DE102020134539A1

DE102020134539A1 - Hubkolben-Schmiermittelpumpe

Info

Publication number: DE102020134539A1
Application number: DE102020134539.9A
Authority: DE
Inventors: Xiaobo Zhou; Tobias Müller; Azeez Abdul; Heinz Rühl; Christine Matta; Mohammed Faid; Ileana Nedelcu; Thomas Eichhorn; Gunther Wenskat
Original assignee: SKF Lubrication Systems Germany AG; SKF Lubrication Systems Germany GmbH; SKF AB
Current assignee: SKF Lubrication Systems Germany GmbH; SKF AB
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN114658648A; US20220196002A1

Abstract

Es wird eine Hubkolben-Schmiermittelpumpe (10) mit einer Komponente (12) vorgeschlagen, die eine Öffnung (14) umfasst, die zumindest einen zylinderförmigen Teil (16) aufweist, und mit zumindest einem Kolben (18), der eine radial äußere Oberfläche (20) umfasst, die zumindest teilweise durch eine Beschichtung (22) gebildet ist, wobei ein Spiel zwischen der radial äußeren Oberfläche des Kolbens und der Komponente zwischen 1 µm und 20 µm beträgt, wenn die radial äußere Oberfläche in dem zylinderförmigen Teil positioniert ist, wobei die Oberflächenhärte der Beschichtung an der radial äußeren Oberfläche 2 bis 10 mal höher ist als die eines Bereichs (24) der Komponente, der das zylinderförmige Teil bildet.

Description

Schmiermittelpumpen spielen eine wichtige Rolle in Schmiersystemen. Es gibt viele verschiedene Arten von Schmiermittelpumpen, wie zum Beispiel Hubkolbenpumpen, Drehkolbenpumpen (Schrauben-, Zahnrad-, Drehschieber- und Nockenpumpen), Wirbelpumpen (Schlammpumpen) usw., die für unterschiedliche Anwendungszwecke bestimmt sind. Die Hubkolbenpumpe ist aufgrund ihrer Kompaktheit und der Schmiermittelzufuhrgenauigkeit eine der am häufigsten verwendeten Pumpen. Die Schmiermittelpumpe kann zur Förderung komplizierter Schmiermittel verwendet werden, um Kombinationswirkungen wie Reibungsschutz, Geräuschdämpfung und sogar Dichtungswirkung in Anwendungen wie Eisenbahn, Tunnelbau, Bergbau usw. bereitzustellen. Um die gewünschten Funktionen zu erreichen, bestehen die Spezialschmiermittel jedoch aus einer großen Menge metallischer Partikel, insgesamt bis zu 30 Gew.-%, wobei Eisen, Aluminium, Kupfer und Magnesium die Hauptzusammensetzungen sind. In einigen Fällen kann das Schmiermittel auch einen sehr geringen Ölgehalt von bis zu 35 Gew.-% aufweisen. Der hohe Gehalt an Metallpartikeln und/oder die niedrige Konzentration an Ölen in den Schmiermitteln kann den Verschleiß beschleunigen und zu einem lokalen Bruch der Pumpenkomponenten, d. h. des Pumpenkolbens und des Pumpenzylinders, führen und die Lebensdauer der Pumpe erheblich verringern. In einigen Extremfällen kann die Pumpe bereits nach wenigen Wochen oder sogar wenigen Tagen ausfallen.
Aus dem Stand der Technik ist eine Hubkolben-Schmiermittelpumpe mit einem Ventil, einem Kolben und einem Zylinder bekannt, der Ansaugöffnungen umfasst. Während des Betriebs fließt Schmiermittel durch die Ansaugöffnungen in den Zylinder. Anschließend pumpt der Kolben das Schmiermittel durch das Ventil.
Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, eine Hubkolben-Schmiermittelpumpe mit einem effizienten Aufbau und einer hohen Standzeit bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Merkmale und Weiterentwicklungen der Erfindung den Unteransprüchen zu entnehmen sind.
Vorgeschlagen wird eine Hubkolben-Schmiermittelpumpe mit einer eine Öffnung aufweisenden Komponente, die zumindest einen zylinderförmigen Teil aufweist, und mit zumindest einem Kolben, der eine zumindest teilweise durch eine Beschichtung aufgebaute radial äußere Oberfläche umfasst, wobei ein Spiel zwischen der radial äußeren Oberfläche des Kolbens und der Komponente zwischen 1 µm und 20 µm beträgt, vorzugsweise zwischen 2 µm und 10 µm, beträgt, wenn die radial äußere Oberfläche in dem zylinderförmigen Teil positioniert ist, wobei die Oberflächenhärte der Beschichtung an der radial äußeren Oberfläche 2- bis 10-mal, vorzugsweise 4- bis 8-mal, höher ist als die eines Bereichs der Komponente, der das zylinderförmige Teil bildet. Hierdurch kann eine effiziente Ausgestaltung und eine hohe Lebensdauer erreicht werden. Insbesondere kann ein geringer Verschleiß und ein geringes Auftreten von Bruchschäden während des Betriebs, insbesondere bei Schmiermittelen mit einem hohen Anteil an metallischen Partikeln und/oder geringem Ölgehalt, zu relativ geringen Kosten erreicht werden.
Vorzugsweise besteht zumindest der Bereich der Komponente aus einem Stahl, der 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 4,0 bis 5,0 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 4,5 Gewichtsprozent Vanadium, 5,5 bis 6,5 Gewichtsprozent Wolfram und 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Molybdän und 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium umfasst. Auf diese Weise kann eine hohe Härte des Bereichs auf kostengünstige Weise erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zumindest der Bereich der Komponente auf eine Härte von 700 bis 900 HV, vorzugsweise von 750 HV bis 850 HV, bei Raumtemperatur und/oder auf eine ungekerbte Izod-Zähigkeit von 35 bis 80 J, vorzugsweise von 50 bis 70 J, bei Raumtemperatur gehärtet wird. Die ungekerbte Izod-Zähigkeit ist die physikalische Größe, die gemäß der Norm D4812-19 der American Society for Testing and Materials gemessen wird. Alternativ kann eine Quantifizierung auch durch die Norm ISO 180 erfolgen. In Kombination mit der Härte des Kolbens minimiert dies den Verschleiß bei Schmiermittelen mit vielen metallischen Partikeln und geringem Ölgehalt.
Mit Vorteil wird eine radial innere Oberfläche im Bereich der Komponente mit einer Rauigkeit R_z = 2 bis 6 µm bearbeitet. Dies führt zu einer geringen Reibung mit dem Kolben und kann kostensparend erreicht werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung und/oder chemische Gasphasenabscheidung in einer Niedervakuumkammer erzeugt wird, was eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet.
Vorzugsweise besteht zumindest ein Teil der Beschichtung aus Titancarbonitrid. Vorteilhafterweise liegt in diesem Fall die Härte zwischen 2000 und 5000 HV, vorzugsweise zwischen 3000 und 4000 HV.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Beschichtung aus TiAlSiN und/oder TiSiN und/oder AlCrN besteht. Vorteilhafterweise liegt in diesem Fall die Härte zwischen 3000 und 6000 HV, vorzugsweise zwischen 4000 und 5500 HV.
Vorzugsweise hat die Beschichtung eine Dicke zwischen 1 und 12 µm, besonders bevorzugt zwischen 2 µm und 6 µm.
Mit Vorteil besteht zumindest ein Teil des Kolbens aus Stahl, der 0,8 bis 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 4,0 bis 4,5 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 2,5 Gewichtsprozent Vanadium, 5,5 bis 6,5 Gewichtsprozent Wolfram und 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Molybdän und 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium umfasst. Dadurch kann die erforderliche Härte sehr wirtschaftlich erreicht werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass der Kolben eine Härte zwischen 650 und 850 HV, vorzugsweise zwischen 700 HV und 800 HV, bei Raumtemperatur und/oder eine ungekerbte Izod-Zähigkeit zwischen 50 und 80 J, vorzugsweise zwischen 60 und 70 J, bei Raumtemperatur umfasst. In Kombination mit der Härte des Bereichs der Komponente minimiert dies den Verschleiß bei Schmiermittelen mit vielen Metallpartikeln und geringem Ölgehalt.
Der Kolben kann bei Temperaturen zwischen 450 und 600 °C gehärtet und angelassen werden.
Vorzugsweise bleibt ein Grundkörper des Kolbens bis zu 500 °C formstabil, was bedeutet, dass er gegenüber den thermischen Einflüssen während des Beschichtungsprozesses tolerant ist.
Vorteilhafterweise wird die Beschichtung mit einer Rauigkeit R_z =1 bis 5 µm bearbeitet. Dies bedeutet eine geringe Reibung mit dem Kolben und kann kostensparend erreicht werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass der Kolben aus einem hochkohlenstoffhaltigen und niedrig legierten Stahl besteht, der bis zu 500 °C formstabil bleibt.
Vorzugsweise ist eine kritische Belastung L_c der Beschichtung und/oder eine Haftung der Beschichtung an einem Grundkörper des Kolbens gleich oder höher als 30 N, vorzugsweise höher als 50 N, gemessen nach der Norm ISO 20502 und/oder nach der Norm EN 1071-3 und/oder nach der Norm ASTM C1624. Dadurch kann eine hohe Beständigkeit insbesondere gegen metallische Partikel im Schmiermittel erreicht werden.
An der Kolbenvorderseite kann eine Fase vorhanden sein. Der Winkel der Fase kann 15 bis 75° und vorzugsweise 30 bis 60° betragen, die Länge der Fase kann 0,2 bis 4 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2 mm betragen. So kann eine Minimierung der negativen Wechselwirkung mit metallischen Partikeln des Schmiermittels erreicht werden. Die Oberflächenrauigkeit an der Fase kann R_z = 1 bis 6 µm betragen.
Weiterhin wird eine Vorrichtung mit der Hubkolben-Schmiermittelpumpe vorgeschlagen, wobei die Hubkolben-Schmiermittelpumpe ein Schmiermittel mit mehr als 34 Gewichtsprozent Ölen und weniger als 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise weniger als 50 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt weniger als 40 Gewichtsprozent, Ölen enthält. Dadurch kann trotz des speziellen Schmiermittels eine lange Lebensdauer der Hubkolben-Schmiermittelpumpe erreicht werden.
Weiterhin wird eine Vorrichtung mit der Hubkolben-Schmiermittelpumpe vorgeschlagen, wobei die Hubkolben-Schmiermittelpumpe ein Schmiermittel mit mehr als 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise mehr als 18 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt mehr als 25 Gewichtsprozent an metallischen Partikeln enthält. Dadurch kann trotz der besonderen Art des Schmiermittels eine hohe Lebensdauer der Hubkolben-Schmiermittelpumpe erreicht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es empfiehlt sich für den Fachmann, die Merkmale einzeln zu betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenzustellen.

1 zeigt einen axialen Ortsschnitt einer Hubkolben-Schmiermittelpumpe gemäß der Erfindung,
2 zeigt einen Axialschnitt durch eine Komponente der Hubkolben-Schmiermittelpumpe,
3 zeigt eine Seitenansicht eines Kolbens der Hubkolben-Schmiermittelpumpe,
4 zeigt eine Ansicht auf die Komponente in axialer Richtung.

1 zeigt einen axialen Lokalschnitt einer Hubkolben-Schmiermittelpumpe 10 gemäß der Erfindung, die eine Komponente 12 mit einer Öffnung 14 umfasst (2). Die Öffnung 14 weist einen zylinderförmigen Teil 16 auf. Ein Kolben 18 der Hubkolben-Schmiermittelpumpe 10 befindet sich teilweise innerhalb eines Bereichs 24 der Komponente, der den zylinderförmigen Teil 16 bildet. Der Kolben 18 hat eine radial äußere Oberfläche 20, die durch eine Beschichtung 22 gebildet ist. Ein Spiel zwischen der radial äußeren Oberfläche des Kolbens und der Komponente liegt zwischen zwei und 10 Mikrometern, wenn sich die radial äußere Oberfläche in dem zylinderförmigen Teil befindet. Die Oberflächenhärte der Beschichtung an der radial äußeren Oberfläche ist vier- bis achtmal höher als die des Bereichs der Komponente, der den zylinderförmigen Teil bildet.
Die Komponente umfasst ein Loch 30 (1) und ein weiteres Loch (nicht dargestellt), durch die Schmiermittel (nicht dargestellt) in einen Teil der Öffnung gesaugt wird, die sich zwischen dem Kolben und einem Ventil 26 der hin- und hergehenden Schmiermittelpumpe befindet, wenn sich der Kolben während des Betriebs von dem Ventil wegbewegt. Anschließend bewegt sich der Kolben auf das Ventil 26 zu und bewirkt, dass das Schmiermittel durch das Ventil und anschließend durch ein Loch 32 (2) der Komponente 12 gedrückt wird. Das Ventil 26 ist ein Rückschlagventil. Wenn der Kolben vollständig in Richtung des Ventils 26 bewegt wird, drückt eine Feder 28 der hin- und hergehenden Schmiermittelpumpe 10 den Kolben zurück und vom Ventil 26 weg.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Komponente eine unterschiedliche Anzahl von Löchern, z. B. drei oder vier, aufweisen, durch die Schmiermittel angesaugt wird.
Die Komponente besteht aus einem Stahl, der 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 4,0 bis 5,0 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 4,5 Gewichtsprozent Vanadium, 5,5 bis 6,5 Gewichtsprozent Wolfram und 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Molybdän sowie 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium umfasst. Außerdem ist der Bereich der Komponente auf eine Härte von 750 bis 850 HV bei Raumtemperatur und auf eine ungekerbte Izod-Zähigkeit von 50 bis 70 J bei Raumtemperatur gehärtet. Eine radial innere Oberfläche des Komponentenbereichs ist auf eine Rauigkeit R_z = 2 bis 6 µm bearbeitet.
Die Beschichtung 22 des Kolbens besteht aus Titancarbonitrid und hat eine Dicke zwischen 2 und 6 µm. Der Kolben besteht aus einem Grundkörper und der Beschichtung. Der Grundkörper des Kolbens besteht aus Stahl, der 0,8 bis 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 4,0 bis 4,5 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 2,5 Gewichtsprozent Vanadium, 5,5 bis 6,5 Gewichtsprozent Wolfram und 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Molybdän sowie 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium umfasst.
Der Grundkörper des Kolbens umfasst eine Härte zwischen 700 und 800 HV bei Raumtemperatur und eine ungekerbte Izod-Zähigkeit zwischen 60 und 70 J bei Raumtemperatur. Die Beschichtung umfasst eine Härte zwischen 3000 HV und 4000 HV. Die radial äußere Oberfläche des Kolbens, die durch die Beschichtung gebildet wird, hat eine Rauigkeit R_z zwischen 1 und 5 µm. Die kritische Belastung L_c der Beschichtung und die Adhäsion der Beschichtung am Grundkörper des Kolbens ist gleich oder höher als 30 N, gemessen nach der Norm ISO 20502.
Während eines Betriebs in einer Vorrichtung enthält die Hubkolben-Schmiermittelpumpe ein Schmiermittel mit mehr als 34 Gewichtsprozent Ölen und weniger als 50 Gewichtsprozent Ölen und mit mehr als 18 Gewichtsprozent Metallpartikeln.
An der Kolbenvorderseite befindet sich eine Fase 34. Der Winkel der Fase beträgt 30 bis 60°, gemessen in Bezug auf eine Mittelachse 36, und die Länge beträgt 0,5 bis 2 mm, und die Oberflächenrauigkeit der Fase beträgt R_z = 1 bis 6 µm.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Pumpe, bei der der Kolben und der Zylinder aus zerspanbarem, gehärtetem Stahl bestehen, kann die beschriebene Pumpe, bei der der Kolben und die Komponente aus den Spezialstählen und Beschichtungen hergestellt sind, die Lebensdauer der Pumpe um das 4- bis 100-fache verlängern, wenn ein spezielles Schmiermittel mit hohem Metallpartikelanteil und/oder geringem Ölanteil gefördert wird. Abrasiver Verschleiß und Bruch durch Metallpartikel und schlechte Schmierung durch Mangelschmierung aufgrund von niedrigem Ölgehalt auf dem Kolben und der Oberfläche des Bereichs können durch die Spezialstähle und die Beschichtung minimiert werden, die eine höhere Härte, hohe Zähigkeit und eine optimierte Anpassung der Härte zwischen der Kolbenbeschichtung und der Oberfläche des Bereichs der Komponente aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Hubkolben-Schmiermittelpumpe
12: Komponente
14: Öffnung
16: Komponente
18: Kolben
20: Oberfläche
22: Beschichtung
24: Bereich
26: Ventil
28: Feder
30: Loch
32: Loch
34: Abschrägung
36: Mittelachse

Claims

Hubkolben-Schmiermittelpumpe (10) mit einer eine Öffnung (14) aufweisenden Komponente (12), die zumindest einen zylinderförmigen Teil (16) aufweist, und mit zumindest einem Kolben (18), der eine zumindest teilweise durch eine Beschichtung (22) gebildete radial äußere Oberfläche (20) umfasst, wobei ein Spiel zwischen der radial äußeren Oberfläche des Kolbens und der Komponente zwischen 1 µm und 20 µm liegt, wenn die radial äußere Oberfläche in dem zylinderförmigen Teil positioniert ist, wobei die Oberflächenhärte der Beschichtung an der radial äußeren Oberfläche 2 bis 10 mal höher ist als die eines Bereichs (24) der Komponente, der das zylinderförmige Teil bildet.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich (24) der Komponente aus einem Stahl besteht, der 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 4,0 bis 5,0 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 4,5 Gewichtsprozent Vanadium, 5,5 bis 6,5 Gewichtsprozent Wolfram und 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Molybdän und 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium umfasst.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich der Komponente auf eine Härte von 700 bis 900 HV bei Raumtemperatur und/oder auf eine ungekerbte Izod-Zähigkeit von 35 bis 80 J bei Raumtemperatur gehärtet ist.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial innere Oberfläche des Bereichs der Komponente auf eine Rauigkeit R_z = 2 bis 6 µm bearbeitet ist.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Beschichtung aus Titancarbonitrid und/oder TiAlSiN und/oder TiSiN und/oder AlCrN besteht.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke zwischen 1 und 12 µm aufweist.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Grundkörper des Kolbens aus Stahl besteht, der 0,8 bis 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 4,0 bis 4,5 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 2,5 Gewichtsprozent Vanadium, 5,5 bis 6,5 Gewichtsprozent Wolfram und 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Molybdän sowie 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium umfasst.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine Härte zwischen 650 und 850 HV bei Raumtemperatur und/oder eine ungekerbte Izod-Zähigkeit zwischen 50 und 80 J bei Raumtemperatur umfasst.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf eine Rauigkeit R_z =1 bis 5 µm bearbeitet ist.
Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kritische Last L_c der Beschichtung und/oder eine Adhäsion der Beschichtung an einem Grundkörper des Kolbens gleich oder größer als 30 N ist, gemessen nach der Norm ISO 20502 und/oder nach der Norm EN 1071-3 und/oder nach der Norm ASTM C1624.
Vorrichtung mit einer Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolben-Schmiermittelpumpe ein Schmiermittel mit mehr als 34 Gewichtsprozent Ölen und weniger als 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise weniger als 50 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt weniger als 40 Gewichtsprozent Ölen enthält.
Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 11, mit einer Hubkolben-Schmiermittelpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolben-Schmiermittelpumpe ein Schmiermittel mit mehr als 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise mehr als 18 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt mehr als 25 Gewichtsprozent an metallischen Partikeln enthält.