DE3700587A1 - Verfahren zum zerteilen und zerteiler eines aus einer duese austretenden hochdruckfluessigkeitsstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen und einen Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hochdruckflüs­ sigkeitsstrahl, insbesondere zur Materialbehandlung, wie zum Abtragen, Entgraten, Schneiden oder Bohren.

Bearbeitungsverfahren mit Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen sind unter der Bezeichnung Jet-Cutting bekannt geworden. Durch Anwen­ dung hoher Drücke und dadurch erreichbarer sehr hoher Strahlge­ schwindigkeiten ist es möglich geworden, Wasser als Werkzeug nicht nur zum Abbau von Kohle oder zur Bearbeitung von Gesteinen, son­ dern auch in der Metallbearbeitung, z. B. zum Entgraten von Guß­ stücken einzusetzen. Außerdem werden Hochdruckwasserstrahlen für die Bearbeitung von Holz, Textilien und Kunststoffen eingesetzt. Die bisherigen Hochdruckwasserstrahlanlagen arbeiten mit kontinu­ ierlich aus der Düse austretenden Strahlen.

Es ist andererseits schon bekannt, insbesondere bei Reinigungsan­ lagen, mit pulsierendem oder moduliertem Wasserstrahl zu arbeiten. Derartige Anlagen sind entweder raumaufwendig, da sie einen Fremd­ antrieb benötigen, so daß sie z. B. nicht in engen Rohren, z. B. zum Entgraten, einsetzbar sind, oder sie sind zum Hochdruckan­ schluß nicht geeignet, da bei ihnen Flüssigkeitsschläge auftreten können, durch die eine Schädigung der Hochdruckpumpe eintreten kann. Außerdem ist mit den bekannten Anlagen eine gesteuerte Zerteilung eines Strahles ohne Änderung der Durchflußmenge nicht möglich, und schließlich kann man mit bekannten Anlagen, insbesondere, wenn der Zerteiler vor der Düse angeordnet ist, nicht dicht genug an das zu behandelnde Werkstück herankommen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch Steigerung der Strahl­ dynamik zu höherer Abtragsleistung bei gleicher Pumpenleistung zu kommen, ggfs. bei geringeren Drücken und bei geringerer Förder­ menge.

Die zur Lösung der gestellten Aufgabe wesentlichen Merkmale sind im Patentanspruch 1 genannt. Die Unteransprüche nennen Ausführungs­ arten der Erfindung.

Nach der Erfindung wird die verbesserte Wirkung dadurch erreicht, daß beim Aufschlag eines zerteilten Flüssigkeitsstrahles auf eine Oberfläche innerhalb von Mikrosekunden Stoßbelastungen auftreten, die um ein Vielfaches höher sind als der Staudruck eines kontinu­ ierlichen Strahls. Nach der Erfindung wird, ohne den Strahl inner­ halb der Düse zu unterbrechen, durch das Zerteilen aufgrund der Relativgeschwindigkeit der einzelnen Strahlteile in einem gewissen Abstand vor der Düse ein voll unterbrochener Strahl, also eine Auf­ teilung in Tropfen, erreicht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die langsamen Strahlteile von den schnelleren eingeholt werden. Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß bereits im Bereich des sich unmittelbar an die Düse anschließenden Strahlkerns statt einer konstanten Geschwindigkeit die zur Tropfenbildung führenden unter­ schiedlichen Strahlgeschwindigkeiten auftreten, wodurch die sonst statische Belastung der zu behandelnden Oberfläche in eine dynamische verwandelt wird.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsformen des neuen Zerteilers. In

Fig. 1 einen mit einem Motor arbeitenden Zerteiler im Längsschnitt, in

Fig. 2 einen mit einem Kolben arbeitenden Zerteiler im Längsschnitt, und in

Fig. 3 einen weiteren mit einem Kolben arbeitenden Zerteiler zum Anschluß an eine Hochdruckspritzpistole im Längsschnitt, in

Fig. 4 und 5 eine Variante des Motors nach Fig. 1 im Längs- und Quer­ schnitt und in

Fig. 6 und 7 eine Ausführungsform eines Laminators im Längs- und Querschnitt.

Die Funktion des Zerteilers nach Fig. 1 ist folgendermaßen:

Die von einer Pumpe geförderte Flüssigkeit gelangt über den Anschluß 6 in das Innere des Strahlzerteilers. Von einem Sam­ melraum 8 strömt es durch die Bohrungen 5 a eines Leitkörpers 5 und wird tagential auf die Oberfläche eines zylindrischen Rotors 3 geleitet. Mehrere Bohrungen 3 a in diesem führen das mit hoher Geschwindigkeit um den Rotor rotierende Wasser in den axialen Mittelkanal 3 b des Rotors 3. Hierdurch wird der Drall der Flüs­ sigkeit auf den Rotor 3 übertragen und dieser somit auf eine hohe Drehgeschwindigkeit beschleunigt. Der Mittelkanal 3 b des Rotors 3 gabelt sich strömungsabwärts in drei Zweigkanäle 3 c. Versetzt zur Mittelachse des Rotors 3 befindet sich im Gehäuse 2 die Ausfluß­ bohrung 2 a mit der Düse 1. Bedingt durch die Rotation des Rotors 3 passieren die drei Zweigkanäle (3 c) den Eintritt in die Ausfluß­ bohrung (2 a) und versperren hierbei periodisch teilweise den Boh­ rungsquerschnitt. Hierdurch wird eine Zerteilung des aus der Düse austretenden Stahles bewirkt. Ein positiver Effekt der immer nur teilweise geschlossenen Ausflußbohrung (2 a) ist, daß der Rotor (3) in jeder Position anlaufen kann. Da stets ein Flüssigkeitsdurch­ fluß möglich ist, und damit ein Rotor-Drehmoment zur Verfügung steht.

Die Rotordrehzahl und damit die Strahlfrequenz ist dadurch zu beein­ flussen, daß ein Teil der Flüssigkeit nicht durch den Leitkörper, sondern durch den Mittelkanal 3 b in entgegengesetzter Richtung über ein Bypass-Ventil 9 in den Sammelraum 8 zurückfließt. Je mehr Flüssigkeit - durch das Bypass-Ventil 9 gesteuert - anteilig durch den drehzahlneutralen Mittelkanal fließt, desto geringer ist die - Rotordrehzahl bzw. die Strahlfrequenz. Statt drei Zweigkanäle 3 c können auch mehrere Zweigkanäle im Rotor angeordnet sein. Die Strahl­ frequenz läßt sich aus der Anzahl der Zweigkanäle multipliziert mit der Rotordrehzahl errechnen.

Das Gehäuse besteht aus dem linken Teil 2, an dem die Ausflußbohrung 2 a und die Düse 1 angeordnet ist sowie aus dem rechten Teil 4, das eine Stopfbuchs-gedichtete Durchführung für das Bypass-Ventil 9 trägt. Die gesamte Konstruktion wird nach außen hin mit O-Ringen gedich­ tet. Die nötige Anpreßkraft wird auf jeder Seite durch mindestens vier Zylinderschrauben erzeugt, wie in der Fig. lediglich durch strichpunktierte Linien angedeutet. Der Leitkörper 5 übernimmt die Zentrierung der beiden Gehäuseteile. Die Lagerung des Rotors 3 erfolgt in dem Leitkörper und dem linken Gehäuseteil 2. Die Rotorlagerung erfolgt über wassergeschmierte Gleitlager.

Das der Strömungsquerschnitt zwischen Düse und Pumpe niemals voll­ ständig unterbrochen wird, kann es nicht zu gefürchteten Flüssig­ keitsschlägen in der Leitung und evtl. rückwirkend bis zur Pumpe mit den daraus resultierenden möglichen Schädigungen kommen. In­ folge der Strahlzerteilung mit Hilfe der Energie des unter hohem Druck zugeführten Wassers erübrigen sich aufwendige Dichtungs­ systeme, die nötig wären, um eine externe Antriebsleistung in die Hochdruckseite des Zerteilers einzubringen. Solche externe Antriebe stellen eine Komplizierung des Zerteilers und damit eine potentielle Fehlerquelle dar.

Der Kolbenstrahlzerteiler nach Fig. 2 hat ein in drei Teile 2, 4, 5 gegliedertes Gehäuse. Das linke Gehäuseteil 2 enthält den Druck­ wasseranschluß 6, den Ventilsitz 2 b und die Düse 1 und zwischen Ventilsitz 2 b und Düse den Anschluß 2 c einer Druckrückführleitung 7. Das mittlere Gehäuseteil 4 dient als Leitkörper 5, der Führung des Kolbens 3 und der Anordnung von Dichtelementen. Das rechte Ge­ häuseteil 4 schließt den hinteren Druckraum 10 ein und enthält den hinteren Anschluß 4 b der Druckrückführleitung 7. Die Gehäuseteile sind mittels O-Ringen gegeneinander abgedichtet und mit je mehreren M 8 Zylinderschrauben gegeneinander verschraubt. Der Kolben 3 ist als Stufenkolben ausgeführt. An seiner linken Seite ist ein Ventil­ kegel 3 a ausgebildet. Die vordere - gegen die hintere Fläche abge­ dichtete - Fläche ist kleiner als die hintere Fläche. Die Abdichtung zwischen den beiden Kolbenflächen erfolgt durch Lippendichtung, z. B. aus einem gebogenen Hochdruckrohr oder Schlauch. Ihr Anschluß an das Gehäuse erfolgt über Schneidringverschraubungen.

Die Wirkung dieses Zerteilers ist folgendermaßen:

Durch den seitlichen Druckmittelanschluß 6 tritt die Hochdruck­ flüssigkeit in das linke Gehäuseteil 2 ein. Setzt man als Aus­ gangsstellung ein geöffnetes Ventil 2 b, 3 a voraus, strömt die Flüssigkeit zur Düse 1 und tritt dort aus. Zwischen Ventil und Düse befindet sich in einem spitzen Winkel gegen die Strömungs­ richtung die Abzweigbohrung 2 c zur Druckrückführleitung 7. Durch diese pflanzt sich der Flüssigkeitsdruck zur rückseitigen Fläche des Stufenkolbens 3 fort. Bedingt durch die hintere, größere hydraulisch wirksame Fläche wird eine Kraft in Schließrichtung des Kolbens 3 wirken. Überwindet diese Kraft die Reibwiderstände der Dichtungen, so beginnt sich der Kolben zu schließen. Ist das Ventil geschlossen, so kann sich der hintere Druckraum 10 über die Düse 1 entlasten. Der Flüssigkeitsdruck wirkt nur noch auf die vordere kleinere Fläche des Kolbens, verringert durch die wirksame Ventilfläche. Ein Öffnungsvorgang des Kolbens ist die Folge und der Zyklus beginnt von neuem. Um die Frequenz dieses Schwingsystems zu erhöhen und aus Gewichtsgründen kann der Kolben von seinem hinteren Ende aus hohl gebohrt sein.

Bei dem Kolbenzerteiler nach Fig. 3 kann der Hochdruckanschluß 6 an einen Pistolennippel 14 einer Hochdruckpistole angeschlossen werden. Das Gehäuse besteht aus zwei Drehteilen 2, 4, die miteinan­ der durch Außengewinde im linken und Innengewinde im rechten Teil verschraubt sind. Die Gewindesicherung kann über ein übliches flüs­ sig aufzubringendes Sicherungsmittel erfolgen. Auch bei diesem Zer­ teiler ist steuerndes Element der als Stufenkolben ausgebildete Kolben 3, der zwischen zwei Positionen schwingen soll. Eine Posi­ tion ist die Freigabe der Durchströmung, die andere Position die Verriegelung der Durchströmung. Die Hochdruckflüssigkeit strömt durch den Pistolennippel 14 und den als Dichtkörper ausgebildeten Hochdruckanschluß 6 auf den Dichtkegel 3 a des Kolbens 3 und schickt diesen zurück. Durch z. B. vier Bohrungen 3 b hinter dem Dichtkegel gelangt die Flüssigkeit in das Innere des hohlgebohrten Kolbens 3 und kann direkt zur Düse 1 strömen. Sobald sich ein genügend hoher Flüssigkeitsdruck auf der düsenwärtigen Seite des Stufenkolbens aufgebaut hat, überwiegt infolge der hier größeren hydrau­ lischen Fläche die den Kolben schließende Kraft, die öffnende Kraft. Die Abgrenzung der hydraulisch wirksamen Flächen gegen­ einander erfolgt durch Hochdruckdichtungen. Der Raum zwischen den Dichtungen ist drucklos. Infolge der angreifenden Kraft er­ fährt der Kolben 3 eine Beschleunigung gegen die Richtung der Strömung. Jetzt nimmt der Durchfluß durch den Ventilspalt 3 b und damit der Druck auf die rückwärtige Kolbenfläche ab, und der Kolben wird durch den höheren Druck auf der Anströmseite wieder nach links verschoben. Es stellt sich also ein Oszillationsvorgang des Kolbens ein. Dabei schließt das Ventil nicht vollständig. Die Schwingung muß nur für eine entsprechend starke zeitliche Abdros­ selung der Strömung sorgen. Es wird dann der gleiche Effekt wie bei dem Zerteiler mit Rotor nach Fig. 1 erreicht. Der Stufenkolben 3 nach Fig. 3 ist zwischen Dichtungen in dem aus Stützringen 5 c und einer Zentrierhülse 5 b gebildeten, ggfs. auch als einziges Bauteil kontruierten, Leitkörper gelagert. Die Dichtungen sind durch die Stützringe 5 c gesichert. Diese stützen sich durch Verschrauben gegen die Zentrierhülse 5 b. Die Zentrierhülse 5 b und das linke Gehäuseteil 2 ist mit Entlastungsbohrungen versehen, die verhindern sollen, daß sich zwischen den Höchstdruckdichtungen ein Druck aufbaut.

Bei dem gegenüber Fig. 1 abgewandelten Rotor nach Fig. 4 und 5 sind statt tangentialer Durchtrittskanäle kreuzweise angeordnete Rippen 15 vorgesehen, durch die die Drehung des Rotors bewirkt wird.

In Fig. 6 und 7 ist eine Ausführungsform des in Fig. 2 mit Bezugs­ zeichen 11 angedeuteten Laminators dargestellt.

Die neuen Zerteiler haben sich insbesondere bei geringen Düsenab­ ständen vom zu behandelnden Werkstück bewährt. Bei dem Rotorzerteiler wurde eine optimale Wirkung bei Anwendung einer Düse von 2,8 mm Durch­ messer und Drücken im Bereich bis 400 bar etwa bei einem Düsenabstand vom Werkstück von 150 mm erreicht. Es waren aber auch Düsenabstände zwischen 60 und 500 mm möglich. Je nach Wahl dieser Parameter ändert sich die Zeit, in der eine Bestrahlung erfolgen muß.

Bei einem Kolbenstrahlzerteiler mit einer Düse von 2 mm Durch­ messer ergaben sich bei 400 bar-Drücken die besten Ergebnisse bei geringstem Abstand vom Werkstück. Die einzelnen Parameter sind selbstverständlich den zu bearbeitenden Materialien wie Beton, Aluminium, PVC oder PMMA anzupassen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Zerteilen eines aus einer Düse austretenden Hochdruckflüssigkeitsstrahles, insbesondere zur Materialbe­ handlung, wie Abtragen, Entgraten, Schneiden oder Bohren, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Querschnitt vor der Düse ohne Unterbrechung des Querschnitts zwischen Düse und Hochdruckpumpe, ggfs. mit einstellbarer Frequenz, peri­ odisch um ein - je nach Pumpendruck und Düsenquerschnitt und Abstand von dem zu behandelnden Material - vorbestimmtes Maß allein mit Hilfe der Energie der zugeführten Flüssig­ keit abgedrosselt und wieder erweitert wird.

2. Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hochdruck­ flüssigkeitsstrahl zum Ausführen des Verfahrens nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• a) ein Gehäuse (2, 4) weist an einer Seite einen in einen zentrischen Sammelraum (8) mündenden Hochdruckanschluß (6) und an der gegenüberliegenden Seite eine mit einer Düse (1) ausgerüstete Ausflußbohrung (2 a) auf.
• b) Im Sammelraum (8) befindet sich ein im Gehäuse (2, 4) fest eingebauter, im wesentlichen zylindrischer, Leit­ körper (5), in dem ein einen zentrischen Mittelkanal (3 b) aufweisender Rotor (3) drehbar gelagert ist.
• c) Der Mittelkanal (3 b) ist über vorzugsweise tangentiale Bohrungen (3 a) im Rotor und tangentiale Bohrungen (5 a) im Leitkörper (5) mit dem Sammelraum (8) und über min­ destens drei sich an den Mittelkanal (3 b) anschließende Zweigkanäle (3 c) mit der versetzt zur Achse des Rotors (3) angeordneten Eintrittsöffnung der Ausflußbohrung (2 a) verbunden.
• d) Die Anordnung und Öffnungsweite der Zweigkanäle (3 c) ist so auf die Lage und Öffnungsweite der Eintritts­ öffnung der Ausflußbohrung (2 a) abgestimmt, daß sie bei Drehung des Rotors (3) periodisch nur teilweise abgedrosselt und wieder erweitert wird (Fig. 1).

3. Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hochdruck­ flüssigkeitsstrahl zum Ausführen des Verfahrens nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• a) Ein Gehäuse (2, 4, 5) weist an einer Seite einen in einen zentrischen Sammelraum (8), vorzugsweise tan­ gential, mündenden Hochdruckanschluß (6) und an einer Seite eine mit einer Düse (1) ausgerüstete Ausfluß­ bohrung (2 a) auf.
• b) Zwischen dem düsenseitig im Gehäuse angeordneten Sam­ melraum (8) und einem hinten im Gehäuse angeordneten Druckraum (10) ist in einem vorzugsweise als Gehäuse­ mittelteil ausgebildeten Leitkörper (5) ein Kolben (3) axial verschiebbar gelagert, der mit einem Ventil­ kegel (3 d) einem Ventilsitz (2 b) vor der Eintritts­ öffnung in die Ausflußbohrung (2 a) zugeordnet ist.
• c) Der Sammelraum (8) steht im Bereich der Ausflußbohrung (2 a) über eine Druckrückführleitung (7), vorzugsweise einen Schlauch, mit dem Druckraum (10) in offener Verbindung.
• d) Die in den Druckraum (10) ragende Fläche des Kolbens (3) ist größer als die in den Sammelraum (8) ragende Fläche dieses Kolbens (3). (Fig. 2)

4. Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hoch­ druckflüssigkeitsstrahl zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• a) Ein Gehäuse (2, 4) weist an einer Seite einen in einen zentrischen Sammelraum (8) mündenden Hochdruckanschluß (6) und an einer Seite eine mit einer Düse (1) ausge­ rüstete Ausflußbohrung (2 a) auf.
• b) Zwischen einem düsenseitig im Gehäuse (2, 4) angeordne­ ten Druckraum (10) und dem hinten im Gehäuse angeordne­ ten Sammelraum (8), in den zentrisch der Hochdruckan­ schluß (6) mündet, ist in einem Leitkörper (5 b, 5 c) ein Steuerkolben (3) im Gehäuse (2, 4) axial verschiebbar gelagert, der mit einem Ventilkegel (3 d) einem Ventil­ sitz (6 a) vor der Eintrittsöffnung des Hochdruckanschlus­ ses (6) zugeordnet ist.
• c) Der Sammelraum (8) steht über Bohrungen (3 a) im Kolben (3) und über dessen hohlen Innenraum mit dem Druckraum (10) in offener Verbindung.
• d) Die in den Druckraum (10) ragende Fläche des Kolbens (3) ist größer als die in den Sammelraum (8) ragende Fläche dieses Kolbens (3). (Fig. 3)

5. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch ein zweiteiliges oder mehrteiliges Gehäuse (2, 4) bzw. (2, 4, 5) und abgedichtete Halterung des Leitkörpers (5) bzw. (5 b, 5 c) zwischen den Gehäuseteilen.

6. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine schwimmende Flüssigkeitslagerung, vorzugsweise im Gleitlager, des Motors (3) bzw. Kolbens (3) im Leitkör­ per (5) und in einem Gehäuseteil.

7. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 6, gekenn­ zeichnet durch eine Verbindung des Mittelkanals (3 b) über ein Bypassventil (9) mit dem Sammelraum (8).

8. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 oder 5 bis 7, gekenn­ zeichnet durch eine Axiallagerung des Rotors 3 mittels einer stirnseitig in ihn eingepreßten, vorzugsweise an ihrer Auflageseite abgeplatteten Stahlkugel, die an einer in der ihr gegenüberliegenden Wand des unteren Gehäuseteils (2) eingesetzten Graphitplatte abgestützt ist und/oder durch radiale keilförmige Rinnen in der stirnseitigen Auflage­ fläche des Rotors (3).

9. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch einen Laminator (11) in der Ausflußbohrung (2 a) zwischen deren Eintrittsöffnung und der Düse, vorzugsweise als in seiner Längsrichtung mehrfach durchbohrter Zylinder.

10. Zerteiler nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch Ausbildung des Kolbens (3) als Hohlkörper.

11. Zerteiler nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch eine Druckentlastungsbohrung (12) zwischen den Lagern (13) des Kolbens (3).