DE10258212B4

DE10258212B4 - Sicherungsringe für Hochdruckdichtungen, Dichtungsanordnung sowie diese enthaltende Pumpen

Info

Publication number: DE10258212B4
Application number: DE10258212.2A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey D. Stephens
Original assignee: KMT Waterjet Systems Inc
Current assignee: Kmt Waterjet Systems inc Baxter Springs Kan U
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: US6769695B2; SE524925C2; SE0203660L; US20030111801A1; SE0203660D0; DE10258212A1; ITMI20022614A1

Abstract

Halterung für eine Dichtung einer Pumpe, wobei die Pumpe einen Plungerkolben (68, 79), einen Hochdruckzylinder (49) und einen Sicherungsring (4) zum Halten der Dichtung aufweist, wobei der Sicherungsring (4) sich gegenüberliegende erste und zweite Flächen (11, 12) aufweist, wobei eine Wanddicke zwischen den Flächen (11, 12) angeordnet ist, und wobei der Sicherungsring (4) eine kegelstumpfförmige konkave Oberfläche an der ersten Fläche (11) und eine kegelstumpfförmige konvexe Oberfläche an der zweiten Fläche (12) derart aufweist, dass der Sicherungsring (4) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die erste Fläche (11) eine Länge (a) hat, die mindestens so groß ist wie ein zwischen dem Plungerkolben (68, 79) und dem Hochdruckzylinder (49) der Pumpe gebildeter Spalt, wenn diese unter Druck stehen, wobei der Sicherungsring (4) eine dritte Fläche aufweist, die sich zwischen der ersten Fläche (11) und der zweiten Fläche (12) erstreckt, und wobei sich der Sicherungsring (4) bei einer Druckbeaufschlagung derart bewegt, dass die dritte Fläche den Plungerkolben (68, 79) oder den Hochdruckzylinder (49) berührt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Sicherungsringe für Hochdruckdichtungen, die in einem ringförmigen Dichtungsraum zwischen einem ersten zylindrischen Element verwendet werden, das sich innerhalb einer zylindrischen Bohrung eines zweiten Elements hin- und herbewegt, und insbesondere, aber nicht beschränkt darauf, auf derartige Sicherungsringe für Dichtungen, die speziell konstruiert sind für eine Verwendung bei einer Abdichtung einer hin- und hergehenden Plunger- oder Tauchkolbenpumpe innerhalb eines Hochdruckzylinders einer Verstärkerpumpe, die zum Pumpen von Fluiden verwendet wird.
Im Stand der Technik gibt es verschiedene druckverstärkende Systeme, bei denen ein größerer Arbeitskolben hin- und herbewegt wird, um einen Hochdruckausgang durch kleinere Hochdruckkolben oder -plungerkolben zu bewerkstelligen, die innerhalb von Hochdruckzylindern hin- und hergehen.
Diese druckverstärkenden Systeme sind für eine Vielzahl von Anwendungszwecken nützlich, wie beispielsweise für Wasserstrahl-Schneidsysteme, die Schneidköpfe haben, die mit Düsen ausgestattet sind, die Wasserstrahlen hohen Drucks und hoher Geschwindigkeit gerichtet abgeben, um Arbeitsstücke zu schneiden, zu bohren und zu formen. Für derartige Verfahren werden Verstärker verwendet, um den Druck der Wasserzufuhr auf Drücke oberhalb von 275.786,8 × 10³ N/m² (= 40.000 psi) zu erhöhen. Beispiele für Hochdruckverstärker zur Erzeugung von Fluidstrahlströmungen großer Geschwindigkeit sind in den US-Patenten 3,811,795 und 5,092,744 dargestellt und beschrieben, die durch Bezugnahme darauf hier aufgenommen werden. Das Hochdruckwasser wird von dem Verstärker an den Schneidkopf zugeführt und durch Düsen als Wasserstrahlen abgegeben, die Arbeitsstücke schneiden.
Bei der Erzeugung der hohen Drücke, die für maschinelle Bearbeitungsverfahren mit Wasserstrahlen benötigt werden, begegnet man jedoch einem sehr schwierigen Abdichtungsproblem an dem Hochdruckende zwischen dem hin- und hergehenden Kolben oder Plungerkolben und der Druckzylinderwand, insbesondere, wenn sehr große Drücke erzeugt werden sollen. Typischerweise werden O-Ringe verwendet, um diese Abdichtung zu bewerkstelligen. Nach wiederholten Zyklen des Kolbens oder Plungerkolbens innerhalb des Hochdruckzylinders neigen diese Dichtungen jedoch dazu, zu lecken. Dieses Leckageproblem wird weiter verschärft durch Probleme der Verschlechterung der Dichtungen, die aufgrund der hydraulischen Belastung von dem Hochdruckfluidende der Pumpe auftreten. Als ein Ergebnis führt dieses zu einer häufigen Reparatur dieser Komponententeile, was unter dem Gesichtspunkt der Austauschteile kostenintensiv ist, arbeitsintensive Wartungsmaßnahmen sowie einen Produktionsausfall aufgrund von Maschinenstillstandzeiten umfaßt.
Im Stand der Technik sind derartige Dichtungsanordnungen für Hochdruckanwendungen beispielsweise bekannt aus EP 0 102 756 B1 , US 4,451,047 A , US 4,973,066 A , DE 32 18 751 A1 , US 4,848,778 A und US 2,995,388 A .
Das oben Gesagte zeigt Beschränkungen auf, von denen bekannt ist, dass sie bei herkömmlichen hydraulischen Hochdruckvorrichtungen existieren. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu schaffen, die auf eine Überwindung einer oder mehrerer der oben dargelegten Beschränkungen gerichtet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halterung für eine Dichtung einer Pumpe entsprechend Patentanspruch 1. Die genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Dichtungsanordnung gemäß Patentanspruch 4 sowie durch eine Kolbenpumpe gemäß Patentanspruch 10.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Halterung für eine Dichtung in der Form eines Sicherungsrings vorgesehen, der die Spalte verringert oder beseitigt, die zwischen einem Pumpenplungerkolben und einem Hochdruckzylinder einer Pumpe gebildet werden, wenn der Zylinder mit Druck beaufschlagt wird. Die Halterung umfaßt einen Sicherungsring, der sich gegenüberliegende erste und zweite Flächen aufweist, wobei eine Wanddicke zwischen den Flächen angeordnet ist. Der Sicherungsring weist eine kegelstumpfförmige konkave Oberfläche an der ersten Fläche sowie eine kegelstumpfförmige konvexe Oberfläche an der zweiten Fläche auf. Außerdem werden eine Dichtungsanordnung, die mindestens einen Sicherungsring aufweist, sowie eine Kolbenpumpe, die den mindestens einen Sicherungsring enthält, geschaffen.
Einzelheiten sowie weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
1 ist eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Kolbenpumpe in der Form eines herkömmlichen Druckverstärkers;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Dichtungsanordnung zeigt, die zwischen dem Hochdruckzylinder und dem Plungerkolben des in 1 dargestellten Druckverstärkers vorgesehen ist;
3 ist eine Querschnittsansicht einer Dichtungsanordnung, die zwischen einem Hochdruckzylinder und einem Plungerkolben eines Druckverstärkers vorgesehen ist, der Sicherungsringe gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die die Dichtungsanordnung aus 3 zeigt;
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die die in 4 dargestellte Dichtungsanordnung während eines Pumpenhubs zeigt; und
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Sicherungsrings gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung erschließt sich am besten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Teile beziehen. Es wird betont, daß, gemäß allgemeiner Praxis, die verschiedenen Abmessungen der in den Zeichnungen dargestellten Komponententeile nicht maßstabsgetreu sind und aus Gründen der Übersichtlichkeit vergrößert worden sind.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in 1 eine Teilschnittansicht eines Verstärkers 38 für ein Wasserstrahlschneidsystem dargestellt, der einen zentralen Leistungszylinder 42 hat, der einen an Plungerkolben 68 und 79 angebrachten Kolben 62 aufweist. Der Kolben 62 ist innerhalb einer hydraulischen Fluidkammer 127 angeordnet, die durch die Innenfläche des Leistungszylinders 42 definiert wird, auf der der Kolben 62 gleitet.
Der Leistungszylinder 42 ist an einem ersten Hochdruckzylinder 49 durch einen Kopf 43, der ein Ende des Leistungszylinders 42 abschließt, sowie durch einen Halteflansch 44, der in ein Ende des Hochdruckzylinders 49 eingesetzt ist, angebracht. Um das in den Verstärker 38 eintretende Wasser niedrigen Drucks und das aus dem Verstärker 38 austretende Wasser hohen Drucks zu regeln, ist eine Rückschlagventilkörperanordnung 50 in das Ende des Hochdruckzylinders 49 eingesetzt und durch eine Kappe 52 an Ort und Stelle gehalten, um eine Pumpkammer 149 zu bilden. Ein ähnlicher zweiter Hochdruckpumpenzylinder (nicht dargestellt) ist in der Nähe der Außenseite eines zweiten Kopfs (nicht dargestellt) angeordnet, der an einem gegenüberliegenden Ende des Leistungszylinders angebracht ist.
Im Gebrauch wird hydraulisches Fluid abwechselnd unter Druck zu entgegengesetzten Enden der hydraulischen Fluidkammer 127 des Leistungszylinders 42 zugeführt, wodurch der Kolben 62 darin hin- und herbewegt wird. Der mit den Plungerkolben 68 und 79 verbundene Kolben 62 bewirkt wiederum die hin- und hergehende Pumpbewegung der Plungerkolben 68 und 79. Während sich der Plungerkolben 68 in dem Hochdruckzylinder 49 nach links bewegt, wird Wasser niedrigen Drucks, das von einem Wassereinlaßdurchgang 142 zu der Pumpkammer 149 zugeführt wird, bei hohem Druck aus einem Auslaß 51 ausgeführt, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
In der vergrößerten Ansicht der 2 ist eine herkömmliche Dichtungsanordnung dargestellt, die zwischen dem Hochdruckzylinder 49 und dem Plungerkolben 68 vorgesehen ist, um ein Lecken der Pumpkammer 149 zu verhindern. Wenn sich ein beweglicher Plungerkolben in einem Hochdruckzylinder hin- und herbewegt, müssen die Spalte zwischen dem Plungerkolben 68 und der Dichtung 7 sowie zwischen der Bohrung des Zylinders 49 und der Dichtung 7 wirksam abgedichtet sein, damit die Pumpe arbeiten kann. Die herkömmliche Dichtungsanordnung umfaßt in aufeinanderfolgender Anordnung nach dem Halteflansch 44 einen Dichtungsnachfolger 2, einen Sicherungsring 3 sowie einen Dichtungskörper 6 mit einer Dichtung 7. Der Dichtungsnachfolger 2 ist ein Ring enger Toleranz, der normalerweise aus Messing hergestellt ist. Wie dargestellt, gleitet der Dichtungsnachfolger 2 über den Plungerkolben 68 und zwischen dem Plungerkolben 68 und der Bohrung des Hochdruckzylinders 49, wobei er eine Halterung für die Dichtungsanordnung bildet. An dem dem Dichtungsnachfolger 2 gegenüberliegenden Ende der Dichtungsanordnung ist ein Dichtungskörper 6 mit einer Dichtung 7 vorgesehen. Typischerweise ist der Dichtungskörper 6 aus einen Kunststoffmaterial hergestellt, wobei die Dichtung 7 in der Form eines O-Rings aus Gummi vorliegt. Zwischen dem Dichtungskörper 7 und dem Dichtungsnachfolger 2 ist ein herkömmlicher Sicherungsring 3 vorgesehen, der einen quadratischen Querschnitt hat und typischerweise aus einem Acetalcopolymerisat hergestellt ist. Ein für den Sicherungsring 3 verwendetes beispielhaftes Copolymer ist das Acetalcopolymerisat der Marke Celcon^®, das ein Polyoxymethylen (POM) ist, welches von Ticona Engineering Polymers (Celanese AG) aus Summit, NJ 07901, USA, erhältlich ist.
Bei einer herkömmlichen Dichtungsanordnung, wie sie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt ist, wurde jedoch durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß im allgemeinen Probleme bei großen Drücken unter Verwendung von Sicherungsringen mit quadratischen Querschnitten auftreten. Obwohl diese Sicherungsringe mit engen Toleranzen versehen sein können, um die statischen Spalte zwischen dem Plungerkolben 68 und der Dichtung 7 und zwischen der Bohrung des Zylinders 49 und der Dichtung 7 mechanisch auszufüllen, beseitigt dieses nicht die Notwendigkeit, einen zusätzlichen Spalt abzudichten, der durch eine Erhöhung des Bohrungsdurchmessers des Zylinders 49 entsteht, was bei der Anwendung eines hohen Drucks während des Pumpens der Fall sein kann. Herkömmliche Sicherungsringe können somit ein Herausdrücken der Dichtung und ein Lecken nicht verhindern, wenn große Drücke vorherrschen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Halterung für eine Dichtung in der Form eines Sicherungsrings geschaffen, der die Spalte zwischen einem Pumpenplungerkolben und einem Hochdruckzylinder einer Pumpe verringert oder beseitigt. Desweiteren werden eine Dichtungsanordnung sowie eine Kolbenpumpe geschaffen, die den mindestens einen Sicherungsring enthalten. In den 3 bis 6 ist eine Halterung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form eines Sicherungsrings 4 dargestellt, der eine erste Fläche 11 mit einer kegelstumpfförmigen konkaven Oberfläche und eine zweite Fläche 12 mit einer kegelstumpfförmigen konvexen Oberfläche hat. Die erste Fläche und die zweite Fläche sind gegenüberliegend angeordnet und bilden eine zwischen den Flächen angeordnete Wanddicke.
Die Wanddicke der Halterung hat einen gewinkelten Querschnitt, der vorzugsweise trapezförmig ist. Wie man am besten in den 4 und 6 erkennt, bilden die kegelstumpfförmigen konkaven und konvexen Oberflächen parallele Seiten des trapezförmigen Querschnitts. Die erste Fläche 11 hat vorzugsweise eine Länge, die mindestens so lang ist, wie ein Spalt (in 5 durch die Bezeichnung ”a” dargestellt), der zwischen dem Pumpenplungerkolben 68 und dem Hochdruckzylinder 49 einer Pumpe gebildet wird, wenn sie unter Druck steht. Wie in 5 dargestellt ist, bewirkt der während des Pumpens auf den Sicherungsring 4 aufgebrachte Druck, daß dieser sich abflacht, wodurch jegliche Erhöhung eines Spiels aufgenommen wird, das aufgrund einer Ausdehnung in dem Bohrungsdurchmesser des Zylinders 49 auftreten kann. Wie in den 3 bis 5 dargestellt ist, ist es zu bevorzugen, daß die konkave Oberfläche des Sicherungsrings 4 neben der Dichtung 7 der Dichtungsanordnung angeordnet ist.
Obwohl ein Sicherungsring in einer Dichtungsanordnung verwendet werden kann, wird es bevorzugt, daß für noch größere Dichtungsfähigkeiten eine Dichtungsanordnung mit zwei Sicherungsringen 4 verwendet wird, wie es dargestellt ist, um den Spalt zwischen einem Pumpenplungerkolben und einem Hochdruckzylinder abzudichten.
Was die Auswahl von Materialien für Sicherungsringe gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft, können diese aus einem flexiblen Material hergestellt sein, das es dem Sicherungsring gestattet, sich abzuflachen, wenn er einem aufgebrachten Druck ausgesetzt ist, wie beispielsweise einem Acetalcopolymerisat. Ein für den Sicherungsring 3 verwendetes beispielhaftes Copolymer ist das Acetalcopolymerisat der Marke Celcon^®, das ein Polyoxymethylen (POM) ist, das von Ticona Engineering Polymers (Celanese AG) aus Summit, NJ 07901, USA, erhältlich ist.
In besonders bevorzugter Weise weist eine Dichtungsanordnung, die mindestens einen Sicherungsring 4 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, des weiteren einen Dichtungskörper 6 auf, der die Dichtung 7 ergreift, sowie einen Dichtungsnachfolger 2, wobei der mindestens eine Sicherungsring 4 zwischen dem Dichtungskörper 6 und dem Dichtungsnachfolger 2 angeordnet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden somit Sicherungsringe geschaffen, die sich bei der Anwendung von Druck abflachen und dadurch vergrößerte Spalte aufnehmen, die um einen Pumpenplungerkolben herum aufgrund von großen Drücken auftreten können, die während des Pumpens vorliegen können. Durch eine Verringerung oder Beseitigung dieser Spalte haben die Dichtungen eine größere Lebensdauer.

Claims

Halterung für eine Dichtung einer Pumpe, wobei die Pumpe einen Plungerkolben (68, 79), einen Hochdruckzylinder (49) und einen Sicherungsring (4) zum Halten der Dichtung aufweist, wobei der Sicherungsring (4) sich gegenüberliegende erste und zweite Flächen (11, 12) aufweist, wobei eine Wanddicke zwischen den Flächen (11, 12) angeordnet ist, und wobei der Sicherungsring (4) eine kegelstumpfförmige konkave Oberfläche an der ersten Fläche (11) und eine kegelstumpfförmige konvexe Oberfläche an der zweiten Fläche (12) derart aufweist, dass der Sicherungsring (4) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die erste Fläche (11) eine Länge (a) hat, die mindestens so groß ist wie ein zwischen dem Plungerkolben (68, 79) und dem Hochdruckzylinder (49) der Pumpe gebildeter Spalt, wenn diese unter Druck stehen, wobei der Sicherungsring (4) eine dritte Fläche aufweist, die sich zwischen der ersten Fläche (11) und der zweiten Fläche (12) erstreckt, und wobei sich der Sicherungsring (4) bei einer Druckbeaufschlagung derart bewegt, dass die dritte Fläche den Plungerkolben (68, 79) oder den Hochdruckzylinder (49) berührt.
Halterung nach Anspruch 1, wobei die kegelstumpfförmigen konkaven und konvexen Oberflächen parallel sind.
Halterung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kegelstumpfförmigen konkaven und konvexen Oberflächen parallele Seiten des trapezförmigen Querschnitts des Sicherungsrings (4) bilden.
Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem Pumpenplungerkolben (68, 79) und einem Hochdruckzylinder (49) einer Pumpe, mit einer Dichtung (7) und mindestens einem Sicherungsring (4) zum Halten der Dichtung (7), wobei der Sicherungsring (4) sich gegenüberliegende erste und zweite Flächen (11, 12) aufweist, wobei eine Wanddicke zwischen den Flächen (11, 12) angeordnet ist, und wobei der Sicherungsring (4) eine kegelstumpfförmige konkave Oberfläche an der ersten Fläche (11) und eine kegelstumpfförmige konvexe Oberfläche an der zweiten Fläche (12) derart aufweist, dass der Sicherungsring (4) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die erste Fläche (11) eine Länge (a) hat, die mindestens so groß ist wie ein zwischen dem Plungerkolben (68, 79) und dem Hochdruckzylinder (49) der Pumpe gebildeter Spalt, wenn diese unter Druck stehen, wobei der Sicherungsring (4) eine dritte Fläche aufweist, die sich zwischen der ersten Fläche (11) und der zweiten Fläche (12) erstreckt und im Wesentlichen senkrecht zu diesen angeordnet ist, und wobei der Sicherungsring (4) eine vierte Fläche aufweist, die sich zwischen der ersten Fläche (11) und der zweiten Fläche (12) erstreckt und im Wesentlichen schräg zu diesen angeordnet ist, wobei die dritte Fläche unter einem Abstand von dem Plungerkolben (68, 79) angeordnet ist, wenn kein Druck auf die Dichtungsanordnung aufgebracht wird, und wobei sich der Sicherungsring (4) in Reaktion auf ein Aufbringen von Druck auf die Dichtungsanordnung in eine Stellung bewegt, in der die dritte Fläche im Wesentlichen parallel zu und neben dem Plungerkolben (68, 79) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die kegelstumpfförmigen konkaven und konvexen Oberflächen parallel sind.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die kegelstumpfförmigen konkaven und konvexen Oberflächen parallele Seiten des trapezförmigen Querschnitts des Sicherungsrings (4) bilden.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der mindestens eine Sicherungsring (4) zwei Sicherungsringe (4, 4) aufweist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei sie weiterhin einen Dichtungskörper (6) aufweist, der die Dichtung (7) ergreift, sowie einen Dichtungsnachfolger (2), wobei der mindestens eine Sicherungsring (4) zwischen dem Dichtungskörper (6) und dem Dichtungsnachfolger (2) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die konkave Oberfläche neben der Dichtung (7) angeordnet ist.
Kolbenpumpe, die folgende Merkmale aufweist: – einen Zylinder (49) und einen in Längsrichtung darin angeordneten, hin- und hergehenden Plungerkolben (68, 79), wobei ein Spalt zwischen dem Plungerkolben (68, 79) und dem Zylinder (49) gebildet ist; – eine konzentrisch in dem Spalt zwischen dem Plungerkolben (68, 79) und dem Zylinder (49) angeordnete Dichtung (7); und – mindestens einen Sicherungsring (4) zum Halten der Dichtung (7), wobei der Sicherungsring (4) sich gegenüberliegende erste und zweite Flächen (11, 12) aufweist, wobei eine Wanddicke zwischen den Flächen (11, 12) angeordnet ist, und wobei der Sicherungsring (4) eine kegelstumpfförmige konkave Oberfläche an der ersten Fläche (11) und eine kegelstumpfförmige konvexe Oberfläche an der zweiten Fläche (12) derart aufweist, dass der Sicherungsring (4) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die erste Fläche (11) eine Länge (a) hat, die mindestens so groß ist wie der zwischen dem Plungerkolben (68, 79) und dem Zylinder (49) der Pumpe gebildete Spalt, wenn diese unter Druck stehen, wobei der Sicherungsring (4) eine dritte Fläche aufweist, die sich zwischen der ersten Fläche (11) und der zweiten Fläche (12) erstreckt, und wobei sich der Sicherungsring (4) bei einer Druckbeaufschlagung derart bewegt, dass die dritte Fläche den Plungerkolben (68, 79) oder den Zylinder (49) berührt.
Kolbenpumpe nach Anspruch 10, wobei die kegelstumpfförmigen konkaven und konvexen Oberflächen parallel sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 10 oder 11, wobei die konkave Oberfläche neben der Dichtung (7) angeordnet ist.