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Vorrichtung zum Prüfen von Hohlkörpern auf Widerstandsfähigkeit gegen
inneren Uberdruck und Zentrifugalkräfte
Es gibt Werkstücke von Hohlkörperform, die
bei ihrer Verwendung sowohl durch inneren Überdruck als auch durch Zentrifugalkräfte
beansprucht werden. Da bei Zerplatzen der Hohlkörpler die Bredienungsmannschaften
gefährdet sind, blesteht -die Notwendigkeit, die Hohlkörper vor Benutzung auf ihre
Haltbarkeit zu prüfen.
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Es sind Prüfeinrichtungen bekannt, bei denen Hohlkörper durch inneren
Überdruck beansprucht werden. Um dabei auf angenähert die Beanspruchungen durch
Zentrifugalkräfte zu. berücksichtigen, setzt man diese Hohlkörper einem um 50 bis
1000/0 höheren inneren Überdruck aus. Beim Prüfen durch inneren Überdruck werden
aber die an der Innenwandfläche gelegenen Materialteilchen wesentlich höher beansprucht
als die an der Außenwandfläche gelegenen. Will man die Hohlkörper durch Überbeanspruchung
an der Innenwandfläche nicht zerstören, so bleiben die an der Außenwandfläche gelegenen
Materialteilchen nicht genügend beansprucht, um Materialfehler an diesen Stellen
erkennen zu lassen.
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Es sind weiterhin Prüfeinrichtungen bekannt, bei denen Hohlkörper
durch rasche Umdrehungen, also durch Zentrifugalkräfte, beansprucht werden. Um dabei
angenähert auch die Beanspruchungen durch Innendruck zu berücksichtigen, setzt man
die Hohlkörper einer um 25 bis 50% höheren Umdrehungszahl aus. Beim Prüfen durch
Zentrifugalbeanspruchung werden aber die an der Außenwandfläche
gelegenen
Materialteilchen wesentlich höher beansprucht als die an der Innenwandfläche gelegenen.
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Will man die Hohlkörper durch Überbeanspruchung an der Außenwandfläche
nicht zerstören, so bleiben die ian der Innenwandfläche gelegenen Materialteilchten
nicht genügend beansprucht, um Materialfehler ian diesen Stellen erkennen zu lassen.
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Eine Prüfung von Hohlkörpern durch Innendruck und Zentrifugalkräfte
-nacheinander vorzunehmen, führt nicht zu den angestrebten Prüfergebnissen, weil
jeweils die nicht voll beanspruchten Materialteilchen unterstützend auf die voll
beanspruchten einwirken und so leine Widerstandsfähigkeit dieser letzteren vorgetäuscht
wird, die bei der in der Praxis auftretenden gleichzeitigen Beanspruchung durch
Innendruck und Zentrifugalkräfte nicht vorhandeln ist.
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Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zum Prüfen von Hohlkörpern
auf Widerstandsfähigkeit gegen inneren Überdruck mit leine solchen auf Widerstandsfahigkeit
gegen Zentrifugalkräfte vereinigt. Diese Vereinigung wird dadurch erzielt, daß die
der Erzeugung des inneren Überdruckes dienende Prüfvorrichtung auf einer für die
Entlüftung des Prüflings mit einer besonderen druckfesten Kammer ausgestalteten
Drehachse angeordnet ist.
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Bei leiner Prüfeinrichtung für Hohlkörper auf Festigkeit gegen inneren
Überdruck ist les nun notwendig, einerseits die Prüfflüssigkeit, meist Wasser, zuzuführen,
d. h. den Hohlkörper zu füllen, anderersleits gleichzeitig die im Hohlkörper enthaltene
Luft abzuführen, d. h. den Hohlkörper -zu entlüften. Als naturnotwendig waren hierzu
bisher zwei getrennte Rohrleitungen bekannt: eine Füllrohrleitung und eine Entlüftungsrohrleitung;
diese lassen sich abler an einer solchen Prüfeinrichtung, die rotierbar sein s,oll,
nicht lanbringen.
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Erfindungsgemäß wird nun die Drehachse der Prüfeinrichtung somit
reiner axialen Bohrung versehen und so als Füllrohrl,eitung blenutzt, während die
Entlüftungsrohrleitung dadurch in Fortfall kommt, daß eine besondere druckfeste
Kammer innerhalb der Drehachse, beispielsweise innerhalb des Hohlkörpers, angeordnet
wird, welche in der Hauptsache nur die im Hohlkörper enthaltene Luft aufzunehmen
hat.
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Die Drehachse wird nun vorteilhaft mit einer in den Hohlkörper hineinragenden
Fortsetzung versehen. Diese Fortsetzung dient sowohl der Zentrierung des Hohlkörpers
als auch dazu, in bekannter Weise den Innenraum des Hohlkörpers zum größten Teil
auszufüllen; letzteres zu dem Zweck, die abzuführende Luftmenge bei der Entlüftung
möglichst klein zu halten. Zweckmäßigerweise wird diese Fortsetzung der Drehachse
auswechselbar gemacht und in ihr auch die druckfeste Kammer -untergebracht.
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Die bei der Entlüftung des zu prüfenden Hohlkörpers verdrängte Luftmenge
wird in der druckfesten Kammer auf den Probfedruck komprimiert.
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Das Vorhandensein solcher komprimierten Luft innerhalb des zu prüfenden
Hohlkörpers stellt insofern eine Gefahr für die Bedienungsmannschaft der Prüfeinrichtung
dar, als bleim Zerplatzen des Hohlkörpers diese Luft sehr schnell expandiert und
dadurch beschleunigend auf die Hohlkörp-ertrümmcr einwirkt. Da man bisher kein Mittel
kannte, non diese Gefahr zu vermeiden, wurde eine druckfeste Kammer, wie vorstehend
beschrieben, bisher nicht angewandt.
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D'er Gegenstand der vorliegenden Erfindung vermeidet nun diese Gefahr
dadurch, daß er nur eine sehr lenge Verbindung zwischen der druckfesten Kammer und
dem zu entlüftenden Raum vorsieht, z. B. eine sehr kleine Bohrung. Dabei wird erfindungsgemäß
das Verhältnis zwischen der Menge der abzuführenden Luft und dem Querschnitt dieser
Bohrung so gewählt, daß beim Zerplatzen des zu prüfenden Hohlkörpers eine merkliche
Zeitdifferenz auftritt zwischen der Entspannung des Hohlkörpers, der Druckflüssigkeit
und der Prüfeinrichtung selbst einerseits Jund der Expansion der in der druckfesten
Kammer eingeschlossenen Luft andererseits so daß diese nicht mehr oder nur noch
in sehr geringem Maße beschleunigend auf die Hohlkörpertrümmer einwirken kann. Dabei
wird die Einrichtung so getroffen, daß die bei der Entlüftung des Hohlkörpers als
Eintrittskante geltende Kante der kleinen Bohrung reichlich abgerundet ist, um der
Luft möglichst wenig Widerstand zu bieten, während umgekehrt ,die bei der Expansion
der in der druckfesten Kammer eingeschlossenen Luft als Eintrittskante auftretende
Kante der kleinen Bohrung scharfkantig ausgebildet ist, damit diese Kante in hohem
Maße drosselnd wirkt.
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Damit di,e druckfeste Kammer immer ihren Zweck, der darin besteht,
die Entlüftung des Hohlkörpers zu lermöglichen, mit Sicherheit erfüllt, muß diese
größer bemessen werden als theoretisch notwendig wäre. Diese Überdimensionierung
hat zur Folge, daß auch Druckflüssigkeit in !di!e druckfeste Kammer übertritt und
zwar so viel, bis diese Überdimensionierung ausgeglichen ist. Damit wäre aber dann
die Zweckerfüllung der druckfesten Kammer in Frage gestellt, wenn es nicht gelingt,
die über getretene Druckflüssigkeit jeweils wieder zurückzuführen.
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Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß im Innern der druckfesten
Kammer an die kleine Bohrung, welche die Verbindung zwischen dem zu entlüften den
Raum und der druckfesten Kammer herstellt, ein kleines Röhrchen angeschlossen, welches
bis dicht auf den Boden der druckfesten Kammer hinabreicht. Diese Einrichtung bewirkt
selbsttätig die Rückbeförderung von Druckflüssigkeit, die bei der Entlüftung des
Hohlkörpers mit in die druckfeste Kammer übergetreten ist dadurch, daß bei der Entleerung
des Hohlkörpers nach erfolgter Prüfung die komprimierte Luft expandiert und durch
das Röhrchen und die kleine Bohrung zurückströmt und dabei die auf dem Boden der
druckfesten Kammer angesammelte D!ruckflüssigkeit vor sich her treibt und hinausbefördert.
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Da die Druckflüssigkeit beim Durchströmen des Röhrchens und der kleinen
Bohrung mehr Wider-
stand findet als die Luft, wird die vorstehend
erwähnte Zeitdifferenz zwischen der Entspannung des zerpiatzenden Hohlkörpers, der
Druckflüssigkeit und der Prüfeinrichtung selbst einerseits und der in der druckfiesten
Kammer eingeschlossenen Luft andererseits weiter vergrößert und somit dile Sicherheit
der Bedienungsmannschaft der Prüfeinrichtung weiter vermehrt.
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In den Abbildungen ist eine Prüfeinrichtung nach der vorliegenden
Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Mit Bezug auf das obere Teil
der Prüfeinrichtung nach Abb. I geht die Prüfung eines Hohlkörpers wie folgt vor
sich: Nachdem der zu prüfende Hohlkörper 1 über den Zentrierdorn 2 aufgebracht und
mittels seines Gewindes in -den Kopf 3 eingeschraubt ist, wird durch die axiale
Bohrung 4 der Drehachse 5 die Prüfflüssigkeit, z. B. Wasser, zugeführt. Dieses tritt
durch die radialen Bohrungen 6 im Kopf 3 in den Zwischenraum zwischen dem Zentrierdorn
2 und dem Hohlkörper I ein, steigt hier aufwärts und verdrängt die hier vorhandene
Luft. Diese wird durch die kleine Bohrung 7, deren obere Innenkante abgerundlet
ist, des Teiles 8 und durch das anschließende Heberöhrchen 9, dessen untere Innenkante
scharfkantig gelassen ist, in die druckfeste Kammer 10 gedrückt, die durch den Behälter
ii und das Teil 8 als Deckel des Behälters gebildet wird.
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Ist alle zwischen dem Hohlkörper I, dem Zentrierdorn 2 und dem Teil
8 vorhandene Luft in die druckfeste Kammer 10 übergeleitet, so tritt schließlich
auch Prüfflüssigkeit (Wasser) in die druckfeste Kammer in über, bis allseitig der
Prüfdruck erreicht ist.
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Schon während diieses Füll- und Entlüftungsvorganges oder nach erfolgter
Unterdrucksetzung oder zu einem anderen beliebigen Zeitpunkt kann die Prüfeinrichtung
in Rotation versetzt werden.
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Um nun zu verhindern, daß die übergetretene Druckflüssigkeit blei
der Rotation der Prüfeinrichtung durch Einwirkung der Zentrifugalkraft an der Wandung
des Behälters ii der druckfesten Kammer 10 lemporsteigt und somit die untere Öffnung
des Heberöhrehens g freigibt, anstatt hier einen Flüssigkeitsabschluß zu belassen,
wird erfindungsgemäß das Heberöhrchen g an seinem unteren Ende mit einer entsprechenden
Verdickung, z. B. mit seinem Flansch 12, und der Behälter 11 der druckfesten Kammer
10 dicht über diesem Flansch 12 mit einem Zwischenboden 13 versehen.
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Dieser Zwischenboden 13 lerhält eine Bohrung, die nur um ein geringes
größer ist als der Außendurchmesser des Heberöhrchens 9. So wird hier eine Vorkammer
innerhalb der druckfesten Kammer geschaffen, die bei der Rotation der Prüfieinrichtung
mit Druckflüssigkeit angefüllt bleibt und somit den angestrebten Flüssigkeitsabschluß
gegenüber der unteren Öffnung des Heberöhrchens g aufrechterhält.
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Es können nun Umstände vorhanden sein, denen die kleie Bohrung 7
als Verbindung des Hohlraumes zwischen I, 2 und 8 mit der druckfesten Kammer 10
nicht genügend Rechnung trägt, z. B. beim Vorliegen von Hohlkörpern mit anderer
Innenform, bei denen ein Zentrierdorn anteilig nur erheblich weniger Innenraum auszufüllen
vermag. In einem solchen Fall wird an Stelle der kleinen Bohrung 7 eingangs der
druckfesten Kammer 10 zunächst ein Ventil angeordnet, welches durch ein federndes
Mittel in geöffneter Stellung gehalten wird. Dieses Ventil steht erfindungsgemäß
mit einem der Ventildichtungsfläche nachfolgend angeordneten undichten Kolben in
Verbindung. Die Undichtheit des Kolbens wird beispielsweise dadurch lerzleugt, daß
seine Mantelfläche mit einigen kleinen Längsnuten versehen ist. Sie hat den Zweck,
Luft hunter geringer Widerstandsbildung hindurchtreten zu lassen, bei dem Hindurchtritt
von Druckflüssigkeit ab er leinen so hohen Durchflußwiderstand zu erzeugen, -daß
auf der Flüssigkeitsseite des Kolbens ein Überdruck gegenüber seiner Luftseite entsteht,
welcher das Ventil entgegen der Federwirkung bewegt und somit schließt. Hierdurch
wird lerreicht, daß blei Beendigung der Entlüftung nur geringe Mengen Druckflüssigkeit
in die druckfeste Kammer gelangen und alsdann das Ventil ge schlossen wird. Der
sofort darnach auftretende Prüfdruck wirkt dann nur noch auf das Ventil ein und
hält dieses weiterhin mit immer höher werdendem Drucküberschuß geschlossen, so lange,
bis der Prüfdruck wieder fortgenommen wird bzw. die Prüfung beendet ist.
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In Abb. 2 ist das vorbeschriebene Ventil in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt. Das Teil 8 ist als Ventilgehäuse ausgebildet. In diesem Teil bewegt
sich das, normalerweise durch ein federndes Mittel 14, z. B. durch ein Gummiband,
in geöffnetem Zustand gehaltene Ventil I5. Dieses trägt, der Ventildichtungsfläche
nachfolgend, den undichten Kolben 16, dessen Undichtheit z. B. durch vier Nuten
längs seines Umfanges erzeugt ist.
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Der Querschnitt dieser Nuten ist so bemessen, daß, solange die abzuführende
Luft am Kolben 16 vorbeitritt, die Spannung des federnden Mittels 14 genügt, um
das Ventil geöffnet zu halten. Tritt aber Druckflüssigkeit am Kolben 16 vorbei,
so genügt die Spannung des federnden Mittels 14 nicht sehr, das Ventil geöffnet
zu halten, da ja alsdann, wegen des höheren Druckwiderstandes gegenüber der Luft,
zusätzliche Schließkräfte für das Ventil entstehen. Zunächst einmal setzt sich durch
die Stauung der Druckflüssigk,eit vor dem Kolben ein Teil der Bewegungsenergie derselben
in Druck um, dann aber erhöht sich durch die Stauung auch der Druck der Druckflüssigkeit
an sich vom Speiseaggregat her. Beide Drücke wirken nur auf die obere Seite des
Kolbens, wodurch derselbe abwärts bewegt wird und das Ventil schließt. Nun steigt
der Druck der Druckflüssigkeit innerhalb der Prüfeinrichtung sehr schnell bis zum
Prüfdruck an, wodurch das Ventil nur um so stärker auf seine Gehäusesitzfläche gedrückt
wird.
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Ist die Prüfung beendet !oder zerplatzt der Hohlkörper, slo muß sich
der Hohlkörper, die Druckflüssigkeit sowie die Prüfeinrichtung selbst erst
so
weit entspannen, bis der Druck der in der druckfesten Kammer eingeschlossenen Luft
den Druck der Druckflüssigkeit überwiegt, ehe das Ventil z 5 sich öffnet.
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Blei Anwendung des vorbeschriebenen Ventils ist es vorteilhaft, die
druckfeste Kammer erheblich größer zu bemessen als weiter vorn beschrieben.
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War les dort notwendig, die Luft auf lden vollen Prüfdruck zu komprimieren,
so ist es hier wünschenswert, diese Luft möglichst wenig zu kom primieren, damit
auf den Kolben I6 von unten her möglichst wenig Druck wirkt und das Ventil 15 möglichst
leicht sich schließen läßt.
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Blei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie bei jeder hydraulischen
Prüfeinrichtung, ist es nun erforderlich, leinen Anschluß für die Zu- bzw.
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Abführung der Prüfflüssigkeit zur bzw. von Ider Drehachse zu haben.
Dlas bisher übliche bekannte Mittel zur Lösung einer solchen Aufgabe ist eine Stopfbüchse,
deren abdichtendes Mittel die Drehachse oder leine zweckentsprechende Verlängerung
dersielben umschließt. Dlas dichtende Mittel muß dabei, aber mindestens mit dem
gleichen, zweckmäßigerweise möglichst mit seinem höheren Druck als dem Prüfmitteldruck
anliegen, damit Dichtung erzielt wird. Dieser hohe Dichtungsdruck in Verbindung
mit der sehr schnellen Gleitung der Drehachse bzw. ihrer Verlängerung erzeugt nun
durch die naturgegebenen Rauhigkeiten, insbesondere des Dichtungsmittels, !eine
außerordentlich starke Reibung, so daß die auftretende Reibungswärme schon in kürzester
Zeit, unter Umständen schon, ehe überhaupt eine Prüfung hätte durchgeführt werden
können, das dichtende Mittel zerstört.
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Der vorstehend beschriebene Mangel wird nun dadurch beseitigt, daß
die auftretende Reibung unterteilt wird. Dies wird dadurch lerreicht, daß die Druckmittelzufuhr
zur Drehachse anstatt wie üblich durch eine Stopfbüchse, erfindungsgemäß durch mehrere
Stopfbüchsen durchgeführt wird, von denen höchstens eine still steht, während die
anderer zusammen mit der Drehachse in Rotation versetzt werden, und zwar mit Tourenzahlen,
die zwischen der Tourenzahl der Drehachse und Null liegen und zweckmäßig untereinander
abgestuft sind. Diese Unterteilung wird so weit durchgeführt, bis eine unzulässige
Erwärmung an den einzelnen Dichtungen nicht mehr auftreten kann, wobei für jiede
Dichtung lalle gegebenen Möglichkeiten zur Kühlung und Schmierung zweckmäßigerweise
mit ausgenutzt werden.
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In Abb. I, unten, ist eine Abdichtung der Prüfmittelzu- und abführung
beispielsweise dargestellt; es kommen hier beispielsweise zwei zu einem Paar vereinigte
Stopfbüchsen zur Anwendung. Teil 17 stellt eine Verlängerung der Drehachse 5 dar,
Teil I8 das rotierende Stopfbüchsenpaar und Teil 19 den feststehenden Anschluß an
die Prüfmittelzu-und abführung. Während diese Drehachse 5 bzw. ihre Verlängerung
17 mit der Tourenzahl n rotiert, wird das Stopfbüchsenpaar 18 beispielsweise nur
mit der Tourenzahl 1/2 n betrieben. Es besteht somit in diesem Fall zwischen I7
und I8 bzw. zwischen I8 und 19 nur ein Tourenzahlunterschied von 1/2 n, und die
auftretende Reibungswärme im Dichtungsmaterial jeder Stopfbüchse des Paares 18 ist
jeweils nur halb so groß, wie wenn üblicherweise nur eine Stopfbüchse zur Anwendung
gekommen wäre. J;e nach der Höhle der Tourenzahl der Dreh achse und der Höhe des
Prüfflüssigkeitsdruckes kann es zwecks Niedrighaltung der Dichtungsreibung je Stopfbüchse
notwendig sein, mehr als zwei Stopfbüchsen anzuordnen. Diese können nun ineinandergeschachtelt
oder aber paarweise zusammengefaßt angeordnet werden. Im letzteren Fall, der sich
vielleicht konstruktiv günstiger gestaltet, sind dann noch ein oder mehrere rotierende
Zwischenstücke erforderlich.
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Ein solches Ausführungsbeispiel stellt Abb. 3 dar. Hier sind vier
paarweise zusammengefaßte Stopfbüchsen und lein rotierendes Zwischenstück zur Anwendung
gebracht. Teil 17 stellt die Verlängerung der Drehachse 5 dar, Teil 18 das erste
Stopfbüchsenpaar, Teil 20 das ebenfalls rotierende Zwischenstück, Teil 21 das zweite
Stopfbüchsenpaar und Teil 19 Iden festen Anschluß an die Prüfmittelzu- und -abführungsleitung.
Während die Drehachse 5 bzw. ihre Verlängerung I7 mit der Tourenzahl n rotiert,
rotieren beispielsweise die Teile 18 mit 3/4 n, 20 mit ½n und 21 mit 1/4 n.
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Zwischen Teil 17 und I8, I8 und 20, 20 und 21 sowie 21 und 19 bestehen
somit jeweils nur Tourenzahlunterschiede von 1/4 n, und die auftretende Reibungsarbeit
in jeder Dichtung ist dadurch auch nur 1/4 so groß, wie wenn üblicherweise nur eine
normale Stopfbüchse zur Anwendung gekommen wäre.
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Im Bedarfsfall läßt sich die je Dichtung auftretende Reibungswärme
durch weitere Unterteilung, d. hl. durch Vermehrung der Anzahl der zur Anwendung
gelangenden Stopfbüchsen, bzw.
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Stopfbüchsenpaare und Zwischenstücke, noch weiter vermindern. Immer
aber besteht das Prinzip dieses Teiles der Erfindung darin, mehr als eine Stopfbüchse,
levtl. Stopfbüchsenpaare und Zwischenstücke, hintereinander anzuordnen und diese
mit zweckmäßigerweise abgestuften, zwischen der Tourenzahl der Drehachse und Null
liegenden Tourenzahlen zu betreiben.