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Titel: Vorrichtung zur Kraftaufnahme durch hydraulische Drücke Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme durch hydraulische Drücke.
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Hydraulische Zylinder für hohe DrUcke weisen eine Dichtung auf, die
in der Regel das Druckmedium (Gas oder Flüssigkeit) gegen äußeren Atmosphärendruck
mittels einer Kolbenstangendichtung abdichtet. Da infolge der Bewegungen zwischen
der Kolbenstange und der Dichtung in jedem Fall - wenn auch geringe - Undichtigk#iten
auftreten, ist es bekannt, in den Fällen, wo besonders hohe Anforderungen an die
Dichtigkeit derartiger Einrichtungen gestellt werden, Metallbälge oder Rollmembranen
anzuwenden. Dabei handelt es sich um Bettitigungselemente it elastischen Werkstoffen,
die infolge ihrer Konstruktion und/oder der Elastizität des Werkstoffes gräaere
Hubbewegungen gestatten. Dabei sind Rollmembranen oder Metallbölge bei großen Hüben
jedoch nur für relativ geringe Drücke anwendbar.
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Ähnliche Probleme stellen sich bei der Herstellung von Hydrospeichern,
bei
denen in der Regel eine Abdichtung zwischen einer\Frü/- U sigkeit und einem Gas
gefordert wird. Die Trennung wird dabei entweder durch einen Kolben, der mit einer
Dichtung versehen ist, oder einer Membran aus gummielastischem Werkstoff vorgenommen.
In beiden Fällen ist eine Undichtigkeit nicht zu vermeiden, die entweder durch die
Bewegung an der Dichtung des Kolbens oder durch DifTusion des Gases durch den elustischen
Werkstoff der Membranen entsteht.
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Bei Rohrleitungen entstehen je nach ihrer Länge und Temperaturschwankung,
sei es durch äußere oder innere Temperaturen, mehr oder weniger große Längenveränderungen,
die gefährliche Spannungen erzeugen können. Aus diesem Grunde ist es bereits bekannt,
Kospensatoren, Lyra-Bögen oder ähnliche Vorrichtungen einzubauen. Derartige Verbindungen
werden auch bei Rohrleitungen verwendet, die starken Schwingungen unterliegen.
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Die Federwirkung bei Metallbdigen von Kompensatoren oder dergleichen
wird trotz relativ geringer Elastizittit des Werkstoffes durch die Besonderheit
der Konstruktion erzeugt. Bei der Federwirkung derartiger Bälge entsteht jedoch
eine vollkommen ungleichmäßige Spannungsverteilung, die durch teuere Sondereinrichtungen,
die eist aus kostspieligen Federelementen bestehen, ausgeglichen wird. Da für die
Haltbarkeit, sowie für die Festlegung der Lebensdauer nur die entstehenden Spannungsspitzen
maßgebend sind, ist die Materialausnutzung relativ gering. Dadurch wird bei großen
Hubhöhen und DrUcken ein großer Aufwand erforderlich. Erschwerend kommt hinzu, daß
Metallbälge in ihrer Herstellung meist spanlos verformt werden müssen und infolgedessen
keine Werkstoffe hoher Festigkeit und teueren MatePias verwendet werden können.
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Die bekannten Rollmembrenen, Membranen oder Längenausgleichsstücke
aus gummielastischem Werkstoff halten infolge ihrer geringen Eigensteifigkeit keinen
hohen DrUcken stand.
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Darüber hinaus weisen die bekannten Vorrichtungen den Nachteil auf,
daß sie in strahlungsgefährdeten Anlagen nicht zu verwenden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Vorrichtungen auszuschalten und eine Vorrichtung zu schaf; fen, die besonders als
Betätigungselement zur Erzeugung von Kräften und Hüben durch hydraulische bzw. pneumatische
Drücke und Förderströme geeignet ist und als Speicherelement für hydraulische oder
pneumatische Medien Anwendung finden kann. Sie soll außerdem als Längenausgleich
an Rohrleitungen einsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß tellerähnliche
Federelemente an ihrer Außenseite von Zugringen undan ihrer Innenseite durch Druckringe
mit Stützelementen und an den inden durch Anschluß- und/oder Zug und Druckplatten
gehalten werden.
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Dabei werden in dem entstehenden Innenraum alle Spalte durch plastischen
Werkstoff abgedeckt und die Wandung des Innenraumes durch einen elastischen Balg
ausgekleidet.
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Die erfindungsgenöße Vorrichtung kann zur Speicherung von flüssigen
oder gasförmigen Medien unter Druck dienen, sie kann zur Aufnahme von Rohrleitungsverschiebungon
verwendet werden und ist auch als Speicher geeignet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Vorrichtung durch
Federeinrichtungen vorent- oder belastet, um in bestimmten
Lastbereichen
mit optimaler Einsatzmöglichkeit verwendet zu werden.
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Zur Verwendung in Kernkraftanlagen wird der plastische Werkstoff und/oder
der elastische Balg nach einem weiteren Merkmal der Erfindung strahlungsundurchlössig
hergestellt, indem bekannte Mittel Anwendung finden.
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Der plastische Werkstoff wird so gewählt, daß er sowohl Stütz- als
auch Halteeigenschaften besitzt, je nachdem die Konstruktion die eine oder andere
- oder beide - Eigenschaften erfordert.
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Die Erfindung weist gegenüber den bekannten Vorrichtungen den Vorteil
auf, eine hysteresearme Betätigung unter Anwendung hoher Drücke bei absoluter Dichtigkeit
sicherzustellen. Es werden nur einfache Bauteile benötigt, die eine wirtschaftlice
Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sicherstellen. Es findet ein Balg
Verwendung,' bei dem die Beanspruchung durch den hydraulischen Druck durch relativ
einfache ringförmige Federelemente aufgenommen wird, während die geforderte Dichtigkeit
durch eine gut abgestützte Auskleidung aus elastischem Werkstoff erreicht wird.
Dieser Werkstoff unterliegt nur geringen Beanspruchungen, da er sich in jeder Lage
und Stellung der Vorrichtung immer an den einzelnen Elementen der Vorrichtung abstützen
kann. Die Elemente der Vorrichtung dagegen dienen nur der Kraftaufnahme.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausfuhrungsbeispielen
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Lönqsschnitt
durch einen Balg der Druckkräften unterliegt,
Fig. 2 einen Längsschnitt
durch#einen Balg,der sowohl Zug- als auch Druckkräften unterliegt, Fiq. 3 einen
Länsschnitt durch ein Speichersystem, und Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Dehnungselement
für Rohrleitungen.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient zur Aufnahme von Druckkräften
und hat die Funktion eines Betätigungszylinders. Sie besteht aus einem inneren Gummibalg
1 , Federelementen 2, Zugringen 3, einem Haltering 4, Druckringen 5, Stützelementen
6.1, 6.2, 6.3 und 6.4, einer Druckplatte 7 mit Stößelstange 8 sowie einem äußeren
Gehäuse 9 mit Anschlag 10 und Druckanschluß 11.
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Im dargestellten Zustand drücken selbst bei druddosem Innenraum 12
die Federelemente 2 so auf die Zugringe 3 und Druckringe 5, daß die Druckplatte
7 am Anschlag 10 des Gehäuses 9 anliegt. Der Gummibalg 1 legt sich an seiner Außenseite
an den Stützelementen 6 und an den Federelementen 2 an. Axial liegt der Gummibald
1 an der Druckplatte 7 und auf der unteren Seite am Gehäuse 9 an. Er ist am Druckanschluß
mit einer statischen Abdichtung 13 versehen.
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Der Zugring 3 ist einfach geschlitzt und wird nach der Montage durch
einen Haltering 4 zusammengehalten.
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Besondere Anforderungen werden an die Werkstoffe der Federelemente
2, der Stützelemente 6 und des Gummibalges 1 gestellt. Die Federelemente 2 haben
die Form von Tellerfedern und sind aus hochfestem Werkstoff gefertigt. Die Stützelemente
6 haben die Aufgabe Spalte zu schließen und bestehen aus plastischem Material (beispielsweise
PTFE).
Der Gummibalg 1 hat Dichtfunktion und muß daher porenfrei sein.
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Unterliegt der Innenraum 12 einem hydraulischen oder pneumatischen
Druck, so hat dieser Druck das Bestreben den Balg auseinander zu drücken. Dadurch
wird in bekannter Weise eine wirksame Axialkraft P=(Da2 - XP x p erzeugt.
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Die Federelemente 2 erzeuqen eine bestimmte vorgegebene Vorspannung,
damit sie sich i#m drucklosen Zustand nicht von den Druckringen 5 abheben. Diese
Vorspannung ist jedoch im Vergleich zur Axialkraft P relativ gering und gestattet
eine Hubbewegung der Stößelstange 8 und somit der Druckplatte 7 soweit, bis die
Planfldchen 3.1 der Zugringe 3 gegeneinander und an der unteren Planfläche des Gehäuses
9 sowie an der Druckplatte 7 anliegen.
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Während der Hubbewegung verformen sich die Federelemente 2 in der
Weise wie es bei Tellerfedern üblich ist. Durch die Veränderung des Kegelwinkels
der Federelemente entstehen an den äußeren und inneren Anlageflächen Spaltveiönderungen,
die durch die Stützelemente 6 überbrückt werden. Die Stützelemente 6 sind so ausgebildet,
daß alle entstehenden Spalte durch Lippen überbrückt werden, so daß der gegen Spalte
empfindliche Gummibalg 1 bei jeder Stellung der Stützelemente geschützt wird.
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Die spannungsmaßige Beanspruchung der Federeiemente 2 entsteht durch
die Einfederunq des Balges und durch den Innendruck im Innenraum 12. Je nach Ausbildung
des Balqes überwiegt der ##annungsanteil,
der durch die Einfederung
verursacht wird. Bei dem in Figur 1 dargestellten Beispiel unterliegen die Federelemente
2 schon im drucklosen Zustand einer gewissen Vorspannung. Dies ist erforderlich,
damit die Federelemente 2 an den vorgesehenen Anschlagfiächen anliegen.
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Figur 2 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel, bei dem der Anschlag 10 des
Gehäuses 9 nach Figur 1 nicht mehr erforderlich ist. Bei drucklosem Innenraum 12
kann hier die Stößelstange und mit dieser die fest verbundene Druck- und Zugplatte
14 so bewegt werden, daß in den Federelementen sowohl Zug- als auch Druckspannungen
entstehen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Druckringe 5 eine zusätzliche Nase
5.1 erhalten, die Druck- Zugplatte eine Nase 14.1 aufweist und die Anschlußplatte
15 an der unteren auflage des letzten Federelementes 2 eine Halterung 15.1 besitzt,
Diese erfinderischen Maßnahmen bewirken, daß die durch Federkraft erzeugten Spannungen
in den Federelementen 2 je nach Hublage (H) positiv und negativ sein können. Hierdurch
wird eine größere Hubausnutzung erreicht.
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Figur 3 zeigt ein Speichersystem, bei dem ein Balg entsprechend der
Darstellung in Figur 2 durch eine Feder 16 belastet wird.
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Bei drucklosem Innenraum 12 ist der Balg durch eine Druckfeder 17
zusammenqedrückt. Mit größer werdendem Druck im Innenraum 12 wird die Druckfeder
17 durch eine Druckplatte 18 gespannt. Dadurch entsteht eine Volumenspeicherung
des Druckmediums im Innenraum 12, die für Arbeitszwecke ausgenutzt werden kann.
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Figur 4 zeigt einen Balg nach Figur 2, der in zwei Rohrleitungen 19.0,
19.2 eingespannt ist. Bei einer Axialbewegung dieser beiden
Rohrleitungen
19.1, 19.2 werden durch den zwischengeschalteten Balg Axialkräfte auf beide Rohrleitungen
verhindert.