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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zum Fördern von dickstoffartigem Fördergut, insbesondere von Frischbeton, mit mindestens einem Förderzylinder, mit einem in dem Förderzylinder mit radialem Spiel unter Bildung eines Ringspalts zentrisch angeordneten, axial beweglichen Förderkolben, wobei der Förderkolben ein zentrales Kolbengerüst, radial in Richtung Zylinderinnenfläche weisende, den Ringspalt überbrückende Führungsmittel und eine stirnseitig mittels eines Klemmelements am Kolbengerüst festgelegte, eine gegen die Zylinderinnenfläche anliegende und mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende Kolbenmanschette aufweist.
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Kolbenpumpen dieser Art werden beispielswiese zum Fördern von industriellen Dickstoffen oder Frischbeton eingesetzt. In der Regel weisen Dickstoffpumpen zwei Förderzylinder auf, deren stirnseitige Öffnungen in einen Materialaufgabebehälter münden und abwechselnd während eines Förderhubs beispielsweise über eine Rohrweiche mit einer Förderleitung verbindbar und während eines Füllhubs unter Ansaugen des Materials zum Materialaufgabebehälter hin offen sind. Die Kolben der Förderzylinder werden über hydraulische Antriebszylinder im Gegentakt angetrieben. Zu diesem Zweck sind die Förderkolben über eine gemeinsame Kolbenstange mit den Kolben der Antriebszylinder verbunden. Die Förderkolben stehen dabei unmittelbar mit dem Fördergut in Berührung. Dementsprechend sind die Kolbendichtungen und die Innenflächen der Förderzylinder einer hohen Beanspruchung ausgesetzt und unterliegen einem entsprechenden Verschleiß. Das meist aus einem Metallkörper bestehende Kolbengerüst dient als Bindeglied zwischen dem Kolbenantrieb und dem Fördergut zur Aufnahme und Weitergabe der beim Pumpen entstehenden Kräfte. Die Führungsmittel sorgen für einen richtungsgenauen Lauf des Förderkolbens im Förderzylinder und verhindern im Zusammenspiel mit der Kolbenmanschette ein Verkippen des Förderkolbens insbesondere beim Ausschieben des Förderguts. Die Aufgabe der Kolbenmanschette ist bei den bekannten Kolbenpumpen zweigeteilt: Zum einen dient sie sowohl beim Füllhub als auch beim Förderhub zum Abdichten des für die Bewegung des Kolbens im Zylinder notwendigen Ringspalts. Zum anderen dichtet die Kolbenmanschette das auch als Kolbenflansch bezeichnete Klemmelement zum Kolbengerüst hin ab und verhindert so das Eindringen von Fördergut in den Kolben. Um dem eindringenden Fördergut einen größtmöglichen Widerstand zu bieten, werden üblicherweise beide Dichtfunktionen durch einen möglichst langen, stark verpressten Dichtspalt verwirklicht. Zu diesem Zweck ist die Dichtmanschette an beiden Dichtstellen so gestaltet, dass sie über eine längere Strecke flächig an der Zylinderwand bzw. am Kolbenflansch anliegt und im unverbauten Zustand ein deutliches Übermaß aufweist. Letzteres führt im montierten Zustand zu der für das Erreichen der Dichtfunktion notwendigen Verpressung.
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Beim Förderhub baut sich im Förderzylinder ein Förderdruck auf, der sich als axial wirkende Flächenlast auf die Kolbenmanschette auswirkt. Um dieser Last entgegenzuwirken, stützt sich die Kolbenmanschette in axialer Richtung am Kolbengerüst ab. Beim Füllhub, bei welchem Fördergut aus einem Materialaufgabebehälter in den Förderzylinder angesaugt wird, entsteht hingegen ein Unterdruck im Förderzylinder. In diesem Fall wechselt die Flächenlast auf die Kolbenmanschette ihr Vorzeichen; der Unterdruck versucht die Kolbenmanschette vom Kolbengerüst abzuheben. Das Klemmelement hat hier die Aufgabe, die Kolbenmanschette so abzustützen, dass ein Abheben vermieden wird. Außerdem muss die Kolbenmanschette ausreichend massiv gestaltet und an den Förderzylinder gepresst sein, damit eine Verformung um das Klemmelement herum ausgeschlossen ist.
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Die Art und Weise, wie die Dichtaufgabe der Kolbenmanschette bisher gelöst wird, bringt einige entscheidende Nachteile mit sich, allen voran die große Reibung zwischen Kolbenmanschette und Zylinderinnenfläche durch ihre große Verpressung mit dem Klemmelement. Diese Reibung führt zu einem hohen Verschleiß der Kolbenmanschette an dieser Stelle. Dementsprechend erreichen auch moderne Kolbenmanschetten mit eingelegter Bewehrung nur wenig zufriedenstellende Standzeiten. Da andererseits diese Reibung durch den Kolbenantrieb überwunden werden muss, stellt sich zudem eine erhebliche Verlustleistung ein, die nicht zum Fördern des Dickstoffs zur Verfügung stehen kann. Folglich lässt die Energieeffizienz einer Kolbenpumpe bei Verwendung einer heutigen Kolbenmanschette zu wünschen übrig.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kolbenpumpe der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die Reibungsverluste am Förderkolben unter Beibehaltung guter Dichtungseigenschaften reduziert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt vor allem der Gedanke zugrunde, dass der lange Dichtspalt samt nötiger Verpressung im Bereich der Kolbenmanschette ersetzt wird durch eine Kolbenmanschette, die eine Halspartie mit gegenüber der Zylinderinnenfläche kleinerem Außendurchmesser sowie eine stirnseitig über die Halspartie lippenartig überstehende, gegen die Zylinderinnenfläche unter Überbrückung des Ringspalts anliegende und mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende Abstreifpartie aufweist. Zum Abdichten eines Dichtspalts mit einer Lippe bedarf es einer deutlich geringeren Verpressung. Durch die Veränderung des Dichtmechanismus sinken demgemäß die Reibungs- und Energieverluste und damit auch der Verschleiß der Kolbenmanschette.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abstreifpartie mindestens zwei in axialem Abstand voneinander angeordnete, gegen die Zylinderinnenfläche anliegende kreisringförmige Dichtlippen aufweist. Da die Führungsaufgabe mit einer solchen Kolbenmanschette nicht im bisherigen Maße übernommen werden kann, erscheint es sinnvoll, dass die Führungsmittel beispielsweise durch Verlängerung, mehrteilige Ausführung oder anderweitige Anpassungen so gestaltet werden, dass die Führungsaufgabe der Kolbenmanschette reibungsverringernd vollständig oder teilweise entfällt.
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Um außerdem das Problem der Fördermanschettenverformung beim Füllhub nicht durch Verpressen der Kolbenmanschette lösen zu müssen, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Kolbenmanschette an ihrer Halspartie nahe der Zylinderinnenfläche formschlüssig mit dem Kolbengerüst, den benachbarten Führungsmitteln oder einem entsprechend gestalteten anderen Teil des Kolbens verbunden wird. Damit wird erreicht, dass die abhebende Flächenlast aufgrund des Unterdrucks im Förderzylinder an der kritischsten Stelle nahe der Zylinderwand aufgenommen und an die tragenden Elemente des Förderkolbens weitergeleitet werden kann. Letzteres kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Kolbenmanschette an ihrer Halspartie eine radial nach außen offene umlaufende Ringnut aufweist, in die ein am Kolbengerüst angeordnete, radial nach innen weisende umlaufende Ringrippe eingreift. Alternativ hierzu oder in Verbindung damit kann dies auch dadurch erzielt werden, dass das Kolbengerüst eine radial nach innen offene umlaufende Ringnut aufweist, in die eine an der Kolbenmanschette im Bereich ihrer Halspartie radial nach außen weisende umlaufende Ringrippe eingreift. Eine weitere Stabilisierung der Kolbenmanschette am Kolbengerüst kann dadurch erzielt werden, dass das Kolbengerüst eine stirnseitig offene Ringaufnahme aufweist, in die die Kolbenmanschette mit einem Teil ihrer Halspartie eingreift.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Klemmelement mit einem Ringflansch versehen, der gegen die Stirnfläche der Kolbenmanschette unter Freilassung der Abstreifpartie anliegt und dabei die Kolbenmanschette gegen das Kolbengerüst anpresst. Um die Kolbenmasse zu reduzieren, kann das Kolbengerüst einen von dem Klemmelement überbrückten zentralen Hohlraum aufweisen, wobei das Klemmelement mittels einer den Hohlraum zentral durchdringenden Spannschraube am Kolbengerüst fixiert werden kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Führungsmittel in mindestens eine radial nach außen offene umlaufende Nut des Kolbengerüsts eingelegt sind. Eine besonders gute Dichtfunktion wird erzielt, wenn die Führungsmittel und/oder die Kolbenmanschette aus einem elastomerem Material bestehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Kolbengerüst zumindest partiell aus einem elastomerem Material, wobei die Führungsmittel eine einstückig mit dem Kolbengerüst verbundene Führungspartie bilden.
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Vorteilhafterweise ist der Förderkolben auf seiner dem Fördergut abgewandten Rückseite im Bereich seines Kolbengerüsts mit einem Antriebsmechanismus verbunden. Der Antriebsmechanismus ist dabei vorteilhafterweise als hydraulischer Antriebszylinder ausgebildet, dessen Antriebskolben über eine Kolbenstange mit dem Förderkolben verbunden ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Schema einer Zweizylinder-Kolbenpumpe für die Förderung von Dickstoffen;
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2a einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Förderzylinder nach 1 mit einer ersten Ausführungsvariante des Förderkolbens in geschnittener Darstellung;
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2b einen vergrößerten Ausschnitt aus 2a;
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3 bis 5 Darstellungen entsprechend 2a für drei weitere Ausführungsvarianten des Förderkolbens.
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Die in 1 dargestellte Kolbenpumpe ist zur Förderung von dickstoffartigem Fördergut 11, insbesondere von Frischbeton bestimmt. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Förderzylindern 10, 10', deren stirnseitige Öffnungen 12, 12' in einen Materialaufgabebehälter 14 münden und abwechselnd während des Förderhubs D (Druckhub) über eine Rohrweiche 16 mit einer Förderleitung 18 verbindbar und während des Füllhubs S (Saughub) unter Ansaugen des Materials zum Materialaufgabebehälter 14 hin offen sind. Die Förderzylinder 10, 10' werden über hydraulische Antriebszylinder 20, 20' im Gegentakt angetrieben. Zu diesem Zweck sind die Förderkolben 21, 21' über eine gemeinsame Kolbenstange 22, 22' mit den Antriebskolben 24, 24' verbunden. Im Bereich zwischen den Förderzylindern 10, 10' und den Antriebszylindern 20, 20' befindet sich ein Wasserkasten 26, durch den die Kolbenstangen 22, 22' hindurchgreifen. Die Förderzylinder 10, 10' sind zum Wasserkasten 26 hin offen. Dementsprechend werden die Förderkolben 21, 21' auf ihrer Rückseite mit der Flüssigkeit aus dem Wasserkasten 26 beaufschlagt. Damit wird sowohl der durch die Förderkolben 21, 21' zur Rückseite hindurchtretende Schlamm weggespült als auch eine Kühlwirkung erzeugt.
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Die Antriebszylinder 20, 20' werden bodenseitig über Druckleitungen 28, 28' an den Anschlüssen A und B mit Hilfe einer nicht dargestellten Hydropumpe abwechselnd mit Drucköl beaufschlagt. An ihrem stangenseitigen Ende sind die Antriebszylinder 20, 20' durch eine Verbindungsleitung 30 hydraulisch miteinander gekoppelt. Zur Auslösung des Umsteuervorgangs sind in der Nähe der boden- und stangenseitigen Enden der Antriebszylinder Messsonden 32, 32', 34, 34' in der Wandung des jeweiligen Antriebszylinders 20, 20' angeordnet. Die Messsonden sprechen auf die im Zuge der Förder- und Füllhubbewegungen vorbeilaufenden Antriebskolben 24, 24' an und geben im Bereich der Umschaltstellen ein digital auswertbares Endlagensignal ab.
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Anstelle des vorstehend beschriebenen ölhydraulischen Antriebs kann grundsätzlich auch ein mechanischer oder elektro-mechanischer Antriebsmechanismus für die Förderkolben verwendet werden.
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Eine Besonderheit der Erfindung besteht im speziellen Aufbau der Förderkolben 21, 21', womit eine Verminderung der Reibwirkung und damit der Verschleißwirkung sowie eine Reduzierung der Antriebskräfte im Bereich des Förderzylinders 10, 10' erzielt werden soll. Zur sprachlichen Vereinfachung wird im Folgenden ebenso wie in den Ansprüchen jeweils im Singular von einem Förderkolben 21 und einem Förderzylinder 10 gesprochen, obwohl im Falle einer Zwei- oder Mehrzylinder-Kolbenpumpe jeweils zwei oder mehrere Exemplare vorkommen.
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Die in 2 bis 5 gezeigten Förderkolben 21 weisen übereinstimmend ein zentrales Kolbengerüst 36 auf, das als Bindeglied zwischen dem Kolbenantrieb auf der Seite der Kolbenstange 22 und dem unter dem Förderdruck stehende Dickstoff auf der Seite des Förderguts 11 zur Übertragung der beim Pumpen entstehenden Kräfte fungiert. Zwischen dem Kolbengerüst 36 und dem Förderzylinder 10 befindet sich ein Ringspalt 38, der bei den in 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen durch Führungsmittel 40 überbrückt wird, die in Form von Ringen in radial nach außen offene umlaufende Nuten 41 des Kolbengerüsts 36 eingelegt sind. Die Führungsmittel 40 bestehen zweckmäßig aus einem elastomerem Kunststoff, beispielsweise aus Polyurethan oder Polyethylen oder deren Derivaten.
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Weiter ist eine stirnseitig mittels eines Klemmelements 44 am Kolbengerüst 36 festgelegte, mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende Kolbenmanschette 46 vorgesehen. Die Kolbenmanschette 46 verhindert im Zusammenspiel mit den Führungsmitteln 40 ein Verkippen des Förderkolbens 21 insbesondere beim Förderhub. Eine weitere Funktion der Kolbenmanschette 46 besteht in der Abdichtung des für die Bewegung des Förderkolbens 21 notwendigen Ringspalts 38 zwischen Förderkolben 21 und Förderzylinder 10 sowohl beim Füllhub S als auch beim Förderhub D. Außerdem dichtet die Kolbenmanschette 46 das Klemmelement 44 zum Kolbengerüst 36 hin ab und verhindert so das Eindringen von Fördergut 11 in den Förderkolben 21. Die beiden Stellen, an denen das Fördergut 11 einzudringen versucht, sind in den 2 bis 5 in Form mehrerer Pfeile 48 gekennzeichnet. Die Kolbenmanschette besteht zweckmäßig aus einem gummielastischen Material, beispielsweise aus NBR (natural butadien rubber).
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Bei den in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen besteht das Kolbengerüst 36 vorwiegend aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Zur Reduzierung der bewegten Masse enthält das Kolbengerüst 36 einen zentralen Hohlraum 42, der von dem als Ringflansch ausgebildeten Klemmelement 44 abgedeckt und mittels Kolbenmanschette 46 gegen Flüssigkeitszutritt abgedichtet ist. Zu diesem Zweck ist das Klemmelement 44 mittels einer Spannschraube 50 unter Zwischenklemmen eines Teils der Kolbenmanschette 46 am Kolbengerüst 36 festgeklemmt. Eine Besonderheit des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass das Kolbengerüst 36 in seiner Gesamtheit aus einem elastomerem Kunststoff besteht und dass die Führungsmittel 40' integrierter Bestandteil des Kolbengerüsts sind.
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Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Kolbenmanschette 46 in allen vier Ausführungsformen eine Halspartie 52 mit gegenüber der Zylinderinnenfläche 54 kleinerem Außendurchmesser und eine stirnseitig über die Halspartie 52 überstehende, gegen die Zylinderinnenfläche 54 unter Überbrückung des Ringspalts 38 anliegende und mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende lippenartige Abstreifpartie 56 aufweist. Die radiale Abdichtung erfolgt bei den gezeigten Ausführungsbeispielen über zwei rippenartige Dichtlippen 58, die kreisringförmig an der Zylinderinnenfläche 54 anliegen. Zum Abdichten des Ringspalts 38 mit den Dichtlippen 58 bedarf es einer deutlich geringeren Verpressung als beim vorbekannten flächigen Anliegen der Kolbenmanschette. Dies führt dazu, dass die Reibungs- und Energieverluste und damit auch der Verschleiß der Kolbenmanschette 46 bei gleicher Dichtwirkung sinken. In ähnlicher Weise kann auch der axiale Dichtspalt zwischen dem Klemmelement 44 und der Kolbenmanschette 46 mittels ringförmiger Dichtlippen 59 mit reduziertem Anpressdruck abgedichtet werden (vgl. 2b).
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Beim Förderhub D baut sich im Förderzylinder 10 auf der Seite des Förderguts 11 ein hoher Förderdruck auf, der sich als axial wirkende Flächenlast auf die Kolbenmanschette 46 auswirkt. Um dieser Last entgegenzuwirken stützt sich die Kolbenmanschette 46 in axialer Richtung am Kolbengerüst 36 ab. Beim Füllhub S, bei welchem Fördergut 11 aus dem Materialaufgabebehälter 14 in den Förderzylinder 10 angesaugt wird, entsteht hingegen ein Unterdruck auf der Seite des Förderguts 11. Der Unterdruck versucht, die Kolbenmanschette 46 vom Kolbengerüst 36 abzuheben. Um dies weitgehend zu verhindern, wird gemäß den in 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen vorgeschlagen, dass die Kolbenmanschette 46 nahe an der Zylinderinnenfläche 54 formschlüssig mit dem Kolbengerüst 36 verbunden ist. Dadurch wird die abhebende Flächenlast aus dem Unterdruck im Förderzylinder 10 an der kritischen Stelle nahe der Zylinderwand aufgenommen und an die tragenden Elemente des Kolbengerüsts 36 weitergeleitet. Konstruktiv wird dies vor allem dadurch erreicht, dass die Kolbenmanschette 46 an ihrer Halspartie 52 eine radial nach außen offene umlaufende Ringnut 60 aufweist, in die eine am Kolbengerüst 36 angeordnete, radial nach innen weisende umlaufende Ringrippe 62 eingreift. Zusätzlich weist das Kolbengerüst 36 eine radial nach innen offene umlaufende zweite Ringnut 64 auf, in die eine an der Kolbenmanschette 46 im Bereich ihrer Halspartie radial nach außen weisende umlaufende zweite Ringrippe 66 eingreift. Zur weiteren Stabilisierung der Kolbenmanschette 46 weist das Kolbengerüst 36 eine stirnseitig offene Ringaufnahme 68 auf, in die die Ringmanschette 46 mit einem Teil ihrer Halspartie 52 eingreift. Die Ringaufnahme 68 ist zur Zylinderinnenfläche 54 hin radial randoffen, so dass die Kolbenmanschette 46 mit ihrer Halspartie 52 durch die Randöffnung 70 hindurch radial nach außen weist und unmittelbar der Zylinderinnenfläche 54 zugewandt ist.
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Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Förderkolbens ist es grundsätzlich möglich, die Führungsmittel 40, 40' beispielweise durch Verlängerung, mehrteilige Ausbildung (4) oder anderweitige Anpassungen (5) so zu gestalten, dass die Führungsaufgabe der Kolbenmanschette 46 zum Zwecke der Reibungsverminderung vollständig oder teilweise entfällt.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen zu einer Verschleißminderung am Förderkolben 21 und zu einer Erhöhung der Standzeit. Außerdem erhält man beim Betrieb der Kolbenpumpe eine wesentliche Energieeinsparung sowie eine Steigerung des Wirkungsgrads.
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Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe zum Fördern von dickstoffartigem Fördergut, insbesondere von Frischbeton. Die Kolbenpumpe weist mindestens einen Förderzylinder 10 und einen in dem Förderzylinder 10 mit radialem Spiel unter Bildung eines Ringspalts 38 zentrisch angeordneten, axial beweglichen Förderkolben 21 auf. Der Förderkolben 21 umfasst ein zentrales Kolbengerüst 36, radial in Richtung Zylinderinnenfläche 54 weisende, den Ringspalt 38 überbrückende Führungsmittel 40 und eine stirnseitig mittels eines Klemmelements 44 am Kolbengerüst 36 festgelegte, eine gegen die Zylinderinnenfläche 54 anliegende und mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende Kolbenmanschette 46. Um die Reibung des Förderkolbens 21 im Förderzylinder 10 zu reduzieren und dadurch eine Verschleißminderung und Wirkungsgraderhöhung zu erzielen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Kolbenmanschette 46 eine Halspartie 52 mit gegenüber der Zylinderinnenfläche 54 kleinerem Außendurchmesser sowie eine stirnseitig über die Halspartie 52 überstehende, gegen die Zylinderinnenfläche 54 unter Überbrückung des Ringspalts 38 anliegende und mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende lippenartige Abstreifpartie 56 aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Förderzylinder
- 11
- Fördergut
- 12, 12'
- stirnseitige Öffnungen
- 14
- Materialaufgabebehälter
- 16
- Rohrweiche
- 18
- Förderleitung
- 20, 20'
- hydraulische Antriebszylinder
- 21, 21'
- Förderkolben
- 22, 22'
- gemeinsame Kolbenstange
- 24, 24'
- Antriebskolben
- 26
- Wasserkasten
- 28, 28'
- Druckleitungen
- 30
- Verbindungsleitung
- 32, 32'
- Messsonden
- 34, 34'
- Messsonden
- 36
- Kolbengerüst
- 38
- Ringspalt
- 40, 40'
- Führungsmittel
- 42
- Hohlraum
- 44
- Klemmelement
- 46
- Kolbenmanschette
- 48
- Pfeile
- 50
- Spannschraube
- 52
- Halspartie
- 54
- Zylinderinnenfläche
- 56
- Astreifpartie
- 58
- Dichtlippen (radial)
- 59
- Dichtlippen (axial)
- 60
- Ringnut
- 62
- Ringrippe
- 64
- Ringnut
- 66
- Ringrippe
- 68
- Ringaufnahme
- 70
- Randöffnung
- A, B
- Anschlüsse
- D
- Förderhub (Druckhub)
- S
- Füllhub (Saughub)
