DE2749693B2 - Hochdruckkolbenpumpe - Google Patents

Description

überschüssigen Mediums, am Ende eines nutzbaren Arbeitszyklus des Kolbens zu den Speise- und Ablaufleitungen so intensiv statt, daß im Inneren dieser Leitungen, aiso in der Nähe ihrer inneren öffnungen, Wirbelströmungen sowie örtliche Unierdruckzonen gebildet werden. Diese Erscheinungen können zur Kavitation sowie zur Abblätterung sowohl an den Enden der Speise- und Ablaufleitungen als auch auf der Fläche des Kolbens selbst führen.

Es ist bekannt, diese Wirbelströmungen und Unterdruckzonen dadurch zu verhindern, daß die gemeinsame Speise- und Ablaufleitung in Längsrichtung so geteilt ist, daß ein Speiseweg und ein Ablaßweg gebildet werden und daß zwischen beiden Wegen im wesentlichen auf der Höhe der inneren öffnung der Leitung eine Verbindung hergestellt wird, damit das Medium vom Speiseweg zum Ablaßweg zum Zeitpunkt des Ablasses fließen kann, um die Entstehung von Unterdruckzonen und insbesondere von Wirbeln und demzufolge die Abnutzung durch Kavitation zu vermeüen. Gemäß DE-OS 25 31 200 der AnmeJderin besteht diese Lösung darin, daß in der gemeinsamen Leitung ein Stück eingesetzt wird, welches die Form einer Platte oder einer flachen Klinge aufweist, um in der öffnung der gemeinsamen Leitung für den Durchfluß des Mediums zwischen den zwei so begrenzten Längsgerichteten Speise- und Ablaßwegen eine Trennwand zu bilden. Diese Lösung hat sich als zufriedenstellend erwiesen, aber die Herstellung und der Einbau dieses Stückes in der gemeinsamen Leitung sind mit Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere spielt die Ausrichtung der flachen Klinge gegenüber der Orientierung der Mediumrückflußstrahlen, die in der genannten Leitung strömen, eine große Rolle. Diese Klinge muß beim Einbau sehr genau angepaßt werden, und besondere Vorkehrungen müssen getroffen werden, um jede nachträgliche Versteilung der eingestellten Ausrichtung zu vermeiden. Außerdem ist das genannte Stück ziemlich empfindlich und nur schwierig herstellbar. Das Einsetzen des Stückes in die gesamte Leitung kann daneben zusätzliche Beanspruchungen hervorrufen, die später zur Spaltung der Laufbuchse des Kolbens führen können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pumpe der eingangs genannten Art zu -r> schaffen, die ohne einen solchen Einsatz auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Laufbüchse mindestens eine Gnjppe von benachbarten Leitungen umfaßt, die vorzugsweise zueinander parallel im wesentlichen in Querrichtung w verlaufen und zur Speisung bzw. zum Ablaß von Medium bei jedem Arbeitszyklus der Pumpe dienen, und daß zwischen mindestens zwei naheliegenden Leitungen in der Nähe ihrer bohrungsseitigen öffnungen eine wenigstens zeitweilige Verbindung vorgesehen ist. >5

Auf diese Weise sind die Speise- und Ablaufwege im Fleisch der Laufbuchse des Kolbens ausgeführt. Diese Ausführungsart ist herstellungsmäßig besonders vorteilhaft und wirtschaftlich. Gegenüber den Druckwellen, die sich in den Leitungen fortpflanzen, ist sie dazu <ί widerstandsfähiger, da das verhältnismäßig empfindliche Element (die flache Klinge), die zum bekannten Stand der Technik gehört, nicht mehr vorhanden ist. Außerdem wird zwischen mindestens einigen dieser naheliegenden Leitungen zur Erzielung einer Medium- . , ausgleichsströmung zwischen den verschiedenen Ablaß- und Speisewegen eine Verbindung hergestellt, um die Zonen örtlichen Unterdruci.es sowie die Wirbelströmungen, die die Kavitationserscheinungen hervorrufen, zu beheben. Diese Verbindung kann durch eine kleine Aushöhlung in der Wandung der Laufbüchse vorzugsweise zwischen den öffnungen der Leitungen oder durch eine Nut bestimmter Länge in der Wandung des Kolbens oberhalb des schraubenförmigen Randes und parallel zu diesem gebildet werden. In diesem letzteren Fall sind die Stellung und die Breite der genannten Nut so bemessen, daß die Verbindung nur während einer sehr kurzen Zeit hergestellt wird, nämlich von dem Augenblick an, zu welchem der genannte Rand die Öffnung einer der naheliegenden Leitungen freizusetzen beginnt

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

in der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt Es zeigen:

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Pumpe gemäß Linie M-III in Fig. 3,

F i g. 2 einen Schnitt gemäß F i g. 2 durch eine zweite Ausführungsform der Pumpe,

F i g. 3 eine radiale Ansicht von innen auf die Wand der Pumpenbohrung im Bereich der öffnungen der Speise- bzw. Ablaßbohrungen und

F i g. 4 einen Schnitt gemäß F i g. 1 zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung der inneren Mündungen der Speise- bzw. Ablaßbohrungen.

Die Zeichnungen zeigen eine Pumpe mit einer Laufbuchse 11, die eine mittlere Bohrung 12 besitzt, in welcher ein Kolben 13 beweglich angeordnet ist. Das nicht dargestellte Unterteil des Kolbens 13 ist mit einer gleitenden Keilverbindung versehen, die die Drehung des Kolbens um seine Längsachse 14 ermöglicht und dessen Hin- und Herbewegung nicht hindert, wobei die Möglichkeit gegeben ist, eine beliebige vorbestimmte Winkelstellung des Kolbens, die die Leistung der Pumpe bestimmt, aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck ist der Kolben 13 mit einer seitlichen Ausnehmung 15 versehen, welche zwischen der Verdrängungskammer 18 (die nur teilweise dargestellt ist und oberhalb der querliegenden Fläche 17 des Kolbens liegt) und den nahe aneinanderliegenden, parallelen Leitungen 20, 21 und 22 zur Speisung und zum Ablaß des in die Pumpe eingeleiteten Mediums eine Verbindung herstellen kann. Ein Rand 16 der Ausnehmung ist schraubenförmig ausgebildet, so daß durch die Winkelstellung des Kolbens 13 gegenüber den Öffnungen 20_a, 21_a und 22_a der in die Bohrung 12 mündenden Leitungen der Verdrängerhub des Kolbens bei jedem Arbeitszyklus, d. h. der Teil des Gesamthubes des Kolbens, in welchem jede Verbindung zwischen der Kammer 18 und den Leitungen unterbrochen ist, eingestellt werden kann.

Gemäß einem besonderen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind zur Speisung und zum Ablauf des Mediums mehrere nahe aneinanderliegende Leitungen anstatt der bekannten einzigen gemeinsamen Leitung größeren Querschnittes vorgesehen. So sind anstatt der einzigen gemeinsamen Leitung, die nachträglich in Längsrichtung geteilt wird, um mindestens einen Speiseweg und einen Ablaßweg zu bilden, in bevorzugter Weise drei nahe beieinanderliegende, parallele Leitungen geringeren Durchmessers vorgesehen, so daß die gesuchte längsgerichtete Trennung automatisch duiw-h die Metallstärke der Laufbüchse selbst erzielt wird, die zwischen den genannten Leitungen erhalten bleibt. Man kann zwei oder mehrere nahe aneinanderliegende Leitungen (in dem vorliegenden Beispiel, drei) vorsehen, von denen eine oder mehrere insbesondere

zur Speisung (Füllung der Verdrängungskammer im Laufe der Rückbewegung des Kolbens) und die anderen insbesondere zum Ablaß des überschüssigen Mediums am Ende eines jeden Verdrängungshubes des Kolbens dienen (Rückfluß des aus der Verdrängungskammer verdrängten Mediums zu den Leitungen in dem Zeitpunkt, in welchem der schraubenförmige Rand die entsprechenden öffnungen freizusetzen beginnt).

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die öffnungen 20_a, 21_a, 22_a kreisförmig ausgeführt und ihre jeweiligen Mittelpunkte liegen im wesentlichen auf dem Kreis 25. Wie ersichtlich, dienen die Leitungen 20 und 21 insbesondere zur Speisung, während die Leitung 22 insbesondere zum Ablaß des Mediums dient, da ihre öffnung 22_a als erste von dem schraubenförmigen Rand 16 im Laufe der steigenden Bewegung des Koibens i3 (F i g. 1 und 2) am Ende des Verdrängungshubes freigesetzt wird. Diese Unterscheidung zwischen den Speiseleitungen und den Ablaßleitungen, wie sie oben definiert ist, stellt jedoch nicht das einzige Merkmal der vorliegenden Erfindung dar. Daneben muß eine Verbindung zwischen den Leitungen in der Nähe ihrer jeweiligen Öffnungen 20_a, 21 _a und 22_S möglich sein, und zwar mindestens zu dem Zeitpunkt, zu welchem der schraubenförmige Rand 16 unter den oben erwähnten Bedingungen die Bohrung 22_a freizusetzen beginnt. Gemäß F i g. 1 wird diese Verbindung dadurch sehr einfach erzielt, daß in der Wandung der Laufbüchse 11, im Inneren der Bohrung 12 und insbesondere in der Zone, in welcher die öffnungen von mindestens zwei und vorzugsweise drei benachbarten Leitungen 20, 21 und 22 voneinander getrennt sind, eine muldenförmige Aushöhlung 27, die auch in Fig. 3 ersichtlich ist, ausgeführt wird. Die Abmessungen dieser Aushöhlung sind so gewählt, daß sie mindestens über einen Teil der Ränder der öffnungen 20_a, 21_a und 22_a hinaus verlängert ist, um zwischen den Leitungen eine Verbindungsmöglichkeit auch dann herzustellen, wenn deren öffnungen durch die Seitenwandung des Kolbens 13 bedeckt sind. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Tiefe dieser muldenförmigen Aushöhlung vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 mm betragen soll.

Die Fig.4 zeigt ein Verfahren zur Schaffung der Aushöhlung 27. Gemäß diesem Verfahren wird vor dem Einbau des Koibens ein Fräser 30 schräg in die Bohrung 12 eingeführt und dann in die Wandung der Laufbuchse 11 im wesentlichen zwischen den öffnungen der Leitungen oder an den dazu vorgesehenen Stellen geringfügig eingetrieben. Die Führung des Fräsers 30 wird vorzugsweise mit Hilfe einer Führungskappe 31 bewirkt, die am einen Ende der Bohrung 12 passend angesetzt und mit einer schräg geneigten Bohrung 32 versehen ist, welche der Achse des Fräsers 30 als Führungslager dient. Der Fräser kann durch eine Schleifscheibe oder durch jedes gleichwertige Werkzeug ersetzt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher die Aushöhlung 27 nicht notwendig ist. Die Verbindung, die in diesem Fall nur momentan ist, wird mit Hilfe einer zu dem Rand 16 parallelen Nut 33 hergestellt, welche in der Seitenwandung des Kolbens in der Nähe der Ausnehmung 15, jedoch ohne unmittelbare Verbindung zu letzterer, ausgebildet ist. Die Breite sowie die Stellung dieser Nut sind so bemessen, daß eine Durchführung 34 senkrecht zu den öffnungen der nahe aneinanderliegenden Leitungen während mindestens eines kurzen Augenblickes von dem Moment an gebildet wird, in dem der Rand 16 eine der öffnungen (22a) freizusetzen beginnt. Diese Ausführungsform ist in F i g. 2 dargestellt, in diesem Faii ist die Verbindung für die Zeit hergestellt, während der die plötzlichen, zu den Kavitationserscheinungen führenden Druckschwankungen in der Pumpe erscheinen. Zur Erzielung dieses Ergebnisses muß einerseits der Abstand dzwischen der Kante der Nut, die dem Rand 16 benachbart liegt, und diesem Rand selbst im wesentlichen geringer als der Durchmesser der ersten durch den Rand 16 im Laufe des Verdrängungshubes freigesetzten öffnung 22_a sein. Andererseits soll die Breite 1 der Nut 33 den Abstand zwischen den benachbarten Bereichen der Bohrungen von mindestens zwei nebeneinanderverlaufenden Leitungen geringfügig überschreiten.

Man hat in diesem Fall ebenfalls festgestellt, daß die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn die Tiefe der Nut zwischen 0,1 und 2 mm liegt.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Pumpe ist besonders einfach und ergibt sich aus den vorangehenden Erläuterungen. Es wird zunächst darauf hingewiesen, daß bei allen Ausführungsarten in dem Moment, in dem die Bohrung 22_a durch den Rand 16 freigesetzt wird, zwischen den Leitungen ein Strömungsweg für das Medium von der Durchführung 34 oder der Aushöhlung 27 geschaffen wird. Daraus ergibt sich ein schneller Druckabfall von etwa 1000 bar (Druck in der Verdrängungskammer) auf etwa 2 bar (Druck in den Speiseleitungen). Dadurch wird ein kräftiger Mediumstrahl in der Leitung 22 im wesentlichen in der Richtung des Pfeiles F erzeugt, der in dem oberen Bereich der Leitung Wirbelströmungen sowie örtliche Unterdruckzonen und dadurch die schnelle Abnutzung aufgrund von Kavitationserscheinungen sowie Abblätterung der Wandungen der Leitung und des Kolbens hervorrufen kann. Dank der vorliegenden Erfindung werden diese schädlichen Erscheinungen bei ihrer Entstehung dadurch verhindert, daß durch die Verbindungswege, die entweder durch die Aushöhlung 27 oder durch die Nut 33 gebildet werden, aus den anderen Leitungen 20, 21 Medium zugeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Hochdruckkolbenpumpe mit einem zylinderförmigen Kolben, der im Inneren einer eine Laufbüchse bildenden Bohrung in Längsrichtung oszillierend angeordnet und auf seiner äußeren Fläche mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, wobei zur Begrenzung des nutzbaren Verdrängungshubes des Kolbens durch Veränderung seiner Winkelstellung um seine Längsachse mindestens ein Rand der genannten Ausnehmung schraubenförmig ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbüchse mindestens eine Gruppe von benachbarten Leitungen (20, 21, 22) umfaßt, die vorzugsweise zueinander parallel im wesentlichen in Querrichtung verlaufen und zur Speisung bzw. zum Ablaß von Medium bei jedem Arbeitszyklus der Pumpe dienen, und daß zwischen mindestens zwei naheliegenden Leitungen in der Nähe ihrer bohrungsseitigen Öffnungen (20„ 21* 22.) eine Verbindung (27, 33) vorgesehen ist

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung wenigstens zum Teil durch eine Aushöhlung (27) gebildet ist, die in der Wandung der Laufbüchse (11) im Inneren der Bohrung (12) zumindest in dem Bereich der Wandung, der die Öffnungen von mindestens zwei nebeneinanderliegenden Leitungen (20, 21, 22) voneinander trennt, vorgesehen ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mindestens zum Teil aus einer schraubenförmigen Nut (33) besteht, die in der Seitenwandung des Kolbens (13) in der Nähe der Ausnehmung (15) und gleichlaufend zu dem im wesentlichen schraubenförmigen Rand (16) vorgesehen ist.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20,, 2I₈, 22_a) der benachbarten Leitungen (20,21,22) im Querschnitt kreisförmig ausgeführt sind und daß der Abstand zwischen der Kante der Nut (33), die dem Rand (16) am nächsten liegt, und diesem Rand selbst etwas geringer als der Durchmesser der ersten, durch den Rand (16) im Laufe des nutzbaren Verdrängungshubes des Kolbens (13) freigesetzten Öffnung (22) ist.

5. Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (1) der Nut (33) im wesentlichen größer ist als der Abstand zwischen den benachbarten Bereichen der Öffnungen von zwei nebeneinanderliegenden Leitungen.

6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Aushöhlung (27) oder der Nut (33) zwischen 0,1 und 2 mm liegt.

7. Verfahren zur Herstellung einer Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbau des Kolbens (13) ein Fräser (30), eine Schleifscheibe od. dgl. schräg zur Achse der Bohrung (12) in diese eingeführt und daß damit in der Seitenwandung der wi Bohrung (12) im wesentlichen zwischen den Öffnungen (20,21,22) oder ihren zukünftigen Stellen ein Hohlraum geformt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der Achse des Fräsers (30) ""> in der Schrägstellung mit Hilfe einer Führungskappe (31) erzielt wird, die in einem Ende der Bohrung (12) fixiert ist.

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckkolbenpumpe mit einem zylinderförmigen Kolben, der im Inneren einer eine Laufbüchse bildenden Bohrung in Längsrichtung oszillierend angeordnet und auf seiner äußeren Fläche mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, wobei zur Begrenzung des nutzbaren Verdrängungshubes des Kolbens durch Veränderung seiner Winkelstellung um seine Längsachse mindestens ein Rand der genannten Ausnehmung schraubenförmig ausgeführt ist

Bekannte Pumpen dieser Art besitzen einen in Längsrichtung hin- und hergehenden Kolben, dessen Hub im Inneren einer zylinderförmigen, die Laufbüchse des Kolbens bildenden Bohrung eine konstante Länge aufweist Das Medium wird in die Verdrängungskammer der Pumpe über einen oder mehrere quergerichtete, durch die Laufbüchse des Kolbens hindurchgeführte Kanäle eingeleitet, deren Öffnungen während der gesamten Dauer des nutzbaren Verdrängungshubes des Kolbens periodisch durch die Seitenfläche desselben verschlossen werden. Da der gesamte Hub des Kolbens konstant ist, kann die Menge des bei jedem Zyklus verdrängten Mediums dadurch verändert werden, daß der nutzbare Hub eingestellt wird, d. h„ daß die Zeit, während welcher die Öffnungen der genannten Kanäle durch die Seitenwandung des Kolbens verschlossen sind, genau bemessen wird. Zu diesem Zweck besitzt der Kolben in seiner Seitenwandung eine Ausnehmung mit mindesiens einem schraubenförmigen Rand. Diese Ausnehmung mündet am Oberteil des Kolbens aus, um zwischen der Verdrängungskammer der Pumpe und den genannten Kanälen an einem bestimmten Zeitpunkt eines jeden Zyklus eine Verbindung im Sinne eines Ablaufes herzustellen. Da der Verdrängungsdruck wesentlich größer als der Speisedruck ist, fließt das Medium plötzlich zu den Kanälen zurück, sobald die genannte Verbindung hergestellt ist, d. h. sobald ein Punkt des genannten schraubenförmigen Randes vor die Öffnung eines der jeweiligen Kanäle gelangt. Die Verdrängungswirkung wird dann beinahe augenblicklich abgestellt, so daß die Menge des durch die Pumpe bei jedem Zyklus verdrängten Mediums genau bestimmt werden kp.nn. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Kolben um seine eigene Längsachse in Drehung zu versetzen, damit der Zeitpunkt, zu welchem der schraubenförmige Rand vor der Öffnung vorbeigleitet, verzögert oder früher eingestellt wird. Auf diese Weise wird eine Veränderung des nutzbaren Verdrängungshubes des Kolbens erzielt, die es ermöglicht, die mittlere Leistung der Pumpe einzustellen, obwohl deren Kolben einen konstanten Gesamthub aufweist. In herkömmlicher Weise wird die Winkelstellung des Kolbens mit Hilfe einer gleitenden Keilverbindung am Unterteil des Kolbens eingestellt, so daß jede beliebige Stellung des Kolbens eingestellt und aufrechterhalten werden kann, ohne daß dessen Bewegung mit konstantem Hub gehindert wird.

Das Problem, das sich bekannterweise bei dieser Pumpenausführung stellt, besteht in den Kavitationserscheinungen. In der Tat entsteht während der nutzbaren Hubbewegung des Kolbens ein starker Druckunterschied zwischen der Verdrängungskammer und dem Speise- und Ablaufkreis des Mediums. Zum Beispiel kann der Verdrängungsdruck in der Größenordnung von 1000 bar liegen, während der Druck des Mediums in dem Speisekreis der Pumpe nur etwa 2 bar beträgt. Unter diesen Bedingungen findet der Ablauf, d. h. der schnelle Rückfluß des in der Verdrängungskammer