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Abdichtung für Kolben von hydraulischen oder pneumatischen Zylindern
Die Erfindung betrifft Kolben zur Trennung von zwei Druckräumen, in denen jeweils
annähernd gleiche Drücke vorhanden sind.
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Üblicherweise werden für solche Abdichtungen Vollprofilringe oder
Lippendichtungen verwendet. Beide Dichtungsarten sind als "automatische Dichtungen"
bekannt und gewährleisten eine zufriedenstellende Funktion nur, wenn vor der Dichtung
ein höherer Druck als hinter der Dichtung herrscht.
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Diese Dichtungen können also einzeln nur dann eingesetzt werden, wenn
zwei Räume mit verschiedenen Drücken gegeneinander
abgedichtet
werden sollen.
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Ist ein solcher Differenzdruck nicht vorhanden, können auch zwei oder
mehr Dichtungen auf einem Kolben nur kurzzeitig zufriedenstellend arbeiten, nämlich
nur so lange, bis sich zwischen den einzelnen Dichtungen ein entsprechender Druck
aufbaut und damit ein Differenzdruck an der einzelnen Dichtung nicht mehr gegeben
ist.
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Die Anwendung von mechanisch vorgespannten Packungen ist meist wegen
der hohen Reibung dieser Dichtungsart ausgeschlossen, zumal die Anpresskraft entsprechend
dem höchstmöglichen Betriebsdruck gewählt werden muss und damit bei niedrigeren
Arbeitsdrücken die Kolbenbewegung stark gehemmt wird.
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Wegen dieser Schwierigkeiten sind für hydraulische bzw. pneumatische
Zylinder, in denen zwei - meist verschiedene -Medien mit annähernd jeweils gleichen
Drücken sicher getrennt werden sollen, drei verscheidene Abdichtungen des fliegenden
Kolbens gebaut worden, und zwar: A) Die Dichtung - üblicherweise ein Vollprofilring
- liegt an einer Führungsschulter des Trennkolbens und wird durch die Vorspannung
einer Druckfeder gegen diese gepresst.
Da sich der Dichtring
mit gewissen Einschränkungen wie eine zähe Flüssigkeit verhält, wird dieser durch
die Federkraft zusätzlich gegen die Zylinderlauffläche gepresst und damit seine
Dichtwirkung verbessert. Der Trennkolben bewegt sich im Betrieb in axialer Richtung
im Führungsrohr hin und her, deshalb muss die Feder mindestens so stark sein, daß
niemals die Dichtung von der Anlageschulter durch die Reibkraft zwischen Dichtung
und Zylinderlauffläche gegen die Federkraft abgehoben werden kann und ausserdem
noch eine zusätzliche Anpresskraft vorhanden ist, da nur in diesem Falle die Dichtwirkung
gewährleistet ist. Da die Reibkraft besonders bei hohen Betriebsdrücken und zusätzlicher
Erhöhung durch die Federvorspannung sehr hohe Werte annehmen kann, ist es verständlich,
daß nur sehr starke Druckfedern das Abheben der Dichtung von der Führungsschulter
verhindern und damit eine gute Abdichtung gewährleisten können. Bei gegenläufiger
Bewegung des Kolbens wird die Dichtung durch Reibkraft und Federvorspannung gegen
die Führungs-. schulter gepresst. Dieser Anpressdruck wird von der "zähen Flüssigkeit"
(der Dichtung) aufgenommen und diese stützt sich mit etwa der gleichen Flächenpressung
an der Zylinderlauffläche
ab. Dieser Vorgang führt bei geringeren
Betriebsdrucken zu unerträglich hohen Reibungsverlusten an der Dichtung, wodurch
der Wirkungsgrad des Gerätes sinkt und die Dichtung einem relativ schnellen Verschleif
unterliegt.
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Abdichtungen der oben beschriebenen Bauart können also mit gutem Erfolg
nur dann verwendet werden, wenn die Betriebsdruck-Schwankungen gering sind und daher
die entsprechende, dem höchsten Betriebsdruck angepasste Feder auch bei dem nur
wenig geringeren Mindestarbeitsdruck keine unzulässig hohe Kolbenreibung erzeugt.
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B) Der Trennkolben ist als Druckübersetzer ausgebildet, wobei zwischen
zwei gegeneinander verschiebbaren Kolbenhälften ein druckloser Raum vorhanden ist.
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Der jeweilige Betriebsdruck beaufschlagt die beiden Kolbenhälften
auf ihrer ganzen äusseren Fläche, während die zwischen den beiden Kolbenteilen liegende
Dichtung diese beiden Hälften mit einer kleineren Fläche gegeneinander abstützt.
Der Anpressdruck der Dichtung an die Zylinderlauffläche beträgt also hier-ein Vielfaches
des jeweiligen Betriebsdruckes und ist von diesem abhängig. Die Kolbenreibung ist
bei dieser Ausführung auf Grund
der hohen nötigen Anpressung
wesentlich höher als bei Verwendung üblicher Dichtungen und führt damit u.a. auch
zu unerwünscht hohen Leistungsverlusten der entsprechenden Geräte.
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Eine Einrichtung der genannten Art kann, abgesehen von der hohen Reibung,
nur dann zufriedenstellend arbeiten, wenn der Hohlraum zwischen beiden Kolbenhälften
tatsächlich drucklos ist und damit diese Hälften gegeneinander und durch die Dichtung
abgestützt werden.
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Füllt eines der beiden oder füllen beide Druckmedien den entsprechenden
Hohlraum auf Grund von Undichtigkeiten, unter Umständen nach längerer Betriebszeit,
aus, so entfällt die zusätzliche Anpressung der Dichtung und die beiden Druckmedien
können nicht mehr sicher voneinander getrennt werden..
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C) Bei einer dritten Ausführungsform sind in die Mitte der Zylinderlauffläehe
zwei Dichtungen eingelassen. Der Raum zwischen den Dichtungen ist durch eine Bohrung
mit der Atmosphäre verbunden, damit also ohne Überdruck. Der Trennkolben wird durch
ein Rohr dargestellt, dessen Aussendurchmesser dem Innendurchmesser des äusseren
Zylinders (Führungsrohr) entspricht und das auf einer Seite mit einem Boden verschlossen
ist. Hier ist also der Anpressdruck der
Dichtungen an die Lauffläche
des Trennkolbens (inneres Rohr) und der Differenzdruck an den einzelnen Dichtungen
gleich dem jeweiligen Betriebsdruck. Die Reibung ist hier geringer als bei den Ausführungen
"A" und "B" und die Abdichtung trotzdem hervorragend.
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Nachteilig ist hier, daB 1. die Ausführung extrem teuer ist, da bei
einem bestimmten Nutzvolumen das Gerät etwa doppelt so lang gebaut werden muss wie
vergleichbare Geräte mit kurzem Trennkolben und ausserdem das innere Rohr auf der
gesamten Länge feinstbearbeitet sein muss und 2. der im Verhältnis zum Betriebsdruck
unnötig hohe Differenz druck an den einzelnen Dichtungen zu einem Hineindrücken
derselben in den Dichtspalt führt., -Hierdurch ist die Lebensdauer dieser Dichtungen
(besonders bei hohem Betriebs- und damit Differenzdruck) sehr begrenzt. Die genannten
Nachteile - extrem hoher Preis und geringe Lebensdauer - lassen eine industrielle
An-
wendung dieser Ausführung nicht zu.
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Bei einer bestimmten Gruppe der oben genannten Geräte, den Hydrospeichern,
tritt ausserdem noch eine Schwierigkeit auf, die dadurch entsteht, daß das Druckgas.,
meist Stickstoff,
durch die üblichen elastischen Dichtungen dringen
kann, sofern diese nicht mit einem wesentlich über dem Gasdruck liegenden Druck
zusammengepresst werden. Dies bedeutet, daß z.B. bei Hydrospeichern nach dem Entleeren
des Druckflüssigkeitsraumes zwangsläufig Gasverluste über die Kolbendichtung in
dem dann drucklosen Flüssigkeitsraum entstehen, da diese Dichtungen wegen der Betriebsreibung
nicht entsprechend stark gepresst werden können. Eine weitere Schwierigkeit bei
Hydrospeichern liegt darin, daß bei evtl. betriebsbedingter schneller und plötzlicher
Entleerung des Flüssigkeitsraumes der Trennkolben mit grosser Geschwindigkeit, beschleunigt
durch das expandierende Gas, auf den flüssigkeitsseitigen Kolbenanschlag auftrifft
und damit deformiert und unter Umständen zerstört. werden kann. Die Erfindung bezweckt
einen betriebssicheren und preiswerten Trennkolben für hydraulische und pneumatische
Zylinder, bei welchem die beschriebenen Nachteile vermieden werden.
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Eire der möglichen Ausführungen des Erfindungegegenstandes wird wie
folgt anhand der Zeichnung beschrieben.
Zwischen den beiden Kolbenhälften
1 und 2 befindet sich eine Druckfeder 3, die beide Kolbenhälften mit einer bestimmten
Kraft auseinanderdrückt. Die Seehskantschraube 4 begrenzt den Federhub und verhindert
ein Auseinandergleiten deVteiden Hälften.
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Die Dichtungen 5, 6 und 7 begrenzen einen sog. "Niederdruckraum" 8
zwischen den beiden Kolbenhälften und dem Zylinderrohr g. Die weitere Funktion wird
bei einem bestimmten Anwendungsfalle, nämlich der Verwendung des erfindungsgemässen
Trennkolbens in einem Hydrospeicher, er--. klärt. Sinnentsprechend.funktioniert
dieser Kolben auch in anderen hydraulischen bzw. pneumatischen Geräten. .
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Der Trennkolben trennt die beiden Druckräume 10 und 11 von-.einander.
Der Raum 10 ist mit Druokgas gefüllt, der Raum 11 mit Hydrauliköl. Beide Räume stehen,
falls man die Kolbenreibung vernachlässigt, unter dem gleichen Druck.
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Im Raum 8 stellt sich unter dem Einfluss der Druckfeder 3 ein Druck
ein; der niedriger ist als die Drücke in den. Räumen 10 und 11. Bei optimaler Auslegung
der Feder 3 liegt der Druck im Raum 8 soviel niedriger wie die Drücke in 10 und
11, daB a) der für eine gute-Dichtwirkung der Dichtungen 5, 6 und 7 nötige Differenzdruck
vorhanden ist, und
b) die vom Differenzdruck abhängige Reibung
des Trennkolbens (Dichtungen 5 und 6) ohne Einfluss auf die Funktion des gesamten
Gerätes bleibt.
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Soll eine möglichst geringe Reibung zwischen Trennkolben und Führungsrohr
erzielt werden, darf die Feder.3 nicht allzu stark bemessen werden. In diesem Falle
tritt@im Betrieb eine geringe Leckage an der Dichtung 5 ein, die dazu führt, daB
der Raum 8 in Abhängigkeit von der Anzahl der Trer..nkolben-Pulsationen mit Hydrauliköl
aus dem Raum 11 angefüllt wird. In der Praxis ist es nun so, daß nach einer bestimmten
Betriebszeit (z.B. bei 2-Schichtbetrieb nach 16 Stunden) die Anlage wenigstens kurzzeitig
abgeschaltet wird, so daß der Raum 11 drucklos und damit entleert wird. Der Trennkolben
stützt sich mit Teil 1 auf einen entsprechenden Anschlag 16 im Führungsrohr.
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Der Gasdruck im Raum 10 schiebt die Kolbenhälfte 2 gegen die Kraft
der Feder 3 in Richtung Kolbenhälfte 1 und entleert damit über das Rückschlagventil
12 den "Niederdruekraum" B. Nach erneuter Inbetriebnahme kann sich der Raum 8 wieder
langsam mit Hydrauliköl füllen. Wie aus obigem ersichtlich, muss der Raum 8 so bemessen
sein, daß er zwischen-den einzelnen Betriebspausen (also während die Anlage arbeitet)
nicht
völlig mit Hydrauliköl gefüllt werden kann.
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Wird die Anlage abgeschaltet und damit der Raum 8 entleert, muss die
Flüssigkeit aus diesem Raum eine Drosselstelle 13 passieren. Damit kommt Teil 2
weich zur Anlage an Teil 1 und die Stossbelastung des gesamten Trennkolbens wird
entsprechend verringert. Nach völliger Entleerung des Raumes 8 legt sich die Kolbenhälfte
2 mit der Schulter 14 an die Dichtung 15 an und presst diese stark zusammen.
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Da der Gasdruck des Raumes 10 die- gesamte Fläche der Kalbenhälfte
2 beaufschlagt, während andererseits die Abstützung dieser Hälfte nur durch die
Feder 3 und die Dichtung 15 erfolgt, ergibt sich eine absolute Abdichtung des Raumes
10, wodurch Gasverluste während der Standzeit des Gerätes sicher vermieden werden.
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