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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, abwechselnd einen Saughub und einen Förderhub ausführenden Förderkolben, der ein zentrales Kolbengerüst und eine in einer stirnseitig offenen Ringausnehmung des Kolbengerüsts angeordnete, unter Überbrückung des Ringspalts an der Zylinderinnenfläche anliegende und mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende Kolbenmanschette aufweist, und der auf seiner dem Fördergut abgewandten Rückseite mit Wasser beaufschlagt ist und über eine Kolbenstange mit einem Antriebsmechanismus verbunden ist.
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Kolbenpumpen dieser Art werden beispielsweise 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 Saughubs 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 Kolbenmanschette, die Kolbenführung 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 Kolbenmanschette dient sowohl beim Saughub als auch beim Förderhub zum Abdichten des für die Bewegung des Kolbens im Zylinder notwendigen Ringspalts. Beim Förderhub baut sich im Förderzylinder ein Förderdruck auf, der sich als axial wirkende Flächenlast auf die Kolbenmanschette auswirkt. Beim Saughub, bei welchem Fördergut aus einem Materialaufgabebehälter in den Förderzylinder angesaugt wird, entsteht hingegen ein Unterdruck im Förderzylinder. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Kolbenpumpen dieser Art besteht darin, dass aufgrund der Zwangsführungen der Antriebskolben und der Förderkolben sowie der dazwischenliegenden Kolbenstangenführungen Verklemmungen auftreten können. Diese führen zu einem frühzeitigen Verschleiß und zu einem erhöhten Wartungsaufwand. Weiter besteht beim Pumpbetrieb die Gefahr, dass die Kolbenstange wegen der vorhandenen Überbestimmungen durchgebogen wird. Wenn die Kolbenstange zum Zwecke der Reibungsminderung verchromt ist, kommt es vor, dass in der Chromschicht Risse auftreten, die zur Erhöhung der Reibung und zur Reduzierung der Lebensdauer führen. Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man schon versucht, durch Erhöhung der Maßtoleranzen die Reibungs- und Zwangsführungskräfte zu reduzieren. Dies hat andererseits den Nachteil, dass sich eine Vergrößerung der Ringspalte ergibt, die in einer höheren Verschmutzungsgefahr und wiederum in einer Erhöhung des Verschleißes resultiert.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kolbenpumpe der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass mit einfachen Mitteln die Verschleißgefahr reduziert und damit die Wartungsfreundlichkeit verbessert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung geht vor allem von dem Gedanken aus, dass durch eine Entkopplung der Führungselemente in den Antriebszylindern, im Wasserkasten und in den Förderzylindern unabhängig von den Fertigungs- und Montagetoleranzen Kolbenverspannungen und einseitige Anpressungen beim Pumpvorgang reduziert werden können. Um dies zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vor allem vorgeschlagen, dass zwischen dem Kolbengerüst und der Kolbenstange des Förderkolbens ein Kupplungsglied angeordnet ist, das ein axiales und/oder radiales Spiel zwischen diesen Bauteilen zulässt.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kolbengerüst einen mit der wasserführenden Rückseite des Förderkolbens kommunizierenden Koppelraum auf, in welchen die Kolbenstange mit einem stirnseitig angeordneten Koppelelement eingreift, womit sie zwischen einem ersten Anschlag in Förderrichtung und einem zweiten Anschlag in Saugrichtung begrenzt axial verschiebbar mit dem Förderkolben verbunden ist.
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Eine weitere alternative oder bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kolbengerüst einen Innenzylinder aufweist, in welchem ein Innenkolben zwischen einer ersten Endposition in Förderrichtung und einer zweiten Endposition in Saugrichtung verschiebbar angeordnet ist, und dass die Kolbenstange ein Koppelelement aufweist, womit sie zwischen einem ersten Anschlag in Förderrichtung und einem zweiten Anschlag in Saugrichtung begrenzt axial verschiebbar mit dem Innenkolben gekoppelt ist. Der Innenkolben ist dabei zweckmäßig gegenüber dem Innenzylinder in Saugrichtung federbelastet. Mit diesen Maßnahmen wird primär erreicht, dass zwischen dem Förderkolben und der Kolbenstange eine durch die Anschläge begrenzte Entkopplung eintritt, die unabhängig von den Herstellungs- und Montagetoleranzen zu einer wesentlichen Reduzierung der Verschleißanfälligkeit führt.
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Um dazuhin Verschmutzungen im Bereich des Förderkolbens und dabei insbesondere im Bereich der Kolbenmanschette zu vermeiden, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Innenzylinder über mindestens eine vorzugsweise durch den Innenkolben in seiner ersten Endposition verschließbare Öffnung mit der Ringaufnahme und über mindestens eine im Innenkolben ausgebildete Öffnung durch das kolbenstangenfeste Koppelelement an seinem ersten Anschlag verschließbare Öffnung mit der wasserbeaufschlagten Rückseite des Förderkolbens kommuniziert und dabei eine zu Beginn eines jeden Saughubs Wasser von der Rückseite des Förderkolbens aufnehmende und zu Beginn eines jeden Förderhubs Wasser in die Ringaufnahme abgebende Spülwasserpumpe bildet. Damit wird erreicht, dass bei jedem Pumpenhub die Kolbenmanschette mit Druckwasser aus dem Wasserkasten durchspült und zur Seite des Förderguts hin gereinigt wird. Vorteilhafterweise weist dabei das Koppelelement einen in einen rückwärtigen Teilraum des Innenzylinders mit radialem Spiel eingreifenden, stirnseitig als erster Anschlag und als Schließkörper für die Innenkolbenöffnung ausgebildeten Ringansatz auf, durch dessen Zentralöffnung ein außenseitig eine den zweiten Anschlag bildende Anschlagschulter aufweisender Führungsansatz des Innenkolbens hindurchgreift. Mit diesen Maßnahmen wird sowohl die Entkopplung zwischen dem Förderkolben und der Kolbenstange verbessert als auch eine interne, beim Pumpbetrieb automatisch betätigbare Spülwasserpumpe verwirklicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Antriebsmechanismus einen hydraulischen Antriebszylinder auf, der einen über die Kolbenstange und das erfindungsgemäße Kupplungsglied mit dem Förderkolben verbindenden Antriebskolben umfasst.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen zu einer Verschleißminderung am Förderkolben und in den Führungsmechanismen der Kolbenpumpe und damit zu einer Erhöhung der Standzeit. Außerdem erhält man bei Betrieb der Kolbenpumpe eine wesentliche Energieeinsparung sowie eine Steigerung des Wirkungsgrads.
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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 ein Schema einer Zweizylinder-Kolbenpumpe für die Förderung von Dickstoffen;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Förderzylinder nach 1 mit einer ersten Ausführungsvariante des Förderkolbens in geschnittener Darstellung;
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3a bis 3f eine zweite Ausführungsvariante des Förderkolbens in Darstellungen entsprechend 2 für verschiedene Betriebszustände während des Saughubs und des Förderhubs.
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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 Saughubs S 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 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 Saughubbewegungen vorbeilaufenden Antriebskolben 24, 24' an und geben im Bereich der Umschaltstellen ein digital auswertbares Endlagensignal ab. Anstelle des vorstehend beschriebenen ölhydraulischen Antriebs kann grundsätzlich auch ein mechanischer oder elektromechanischer Antriebsmechanismus für die Förderkolben verwendet werden.
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Eine Besonderheit der Erfindung besteht in einer entkoppelten Anbindung der Förderkolben 21, 21' über die Kolbenstangen 22, 22' an die Antriebskolben 24, 24', 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 und 3a bis f 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 stehenden 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 dem in 3a bis f gezeigten Ausführungsbeispiel durch Führungsmittel 40 aus einem elastomeren Kunststoff überbrückt wird.
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Weiter ist eine am Kolbengerüst 36 festgelegte, mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisenden Kolbenmanschette 46 vorgesehen. Die Kolbenmanschette verhindert gegebenenfalls im Zusammenspiel mit den Führungsmitteln 40 ein Verkippen des Förderkolbens 21 insbesondere beim Förderhub D. 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 Saughub S als auch beim Förderhub D.
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Eine Besonderheit der Erfindung gemäß 2 und 3a bis f besteht darin, dass zwischen dem Kolbengerüst 36 und der Kolbenstange 22 ein Kupplungsglied 48 angeordnet ist, das sowohl gegenüber dem Kolbengerüst 36 als auch gegenüber der Kolbenstange 22 ein axiales und/oder radiales Spiel aufweist. Mit dieser Maßnahme soll erreicht werden, dass der Antriebskolben 24 und der zugehörige Förderkolben 21 nicht starr, sondern mit axialem und radialem Spiel miteinander verbunden sind und dadurch Zwangsführungen, die zu Verklemmungen führen könnten, vermieden werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 wird dies dadurch gelöst, dass das Kolbengerüst 36 einen mit der wasserbeaufschlagten Rückseite 50 des Förderkolbens 21 kommunizierenden Koppelraum 52 aufweist, und dass die Kolbenstange 22 mit einem stirnseitig angeordneten Koppelelement 54 in den Koppelraum 52 so eingreift, dass sie zwischen einem ersten Anschlag 56 in Förderrichtung und einem zweiten Anschlag 58 in Saugrichtung begrenzt axial verschiebbar und zugleich mit radialem Spiel 60 mit dem Kolbengerüst 36 gekoppelt ist. Dies wird prinzipiell dadurch gelöst, dass der Koppelraum 52 eine zylindrische Führungspartie 52' und eine radial gegenüber der Führungspartie 52' aufgeweitete Mitnehmerpartie 52'' aufweist, und dass das Koppelelement 54 der Kolbenstange 22 einen sich durch die Führungspartie 52' des Koppelraums 52 erstreckenden Führungsabschnitt 54' und einen in die Mitnehmerpartie 52'' des Koppelraums 52 eingreifenden Anschlagbund 54'' aufweist. Das radiale und axiale Spiel zwischen dem Koppelelement 54 und dem Koppelraum 52 ermöglicht es, dass die Kolbenstange 22 beim Pumpbetrieb etwaigen Quer-, Längs- und Kippkräften in gewissen Grenzen ausweichen kann. Der Koppelraum 52 wird während des Pumpbetriebs ständig mit Wasser vom Wasserkasten her gespült und dadurch von etwaigen Ablagerungen sauber gehalten. Die Kolbenmanschette 46 wird bei diesem Ausführungsbeispiel während des Saughubs S von der Kolbenrückseite 50 her durch den Ringspalt 38 hindurch mit Wasser beaufschlagt und zur Fördergutseite 11 hin durchspült.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3a bis f weist das Kolbengerüst 36 einen Innenzylinder 70 auf, in welchem ein Innenkolben 72 zwischen einer ersten Endposition in Förderrichtung (3a) und einer zweiten Endposition in Saugrichtung (3c, d) verschiebbar angeordnet ist. Die Kolbenstange 21 weist dort ein Kupplungsglied 48 auf, womit sie zwischen einem ersten Anschlag in Förderrichtung (3d, f) und einem zweiten Anschlag in Saugrichtung (3a, c) begrenzt axial verschiebbar mit dem Innenkolben 72 gekoppelt ist. Der Innenkolben 72 ist dabei gegenüber dem Innenzylinder 70 in Saugrichtung mittels einer Druckfeder 74 federbelastet. Eine weitere Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Innenzylinder 70 über mehrere Öffnungen 76 mit der Ringaufnahme 78 für die Kolbenmanschette 46 und über mindestens eine im Innenkolben 72 ausgebildete Öffnung 80 mit der Rückseite 50 des Förderkolbens 21 kommuniziert. Die Öffnungen 76 können, müssen aber nicht, durch den Innenkolben 72 in seiner ersten Endposition verschlossen werden. Außerdem weist das kolbenstangenfeste Koppelelement 54 einen in einen rückwärtigen Teilraum 82 des Innenzylinders 70 mit radialem Spiel eingreifenden Ringansatz 84 auf, der zugleich als zweiter Anschlag und als Schließkörper für die Innenkolbenöffnung 80 dient. Durch eine Zentralöffnung 86 des Ringansatzes 84 greift eine Führungspartie 88 des Innenkolbens 72 hindurch, die rückseitig eine den ersten Anschlag bildende Anschlagschulter 90 aufweist.
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Die Funktionen des Förderkolbens sind in der in 3a bis f gezeigten Reihenfolge wie folgt:
Zu Beginn des Saughubs befindet sich der Innenkolben in seiner in 3f gezeigten ersten Endlage, in welcher er zugleich über die Kolbenstange entgegen der Kraft der Druckfeder 74 im Innenzylinder 70 nach links verschoben ist. In dieser Endposition ist die im Innenkolben 72 befindliche Öffnung 80 durch den Ringansatz 84 an der Kolbenstange 22 verschlossen. Vorzugsweise sind in diesem Zustand auch die Öffnungen 76 zur Ringaufnahme 78 durch den Innenkolben 72 verschlossen.
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Zu Beginn des Saughubs hebt dann der kolbenstangenfeste Ringansatz 84 mit seinem Schließkörper vom Innenkolben 72 nach rechts ab (3a), so dass die hydraulische Verbindung zwischen dem wasserführenden Bereich auf der Rückseite 50 des Förderkolbens 21 und dem Innenzylinder 70 freikommt. Beim anschließenden Saugvorgang wird zunächst auf dem Verschiebeweg des Innenkolbens 72 der Innenzylinder 70 mit Wasser gefüllt (3b) bis der Innenkolben 72 gegen einen Ringanschlag 92 des Innenzylinders 70 anschlägt. Im weiteren Verlauf des Saughubs S liegt der Innenzylinder 70 gegen diesen Ringanschlag 92 an (3c), so dass der Förderkolben 21 in seiner Gesamtheit in den Förderzylinder 10 zurückgezogen wird und sich der Förderzylinder 10 mit Fördergut 11 aus dem Materialaufgabebehälter 14 füllt (3c).
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Zu Beginn des anschließenden Druckhubs wird zunächst die Kolbenstange 22 mit ihrem Ringansatz 84 nach links zum Ringanschlag 92 verschoben, so dass der Ringansatz 84 die Innenkolbenöffnung 80 verschließt (3d). Im weiteren Verlauf des Förderhubs D wird zunächst das im Innenzylinder 70 befindliche überschüssige Wasser entgegen der Kraft der Feder durch die Radialöffnungen 76 hindurch zur Ringaufnahme 78 verdrängt (3a). Dadurch wird der Anlagebereich der Kolbenmanschette 46 in Richtung Fördergut 11 mit dem verdrängten Druckwasser durchspült. Im weiteren Verlauf des Förderhubs D kommt es zu einem Anschlag des Ringansatzes 84 gegenüber dem Kolbengerüst 36 (3f), so dass der Förderkolben 21 unter Verdrängung des Förderguts 11 über die Rohrweiche 16 in die äußere Druckförderleitung 18 verschoben wird.
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Die begrenzte Entkopplung zwischen der Kolbenstange 22 und dem Förderkolben 21 hat außerdem den vorbeschriebenen Effekt, dass innerhalb der Pumpanordnung eine axiales und radiales Spiel vorhanden ist, das einen verklemmungsfreien und verschleißarmen Pumpvorgang gewährleistet.
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Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe zum Fördern von dickstoffartigem Fördergut 11, insbesondere von Frischbeton, mit mindestens einem Förderzylinder 10, mit einem in dem Förderzylinder 10 mit radialem Spiel unter Bildung eines Ringspalts 38 zentrisch angeordneten, abwechselnd einen Saughub S und einen Förderhub D ausführenden Förderkolben 21, der ein zentrales Kolbengerüst 36 und eine in einer stirnseitig offenen Ringaufnahme 78 des Kolbengerüsts 36 angeordnete, unter Überbrückung des Ringspalts 38 an der Zylinderinnenfläche anliegende und mit ihrer Stirnfläche in Förderrichtung weisende Kolbenmanschette 46 aufweist, und der auf seiner dem Fördergut 11 abgewandten Rückseite 50 mit Wasser beaufschlagt und über eine Kolbenstange 22 mit einem Antriebsmechanismus verbunden ist. Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass zwischen dem Kolbengerüst 36 und der Kolbenstange 22 ein Kupplungsglied 48 angeordnet ist, das sowohl gegenüber dem Kolbengerüst 36 als auch gegenüber der Kolbenstange 22 ein axiales und/oder radiales Spiel aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Förderzylinder
- 11
- Fördergut
- 12, 12'
- Öffnungen
- 14
- Materialaufgabebehälter
- 16
- Rohrweiche
- 18
- Förderleitung
- 20, 20'
- Antriebszylinder
- 21, 21'
- Förderkolben
- 22, 22'
- Kolbenstangen
- 24, 24'
- Antriebskolben
- 26
- Wasserkasten
- 28, 28'
- Druckleitungen
- 30
- Verbindungsleitung
- 32, 32', 34, 34'
- Messsonden
- 36
- Kolbengerüst
- 38
- Ringspalt
- 40
- Führungsmittel
- 46
- Kolbenmanschette
- 48
- Kupplungsglied
- 50
- Kolbenrückseite
- 52
- Koppelraum
- 52'
- Führungspartie
- 52''
- Mitnehmerpartie
- 54
- Koppelelement
- 54'
- Führungsabschnitt
- 54''
- Anschlagbund
- 56
- erster Anschlag
- 58
- zweiter Anschlag
- 60
- radiales Spiel
- 70
- Innenzylinder
- 72
- Innenkolben
- 74
- Druckfeder
- 76
- Öffnungen
- 78
- Ringaufnahme
- 80
- Innenkolbenöffnung
- 82
- Teilraum
- 84
- Ringansatz
- 86
- Zentralöffnung
- 88
- Führungspartie
- 90
- Anschlagschulter
- 92
- Ringanschlag
- A,B
- Anschlüsse
- D
- Druckhub, Förderhub
- S
- Saughub
