DE3320759C1 - Hydraulisch beaufschlagbarer Zylinder,fuer ein Ausbaugestell sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich einerseits auf einen hydraulisch beaufschlagbaren Zylinder, insbesondere Stempel, für ein Ausbaugestell des untertägigen Grubenbetriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Andererseits betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auf klemmen eines dünnwandigen Mantelrohrs auf den relativbeweglichen Innenteil eines hydraulisch beaufschlagbaren Zylinders gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es zählt zum Stand der Technik, die äußere Umfangsfläche von aus Stahl bestehenden Kolbenstangen, Kolbenrohren oder Innenzylindern zu verchromen, zu vernickeln, zu verzinken, anzumalen oder mit einem Kunststoffüberzug zu versehen. Die Dicke solcher korrosionsschützenden Überzüge liegt in der Regel unter 100 μπι.

Sie bieten deshalb keinen hinreichenden Schutz für die aggressiven Wettern und Wässern sowie hohen Schlagbeanspruchungen ausgesetzten Innenteile der in Ausbaugestelle des untertägigen Grubenbetriebs eingegliederten Arbeitszylinder.

ίο Neben chemischen oder galvanischen Überzügen hat man aber auch bereits vorgeschlagen, die Innenteile mit dünnwandigen Mantelrohren zu versehen. So ist aus der DE-OS 28 13 228 ein Verfahren bekannt, gemäß welchem ein zylindrisches Rohr mit sehr enger Passung,

d. h. also mit Spiel, auf ein anderes Rohr oder ein Rundmaterial unter Kraftanwendung aufgeschoben wird. Das Aufschieben erfolgt dadurch, daß das Mantelrohr einer Wärmebehandlung unterworfen und während der Wärmebehandlung einer ständig wirkenden Zugspannung ausgesetzt wird. Der gerätemäßige Aufwand ist mithin hoch und es ist eine genaue Überwachung erforderlich.

Durch das DE-GM 18 98 705 ist es bekannt, den Kolben eines hydraulisch beaufschlagbaren Arbeitszylinders mit einem dünnen Blech aus einem korrosionsbeständigen Material zu ummanteln. Zu diesem Zweck wird das Mantelblech in eine aufklappbare Hülse gelegt und anschließend der an seiner Oberfläche mit einer aushärtbaren Kunststoffzwischenschicht bestrichene Kolben eingeschoben. Nach dem Aushärten der Kunststoffzwischenschicht kann die Hülse entfernt werden und der Kolben ist mit der Ummantelung versehen.

Die DE-OS 27 28 226 offenbart einen Vorschlag, wonach die Außenflächen von hohlen Kolbenstangen mit

J5 dünnwandigen Edelstahlrohren mit Wanddicken zwischen 0,2 und 1 mm geschützt werden. Die Mantelrohre können längsnaht- oder spiralgeschweißt bzw. durch Fließdrücken auf einem Dorn erzeugt worden sein. Das Aufbringen des Mantelrohrs erfolgt durch Aufweiten des Trägerrohrs. Das Aufweiten kann durch hydraulischen Druck oder durch Kolbendruck erfolgen. In beiden Fällen ist eine Isolierschicht zwischen dem Trägerrohr und dem Mantelrohr vorgesehen. Wenn auf eine Isolierschicht verzichtet werden kann oder das Trägerrohr aus Aluminium besteht und mit einer anodischen Oxydationsschicht versehen ist, kann das Mantelrohr auch aufgeschoben werden.

Schließlich zählt es durch die DE-AS 27 08 929 zum Stand der Technik, den Innenzylinder eines Grubenstempeis mit einem äußeren Schutzmantel aus einem Edelstahlrohr mit einer Wandstärke von 0,2 bis 0,1 mm zu versehen. In der Druckschrift wird darauf hingewiesen, daß der Innenzylinder und der denselben £-Modul aufweisende Schutzmantel durch Pressen fest miteinander verbunden werden können. Wie das Aufpressen erfolgen soll, ist der Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen. Auch vermittelt die Druckschrift keine weiteren Hinweise über die evtl. Ausnutzung werkstoffspezifischer Eigenschaften, wenn man einmal von dem gemeinsamen Ε-Modul absieht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Ummantelung für den Innenteil eines einen Bestandteil von Grubenausbaugestellen bildenden Arbeitszylinders zu schaffen, welche die für derartige hochwertige hyti^r> draulische Arbeitselemente geforderte Genauigkeit und Oberflächengüte besitzt sowie den im praktischen Einsatz auftretenden Belastungen und Beanspruchungen widersteht. Ferner soll ein geeignetes Verfahren zum

Aufklemmen eines dünnwandigen Mantelrohrs auf den Innenteil eines solchen Zylinders geschaffen werden.

Was den gegenständlichen Teil dieser Aufgabe anlangt, so besteht dessen Lösung in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Maßnahme gemäß der Erfindung beruht im Gegensatz zu den vorstehend behandelten vorbekannten Vorschlägen zur Befestigung von Mantelrohren auf Kolbenstangen, Kolbenrohren oder Innenzylindern auf der Ausnutzung des Verformungswiderstands im ausschließlich plastischen Verformungsbereich des Edelstahls. Es können außerordentlich hohe Klemmkräfte aufgebracht werden, die sicherstellen, daß das Mantelrohr zweifelsfrei auf dem Innenteil aufgeklemmt bleibt. Das konstruktiv bewußt vorgegebene Untermaß der lichten Weite des Mantelrohrs ist so groß gewählt, daß auch unter Berücksichtigung toleranzbedingter Maßabweichungen im Außendurchmesser des Innenteils der elastische Verformungsbereich des Mantelrohrs mit genügend sicherem Abstand überschritten wird und dieser rein plastische Dehnungszustand auch in jeder Betriebsphase mit Sicherheit aufrechterhalten bleibt. Natürlich bleibt in diesem rein plastischen Dehnungszustand des Mantelrohrs eine für die Funktion des gesamten Arbeitszylinders — speziell im Untertagebereich — wesentliche werkstoffspezifische federnde Restspannung bestehen, die im wesentlichen unabhängig von dem Grad des plastischen Dehnungszustands ist und daher in jedem Falle wesentlich über derjenigen liegt, die im rein elastischen Verformungsbereich wirksam wäre.

Durch die besondere Art des Aufklemmens des Mantelrohrs auf den Innenteil ist eine nur sehr grob zu fertigende Edelstahlumhüllung erforderlich. Dennoch kann diese ohne einen aufwendigen Kalibrierungsvorgang auf den gewünschten Durchmesser gebracht werden. Eventueller Schweißverzug wird selbständig beseitigt. Neben der erforderlichen Resistenz gegen aggressive Wetter und Wässer kann die selbst hohe Schlagbeanspruchungen aushaltende Ummantelung aber auch einwandfrei den Belastungen widerstehen, die z. B. durch das elastische Verbiegen von Kolbenstangen oder durch das elastische Aufweiten von Kolbenrohren bzw. Innenzylindern bei erhöhtem Hydraulikdruck entstehen. Das Aufpressen mit gezielter Überschreitung der Fließgrenze bewirkt darüber hinaus auch eine vorteilhafte Festigkeitssteigerung des Mantelrohrwerkstoffs und damit noch mehr Sicherheit gegen mechanische Belastung.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird das Mantelrohr, welches hinsichtlich seiner Durchmessermaßhaltigkeit nur sehr grob gefertigt zu werden braucht, dennoch zwangsläufig auf das gewünschte Endmaß gebracht. Voraufgehende Kalibrierungsmaßnahmen sind entbehrlich. Das Dehnmaß von 1% liegt weit entfernt von der Bruchdehnung, die sich etwa bei 50% bewegt. Es reicht absolut aus, dem Mantelrohr die erforderliche Vorspannung mit einem hohen elastischen Restfederungsanteil zu verleihen, um alle Verformungen der Innenteile (Kolbenstangen, Kolbenrohre, Innenzylinder) von hydraulischen Arbeitszylindern im untertägigen Einsatz ohne Funktionsschädigung zu überstehen.

Die gemäß Anspruch 3 bemessene Wanddicke des Mantelrohrs reicht aus, um das gefürchtete »Durchschlagen« von Korrosionsschutzschichten zu verhindern. Damit entfallen auch die Quellen, von denen aus sich die schädliche Korrosion verbreiten kann.

Nach der Erfindung kann das Mantelrohr nahtlos hergestellt sein. Es kann aber auch die Merkmale des Anspruchs 4 aufweisen. Als Ausgangsmaterial kann z. B. ein ca. 1 mm dickes Edelstahlblech mit einer Toleranz von ±0,5 mm verwendet werden. Dabei kann der Längen- und Breitenzuschnitt relativ grob erfolgen. Hinsichtlich der Oberflächenrauhigkeit Rt und der Dickentoleranz sind jedoch die Merkmale des Anspruchs 5 von Vorteil. Das Runden und Verschweißen des Mantelrohrs entspricht dem heutigen Stand der Technik. Der mit einem Schutzmantel zu versehene Innenteil erhält

ίο einen Außendurchmesser, der die Wanddicke des Mantelrohrs berücksichtigt. Bei der tolerierten Durchmesserabweichung vom Nennmaß ist die Blechdickentoleranz ebenfalls zu berücksichtigen.
Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6.

Die zum Aufpressen des Mantelrohrs erforderliche Normalkraft ist im wesentlichen abhängig von dem vorgegebenen Untermaß zwischen dem Mantelrohr und dem Innenteil, von der Länge des Mantelrohrs und von dessen Oberflächenrauhigkeit. Hierbei kommt zugute, daß die Oberflächenrauhigkeit von Edelstahlblech — bedingt durch das Herstellungsverfahren — schon ideal gering ist. Die zur Aufweitung eines beispielsweise 1 mm dicken Mantelrohrs benötigte Kraft ist bei einem Dehnmaß von ca. 1% ebenfalls relativ gering. Zwar steigt die Aufpreßkraft als Funktion der Länge des Mantelrohrs mit zunehmender Aufschiebelänge an, jedoch nimmt gleichzeitig die freie Knicklänge laufend ab.

Da diese in die Festigkeitsberechnung quadratisch eingeht — wie auch bei Stabilitätsproblemen (Euler-Formel) — erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren selbst die Ummantelung relativ langer, durch massive Kolbenstangen, Kolbenrohre oder Innenzylinder gebildeter Innenteile von hydraulischen Arbeitszylindern für Grubenausbaugestelle.

Der Vorteil des Rohrführungsstücks ist der, daß am Stempelinnenrohr selber keine Einführungsschrägen zum Aufbringen des Mantelrohrs erforderlich sind. Die Nutzlänge des Stempelinnenrohrs wird erhöht.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 im vertikalen Längsschnitt einen hydraulisch beaufschlagbaren Stempel für ein Grubenausbaugestell in zwei Arbeitspositionen;

F i g. 2 in der Ansicht, teilweise im Schnitt, eine Vorrichtung zum Aufpressen eines Mantelrohrs auf das Innenrohr des Stempels gemäß F i g. 1 und

F i g. 3 und 4 verschiedene Arbeitsphasen beim Aufpressen des Mantelrohrs auf das Stempelinnenrohr.

Mit 1 ist in der F i g. 1 das Außenrohr eines Stempels 2 bezeichnet, der z. B. in einem Schildausbaugestell zwischen einer Liegendkufe und einem Bruchschild oder einer Hangendkappe eingegliedert wird. Die Anschlüsse für das hydraulische Arbeitsmedium sind mit 3 und 4 bezeichnet.

Im Stempelaußenrohr 1 ist ein rohrförmiger Innenteil 5 längsbeweglich geführt. Das Stempelinnenrohr 5 besitzt am äußeren Ende ein Innengewinde 6, in das ein Stempelkopf 7 eingedreht ist. Zur Abdichtung zwischen dem Stempelkopf 7 und dem Stempelinnenrohr 5 dient ein Dichtelemente.

Umfangsseitig des Stempelinnenrohrs 5 ist eine dünnwandige Umhüllung 9 aus einem nichtrostenden Edelstahlrohr befestigt. Die Wanddicke des Mantelrohrs 9 beträgt etwa 1 mm. Das Mantelrohr 9 besitzt eine Oberflächenrauhigkeit Rt, die kleiner als 5 μηι ist.

Zur Abdichtung des ringförmigen Arbeitsraums 10 zwischen dem StempeHnnenrohr 5 und dem Stempelaußenrohr 1 zur Atmosphäre hin sind am oberen Ende des Stempelaußenrohrs 1 zwei radial nach innen gerichtete Bunde 11 vorgesehen, welche ein an der Außenfläche 12 des Mantelrohrs 9 zur Anlage gelangendes Dichtelement 13 kammern.

Die Abdichtung des Stempelinnenraums 14 zum Ringraum 10 hin erfolgt über ein an der Innenfläche 15 des Stempelaußenrohrs 1 zur Anlage gelangendes Dichtelement 16, welches durch zwei radial nach außen gerichtete Bunde 17 gekammert ist, die am inneren Ende des Stempelinnenrohrs 5 vorgesehen sind.

Zum Aufklemmen des Mantelrohrs 9 auf das StempeHnnenrohr 5 dient die in Fig.2 schematisch veranschaulichte Presse 18. Sie umfaßt eine genutete Basisplatte 19 mit wenigstens zwei parallel zueinander angeordneten senkrechten Führungsäulen 20, die am freien Ende durch ein Querhaupt 21 miteinander verbunden sind. Das Querhaupt 21 dient auch der Lagerung eines hydraulisch beaufschlagbaren Druckzylinders 22, der auf einen Schlitten 23 einwirkt, welcher an den Säulen 20 entlang zwangsgeführt ist.

Bei gemeinsamer Betrachtung der F i g. 2 bis 4 ist zu erkennen, daß zum Aufpressen des Mantelrohrs 9 das Stempelinnenrohr 5 zunächst auf der Grundplatte 19 der Presse 18 festgelegt wird. Stirnseitig des Stempelinnenrohrs 5 wird nun ein adapterähnliches Rohrführungsstück 24 angebracht. Das Rohrführungsstück 24 greift mit einem zapfenartigen Vorsprung 25 in den In- jo nengewindeabschnitt 6 des Stempelinnenrohrs 5 ein. Es besitzt eine konische Einführungsschräge 26, die in einen schmalen zylindrischen Längenabschnitt 27 ausläuft. Der Durchmesser des zylindrischen Längenabschnitts 27 ist nur unwesentlich kleiner als der Außendurchmesser AD des Stempelinnenrohrs 5 bemessen. Der Übergang 29 von der konischen Einführungsschräge 26 auf die Stirnfläche 28 des Rohrführungsstücks 24 ist gerundet.

Nach dem Einfügen des Rohrführungsstücks 24 in das Stempelinnenrohr 5 wird gemäß Fi g. 2 und 3 linke Hälfte das Mantelrohr 9 an die Einführungsschräge 26 angesetzt und mit Hilfe eines das freie Ende des Mantelrohrs 9 zentrierenden Kopfstücks 30 axial zum Stempelinnenrohr 5 und parallel zu den Führungssäulen 20 unter dem Pressenschlitten 23 fixiert.

Nunmehr wird entsprechend F i g. 3 rechte Hälfte gemäß dem Pfeil X das Mantelrohr 9 durch Beaufschlagung des Druckzylinders 22 auf das StempeHnnenrohr aufgeschoben. Zu diesem Zweck ist die lichte Weite LW des Mantelrohrs 9 unter Einhaltung eines wesentlichen Untermaßes UM (UM = AD — LW) derart auf den Außendurchmesser AD des Stempelinnenrohrs 5 abgestimmt, daß das Mantelrohr 9 durch gezielte Überschreitung der Fließgrenze des Stempelinnenrohrs 5 nur im den elastischen Verformungsbereich mit sicherem Abstand überschreitenden plastischen Dehnzustand mit einem noch ausreichenden Restfederungsanteil umspannt (F i g. 4). Dabei erfährt das Mantelrohr 9 bei einer Wanddicke von etwa 1 mm eine Dehnung um ca. 1%.

1st die Endlage des Mantelrohrs9gemäß Fig.4 linke Hälfte erreicht, wird der Pressenschlitten 23 mit dem Kopfstück 30 entsprechend dem Pfeil Y wieder nach oben bewegt und anschließend das Rohrführungsstück b^r> 24 gemäß dem Pfeil Z aus dem StempeHnnenrohr 5 entfernt.
Anschließend kann der Schutzmantel 9 im Bereich der Stirnfläche 31 des Stempelinnenrohrs 5 verkürzt und am anderen Ende noch zusätzlich mit dem Stempelinnenrohr 5 verschweißt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hydraulisch beaufschlagbarer Zylinder, insbesondere Stempel, für ein Ausbaugestell des untertägigen Grubenbetriebs, mit wenigstens einer Kolbenstange, einem Kolbenrohr oder einem Innenzylinder als relativbeweglichem Innenteil, welcher mit einem aufgepreßten dünnwandigen Edelstahlrohr ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite (LW) des Mantelrohrs (9) unter Einhaltung eines wesentlichen Untermaßes (UM) derart auf den Außendurchmesser (AD) des Innenteils (5) abgestimmt ist, daß das Mantelrohr (9) durch gezielte Überschreitung der Fließgrenze den Innenteil (5) nur im den elastischen Verformungsbereich mit sicherem Abstand überschreitenden plastischen Dehnzustand mit einem noch ausreichenden Restfederungsanteil umspannt.

2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (9) unter einer Dehnung um ca. 1 % mit einer Toleranz von etwa ± 0,5% axial auf den Innenteil (5) gepreßt ist.

3. Zylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Mantelrohrs (9) etwa 1 mm mit einer Toleranz von ca. ±0,5 mm beträgt.

4. Zylinder nach einem der Ansprüche t bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (9) längsgeschweißt oder spiralgeschweißt ist.

5. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit Rt des eine relativ enge Wanddickentoleranz aufweisenden Mantelrohrs (9) kleiner als 5 μπι bemessen ist.

6. Verfahren zum Aufklemmen eines dünnwandigen Mantelrohrs aus nichtrostendem Edelstahl auf den durch eine Kolbenstange, ein Kolbenrohr oder einen Innenzylinder gebildeten Innenteil eines hydraulisch beaufschlagbaren Zylinders für ein Ausbaugestell des untertägigen Grubenbetriebs, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst stirnseitig des Innenteils (5) ein Rohrführungsstück (24) mit einer konischen Einführungsschräge (26) und einem maximalen Außendurchmesser (D) angebracht wird, der nur geringfügig kleiner als der Außendurchmesser (AD) des Innenteils (5) bemessen ist, worauf anschließend das mit einem Untermaß (LJA) versehene Mantelrohr (9) an der Einführungsschräge (26) angesetzt und ohne Wärmebehandlung unter radialer Dehnung auf den Innenteil (5) axial aufgepreßt wird.