-
Scheibenkolben mit Kolbenstange für Dampfmaschinen, insbesondere Lokomotivdampfmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf Scheibenkolben mit Kolbenstange für Dampfmaschinen,
insbesondere für Lokomotivdampfmaschinen. Bei den bekannten Lokomotivdampfmaschinen
ist der Kolben ein aus Stahl geschmiedeter oder gepreßter rotationssymmetrischer
Körper mit meist Z-förmigem Ringprofil. Der Kolben ist auf die im -wesentlichen
zylindrische und massive Kolbenstange aufgepreßt und -wird zwischen einem auf der
Kolbenstange vorgesehenen Ringbund und einer nach dem Anziehen vernieteten Mutter
in ,seiner Lage gehalten. Der hauptsächliche Mangel dieser Ausführung ist in dem
hohen Gewicht bzw. den großen hin- und hergehenden Massen zu sehen, die, da sie
nur zum Teil durch die an den Treibrädern angeordneten Gegengewichte ausgeglichen
-werden können, insbesondere bei Zweizvlindermaschinen das unerwünschte Zukken bzw.
Drehen der Lokomotiven hervorrufen. Es sind zwar für Verbrennungskraftmaschinen
Hohlkolben bekanntgeworden, deren Stirnseiten unmittelbar mit der Kolbenstange aus
einem Stück geschmiedet sind und auf die der Kolbenmantel aufgeschrumpft, geschweißt
oder geschraubt ist. Zur Zu- und Abführung des Kühlmittels ist die Kolbenstange
mit in den Hohlraum des Kolbens mündenden Bohrungen versehen. Schon die Ausbildung
als Ilohlkolben .ergibt jedoch gegenüber gleich großen Scheibenkolben ein höheres
Gewicht und daher größere hin- und hergehende Massen. Auch die verhältnismäßig kleinen
Kühlmittelbohrungen ergeben keine -wesentliche Verminderung der hin- und hergehenden
Massen. Außerdem ist die Herstellung des Kolbens wegen der an die Kolbenstange anzuschmiedenden
Scheiben und der folgenden umfangreichen
spanabhebenden. Bearbeitung
sehr teuer.
-
Demgegenüber ist die Aufgabe der Erfindung darin zu sehen, den leichteren
und billiger herzustellenden Scheibenkolben mit Kolbenstange für Dampfmaschinen,
insbesondere Lokomotivdampfmaschinen, so zu verbessern, daß die hin- und hergehenden
Massen von Lokomotiven auf ein Mindestmaß verringert werden.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Scheibenkolben
und"die Kolbenstange bzw. ein Teil der Kolbenstange in an sich. bekannter Weise
als Schweißkonstruktion zwsammengefaßt sind,. deren Scheibenkolben eine Hohlnabe
aufweist, die entweder an einem einzigen, den Scheibenkoftben bildenden Preß- oder
Schmtiedeteil vorgesehen oder von mehreren einfache geometrische Formen aufweisenden,
miteinander verschweißten Preßteilen gebildet ist, die mit den stirnseitigen Enden
auf .der Kolbenstange angeschweißt sind, welche im Bereich des Kolbens durchgehend
hohl ausgebildet ist.
-
Durch diese Maßnahmen werden neben dem Vorteil der Gewichtsverminderung
und damit der Verminderung der hin- und hergehenden Massen noch weitere beträchtliche
Vorteile erzielt. Einmal wird die Abnutzung der Kolbenstangen, Trag- und Stopfbuchsen
sehr verringert. Des weiteren werden das Kreuzkopf- und Treibstangenlager, die vornehmlich
zum Heißlaufen neigen, wesentlich. entlastet und dadurch erheblich betriebssicherer.
-
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Anordnung und Ausbildung von Kolben und Kolbenstange dargestellt. Die Abb. i bis
6 zeigen jeweils einen Kolben mit Kolbenstange im Längsmittelschnitt.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i ist an den vollen Teil i der
Kolbenstange ein hohler, mit dem Kolbenkörper verschweißter Teil 2 mittels einer
ringförmigen Stumpfnaht 3 angeschweißt. Der hohle Teil. 2, der Kolbenstange ist
ein glattes, zylindrisches Rohr, das etwa in der Mitte der Außenfläche mit einem
ebenfalls zylindrischen Ringbund q. von etwas größerem Durchmesser versehen ist.
Die Länge des Ringbundes ¢ ist so bemaessen, daß 'die Rundnähte 5 zurr Befestigung
des Kolbenkörpers mit der Kolbenstange noch auf dem Ringbund q. liegen. Der Übergang
von dem kleineren Durchmesser der Kolbenstange zum größeren des Ringbundes 4 ist
-gut abgerundet, um Anrisse infolge von Spannungsanhäufungen zu vermeiden. Das freie
Ende des hohlen Teils 2 der Kolbenstange ist durch einen eingeschweiß#ben Deckel
6 dicht verschlossen, um das Eindringen von Dampf zu verhindern. Der Kolbenkörper
ist selbst vollkommen geschweißt. Er besteht aus einem mit Ringnuten zur Aufnahme
der Kolbenringe versehenen Ring 7, der nahtlos oder durch Biegen und Schweißen beispielsweise
aus einem Stück Flachstahl hergestellt werden kann, und zwei der Mantelfläche eines
Kegelstumpfes entsprechenden und gegeneinanderstehenden Preßteilen 8 und 9 unterschiedlichen
Durchmessers. Der kleinere Preßteil 8 ist mit seinem äußeren, vorteilhaft angeschärften
Rand mit der inneren Kegelfläche des größeren PreßteiIles 9 verschweißt, derart,
daß die Bohrungen beider Preßteile 8 und 9 eine gemeinsame geometrische Achse aufweisen.
Der äußere Umfang des größeren Preßteils 9, der ebenfalls angeschärft ist, ist an
einem Ende der Innenfläche des Ringes 7 mit diesem durch zwei ringförmige Kehlnähte
io verbunden. Die zentrischen Bohrungen der beiden miteinander verbundenen Preßteide
8 und 9 weisen etwa den Durchmesser des Ringbundes q. auf und sind ebenfalls, jedoch
nur einseitig und so weit nach innen angeschärft, daß zwei schmale Zentrierflächen
i i verbleiben, um ein zentrisches Aufliegen auf dem Ringbund zu gewährleisten.
Der vollständig fertig geschweißte Kolbenkörper 8, 9, io -wird auf den Ringbund
q. des hohlen Kolbenstangenteiles 2 aufgepreßt und. mit diesem durch zwei Ring-
bzw. Rundnähte 5 verschweißt. VoTteilhaft kann der Ringbund q. mit einer ringförmigen,
gut abgerundeten Nut i2 versehen werden, wie dies der untere Teil der Abb. i zeigt,
so daß an den Schweißverbindungen 5 annähernd gleiche Wandstärken entstehen und
eine weitere Gewichtsverminderung erzielt wird. Um eine gleichachsige Verbindung
zwischen dem hohlen Teile der Kolbenstange und dem vollen Teil i derselben zu ermöglichen,
ist an dem vollen Teil i ein zylindrischer Zentrierzapfen 13 vorgesehen, auf den
zuerst der hohle Teil 2 aufgeschoben und dann mit dem vollen Teil durch eine ringförmige
Stumpfnaht 3 verschweißt wird. Nach dem Zusammenschweißen kann die Kolbenstange
i, 2 mit dem Kolben 8, 9, io ausgeglüht und fertigbearbeitet werden.
-
Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 entspricht im wesentlichen dem
nach Abb. i. Hierbei ist jedoch der Kolben lediglich aus zwei Teilen zusammengeschweiß@t.
Der die Kolbenringe aufnehmende Ring io und der größere, kegelige Preßteil 9 sind
zu einem Preßteil 1q. zusammengefaßt und in bereits beschriebener Weise mit dem
kleineren Preßteil 8 verbunden. Das gleiche gilt .auch für die Verbindung zwischen
dem hohlen Teil 2 der Kolbenstange und Kolbenkörper 8, 1i. Das auf der dem Kreuzkopf
abgewandten Seite des Kolbens liegende Stück des hohlen Teils ?"der Kolbenstange,
das nur zur Führung und zum Tragen cles Kolbens und nicht zur Kraftübertragung dient,
ist jedoch zur weiteren Gewichtsverminderung durch ein dünnwandigeres zylindrisches
Rohrstück 15 mit kleinerem Durchmesser als die Kolbenstange i, 2 ersetzt, das in
eine Ausnehmung 16 des -mit dem Kolben verbundenen Teils 2 der Kolbenstange eingescjwben,
-eingeschraubt od. dgl. und durch eine Ringnaht i7 mit der freien Stirnseite des
hohlen Teils 2 der Kolbenstange verschweißt ist.
-
Beim Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 ist die Kolbenstange, von außen
gesehen, genau so ausgebildet wie die im Aue.füh.rungsbeis.piel nach Abb. i. Der
hohle Teil 2 ist aber nicht vollständig durchbohrt, sondern lediglich mit einem
konzentrischen Sackloch versehen. Das volle Ende 18 des hohlen Teils 2 der Kolbenstange
ist mit dem vollen Teil i durch Stumpfschweißung verbunden. Zur
Gewichtsminderung
und um einen günstigen Verlauf der Spannungslinien zu gewährleisten, ist .der Ringbund
des hohlen Teils 2 der Kolbenstange wie im Beispiel Abb. i, unterem Teil, mit einer
Ringnut 12 versehen. Der Kolben ig, der beispielsweise als Preß- oder Schmiedeteil
hergestellt ist, weist in der :Mitte der Bohrung aus den gleichen Gründen wie die
Kolbenstange eine Ringnut 2o mit etwa halb-I;reisförmigem Querschnitt auf. Er wird
in üblicher Weise auf den Ringbund 4 aufgepreßt, so daß die beiden Ringnuten i2
und 2o, die gleiche Breite aufweisen, aufeinander zu liegen kommen. Die Stirnseiten
der Nabe 2i des Kolbens ig sind nach innen abgeschrägt, so daß wieder nur zwei schmale
Zentrierflächen zur genauen Führung des Kolbens ig verbleiben, und mit dem hohlen
Kolbenstangenteil 2 durch jeweils eine Ringnaht 5 verschweißt. Durch diese Maßnahmen
wird trotz weitgehender Gewichtsverminderung eine gute Verbindung zwischen Kolben
ig und Kolbenstange i, 2 erzielt.
-
Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 4 zeigt grundsätzlich die gleiche
Anordnung von Kolben. 1g und Kolbenstange: i, 2 wie das vorhergehende Beispiel.
Hierbei ist jedoch der Ringbund breiter ausgeführt als bisher. Auf der Kreuzkopfseite
des Kolbens ig ist am entsprechenden Ende des Ringbundes 4. ein weiterer schmaler
Bund, 22 vorgesehen, gegen welchen, der jetzt mit an der Nabe 21 gerader Stirnfläche
versehene Kolben ig gepreßt wird. Die radiale Stärke des Bundes 22 entspricht daher
etwa der halben Höhe der Stirnfläche der Nabe 21. Die zylindrische Außenfläche des
Bundes 22 und der freie Teil der Stirnfläche der Nabe 21 sind mittels einer Rundnaht
23 verschweißt. Auf der dem Kreuzkopf abgewandten Seite des Kolbens ig ist im Ringbund
4 der Kolbenstange i, 2 .eine Ringnut 2.4 angeordnet, deren der Kolbenquermittelebene
näher liegende N utwand mit der Stirnseite der Nabe 21 in einer Ebene liegt. In
die Ringnut 24 ist ein .genau die Breite derselben aufweisender, geteilter oder
geschlitzter Ring 25 von rechteckigem C 'tierschnitt eingelegt, der die Stirnfläche
der Nabe 2i wieder etwa in halber Höhe verdeckt. Der eingelegte Ring 25 ist einerseits
an seiner freien Stirnfläche mit dem Ringbund 4 der Kolbenstange i, 2 und andererseits
an seiner zylindrischen Außenfläche mit .der nicht verdeckten Stirnfläche der Nabe
2,1 durch je eine Ringnaht 26 verschweißt. Dadurch ist ein guter Sitz des Kolbens
ig gewährleistet, ohne daß die Rundnähte bzw. Ringnähte 2@3 bzw. 26 einer wesentlichen
Zug- oder Schubbeanspruchung ausgesetzt sind.
-
Das Ausführungsbeispiel nach. Abb. 5 zeigt ebenfalls einen Kolben
ig mit der Kolbenstange i, 2, bei dem die verbindenden Schweißnähte wie im vorhergehenden
Beispiel entlastet sind. Die Nabe 21 des Kolbens ig ist hierzu tonnenförmig ausgedreht,
und der hohle Teil 2 der Kolbenstange, der in diesem Fall ein völlig glattes, zylindrisches
Rohr sein kann, ist in die Nabe 21 eingewalzt oder auf .andere Weise so aufgeweitet,
daß der Kolben ig fest auf dem hohlen Teil 2 .der Kolbenstange sitzt. Zur weiteren
Sicherung sind die Stirnseiten der Nabe :21 wiederum durch Rundnähte 5 mit dem hohlen
Teil 2 der Kolbenstange verschweißt. In diesem Teil 2, der lediglich etwas über
die dem Krenzkopf abgewandte Seite des Kolbens hinausragt, ist wie im Ausführungsbeispiel.
nach Abb. 2 ein zylindrisches, glattes Rohr 15 eingesetzt und mit dem mit dem Kolben
ig verbundenen Teil, 2 verschweißt. Dies bringt neben dem Vorteil der Gewichtsverminderung
den Vorteil der einfachen Herstellung, da das Aufweiten des hohlen Kolbenstangenteils
2 auf Grund der geringen Entfernung zwischen dem freien Ende des hohlen Teils 2
der Kolbenstange und der aufzuwei.tenden Stelle in der Nabe 21 ohne Schwierigkeiten
durchgeführt werden. kann.
-
Es ist auch möglich, die Kolbenstange 1,:2 aus einem Stück herzustellen
und dieses ganz .oder teilweise hohl zu bohren.
-
Die Abb. 6 zeigt ein weiteres, besonders leichtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Hierbei werden die zu beiden Seiten des Kolbens ig angeordneten Teile
2 und 27 der Kolbenstange stumpf an die Stirnseiten der Nabe 211 des Kolbens ig
angeschweißt, was mittels einer V-förmigen Stumpfnaht oder durch Abbrennschweißen
erfolgen. kann. Die aufeinandertreffenden Stirnseiten der Nabe 21 und des hohlen'
Teils 2: der Kolbenstange bzw. des zylindrischen, nur zum Tragen des Kolbens ig
dienenden Rohrstückes 27 sind jeweils gleichartig ausgeführt. Die Bohrung der Nabe
21 ist aus Gründen der Gewichtsersparnis wiederum mit einer Ringnut 2o versehen.