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Förderkolben für eine Kolbenpumpe
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Die Erfindung betrifft einen Förderkolben für eine Kolbenpumpe, insbesondere
für hoch viskose und/oder stark verschleißend wirkende Fördermedien, der zwischen
Druckplatten elastisch verformbare Dichtelemente aufnimmt und vorspannt.
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Derartige Förderkolben für die einleitend beschriebenen Fördermedien
müssen auf einfachste Weise nachstellbar sein. Der Austausch der verschleißenden
Dichtelemente muß zeitsparend und kostengünstig durchgeführt werden können.
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In der DT-OS 27 10 352 ist ein Förderkolben für eine Betonpumpe der
einleitend gekennzeichneten Gattung beschrieben, bei dem zwischen zwei Platten ein
im Durchmesser größeres, zylindrisches Formteil (Dichtelement) aus verschleißfestem,
elastisch verformbarem Gummi oder Kunststoff angeordnet und zur Vergrößerung des
Durchmessers mit mehreren Schrauben vorspannbar ist. Das Formteil erhält im entspannten
Zustand eine die Abdichtung im vorgespannten Zustand günstig beeinflussende mehr
oder weniger komplizierte Formgebung. Es sind weiterhin Förderkolben bekannt, bei
denen das elastische Formteil nicht wie das in
der DT-OS 27 10 352
beschriebene aus einem Teil besteht, sondern aus mehreren Teilen gleichen oder verschiedenen
Materials und unterschiedlicher Formgebung.
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Förderkolben mit einem einzigen, relativ großen Formteil haben den
Nachteil, daß im Falle der nicht mehr gegebenen Nachstellbarkeit das gesamte Formteil
ausgetauscht werden muß. Da die Formteile überwiegend aus Spezialmaterialien hergestellt
werden, entstehen bei der Umrüstung relativ hohe Kosten.
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Die andere bekannte Ausführungsform der Förderkolben, bei der das
Formteil in mehr oder weniger große Einzelteile aufgeteilt ist, ist unter dem Gesichtspunkt
des Materialeinsatzes im Austausch fall weniger kostenintensiv da unter Umständen
nicht alle Einzelteile ausgetauscht werden brauchen. Dafür sind die Fertigungskosten
der Formgebung für mehrere geometrisch verschiedene Einzel formteile insgesamt höher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Förderkolben der einleitend
gekennzeichneten Gattung derart zu gestalten, daß das Formteil oder Dichtelement
in mehrere Einzel formteile oder -dichtelemente gleichen oder unterschiedlichen
Materials aufteilbar ist, wobei die Fertigungskosten der Formgebung aller Einzel
form teile noch unter denen für ein einziges großes Formteil liegen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem
Kolben-Grundkörper und Druckplatten, die mittels form- oder kraftschlüssig wirkender
Verbindungsmittel in axialer Richtung des Förderkolbens gegeneinander gezogen werden,
jeweils vorzugsweise mehrere im unverformten Zustand form- und abmessungsgleiche,
elastische, scheibenförmige Dichtelemente eingespannt sind, und daß durch die Formgebung
der Sitzfläche des Kolben-Grundkörpers mittels Radius R und der Preßflächen der
Druckplatten mittels Anschrägung unter dem Kegelwinkel « die Dichtlippen der vorgespannten
elastischen Dichtelemente als kreisförmige Mantellinien auf einem- gedachten, sich
zur Stützfläche hin verjüngenden Kegelmantel mit dem Neigungswinkel p liegen.
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Un eine optimale Anpassung des Forderkolbens an die jeweilige Förderaufgabe
zu erreichen, bestehen in einer weiteren Ausbildung der Erfindung die elastischen
-Dichtelemente aus voneinander verschiedenen Materialien
mit beispielsweise
divergierenden chemischen und/oder mechanischen Eigenschaften.
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Un bei hohen Förderdrücken eine sichere radiale Fixierung der Dichtelemente
zu gewährleisten, sind die Druckplatte und der Kolben-Grundkörper mittels der in
den Nuten des Kolben-Grundkörpers angeordneten Dichtringe gegeneinander abgedichtet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch Verwendung von form- und abmessungsgleichen, scheibenförmigen Dichtelementen
die Fertigungskosten gegenüber bekannten Ausführungsformen gesenkt werden können
bei gleichzeitiger Materialvielfalt für die einzelnen Dichtelemente. Ein weiterer
Vorteil ergibt sich aus der konischen Mantelfläche des Dichtelement-Paketg in Verbindung
mit seiner Verformung zwischen Kolben-Grundkörper und Druckplatte, indem nämlich
das Dichtelement-Paket so viel wirksame Dichtlippen besitzt, wie Dichtelemente im
Paket vorhanden sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 einen doppeltwirkenden Kolben mit jeweils vier Dichtelementen
oberhalb der Symmetrielinie im Mittelschnitt und unterhalb in Ansicht und Fig. 2
einen Mittelschnitt durch vier unverformte Dichtelemente, wobei aus Symmetriegründen
nur eine Hälfte dargestellt ist.
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Auf der Kolbenstanqe 1 ist der mit einer großen Bohrung 2a versehene
symmetrische Kolben-Grundkörper 2 zwischen dem Bund la und der Befestigungsmutter
7 formschlüssig befestigt (Fig. 1). Die Befestigungsmutter 7 ist durch die Kontermutter
8 gesichert. Bei dem dargestellten doppeltwirkenden Förderkolben sind die Stützflächen
2e des durchmesser größten Mitteil teiles des Kolben-Grundkörpers 2 konkav ausgebildet,
wobei ihr Krümmungsradius R am äußersten Rand der über den Unfang gleichmäßig verteilten
kleinen Bohrungen 2d beginnt. Der Krümmungsmittelpunkt M liegt erstens auf einem
Zylindermantel, dessen Durchmesser sich aus dem Teilkreisdurchmesser der kleinen
Bohrungen 2d zuzüglich deren Durchmesser ergibt, und zweitens im Abstand R von der
konkaven Stützfläche 2e. Der
Radius R bestimmt sich näherungsweise
aus der Summe der Dicken S1 ' bis S4' des zwischen der Stützfläche 2e und der Preßfläche
3a' bzw. 3b' der linken bzw. rechten Druckplatte 3a bzw. 3b vorgespannten Satzes
elastischer Dichtelemente 6a bzw. 6b zuzüglich dem Krümmungsradius r der Druckplatten
3a bzw. 3b. Die linke bzw. rechte Druckplatte 3a bzw.
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3b wird jeweils über den kleinen zylindrischen Ansatz 2b beiderseits
des Kolben-Grundkörpers 2 zentriert und mittels Durchgangsschrauben 4 und selbstsichernden
Muttern 5 in axialer Richtung des Förderkolbens gegen den linken bzw. rechten Satz
elastischer Dichtelemente 6a bzw.
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6b gepreßt, wobei letztere entsprechend der im Kolben-Grundkörper
2 vorgegebenen kleinen Bohrungen 2d deckungsgleich mit Bohrungen 6c versehen sind
(Fig. 2). Die Druckplatten 6a, 6b sind unter dem Kegelwinkelä angeschrägt. Er wird
empirisch in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien der Dichtelemente 6a,
6b ermittelt.
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Damit die elastischen Dichtelemente 6a bzw. 6b nicht unter der Einwirkung
höherer Förderdrücke auf dem sie zentrierenden großen zylindrischen Ansatz 2c gegeneinander
verschoben werden, sind die Druckplatten 3a, 3b und der Kolben-Grundkörper 2 gegeneinander
abgedichtet. Dies geschieht durch Dichtringe 10 in Nuten 9 des Kolben-Grundkörpers
2. Damit wird ein Eindringen von Fördermedium in den Ringspalt zwischen der Bohrung
d der Dichtelemente 6a bzw. 6b und dem großen zylindrischen Ansatz 2c verhindert.
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Der Satz elastischer Dichtelemente 6 (Fig. 2) besteht im Ausführungsbeispiel
aus vier Dichtelementen, wobei deren Anzahl willkürlich gewählt wurde. Erfindungsgemäß
handelt es sich um form- und abmessungsgleiche scheibenförmige Bauteile mit folgenden,
sie eindeutig kennzeichnenden Abmessungen: Bohrungsdurchmesser d, Außendurchmesser
D, Kegelwinkel r und Dicke S. Der Durchmesser der Bohrungen 6c richtet sich nach
den verwendeten Durchgangsschrauben 4.
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Die form- und abmessungsgleichen Dichtelemente 6 eines Satzes werden
unter der durch die Schraubenverbindung 4,5 einleitbaren Vorspannkraft zwischen
der Preßfläche 3a' bzw. 3b' und den Stützflächen 2e des Kolben-Grundkörpers 2 verformt.
Als sicher gilt die Annahme, daß diese Verformung bei Volumenkonstanz eines jeden
einzelnen Dichtelementes 6 erfolgt, da diese zwar elastisch aber nicht volumenbezogen
kompressibel sind. Setzt man, was nicht der Fall ist, gleiche Dickeänderung für
jedes
Dichtelement 6 eines Satzes von Dichtelementen voraus, dann
würden sich alle Dichtelemente 6 unter der zwingenden Bedingung der Volumenkonstanz
um die gleiche Längenänderung verlängern. Wie leicht zu zeigen ist, würden dann
die Dichtlippen A, B, C, D in gleichen Abständen voneinander auf einem Kegelmantel
liegen, der sich zu den Druckplatten hin verjüngt. Ein derartig konisch nach außen
sich verjüngender Satz elastischer Dichtelemente 6 ist praktisch nicht brauchbar,
da insbesondere beim Druckhub außer dem durchmesser größten Dichtelement 6, das
an der Stützfläche 2e anliegt, kein weiteres, kleineres Dichtelement an der Zylinderwandung
dichtend zur Anlage kommt J urch die vorgeschlagene Formgebung der Stützfläche 2e
des Kolben-Grundkörpers 2 und der Preßfläche 3a' bzw. 3b' der Druckplatte 3a bzw.
3b werden nun zum eben beschriebenen hypothetischen Sachverhalt gegensätzliche geometrische
Verhältnisse geschaffen.
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Die Dichtelemente 6 nehmen im vorgespannten Zustand wenigstens in
Teilbereichen voneinander verschiedene Dicken S1 ', 52' ', 53' und 54' ein.
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Dabei ist entscheidend, daß S1' < S2 < 53' g 54' und 54 r <
5 ist.
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Da die Bedingung der Volumenkonstanz für jedes Dichtelement zwingend
ist, erfährt das Dichtelement mit der Dicke S1 ' die größte Längenänderung. Die
benachbarten Dichtelemente 6 erfahren entsprechend ihrer geringeren Dickeänderung
eine geringere Längenänderung.
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Bei einer bestimmten empirisch zu ermittelnden Vorspannkraft der Schraubenverbindung
4, 5, die vom Material der Dichtelemente 6 und von den konstruktiv vorgegebenen
geometrischen Bedingungen abhängt, erreicht man, daß die Dichtlippen A, B, C, D
der Dichtelemente 6 sich auf einem sich mit dem Kegelneigungswinkel p nach außen
erweiternden Kegelmantel gruppieren, wobei das innenliegende durchmesserkleinste
Dichtelement 6 den Durchmesser D4' und das außenliegende durchmessergrößte den Durchmesser
D1' annimmt. Der Kegelwinkel g der verformten Dichtelemente 6 ist zwar kleiner als
e", aber immer noch positiv, so daß die Dichtlippen A, B, C, D als kreisförmige
Mantellinien nach wie vor existent sind.
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Da der Kegelneigungswinkel p von der Vorspannkraft der Schraubenverbindung
4, 5 abhängt, ergibt sich zum einen der bedeutende Vorteil, daß durch entsprechende
Voreinstellung des Kegelneigungswinkels p im Zusammenwirken mit dem Förderdruck
des gepumpten Fluides jede Dichtlippe
A, B, C, D an der Zylinderwandund
dichtend zur Anlage kommt und zum anderen die Möglichkeit der Nachstellung des gesamten
Satzes der Dichtelemente 6 bei Verschleißerscheinungen.
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Eine Erklärung für die von innen nach außen zunehmende Dicke- und
Längenänderung der Dichtelemente 6 kann anhand der in der linken Hälfte der Schnittdarstellung
der Fiq. 1 gekennzeichneten gedachten Bereiche I, II und III, die aus der erfindungsgemäßen
geometrischen Gestaltung von Kolben-Grundkörper 2 und Druckplatte 3a bzw. 3b postulierbar
sind, gefunden werden. Im Bereich I ist die Verformung der Dichtelemente 6 durch
die Einspannwirkung der gekrümmten Stützfläche 2e behindert.
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Die auf den Bereich I entfallenden Längen der Dichtelemente 6 nehmen
von innen nach außen ab. Die auf den Bereich II entfallenden Längen nehmen von innen
nach außen zu und bestimmen im wesentlichen, da sieweniger wachstumsbehindert sind
als jene im Bereich I, das Längenwachstum. Die Längen im Bereich III unterliegen
keinen nennenswerten Verformungskräften; sie bleiben annähernd unverformt und können
vernachlässigt werden.
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Selbstverständlich können die Dichtelemente 6 eines Satzes aus voneinander
verschiedenen Materialien mit beispielsweise divergierenden chemischen und/ader
mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.
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Damit ergeben sich vielfältige Anpassungsmöglichkeiten des Förderkolbens
im Hinblick auf Dichtwirkung und chemische Beständigkeit an die verschiedensten
Förderaufgaben.
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So wird -beispielsweise das mit dem Fördermedium zuerst in Berührung
kommende Dichtelement 6 Materialeigenschaften besitzen, die der dominierenden, den
Förderkolben am stärksten beeinflussenden Einflußgröße gewachsen sind.
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