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"Trockenlaufender Vielzel lenverdichter"
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen trockenlaufenden
Vielzellenverdichter für Druck- und Vakuumbetrieb, welcher vorzugsweise in der Landwirtschaft
zum Befüllen und Entleeren fahrbarer Behälter (sogen. Vakuumtankwagen) eingesetzt
wird; insbesondere auf die Gestaltung des Rotors mit Schlitzführung und die in der
Schlitzführung frei beweglichen und trockenlaufenden Trennschieber, Es ist bekannt,
für diesen Verwendungszweck Vielzellenverdichter mit U1-schmierung einzusetzen.
Als Nachteil blgeschmierter Vielzellenverdichter ohne Ulzurückgewinnung ist jedoch
der hohe Ulverbrauch anzusehen, welcher zu einer entsprechenden Umweltverschmutzung
und zu erhöhten Betriebskosten führt.
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Trockenlaufende Vielzellenverdichter sind bereits für andere Anwendungsgebiete
bekannt geworden. Die Trennschieber bestehen dort aus Kunstkohle bzw.
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Elektrographit0 Graphit weist in seinem molekularen Gefüge Schichtgitterstruktur
auf, d.h. die Ausrichtung der Kohlenstoffatome im Kristall gitter erfolgt in parallelen
Ebenen. Aus dieser Struktur resultiert ein niedriger Reibungskoeffizient auch ohne
Vorhandensein eines hydrodynamischen Schmierfilms.
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Graphit und Kunstkohle eignen sich daher als Trockenlaufwerkstoffe,
eine Eigenschaft die jedoch auch noch andere Werkstoffe aufweisen, wie Molybdändisulfid,
CaFz , PbO, Polyimide u.a. Nicht bei allen Trockenlaufwerkstoffen ist jedoch eine
Schichtgitterstruktur vorhanden. Die Ursache des niedrigen Reibungskoeffizienten
verschiedener Trockenl aufwerkstoffe ist theoretisch teilweise ungeklärt.
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Elektrographit und Kunstkohle besitzen gegenüber anderen Trockenlaufwerkstoffen
den Vorteil eines geringen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
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Dieser beträgt für Elektrographit und Kunstkohle ca. 4 . 10- 6 (/ob),
zum Vergleich für Stahl cae 12 10-6 6(/ob), für PTFE Verbundwerkstoffe (40 bis 150)
0 10 6 (/00)0 Der Nachteil von Trockenlaufwerkstoffen, deren linearer thermischer
Ausdehnungskoeffizient
größer ist als der von Stahl ist der, daß Trennschieber aus diesen Werkstoffen an
den Stirnflächen des Vielzellenverdichters infolge temperaturbedingter Längenänderung
anlaufen können oder daß zur Vermeidung dieses Nachteils ein großes seitliches Kaltspiel
vorgesehen werden muß mit entsprechenden Leckverlusten0 Als Nachteil von Kunstkohle
und Elektrographit ist jedoch die geringe Bruchdehnung und Zugfestigkeit anzusehen.
Fig. 1.* zeigt das Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Kunstkohle im Vergleich mit dem
zu Baustahl, Dem geringen Arbeitsaufnahmevermögen und der geringen Festigkeit von
Kunstkohle bzw. Elektrographit entspricht eine hohe Stoßempfindlichkeit dieses Werkstoffes0
Trennschieber aus Elektrographit bzw. Kunstkohle führten bei schlepperbetriebenen
Vielzellenverdichtern nach kurzer Laufzeit zu Gewaltbrüchen, Das Zustandekommen
eines Stoßes auf die Trennschieber kann hierbei auf folgende Ursachen zurückgeführt
werden: Nach längeren Stillstandszeiten kommen landwirtschaftlich genutzte Vi el
zellenverdichter wieder in Einsatz. Zu Beginn des Stillstandes fallen die oberhalb
der Rotorachse befindlichen Trennschieber in die tiefste Lager ihrer Schlitzführung,
während die unterhalb der Rotorachse befindlichen Trennschieber bis zur äußerst
möglichen, durch den Zylinderumfang begrenzten Lage aus der Schlitzführung herausfallen.
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Während des Stillstandes bildet sich in der Schlitzführung gegossener
Rotoren, wie sie bisher für landwirtschaftlich genutzte öl geschmierte Vielzellenverdichter
ausgeführt wurden, Korrosion. Auch ist es möglich, daß bei der Bearbeitung der Schlitzführung
gegossener Rotoren Lunkereinschlüsse frei werden oder nach längerem Lauf aufbrechen.
Auch setzen sich Verschmutzungen an den durch Korrosion und Lunker aufgerauhten
Oberflächen solcher Schlitzführungen leicht fest. Bei trockenlaufenden Vielzellenverdichtern
treten diese Erscheinungen noch in verstärktem Maße auf, wenn die Schlitzführungen
in der bisher für landwirtschaftlich genutzte Vielzellenverdichter bekannten Grauguß
bzw. Stahl ausführung gefertigt werden, da der relative Korrosionsschutz von Ulrückständen
entfällt. Die Schlitzführungen werden bei den bisher bekannten Ausführungen mit
großem Spiel ausgeführt, um ein Festklemmen der Trennschieber in der Schlitzführung
zu vermeiden. Dies führt wiederum zu hohen Leckverlusten
niedrigem
Nutzliefergrad des Vielzellenverdichters und hohen Kantenpressungen zwischen Trennschieber
und Schlitzführungs-Austritt, da der Trennschieber sich im erweiterten Schlitz unter
Einwirkung der Kräfte schräg stellt. Diese Kantenpressung führt zu zusätzlichem
SchieberverschleißO Bei bisher bekannt gewordenen Vielzellenverdichtern können sich
nach längeren Stillstandszeiten durch die beschriebenen Ursachen Trennschieber in
den Schlitzführungen festsetzen.
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Bei schlepperbetriebenen Vielzellenverdichtern erfolgt der Anfahrvorgang
stoßartig. Dadurch daß viele Schlepper eine hohe Leistungsreserve gegenüber dem
Leistungsbedarf des Vielzellenverdichters haben, erfolgt beim schnellen Einkuppeln
der Zapfwelle ein ruckartiges Anfahren des Rotors am Vielzellenverdichter, Besondere
Anfahrkupplungen, die eine federnde und dämpfende Nachgiebigkeit des Antriebs ermöglichen,
sind im allgemeinen nicht vorgesehen.
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Der in der Schlitzführung festsitzende Trennschieber bleibt zunächst
in der ursprünglichen Lage, Zwischen den Trennschiebern, die in der tiefsten Lage
der Schlitzführung festsitzen und dem Zylinderumfang bildet sich mit zunehmendem
Rotordrehwinkel ein immer größerer freier Abstand. Löst sich mit der im Anfahrvorgang
zunehmenden Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Trennschieber von seiner tiefsten
Lage in der Schlitzführung, wird er in Richtung der Schlitzführung zunehmend beschleunigt,
überwindet den freien Spalt und prallt stoßartig auf den Zylinderumfang.
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Trennschieber, die in der äußersten Lage der Schlitzführung festsitzen,
werden mit zunehmendem Rotordrehwinkel gegen einen immer enger werdenden Abstand
zwischen Zylinderumfang und Rotorumfang bewegt. Da sie in Richtung der Schlitzführung
sich zunächst nicht bewegen, bis die vorhandene Haftreibung überwunden ist, erfolgt
der Längenausgleich über eine Durchbiegung des Trennschiebers und eine entsprechende
Zugbeanspruchung auf einer Seite des Trennschiebers und eine entsprechende Druckbeanspruchung
auf der anderen Seite des Trennschiebers. Innerhalb des Trennschiebers liegt die
spannungslose neutrale Linie, jedoch nicht in der Mitte des Trennschiebers, wie
das druck- und zugseitig unterschiedliche Spannungs-Dehnungsverhalten von Elektrographit
(Fig.1) zeigt.
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Ober eine Durchbiegung des Trennschiebers ist nur ein minimaler Längenausgleich
möglich, so daß es bei entsprechender Haftreibung in der Schlitzführung zum Bruch
des Trennschiebers kommt, Auf Kunstkohle-Trennschiebern werden auch schon Verschleißerscheinungen
beobachtet, die auf eine sog. "stick-slip" Bewegung des Trennschiebers in der Schlitzführung
schließen lassen. Diese Erscheinung beruht auf unterschiedlichen Reibungskoeffizienten
der Haftreibung und - der Bewegungsreibung bei Vorhandensein eines federnden Zwischengliedes.
Bei Trennschiebern kann diese Erscheinung dadurch erklärt werden, daß der Trennschieber
zunächst durchfedert, bis die Haftreibung überwunden wird und sich dieser Vorgang
mehrfach kurzzeitig wiederholt. Dadurch treten Wechselbiegebeanspruchungen im Trennschieber
auf.
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Nach kurzen Betriebszeiten, unterbrochen durch längere Stillstandszeiten,
traten bisher stets Trennschieberbrüche trockenlaufender, schlepperbetriebener Vielzellenverdichter
auf. Dieser Nachteil konnte auch durch kunstharzimprägnierte Trennschieber aus Elektrographit
nicht beseitigt werden.
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Es ist auch bekannt, die Festigkeitseigenschaften von Elektrographit
durch Kunstharz - und andere Imprägnierungen zu verbessern. Damit der Vorteil des
geringen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wenigstens teilweise erhalten
bleibt, werden auch vernetzte Polymere verwendet. Durch die Vernetzung wird die
Bewegungsfreiheit der Moleküle herabgesetzt. Solche vernetzte Polymere sind uOaO
Phenol-Formaldehyd, Harnstoff-Melamin-Formaldehyd, Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze
und Polyimidharze. Das Verhältnis von Graphit - zu Polymeranteil kann bei diesen
Verbundwerkstoffen in weiten Grenzen verändert werden. Trennschieberbrüche konnten
auch mit diesen Verbundwerkstoffen nicht beseitigt werden0 Aus diesen Gründen ist
ein Einsatz trockenlaufender Vielzellenverdichter für den genannten landwirtschaftlichen
Verwendungszweck bisher nicht bekannt geworden. Anders liegen die Anfahrverhältnisse
jedoch bei kleineren Vielzellenverdichtern, wie sie in der Medizin - Steuer - und
Regelungstechnik eingesetzt werden. Dort werden trockenlaufende Vielzellenverdichter
unter günstigeren elektromotorischen Anlaufbedingungen erfolgreich eingesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen trockenlaufenden Vielzellenverdichter
zu schaffen, welcher besonders für landwirtschaftlichen und schlepperbetriebenen
Einsatz geeignet ist und die beschriebenen Nachteile des Festklemmens der Trennschieber
und des Schieberbruchs nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Trennschieber
aus trockenlauffähigen Werkstoffen faserverstärkt werden und die Schieberschlitze
kunststoffbeschichtet werden0 Diese erfindungsgemäße Lösung bietet die Vorteile,
daß Trennschieber insbesondere aus trockenlauffähigen Elektrographit - Kunstkohle
-und - Verbundwerkstoffen im praktischen Einsatz nicht brechen und ein Festklemmen
der Trennschieber in der Schlitzführung vermieden wird. Beide Vorgänge bedingen
sich - wie beschrieben - gegenseitig, als Hauptursache des Schieberbruchs wird die
Haftung des Trennschiebers in der Schlitzführung angesehen, sowie die mangelhafte
Festigkeit und Bruchdehnung trockenlauffähiger Trennschieber0 Durch die Beschichtung
der Schlitzführung im besonderen und des Rotors im allgemeinen mit geeigneten Kunststoffen
wird erreicht, daß Rotoren vorzugsweise aus preisgünstigen unlegierten Stählen,
Stahl- oder Grauguß hergestellt werden können, ohne daß befürchtet werden muß, daß
durch Korrosion, ausbrechende Lunkereinschlüße oder erleichtertes Anhaften von Verschmutzungen
in der Schlitzführung ein Festsitzen des Trennschiebers während längerer Stillstandszeiten
erfolgt, welches zu nachfolgendem Schieberbruch führen kann. Das Spiel zwischen
Trennschieber und Schlitzführung kann eng gehalten werden, was zu einer Erhöhung
des Nutzliefergrades und zu vermindertem Kantenverschleiß führt0 Es werden bevorzugt
solche Kunststoffe verwendet, deren Haftreibungskoeffizient nicht wesentlich über
dem Reibungskoeffizienten der Bewegung liegt, deren Reibungskoeffizienten dix insgesamt
niedrig liegt, die ein=gutes Haftvermögen auf dem Rotorwerkstoff besitzen und ausreichend
temperaturbeständig sind.
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Als geeigneter Kunststoff, der diese Eigenschaften besitzt, hat sich
Polytetrafluorathylen (PTFE) erwiesen. Geeignet sind jedoch auch Gleitlacke. Dies
sind Lacke, die als Bindemittel u.a. Phenol - Epoxid - Silicon - und Polyimidharze
verwenden. Anstelle der Farbpigmente sind in Gleitlacken Festschmierstoff Pulver
vorhanden.
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Durch Faserverstärkung der Trennschieber wird eine Erhöhung der Biegefestigkeit
und eine Verminderung der Schlagempfindlichkeit von Trockenlaufwerkstoffen erzielt,
wenn trotz der haftungsvermindernden Wirkung des Kunststoffes eine solche Beanspruchungsursache,
etwa durch Wirkung von Verunreinigungen im Fördermedium, noch auftritt.
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Die Wirkung einer Faserverstärkung in Verbundwerkstoffen kann durch
das Spannungs-Dehnungsdiagramm, Fig0 20s und durch zwei Gleichungen beschrieben
werden0 Für die Dehnung E der Faser F, des Trockenlaufwerkstoffes T und des Faser
-Trockenlauf - Verbundwerkstoffes FT gilt, daß bei ausreichender Bindung dieser
Werkstoffe die Dehnungen der Werkstoffkomponenten und des Gesamtwerkstoffes gleich
sein müssen EF = ET = EFT Für die Spannung 6 gilt, wenn A der jeweilige Querschnitt
des Werkstoffes ist AFT AFT = dF .AF dT ZU AT wobei AFT = AF + AT Nach Fig0 2. führt
die Faser in einem Verbundwerkstoff nur dann zu einer Erhöhung der Festigkeit, wenn
der Anstieg der Spannungs - Dehnungslinie der Faser steiler ist als der des Trockenlaufwerkstoffs.
Die Faser F2 in Fig. 2. führt zu einer Schwächung, die Faser F1 zu einer Verstärkung
des Verbundwerkstoffes. Die Faserverstärkung wird im allgemeinen als Gewebe ausgeführt,
da Gewebe im Fertigungsprozess leichter zu handhaben sind0 Zur Obertragung von Zugspannungen,
die von der Schlag - Biegebeanspruchung des Trennschiebers herrühren, genügen jedoch
auch Einzelfasern, die vorzugsweise in Richtung der Schieberbreite verlaufen.
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Bringt man die Faserverstärkung nur auf den zwei parallelen Außenflächen
des Trennschiebers an, während der Kern des Trennschiebers und somit die Gleitkante
(6) des Trennschiebers ohne Faserverstärkung bleibt, so ergeben sich überraschend
eine Kombination von Vorteilen: Die Faserverstärkung liegt in der bei Biegebeanspruchung
höchstbeanspruchten Zugzone auf der Außenseite des Trennschiebers, während der Kern
des Schiebers
ohne Faserverstärkung bleibt. Dadurch weist auch
die Gleitkante (6) des Trennschiebers keine Fasern auf, die dort zu einer Erhöhung
des Reibungskoeffizienten führen können. Das günstige Reibungsverhalten von Elektrographit
bzw. Kunstkohle kann an der Stelle, an der die höchste Normalkraft und Gleitgeschwindigkeit
und somit die höchste Reibungsleistung auftritt durch Vorhandensein eines niedrigen
örtlichen Reibungskoeffizienten voll ausgenutzt werden, während an der Stelle höchster
Zugbeanspruchung auf der Außenfläche des Trennschiebers sich die Faserverstärkung
befindet.
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Das Herstellungsverfahren dieser erfindungsgemäßen Trennschieber kann
in der Weise erfolgen, daß Elektrographitlamellen in bekannter Weise aus Hartbrandkohle
durch Glühen und Graphitieren bei hohen Temperaturen und anschließendes Imprägnieren
hergestellt werden. Danach werden auf die beiden parallelen Außenflächen des Trennschiebers
Gewebeverstärkungen auflaminiert, so daß der erfindungsgemäß beschriebene Trennschieber
mit Faserverstärkung an den beiden parallelen Außenflächen und faserfreier Gleitkante
mit niedrigem Reibungskoeffizienten entsteht. Als Faserverstärkung wird vorzugsweise
Glasfaser, als Bindemittel vorzugsweise Epoxidharz verwendet. Das Einlegen der Faserverstärkung
wird dadurch erleichtert, daß die Faserverstärkung sich in einem Abstand von der
Gleitkante befindet, welcher etwa 10 % der Schieber breite beträgt. Die Faserverstärkung
wird in eine Vertiefung des Trennschieberkerns eingelegt und bleibt dadurch vor
einem Zerfasern geschützt. Das Auflaminieren der beschriebenen Faserverstärkung
erfolgt vorzugsweise manuell.
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Um die kostenseitigen Nachteile dieses Verfahrens zu beseitigen, sieht
eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedanken vor, Trennschieber zu verwenden,
die aus mehrlagigen Faserverstärkungen hergestellt sind, die beim Herstellprozess
mit vernetzten Polymeren getränkt werden, welche im Verlauf des Herstellungsverfahrens
aushärten, Diese Polymere sind mit Zusätzen von Graphit oder anderen Festschmierstoffen
versehen, um eine Trockenlauffähigkeit dieser Trennschieber sicherzustellen. An
sich führt die Mehrlagigkeit der Faserverstärkungen dazu3 daß bei dieser Ausführung
auch die Gleitkante Faserverstärkungen enthalt, Um den Reibungskoeffizienten herabzusetzen,
werden hier organische Fasern verwendet die mit den den Festschmierstoff enthaltenden
vernetzten Polymeren während des Herstellungsprozesses getränkt werden. Durch dieses
Verfahren enthalten die Fasern selbst Festschmierstoff, was zu einer Verminderung
des
örtlichen Reibungskoeffizienten der Fasern führt.
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Fig. 3 zeigt die Anordungen der Trennschieber (1) im Rotor (3) und
dessen Schlitzführungen (2). Trennschieber (1), die sich unterhalb der Rotorachse
(11) befinden, fallen im Stillstand aus der Schlitzführung (2) bis zum Anfang des
Zylinders (12). Trennschieber (1), die sich über der Rotorachse (11) befinden, fallen
in die Schlitzführung (2) bei stillstehendem Verdichter. Die Richtung der Schieberbreite
wird mit (8) bezeichnet, die zwei parallelen Außenflächen des Trennschiebers mit
(5).
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Fig. 4 zeigt einen Trennschieber (1) mit Schlitzführung (2). Die Kunststoffbeschichtung
der Schlitzführung (9) verhindert erfindungsgemäß ein Haften des Trennschiebers
(1) nach längeren Stillstandszeiten, ermöglicht einen niedrigen Reibungskoeffizienten
und verhindert die Korrosion des Rotors(3).
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Fig0 5 zeigt - in verkürzter zeichnerischer Darstellung - einen Trennschieber
(1), bei dem erfindungsgemäß die Gleitkante (6) ohne Faserverstärkung ist, die parallelen
Außenflächen (5) des Trennschiebers jedoch faserverstärkt sind. Der Kern (4) des
Trennschiebers besteht vorzugsweise aus Kunstkohle oder Elektrographit, die Faserverstärkung
(7) wird auflaminiert. Die Faserverstärkung ist als rechtwinklig vernetztes Gewebe
ausgeführt, welches auflaminiert wird.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführung eines faserverstärkten Trennschiebers
(1), bei der die Fasern (7) ausschließlich in Richtung der Schieberbreite (8) verlaufen.
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Bei dieser Ausführung beginnt die Faserverstärkung (7) erst in einem
Abstand von der Gleitkante (6), welcher etwa 10 % der Schieberbreite beträgt.
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Fig. 7 zeigt eine Ausführung des Trennschiebers (1), bei der die Faserverstärkung
(7) in mehreren Lagen über die Wandstärke des Trennschiebers (1) erstreckt und somit
auch den Bereich der Gleitkante (6) erfaßt Der Kern (4) des Trennschiebers besteht
hier aus vernetzten Polymeren mit Festschmierstoffzusätzen, bevorzugt Graphit. Die
Fasern bestehen aus organischem Gewebe.