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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für den Untertagebau, um wasserähnliche Fluide mit einem Druck von etwa 300 bis 350 bar zu beaufschlagen. Derartige Pumpen sind grundsätzlich bekannt und normalerweise als Kolbenpumpen aufgebaut, bei denen ein Elektromotor über ein Getriebe eine Kurbelwelle antreibt, an der jeweils über ein Pleuel mehrere Kolben angeordnet sind. Jeder Kolben ist in einem Zylinder angeordnet und saugt Fluid aus einem Einlass an und gibt dieses unter Druck an einen Auslass ab.
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Die Konstruktion der vorstehend beschriebenen Hochdruckpumpen für die Versorgung von Streben im Bergbau sind in ihrer Konstruktion seit langer Zeit nicht verändert oder optimiert worden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckpumpe der vorstehend beschriebenen Art zu schaffen, die bei kostengünstiger Herstellung wartungsarm ist und einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe weist ein Gehäuse auf, in dem eine Kurbelwelle gelagert ist, die über jeweils ein Pleuel mehrere Kolben antreibt, wobei jeder Kolben in einem Zylinder geführt ist, der an einem Zylinderkopf befestigt ist. Durch Antreiben der Kurbelwelle mit Hilfe eines Elektromotors, der beispielsweise an dem Gehäuse angeflanscht ist, saugt jeder Kolben Fluid aus einem Einlass an und gibt dieses unter Druck an einen Auslass ab.
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Bei der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe kann zur Optimierung der Baugröße sowie der Festigkeit anstelle einer sonst üblichen Pleuelführung mit kreiszylindrischem Querschnitt zur Führung des freien Endes des Pleuels ein Gleitschuh vorgesehen sein, der innerhalb des Gehäuses geführt ist. Ein solcher Gleitschuh kann mit einer wesentlich geringeren Breite als eine entsprechende kreiszylindrische Pleuelführung ausgebildet werden, wobei die erforderliche Festigkeit durch eine schmale und hohe Bauform erzielt werden kann. Hierdurch kann die Kurbelwelle kürzer und dadurch wesentlich steifer ausgebildet werden.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn in dem Gleitschuh das freie Ende des Kolbens formschlüssig einsetzbar ist, da in diesem Fall eine sehr einfache Montage des Kolbens bzw. der mit dem Kolben verbundenen Baueinheit möglich ist.
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Die Ölversorgung des Gleichschuhs kann über in dem Pleuel vorgesehene Bohrungen erfolgen. Hierzu kann der Bolzen, mit dem der Gleitschuh mit dem Pleuel verbunden ist, mit entsprechenden Kanälen ausgerüstet sein.
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Um trotz kompakter und kostengünstiger Bauweise die auftretenden Kräfte gut aufnehmen zu können, kann das Gehäuse mehrere biegesteife Rippen aufweisen, welche die zwischen Kurbelwelle und Zylinderkopf auftretenden Kräfte aufnehmen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Rippen nach Art einer Klammer um die Zylinderköpfe herumgeführt sind, um diese rückseitig abzustützen. Beispielsweise können die Rippen Durchtrittsöffnungen aufweisen, durch welche sich die Kurbelwelle erstreckt, so dass die Kurbelwelle allseitig von den Rippen umschlossen ist. Gleichzeitig kann jede Rippe einen im Wesentlichen L-förmigen Abschnitt aufweisen, der die Zylinderköpfe hintergreift und dadurch die in Bewegungsrichtung der Kolben auftretenden Kräfte aufnimmt. Eine solche Konstruktion nach Art einer offenen Klammer muss im Verbindungsabschnitt zwischen Zylinderkopf und Kurbelwelle ausreichend steif ausgebildet werden. Um zusätzlich die Steifigkeit zu erhöhen, kann diese einseitig offene Klammer durch einen Verbindungsabschnitt, beispielsweise in Form eines Deckels, geschlossen werden, wobei sich der Verbindungsabschnitt insbesondere durch eine formschlüssige Verzahnung mit den Rippen verbinden lässt, so dass ein Aufbiegen der Klammer beim Betrieb der Pumpe vermieden ist.
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Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn Zylinderkopf, Zylinder und Kolben ein Modul bilden, das als einzeln handhabbare Einheit herstellbar ist und von oben in das Gehäuse einsetzbar ist. Auf diese Weise lässt sich bei Montage und Wartung das Modul einfach und schnell in das Gehäuse einsetzen bzw. aus dem Gehäuse entfernen. In Verbindung mit einem Gleitschuh, in den das freie Ende des Kolbens formschlüssig einsetzbar ist, kann ein besonders schneller Austausch erfolgen. Der Zylinderkopf ist erfindungsgemäße nicht mit Schrauben, die den Zylinderkopf gegen die Kolbenkräfte halten müssen, am Grundgehäuse befestigt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn dieser mit Schrauben an einer Anlagefläche des Gehäuses fixiert wird. Hierdurch werden die hohen Druckkräfte durch die Anlagefläche aber nicht durch die Schrauben aufgenommen.
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Bei der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe ist vorzugsweise ein Schmierölkreislauf vorgesehen, der verschiedene Teile der Pumpe mit Schmieröl versieht. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn in dem Gehäuse eine Ölwanne vorgesehen ist, wobei zumindest ein Teil des gepumpten Fluids – im Untertagebau üblicherweise Wasser – durch Kühlrohre geleitet ist, die durch die Ölwanne geführt sind. Auf diese Weise wird das Schmieröl während des Pumpbetriebs durch das gepumpte oder zu pumpende Fluid gekühlt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das durch die Ölwanne geleitete Fluid auf der Niederdruckseite der Pumpe entnommen wird, da in diesem Fall die durch die Ölwanne geführte Verrohrung keinen Hochdruckerforderungen genügen muss.
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Erfindungsgemäß kann die komplette Schmierölversorgung sowie das Saugrohr für die Ölpumpe in das Gehäuse integriert sein, wobei es vorteilhaft sein kann, die gesamte Schmierölversorgung, also Ölpumpe, Druckregler, Verrohrung, etc., zu einem Modul zusammenzufassen.
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Zur Schmierölversorgung kann in der Kurbelwelle im Bereich eines Pleuels auf an sich bekannte Weise eine Ölaustrittsöffnung vorgesehen sein, wobei diese allerdings bezogen auf den unteren Totpunkt des Pleuels und den Kurbelzapfenmittelpunkt entgegen der Drehrichtung um einen bestimmten Winkelbereich zurückversetzt ist, wobei dieser Winkelbereich beispielsweise 90° betragen kann. Hierdurch ist die Anordnung der Zuleitung relativ zur Winkelposition so gewählt, dass die Ölversorgung, d. h. die Zuführung von Schmieröl zwischen Kurbelwelle und Pleuel, immer in der lastfreien Zone erfolgt. Mit anderen Worten ist die Ölversorgung nicht dem durch die Kraftbeaufschlagung durch das Pleuel verursachten Druck ausgesetzt, sondern der Schmierölauslass ist entgegen der Drehrichtung gegenüber dem unteren Totpunkt zurückversetzt.
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Zur Unterstützung der Kurbelwelle können an den Scheiben zwischen den Pleuellagern Gleitlager vorgesehen werden, die Lagerschalen aus Verbundmaterial, z. B. Stahl/Bronze/Teflon, verwenden, wobei diese Lagerschalen mit Öltaschen versehen sein können. Entsprechende Gleitlager können für die Pleuellagerung an der Kurbelwelle und an dem Zylinder vorgesehen werden. Die Ölversorgung kann über Stränge bzw. Zuleitungen aus der Kurbelwelle erfolgen, wobei es vorteilhaft sein kann, wenn die Auslassöffnung in Form einer Tasche realisiert wird, die mit einer schrägen Bohrung und einer in Drehrichtung flach auslaufenden Ausfräsung versehen ist.
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Erfindungsgemäß kann die Ölversorgung für die Gleitlager-Schmierung, für eine Ölvorlage, für die Kolbendichtung, etc. über verschiedene Stränge. erfolgen, wobei der Durchfluss in die einzelnen Strange mit Blenden begrenzt sein kann. Hierbei können alle Blenden räumlich zusammen installiert werden, um dadurch die Kontrolle der Blenden im Rahmen von Wartungstätigkeiten zu vereinfachen. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe kann das Schmieröl auch unter Steuerdruck gesetzt werden, was vorteilhaft sein kann, da dadurch die Pumpe ohne Öldruck drucklos geschaltet werden kann. Dies bedeutet jedoch, dass der Öldruck entweder so hoch wie der Steuerdruck sein muss oder aber der Steuerdruck muss auf das Niveau des Schmieröldrucks abgesenkt werden. Als Steuerdruck wird als untere Grenze normalerweise etwa 80 bis 120 bar angesetzt und als Öldruck für die Schmierung wählt man normalerweise 10 bis 20 bar als obere Grenze. Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. Es können entweder zwei Hydraulikpumpen eingesetzt werden oder aber es erfolgt die Versorgung mit nur einer Pumpe und einem erhöhten Versorgungsdruck. Ein solcher erhöhter Versorgungsdruck für die Ölschmierung hat auch den Vorteil, dass der Durchfluss für verschiedene Schmierstellen durch Blenden verteilt werden kann.
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Um während eines Betriebs der Hochdruckpumpe ein Pumpen zu verhindern, wenn der Schmierölkreislauf der Pumpe nicht ordnungsgemäß aufgebaut ist, kann es vorteilhaft sein, in dem Schmierölkreislauf der Pumpe eine mechanische Sperrvorrichtung vorzusehen, die ein Pumpen des Fluids bei unzureichendem Öldruck verhindert. Eine solche mechanische Sperrvorrichtung gewährleistet auf einfache und kostengünstige Art und Weise, dass der Elektromotor, der die Hochdruckpumpe antreibt, zunächst im Leerlauf starten kann und dass kein Hochdruck aufgebaut werden kann, wenn der Öldruck nicht ausreichend anliegt. Eine solche mechanische Sperrvorrichtung kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, dass ein federbelasteter Kolben jeweils ein Einlassventil der Hochdruckpumpe anhebt, so lange dieser nicht durch den ordnungsgemäß aufgebauten Öldruck entgegen der Kraft der Feder so weit nach unten gedrückt wird, dass das Einlassventil schließen kann. Erst wenn der Schmierölkreislauf ordnungsgemäß Druck aufgebaut hat, wird der federbelastete Kolben aus seiner Sperrstellung wegbewegt, so dass das Einlassventil schließen kann und Hochdruck aufgebaut wird.
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Für die Abdichtung des Kolbens im Zylinder können Gleitringdichtungen verwendet werden, wobei erfindungsgemäß der Kolben in dem Zylinder durch zwei nebeneinander angeordnete Gleitringdichtungen abgedichtet sein kann, da hierdurch die Lebensdauer der Dichtung erhöht wird und nach einer Beschädigung der ersten Dichtung immer noch die zweite Dichtung zur Verfügung steht. Hierbei kann es vorteilhaft sein, zwischen den beiden Gleitringdichtungen einen Überwachungskanal in den Zylinderraum münden zu lassen, mit dem der dort vorherrschende Öldruck gemessen werden kann. Sollte eine der Dichtungen Schaden nehmen, so wird sich der an dem Überwachungskanal anstehende Öldruck verändern, was durch entsprechende Überwachungseinrichtungen detektiert werden kann.
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Für eine Ölvorlage können ein oder zwei weitere Gleitringdichtungen vorgesehen werden, wobei diese Dichtungen unterschiedlich ausgestaltet werden können. Beispielsweise kann die zum Druckraum orientierte Dichtung etwas poröser und die dem Druckraum abgewandte Dichtung besser abstreifend sein. Alternativ können auch beide Dichtungen gleich ausgebildet werden.
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Wenn mehrere Zylinder vorgesehen sind und für diese Zylinder mehrere Überwachungskanäle für den Öldruck vorhanden sind, so kann es vorteilhaft sein, wenn bei der Druckmessung sämtliche Überwachungskanäle zu einem Drucksensor zusammengeführt werden, da hierdurch das erhaltene Drucksignal im Falle einer Schädigung einer Dichtung weniger pulsiert. Alternativ können auch mehrere Drucksensoren vorgesehen werden.
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Der Kolben kann in dem Zylinder durch eine Gleitringdichtung abgedichtet sein, die einen kolbenseitig mit einer Schulter versehenen Gleitring sowie einen O-Ring aufweist, der in einer Zylindernut aufgenommen ist. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Zylindernut im Querschnitt abgerundete Ecken aufweist und der O-Ring gleitringseitig an einer konkaven Ringnut des Gleitrings anliegt. Bei dieser Ausführungsform ist aufgrund der abgerundeten Ecken der Zylindernut und der konkaven Ringnut, an welcher der O-Ring anliegt, ein ungewünschtes Verformen des O-Rings verhindert und es ist gewährleistet, dass dieser dichtend zwischen Zylinderwand und Gleitring anliegt, ohne beschädigt zu werden.
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Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe kann weiterhin ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweisen, die beispielsweise in dem Zylinderkopf angeordnet sind und die jeweils einen Dichtsitz und ein Ventilteller aufweisen. Erfindungsgemäß können hierbei zusammenwirkende Dichtflächen der beiden Ventile jeweils als Kugelsegmente ausgebildet sein, wobei der Dichtsitz ein gekammerter PEEK-Ring sein kann, wodurch sich selbstzentrierende Eigenschaften ergeben. Weiterhin kann der Ventilteller eines Ventils in dem Ventilteller des anderen Ventils geführt sein, wobei einer der beiden Ventilteller eine gehäusefeste Führung aufweist. Da bei einem derartigen Ventil entweder der Ventilteller des Einlassventils oder aber der Ventilteller des Auslassventils beim Saughub oder beim Druckhub fixiert sind, ist der jeweils andere Ventilteller auch zu jedem Zeitpunkt zentriert geführt.
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Bei der Hochdruckpumpe gemäß der Erfindung kann weiterhin eine Drucksteuerung dadurch erfolgen, dass oberhalb eines gewünschten Drucks die Förderung in den Rücklauf umgeschaltet wird. Ein hierfür geeignetes Rücklaufventil kann als Sitzventil ausgeführt sein, wobei der Volumenstrom vor dem Schließen auf der Rücklaufseite gedrosselt werden sollte, um eine Kavitation am Dichtsitz zu verhindern. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den letzten Volumenstrom auf der Druckseite durch einen engen Spalt zu treiben, damit der Dichtsitz von größeren Partikeln freigehalten wird.
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Für die Drucksteuerung kann ein Druckbegrenzungsventil mit Festeinstellung vorgesehen werden, das sich generell für alle Anwendungen in der Hydraulik eignet, und das so ausgebildet sein kann, dass ein Öffnungsdruck werksseitig eingestellt und anschließend unveränderlich fixiert wird, so dass eine Fehlbedingung des Druckbegrenzungsventils ausgeschlossen ist. Das Fixieren des voreingestellten Öffnungsdrucks kann durch Verstemmen oder Verbördeln zweier Bauteile des Ventils oder aber durch einen nicht mehr von außen lösbaren federnden Drahtring erfolgen. Alternativ kann die Ausführung so gewählt werden, dass der Drahtring nur durch Zuhilfenahme von Spezialwerkzeug wieder lösbar ist.
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In dem Zulauf der Hochdruckpumpe kann ferner auf einfache Weise ein atmosphärischer Saugstromstabilisator vorgesehen werden, der einen Betrieb ohne Ladepumpe ermöglicht. Ein solcher Saugstromstabilisator kann eine im Saugraum angeordnete abgedichtete Membran umfassen, deren eine Seite zur Atmosphäre hin offen ist, wodurch unerwünschte Druckschwankungen auf der Saugseite vermieden werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht durch eine Hochdruckpumpe;
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2 eine Seitenansicht einer Gehäuserippe;
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3 eine perspektivische Ansicht des Gehäuses der Hochdruckpumpe von 1;
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4 eine perspektivische Ansicht eines Gleitschuhs mit darin befestigtem Pleuel;
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5 eine vergrößerte Querschnittsansicht von Kolbendichtungen;
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6 eine schematische Darstellung des Pleuels bei verschiedenen Kurbelwellenwinkeln;
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7 eine Querschnittsansicht durch den Zylinderkopf;
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8 ein Hydraulikschema einer Ölhydraulik;
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9 ein Schema der Ölhydraulik von 8 mit elektronischer Ventilanhebung;
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10 ein Schieberventil von 9;
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11 ein Hydraulikschema der Drucksteuerung;
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12 ein Querschnitt durch ein Druckbegrenzungsventil;
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13 verschiedene Stadien bei der Montage des Druckbegrenzungsventils von 12;
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14 verschiedene Stadien bei der Montage eines alternativen Ventils; und
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15 verschiedene Stadien bei der Demontage des Ventils von 14.
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1 zeigt stark schematisch eine Hochdruckpumpe mit einem Gehäuse 11, in dem eine Kurbelwelle 10 drehbar gelagert ist, die von einem (nicht dargestellten) Elektromotor angetrieben wird, der beispielsweise an der Seite des Gehäuses angeflanscht werden kann. Die Kurbelwelle 10 treibt über jeweils ein Pleuel 12 einen Kolben 14 an, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt drei Kolben vorgesehen sind. Jeder Kolben 14 ist in einem Zylinder 16 geführt, der an einem zugehörigen Zylinderkopf 18 befestigt ist, wobei der Kolben 14 Fluid aus einem Einlass 54 (vgl. 7) ansaugt und unter Druck an einen Auslass 118 abgibt.
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Das in 3 perspektivisch dargestellte Gehäuse 12 weist mehrere parallel zueinander angeordnete biegesteife Rippen 20 bis 23 auf, welche die zwischen Kurbelwelle 10 und Zylinderkopf 18 auftretenden Kräfte aufnehmen.
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Die in 2 in Seitenansicht dargestellte Rippe 20 (wie auch die Rippen 21 bis 23) ist nach Art einer offenen Klammer um die Zylinderköpfe 18 herum geführt, um diese rückseitig abzustützen. Wie 2 verdeutlicht, weist jede Rippe eine annähernd kreisförmige Aussparung 24 auf, durch die sich die Kurbelwelle 10 und deren Lager erstrecken, so dass die Kurbelwelle 10 von den das Gehäuse 11 bildenden Rippen abgestützt und gelagert ist. Weiterhin weist jede Rippe einen sich etwa horizontal erstreckenden Verbindungsabschnitt 26 auf, an dem sich ein die Klammer bildender vertikaler Abschnitt 28 anschließt. Der vertikale Abschnitt 28 ist dabei in Richtung der Öffnung 24 mit einer stufenförmigen Aussparung 30 versehen, die zur Aufnahme eines Querriegels 32 dient, der wiederum als Anschlag für die Zylinderköpfe 18 dient.
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Wie 1 verdeutlicht, bilden der Zylinderkopf 18, der mit diesem verschraubte Zylinder 16 und der darin geführte Kolben 14 ein separat handhabbares Modul, welches von oben in das Gehäuse 11 eingesetzt werden kann (vgl. 1 und 3).
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Für eine Verbindung zwischen Pleuel 12 und Kolben 14 sorgt eine als Gleitschuh 34 ausgebildete Pleuelführung, wobei der Gleitschuh 34 eine hinterschnittene Aussparung 36 aufweist, in welche das freie Ende des Kolbens 14 von oben eingesetzt werden kann, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen Kolben 14 und Gleitschuh 34 gegeben ist.
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Zur Lagerung der Gleitschuhe 34 in dem Gehäuse 11 dient eine plattenförmige Gleitführung 38 (1), die durch einen Schlitz 40 in den Rippen 20 bis 23 geführt und mit den Rippen verbunden ist. Hierbei ist in der Gleitführung 38 für jeden Gleitschuh 34 eine Linearführung 42 vorgesehen, in welcher der Gleitschuh 34 mit seinem etwas verbreiterten unteren Ende 35 geführt ist. Der Gleitschuh 34 ist dabei insgesamt quaderförmig ausgebildet und besitzt eine Höhe, die etwa der doppelten Breite entspricht. Durch diese sehr schmale Ausbildung der Gleitführungen für die Pleuel 12, die in der Abkehr von einer Gleitführung mit kreiszylindrischem Querschnitt begründet ist, lässt sich die Steifheit der Kurbelwelle insgesamt deutlich erhöhen, da diese kürzer konstruiert werden kann. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da sich die Steifheit der Kurbelwelle indirekt proportional zum Quadrat ihrer Länge verhält. Durch eine Verringerung des Abstands zwischen den Zylindern von beispielsweise 135 mm auf 100 mm lässt sich somit die durch die Kurbelwelle zu tragende Last verdoppeln.
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Im montierten Zustand sind die Gleitschuhe 34 durch eine oben liegende Gleitplatte 44 (1) geführt, die beispielsweise klappbar an dem Gehäuse 11 angebracht sein kann. Die Verbindung zwischen Gleitschuh 34 und Pleuel 12 erfolgt auf bekannte Weise durch Bolzen 46, die eine schwenkbare Hin- und Herbewegung des Pleuels 12 relativ zu dem Gleitschuh 34 ermöglichen.
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Wie 1 weiterhin verdeutlicht, ist in dem Gehäuse 11 eine Ölwanne 50 vorgesehen, aus der eine nicht dargestellte Ölpumpe Schmieröl pumpt. Weiterhin ist unterhalb der Zylinderköpfe 18 ein Wassertank 52 angeordnet (vgl. auch 7), der vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt ist, und der den Einlass 54 mit Fluid versorgt. Das im Pumpbetrieb durch den Einlass 54 angesaugte Fluid (Wasser) ist dabei zwischen einem Zuführkanal 56 und dem Einlass 54 durch Kühlrohre 58 geleitet, die sich bis in die Ölwanne 50 erstrecken.
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Zur Ölschmierung der Kurbelwelle 10 weist diese im Bereich jedes Pleuels 12 eine Ölaustrittsöffnung 15 auf (vgl. 6), wobei diese Ölaustrittsöffnung bezogen auf den unteren Totpunkt UT und auf den Kurbelzapfenmittelpunkt M des Pleuels entgegen der mit einem Pfeil angedeuteten Drehrichtung um einen Winkelbereich α zurückversetzt ist, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 90° beträgt. Auf diese Weise wird das Schmieröl nicht in demjenigen Bereich zugeführt, der durch die Pleuelkräfte, die in 6 mit Pfeilen angedeutet sind, einem hohen Druck ausgesetzt ist. Vielmehr erfolgt die Zuführung des Schmieröls immer in der lastfreien Zone.
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5 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Zylinder 16, in dem (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel) insgesamt vier Gleitringdichtungen vorgesehen sind. Zur Abdichtung zwischen Zylinder 16 und Kolben 14 sind zwei nebeneinander angeordnete Gleitringdichtungen vorgesehen, die einen Gleitring 60 und einen zugehörigen O-Ring 62 sowie einen Gleitring 64 und einen zugehörigen O-Ring 66 umfassen. Zwischen den beiden Gleitringdichtungen mündet ein Überwachungskanal 68, der den zwischen Kolben 14 und Zylinder 14 herrschenden Öldruck an eine Überwachungseinrichtung 69 weiterleitet.
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Die beiden grundsätzlich gleichartig ausgebildeten Gleitringe 60 und 64 besitzen kolbenseitig eine Schulter 70 und auf Seite des zugehörigen O-Rings 62, 66 weisen die Gleitringe 60 und 64 eine konkave Ringnut 72 auf. Die O-Ringe selbst sind in einer Zylindernut 74, 76 aufgenommen, die keinen rechteckigen Querschnitt besitzt, sondern die im Bereich des O-Rings im Querschnitt abgerundete Ecken aufweist.
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Weiterhin weist der Zylinder 16 eine Zuführung 78 für eine Ölvorlage 80 auf, wobei die Zuführung 78 zwischen zwei Gleitringdichtungen 82 und 84 mündet, die ähnlich wie die vorstehend beschriebenen Gleitringdichtungen aufgebaut sind. Hierbei ist es auch möglich, die Gleitringdichtung 82 wegzulassen, da dann der Gleitring 64 mit seinem O-Ring 66 gleichzeitig als Abdichtung für die Ölvorlage 80 dient.
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7 zeigt wie bereits erwähnt einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf 18, der auf den Wassertank 52 abgedichtet aufgesetzt ist. Hierbei weist der Zylinderkopf 18 ein Einlassventil 100, ein Auslassventil 110 und eine mechanische Sperrvorrichtung 90 auf, die ein Pumpen des Fluids bei unzureichendem Öldruck verhindert. Die Sperrvorrichtung 90 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Kolben 92 gebildet, der abgedichtet in einer Führung 93 gelagert ist, die an den Schmierölkreislauf angeschlossen ist. Der Kolben 92 ist mit einer Kolbenstange 94 verbunden, die von einer Feder 95 in 7 nach oben, d. h. in Richtung des Einlassventils 100 gedrückt wird. Hierbei ist die Länge der Kolbenstange 94 so gewählt, dass diese das Einlassventil 100 öffnet, wenn der den Kolben 92 beaufschlagende Schmieröldruck nicht in der gewünschten Höhe anliegt. Bei ausreichender Schmierölversorgung bzw. ausreichendem Schmieröldruck wird jedoch der Kolben 92 – so wie in 7 dargestellt – gegen einen Anschlag nach unten gedrückt, so dass sich auch die Kolbenstange 94 nach unten bewegt, wodurch das Einlassventil 100 schließen kann. In diesem Moment kann ein Pumpen des Fluids bzw. ein Druckaufbau beginnen.
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Wie 7 ferner verdeutlicht, weist das Einlassventil 100 einen Ventilteller 102 auf, der gegen einen Dichtsitz 104 anliegt und das Auslassventil 110 weist einen Ventilteller 112 auf, der gegen einen Dichtsitz 114 anliegt.
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Die zusammenwirkenden Dichtflächen des Einlassventils 100 und des Auslassventils 110 sind jeweils als Kugelsegmente ausgebildet.
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Das Innere des Zylinders 16 geht in dem Zylinderkopf 18 in denjenigen Raum über, der sich zwischen den beiden Ventiltellern 102 und 112 erstreckt, wobei sich oberhalb des Ventiltellers 112 des Auslassventils 110 ein Auslasskanal 118 anschließt, durch den das Fluid unter Hochdruck ausgetragen wird.
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Die Führung der beiden Ventilteller ist so gewählt, dass der Ventilteller 102 des Einlassventils 100 in dem Ventilteller 112 des Auslassventils 110 geführt ist, und dass der Ventilteller 112 des Auslassventils 110 eine in dem Zylinderkopf 18 verschraubte gehäusefeste Führung 116 aufweist. Durch Federn ist der Ventilteller 112 gegenüber der Führung 116 sowie gegenüber dem Ventilteller 102 vorgespannt.
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Wenn sich der Kolben 14 in 7 für einen Ansaughub nach rechts bewegt, so wird der Ventilteller 112 des Auslassventils 110 durch die in 7 obere Feder gegen die Führung 116 in seinen Ventilsitz 114 gedrückt, so dass der Ventilteller 112 eine stabile Führung für den darunter liegenden Ventilteller 112 des Einlassventils 100 bildet, der von seinem Ventilsitz 104 abhebt und ein Einströmen von Fluid aus dem Einlass ermöglicht. Bei einer Bewegung des Kolbens 14 nach links schließt sich der Ventilteller 102 des Einlassventils 100, bis dieser stabil an seinem Dichtsitz 104 anliegt und der Ventilteller 112 des Auslassventils 110 von seinem Dichtsitz 114 abhebt.
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Wie 7 ferner verdeutlicht, ist in dem durch den Wassertank 52 gebildeten Saugraum ein atmosphärischer Saugstromstabilisator vorgesehen, der eine im Saugraum angeordnete Membran 55 umfasst, die vom Inneren des Tanks 52 einen Ausgleichsraum 51 abtrennt. Die Membran 55 ist abgedichtet an der Innenwandung des Tanks 52 befestigt, wobei zu beiden Seiten der Membran Stützrippen 180, 181 vorgesehen sind, die ein übermäßiges Ausdehnen der Membran 55 verhindern. Der von der Membran im Inneren des Wassertanks 52 abgetrennte Ausgleichsraum 51 ist über eine oder mehrere Bohrungen 182 zur Atmosphäre hin offen, so dass eine Belüftung des Ausgleichsraums 51 erfolgen kann. Im Untertagebau befindet sich der Tank üblicherweise in unmittelbarer Nähe der Pumpe, wobei der Füllstand des Tanks normalerweise oberhalb der Pumpe liegt. Durch den vorstehend beschriebenen atmosphärischen Saugstromstabilisator kann eine wesentlich größere Pumpe mit längerer Zuleitung ohne Ladepumpe betrieben werden, indem die auf der Saugseite entstehenden Druckschwankungen ausgeglichen werden.
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8 zeigt das Schema der vorstehend beschriebenen Ölhydraulik mit den Sperrvorrichtungen 90, die über eine Leitung 120 mit einer Schmierölpumpe 122 in Verbindung stehen. Nur wenn der über die Leitung 120 zugeführte Schmieröldruck ausreichend ist, senken sich die Kolbenstangen 94 so weit ab, dass jedes Einlassventil 100 schließen kann. In 8 bezeichnet das Bezugszeichen 124 eine Pumpensteuerung, das Bezugszeichen 126 einen Ölpegelsensor und das Bezugszeichen 128 einen Drucksensor.
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9 zeigt ein gegenüber 8 komplexeres Hydrauliksystem, wobei gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform werden über die Steuerung 124 in Abhängigkeit von dem durch den Drucksensor 128 gemessenen Öldruck elektromagnetische Ventile 130 aktiviert, die zur Verstärkung jeweils ein Schieberventil 132 betätigen, welches erst bei ausreichendem Öldruck einen Pumpbetrieb aktiviert. Bei dieser Ausführungsform ist die Schmierölleitung 120 mit einem Druckspeicher 134 verbunden. Weiterhin steht die Schmierölleitung 120 über Blenden mit verschiedenen anderen zu schmierenden Abschnitten der Pumpe in Verbindung, wie beispielsweise der Ölvorlage im Zylinder, der Ölschmierung für die Gleitschuhe, der Ölschmierung für das Pleuel oder für die Kardanwelle. Mit der Steuerung 124 können die elektromagnetischen Ventile 130 in Abhängigkeit von dem gemessenen Öldruck oder auch in Abhängigkeit von einem gemessenen Ausgangsdruck wahlweise und individuell aktiviert werden, so dass für jeden einzelnen Zylinder das Einlassventil 100 angehoben werden kann, so dass dieser einzelne Zylinder nicht mehr zur Pumpleistung beiträgt. Auf diese Weise kann jeder einzelne Zylinder aktiviert oder deaktiviert werden, um den Volumenstrom bzw. den entstehenden Ausgangsdruck zu steuern.
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10 zeigt einen Querschnitt durch das Schieberventil 132 von 9, das auf bekannte Weise über eine Steuerleitung 136 geschaltet werden kann, und dadurch eine Strömungsverbindung zur Druckseite P oder zum inneren Rücklauf R öffnet oder schließt.
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11 zeigt die Drucksteuerung der beschriebenen Hochdruckpumpe durch Umschalten der Förderung in den Rücklauf. Ein hierfür vorgesehenes Rücklaufventil 140 kann als Sitzventil ausgeführt sein. Für die Ansteuerung des Rücklaufventils ist ein Druckbegrenzungsventil 142 vorgesehen, das in 12 im Querschnitt vergrößert dargestellt ist. Der Öffnungsdruck dieses Druckbegrenzungsventils ist werkseitig einstellbar und unveränderlich fixierbar, damit der Anwender den eingestellten Druck nicht eigenständig verändern kann.
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Das in 12 dargestellte Ventil 142 umfasst eine Hülse 144, die mit einem Ventilkörper 146 nicht lösbar verbunden ist. In dem Ventilkörper 146 ist eine Ventilkugel 148 vorgesehen, die bei Anliegen eines bestimmten Grenzdrucks am Eingang 149 entgegen der Kraft einer Feder 150 öffnet, die in der Hülse 144 angeordnet ist. Die Übertragung der Schließkraft von der Feder 150 auf die Ventilkugel 148 erfolgt über eine Ventilstange 152, die über einen Teller 154 und eine oder mehrere Unterlegscheiben 156, mit denen werksseitig der Öffnungsdruck eingestellt werden kann, an der Ventilstange 146 anliegt. Wenn die Ventilkugel 148 von ihrem Sitz abhebt, kann das einströmende Fluid durch radiale Austrittsöffnungen 158 in den internen Rücklauf R (vgl. 11) abströmen.
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13 zeigt drei Phasen der Verbindung zwischen Hülse 144 und Ventilkörper 146. Wie zu erkennen ist, weist die Hülse 144 innenseitig an ihrem offenen Ende eine Einfädelschräge 160 auf, mit der beim Aufdrücken der Hülse 144 auf den Ventilkörper 146 ein federnder Drahtring 162 zunächst in eine Nut 164 des Ventilkörpers 146 gedrückt wird. Wenn anschließend die Hülse 144 weiter über den Ventilkörper 146 geschoben wird, kommt eine Ringnut 166 am Innenumfang der Hülse 144 in den Bereich des Drahtrings, so dass sich dieser radial nach außen ausdehnt und innerhalb der beiden Nuten 166 und 164 zu liegen kommt, wodurch die Hülse 144 und Ventilkörper 146 unlösbar miteinander verbunden sind.
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14 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher der Drahtring 162 mit Spezialwerkzeug montiert und demontiert werden kann. Hierzu ist die Nut 166 am Innenumfang der Hülse 144 im Querschnitt gesehen unsymmetrisch ausgebildet, so dass der Drahtring 162 mit Hilfe eines Werkzeugs 170 (vgl. 15) gehalten und durch die Ausbildung der Nut 166 radial zusammengedrückt werden kann (vgl. 15, Bild 5).
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Die Montage der beiden Bauteile 144 und 164 ist in 14 mit Hilfe der Darstellungen 1 bis 3 verdeutlicht. Hierbei wird der Drahtring 162 zunächst durch Aufschieben der Hülse 144 zusammengedrückt, bis dieser anschließend die beiden Bauteile verbindet (Bild 3). Zur Demontage wird ausgehend von Bild 4 in 15 zunächst das ringförmige Werkzeug 170 zwischen Ventilkörper 164 und Hülse 144 eingeführt, wobei dieses mit einer Ringnase 172 den Drahtring 162 gegen eine Ausfädelschräge 174 der Ringnut der Hülse 144 führt, so dass der Drahtring 162 radial zusammengedrückt wird (Bild 5 in 15) und von dem Werkzeug 170 in einer Ringnut des Ventilkörpers 164 gehalten werden kann, bis die Hülse 144 von dem Ventilkörper 164 abgezogen worden ist.
