DE2336118B2

DE2336118B2 - Einrichtung zur hydraulik-kolbenabdichtung, insbesondere bei hochdruck- kolbenpumpen

Info

Publication number: DE2336118B2
Application number: DE19732336118
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 7417 Urach Weigele
Original assignee: Wepuko-Hydraulik Gmbh, 7418 Metzingen
Priority date: 1973-07-16
Filing date: 1973-07-16
Publication date: 1976-11-18
Also published as: DE2336118A1

Description

rrii-h³ , Γ cm³

- " L-T-

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Hydraulik-Kolbenabdichtung, insbesondere bei Hochdruck-Kolην

darin bedeutet d= Kolbendurchmesser, h= Dichtspalthöhe, 1 = Dichtungslänge, Ap- Druckgefälle über die Länge der Dichtung, >; = Viskosität des flüssigen Medirms.

Aus dieser Gleichung folgt, daß bei niederviskosen Medien, wie zum Beispiel Wasser, eine ausreichende Abdichtung mit derartigen Dichtungen Schwierigkeiten bereitet, wenn hohe Druckwerte auftreten. Die Dichtlänge kann normalerweise nicht beliebig groß gewählt werden und kann auch keinen entscheidenden Einfluß ausüben, weil die Spaltbreite eines Dichtkörpers über eine größere Länge praktisch nicht konstant zu halten ist. Die Spaltdichtungen unterliegen außerdem einem Verschleiß durch die Kolbenbewegung, der zu einer Verbreiterung des Dichtspaltes führt. Da die Dichtspaltbreite in der dritten Potenz in die Gleichung eingeht, nimmt mit zunehmendem Verschleiß die Leckmenge rasch zu.

Um eine ausreichende Schmierung und Kühlung einer aus parallelliegenden O-Ringen bestehenden Dichtungspackung eines Pumpenkolbens zu gewährleisten, ist bekannt (US-PS 30 30 117), auf den Kolben eine Drahtspule anzuordnen, die eine mit einer Schmierkanalnut versehene Kolbenoberfläche ergibt und die eine Ähnlichkeit mit einer Labyrinthdichtung hat. Diese Dichtungsanordnung kann aber keine gleichmäßige Labyrinthwirkung bei wechselnden und insbesondere hohen Drücken haben, da O-Ringe starken druckabhängigen Formänderungen unterworfen sind. Auch erfolgt bei der erwähnten Dichtungsanordnung ein dauerndes Reiben der auf dem Kolben angeordneten Drahtspirale mit den zylinderseitigen O-Ringen, so daß die Dichtung einem starken Abrieb unterliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Nachteile üblicher und bekannter Dichtungseinrichtungen eine Einrichtung zur Hydraulikkolbenabdichtung zu schaffen, die auch bei hohen Betriebstemperaturen und einer hohen Kolbenbewegungsfrequenz eine ausreichend gute Abdichtung der Kolben auch bei niederviskosen Flüssigkeiten gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Labyrinthdichtung durch mindestens einen Dichtungskörper gebildet ist, der als auf dem Kolben schwimmend angeordnete Dichtbüchse mit einem Labyrinthbereich ausgebildet ist.

Labyrinth-Abdichtungen sind bisher nur zur Abdich-

tung rotierender Wellen bekannt. Für diese Dichtungen gilt hinsichtlich der Leckmenge folgende Gleichung:

Qua = n-d-h-

Darin bedeutet d=Kolbendurchmessor, h = Spalthöhe zwischen Labyrinthstegspitze und Kolben, ;x = Beiwert = 0,75-0,8, o = 981 cm/s², y = spezifisches Gewicht des Mediums, zip= Druckdifferenz über die Dichtung, z= Anzahl der Labyrinthstegspitzen.

Die Gleichung zeigt die Überlegenheit einer Labyrinthdichtung bei niederviskosen Flüssigkeiten, da die Viskosität keinen Einfluß auf die Dichtungseigenschaften hat, die Dichtspalthöhe nur linear wirkt und der Druck des Mediums nur mit Wurzel _l/2Tp auf die Leckmenge einwirkt.

Die Verwendung von Labyrinthdichtungen zur Abdichtung von Hydraulik-Kolben von Hochdruck-Kolbenpumpen ist nicht naheliegend, da hier ein seit langem bestehendes Vorurteil zu überwinden ist, gemäß welchem Labyrinthdichtungen wegen ihrer großen Empfindlichkeit gegen den Abrieb der Labyrinthspitzen zur Abdichtung hin- und hergehender Teile nicht verwendet werden können. Es wurde hier ein Reiben der Kolben an den Spitzen befürchtet, das zu einer sofortigen und relativ starken Spaltvergrößerung führen müßte.

Dieses bestehende Vorurteil ist mit dem Anmeldungsgegenstand überwunden worden. Die befürchtete Reibung des Kolbens an den Labyrinthspitzen kann durch eine sichere Führung der Dichtungskörper vermieden werden, was erfindungsgemäß durch die Ausbildung der Dichtungskörper als schwimmend auf dem Kolben angeordneter Dichtbüchsen erreicht wird, die in beiden Endbereichen innere Führungsflächen aufweisen, die sich in Axialrichtung an den Labyrinthbereich der Dichtbüchse anschließen. Das Labyrinth kann bei den Dichtungskörpern zweckmäßig durch ein auf der dem Kolben zugewandten Innenwandung des Dichtungskörpers angebrachtes Feingewinde gebildet sein, das sich mit großer Genauigkeit und Gleichmäßigkeit ausbilden läßt.

Eine sichere Abdichtung unter Vermeidung einer Reibung des Kolbens mit den Labyrinthspitzen der Dichtung kann dadurch begünstigt werden, daß die Gesamtdichtung in mehrere in Axialrichtung aufeinanderfolgende Dichtbüchsen unterteilt ist, die sich auf dem Kolben alle radial schwimmend einstellen können. Die Führungsflächen an den Stirnseiten der Dichtbüchsen können zweckmäßig in eine Kegclmanielflächc übergehen, die den Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms in den als Gleitlagcrzonen wirksamen Führungsflächen begünstigen. Mit solchen Dichtbüchsen lassen sich auch sehr kleine Dichtspalten sicher beherrschen.

Für sehr hohe Drücke des Mediums kann die Labyrinthdichtung dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, daß die Dichtbüchsen von außen mindestens abschnittsweise unter der Druckeinwirkung des Betriebsmediums stehen. Dadurch wird ein Aufblähen der Dichtbüchsen mit entsprechender Spallhöhcn/.unahme verhindert. Vielmehr werden dadurch die Dichtbüchsen mit der Tendenz zur Dichtspaltverengung belastet. Die Dichtbüchsen können hierbei vorteilhafterweise unter Bildung eines äußeren und dem Betriebsmedium zugänglichen Ringspaltcs mit dem umgebenden Zy-

lindergehäuse auf den Kolben aufgeschoben und zweckmäßig zusätzlich an den Stirnflächen jeweils mit einer Abstufung versehen sein, die einen mit dem äußeren Ringspalt kommunizierenden radialen Ringspalt bildet. Durch diese Abstufung wird ein teilweiser Ausgleich des in Axialrichtung auf die Dichtbüchsen wirkenden Druckes erreicht. Gleichzeitig werden die Stoßflächen der aufeinanderfolgenden Dichtbüchsen verkleinert und dabei die Gefahr der Verkantung der Büchsen bei nichtfluchtenden Führungsflächenebenen beseitigt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung zur Hydraulik-Kolbenabdichtung kann dadurch erreicht werden, daß mindestens einer der seitlichen Abschlußringe, zwischen denen die Dichtbüchse oder der Dichtbüchsensatz angeordnet ist, auf seiner der Dichtbüchse abgewandten Seite an einem Zwischenkörper anliegt, der aus einem unter dem Einfluß des Betriebsmediums quellenden Material besteht. Dieser Zwischenkörper sorgt im Betrieb der Pumpe automatisch für einen gewissen Axialdruck, der die Dichtbüchse in Anlage gegen benachbarte Dichtbüchsen oder die anschließenden Abschlußringe hält. Dieser Zwischenkörper erleichtert auch die Dichtungsmontage, da bei der Montage nur darauf geachtet werden muß, daß die Dichtbüchsen mit geringem axialen Spiel angeordnet sind. Dieses Axialspiel wird bei Inbetriebnahme der Einrichtung durch den aufquellenden Zwischenkörper beseitigt. Ein Schiefziehen der Dichtbüchsen durch Ausübung eines einseitigen Axialdruckes bei der Montage der Dichtung wird vermieden, und die Dichtbüchsen können sich leichtgängig auf dem Kolben einstellen. Der Zwischenkörper laßt sich so zusammensetzen und dimensionicren, daß eine genau vorausbestimmbare axiale Vorspannung bei der Inbetriebnahme erreicht wird.

Bei sehr hohen Drücken ist es außerdem vorteilhaft, die Einrichtung gemäß der Erfindung so auszubilden, daß der quellbare Zwischenkörper zwischen dem Abschlußring und einem Verschlußringkörper angeordnet ist, der sowohl eine innere als auch eine äußere Umfangsnut zum Sammeln von Leckflüssigkeit aufweist und dessen beide Umfangsnuien miteinander und mit einem zur Saugscitc der Pumpen führenden Abflußkamil kommunizieren. So wird ein Ausfließen von Leckflüssigkeil nach außen vermieden und die Leckflüssigkeit auf die Saugseite der Zylinder/Kolben-Anordnung zurückgeführt. Dadurch wird die Abdichtung der ganzen Zylindereinheit gegen das unerwünschte Eindringen von Luft verbessert.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung, auf der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung /ur Abdichtung der Kolben einer Hochdruck-Kolbenpumpe mehr oder weniger schematisch dargestellt ist, beschrieben.

Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen zentralen Längsschnitt durch eine der Zylinder/Kolben-Anordnungen der Kolbenpumpe mit «.!er Abdichieinrichtung für diesen Kolben,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Dichtbüchse der Abclichteinriehtung in gegenüber F i g. I vergrößertem Maßstab.

F i g. 1 zeigt in schematisierter Anordnung einen Abschnitt 10 des Zylinderteils einer Hochdruck-Kolbenpumpe mit einem Ansaugkanal 11 und einem Druckkanal 12, die über ein Saugventil 13 bzw. ein Druckventil 14 mit einer Zylinderbohrung 15 in Verbindung stehen. In der Zylinderbohrung 15 ist der stabförmige Kolben 16

gelagert, der eine durch den Doppelpfeil 17 angedeutete hin- und hergehende Längsverstrebung ausführt.

Der Kolben ist im Bereich seines vorderen [indes in einem Ring 18 gelagert, der in den erweiterten hinteren Teil der Zylinderbohrung 15 mit Anschlag gegen die Bohrungsschulter 19 eingesetzt ist. In diesem erweiterten hinteren Teil der Zylinderbohrung 15 ist auch die Einrichtung zur Abdichtung des Kolbens 16 untergebracht. Sie besteht aus zwei gleichen, hintereinander aiii den Kolben 16 aufgeschobenen Dichtbüchsen 19 und 20. deren Aufbau in Verbindung mit Fig. 2 näher erläutert wird. Die erste Dichtbüchse 19 stößt mit ihrer einen Stirnseite gegen den Lagerring 18. An die andere Dichtbüchse 20 schließt sich in axialer Richtung ein Abschlußring 21 an, auf welchen ein Verschlußringkörper 22 folgt. Die ganze Abdichtungscinrichtung wird mittels einer mit dem Zylinderteil der Pumpe verschraubten Abschlußplatte 23 in dem erweiterten Teil der Zylinderbohrung 15 gehallen.

Auf dem Verschlußringkörper 22 ist in Anlage an den Abschlußring 21 ein ringförmiger Zwischenkörper 24 angeordnet, der aus einem Material besteht, das bei einer Berührung mit dem flüssigen Betriebsmedium aufquillt und dadurch automatisch in der Zylinderbohrung eine bestimmte Axialvorspannung bewirkt, durch welche die einzelnen Teile gegeneinander gehalten bleiben und an einer Axialbewegung gehindert werden.

In den Verschlußringkörper 22 ist auf seiner äußeren Stirnseite eine Dichtmanschettc 25 eingesetzt, die das Eindringen von Luft von außen in die Abdichtungseinnchtung verhindert. Das Austreten von Leckflüssigkeit nach außen wird durch eine äußere Unifangsnut 26 und eint· innere Unifangsnut 27 des Verschlußringkörpers verhindert, die miteinander durch Querkanäle 28 verbunden sind und die mit einem im Zvlinderteil der

ausgebildeten Abllußkanal 29 kommunizieren, der in den Ansaugkanal 11 mündet. Über diese Ringnuten 26 und 27 und den Abflußkanal 29 wird die auftretende Leckflüssigkeit abgeführt.

Wie aus dem Schnillbild der Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Dichtbüchsen 19 und 20 auf ihrer Innenseite mit einem Labyrinthbereich 30 versehen, dessen die Dichtspalthöhc bestimmende l.abyrinlhspitzen 31 durch die Stege eines Feingewindes mit dreieck- oder trapezförmigem Gangprofil gebildet werden. Die Dichtbüchse weist auf ihrer Innenseite an beiden Lnden, vom Labyrinthbereich 30 durch Ringnuten 32 getrennte l'ühnmgsflächcn 33 und 34 auf, die so ausgebildet sind, daß beim Aufliegen dieser Führungsflächen auf dem Kolben 16 keine Berührung der Labyrinthspitzen 31 mit tier Kolbenflächc stattfindet. An den Stirnseiten der Dichibüchsen 19 oder 20 gehen die Führungsflächen 33 und 34 jeweils in eine Kegclnianielfläche 35 oder 36 über, welche die Ausbildung eines Schmierfilmes auf den I ühruiigsflächen 33 und 34 bei der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 16 begünstigen.

Die Dichibüchsen 19 und 20 sind auf ihren Stirnseiten nach außen mit einer Abstufung 37 oder 38 versehen, durch welche der Anschlagbcrcich 39 und 40 der Stirnseiten auf einen relativ schmalen Ringbereich mit den bereits eingangs erwähnten Vorteilen beschränkt ist. Gleichzeitig werden durch diese Abstufungen 37 und 38 radiale Ringspalte 41 gebildet, die gemäß F i g. 1 mit Umfangsringspalien 42 in Verbindung stehen, die zwischen der Außenfläche 43 der Dichtbüchsen 19 und 20 und der Wandung des erweiterten Teils der Zylinderbohrung bestehen und in welche das Druckmedium unter Bildung eines teilweisen Druckausgleiches eintreten kann. Die Wirkung dieser Ringspalte ist bereits eingangs erwähnt worden.

Hierzu I Blatt ZeicMiiimiien

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Hydraulik-Kolbenabdichtung, insbesondere bei Hochdruck-Kolbenpumpen, mit einer den Kolben an der abzudichtenden Stelle umgebenden Labyrinthdichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Labyrinthdichtung durch mindestens einen Dichtungskörper gebildet ist, der als auf dem Kolben (16) schwimmend angeordnete Dichtbüchse (19, 20) mit einem Labyrinthbereich (30) ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Labyrinthbereich (30) durch ein auf der dem Kolben (16) zugewandten Innenwandung des Dichtungskörpers (19, 20) angebrachtes Feingewinde gebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtbüchse (19, 20) in beiden Endbereichen innere Führungsflächen (33, 34) aufweist, die sich in Axialrichtung an den Labyrinthbereich (30) der Dichtbüchse (19, 20) anschließen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (33, 34) an den Stirnseiten der Dichtbüchse (19, 20) in eine Kegeimantelfläche (35,36) übergehen.

5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtbüchse (19, 20) von außen mindestens abschnittsweise unter der Druckeinwirkung des Betriebsmediums steht.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtbüchse (19, 20) unter Bildung eines äußeren und dem Betriebsmedium zugänglithen Ringspaltes (42) mil dem umgebenden Zylindergehäuse (10) auf den Kolben (16) aufgeschoben und an den Stirnflächen jeweils mit einer Abstufung (37, 38) versehen ist, die einen mit dem äußeren Ringspalt (42) kommunizierenden radialen Ringspalt (41) bildet.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1—6. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dichtbüchsen (19, 20) in Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.

8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtbüchse (19, 20) oder der Dichtbüchsensatz zwischen seitlichen Abschlußringer! (21) angeordnet ist, von denen mindestens einer auf seiner der Dichtbüchse (20) abgewandten Seite an einem Zwischenkörper (24) aus einem unter dem Einfluß des Betriebsmediums quellbaren Material anliegt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der quellbare Zwischenkörper (24) zwischen dem Abschlußring (21) und einem Verschlußringkörper (22) angeordnet ist, der sowohl eine innere als auch eine äußere Umfangsnut (26,27) zum Sammeln von Leckflüssigkeit aufweist, und daß die beiden Umfangsnuten (26, 27) miteinander und mit einem zur Saugseite der Pumpe führenden Abflußkanal (29) kommunizieren.

benpumpen, mit einer den Kolben an der abzudichtenden Stelle umgebenden Labyrinthdichtung.

Zur Abdichtung von unter Hochdruck stehenden Hydraulik-Kolben werden üblicherweise Packungen aus relativ weichem Dichtungsmaterial verwendet. Bei Kolben, die mit Drucköl oder einem anderen Medium mit entsprechender Viskosität beaufschlagt werden, können auch Dichtungen verwendet werden, die einen ausreichend engen Dichtspalt ergeben.

Weichpackungen, die normalerweise gute Dichteigenschaften aufweisen, versagen jedoch, wenn relativ hohe Betriebstemperaturen erreicht werden und größere Kolbengeschwindigkeiten auftreten. Spaltabdichtungen haben ebenfalls Nachteile. Für sie gilt bezüglich ihrer Leckmenge !Olgende Gleichung: