DE2653632B2

DE2653632B2 - Vorrichtung zum Verbessern der Abdichtwirkung am Kolben einer Stichlochstopfmaschine für Schachtofen, insbesondere Hochöfen

Info

Publication number: DE2653632B2
Application number: DE2653632A
Authority: DE
Inventors: Pierre Howald Mailliet (Luxemburg)
Original assignee: Anciens Etablissements Paul Wurth SA
Current assignee: Paul Wurth SA
Priority date: 1975-11-26
Filing date: 1976-11-25
Publication date: 1980-04-03
Also published as: IT1064425B; LU73869A1; GB1555011A; US4063722A; FR2333044B1; ES453536A1; DE2653632A1; JPS537508A; BE848663A; FR2333044A1; BR7608024A; CA1061108A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbessern der Abdichtwirkung am Kolben einer Stichlochstopfmaschine für Schachtofen, insbesondere für mit hohem Gegendruck arbeitende Hochöfen, mittels Kolbenringen.

Die Abstichlöcher eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, werden bekanntlich mit einer Stopfmasse verschlossen, die meist aus Lehm oder einer wasserfreien, schnell härtenden Masse besteht und mittels einer Stichlochstopfmaschine unter sehr hohem Druck in das Stichloch eingepreßt wird. Diese Stichlochstopfmschinen weisen einen Massezylinder auf mit einem verschiebbaren Kolben, um die Stopfmasse

durch das Mundstück der Stopfmaschine hindurch in das Stichloch hineinzupressen. Der hohe Gegendruck an den modernen Hochöfen sowie die besonderen Eigenschaften der heute verwendeten Stopfmassen bedingen sehr hohe Drücke zum Verschließen der Stinhlöcher; dies ist einer der Gründe warum der Kolben moderner Stichlochstopfmaschinen fast ausschließlich mit Hilfe eines Hydraulikzylinders betätigt wird.

Grundsätzlich muß der Außendurchmesser des ι ο Kolbens etwas kleiner sein als der Innendurchmesser des Stopfzylinders, um ein Blockieren des Kolbens zu verhindern. Ein solches Blockieren des Kolbens könnte durch thermische Verformungen der Stopfzylinderwandung auftreten, aber auch durch kleine, schmirgelnde Partikel, welche in der Stopimasse enthalten sind. Wegen dieses notwendigen Spieles zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Wandung des Stopfzylinders sieht man in den heute hergestellten Stopfmaschinen einen oder meherere Kolbenringe vor, um eine gewisse Abdichtwirkung zu erzielen und um zu verhindern, daß die Stopfmasse außen am Kolben entlang zur Kolbenstangenseite hin durchtritt, wenn der Kolben betätigt wird, um die Stopfmasse durch das Mundstück der Stopfmaschine hindurch hinauszupressen.

Wenn diese Kolbenringe auch bisher mit mehr oder weniger großem Erfolg verwendet wurden und es ermöglicht haben, eine annehmbare Abdichtwirkung zu erzielen, so ist dies jedoch nicht mehr der Fall bei modernen Konstruktionen, bei welchen diese Stopfmaschinen mit Nenndrücken arbeiten, welche bis zu 200 bar und darüber gehen können. Der Grund hierfür ist, daß die Kolbenringe nicht stark genug in die Wandung des Stopfzylinders angedrückt werden und folglich nicht in der Lage sind, dem hohen Druck der Stopfmasse standzuhalten, so daß diese trotzdem zwischen den Kolbenringen und der Zylinderwandung hindurchtritt. Man hat versucht, diesen Mangel zu beheben, inaem nur ein einziger Kolbenring mit großem Querschnitt und hoher Vorspannung vorgesehen wurde. An und für sich wird durch den großen Querschnitt dieses Einzelkolbenrings eine größere radiale Spannkraft erzielt. Man hat zudem versucht, die hintere Stirnfläche dieses Einzelkolbenrings schräg gegenüber der Stopfzylinderwandung auszugestalten, um sie mit der vorderen ebenfalls abgeschrägten, d. h. kegelstumpfförmig ausgestalteten vorderen Stirnfläche des Kolbens zusammenwirken zu lassen in der Weise, daß beim Druckhub des Koioens der Kolbenring durch die Wiikung dieser schrägen, bzw. kegelstumpfförmigen Berührungsfläche radial nach außen gedrückt wird.

Damit diese abgeschrägte Rückseite des Kolbenrings tatsächlich eine Wirkung hat, d. h. den Kolbenring radial nach außen spannt, muß die vordere, d. h. die masseseitige S'irnfläche dieses Kolbenrings beim Betätigen des Kolbens ebenfalls mit einer Kraft hppnf^Mog; v.xrJcii, »as uer rau ist, wenn sie mit der Stopfmasae in Berührung steht. Um letztere Bedingung zu erfüllen, wird nach dem Stand der Technik eine Ringnut für den Kolbenring vorgesehen, welche durch die vordere Stirnfläche des Kolbens, einen abgesetzten Zentrierabschnitt an letzterem und eine an diesem Zentrierabschnitt angebrachte Deckscheibe zum Halten des Kolbenrings gebildet wird, v/obei diese Deckscheibe die Ringnut wenigstens zum Teil nach vorne abdeckt. Diese Ringut zur Aufnahme des Kolbenrings ist breiter und auch tiefer als die entsprechenden Abmessungen des Kolbenrings, so daß die Stopfmasse außen an der Deckscheibe entlang in den Spalt zwischen der vorderen Stirnfläche des Kolbenrings und der Deckscheibe eintreten kann, sowie auch zwischen die innenfläche des Kolbenrings und den Zentrierabschnitt des Kolbens, so daß der Druck der Stopfmasse auf die vordere Stirnfläche und die Innenfläche des Kolbenrings einwirkt und damit eine radial nach außen wirkende Andrückkraft beim Druckhub des Kolbens am Kolbenring erzeugt wird.

Durch diese Ausgestaltung des Kolbenrings und seiner Führungsnut war es jedoch nicht möglich, alle Abdichtprobleme an Hochdruckstopfmaschinen zu lösen, da bei dieser Ausführung von Kolbenring und Führungsnut der Druck der Stopfmasse nur indirekt auf den Kolbenring übertragen wird, da die Stopfmasse nur außen um die Deckscheibe herum an die zu beaufschlagenden Flächen des Kolbenrings gelangt. Dies hat zur Folge, daP die vom Stopfmassendruck und der schrägen Ausgestaltung der hinteren Stirnfläche des Kolbenrings herrührende, radiale Anpreßkrafi auf -ien Kolbenring wenn nicht ganz aufgehoben, so doch ganz wesentlich reduziert wird. Ein anderer Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß die Stopfmasse erhärtet und zwischen der Dr?kscheibe und dem Kolbenring, sowie zwischen letzterem und seiner Führung eine Kruste bildet, so daß die angestrebte Wirkung nach und nach verschwindet. Im Zusammenhang mit dem axialen Spiel des Kolbenrings tritt, wenn der Koltsn nach einem Stopfvorgang zurückgeführt wird, ein Phänomen anderer Art auf. Beim Zurückgehen des Kolbens wird nämlich der Kolbenring gegen seine Deckscheibe gedrückt, so daß ein Spiel zwischen dem Kolbenring und der vorderen, kegelstumpfförmigen Stirnfläche des Kolbens entsteht. Die Stopfmasse, welche sich zwischen der Innenfläche des Kolbenrings und dem Führungsabschnitt des Kolbens befindet und noch nicht erhärtet ist, tritt dann hinter den Kolbenring, zwischen die~en und die kegelstumpfförmige Stirnfläche des Kolbens, und bildet dort nach und nach eine Kruste zwischen dem Kolbenring und der vorderern kegelstumpfförmigen Stirnfläche des Kolbens, welche nicht nur die Wirkung der Schrägfläche des Kolbenrings und der Stirnfläche des Kolbens aufhebt, aber darüberhinaus auch noch die Ursache einer schnellen Beschädigung aes Kolbenrings sein kann, indem die von der Slopfmasse herrührenden Druckkräfte ungleichmäßig auf den Kolbenring übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kolbenringe zu schaffen, welche die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden oder zumindest wesentlich reduzieren und welche es, unabhängig von der Beschaffenheit der Stopfmasse, ermöglichen, eine gute Abdichtung zwischen Vorder- und Rückseite des Kolbens während des Gtopfvorgangeszu erzielen.

Diese Aufaabp wird ausgehend vnn einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art durch die im Kennzeichen des Hauptanspruciis aufgeführten Merkmale gelöst.

Weilcre Merkmale der Erfindung gehen aus den Kennzeichen der Unteransprüche hervor.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Stopfzyünder mit einer ersten Ausgestaltung des Stopfkolbens;

F i g. 2 eine Ansicht auf die Stirnfläche des Kolbens nach Fig. 1;

F i g. 2a Einzelheiten von Kolbenringen;

F i g. 3 eine Teildarstellung der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab; die

Fig.4 und 5 Längsschnitte durch zwei Ausführungsvarianten der Ausgestaltung nach F i g. 3; F i g. 6 ein zweites Ausgestaltungsbeispiel;

F i g. 7 ein drittes Ausgestaltungsbeispiel;

F i g. 7a eine Einzelheit des Kolbenrings des Ausgestaltungsbeispiels nach F i g. 7;

F i g. 8 ein viertes Ausgestaltungsbeispiel; in

F i g. 8a eine Einzelheit des Kolbenrings des Ausgestaltungsbeispiels nach F i g. 8; die

Fig.9 und 10 in schematischer Darstellung die Kräfteverteilung an einem Kolbenring, dessen vordere Stirnfläche schräg ausgestaltet ist, bzw. einen Kolbenring, dessen vordere und hintere Stirnfläche schräg in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens ausgestaltet sind.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Referenzzahlen versehen.

Die Fi g. 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung. In den Fig. 1 und 2 (wobei die F i g. 1 ein Teilschnitt gemäß der Schnittlinie A-A der Fig. 2 ist) ist ein Kolben 2 dargestellt, welcher im Stopfzylinder 4 einer Stichlochstopfmaschine für >^r> Schachtöfen längsverschieblich angeordnet ist. Dieser Kolben 2 wird in der Richtung des Pfeils (F i g. 1 und 3) mittels eines nicht gezeigten Hydraulikzylinders, mit welchem er durch eine Kolbenstange 6 verbunden ist, im Zylinder verschoben, um eine Stopfmasse, meist Lehm, durch das sich verjüngende Mundstück des Stopfzylinders 4 auszustoßen.

Das Problem besteht darin zu verhindern, daß Stopfmasse von der Stirnseite des Kolbens 2. d. h. von links, nach der Rückseite desselben, d. h. nach rechts, si zwischen der Mantelfläche des Kolbers und der Innwandung des Stopfzylinders 4 hinübertritt. Eine solche Leckage der Stopfmasse kann umso eher auftreten, als die auf die Stopfmasse in modernen Stichlochstopfmaschinen ausgeübten Drücke bis zu 200 bar und darüber gehen können. Es muß wiederholt werden, daß ein bestimmter Ringspalt zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Wandung des Stopfzylinders vorhanden sein muß. um ein Blockieren des Kolbens zu verhindern, welches auf Grund von eventuellen thermischen Verformungen der Zylinderwand auftreten könnte oder auch durch in der Stopfmasse enthaltene, schmirgelnde Partikel.

Um diese Leckage von Stopfmasse nach der Kolbenstange 6 des Kolbens 2 hin auf ein Minimum zu reduzieren, wird der Kolben im allgemeinen mit federnden Kolbenringen versehen, welche sich beim Verschieben des Kolbens eng an die Innenwandung des Stopfzylinders 4 anlegen. Es muß darauf hingewiesen werden, daß, sollen die Kolbenringe die ihnen zugedachte Aufgabe erfüllen, sie mit verhältnismäßig großen Kräften gegen die Wandung des Stopfzylinders angedrückt werden müssen, um dem Druck standzuhalten, mit welchem die Stopfmasse nach hinten durchtreten will.

Die Erfindung sieht die Verwendung von einem oder zwei Kolbenringen vor, welche mindestens eine Stirnfläche haben, die in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens schräg ausgestaltet ist um auf diese Weise einen Teil der Kolbenschubkraft in eine Radialkraft zu verwandeln, welche den oder die Kolbenringe zu spreizen versucht und fest gegen die Wandung des Stopfzylinders 4 andrückt

In einem ersten, in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausgestaltungsbeispiel, werden zwei Kolbenringe 8 und 10 verwendet, welche alle beide einen trapezförmigen Querschnitt haben und in der aus den Fig. 1 bis 3 hervorgehenden Weise auf dem Kolben 2 montiert sind. Die vordere, d. h. die masseseitige Stirnfläche dies Kolbenrings 10, sowie die Rückseite des Kolbenrings 8, welche sich an der vorderen Stirnfläche 3 des Kolbens 2 abstützt, sind in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens schräg ausgeführt, in der Weise, daß ein Schnitt durch beide Kolbenringe eine sich nach der Zylinderachse hin verjüngende Fläche bildet. Es muß bemerkt werden, daß die Neigung der Rückseite des Kolbenrings 8 genau derjenigen der vorderen Stirnseite 3 des Kolbens 2 entspricht und umgekehrt.

Diese beiden Kolbenringe werden durch eine sternförmige Deckscheibe 12 gehalten. Diese sternförmige DeCkSCnciuc 12 wciä'i cific irrrüigc uuhrüfig 56 auf, welche an einer Zentrierfläche 5 zum Anliegen gebracht wird. Diese Zentrierfläche 5 ist eine annähernd horizontal verlaufende Verlängerung der schrägen Stirnfläche 3 des Kolbens 2. Die Scheibe 12 weist eine Anzahl von radialen Vorsprüngen oder Fingern 14 auf mit je einer Bohrung zur Aufnahme eines Befestigungbolzens 18. mittels deren die Scheibe 12 mit dem Kolben 2 verschraubt wird. Die Finger 14 weisen sämtlich an ihre! Rückseite eine Aussparung auf. welche in der Form dem Verlauf der Stirnfläche und der Innenseite der Kolbenringe 8 und 10 entspricht, so daß diese durch sämtliche Finger 14 der sternförmigen Deckscheibe 12 gehalten sind.

Ein wichtiges Merkmal ist drrin zu sehen, daß die geneigte Stirnfläche des Kolbenrings 10 sowie die Bohrung oder Innenseite der beiden Kolbenringe 8 und 10 in den Abschnitten zwischen den Fingern 14 der sternförmigen Deckscheibe 12 vollständig von der Stopfmasse beaufschlagt sind. Die Gesamtfläche dieser zwischen den Fingern 14 gelegenen Abschnitte ist vorzugsweise größer als diejenige der durch die Finger 14 verdeckten Abschnitte, so daß mehr als 50% der Stirnfläche des Kolbenrings 10 und der Bohrung der beiden Kolbenringe 8 und 10 von der Stopfmasse beaufschlagt sind und somit direkt dem Reaktionsdruck der Stopfmasse beim Arbeitshub des Kolbens 2 ausgesetzt sind.

Die Kolbenringe 8 und 10 sind von offener Bauart, haben also in entspanntem Zustand, d. h. vor der Montage, einen Außenr'.urchmesser. der größer ist als der Innendurchmesser des Zylinders 4. Bei der Montage müssen diese Kolbenringe demzufolge vor^ .-spannt werden, wodurch sie eine radiale Spannkraft erhallen und somit permanent gegen die Wandung des Stopfzylinders angedrückt werden. Der Stoß oder Schlitz Sa des Kolbenrings 8 und der Stoß 10a des Kolbenrings 10 werden relativ zueinander versetzt, um einen Durchtritt von Stopfmasse durch diese Öffnungen zu verhindern. Des weiteren werden diese Öffnungen vorzugsweise hinter die Finger 14 der sternförmigen Deckscheibe 12 gelegt, so wie dies in bezug auf die Öffnung 10a in F i g. 2 gezeigt ist Um eine eventuelle Rotation der Kolbenringe 8 und 10 und damit ein Wandern dieser Öffnungen 8a und 10a zu verhindern, sind die beiden Kolbenringe durch einen Stift 11 gegen Verdrehung gesichert. Einer dieser Stifte könnte z. B. den Kolbenring ίθ mit einem der Finger 14 verbinden, während ein anderer Stift 11 den Kolbenring 8 am Kolben 2 festlegen könnte.

Es ist zu bemerken, daß die hohlen Abschnitte

zwischen den Fingern H der sternförmigen Deckscheibe 12 gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens von vorne nach hintei; leicht ansteigend verlaufen. Durch diese Konizität der genannten Teile, welches ebenfalls ein Merkmal der Erfindung ist, wird die -, Stopfmasse beim Druck·.üb des Kolbens an die Bohrung odi>- Innenfläche der Kolbenringe 8 und 10 herangeführt und übt damit eine starke Spreizkraft auf diese Kolbenringe aus. Einzelheiten dieser durch die besondere Formgebung der Kolbenringe und die Art ihrer m Befestigung erzielte Spreiz- und Anpreßkraft werden weiter unten mil Bezug auf die Fig. 9 und 10 näher beschrieben.

Die Fig.4 und 5 zeigen zwei Varianten der Ausgestaltung nach den Fig. I bis 3, in denen gleiche ii Kolbenringe 8 und 10 Verwendung finden. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung nach den Fi g. 1 bis 3, Ιλλι Aetr- A%r% c ΙΟΓηΓΛηηίπα Ππ^Ι/cnlitiiKn *»ι »Γ c\\nc\r

Zentrierfläche des Kclbens 2 aufsitzt, ist hier eine Halterungs- oder Deckscheibe mit der Stirnfläche eines ;n Kolbens 20 verschraubt, um die Kolbenringe 8 und 10 axial zu halten.

In ihrer Ausführung nach der Fig. 4 ist die Deckscheibe ebenfalls in Foim einer sternförmigen Scheibe ausgebildet, wobei der Schnitt in F i g. 4 )~> zwischen zwei benachbarten Fingern 23 der sternförmigen Scheibe 22 verläuft. Um den zur Erzeugung einer radialen Anpreßkraft notigen Zutritt der Stopfmasse zu den Innenflächen der Kolbenringe 8 und 10 zu gev ährleisten, ist in de- Stirnfläche des Kolbens 20 ein jo Kranz von Vertiefungen 28 vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 haben diese Vertiefungen annähernd di" Form eines Dreiecks. Anstatt daß wie in der Ausgestaltung nach den Fig. 1 bis 3 die Kolbenringe 8 und 10 radial durch die Rückfläche der y, Deckscheibenfinger gehalten sind, sind diese Kolbenringe 8 und 10 in der Ausführung nach F i g. 4 radial durch Stege .-.wischer, d^n Vertiefungen 28 in der Stirnfläche des Kolbens 20 gehalten.

Die Variante nach F i g. 5 ist identisch mit jener nach w F i g. 4 in bezug auf die Formgebung des Kolbens 20 und der Kolbenringe 8 und 10. Hingegen ist im Ausführungsbeispiel nach Fi g. 5 nicht eine sternförmige Deck- oder Haltescheibe vorgesehen sondern eine kreisförmige Scheibe 24 mit einem Kranz großer Öffnungen 26. Jede dieser Öffnungen 26 liegt gegenüber einer Vertiefung 28 am Kolben 20. so daß der Durchtritt der Stopfmasse durch die Scheibe hindurch und besonders die Übertragung des Druckes zu den Kolbenringen 8 und 10 gewähr'eistet ist. Um eine möglichst große Kontaktfläehe zwischen Stopfmasse und Stirnfläche des Kolbenrings 10 zu schaffen, ist der Durchmesser der Scheibe 24 merklich kleiner als derjenige der Kolbenringe 8 und 10 gehalten, wodurch ein großer Teil der Stirnfläche des Kolbenrings 10 frei liegt.

Die Fig.6 zeigt ein zweites Ausgestaltungsbeispiel mit einem Kolben 30, zwei Kolbenringen 38 und 40. sowie einer sternförmigen Deckscheibe 32 mit radialen Fingern 34 als Halterung für die Kolbenringe 38 und 40. Gemäß diesem Ausgestaltungsbeispiel hat der hintere ω Kolbenring 38 einen rechteckigen Querschnitt, während der vordere Kolbenring 40 einen trapezförmigen Querschnitt aufweist wobei die Stirnfläche dieses Kolbenrings 40 stark gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens 30 geneigt ist. Die beiden Kolbenringe es 38 und 40 sind in analoger Weise wie in der Ausgestaltung nach den F i g. 1 bis 3 an ihren Innenflächen und an der geneigten Stirnfläche des Kolbenrings 40 mittels der Finger 34 der sternförmigen Deckscheibe 32 gehalten. Der radiale Spreizeffekt ist ähnlich dem mit der Ausgestaltung nach den F i g. I bis 3 erzielten, indem jedoch dem Umstand Rechnung zu tragen ist, wie übrigens noch näher in bezug auf die Fig.9 und 10 ausgeführt werden wird, daß der Neigungswinkel der Stirnfläche des Kolbenrings 40 doppelt so groß sein muß wie derjenige in den vorhergehenden Figuren, wenn ein gleichwertiges Resultat er/iell werden soll.

Die F ι g. 7 zeigt ein drittes Ausgestaltungsbeispiel. Der einzige Unterschied zwischen diesem und dem Beispiel nach den Fig. I bis 3 besteht darin, daß die beiden Kolbenringe 8 und 10 durch einen einzigen Kolbenring 50 ersetzt sind. Die Querschnittsform dieses Kolbenrings 50 entspricht annähernd derjenigen der beiden Kolbenringe 8 und 10 nach den F i g. 1 bis 3

hintere Stirnfläche in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens 2 geneigt sind, und zwar in entgegengesetzter Richtung, so daß der Querschnitt des Kolbenrings 50 eine sich in Richtung der Kolbenachse verjüngende Form hat. Dieser Kolben 2 sowie die Deckscheibe 12 mit den radialen Fingern 14 zur Halterung des Kolbenrings 50 sind den analogen Teilen der F i g. I bis 3 absolut gleich. Der Kolbenring 50 ist ebenfalls vom offenen Typ und, um zu verhindern, daß die Stopfmasse durch den Stoß dieses Kolbenrings 50 hindurchtritt, ist dieser Kolbenringstoß 52 in Form einer Z-förmigen Schikane ausgeführt, wie dies illustrationshalber in der Fig. 7a dargestellt ist, wobei jedoch zu bemerken ist, daß die gezeigte Schikane nur ein Ausführungsbeispiel ist. welches ohne wei leres abgewandelt werden kann.

Die Fig. 8 zeigt ein viertes Ausgestaltungsbeispiel analog demjenigen nach Fig. 6. mit dem alleinigen Unterschied, daß die beiden Kolbenringe 38 und 40 gemäß Fig. 6 durch einen einzigen Kolbenring 60 ersetzt sind. Die übrigen Teile, d. h. der Kolben 30, die sternförmige Deckscheibe 32 mit ihren radialen Fingern 34, entsprechen genau denjenigen nach F i g. 6 und sind deshalb mit den gleichen Referenzzahlen versehen. Der Kolbenring 60 besitzt eine geneigte vordere Stirnfläche, während seine am Kolben 30 anliegende rückwärtige Stirnfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft. Es muß hervorgehoben werden, daß im Vergleich mit der Ausgestaltung nach Fig. 7, bei welcher ebenfalls nur ein einziger Kolbenring verwendet wird, der Neigungswinkel der vorderen Stirnfläche des Kolbenrings 60 doppelt so groß sein muß wie derjenige des Kolbenrings 50 nach Fig. 7. wenn das g'eiche Resultat erzielt werden soll.

Aus der F i g. 8a geht hervor, daß der Kolbenring 60 ebenfalls vom offenen Bautyp ist und der Stoß 62 in Form einer Schikane ausgebildet ist, um den Durchtritt von Stopfmasse durch diese Stoßöffnung hindurch zu verhindern.

Der mit der vorliegenden Erfindung angestrebte Effekt, d.h. eine Vergrößerung der Radialspreizkraft des Kolbenrings ist unabhängig von der Anzahl der Kolbenringe. Die auf den oder die Kolbenringe ausgeübte Spreizkraft ist demzufolge die gleiche in den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 3 und 7 z. B., in denen zwei, bzw. nur ein einziger Kolbenring verwendet werden. Vorzugsweise wird man jedoch eher zwei Kolbenringe anstatt nur einen vorsehen, da zwei Kolbenringe unabhängig voneinander wirken können und demgemäß die Gefahr eines Durchtritts von Stopfmasse an der Peripherie des Kolbens entlang

weiter reduzieren. Es ist sogar möglich, mehr als zwei Kolbenringe vorzusehen und auch dann die durch vorliegende Erfindung gebotenen Vorteile auszunutzen.

Es muß noch bemerkt werden, daß die verschiedenen, mit Bezug auf die Fig. 1 bis 8 beschriebenen Ausführungsversionen auf verschiedenartige Weise miteinander kombiniert werden können. So könnten etwa in den Aüsgestaltungsbeispielen gemäß den F i g. 4 oder 5 ein oder zwei Kolbenringe vorgesehen werden mit einer geneigten oder auch nicht geneigten rückwärtigen Stirnfläche.

Damit der oder die Kolbenringe die nötigen Radialbewegungen ausführen können, um die Form der Wandung des Stopfzylinders 4 annehmen zu können, muß ein bestimmtes Spiel zwischen den Kolbenringen und ihrer Führung, welche vorderseitig durch die Finger der sternförmigen Deckscheibe gebildet wird, bestehen bleiben, wobei dieses Spiel vorzugsweise mindestens I mm beträgt.

Nachfolgend wird nunmehr der durch die vorliegende Erfindung erzielte Spreizeffekt mit Bezug auf die F i g. 9 und 10 beschrieben. Zuerst wird Bezug auf die Fig. 9 genommen, welche eine Kolbenringausführung mit nur einer geneigten Stirnfläche darstellt. In der F i g. 9 ist zwar nur ein einziger Kolbenring 70 dargestellt, auf Grund der vorstehenden Ausführungen sind die Überlegungen bei zwei nebeneinanderliegenden Kolbenringen jedoch selbstverständlich analog.

Die vordere Stirnfläche des Kolbenrings 70, welche auf mindestens 50% ihrer Oberfläche mit der Stopfmasse in Berührung steht, ist gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens geneigt, und zwar um einen Winkel ix mit der Senkrechten auf diese Bewegungsrichtung. Während des Stopfvorganges, d. h. wenn der Kolben im Stopfzylinder 4 nach vorne verschoben wird, erfährt der Kolbenring 70 einen Axialschub, welcher in der Fig.9 durch den Vektor a' dargestellt ist. Die vordere, geneigte Stirnfläche des Kolbenrings 70 erfährt durch die Stopfmasse eine Reaktionskraft, welche senkrecht zu seiner Oberfläche gerichtet und durch den Vektor c dargestellt ist. Diese Kraft c kann in eine Axialkraft a zerlegt werden, welche gleichgroß ist wie die Kraft a' und dieser entgegengesetzt, sowie in eine Radialkomponente r. Es ist diese Radialkomponente r, welche in der vorliegenden Erfindung interessiert und welche das Bestreben hat, den Kolbenring 70 in Radialrichtung zu spreizen.

Dieser auf den Kolben 70 einwirkenden Spreizkraft wirkt eine Kraft entgegen, welche von der Reibung zwischen dem Kolbenring und seiner Anlage am Kolben herrührt; diese Reibungskraft ist in der Fig. 9 mit η bezeichnet. Diese Reibungskraft r_x ist der Kraft r parallel, jedoch ist ihr Wirkungssinn entgegengesetzt, so daß die Resultierende dieser beiden Kräfte gleich der Differenz zwischen denselben ist Die Neigung der vorderen Stirnfläche des Kolbenrings 70 wird so gewählt, daß die Radialkomponente r größer ist als die Reibungskraft r\, so daß die Resultierende R=r— r\ den gleichen Wirkungssinn hat wie die Komponente r, so wie dies in der F i g. 9 dargestellt ist

Man kann die Reibungskraft r_t berechnen, wenn Angaben in bezug auf den Werkstoff des Kolbenrings 70 und denjenigen des Kolbens vorliegen.

Die Reibungskraft η kann durch die Formel

Π=μ a'

dargestellt werden, wobei μ der Reibungskoeffizient ist, welcher von der Materialpaarung sowie von der Beschaffenheil, der beiden in Berührung stehenden Oberflächen abhängt. Um μ darzustellen, bedient man sich gewöhnlich einer Winkelangabe, dem Gleitwinkel, welcher mit dem Buchstaben ρ bezeichnet wird, wobei die Beziehung zwischen diesen beiden Größen lautet:

Da die Komponente rebenfalls eine Tangensfunktion

der Komponente a ist, kann die auf den Kolbenring, und

folglich auf die Wandung des Stopfzylinders 4 ausgeübte

ίο Radialkraft R angenähert durch folgende Formel

ausgedrückt werden:

/?= a · tg(<x-p)

Damit eine Radialkraft nach außen entsteht, muß die Bedingung erfüllt sein, daß der Winkel <\ größer als der Gleitwinkel ρ ist.

Es muß bemerkt werden, daß in den vorstehenden Überlegungen einzig die Reibungskraft η zwischen dem Kolbenring und dem Kolben in Betracht gezogen wurde

und daß die Reibung an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Kolbenrings nicht berücksichtigt wurde, d.h. die Reibung zwischen dem Kolbenring und der Stopfmasse. Dies ist jedoch gerechtfertigt, da die verwendete Stopfmasse kein fester Körper ist und ihr

Widerstand gegen eine radiale Ausdehnung des Kolbenrings und folglich die Reibungskraft an der Berührungsfläche zwischen Stopfmasse und Kolbenring vernachlässigbar ist.

Es können analoge Überlegungen für einzelne oder

»ι doppelte Kolbenringe mit zwei geneigten Stirnflächen mit Bezug auf die Fig. 10 angestellt werden. In dieser Figur ist ein Kolbenring 80 dargestellt, dessen vordere und hintere Stirnfläche gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens geneigt sind; die Winkel zwischen

i^r< diesen Stirnflächen und einer Senkrechten zur Zylinderwandung 4 sind durch die Winkel β und ß' dargestellt. Da diese beiden Winkel nicht notwendigerweise gleich groß sein müssen, wurden sie mit zwei unterschiedlichen Referenzen bereichnet. Es ist in der Praxis jedoch vorteilhaft, beide Winkel gleich groß zu machen, so daß beide Kolbenringe eine identische Konfiguration aufweisen und somit nur eine Sorte Kolbenringe

verwendet zu werden braucht.

Die vom Kolben auf den Kolbenring ausgeübte Kraft

« ist durch den Vektor c' dargestellt, welcher senkrecht zur hinteren Stirnfläche des Kolbenrings ist. Diese Kraft c' kann in die Komponenten a'und r' zerlegt werden, welche in axialer, bzw. radialer Richtung auf den Kolbenring 80 einwirken. Ähnlich wie in der Ausführung

>o nach Fig.9 erfährt der Kolbenring 80 seitens der Stopfmasse eine Reaktionskraft, welche in die Komponeten a und r zerlegt werden kann, welche letzere ebenfalls in axialer und radialer Richtung auf den Kolbenring einwirken. Die beiden radialen Komponen-

ten r und r¹ sind parallel und haben gleichen Wirkungssinn; ihre Resultierende währe gleich ihrer algebraischen Summe, wenn keine Reibung zwischen dem Kolbenring 80 und der Stirnfläche des Kolbens vorhanden wäre. Da eine solche (n) jedoch besteht,

kann die radial auf den Kolbenring einwirkende Nettokraft durch die Beziehung ausgedrückt werden:
R

Wenn auch hier ein Reibungswinkel eingeführt wird, so kann durch ähnliche, wie die mit Bezug auf die F i g. 9 ^⁵ weiter oben angestellten Überlegungen folgende Formel geschrieben werden:

R=a \g(2ß-e\
wenn unterstellt wird, daß ß =ß'. Damit eine Radialkraft

nach außen entsteht, muß die Bedingung erfüllt sein, daß die Summ«· der beiden Winkel β und ß' größer als ρ isi.

Damit ist gezeigt, daß sowohl im Falle nsch F i g. 9 als in demjenigen nach F i g. IO unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Kolbenringe die vordere und/oder hinlere Stirnfläche des oder der Kolbenringe unter einem bestimmten Winkel ausgestaltet werden kann, welcher in Funktion der gewünschten Radialkraft berechnet werden kann.

In den F i g. 9 und 10 ist nur die von der Neigung der Kolbenringstirnflächen herrührende Kraft R berücksichtigt. Um die gesamte, auf die Kolbenringe ausgeübte Spreizkraft zu kennen, mit welcher die Ringe an die Zylinderwaniiung angedrückt werden, müssen noch andere Kräfte in Betracht gezogen werden, welche zu der Kraft R hinzugezählt werden müssen. Eine dieser Kräfte, welche übrigens schon weiter oben erwähnt wurde, rührt von der den Kolbenringen bei ihrer Montage vermittelten Vorspannung her.

Wenn d^r Kolben beim Stopfvorgang verschoben wird, entsteht eine dritte Krafteinwirkung auf die Kolbenringe. Diese Kraft wird von der Stopfmasse direkt auf die Innenflächen oder Bohrungen des oder der Kolbenringe ausgeübt. Durch die beschriebene Ausführung der Deckscheibe \ ird diese Kraft wesentlich verstärkt. Sie ist aus dem Grunde besonders vorteilhaft, weil sie durch die besondere Formgebung von Kolben und Deckscheibe direkt in vertikaler Richtung auf die Kolbenringe einwirken kann. Wie schon weiter oben ausgeführt, ist die sternförmige Deckscheibe in der Weise ausgeführt, daß der Druck der Stopfmasse auf die Kolbenringe begünsiigt und verstärkt wird. Aus diesem Grunde ist auch die Oberfläche der Deckscheibe in den Hohlräumen zwischen den radialen Fingern schrägverlaufend ausgeführt, und zwar in der Weise, daß sie sich in Richtung des oder der Kolbenringe erweitert und es auf diese Weise ermöglicht, daß der Schub der Stopfmasse sich senkrecht auf diese Kolbenringe auswirkt.

Aus einem Vergleich der F i g. 9 und 10 und der sich hierauf beziehenden Ausführungen könnte geschlossen weiden, daß beide Ausführungsbeispiele zur gleichen Wirkung und zum gleichen Resultat führen würden, wenn nur die geeigneten Werte für die Neigungswinkel der Kolbenringstirnflächen gewählt würden. Die Ausführung mit zwei geneigten Stirnflächen gemäß Fig. 10 weist jedoch gegenüber der Ausführung nach Fig. 9 gewiose Vorteile auf. Abgesehen davon, daß der

^r> Neigungswinkel nur halb so groß zu sein braucht wie im Ausführungsbeispiel nach F i g. 9, bietet die Ausführung nach Fig. 10 den Vorteil, daß die auf den oder die Kolbenringe ausgeübten Radialkräfte besser auf die beiden geneigten Stirnflächen verteilt werden, im

ίο Radialkraft r nur einer einzigen Stirnfläche vermittelt Radialkraft r nur einer einigen Stirnfläche vermittelt wird. Der Kolbenring nach F i g. 9 ist folglich weniger einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt Die Verteilung der Radkilkräfte auf zwei geneigte Stirnflächen und

^r> die Abwesenheit einer Torsionsbeanspruchung begründet die Verwendung eines Satzes von zwei Kolbenringen im Ausfiihrungsbeispiel nach Fig. 10.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die Erfindung zahlreiche Vorteile gegenüber dem

'" Stand der Technik bietet. Eines der wesentlichen Merkmale besteht darin, daß in sämtlichen Ausführungsbeispielen die vordere Stirnfläche des oder der Kolbenringe gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens geneigt ist und auf mindestens 50% ihrer

-' Oberfläche in direktem Kontakt mit der Stopfmasse ist. Auch die Innenseite oder Bohrung des oder der Kolbenringe ist auf mindestens 50% ihrer Gesamtoberfläche in direktem Kontakt mit der Stopfmasse. Der Axialschub des Kolbens wird auf diese Weise durch die Reaktionskraft der Stopfmasse in radialer Richtung teilweise auf den oder die Kolbenringe übertragen.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen erfahren die Kolbenringe beim Zurückgehen des Kolbens, d. h. in den Figuren bei einer Bewegung desselben nach recht;.

'"' ebenfalls eine Radialkraft. Diese Radialkraft resultiert aus dem Abstützen der geneigten vorderen Stirnfläche des Kolbenringes an der ebenfalls geneigten Anschlagflache der sternförmigen Deckscheibe.

Es muß noch bemerkt werden, daß, wenn in den vorstehenden Ausführungen auch Lehm als mögliche Stopfmasse genannt wurde, auch anders zusammengesetzte Stopfmassen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verbessern der Abdichtwirkung am Kolben einer Stichlochstopfmaschine für Schachtofen, insbesondere für mit hohem Gegendruck arbeitende Hochöfen, mittels Kolbenringen, gekennzeichnet durch mindestens einen Kolbenring (8,10, 40,50,60, 70, 80), welcher durch periphere Flächen einer Deckscheibe (12,22,24,32) gehalten wird und von dessen zwei Stirnflächen mindestens eine in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens (2, 20, 30) geneigt ausgestaltet ist und mindestens teilweise mit der Stopfmasse in Berührung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Deckscheibe sternförmig (12, 22, 32) ausgebildet ist und eine Reihe von radialen Fingern (14,23,34) aufweist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Längsprofil jedes Fingers (14, 23, 34) der sternförmigen Deckscheibe (12, 22, 32) wenigstens teilweise der Querschnittsform der Kolbenringe (8,10,40,50.60,70,80) entspricht, und damit eine formähnliche Führung für die vordere Stirnfläche und/oder die Innenfläche der Kolbenringe gebildet wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiel von mindestens 1 mm -»wischen den Kolbenringen (8,10,40,50, 60, 70, 80) und der Deckscheibe (12, 22, 24, 32) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nacl. den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß & vordere Stirnfläche und die Innenfläche der Kolbenringe (8, 10, 40, 50, 60, 70, 80) auf mehr als der Hälfte ihrer gesamten Oberfläche frei liegen.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheibe (12, 32) eine mittige Bohrung (16) aufweist und mit dieser Bohrung (16) auf einer axialen Zentrierfläche (5) des Kolbens (2,30) aufliegt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheibe (22) mit der Stirnfläche des Kolbens (20) verschraubt ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zwischen den Fingern (14, 23, 34) der sternförmigen Deckscheibe (12,22,32) schräg verlaufen und sich in Richtung auf den Kolben (2, 20, 30) zu kegelförmig erweitern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht von den Kolbenringen (8. 10, 40,50,60, 70,80) und der sternförmigen Deckscheibe (12,32) verdeckte Stirnfläche des Kolbens (2,30) kegelstumpfförmig ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Kolbenring (60, 70) vorgesehen ist, dessen vordere Stirnfläche geneigt und dessen hintere Stirnfläche senkrecht in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens (30) verläuft.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziger Kolbenring (50, 80) vorgesehen ist, dessen beide Stirnflächen geneigt sind und dessen Querschnitt sich in Richtung der Längsachse verjüngt, und daß diese Stirnflächen mit der geneigten Stirnfläche des

Kolbens (2) und der schrägen Hinterseite der Finger (14) an der sternförmigen Peckscheibe (12) zusammenwirken,

IZ Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß des Kolbenrings (50,60) schikanenförmig (52,62) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 9, gekennzeichnet durch zwei nebeneinander liegende Kolbenringe (38,40) von denen der eine (38) einen rechteckigen Querschnitt hat und der andere (40) einen trapezförmigen, und daß die vordere Stirnfläche des Kolbenrings (40) geneigt in bezug auf die Bewegungsrichtung des Kolbens (30} ausgestaltet ist.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch zwei nebeneinander liegende Kolbenringe (8, 10) deren beide äußeren Stirnflächen geneigt sind und sich in Richtung der Längsachse verjüngen und mit der geneigten Stirnfläche des Kolbens (2, 20) und der schrägen Hinterseite der Finger (14, 23) an der sternenförmigen Deckscheibe (12,22) zusammenwirken.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10, 11, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenringe (8, 10, 40, 50, 60, 70, 80) vom offenen Typ und vorgespannt sied.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (8a, 10a,) der Kolbenringe (8, 10) hinter einem Finger (14) der sternförmigen Deckscheibe (12) angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (8a, \0a) von zwei nebeneinander liegenden Kolbenringen (8, 10) in bezug aufeinander versetzt angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (11) vorgesehen ist, um ein Wandern der Kolbenringe (8, 10) um ihre Längsachse zu verhindern.

19. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Kolbens (20) einen Kranz von Vertiefungen (28) aufweist, welche sich radial zu den Kolbenringen (8, 10) hin erstrecken, und daß jede dieser Vertiefungen (28) zwischen zwei Fingern (23) der Deckscheibe (22) liegt.

20. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheibe (24) einen Kranz von öffnungen (26) aufweist, und daß diese öffnungen (26) jeweils einer Vertiefung (28) in der Stirnfläche des Kolbens (20) entsprechen.