DE2653632A1 - Vorrichtung zum verbessern der abdichtwirkung am kolben einer stichlochstopfmaschine fuer schachtoefen - Google Patents

Description

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LANDWEHRSTR. 35 80OO MÜNCHEN 2 TEL. 0 89/55 5719

München, den 2k. November 1976 Anwaltsaktenz.: 194 - Pat. 3

S.A. des Anciens Etablissements PAUL WURTH, 32, rue d'Alsace Luxembourg

Vorrichtung zum Verbessern der Abdichtwirkung am Kolben einer Stichlochstopfmaschine für Schachtofen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbessern der Abdichtwirkung am Kolben einer Stichlochstopfmaschine für Schachtofen, insbesondere für mit hohem Gegendruck arbeitende Hochöfen.

Die Abstichlöcher eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens werden bekanntlich mit einer Stopfmasse verschlossen, die meist aus Lehm oder -einer wasserfreien, schnell härtenden Masse besteht, und mittels einer Stichloch-

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stopfmaschine unter sehr hohem Druck in das Stichloch, eingepresst wird. Diese Stichlochstopfmaschinen weisen einen Massezylinder auf mit einem verschiebbaren Kolben um die Stopf masse durch, das Mundstück der Stopfmaschine hindurch in das Stichloch hineinzupressen. Der hohe Gegendruck an den modernen Hochöfen sowie die besonderen Eigenschaften der heute verwendeten Stopfmassen bedingen sehr hohe Drücke zum Verschliessen der Stichlöcher; dies ist einer der Gründe warum der Kolben moderner Stichlochstopfmaschinen fast ausschliesslich mit Hilfe eines Hydraulikzylinders betätigt wird.

Grundsätzlich muss der Aussendurchmesser des Kolbens etwas kleiner sein als der Innendurchmesser des Stopf Zylinders um ein Blockieren des Kolbens zu verhindern. Ein solches Blockieren des Kolbens könnte durch thermische Verformungen der Stopfzylinderwandung auftreten, aber auch durch kleine, schmirgelnde Partikel , welche in der Stopfmasse enthalten sind. Wegen dieses notwendigen Spieles zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Wandung des Stopfzylinders sieht man in den heute hergestellten Stopfmaschinen einen oder mehrere Kolbenringe vor, um eine gewisse Abdicht wirkung zu erzielen und um zu verhindern, dass die Stopfmasse aussen am Kolben entlang zur Kolbenstangenseite hin durchtritt, wenn der Kolben betätigt wird um die Stopf masse durch das Mundstück der Stopfmaschine hindurch hinauszupressen.

Wenn diese Kolbenringe auch bisher mit mehr oder weniger gross em Erfolg verwendet wurden und es ermöglicht haben eine annehmbare Abdichtwirkung zu erzielen, so ist dies jedoch nicht mehr der Fall bei modernen Konstruktionen bei welchen diese Stopfmaschinen mit Nenndrücken arbeiten, welche bis zu 200 bar und darüber gehen können. Der Grund hierfür ist, dass die Kolbenringe nicht stark genug in die Wandung des StopfZylinders angedrückt werden und folglich nicht in der Lage sind,dem hohen Druck der Stopfmasse standzuhalten, sodass diese trotzdem zwischen den Kolbenringen

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und der Zylinderwandung hindurch-^tritt. Man hat versucht diesen Mangel zu beheben indem nur ein einziger Kolbenring mit grossem Querschnitt und hoher Vorspannung vorgesehen würde. An und für sich wird durch den grossen Querschnitt dieses Einzelkolbenrings eine grössere radiale Spannkraft erzielt. Man hat zudem versucht die hintere Stirnfläche dieses Einzelkolbenrings schräg gegenüber der Stopfzylinderwandung auszugestalten, um sie mit.der vorderen ebenfalls abgeschrägten, d.h. kegelstumpfförmig ausgestalteten vorderen Stirnfläche des Kolbens zusammenwirken zu lassen in der Weise, dass beim Druckhub des Kolbens der Kolbenring durch die Wirkung dieser schrägen, bzw. kegelstumpfförmigen Berührungsfläche radial nach aussen gedrückt wird.

Damit diese abgeschrägte Rückseite des Kolbensrings tatsächlich eine Wirkung hat, d.h. den Kolbenring radial nach aussen spannt, muss die vordere, d.h. die masseseitige Stirnfläche dieses Kolbenrings beim Betätigen des Kolbens ebenfalls mit einer Kraft beaufschlagt werden, was der Fall ist, wenn sie mit der Stopfmasse in Brührung steht. Um letztere Bedingung zu erfüllen, wird nach dem Stand der Technik eine Ringnut für den Kolbenring vorgesehen, welche durch die vordere Stirnfläche des Kolbens, einen abgesetzten Zentrierabschnitt • an letzterem und eine an diesem Zentrierabschnitt angebrachte Deckscheibe zum Halten des Kolbenrings gebildet wird, wobei diese Deckscheibe die Ringnut wenigstens zum Teil nach vorne abdeckt. Diese Ringnut zur Aufnahme des Kolbenrings ist breiter und auch tiefer als die entsprechenden Abmessungen des Kolbenrings, sodass die Stopfmasse aussen an der Deckscheibe entlang in den Spalt zwischen der vorderen Stirnfläche des Kolbenrings und der Deckscheibe eintreten kann, sowie auch zwischen die Innenfläche des Kolbenrings und den Zentrierabschnitt des Kolbens, sodass der Druck der Stopfmasse auf die vordere Stirnfläche und die Innenfläche des Kolbenrings einwirkt und damit eine radial nach aussen wirkende Andrück-

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kraft beim Druckhub des Kolbens am Kolbenring erzeugt wird.

Durch diese Ausgestaltung des Kolbenrings und seiner Führungsnut war es jedoch nicht möglich,alle Abdichtprobleme an Hochdruckstopfmaschinen zu lösen, da bei dieser Ausführung von Kolbenring und Führungsnut der Druck der Stopfmasse nur indirekt auf den Kolbenring übertragen wird, da die Stopfmasse nur aussen um die Deckscheibe herum an die zu beaufschlagenden Flächen des Kolbenrings gelangt. Dies .hat zur Folge, dass die vom Stopfmassendruck und der schrägen Ausgestaltung der hinteren Stirnfläche des Kolbenrings herrührende, radiale Anpresskraft auf den Kolbenring wenn nicht ganz aufgehoben, sodoch ganz wesentlich reduziert wird. Ein anderer Hachteil dieser Ausführung besteht darin, dass die Stopfmasse erhärtet und zwischen der Deckscheibe und dem Kolbenring, sowie zwischen letzterem und seiner Führung eine Kruste bildet, sodass die angestrebte Wirkung nach und nach verschwindet. Im Zusammenhang mit dem axialen Spiel des Kolbenrings tritt, wenn der Kolben nach einem Stopfvorgang zurückgeführt wird, ein Phänomen anderer Art auf. Beim Zurückgehen des Kolbens wird nämlich der Kolbenring gegen seine Deckscheibe gedruckt,sodass ein Spiel zwischen dem Kolbenring und der vorderen, kegelstumpfförmigen Stirnfläche des Kolbens entsteht. Die Stopfmasse, welche sich zwischen der Innenfläche des Kolbenrings und dem Führungsabschnitt des Kolbens befindet und noch nicht erhärtet ist, tritt dann hinter den Kolbenring, zwischen diesen und die kegelstumpfförmige Stirnfläche des Kolbens,und bildet dort nach und nach eine Kruste zwischen dem Kolbenring und der vorderen kegelstumpfförmigen Stirnfläche des Kolbens, welche nicht nur die Wirkung der Schrägfläche des Kolbenrings und der Stirnfläche des Kolbens aufhebt, aber darüberhinaus auch noch die Ursache einer schnellen-Beschädigung des Kolbenrings sein kann, indem die von der Stopfmasse herrührenden Druckkräfte ungleichmässig auf den Kolbenring übertragen werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kolbenringe zu schaffen, welche die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeiden oder zumindest wesentlich reduzieren und welche es, unabhängig von der Beschaffenheit der Stopfmasse, ermöglichen,eine gute Abdichtung zwischen Vorder- und Rückseite des Kolbens während dem Stopfvorgang zu erzielen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Kennzeichen der Unteransprüche hervor.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt· und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1, einen Längsschnitt durch einen Stopf zylinder mit einer ersten Ausgestaltung des Stopfkolbens:

Figur 2, eine Ansicht auf die Stirnfläche des Kolbens nach Figur 1;

Figur 2a, Einzelheiten von Kolbenringen;

Figur 3» eine Teildarstellung der Figur 1 in ver- · grössertem Masstab;

Die Figuren 4 und 5, Längsschnitte durch zwei Ausführungsvarianten der Ausgestaltung nach Figur 3J Figur 6, ein zweites Ausgestaltungsbeipiel; Figur 7, ein drittes Ausgestültungsbeispiel;

Figur 7a, eine Einzelheit des Kolbenrings des Ausgestaltungsbeispiels nach Figur 7;

Figur 8, ein viertes Ausgestaltungsbeispiel;

Figur 8a, eine Einzelheit des Kolbenrings des Ausgestaltungsbeispiels nach Figur 8;

Die Figuren 9 und 10, in schematischer Darstellung die Kräfteverteilung an einem Kolbenring, dessen vordere Stirnfläche schräg ausgestaltet ist, bzw. einen Kolbenring,

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dessen vordere tmd hintere Stirnfläche schräg in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens ausgestaltet sind.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Referenzzahlen versehen.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung. In den Figuren 1 und 2 (wobei die Figur 1 ein Teilschnitt gemäss der Schnittlinie A-A der Figur 2 ist) ist ein Kolben 2 dargestellt, welcher im Stopfzylinder 4 einer Stichlochstopfmaschine für Schachtofen längsverschieblich angeordnet ist. Dieser Kolben 2 wird in der Richtung des Pfeils (Figuren 1 und 3) mittels eines nicht gezeigten Hydraulikzylinders, mit welchem er durch eine Kolbenstange 6 verbunden ist, im Zylinder verschoben um eine Stopfmasse, meist Lehm, durch das sich verjüngende Mundstück des Stopfzylinders 4 auszustossen.

Das Problem besteht darin zu .verhindern, dass Stopfmasse von der Stirnseite des Kolbens 2, d.h. von links, nach der Rückseite desselben, d.h. nach rechts, zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Innenwandung des Stopfzylinders 4 hinübertritt. Eine solche Leckage der Stopfmasse kann umso eher auftreten, als die auf die Stopfmasse in modernen Stichlochstopfmaschinen ausgeübten Drücke bis zu 200 bar und darüber gehen können. Es muss wiederholt werden, dass ein bestimmter Ringspalt zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Wandung des Stopfzylinders vorhanden sein muss, um ein Blockieren des Kolbens zu verhindern, welches auf Grund von eventuellen thermischen Verformungen der Zylinderwand auftreten könnte oder auch durch in der Stopfmasse enthaltene,schmirgelnde Partikel.

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Um diese Leckage von Stopfmasse nach der Kolbenstange 6 des Kolbens 2 Mn auf ein Minimum zu reduzieren, wird der Kolben im allgemeinen mit federnden Kolbenringen versehen, welche sich beim Verschieben des Kolbens eng an die Innenwandung des Stopfzylinders 4 anlegen. Es muss darauf hingewiesen werden, dass, sollen die Kolbenringe die ihnen zugedachte Aufgabe erfüllen, sie mit verhältnismässig grossen Kräften gegen die Wandung des Stopfzylinders angedrückt werden müssen, um dem Druck standzuhalten, mit welchem die Stopfmasse nach hinten durchtreten will.

Die Erfindung sieht die Verwendung von einem oder zwei Kolbenringen vor, welche mindestens eine Stirnfläche haben, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens schräg ausgestaltet ist, um auf diese Weise einen Teil der Kolbenschubkraft in eine Radialkraft zu verwandeln, welche den oder die Kolbenringe zu spreizen versucht und fest gegen die Wandung des StopfZylinders 4 andrückt.

In einem ersten, in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausgestaltungsbeispiel, werden zwei Kolbenringe 8 und 10 verwendet, welche alle beide einen trapezförmigen Querschnitt haben und in der aus den Figuren 1 bis 3 hervorgehenden Weise auf dem Kolben 2 montiert sind. Die vordere, d.h. die masseseitige Stirnfläche des Kolbenrings 10, sowie die Rückseite des Kolbenrings 8, welche sich an der vorderen Stirnfläche 3 des Kolbens 2 abstützt, sind in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens schräg ausgeführt, in der Weise, dass ein Schnitt durch beide Kolbenringe eine sich nach der Zylinderachse hin verjüngende Fläche bildet. Es muss bemerkt werden, dass die Neigung der Rückseite des Kolbenrings 8 genau derjenigen der vorderen Stirnseite 3 des Kolbens 2 entspricht und umgekehrt.

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Diese beiden Kolbenringe werden durch, eine sternförmige Deckscheibe 12 gehalten. Diese sternförmige Deckscheibe 12 weist eine mittige Bohrung auf, welche an einer Zentrierfläche 5 zum Anliegen gebracht werden kann. Diese Zentrierfläche 5 ist eine annähernd horizontal verlaufende Verlängerung der schrägen Stirnfläche 3 des Kolbens 2. Die Scheibe 12 weist eine Anzahl von raüLalen Vorsprünge'n oder Fingern 14 auf mit je einer Bohrung zur Aufnahme eines Befestigungsbolzens 18, mittels deren die Scheibe 12 mit dem Kolben 2 verschraubt wird. Die Finger 14 weisen sämtlich an ihrer Rückseite eine Aussparung auf, welche in der Form dem Verlauf der Stirnfläche und der Innenseite der Kolbenringe 8 und 10 entspricht, so dass diese durch sämtliche Finger 14 der sternförmigen Deckscheibe 12 gehalten sind.

Ein wichtiges Merkmal ist darin zu sehen, dass die geneigte Stirnfläche des Kolbenrings 10 sowie die Bohrung oder Innenseite der beiden Kolbenringe 8 und 10 in den Abschnitten zwischen den Fingern 14 der sternförmigen Deckscheibe 12 vollständig von der Stopfmasse beaufschlagt sind. Die Gesamtfläche dieser zwischen den Fingern 14 gelegenen Abschnitte ist vorzugsweise grosser als diejenige der durch die Finger 14 verdeckten Abschnitte, sodass mehr als 50$ der Stirnfläche des Kolbenrings 10 und der Bohrung der beiden Kolbenringe 8 und 10 von der Stopfmasse beaufschlagt sind und somit direkt dem Reaktionsdruck der Stopfmasse beim Arbeitshub des Kolbens 2 ausgesetzt sind.

Die Kolbenringe 8 und 10 sind von offener Bauart, haben also in entspanntem Zustand, d.h. vor der Montage, einen Aussendurchmesser, der grosser ist als der Innendurchmesser des Zylinders 4. Bei der Montage müssen diese Kolbenringe demzufolge vorgespannt werden, wodurch sie eine radiale Spannkraft erhalten und somit permanent gegen die Wandung des StopfZylinders angedrückt werden. Der Stoss oder Schlitz 8a des Kolbenrings 8 und der Stoss 10a des Kolbenrings 10 werden relativ zueinander versetzt um einen

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Durchtritt von Stopfmasse durch diese Oeffnungen zu verhindern. Desweiteren werden diese Oeffnungen vorzugsweise hinter die Pinger 14 der sternförmigen Deckscheibe 12 gelegt, so wie dies in Bezug auf die Oeffnung 10a in Figur 2 gezeigt ist. Um eine eventuelle Rotation der Kolbenringe 8 und 10 und damit ein Wandern dieser Oeffnungen 8a und 10a zu verhindern, sind die beiden Kolbenringe durch einen Stift 11 gegen Verdrehung gesichert. Einer dieser Stifte könnte z.B. den Kolbenring 10 mit einem der Pinger 14 verbinden, während ein anderer Stift 11 den Kolbenring 8 am Kolben 2 festlegen könnte.

Es ist zu bemerken dass die hohlen Abschnitte zwischen den Fingern 14 der sternförmigen Deckscheibe 12 gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens von vorne nach hinten leicht ansteigend verlaufen. Durch diese Konizität der genannten Teile, welches ebenfalls ein Merkmal der Erfindung ist, wird die Stopfmasse beim Druckhub des Kolbens an die Bohrung oder Innenfläche der Kolbenringe 8 und 10 herangeführt und übt damit eine starke Spreizkraft auf diese Kolbenringe aus. Einzelheiten dieser durch die besondere Formgebung der Kolbenringe und die Art ihrer Befestigung erzielte Spreiz- und Anpresskraft werden weiter unten mit Bezug auf die Figuren 9 und 10 näher beschrieben.

Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei Varianten der Ausgestaltung nach den Figuren 1 bis 3, in denen gleiche Kolbenringe 8 und 10 Verwendung finden. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung nach den Figuren 1 bis 3» bei der die sternförmige Deckscheibe auf einer Zentrierfläche des Kolbens 2 aufsitzt, ist hier eine Halterungs- oder Deckscheibe mit der Stirnfläche eines Kolbens 20 verschraubt um. die Kolbenringe 8 und 10 axial zu halten.

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In ihrer Ausführung nach der Figur 4 ist die Deckscheibe ebenfalls in Form einer sternförmigen Scheibe ausgebildet, wobei der Schnitt in Figur 4 zwischen zwei benachbarten Fingern 23 der sternförmigen Scheibe 22 verläuft. Um den zur Erzeugung einer radialen Anpresskraft nötigen Zutritt der Stopfmasse zu den Innenflächen der Kolbenringe 8 und 10 zu gewährleisten, ist in der Stirnfläche des Kolbens 20 ein Kranz von Vertiefungen 28 vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 haben diese Vertiefungen annähernd die Form eines Dreiecks. Anstatt dass wie in der Ausgestaltung nach den Figuren 1 bis 3 die Kolbenringe 8 und 10 radial durch die Rückfläche der Deckscheibenfinger gehalten sind, sind diese Kolbenringe 8 und 10 in der Ausführung nach Figur 4 radial durch Stege zwischen den Vertiefungen 28 in der Stirnfläche des Kolbens 20 gehalten.

Die Variante nach Figur 5 ist identisch mit jener nach Figur 4 in Bezug auf die Formgebung des Kolbens 20 und der Kolbenringe 8 und 10. Hingegen ist im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 nicht eine sternförmige Deck- oder Haltescheibe vorgesehen, sondern eine kreisförmige Scheibe 24 mit einem Kranz grosser Oeffnungen 26. Jede dieser Oeffnungen 26 liegt gegenüber einer Vertiefung 28 am Kolben 20, sodass der Durchtritt der Stopfmasse durch die Scheibe hindurch und besonders die Uebertragung des Druckes zu den Kolbenringen 8 und 10 gewährleistet ist. Um eine möglichst grosse Kontaktfläche zwischen Stopfmasse und Stirnfläche des Kolbenrings 10 zu schaffen, ist der Durchmesser der Scheibe 24 merklich kleiner als derjenige der Kolbenringe 8 und 10 gehalten, wodurch ein grosser Teil der Stirnfläche des Kolbenrings 10 frei liegt«

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Die Figur 6 zeigt ein zweites Ausgestaltungsbeispiel mit einem Kolben 30, zwei Kolbenringen 38 und 40, sowie einer sternförmigen Deckscheibe 32 mit radialen Fingern 34 als Halterung für die Kolbenringe 38 und 40. Gemäss diesem Ausgestaltungsbeispiel hat der hintere Kolbenring 38 einen rechteckigen Querschnitt, während der vordere Kolbenring 40 einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Stirnfläche dieses Kolbenrings 40 stark gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens 30 geneigt ist. Die beiden Kolbenringe 38 und 40 sind in analoger Weise wie in der Ausgestaltung nach den Figuren .1 bis 3 an ihren Innenflächen und an der geneigten Stirnfläche des Kolbenrings 40 mittels der Finger 34 der sternförmigen Deckscheibe 32 gehalten. Der radiale Spreizeffekt ist ähnlich dem mit der Ausgestaltung, nach den Figuren 1 bis 3 erzielten, indem jedoch dem Umstand Rechnung zu tragen ist, wie übrigens noch näher in bezug auf die Figuren

9 und 10 ausgeführt werden wird, dass der Neigungswinkel der Stirnfläche des Kolbenrings 40 doppelt so gross sein muss als derjenige in den vorhergehenden Figuren, wenn ein gleichwertiges Resultat erzielt werden soll.

Die Figur 7 zeigt ein drittes Ausgestaltungsbeispiel. Der einzige Unterschied zwischen diesem und dem Beispiel nach den Figuren 1 bis 3" bestät darin, dass die beiden Kolbenringe 8 und 10 durch einen einzigen Kolbenring 50 ersetzt sind. Die Querschnittsform dieses Kolbenrings entspricht annähernd derjenigen der beiden Kolbenringe 8 und

10 nach den Figuren 1 bis 3 zusammen genommen, d.h. dass die vordere und die hintere Stirnfläche in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens 2 geneigt sind, und zwar in entgegengesetzter Richtung, sodass der Querschnitt des Kolbenrings 50 eine sich in Richtung der Kolbenachse verjüngende Form hat. Dieser Kolben 2 sowie die Deckscheibe 12 mit den radialen Fingern I4 zur Halterung des Kolbenrings 50 sindden analogen Teilen der Figuren 1 bis 3 absolut gleich. Der

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Kolbenring 50 ist ebenfalls vom offenen Typ -und um zu verhindern,dass die Stopfmasse durch, den Stoss dieses Kolbenrings 50 hindurchtritt , ist dieser Kolbenringstoss 52 in Form einer Z-förmigen Schikane ausgeführt, wie dies illustrationshalber in der Figur 7 a dargestellt ist, wobei jedoch zu bemerken ist, dass die gezeigte Schikane nur ein Ausführungsbeispiel ist welches ohne weiteres abgewandelt werden kann.

Die Figur 8 zeigt ein viertes Ausgestaltungsbeispiel analog demjenigen nach Figur 6, mit dem alleinigen Unterschied dass die beiden Kolbenringe 38 und 40 gemäss Figur 6 durch einen einzigen Kolbenring 60 ersetzt sind. Die übrigen Teile, d.h. der Kolben 30, die sternförmige Deckscheibe 32 mit ihren radialen Fingern 34, entsprechen genau denjenigen nach Figur 6 und sind deshalb mit den gleichen Referenzzahlen versehen. Der Kolbenring 60 besitzt eine geneigte vordere Stirnfläche, während seine am Kolben 30 anliegende rückwärtige Stirnfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft. Es muss hervorgehoben werden, dass im Vergleich mit der Ausgestaltung nach Figur 7, bei welcher ebenfalls nur ein einziger Kolbenring verwendet wird, der Neigungswinkel der vorderen Stirnfläche des Kolbenrings 60 doppelt so gross sein muss wie derjenige des Kolbenrings 50 nach Figur 7, wenn das gleiche Resultat erzielt werden soll.

Aus der Figur 8a geht hervor, dass der Kolbenring ebenfalls vom offenen Bautyp ist und der Stoss 62 in Form einer Schikane ausgebildet ist um den Durchtritt von Stopfmasse durch diese Stossöffnung hindurch zu verhindern.

Der mit der vorliegenden Erfindung angestrebte Effekt, d.h. eine Vergrö'sserung der Radialspreizkraft des Kolbenrings ist unabhängig von der Anzahl der Kolbenringe. Die auf den oder die Kolbenringe ausgeübte Spreizkraft ist demzufolge die gleiche in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 3 und 7 z.B.,in denen zwei, bzw. nur ein einziger Kolbenring verwendet werden. Vorzugsweise wird

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man jedoch eher zwei Kolbenringe anstatt nur einen vorsehen, da zwei Kolbenringe unabhängig voneinander wirken k.ö'nnen und demgemäss die Gefahr eines Durchtritts von Stopfmasse an der Peripherie des Kolbens entlang weiter reduzieren. Es ist sogar möglich, mehr als zwei Kolbenringe vorzusehen und auch dann die durch vorliegende Erfindung gebotenen Vorteile auszunutzen.

Es muss noch bemerkt werden, dass die verschiedenen, mit Bezug auf die Figuren 1 bis 8 beschriebenen Ausführungsversionen auf verschiedenartige Weise miteinander kombiniert werden können. So könnten etwa in den Ausgestaltungsbeispielen gemäss den Figuren 4 oder 5 ein oder zwei Kolbenringe vorgesehen werden mit einer geneigten, oder auch nicht geneigten rückwärtigen Stirnfläche.

Damit der oder die Kolbenringe die nötigen Radialbewegungen ausführen können um die Form der Wandung des Stosszylinders 4 annehmen zu können, muss ein bestimmtes Spiel zwischen den Kolbenringen und ihrer Führung, welche vorderseitig durch die Finger der sternförmigen Deckscheibe gebildet wird, bestehen bleiben, wobei dieses Spiel vorzugsweise mindestens 1 mm beträgt.

Nachfolgend wird nunmehr der durch die vorliegende Erfindung erzielte Spreizeffekt mit Bezug auf die Figuren 9 und 10 beschrieben. Zuerst wird Bezug auf die Figur 9 •genommen, welche dne Kolbenringausführung mit nur einer geneigten Stirnfläche darstellt. In der Figur 9 ist zwar nur ein einziger Kolbenring 70 dargestellt, auf Grund der vorstehenden Ausführungen sind die Ueberlegungen bei zwei nebeneinanderliegenden Kolbenringen jedoch selbstverständlich analog.

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Die vordere Stirnfläche des Kolbenrings 70, welche auf mindestens 50$ ihrer Oberfläche mit der Stopfmasse in Berührung steht ist gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens geneigt, und zwar um einen Winkel τ( mit der Senkrechten auf diese Bewegungsrichtung. Während dem Stopfvorgang, d.h. wenn der Kolben im Stopf zylinder 4 nach vorne verschoben wird, erfährt der Kolbenring 70 einen Axialschub, welcher in der Figur 9 durch den Vektor a¹ dargestellt ist. Die vordere, geneigte Stirnfläche des Kolbenrings 70 erfährt durch die Stopfmasse eine Reaktionskraft, welche senkrecht zu seiner Oberfläche gerichtet und durch den Vektor c dargestellt ist. Diese Kraft c kann in eine Axialkraft a zerlegt werden,welche gleichgross ist wie die Kraft a· und dieser entgegengesetzt, sowie in eine Radialkomponente r. Es ist diese Radialkomponente r, welche in der vorliegenden Erfindung interessiert und welche das Bestreben hat,den Kolbenring 70 in Radialrichtung zu spreizen.

Dieser auf den Kolben 70 einwirkenden Spreizkraft wirkt eine Kraft entgegen, welche von der Reibung zwischen dem Kolbenring und seiner Anlage am Kolben herrührt; diese Reibungskraft ist in der Figur 9 mit r-, bezeichnet. Diese

Reibungskraft r-, ist der Kraft r parallel, jedoch ist ihr

Wirkungssinn entgegengesetzt, so dass die Resultierende dieser beiden Kräfte gleich der Differenz zwischen denselben ist. Die Neigung der vorderen Stirnfläche des Kolbenrings 70 wird so^pwählt, dass die Radialkomponente r grosser ist als die Reibungskraft r-, , sodass die Resultierende R = r - r-^ den gleichen Wirkungssinn hat wie die Komponente r, so wie dies in der Figur 9 dargestellt ist.

Man kann die Reibungskraft r-, berechnen, wenn Angaben in bezug auf den Werkstoff des Kolbenrings 70 und denjenigen des Kolbens vorliegen.

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Die Reibungskraft r-^ kann durch die Formel r-, =M a¹ dargestellt werden, wobei M der Reibungskoeffizient ist, welcher von der Materialpaarung sowie von der Beschaffenheit der beiden in Berührung stehenden Oberflächen abhängt. Um A darzustellen,bedient man sich gewöhnlich einer Wink el angab e, dem Gl eitwinkel, welcher mit dem Buchstaben ^ bezeichnet wird, wobei die Beziehung zwischen diesen beiden Grossen lautet: M = tg 9 ·

Da die Komponente r ebenfalls eine Tangensfunktion der Komponente a ist, kann die auf den Kolbenring, und folglich auf die Wandung des Stopfzylinders 4 ausgeübte Radialkraft R angenähert durch folgende Formel ausgedrückt werden:

R = a . tg (d -

Damit eine Radialkraft nach aussen entsteht muss die Bedingung erfüllt sein, dass der Winkel ot grosser als der Gleitwinkel ist.

Es muss bemerkt werden, dass in den vorstehenden Ueberlegungen einzig die Reibungskraft r-, zwischen dem Kolbenring und dem Kolben in Betracht gezogen wurde und dass die Reibung an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Kolbenrings nicht berücksichtigt wurde, d.h. die Reibung zwischen dem Kolbenring und der Stopfmasse. Dies ist jedoch gerechtfertigt, da die verwendete Stopfmasse kein fester Körper ist und ihr Widerstand gegen eine radiale Ausdehnung des Kolbenrings und folglich die Reibungskraft an der Berührungsfläche zwischen Stopfmasse und Kolbenring vernachlässigbar ist.

Es können analoge Ueberlegungen für einzelne oder doppelte. Kolbenringe mit zwei geneigten Stirnflächen mit" Bezug auf die Figur .10 angestellt werden. In dieser Figur

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ist ein Kolbenring 80 dargestellt, dessen vordere und hintere Stirnfläche gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens geneigt sind; die Winkel zwischen diesen Stirnflächen und einer Senkrechten zur Zylinderwandung 4 sind durch die Winkel /S und β ' dargestellt. Da diese beiden Winkel nicht notwendigerweise gleich gross sein müssen, wurden sie mit zwei unterschiedlichen Referenzen bezeichnet. Es ist in der Praxis jedoch vjrteilhaft/ beide Winkel gleich gross zu machen,sodass beide Kolbenringe eine identische Konfiguration aufweisen und somit nur eine Sorte Kolbenringe verwendet zu werden braucht.

Die vom Kolben auf den Kolbenring ausgeübte Kraft ist durch den Vektor c¹ dargestellt, welcher senkrecht zur hinteren Stirnfläche des Kolbenrings ist. Diese Kraft c¹ kann in die Komponenten a' und r¹ zerlegt werden, welche in axialer, bzw. radialer Richtung auf den Kolbenring 80 einwirken. Aehnlich wie in der Ausführung nach Figur 9 erfährt der Kolbenring 80 seitens der Stopfmasse eine Reaktionskraft, welche in die Komponenten a und r zerlegt werden kami, '"/siehe letztere ebenfalls in axialer und radialer Richtung auf den Kolbenring einwirken» Die beiden radialen Komponenten r und r" sind parallel und haben gleichen Wirkungssinn; ihre Resultierende wäre gleich ihrer algebraischen Summe, wennkeine Reibung zwischen dem Kolbenring 80 und der Stirnfläche des Kolbens vorhanden wäre. Da eine solche (r-, ) jedoch besteht, kann die radial auf den Kolbenring einwirkende Nettokraft durch die Beziehung ausgedrückt werden:

R = r + r' -T₁

Wenn auch hier ein Reibungswinkel eingeführt wird, so kann durch ähnliche, wie die mit Bezug auf die Figur 9 weiter oben angestellten üeberlegungen folgende Formel geschrieben werden:

H = a . tg (2/3- f) 709823/0707

wenn unterstellt wird, dass β = /2«. damit eine Radialkraft nach, aussen entsteht muss die Bedingung erfüllt sein,dass die Summe der beiden WinkelβλχηΑ ß* grosser als ψ ist.

Damit ist gezeigt, dass sowohl im Falle nach Figur als in demjenigen nach Figur 10 unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Kolbenringe die vordere und/oder hintere Stirnfläche des oder der Kolbenringe unter einem bestimmten Winkel ausgestaltet werden kann, welcher in Funktion der gewünschten Radialkraft berechnet werden kann.

In den Figuren 9 und 10 ist nur die von der Neigung der Kolbenringstirnflächen herrührende Kraft R berücksichtigt. Um die gesamte, auf die Kolbenringe ausgeübte Spreizkraft zu kennen, mit welcher die Ringe an die Zylinderwandung, angedrückt werden, müssen noch andere Kräfte in Betracht gezogen werden, welche zu der Kraft R hinzugezählt werden müssen. Eine dieser Kräfte, welche übrigens schon weiter oben erwähnt wurde, rührt von der den Kolbenringen bei ihrer Montage vermittelten Vorspannung her.

Wenn der Kolben beim StopfVorgang verschoben wird, entsteht eine dritte Krafteinwirkung auf die Kolbenringe. Diese Kraft wird von der Stopfmasse direkt auf die innenflächen oder Bohrungen des oder der Kolbenringe ausgeübt . Durch die beschriebene Ausführung der Deckscheibe wird diese Kraft wesentlich verstärkt.Sie ist aus dem Grunde besonders vorteilhaft, weil sie durch (Se besondere Formgebung von Kolben und Deckscheibe direkt in vertikaler Richtung auf die Kolbenringe einwirken kann. Wie schon weiter oben ausgeführt, ist die sternförmige Deckscheibe in der Weise ausgeführt, dass der Druck der Stopf masse auf die Kolbenringe begünstigt und verstärkt wird. Aus diesem G-runde ist auch die Oberfläche der Deckscheibe in den Hohlräumen zwischen den radialen Fingern schrägverlaufend ausgeführt und zwar in der Weise, dass sie sich in Richtung des oder der.Kolben-

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ringe erweitert und es auf diese Weise ermöglicht, dass der Schub der Stopfmasse sich senkrecht auf diese Kolbenringe auswirkt.

Aus einem Vergleich der Figuren 9 und 10 und der sich hierauf beziehenden Ausführungen könnte geschlossen werden,, dass beide Ausführungsbeispiele zur gleichen Wirkung und zum gleichen Resultat führen würden, wenn nur die geeigneten Werte für die -ETeigungswinkel der Kolbenringstirnflächen gewählt würden. Die Ausführung mit zwei geneigten Stirnflächen gemäss Figur 10 weist jedoch gegenüber der Ausführung nach Figur 9 gewisse Vorteile auf. Abgesehen davon, dass der Neigungswinkel nur halb so gross zu sein braucht als im Ausführungsbeispiel nach Figur 9, bietet die Ausführung nach Figur 10 den Vorteil, dass die auf den oder die Kolbenringe ausgeübten Radialkräfte besser auf die beiden geneigten Stirnflächen verteilt werden, im Gegensatz zur Ausführung nach Figur 9, in. welcher die Radialkraft r nur einer einzigen Stirnfläche vermittelt wird. Der Kolbenring nach Figur 9 ist folglich weniger einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt. Die Verteilung der Radialkräfte auf zwei geneigte Stirnflächen und die Abwesenheit einer Torsionsbeanspruchung begründet die Verwendung eines Satzes von zwei Kolbenringen im Ausführungsbeispiel nach Figur 10.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass die Erfindung zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet. Eines der wesentlichen Merkmale besteht darin, dass in sämtlichen Ausführungsbeispielen die vordere Stirnfläche des oder der Kolbenringe gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens geneigt ist und auf mindestens 50fo ihrer Oberfläche in direktem Kontakt mit der Stqfmasse ist. Auch die Innenseite oder Bohrung des oder der Kolbenringe ist auf mindestens 50$ ihrer Gesamtoberfläche in direktem Kontakt mit der Stopfmasse. Der Axialschub des

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Kolbens wird auf diese Weise durcii die Reaktionskraft der Stopfmasse in radialer Richtung teilweise auf den oder die Kolbenringe übertragen.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen erfahren die Kolbenringe beim Zurückgehen des Kolbens, d.h. in den Figuren bei einer Bewegung desselben nach rechts ₉ ebenfalls eine RadialkraftPiese Radialkraft resultiert aus dem Abstützen der geneigten vorderen Stirnfläche des Kolbenringes an der ebenfalls geneigten Anechlagfläche der sternförmigen Deckscheibe».

Es muss noch bemerkt werden,, dass wenn in den vorstehenden Ausführungen auch Lehm als mögliche Stopfmasse genannt wurde, auch anders zusammengesetzte Stopfmassen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können«

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Claims (20)

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1. Vorrichtung zum Verbessern der Abdichtwirkung am Kolben einer Stichlochstopfmaschine für Schachtofen, insbesondere für mit hohem Gegendruck arbeitende Hochöfen, gekennzeichnet durch mindestens einen Kolbenring (10, 8, 40, 50, 60, 70, 80), welcher durch periphere Flächen einer Deckscheibe (12, 22, 24, 32) gehalten wird und von dessen zwei Stirnflächen mindestens eine in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens (2y 20, 30) geneigt ausgestaltet ist und mindestens teilweise mit der Stopfmasse in Berührung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genannte Deckscheibe sternförmig (12, 22, 32) ausgebildet ist und eine Reihe von radialen Fingern (14, 23, 34) aufweist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsprofil jedes Fingers (14, 23, 34) der sternförmigen Deckscheibe (12, 22, 32) wenigstens teilweise der Querschnittsform der Kolbenringe (8, 10, 40, 50, 60, 70, 80) entspricht, und damit eine formähnliche Führung für die vordere Stirnfläche und/oder die Innenfläche der Kolbenringe (8, 10, 40, 50, 60, 70, 80) gebildet wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiel von mindestens 1 mm zwischen den Kolbenringen (10, 8, 40, 50, 60, 70, 80) und der Deckscheibe (12, 22, 24, 32) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Stirnfläche und- die Innenfläche der Kolbenringe (10, 8, 40, 50, 60, 70, 80) auf mehr als der Hälfte ihrer gesamten Oberfläche frei liegen.

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ORIGINAL INSPECTED

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (12, 32) eine mittige Bohrung (16) aufweist und mit dieser Bohrung (16) auf einer axialen Zentrierfläche (5) des Kolbens (2, 30) aufliegt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (22, 24) mit der Stirnfläche des Kolbens (20) verschraubt ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume zwischen den Fingern (14, 23, 24) der sternförmigen Deckscheibe (12, 22, 32) schräg verlaufen und sich in Richtung auf den Kolben (2, 20, 30) zu kegelförmig erweitern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht von den Kolbenringen (10, 8, 40, 50, 60, 70, 80) und der sternförmigen Deckscheibe (12, 32) verdeckte Stirnfläche des Kolbens (2, 30) kegelstumpfförmig ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Kolbenring (60,· 70) vorgesehen ist, dessen vordere Stirnfläche geneigt und dessen hintere Stirnfläche senkrecht in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens (30) verläuft.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein einziger Kolbenring (50, 80) vorgesehen ist, dessen beide Stirnflächen geneigt sind und dessen Querschnitt sich in Richtung der Längsachse verjüngt, und dass diese Stirnflächen mit der geneigten Stirnfläche des Kolbens (2) und der schrägen Hinterseite der Finger (14) an der sternförmigen Deckscheibe (12) zusammenwirken.

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12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoss des Kolbenrings (50, 60) schikanenförmig (52, 62) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9> gekennzeichnet durch zwei nebeneinander liegende Kolbenringe (38, 40) von denen der eine (38) einen rechteckigen Querschnitt hat und der andere (40) einen trapezförmigen, und dass die vordere Stirnfläche des Kolbenrings (40) geneigt in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens (30) ausgestaltet ist.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch zwei nebeneinander liegende Kolbenringe (10, 8) deren beide äusseren Stirnflächen geneigt sind und sich in Richtung der Längsachse verjüngen und mit der geneigten Stirnfläche des Kolbens (2, 20) und der schrägen Hinterseite der Finger (14, 23) an der sternenförmigen Deckscheibe (12, 23) zusammenwirken.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10, 11, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenringe (10, 8, 40, 50, 60, 70, 80) vom offenen Typ und vorgespannt sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch I4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (8a, 10a) der Kolbenringe (8, 10) hinter einem Finger (I4) der sternförmigen Deckscheibe (12) angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis I4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen (8a, 10a) von zwei nebeneinander liegenden Kolbenringen (8, 10) in Bezug aufeinander versetzt angeordnet sind.

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18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (11) vorgesehen ist um ein Wandern der Kolbenringe (8, 10) um ihre Längsachse zu verhindern.

19. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, dass die Stirnfläche des Kolbens (20) einen Kranz von Vertiefungen (28) aufweist, welche sich radial zu den Kolbenringen (8, 10) hin erstrecken, und dass jede dieser Vertiefungen (28) zwischen zwei Fingern (23) der Deckscheibe (22) liegt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass die Deckscheibe (24) einen Kranz von Oeffnungen (26) aufweist, und dass diese Oeffnungen (26) jeweils einarVertiefung (28) in der Stirnfläche des Kolbens (20) entsprechen.

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