DE2362303C2 - Hydropneumatischer Membranspeicher - Google Patents
Hydropneumatischer MembranspeicherInfo
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Description
55
Die Erfindung betrifft einen hydropneumatischen Membranspeicher gemäD dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
Bei einem bekannten gattungsgemäßen Membranspeicher (US-PS 23 00 722) weist die Membran an jeder
Seite ihres Randes einen Wulst auf, welcher in eine zugehörige Ringnut eingreift, die in der Stirnfläche der
zugehörigen Hohlkugelhälfte ausgebildet ist. Die Membran teilt das Innenvolumen des hohlkugelförmigen
Gehäuses in zwei Teile, von denen der eine mit unter Druck stehendem Gas gefüllt wird und der andere
Teil zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit dient.
Hydropneurnatische Membranspeicher müssen, bevor sie in den Handel gehen, mit Prüfdruck beaufschlagt
werden, der das l,5fache des maximalen Druckes beträgt, für den der Speicher zugelassen ist und der
Stempeldruck genannt wird. Eine Eigenart bekannter gattungsgemäßer Membranspeicher liegt darin, daß die
Membran beim Beaufschlagen des Membranspeichers mit Prüfdruck dazu neigt, in den Bereich der
mechanischen Anlage zwischen den beiden Hohlkugelhälften zu fließen und dadurch, insbesondere beim
nachfolgenden Druckentlasten, beschädigt zu werden. Einer der Gründe dafür liegt darin, daß sich die
Halbkugeln bei dem sehr hohen Prüfdruck etwas voneinander entfernen, so daß sich ein Spalt bildet, in
den das Membrarimaterial hineinfließt
Aus der DE-OS 20 09 487 ist ein Membranspeicher bekannt, zwischen dessen beiden Gehäusehälften ein
Stahlring eingespannt ist, an welchen der verdickte Randbereich der Membran großflächig anvulkanisiert
ist Dieser Stahlring bildet einen Teil der innenseite der Membran und ist konisch geformt, wobei er die gesamte
Stirnseite des Membranrandes bedeckt. Die Membran selbst ist nirgends zwischen beiden Gehäusehälften
eingespannt und weist keinen Wulst auf, mit dem sie formschlüssig in eine Nut einer Gehäusehälfte eingreift.
Die Membran des Membranspeichers gemäß der DE-OS 20 09 487 bildet zusammen mit dem Stahlring
ein verhältnismäßig kompliziertes Bauteil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Membranspeicher dahingehend
weiterzubilden, daß er das Beaufschlagen mit Prüfdruck ohne jedwelche Schäden besteht und entsprechend eine
große Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Die erfindungsgemäße Verstärkung des Randes der Membran verhindert jedwelches Fließen von Material
bei Beaufschlagen des Membranspeichers mit Prüfdruck.
Für die Ausbildung der Verstärkung bestehen zahlreiche Möglichkeiten. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Verstärkung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise und mit vorteilhaften Einzelheiten erläutert. Es stellt dar
Fig. 1 eine Teilansicht eines herkömmlichen Membranspeichers,
Fig.2 eine Ansicht gemäß Fig. 1 nach teilweisem
Lockern der oberen Hohlkugelhälfte, F i g. 3 eine Teilansicht der Membran gemäß F i g. 2,
Fig.4 und 5 zwei Ansichten zur Darstellung des Aufbaus einer Membran für den erfindungsgemäßen
Membranspeicher,
F i g. 6 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Membranspeichers,
F i g. 7 eine Detailansicht der F i g. 6 nach Beaufschlagung
mit Prüfdruck,
Fig.8 eine Detailansicht zur Darstellung eines Membranspeichers gemäß F i g. 1 nach Prüfung.
Zur Verdeutlichung der weiter unten erläuterten Erfindung wird zunächst ein herkömmlicher hydropneumatischer
Membranspeicher beschrieben. Er weist gemäß Fig. 1 zwei Hohlkugelhälften 1 und 2 auf, die
gegeneinandergeklemmt werden, bis der untere Rand der Hohlkugelhälfte 2 in Anlage an eine Ringschulter 10
der Hohlkugelhälfte 1 kommt. Zwischen den beiden
Hohlkugelhälften 1 und 2 ist durch Klemmen eine elastomere Membran 3 befestigt, die einen Ansatz bzw.
Wulst 3a aufweist, der ihre Verankerung bewirkt. Ein ein Ventil bildendes Teil 4 ist am unteren Bereich der
Membran 3 angeordnet und deckt, wenn der Membranspeicher
von Flüssigkeit entleert ist, eine öffnung 5 ab,
durch die die Flüssigkeit ein- oder ausströmt Das unter Druck stehende Gas strömt durch eine obere öffnung
ein, die mit einem Stopfen 6 versehen ist.
Bei Ausführungsformen mit mittlerem oder großem Fassungsvermögen hat man festgestellt, daß das
Material, aus dem die Membran 3 besteht, die Neigung hat, zu fließen, wenn die vorgeschriebene Prüfung
durchgeführt wird Diese Prüfung besteht darin, daß, nachdem der Stopfen 6 herausgezogen wird, in die
Öffnung Flüssigkeit eingeleitet wird und die Anordnung einem inneren Druck gleich 1,5 · Stempeldruck ausgesetzt
wird. Beispielsweise wird ein Membranspeicher mit einem Stempeldruck von 400 Bar einen Prüfdruck
von 600 Bar ausgesetzt.
Nach dem Beaufschlagen mit einem Prüfdruck von 600 Bar stellt man nach Losschrauben der Hohlkugelhälfte
2 (F i g. 2 und 3) eine Beschädigung der Membran 3 am Außendurchmesser des Wulstes 3a fest. Die
Membran 3 weist einen Abschub von Kautschuk längs des ganzen Umfanges auf und man findet nach
vollständigem Ausbau eine Ringhaut mit dem Durchmesser des Wulstes und einer mittleren Breite von 0,3
bis 0,5 mm. die stellenweise bis zu 3 mm betragen kann (Fig. 3).
Die Membran ist daher beschädigt; diese Beschädigung führt aber erst nach Hunderten von Betriebsstunden
zu einer Undichtigkeit, die zeigt, ob der Speicher bei seiner Prüfung beschädigt wurde oder nicht.
Die Anmelder haben herausgefunden, daß dieser Materialfluß seine Ursache darin hat, daß die beiden
Hohlkugelhälften 1 und 2 unter der Wirkung des Prüfdruckes die Neigung haben, sich voneinander zu
entfernen, so daß der untere Rand der Hohlkugelhälfte 2 nicht mehr in Berührung mit der Schulter 10 ist; der
ganze Vorgang beruht auf einer elastischen Verformung des Gewindestahls. Um dies zu vermeiden, würde es
genügen, bei dem Zusammenbau die beiden Teile 1 und 2 mit einem Drehmoment zu verschrauben, das eine
Vorspannung sicherstellt, die größer ist als die Kraft, die versucht, die beiden Teile voneinander zu trennen.
Dieses Spannen ist relativ leicht bei Speichern kleinen Fassungsvermögens durchzuführen. Bei Speichern mittleren
und vor allem großen Fassungsvermögens (beispielsweise 50 1) sind zum Verspannen Drehmomen- so
te der Größenordnung 50 · 104 Nm notwendig.
Man kommt so:
zu einer ersten Unmöglichkeit, weil die Beaufschlagung
mit so großen Drehmomenten voraussetzt, Hohlkugelhälften 1 und 2 sehr fest in den
Werkzeugen eingespannt werden, wodurch sich das Gewinde verformt, sich verkeilt und dadurch
verhindert wird, daß sich das angewandte Drehmoment in einer Verformung des Stahls bemerkbar
macht, d. h. durch eine Vorspannung,
zu einer zweiten Unmöglichkeit, weil, wenn eine solche Vorspannung tatsächlich erreicht wird, sie immer zu dem Beginn eines Fressens im Bereich des mechanischen Anschlags zwischen 1 und 2 führt und gleichzeitig zu einem Fressen der Gewinde selbst führt.
zu einer zweiten Unmöglichkeit, weil, wenn eine solche Vorspannung tatsächlich erreicht wird, sie immer zu dem Beginn eines Fressens im Bereich des mechanischen Anschlags zwischen 1 und 2 führt und gleichzeitig zu einem Fressen der Gewinde selbst führt.
Erfindungsgemäß versieht man die Membran um den ganzen äußeren Umfang des Wulstes mit einer
Auskehlung 8 (Fig.4) und bringt dort einen Ring 9 (Fig.5) mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt
an, dessen Seiten die gleichen Abmessungen haben wie die benachbarten Seiten der Auskehlung 8
und erhält so einen Membranspeicher, der im zusammengebauten Zustand wie in Fig.6 dargestellt
aussieht
Der Querschnitt des Rings 9 ist quadratisch (oder rechteckig) mit einer Seitenlänge des Quadrates (oder
der kleineren Seite des Rechtecks) zwischen 0,3% und 2% des maximalen Durchmessers des Rings.
Der Querschnitt des Rings 9 kann rechteckig oder quadratisch sein, Versuche haben gezeigt daß es bei
rechteckigem Querschnitt des Rings 9 vorteilhaft ist wenn die Dicke des Rings größer ist als die Differenz
zwischen Außen- und Innendurchmesser, wodurch ein Verdrehen des Rings beim Einbau vermieden wird. In
diesem FaJl sollte die Dicke des Ringes wenigstens das l,5fache der Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser,
vorzugsweise das 2,5: bis 3fache der Differenz zwischen seinem Innen- und Außendurchmesser
betragen.
Der Ring 9 ist vorzugsweise kontinuierlich, kann aber auch in Segmentform ausgeführt sein.
Vorteilhafterweise besteht der Ring 9 aus hartem Kunststoff; dies ist wichtig, damit der Ring aus einem
Material mit einer derartigen Widerstandsfähigkeit gegen Kompression besteht, daß er sich bei einem
Druck, der etwas größer als der Prüfdruck für den Membranspeicher ist, nicht verformt.
Diese Anordnung unterdrückt jeglichen Materialfluß und infolge davon jegliche Beschädigung der Membran,
wodurch die Lebensdauer des Speichers wesentlich verlängert wird.
Zum Erleichtern des Zusammenbaus ist es vorteilhaft, die Abmessungen des Rings 9 so zu wählen, daß sein
Außendurchmesser etwas kleiner als der seiner Lagerung in der Hohlkugelhälfte 1 ist, während sein
Innendurchmesser etwas kleiner als der der Auskehlung 8 in der Membran 3 ist: Dies führt einerseits dazu, daß
der Ring 9 die Membran 3 leicht umspannt und andererseits dazu, daß die Baugruppe aus Ring 9 und
Membran 3 in einfacher Weise angeordnet werden kann. Das geringe Spiel bedeutet keinerlei Nachteil, weil
die unter Druck gesetzten Teile angeordnet werden.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform ist die Membran 3 längs ihres gesamten Umfangs mit einer
Verstärkung aus Gewebe versehen, das in dem die Membran bildenden Material eingebettet ist und die
gleiche Funktion erfüllt wie der Ring 9, d. h. jeglichen Fluß des Materials, das die Membran bildet, verhindert.
In einem hydropneumatischen Membranspeicher, dessen Fassungsvermögen 1 1 beträgt und der einen
Stempeldruck von 400 Bar aufweist, hat man eine einfache, gebräuchliche Membran angeordnet.
Nach Erreichen eines Druckes von 600 Bar wurde die obere Hohlkugelhälfte losgeschraubt und es wurde ein
Abschieben von Material, das einen Ring bildete, längs des, ganzen oberen Umfanges des Membranwulstes
festgestellt.
Die Membran wurde durch eine gleiche Membran mit einem Außendurchmesser von 141,3 mm ersetzt, die
eine quadratische Auskehlung von 1.5 mm · 1,5 mm aufwies. In dieser Auskehlung wurde ein durchgehender
Ring mit quadratischem Querschnitt von 1,5 mm Seitenlänge und einem Durchmesser von 1413 mm aus
Nylon angeordnet Die Hohlkugelhälfte wurde wieder montiert Der Versuchsdruck von 600 Bar wurde in
100 Zyklen von herauf bis 600 Bar und herunter bis 0 Bar aufgebracht.
Um vergleichbare Versuchsergebnisse zu erhalten, wurden im Versuchsstand ein erfindungsgemäß abgeänderter
Membranspeicher und fünf nicht abgeänderte Membranspeicher aufgestellt.
Der erste Druckanstieg wurde 2 Minuten lang aufrechterhalten und während den folgenden Zyklen
wurde der Druck 20 Sekunden lang aufrechterhalten. Am Ende des Versuches betrug die Temperatur der
Hohlkugelhälften 65°.
Am Ende des Versuches zeigte der erfindungsgemäße Membranspeicher keinerlei Undichtigkeit, während
zwei der fünf nicht abgeänderten Membranspeicher leicht leckten.
Die sechs Membranspeicher wurden daraufhin zerlegt und beim erfindungsgemäßen Speicher wurde
keinerlei Beschädigung der Membran und des Rings aus Nylon festgestellt, während bei den fünf anderen
Speichern das Material längs des ganzen Randes des Wulstes abgeschoben bzw. abgeschert und in den Raum
unter dem Gewinde der Hohlkugelhälfte 2 eingepreßt war, wie in F i g. 8 dargestellt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Hydropneumatischer Membranspeicher, bei dem das elastische Material einer elastischen
Membran unmittelbar zwischen zwei sich gegenüberliegenden Flächen zweier gegeneinandergepreßter,
die beiden Gehäusehälften des Membranspeichers bildende halbe Hohlkugeln geklemmt ist,
wobei die Räche einer Hohlkugelhälfte eine Nut aufweist, in die ein an einer Seite des Randes der jo
Membran ausgebildeter Wulst eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Membran
(3) längs des gesamten Umfangs an der dem Wulst (3a) abgewandten Seite und der Außenseite eine
Verstärkung aus einem Material mit gegenüber dem Membranmaterial erhöhter Festigkeit aufweist,
welche Verstärkung sich bei Beaufschlagen des Membranspeichers mit Prüfdruck nicht verformt.
2. Membranspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung durch einen
Ring (9) gebildet ist, welcher in einer Auskehlung (8) der Membran (3) angeordnet ist.
3. Membranspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rings (9)
quadratisch oder rechteckig ist, wobei die Abmessung der kleineren Seite zwischen 0,3% und 2% des
maximalen Durchmessers des Rings (9) beträgt.
4. Membranspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rings (9)
rechteckig ist, wobei die Dicke des Rings (9) größer ist als die Differenz zwischen seinem Außen- und
Innendurchmesser.
5. Membranspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Rings (9)
wenigstens das l,5fache der Differenz zwischen seinem Außen- und Innendurchmesser, vorzugsweise
das 2,5- bis 3fache dieser Differenz, beträgt.
6. Membranspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,, daß die Abmessungen
des Rings (9) derart festgelegt sind, daß sein Außendurchmesser etwas kleiner als der seiner
Lagerung in der Halbkugel (1) ist und sein Innendurchmesser etwas kleiner als der der
Auskehlung (8) in der Membran (3) ist.
7. Membranspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus nicht
elastischem Material besteht, das in die Masse des Wulstes (3a) eingegossen ist.
8. Membranspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus einer oder
mehreren Fasern besteht, die den Wulst (3a) der Membran in dessen oberen Bereich umgeben und in
das Membranmaterial eingegossen sind.
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