DE102021202041A1 - Stangendichtsystem und Zylinderkopf für einen Hydraulikzylinder - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist eine Leckageerfassung für ein Stangendichtsystem eines Zylinderkopfes eines Hydraulikzylinders. Die Leckageerfassung ist in den von der Kolbenstange durchdrungenen Zylinderkopf integriert. Die Leckageerfassung basiert auf der Messung der Leckage durch einen Füllstandsensor.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Stangendichtsystem für einen Zylinderkopf eines Hydraulikzylinders gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Zylinderkopf eines Hydraulikzylinders.
- Die Abdichtung der sich translatorisch bewegenden Kolbenstange bei einem Hydraulikzylinder ist eine der anspruchsvollsten Dichtstellen in der Fluidtechnik. Hydraulikzylinder werden üblicher Weise durch eine Hochdruckdichtung und einen Abstreifer abgedichtet. Die Hochdruckdichtung ist dafür zuständig, das unter Druck stehende Öl zurück zu halten. Der Abstreifer soll das Zylinderinnere und die Hochdruckdichtung vor Schmutz und Wasser von außen schützen. Bei „Hochleistungszylindern“ werden oft zwei Hochdruckdichtungen eingebaut, also eine Primär- und eine Sekundärdichtung. Auch der Abstreifer kann doppellippig ausgeführt sein.
- Dabei gibt es Konzepte, bei welchen Leckageöl gesammelt und zum Tank zurück gefördert wird. Die meisten gebauten Hydraulikzylinder sind ohne diesen Leckageanschluss ausgeführt. Deshalb ist es bei diesen Hydraulikzylindern nicht möglich, eine beginnende Leckage (Dichtungen sind am Ende ihrer Lebensdauer) zu erkennen. Kann der Betreiber eines Hydraulikzylinders diese Leckage nicht akzeptieren (Hydraulikzylinder in sensibler Umgebung), dann muss er den Hydraulikzylinder und die damit betriebene Anlage ungeplant still setzen um die Dichtheit des Hydraulikzylinders wieder her zu stellen. Dies kann zu sehr hohen (Ausfall-) Kosten führen.
- Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, das Leckageöl über eine Leckageleitung in einem externen Behälter zu sammeln und zu messen. Diese Methode erfordert zusätzlichen Investitions- und Installationsaufwand. Die Leckageleitung hat eine signifikante Länge und daher ein signifikantes Volumen, das sich zunächst mit Leckageöl füllen muss. Daher ist es kaum möglich bereits früh die beginnende Undichtheit zu erkennen.
- In der einschlägigen Literatur sind folgende weitere Ausführungen zur Leckageerfassung an Hydraulikzylindern bekannt:
- - Sensoren erfassen die Schmierfilmdicke auf der Kolbenstange und versuchen daraus auf eine Leckage zu schließen.
- - Drucksensoren erfassen den Druck zwischen Hochdruckdichtung und Abstreifer und/oder den Druck zwischen der Primär- und Sekundärdichtung und versuchen daraus auf eine Leckage zu schließen. Die
WO 2019/212003 A1 - Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Stangendichtsystem eines Hydraulikzylinders und einen Zylinderkopf eines Hydraulikzylinders zu schaffen, bei denen auch eine beginnende Undichtheit frühzeitig und sicher erkannt werden kann, so dass der Betreiber frühzeitig eine Wartung in die Wege leiten kann, oder ggf. den Hydraulikzylinder zu einem geeigneten Zeitpunkt außer Betrieb nehmen kann.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Stangendichtsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
- Das beanspruchte Stangendichtsystem eines Zylinderkopfs eines Hydraulikzylinders hat zwei bzgl. einer Kolbenstange axial zueinander beabstandete Ringe. Erfindungsgemäß ist ein Bereich zwischen den Ringen über einen Leckagekanal mit einem Sammel- und Detektionsraum verbunden, dessen Füllstand mit Leckage mittels eines Füllstandssensors detektierbar ist.
- Damit ist ein Stangendichtsystem geschaffen, bei denen auch eine Undichtheit sicher erkannt werden kann, da die Menge der Leckage von dem Füllstandsensor direkt bestimmt wird.
- Wenn der Leckagekanal kurz ausgelegt ist, z.B. radial zur Kolbenstange und/oder kürzer als z.B 20cm, wird wenig Leckage benötigt, um den Leckagekanal zu füllen, so dass die Leckage bereits nach einer geringen Menge den Sammel- und Detektionsraum erreicht, so dass der Füllstandsensor früh ansprechen kann. Damit kann der Betreiber frühzeitig eine Wartung in die Wege leiten oder den Hydraulikzylinder zu einem geeigneten Zeitpunkt außer Betrieb nehmen.
- Wenn in dem Bereich zwischen den beiden Ringen eine Ringnut im Zylinderkopf gebildet ist, an die der Leckagekanal angeschlossen ist, kann sich darin die Leckage zunächst sammeln.
- Bei einer ersten Ausführungsvariante sind beide Ringe Dichtringe. Bei einer zweiten Ausführungsvariante ist der dem abzudichtenden Druckraum nähere Ring eine Dichtring, während der andere Ring ein Abstreifer ist.
- Vorzugsweise ist der Sammel- und Detektionsraum in einer zylindrischen Ausnehmung angeordnet oder gebildet, deren Längsachse maximal 60 Grad Schrägstellung hat, wobei der Füllstandsensor in einem oberen Bereich des Sammel- und Detektionsraumes angeordnet ist. Dann ist sichergestellt, dass sich das Druckmittel, von einem Boden des Sammel- und Detektionsraumes ausgehend, nach oben hin befüllt und bei Erreichen der Ansprechschwelle des Füllstandssensors dieser anspricht. Damit ist es möglich die Menge an Leckage, die ein Ansprechen auslösen soll, genau zu definieren. Vorzugsweise ist die Längsachse etwa vertikal.
- Fertigungstechnisch einfach ist es, wenn der Sammel- und Detektionsraum von einer Bohrung gebildet ist. Diese kann eine Sacklochbohrung oder eine Durchgangsbohrung mit einem unteren Verschluss sein.
- Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist der Füllstandsensor quer zur Längsachse angeordnet.
- Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Füllstandsensor entlang der Längsachse angeordnet. Dabei ist es fertigungstechnisch besonders einfach, wenn der Füllstandsensor mittels eines Gewindes in der Bohrung befestigt ist.
- In dem oberen Bereich des Sammel- und Detektionsraumes kann ein Ablauf zu einer Druckmittelsenke angeordnet sein, um ein Weiterbetrieb des Hydraulikzylinders auch nach dem Ansprechen des Füllstandssensors und insbesondere nach einer vollständigen Befüllung des Sammel- und Detektionsraumes zu ermöglichen.
- Beim ersten Ausführungsbeispiel ist der Ablauf oberhalb des Füllstandssensors und beim zweiten Ausführungsbeispiel unterhalb des Füllstandssensors angeordnet.
- Der Füllstandsensor kann ein kapazitiver Sensor sein, welcher die unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten von Luft und dem Leckage-Druckmittel erkennen kann.
- Der Füllstandsensor kann ein Fotosensor sein, welcher die unterschiedliche Lichtbrechung von Luft und dem Leckage-Druckmittel erkennen kann.
- Der Füllstandsensor kann ein induktiver oder magnetischer Sensor sein, welcher einen Schwimmer erfassen kann, der auf dem gesammelten Leckage-Druckmittel schwimmt.
- Der erfindungsgemäße Zylinderkopf hat eine Durchgangsöffnung für eine Stange und ein vorbeschriebenes Stangendichtsystem.
- Damit ist ein Zylinderkopf geschaffen, bei denen auch eine Undichtheit sicher erkannt werden kann, da die Menge der Leckage von dem Füllstandsensor direkt bestimmt wird.
- Wenn der Leckagekanal und der Sammel- und Detektionsraum im Zylinderkopf angeordnet sind, ist es besonders einfach ein geringes Totvolumen bzw. Sammelvolumen zu realisieren und die Leckage somit früh zu erkennen.
- Wenn alle genannten Teile an oder in dem Zylinderkopf gebildet oder angeordnet sind, kann dieser bzw. der damit gebildete Hydraulikzylinder als Baueinheit (plug and run) zur Verfügung gestellt werden.
- Besonders bevorzugt wird es, wenn der Hydraulikzylinder senkrecht angeordnet ist, und wenn der erfindungsgemäße Zylinderkopf oben ist. Dann sind die Durchgangsöffnung für die Kolbenstange und die Längsachse des Sammel- und Detektionsraumes parallel zueinander und senkrecht.
- Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stangendichtsystems eines Zylinderkopfs eines Hydraulikzylinders sind in den Figuren dargestellt.
- Es zeigen
-
1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf mit dem erfindungsgemäßen Stangendichtsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt, und -
2 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf mit dem erfindungsgemäßen Stangendichtsystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt. - Der in den
1 und2 jeweils gezeigte Zylinderkopf 4 eines größeren Hydraulikzylinders, an welchen ein hoher Anspruch an Zuverlässigkeit und Robustheit gestellt wird, wird lageorientiert in eine übergeordnete Anlage eingebaut (Pressenbau, Kraftwerkstechnik, Stellantriebe für Armaturen ...). Deshalb ist es relativ einfach im Zylinderkopf 4 einen vertikalen Sammel- und Detektionsraum 3 zu schaffen, in welchem sich Druckmittel, meistens Öl, sammeln kann und über einen Füllstandsensor S detektiert werden kann. - Da in den beiden abgebildeten Ausführungsbeispielen gemäß den
1 und2 die Kolbenstange 8 ebenfalls senkrecht ist, sind die Längsachse 10 des Sammel- und Druckraumes 3 und die Kolbenstange 8 parallel. - Entsprechend den
1 und2 ist sind die beiden gezeigten Ausführungsbeispiele von Stangendichtsystemen mit einer Leckageerfassung in folgender Weise aufgebaut: Der Hydraulikzylinder eine in eine Führungsband F geführte Kolbenstange 8. Dies ist umgeben von einem als Ringraum 6 ausgebildeten Arbeitsraum (innen), der über zwei als Hochdruckdichtungen ausgebildete Dichtringe D1, D2 gegenüber der Umgebung (außen) abgedichtet ist. - In der Regel unterliegt der dem Ringraum 6 nähere Dichtring D2 einem höheren Verschleiß als der dem Ringraum 6 fernere Dichtring D1. Dadurch entsteht eine zunehmende Förderung von Leckage-Druckmittel in den Bereich zwischen den beiden Dichtringen D1, D2. In diesem Bereich ist eine Ringnut 1 mit dem Volumen V1 in den Zylinderkopf 4 eingebracht, in dem das Leckageöl zwischen der Dichtringen D1 und D2 gesammelt und über einen waagerechten Leckagekanal 2 mit dem Volumen V2 zum Sammel- und Detektionsraum 3 mit dem Volumen V3 geleitet wird. In diesem ist der Füllstandsensor S räumlich oben angeordnet, welcher ein Füllen des Sammel- und Detektionsraumes 3 mit Leckage-Druckmittel erkennt und ein entsprechendes Signal sendet, das die Leckage und damit den Verschleiß des Dichtrings D2 anzeigt.
- Das Leckage-Druckmittel kann aus dem oberen Bereich des Sammel- und Detektionsraumes 3 über einen Ablauf 12 zum Tank T abgeleitet werden. Dadurch kann der Hydraulikzylinder und ggf. die gesamte Anlage noch bis zu einem passenden Wartungsfenster weiter betrieben werden.
- Durch die unterschiedliche Wahl der Volumina V1, V2 und insbesondere V3 kann der Zeitpunkt bzw. das Sammelvolumen bestimmt werden, ab welchem der Füllstandsensor S ein Signal senden soll.
- Das Signal kann bei der horizontalen Anordnung des Füllstandsensors S gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus
1 ein einfaches Schaltsignal sein. Die Leckage wird gemäß1 an der höchsten Stelle des Sammel- und Detektionsraumes 3 zum Tank T abgeleitet. - Das Signal kann bei der vertikalen Anordnung des Füllstandsensor S gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aus
2 ein analoges Signal sein. Damit kann einfach die Leckage pro Zeit ausgewertet werden. Der Füllstandsensor S ist an der höchsten Stelle konzentrisch zu Längsachse 10 in die Bohrung der Sammel- und Detektionsraumes 3 eingeschraubt. - Abweichend von den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen kann D2 auch ein einziger Dichtring sein, während beim Bezugszeichen D1 ein Abstreifer angeordnet ist. Auch dabei entsteht eine zunehmende Förderung von Leckage in den Bereich zwischen der Dichtung D2 und dem Abstreifer.
- Offenbart ist eine Leckageerfassung für ein Stangendichtsystem eines Zylinderkopfes 4 eines Hydraulikzylinders. Die Leckageerfassung ist in den von der Kolbenstange 8 durchdrungenen Zylinderkopf 4 integriert. Die Leckageerfassung basiert auf der Messung der Leckage durch einen Füllstandsensor S.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ringnut
- 2
- Leckagekanal
- 3
- Sammel- und Detektionsraum
- 4
- Zylinderkopf
- 6
- Ringraum des Hydraulikzylinders
- 8
- Kolbenstange
- 10
- Längsachse (des Sammel- und Druckraumes)
- 12
- Ablauf
- D1
- Dichtring
- D2
- Dichtring
- F
- Führungsband
- S
- Füllstandsensor
- T
- Druckmittelsenke / Tank
- V1
- Volumen der Ringnut
- V2
- Volumen des Leckagekanals
- V3
- Volumen des Sammel- und Detektionsraums
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2019/212003 A1 [0005]
Claims (15)
- Stangendichtsystem eines Zylinderkopfs (4) eines Hydraulikzylinders mit zwei axial zueinander beabstandeten Ringen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich zwischen den Ringen über einen Leckagekanal (2) mit einem Sammel- und Detektionsraum (3) verbunden ist, dessen Füllstand mit Leckage mittels eines Füllstandssensors (S) detektierbar ist.
- Stangendichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Bereich eine Ringnut (1) gebildet ist.
- Stangendichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Ringe Dichtringe (D1, D2) sind.
- Stangendichtsystem nach
Anspruch 1 oder2 , wobei ein Ring ein Dichtring ist, und wobei der andere Ring ein Abstreifer ist. - Stangendichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sammel- und Detektionsraum (3) in einer zylindrischen Ausnehmung angeordnet oder gebildet ist, deren Längsachse (10) maximal 60 Grad Abweichung von der Vertikalen hat, wobei der Füllstandsensor (S) in einem oberen Bereich des Sammel- und Detektionsraumes (3) angeordnet ist.
- Stangendichtsystem nach
Anspruch 5 , wobei der Sammel- und Detektionsraum (3) von einer Bohrung gebildet ist. - Stangendichtsystem nach
Anspruch 5 oder6 , wobei der Füllstandsensor (S) quer zur Längsachse (10) angeordnet ist. - Stangendichtsystem nach
Anspruch 5 oder6 , wobei der Füllstandsensor (S) entlang der Längsachse (10) angeordnet ist. - Stangendichtsystem nach den
Ansprüchen 6 und8 , wobei der Füllstandsensor (S) mittels eines Gewindes in der Bohrung gehalten ist. - Stangendichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem oberen Bereich des Sammel- und Detektionsraumes ein Ablauf (12) zu einer Druckmittelsenke (T) angeordnet ist.
- Stangendichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllstandsensor (S) ein kapazitiver Sensor ist, welcher unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten erkennen kann.
- Stangendichtsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis10 , wobei der Füllstandsensor (S) ein Fotosensor ist, welcher unterschiedliche Lichtbrechung erkennen kann. - Stangendichtsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis10 , wobei der Füllstandsensor (S) ein induktiver oder magnetischer Sensor ist, welcher einen Schwimmer erfassen kann, der auf dem gesammelten Leckage-Druckmittel schwimmt. - Zylinderkopf mit einer Durchgangsöffnung für eine Kolbenstange (8) und mit einem Stangendichtsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Zylinderkopf nach
Anspruch 14 , wobei alle genannten Teile an oder in dem Zylinderkopf gebildet oder angeordnet sind.
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Also Published As
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