Betrieb und haben eine kurze Lebenszeit. Das lässt sich darauf zurückführen, dass wegen der Druckdifferenz (gering im Einpumpenhohlraum zwischen dem Gehäuse und dem Zylinder und hoch innerhalb der Betriebskammer (zwischen dem Ende des Plungers und dem Druckventil) die Schwimmhülse (Zylinder) und der Kanal im Ventilblock, über die Betriebsflüssigkeit eingespeist wird, bei der Öffnung des Druckventils, wo die Flüssigkeit unter hohem Druck eintritt, ständig zyklischen Dehnungsspannungen ausgesetzt sind. Dies führt zu einer schnellen Abnutzung und Zerstörung des Ventilblocks (Einbaus) und der in der Betriebskammer befindlichen Teile sowie des Zylinders (Schwimmhülse).
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Die Verwendung von hochfesten legierten Stählen erhöht wesentlich den Wert dieser Teile, nicht aber ihre Lebenszeit. Außerdem führt die Verwendung einer Spaltverdichtung mit einem konstantem Spielraum die ganze Verdichtungslänge im statischen Zustand dazu, dass der Druck im Spielraum zwischen dem Plunger und der Hülse wegen des viskosen Fliessens der Betriebsflüssigkeit vom Betriebsdruckwert zum Atmosphärendruckwert herab genutzt wird. Dabei findet eine elastische Deformation der Gleithülse statt, die den Spielraum am Eintritt der Verdichtung erweitert. Es ist daher zu einer erforderlichen Drucksenkung in der Verdichtungsspalte notwendig die Verdichtung zu verlängern, wie es im Muster gemacht ist.
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Gemäß der technischen Natur und den erzielten Ergebnissen entspricht die im Patent Nr.
2030637 geschützte Höchstdruckplungerpumpe am nächsten der Erfindung und ist als Prototyp gewählt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Zuverlässigkeit der Höchstdruckplungerpumpe zu erhöhen und ihre Lebenszeit durch Eliminierung von zyklischen Dehnungsspannungen, die destruktiv auf den Ventilblock, die in der Betriebskammer befindlichen Teile und den Zylinder wirken, durch Elimination der Druckdifferenz zwischen der Betriebskammer und dem Hohlraum zwischen dem Zylinder und dem Pumpengehäuse und eine Verengung des Spielraums zwischen der Hülsenoberfläche (Gleithülse) und dem Plunger zu verlängern.
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Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Das technische Ergebnis wird dabei dadurch erzielt, dass in der vorgeschlagenen Plungerpumpe, die ein Gehäuse und ein mit ihm verbundenes Kopfstück mit Ventilblock aufweist, wobei sich ein Druckventil mit einem Austrittsdruckkanal für die Betriebsflüssigkeit, z. B. zur Schneiddüse und koaxial zum Druckventil ein Einsaugventil mit Sattel und ein Eintrittseinsaugkanal zur Einspeisung der Betriebsflüssigkeit in den Zylinder befindet. Im Gehäuse ist das Einsaugventil in Kontakt mit dem Ventilblock, wobei im Zylinder koaxial zu den Ventilen ein Antriebspaar Plunger und gefederte Hülse angeordnet ist und sich zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse ein Hohlraum mit einem Kanal in der Wand des Gehäuse zwischen dem Austrittskanal des Druckventils und dem Hohlraum und zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse ein Kommunikationskanal befindet. Das Kopfstück mit einem durch den Ventilblock bedeckten Anschluss ist zwischen dem Kopfstück und dem Gehäuse und der Stellung beider Ventile innerhalb des letzteren angeordnet, wobei die innere Oberfläche der Hülse konisch mit der Bildung eines variablen Spielraums zwischen dieser Oberfläche und der Oberfläche des Plungers ist. Die Breite des Plungers variiert vom Minimalsollwert neben der Ventilgruppe bis zum Maximalsollwert neben dem Austritt aus dem Gehäuse der Antriebsseite des Plungers. Der Kanal im Pumpengehäuse und der Austrittskanal des Druckventils sind mit der Möglichkeit ihrer Deckung vorgesehen, wobei der Sattel des Einsaugventils scheibenförmig mit Öffnungen versehen ist, die den Öffnungen am Ende der Ventilgruppe entsprechen und darauf mit möglichem Austausch befestigt ist.
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Die Kommunikation des Austrittskanals des Druckventils durch den Kanal der Kommunikation mit dem Hohlraum zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse schließt seinerseits die Druckdifferenz beim Öffnen des Druckventils zwischen der Betriebskammer und dem Hohlraum und zwischen dem Zylinder und dem Korpus praktisch aus und verhindert die zerstörenden zyklischen Dehnungsspannungen, die im Zylinder und den Teilen (Ventilen) in der Betriebskammer entstehen.
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Die Lage des Ventilblocks im Pumpengehäuse und im Zylinder schließt auch praktisch vollständig die zyklischen Dehnungsspannungen aus, da der Druck in der Betriebskammer auf den Ventilblock und im Hohlraum zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse praktisch identisch ist. Dies verhindert die Zerstörung des Ventilblocks.
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Die konische Form der inneren Oberfläche der Hülse mit der Bildung eines variablen Spielraums zwischen ihr und der Plungeroberfläche verringert den Betriebsspielraum dieser Teile und die Dimensionen der Spaltverdichtung, was zu einer Qualität ihrer Leistung beiträgt. Die Lebenszeit der Teile in der Betriebskammer wird auch durch den scheibenförmigen Sattel des Einsaugventils mit den Öffnungen, die den Öffnungen am Ende der Ventilgruppe entsprechen und seiner Befestigung mit einem möglichem Austausch, verlängert.
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All dies trägt zur Erhöhung der Qualität der Leistung der Pumpe, ihrer Zuverlässigkeit und Verlängerung ihrer Lebenszeit sowie einer Bauvereinfachung und der Herstellungstechnologie bei.
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Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 im Schnitt die Höchstdruckplungerpumpe und
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2 perspektivisch die Höchstdruckplungerpumpe
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Die Höchstdruckplungerpumpe besteht aus einem Gehäuse 1, das in einem Stand 2 mit einem Antrieb (Antrieb wird nicht auf der Zeichnung gezeigt) eingebaut ist. Am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 1 ist über eine Verdichtung 3 ein Kopfstück 4 befestigt, dessen Bord 5 durch Stifte 6 mit Schraubenmuttern 7 mit dem Stand 2 zusammengebaut ist. Im Kopfstück 4 befindet sich ein Ventilblock 8 mit der Deckung des Anschlusses des Kopfstückes 4 und des Gehäuses 1 am Ort der Verdichtung 3 und mit einem innerhalb des Gehäuses 1 befindlichen Druckventil 9 mit einem Austrittsdruckventil 10, z. B. zu einer Schneiddüse (auf der Zeichnung nicht angeführt) und einen zum Druckventil 9 koaxial liegenden Einsaugventil 11 mit einem Eintrittseinsaugkanal 12 im Ventilblock 8 und Bord 5. Ein Sattel 13 des Einsaugventils 11 ist scheibenförmig mit Öffnungen (nicht auf der Zeichnung angeführt) versehen, die den Öffnungen an dem Ende des Ventilblocks 8 entsprechen und auf einer Stütze 14 mit einem möglichem Austausch und einer Kommunikation mit dem Eintrittseinsaugkanal 12 zur Einspeisung der Betriebsflüssigkeit in den Pumpenzylinder befestigt ist. Im Gehäuse 1 ist koaxial zu den Ventilen 9 und 11 und im Kontakt mit dem Ventilblock 8 einerseits und durch eine Endverdichtung 15 einerseits hermetisch ein Zylinder 16 gebildet, der einen Hohlraum „A” zwischen der Außenwand und der Innenwand des Gehäuses 1 bildet. Innerhalb des Zylinders 16 befindet sich eine Hülse 17 der Spaltverdichtung, abgefedert bezüglich einer Laufbahn 18 mit einer Feder 19 zu einem Endsattel 20. Innerhalb der Hülse 17 ist auf den Leitbahnen 18 und 21 koaxial zu den Ventilen 9 und 11 des Ventilblocks 8 ein Antriebsplunger 22 angeordnet. Im Kopfstück 4 befindet sich ein Kanal 23 und zwischen dem Hohlraum „A” und dem Austrittsdruckkanal 10 ein Kommunikationskanal 24. Die innere Oberfläche der Hülse 17 ist konisch (nicht auf der Zeichnung angeführt) mit der Bildung eines variablen Spielraums zwischen dieser Oberfläche und dem Plunger 22, dessen Breite von einem Minimalsollwert an der Seite des Ventilblocks 8 bis zu einem Maximalsollwert am Austritt aus dem Gehäuse 1 des Plungerendes 22 variiert. Beide Kanäle 10 und 23 können z. B. mit der Schneiddüse über einen Sammelkanal 27 verbunden werden.
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Die Höchstdruckplungerpumpe funktioniert wie folgt:
Der Plunger 22 macht hin- und hergehende Bewegungen mit dem Antrieb der Pumpanlage (nicht auf der Zeichnung angeführt). Bei einer Bewegung des Plungers 22 nach rechts in den Leitschienen 18 und 21 wird Betriebsflüssigkeit durch den Eintrittseinsaugkanal 12 im Bord 5 und dem Ventilblock 8 in den Hohlraum des Zylinders über das Einsaugventil 11 eingesaugt. Der Ventilblock 8 öffnet sich zu jedem Zeitpunkt unter dem Druck der einkommenden Betriebsflüssigkeit und das Druckventil 9 schließt unter dem Betriebsdruck in der Pumpe der anderen Zylindern (nicht auf der Zeichnung angeführt). Bei der Bewegung des Plungers 22 nach links schließt sich das Einsaugventil 11 unter der Wirkung der Betriebsflüssigkeit, die im Raum zwischen dem Betriebsende des Plungers 22 und dem Druckventil 9 (in der Betriebskammer) bis zur Erreichung des Betriebsdrucks kontrahiert wird. Dieser Betriebsdruck wird durch andere Teile des Drucksystems beibehalten. Anschließend öffnet sich das Druckventil 9 und die Betriebsflüssigkeit wird durch die Öffnung aus der Druckkammer „B” des Ventilblocks 8 durch den Austrittsdruckkanal 10 in den Kanal 24 der Kommunikation mit dem Hohlraum „A” und dadurch in den Hohlraum „A” zwischen dem Zylinder 16 und dem Gehäuse 1 geleitet. Durch den Kanal 23 im Kopfstück 4 und dem Sammelkanal 27 gelangt die Betriebsflüssigkeit 9 in die Schneiddüse (vgl. 1). Der Druck innerhalb und außerhalb des Zylinders 16 sowie in der Betriebskammer und außerhalb des Ventilblocks 8 wird gleich sein, was zyklische Dehnungsspannungen, die letztendlich die Hauptelemente der Höchstdruckplungerpumpe sind, komplett ausschließen. Bei einer Bewegung des Plungers 22 nach rechts wird die Betriebsflüssigkeit in den Zylinder 16 eingepumpt, wobei der Druck auf bis 1–2 MPa sinkt. Der Druck in dem Hohlraum „A” bleibt gleich dem Betriebsdruck, wobei die im Zylinder 16 auftretenden Druckspannungen die Ermüdungsfestigkeit des Zylinders 16 nicht beeinflussen.
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Die Radialverdichtung des Plungers 22 wird gesichert durch die kontaktlose Spaltverdichtung in Form der Hülse 17, abgefedert mit der Feder 19 zum Endsattel 20 mit variablem Ringspielraum zwischen der inneren Oberfläche 25 der Hülse 17 und dem Plunger 22, der sich vom Minimalwert am Eintritt des Ventilblocks 8 des Kopfstücks 4 bis zum Maximalwert am Austritt aus der Verdichtung steigert. Der Spielraum in der Spaltverdichtung und seine Länge werden ausgehend von den Betriebsbedingungen der Pumpanlage, d. h. vom Betriebsdruck und der Kapazität, berechnet. Bei der Betriebsbewegung des Plungers 22 (Druck) verursacht die Betriebsflüssigkeit beim Fliessen durch den Radialhohlraum der Spaltverdichtung die Druckabsenkung vom Betriebswert am Eintritt bis zum Atmosphärewert am Austritt aus der Verdichtung in die Dränierung. Dabei wirkt auf die Außenoberfläche der Hülse 17 der Betriebsdruck, der die Hülse 17 deformiert (komprimiert), wobei der Radialringspielraum verringert wird und die Deformation vom inneren Druck im Radialringspielraum abhängig von Wert 0 am Eintritt bis zum Maximalwert am Austritt aus der Verdichtung variiert. Die Berechung des Radialspielraum im statischen Zustand, d. h. die Dimensionen der konischen inneren Oberfläche der Hülse 17, erfolgt unter der Bedingung, dass beim Betriebsdruck der Radialspielraum zwischen dem Plunger 22 und der Hülse 17 konstant und minimal möglich ist, d. h. gleich dem Spielraum am Eintritt in die Verdichtung bei statischem Zustand, was die erforderliche Länge der Spaltverdichtung wesentlich verringert und die Effizienz der Leistung wesentlich erhöht.
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Die vorgeschlagene technische Lösung erlaubt es, die Zuverlässigkeit und die Lebenszeit der Höchstdruckplungerpumpe wesentlich zu erhöhen und zwar durch die Elimination des Einflusses der zyklischen Dehnungsspannungen auf den Ventilblock. Der Einfluss auf dem Zylinder und die dort befindlichen Bauteile sind durch die Elimination der Differenz vom Druck in der Betriebskammer und dem Druck auf die Außenoberfläche der Betriebskammer während des Pumpenbetriebs erreicht, was ebenfalls zur Erhöhung der Lebenszeit der Teile führt. Auch die Verminderung der Länge der Spaltverdichtung ist gegeben, was die Leistung wesentlich erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 2030637 [0002, 0011]
- RU 2150026 [0005]
- RU 2247262 [0006]
