DE2025730A1 - Druckdichtung - Google Patents

Description

DR. O. DlTTMANN K. L. SCHIFF DR. A. ν. FÜNER DIPL. ING. P. STREHL

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26. Mai 1970

Garlock Incorporated
Unsere Akte DA-K572(M-252)

Druckdichtung Prioritätϊ 27. Mai 1969 USA Nr. 828,210

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Dichtungselemente wie Packungsringe undjzylindrische Ringe und dergleichen und insbesondere auf in axialer Richtung zueinander angeordnete mehrteilige Dichtungselemente.

Druckdxchtungen werden verwendet, um den Zwischenraum zwischen zwei zylindrischen Bauteilen, von denen der eine in dem anderen angeordnet ist und die sich gegeneinander bewegen, abzudichten. Eine Übliche Form eines Dichtungszusammenbaus umfasst einen gespaltenen Packungsring, der von dem einen zylindrischen Teil gehalten wird und der mit dem zweiten zylindrischen Teil gleitend in Eingriff steht. So kann beispielsweise ein

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gespaltener Kolbenring von einem in einem Zylinder arbeitenden Kolben gehalten werden und der Spaltring wird radial nach aussen .entweder dueh seine eigene Elastizität oder mit Hilfe eines Expanders gedrückt· Umgekehrt kann ein gespaltener Packungsring in einem Schlitz innerhalb einer zylindrischen Wandung gehalten werden und wird radial nach innen in Berührung mit einer innerhalb des Zylinders in Achsrichtung beweglichen Stange gedrückt. In beiden Fällen hat der gespaltene Packungsring den Vorteil der Aufrechterhaltung einer wirksamen Dichtung nach durch Reibung ^ erfolgter Abnutzung, da ein Spaltring die Abnutzung ausgleicht.

In Hochdruckanwendungen wird jedoch ein sehr hoher Druck erzeugt, der den Lagerdruck des gespaltenen Dichtungsringes auf den Teil, mit dem der Ring in gleitenden Eingriff tritt, erhöht, wodurch die Reibung während des Teiles des Bewegungskreislaufes oder während des gesamten Kreislaufes der Bewegung zwischen den gegeneinander beweglichen Teilen beanstandbar erhöht, dajdies eine erhöhte Abnutzung des Spaltringes verursacht und somit dessen wirksames Leben begrenzt. Dieser erhöhte Druck ist auch aus anderen Gründen beanstandbar, wie beispielsweise hohe Temperatur und Herausdrücken des Dichtungselementes.

Zur Lösung dieses Problems ist eine Form einer mehrteiligen Druckdichtung in der USA-Patentschrift 2 996 343 vorgeschlagen. Dort ist eine Kolbendichtung angegeben, die einen endlosen in einer ringförmigen Vertiefung eines gespaltenen Packungsringes angebrachten Rückhaltering umfasst· Der Spaltring ist für Berührung mit der Zylinderwandung ausgebildet und

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der Rückhaltering begrenzt dadurch die maximal mögliche radiale Ausdehnung des Spaltringes auf die Zylinderwand zu. Der endlose Rückhaltering ist aus demselben Material hergestellt, der zur Bildung der Zylinderwand dient und hat einen etwas kleineren äusseren Durchmesser als der innere Zylinderdurchmesser. Nach normaler Abnutzung des Spaltpackungsringes tritt dieser nach einiger Zeit in Eingriff mit dem Rückhaltering, wodurch der Spaltring daran gehindert wird, gegen die Zylinderwandung zu drücken, mit der er in dichtenden Eingriff treten soll. Der endlose Rückhaltering ist speziell ausgebildet, nicht mit den Zylinderwandungen in Eingriff zu treten· Wenn der Spaltring sich bis zu dem Punkt abnutzt« dass er mit dem endlosen Ring in Eingriff tritt, so geht die Dichtung zwischen Kolben und Zylinder verloren und der Spaltring muss ersetzt werden·

Ziele und Vorteile der Erfindung sind daher die Schaffung eines Dichtungszusamntenbaus mit einem gespalteten Packungsring, der Lagerdrucke auf einen Zylinder oder eine Stange, die sich relativ/ihm bewegen, während der Hochdruckhübe ausübt, die niedriger sind, als die Kräfte, die von einem " Spaltring allein ausgeübt werden, jedoch ohne die vorteilhafte Eigenschaft eines Spaltringes der Aufrechterhaltung einer wirksamen Dichtung mit einem Zylinder oder einer Stange nach starker Abnutzung des Spaltringes/EeraBzusetzen. Weitere Ziele bzw· Vorteile der Erfindung sind die Schaffung einer Dichtung mit erhöhter Lebensdauer, mit gleichbleibender Dichtung während

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der Lebensdauer des Ringes sowie mit Lagerdrücken auf die Dichtungsfläche, die kleiner sind als der abzudichtende. Fluidumdruck·

Diese und weitere Ziele und Vorteile werden erfindungsgemäss erreicht durch Verwendung wenigstens eines Spaltpackungsringes, der radial gegen einen relativ zu ihm beweglichen Teil gedrückt wird, in Kombination mit einem endlosen Rückhaltering aus elastischem Material, der mit dem Spaltring in einer Weise kombiniert ist, dass er der radialen Ausdehnung oder Zusammenziehung desselben entgegenwirkt. Der Spaltring weist eine ringförmige Vertiefung zum Halten des endlosen Ringes auf· Der endlose Rückhaltering ist aus einem Material hergestellt, das einen geeigneten Elastizitätsmodul hat, um den Lagerdruck des Spaltringes gegen den ihm gegenüber relativ beweglichen Teil zu verringern ohne Ausdehnung und Zusammenziehung des Spaltringes zu verhindern, nachdem er als Ergebnis des Reibungseingriffes mit dem ihm gegenüber beweglichen Teil abgenutzt ist· In gewissen Ausführungsformen der Erfindung tritt der endlose Rückhaltering nicht mit dem relativ gegenüber dem Spaltpackungsring beweglichen Teil in Berührung· In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist

die ringförmige Vertiefung in seiner Lagerfläche vorgesehen und der endlose Ring tritt dadurch in Berührung mit dem gegenüber dem

packungs

Spali^Fing beweglichen Teil, um eine Druckdichtung mit ihm zu bewirken· Solch eine druckausgeglichene Abdichtungsausbildung ergibt ein verlängertes Leben des Spaltpackungsringes zusammen mit allgemeinen gleichmässigen Lagerdrucken, da die Rückhaltekraft

PACKUNS des endlosen Ringes die Ausdehnung des Spannringes nach einer Periode der Abnutzung nicht einschränkt.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele und deren Darstellung in den beiliegenden Zeichnungen«

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht und einen teilweisen Schnitt in Achsrichtung eines Dichtungszusammenbaus zur Abdichtung zwischen einem Kolben und einem Zylinder;

Fig. 2 eine fragmentarische Schnittansicht des in Fig. 1 veranschaulichten Dichtungszusammenbaus nach einer Abnützungszeit j

Fig. 3 eine Ansicht und einen teilweisen axialen
Schnitt eines besonderen Dichtungszusammenbaus zur Abdichtung einer Stange?

Fig. 4 eine Modifikation des Dichtungszusammenbaus der Fig· 3; und

Fig· 5, 6 und 7 weitere Variationen von erfindungsgemässen Dichtungszusammenbauten·

Fig. 1 veranschaulicht eine typische Verwendung ©ines DichtungsZusammenbaus, in dom ein Kolben 11 eich dicht an einer Zylinderwand 13 hin- und herbewegt und mit einem mechanischen Antrieb durch «ine Kolbenstange 15 verbunden ist· Ein Teil, des

Kolbens 11 ist weggebrochen, so dass eine ringförmige Sinsenkung in demselben sichtbar wird, die zum Halten des Bichtungszusainanenbaus gegen axiale Bewegung und zur Bewirkung einer Dichtung dient,

ung wenn der Kolben 11 sich relativ zu der Zylinderwand/13 hin- und herbewegt. Ein im Querschnitt T-förmiger Spaltpackungsring 17 wird von der ringförmigen Einsekung des Kolbens getragen« Der Spaltring wird radial nach aussen expandiert^ um zwangsläufig mit seiner Lagerfläche 18 mit der inneren Zylinderwand 13 zur Bewirkung einer Druckdichtung in Eingriff zu treten· Das Ä-aiswäxtsdrängen kann erzeugt werden durch Vorspannung des Spaltringes oder, alternativ, durch die Verwendung eines Mstalleasgpanders (nicht dargestellt) , der in einem Raum 19 zwischen dem Boden der ringförmigen Einsenkung des Kolbens und der Innenfläche des Spaltringes 17 installiert sein kann· Das Auswärtsdrängen des Spaltringes 17 ist dazu bestimmt, eine wirksame Dichtung mit den Zylinder aufrecht zu erhalten, selbst wenn der Spaltring abgenutzt iste Der Spaltring kann aus irgendeinem für die gewünschte Didhtumgsart geeigneten Material hergestellt sein. So sind beispielsweise im einer allgemeinen Anwendung Materialien wie polyteerisiertes Tetrafluoräthylen und andere Kunstharze oder Metalle geaigmet·

Endlose Ringe 21 und 23 sind auch in der ringförmigen Einsenkung des Kolbens 11 als Teil des Bicbtungssusamentaas installiert, um den Spaltring 17 zurückzuhalten ws&ü die letzteren gegen die Zylinderwandung expandierenden radialem Kräfte auszu~ gleichen* Die endlosen Ringe 21 und 23 werdem vorzugsweise rait einem ungespannten äusseren Durchmesser gebildet*' der etwas kleiner ist als der Durchmesser der Zylinderwarad IB₃, so dass !kleine

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Spielräume 25 und 27 freibleiben· Der innere Durchmesser der ungespannten endlosen Rückhalteringe 21 und 23 wird vorzugsweise so gewählt, dass sich Spielräume 29 und 31 ergeben, die ein schnelles anfängliches Einlaufen des Spaltringes gestatten.

Die anfängliche Abnutzung des Dichtungszusammenbaus der Fig. 1 sei durch Fig. 2 veranschaulicht· Der in Fig. 2 gezeigte Spaltring ist um einen solchen Betrag abgenutzt, dass sein eigener radialer Auswärtsdruck infolge seiner eigenen Vorspannung oder durch die Verwendung eines Metallexpanders die Spielräume g

25, 27, 29 und 31 beseitigt. Der Spaltring tritt positiv mit den endlosen Rückhalteringen 21 und 23 in Eingriff und streckt sie in Berührung mit der Zylinderwandung 13. Von dem in Fig. 2 dargestellten Abnutzungspunkt an bis zum Ende der Lebensdauer des Dichtungszusammenbaus stehen der gespaltene Packungsring 17 und die endlosen Rückhalteringe 21 uad 23 mit der Zylinderoberfläche, unter im wesentlichen gleichförmigem Lagerdruck gegen dieselbe, in Eingriff, um dadurch eine wirksame Dichtung aufrecht zu erhalten. Gleichzeitig bieten die endlosen Ringe die dynamischen radialen Kräfte gegen den Packungsringzusammenbau einen Wider- * stand, der durch die sehr hohen differentialen Drücke zu beiden Seiten zu Wege gebracht wird, Drücke, die während des Zyklus des Kolbens 11 auftreten können· Gerade für Hochdruckanwendungen hat ein erfindungsgemässer Packungsring-Zusammenbau seinen grössten Vorteil· Der Elastizitätmodul des für die Konstruktion der endlosen Ringe 21 und 23 verwendeten Materials wird durch die radialen Ausdehnungskräfte bestimmt, die bei maximalen Druckunterschieden in einer gegebenen Anwendung auftreten« Diese Dehnungsfeetigkeit bestimmt dann die Grosse der radialen Kraft, die

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der Spaltring 17 in der Lage sein muss, aufzubringen, um die endlosen Ringe in Berührung mit den Zylinderwandungen zu strecken. Die endlosen Rückhalteringe sollen elastischer als die Zylinderwand 13 sein und können aus einer Varietät von Materialien hergestellt sein, wie einem Metall oder einem Kunstharz·

Ein erfindungsgemässer Kolben&usammenbau kann, wie in Fig. 2 gezeigt, von vornherein ohne Spielräume hergestellt werden, wodurch die zur Erzeugung eines druckausgeglichenen Packungsring- W Zusammenbaus notwendige Abnutzung beseitigt wird. Dies kann für gewisse Anwendungen bevorzugt werden. Die Vorsehung der Spielräume 25, 27, 29 und 31 in dem Dichtungszusammenbau der Fig. 1 verringert jedoch die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit bei der Ausbildung des Zusammenbaus.

ring Ein erfindungsgemässer Packungszusammenbau kann auch

zum Dichten einer Stange angewendet werden, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht ist, Eine aus zwei Abschnitten 33 und 34 gebildete Zylinderwand ist im Querschnitt veranschaulicht, und eine Stange bewegt sich in derselben hin und her. Die Zylinderwand hat eine ringförmige Ausnehmung, in der der Dichtungszusammenbau installiert und gegen axiale Bewegung gehalten ist. Ein im Querschnitt L-förmiger Spaltring 37 und ein endloser Rückhaltering 39 sind in die Stangenpackung einbegriffen* Dieselben Entwurfsgesichtspunkte treffen hier zu, wie sie im Vorangehenden in bezug auf den Dichtungszusammenbau der Fig. 1 erörtert wurden, ausser, dass hier der gespaltene Packungsring 37 eine andere Querschnittform hat und

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so ausgebildet ist, dass er radial nach innen in Berührung mit der Stange 35 gedrängt wird. Ausserdem wird der endlose Rückhaltering nach einer anfänglichen Abnutzung des Spaltringes unter Druck gesetzt. Für die meisten Anwendungen von Stangenpackung erwies es sich als vorzuziehen, einen L-Spaltring aus drei Abschnitten (anstatt eines Einzel-Querschnitt-Spaltringes) zu verwenden in Kombination mit einem metallenen Zusammenziehungsring, der den L-Ring 37 radial gegen die Stange 35 drückt. Nach einer Einlaufperiode komprimiert der L-Ring 37 den endlosen Ring 39 und drängt ihn gegen die Stange 35 in einer ähnlichen Weise, wie dies für die Ausbildung der Pig. 2 gezeigt worden ist. In dieser Ausführungsform ist die Druckelastizität oder die Kriecheigenschaft des zur Bildung des endlosen Ringes 39 verwendeten Materials von Wichtigkeit, um einen Dichtungszusammenbau zu schaffen, der die verschiedenen auf denselben ausgeübten Drücke, die auf Erhöhung der Lagerkräfte gegen die Stange 35 hinwirken, auszugleichen.

Man sollte beachten, dass ein Dichtungszusammenbau für den Kolben 11 der Fig. 1 auch einen im Querschnitt L-förmigen Spaltpackungsring und einen einzigen endlosen Rückhaltering verwenden ' kann. Weiterhin, das ein Dichtungszusammenbau für die Stange 35 der Fig. 3 alternativ, wie in Fig. 4 gezeigt, einen im Querschnitt T-förmigen Spaltring 55 mit endlosen Rückhalteringen 57 und 59 umfassen kann. Ein in Fig. 4 gezeigtes zusätzliches Element ist ein endloser elastischer Teil 61 in Zugspannung, der den Spaltpackungsring 57 umgibt, um letzteren gegen die Stange 35 zu drängen und dadurch eine Dichtung gegen diese zu bewirken· Der Teil 61 besteht aus einem Material, das einen Zugspannungselastizitätsmodul aufweist, der auf den Druckelastizitätsmodul des die endlosen

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Rückhalteringe 57 und 59 bildenden Materials in einer Weise bezogen ist, die Zusammenziehung des Spaltpackungsringes 55 gestattet, so dass letzterer gegen die Stange 35 mit im wesentlichen gleichmässigem Druck während eines beachtlichen Teils der Abnutzung der Lagerfläche 63 des Spaltringes anliegt.

Man sollte auch beachten, dass die erfindungsgemässen Packungsringzusammenbauten auch zur Abdichtung von zwei zylindrischen Drehbewegung gegeneinander ausführenden Elementen, _ anstatt die hier speziell veranschaulichten Hin- und Herbewegungen, verwendet werden können« Die so veranschaulichten Packungsringe würden modifiziert werden, um Eingriff zwischen dem Spaltring und seinem Rückhaltering oder seinen Rückhalteringen zu umfassen, um relative Drehung oder axiale Bewegung zwischen denselben zu verhindern, aber trotzdem Ausdehnung und Zusammenziehung des Spaltringes relativ zu dem Rückhaltering längs einer radialen Linie des Dichtungszusammenbaus gestattend

Eine weitere Modifikation eines Dichtungszusammenbaus

™ zur Verwendung entweder gegen einen Zylinder oder eine Stange ist in Fig. 5 veranschaulicht· Zwei Spaltringe 47 und 49 sind geometrisch im Querschnitt um einen einzelnen endlosen Rückhaltering 51 ausgeglichen· Die Ausbiidungsüberlegungen und die Arbeitsweise dieses Packungsringzusammenfoaus sind dieselben wie sie im Vorangehenden in bezug auf die L- und !«Spaltringzusammenbauten erörtert worden sind«

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Die bisher beschriebenen erfindungsgemässen Ausbildungen haben einen endlosen Rückhaltering, der in Eingriff mit dem gegenüber dem Dichtungszusammenbau beweglichen Teil tritt. Gemäss einem anderen Gesichtpunkt der Erfindung tritt nur der gespaltene Packungsring mit dem besagten Teil in Eingriff. Fig. 6 zeigt einen Spaltpackungsring 65 mit einer Lagerflache 67 zur Bewirkung einer Druckabdichtung. Ein endloser Rückhaltering 69 ist in der Seite des Spaltringes 65 für Druckausgleich angeordnet. Die Spielräume auf beiden Seiten des endlosen Ringes 69 brauchen nicht, wie bei den anderen vorangehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen werden, jedoch sind sie bevorzugt. Nach der anfänglichen Abnutzung des Dichtungszusammenbaus verschwindet der Spielraum 71.

Eine Modifikation ,des Dichtungszusammenbaus der Fig· ist in Fig. 7 veranschaulicht, wo ein Spaltpackungsring 73 ringförmige Rinnen auf gegenüberliegenden Seiten zum Halten von endlosen Rückhalteringen 75 und 77 aufweist. Beide in den Fig. 6 und 7 im Querschnitt veranschaulichten Dichtungszusammenbauten können für Stangen oder Zylinderabdichtungen verwendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebnen und veranschaulichten bevorzugten Ausführungsformen beschränkt sondern viele der Elemente können in anderen Formen kombiniert werden, ohne ve» den Gedanken und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

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Claims (5)

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1. Dichtungszusammenbau zum Abdichten von Flächen von zwei sich gegeneinander bewegenden zylindrischen Teilen, bei der ein in radialer Richtung gedrängter gespaltener Packungsring gegen axiale Bewegung von einem der Teile gehalten wird, dadurch gekennzeichnet,

dass der Spaltring (17 bzw. 37) eine ringförmige Ausnehmung aufweist;

dass ein endloser elastischer Rückhaltering (21 bzw. 39) in die ringförmige Vertiefung eingesetzt ist; und

dass der Elastizitätsmodulus des endlosen elastischen Rückhalte rings (21 bzw. 39) dem radMen Bestreben des Spaltringes (17 bzw. 37) so angepasst ist, dass der Rückhaltering (21 bzw. 39) deformiert wird, wenn der Spaltring (17

anderen bzw. 37) durch Reibungseingriff mit dem/Teil (13 bzw. 35) der beiden Teile (11, 13 bzw. 34/33,35) sich abnutzt.

2. Dichtungszusammenbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Ausnehmung in einer Oberfläche des Spaltpackungsringes (17 bzw. 37) ausgebildet ist, die zur Anlage gegen den anderen Teil (13 bzw. 39) vorgesehen ist.

1 (J 9 H 1 Ht / Π <j /

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3. . Dichtungszusammenbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge ken η ze ichne t , dass der andere der beiden Teile eine Stange (35) ist und dass der Spaltring (55) durch ein endloses elastisches ihn umschliessendes Band (61) in radialer Richtung gedrängt wird·

4. Dichtungszusammenbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der endlose elastische Rückhaltering (21 bzw. 39) einen Elastizitätsmodul aufweist, der die Anwendung im wesentlichen gleichförmigen Druckes durch eine Lagerfläche des Spaltringes (17 bzw. 37) gegen den anderen Teil (13 bzw. 39) während des gesamten Lebens des Spaltringes (17 bzw. 39) gestattet.

5. Dichtungszusammenbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der endlose Rückhaltering (21 bzw. 39) beachtlich elastischer ist als der zweite Teil (13 bzw. 35).

KLS/zi

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