DE2851994B2

DE2851994B2 - Förderkolben für eine Kolbenpumpe

Info

Publication number: DE2851994B2
Application number: DE2851994A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 2059 Büchen Stahlkopf
Original assignee: Otto Tuchenhagen GmbH and Co KG
Current assignee: Abel Pumpen & Co Kg 2059 Buechen De GmbH
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1978-12-01
Publication date: 1981-04-30
Also published as: DE2851994C3; DE2851994A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Förderkolben für eine Kolbenpumpe, insbesondere für hochviskose und/oder stark verschleißend wirkende Fördermedien, bei dem zwischen dem Kolben-Grundkörper und Druckplatten, die mittels form- und kraftschlüssig wirkender Verbindungsmittel in axialer Richtung des Förderkolbens gegeneinander gezogen werden, jeweils vorzugsweise mehrere im unverformten Zustand form- und abmessungsgleiche, elastische, scheibenförmige Dichtelemente eingespannt sind.

Derartige Förderkolben für die einleitend beschriebenen Fördermedien müssen auf einfachste Weise nachstellbar sein. Der Austausch der verschleißenden Dichtelemente muß zeitsparend und kostengünstig durchgeführt werden können.

Aus der FR-PS 8 80 053 ist ein Förderkolben bekannt, bei dem zwischen dem Kolben-Grundkörper und einer Druckplatte, die mittels form- und kraftschlüssig wirkender Verbindungsmittel in axialer Richtung des Förderkolbens gegeneinander gezogen werden, jeweils mehrere im unverformten Zustand form- und abmessungsgleiche, elastische, scheibenförmige Dichtelemente eingespannt sind.

Bei den bekannten Förderkolben erreicht man durch Vergrößerung der Vorspannung eine gleichmäßige radiale Verformung aller scheibenförmigen Dichtelemente. Es ist allerdings mit der bekannten Anordnung nicht möglich, die unterschiedlich großen Verschleißbeanspruchungen unterworfenen einzelnen Dichtelemente unterschiedlich stark nachzustellen. So erfordern die äußeren, dem Fordermedium unmittelbar ausgesetzten Dichtelemente infolge ihrer größeren Verschleißbeanspruchung je Zeiteinheit auch eine größere Nachstellung als die weiter innen liegenden Dichtelemente. Diese graduellen Unterschiede lassen sich bei den bekannten Kolben nicht kompensieren.

In der US-PS 22 16 353 ist ein Förderkolben der einleitend gekennzeichneten Gattung beschrieben, bei dem die scheibenförmigen Dichtelemente über Druckplatten durch die Pressung des Druckhubes gegeneinander und gleichzeitig an die Zylinderwand gepreßt werden.

Bei den bekannten Förderkolben ist es prinzipiell möglich, daß das Fördermedium beim Druckhub zwischen die Dichtelemente und den Kolben-Grundkörper gequetscht wird und dadurch eine Verschiebung der Dichtelemente gegeneinander bewirkt, wodurch eine Leckageströmung des Fördermediums zwischen Vorder- und Rückseite des Dichtelementpaketes auftreten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Förderkolben der einleitend gekennzeichneten Gattung derart zu gestalten, daß die unterschiedlich großen Verschleißerscheinungen der Dichtelemente durch Nachstellung kompensiert werden können, daß die Dichtelemente insbesondere beim Druckhub gegen Verschiebung untereinander gesichert sind und daß Leckageströmungen im Spalt zwischen den Dichtelementen und dem Kolben-Grundkörper verhindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die Formgebung der Sitzfläche des Kolben-Grundkörpers mittels Radius R und der Preßflächen der Druckplatten mittels Anschrägung unter dem Kegelwinkel <x die Dichtlippen der vorgespannten elastischen Dichtelemente als kreisförmige Mantellinien auf einem gedachten, sich zur Stützfläche hin verjüngenden Kegelmantel mit dem Neigungswinkel β liegen.
Um eine optimale Anpassung des Förderkolbens an die jeweilige Förderaufgabe zu erreichen, bestehen in einer weiteren Ausbildung der Erfindung die elastischen Dichtelemente aus voneinander verschiedenen Materialien mit beispielsweise divergierenden chemischen und/oder mechanischen Eigenschaften.

Um bei hohen Förderdrücken eine sichere radiale Fixierung der Dichtelemente zu gewährleisten und Leckageströmungen im Spalt zwischen den Dichtelementen und dem Kolben-Grundkörper zu verhindern, sind die Druckplatte und der Kolben-Grundkörper mittels der in den Nuten des Kolben-Grundkörpers angeordneten Dichtringe gegeneinander abgedichtet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile ergeben sich aus der Aufgabenstellung. Aufgrund der Tatsache, daß die einzelnen Dichtlippen als kreisförmige Mantellinien auf einem gedachten Kegel mit dem Neigungswinkel β angeordnet sind, wobei der Kegel-Neigungswinkel β von der Vorspannkraft der Schraubenverbindung abhängt, ergibt sich zum einen der bedeutende Vorteil, daß durch entsprechende Voreinstellung des Kegel-Neigungswinkels im Zusammenwirken mit dem Förderdruck des gepumpten Fördermediums jede Dichtlippe an der Zylinderwandung dichtend zur Anlage kommt und zum anderen die Möglichkeit der graduell unterschiedlichen Nachstellung der einzelnen Dichtelemente bei Verschleißerscheinungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen doppeltwirkenden Kolben mit jeweils vier Dichtelementen oberhalb der Symmetrielinie im Mittelschnitt und unterhalb in Ansicht und

Fig.2 einen Mittelschnitt durch vier unverformte Dichtelemente, wobei aus Symmetriegründ» nur eine Hälfte dargestellt ist

Auf der Kolbenstange 1 ist der mit einer großen Bohrung 2«? versehene symmetrische Kolben-Grundkörper 2 zwischen dem Bund la und der Befestigungsmutter 7 formschlüssig befestigt (Fig. 1). Die Befestigungsmutter 7 ist durch die Kontermutter 8 gesichert Bei dem dargestellten doppeltwirkenden Förderkolben sind die Stützflächen 2e des durchmessergrößten Mittelteils des Kolben-Grundkörpers 2 konkav ausgebildet wobei ihr Krümmungsradius R am äußersten Rand der über den Umfang gleichmäßig verteilten kleinen Bohrungen 2c/ beginnt Der Krümmungsmittelpunkt M liegt erstens auf einem Zylindermantel, dessen Durchmesser sich aus dem Teilkreisdurchmesser der kleinen Bohrungen 2d zuzüglich deren D-rchmesser ergibt, und zweitens im Abstand R von der konkaven Stützfläche 2e. Der Radius R bestimmt sich näherungsweise aus der Summe der Dicken Si' bis S₄' des zwischen der Stützfläche 2e und der Preßfläche 3a' bzw. 36' der linken bzw. rechten Druckplatte 3a bzw. 36 vorgespannten Satzes elastischer Dichtelemente 6a bzw. 66 zuzüglich dem Krümmungsradius r der Druckplatten 3a bzw. 3b. Die linke bzw. rechte Druckplatte 3a bzw. 3b wird jeweils über den kleinen zylindrischen Ansatz 26 beiderseits des Kolben-Grundkörpers 2 zentriert und mittels Durchgangsschrauben 4 und selbstsichernden Muttern 5 in axialer Richtung des Förderkolbens gegen den linken bzw. rechten Satz elastischer Dichtelemente 6a bzw. 6b gepreßt, wobei letztere entsprechend der im Kolben-Grundkörper 2 vorgegebenen kleinen Bohrungen 2d deckungsgleich mit Bohrungen 6c versehen sind (F i g. 2). Die Druckplatten 6a, 66 sind unter dem Kegelwinkel ä angeschrägt. Es wird empirisch in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien der Dichtelemente 6a. 66 ermittelt.

Damit die elastischen Dichtelemente 6a bzw. Bb nicht unter der Einwirkung höherer Förderdrücke auf dem sie zentrierenden großen zylindrischen Ansatz 2c gegeneinander verschoben werden, sind die Druckplatten 3a, 36 und der Kolben-Grundkörper 2 gegeneinander abgedichtet. Dies geschieht durch Dichtringe 10 in Nuten 9 des Kolben-Grundkörpers 2. Damit wird ein Eindringen von Fördermedium in den Ringspalt zwischen der Bohrung 4 der Dichtelemente 6a bzw. 66 und dem großen zylindrischen Ansatz 2c verhindert

Der Satz elastischer Dichtelemente 6 (F i g. 2) besteht im Ausführungsbeispiel aus vier Dichtelementen, wobei deren Anzahl willkürlich gewählt wurde. Erfindungsgemäß handelt es sich um form- und abmessungsgleiche scheibenförmige Bauteile mit folgenden, sie eindeutig kennzeichnenden Abmessungen: Bohrungsdurcnmesser d, Aubendurchmesser D, Kegelwinkel λ und Dicke S. Der Durchmesser der Bohrungen 6c richtet sich nach den verwendeten Durchgangsschrauben 4.

Die form- und abmessungsgleichen Dichtelemente 6 eines Satzes werden unter der durch die Schraubenverbindung 4, 5 einleitbaren Vorspannkraft zwischen der Preßfläche 3a' bzw. 3b' und den Stützflächen 2e des Kolben-Grundkörpers 2 verformt. Als sicher gilt die Annahme, daß diese Verformung bei Volumenkonstanz eines jeden einzelnen Dichtelements 6 erfolgt, da diese zwar elastisch aber nicht volumenbezogen kompressibel sind. Setzt man, was nicht der Fall ist, gleiche Dickeänderung für ^edes Diclitelemsnt 6 eines Satzes von Dichtelementer, voraus, dann würden sich alle Dichtelemente 6 unter der zwingenden Bedingung der Volumenkonstanz um die gleiche Längenänderung verlängern. Wie leicht zu zeigen ist, würden dann die Dichtlippen A, B, C, D in gleichen Abständen voneinander auf einem Kegelmantel liegen, der sich zu den Druckplatten hin verjüngt Ein derartig konisch nach außen sich verjüngender Satz elastischer Dichtelemente 6 ist praktisch nicht brauchbar, da insbesondere beim Druckhub außer dem durchmessergrößten Dichtelement 6, das an der Stützfläche 2e anliegt, kein weiteres kleineres Dichtelement an der Zylinderwandung dichtend zur Anlage kommt

Durch die Formgebung der Stützfläche 2e des Kolben-Grundkörpers 2 und der Preßfläche 3a' bzw. 36' der Druckplatte 3a bzw. 36 werden nun zum eben beschriebenen hypothetischen Sachverhalt gegensätzliche geometrische Verhältnisse geschaffen.

Die Dichtelemente 6 nehmen im vorgespannten Zustand wenigstens in Teilbereichen voneinander verschiedene Dicken Si', S₂', S3' und S₄' ein. Dabei ist entscheidend, daß Sr<Sz'<S₃'<S₄' und S₄'< S ist. Da die Bedingung der Volumenkonstanz für jedes Dichtelement zwingend ist, erfährt das Dichtelement mit der Dicke Si' die größte Längenänderung. Die benachbarten Dichtelemente 6 erfahren entsprechend ihrer geringeren Dickeänderung eine geringere Längenänderung.

Bei einer bestimmten empirisch zu ermittelnden Vorspannkraft der Schraubenverbindung 4, 5, die vom Material der Dichlelemente 6 und von den konstruktiv vorgegebenen geometrischen Bedingungen abhängt, erreicht man, daß die Dichtlippen A, B, C, D der

J5 Dichtelemente 6 sich auf einem sich mit dem Kegelneigungswinkel β nach außen erweiternden Kegelmantel gruppieren, wobei das inneniiegende durchmesserkleinste Dichtelement 6 den Durchmesser D₄' und das außenliegende durchmessergrößte den Durchmesser D\ annimmt. Der Kegelwinkel / der verformten Dichtelemente 6 ist zwar kleiner als γ, aber immer noch positiv, so daß die Dichtlippen A, B, C, D als kreisförmige Mantellinien nach wie vor existent sind.

Da der Kegelneigungswinkel β von der Vorspannkraft der Schraubenverbindung 4,5 abhängt, ergibt sich zum einen der bedeutende Vorteil, daß durch entsprechende Voreinstellung des Kegelneigungswinkels β im Zusammenwirken mit dem Förderdruck des gepumpten Fluides jede Dichtlippe A, B, C, D an der Zylinderwandung dichtend zur Anlage kommt und zum anderen die Möglichkeit der Nachstellung des gesamten Satzes der Dichtelemente 6 bei Verschleißerscheinungen.

Eine Erklärung für die von innen nach außen zunehmende Dicke- und Längenänderung der Dichtelemente 6 kann anhand der in der linken Hälfte der Schnittdarstellung der F i g. 1 gekennzeichneten gedachten Bereiche I, II und III, die aus der erfindungsgemäßen geometrischen Gestaltung von Kolben-Grundkörper 2 und Druckplatte 3a bzw. 3b postulierbar sind, gefunden werden. Im Bereich I ist die Verformung der Dichtelemente 6 durch die Finspannwirkung der gekrümmten Stützfläche 2e behindert. Die auf den Bereich I entfallenden Längen der Dichtelemente 6 nehmen von innen nach außen ab. Die auf den Bereich II entfallenden Längen nehmen von innen nach außen zu und bestimmen im wesentlichen, da sie weniger wachstumsbehindert sind als jene im Bereich I, das Längenwachstum. Die Längen im Bereich III unterlie-

gen keinen nennenswerten Verformungskräften; sie bleiben annähernd unverformt und können vernachlässigt werden.

Selbstverständlich können die Dichtelemente 6 eines Satzes aus voneinander verschiedenen Materialien mit beispielsweise divergierenden chemischen und/oder mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Damit ergeben sich vielfältige Anpassungsmöglichkeiten des Förderkolbens im Hinblick auf Dichtwirkung und chemische Beständigkeit die verschiedensten Förderaufgaben.

So wird beispielsweise das mit dem Fördermedium zuerst in Berührung kommende Dichtelement 6 Materialeigenschaften besitzen, die der dominierenden, den Förderkolben am stärksten beeinflussenden Einflußgröße gewachsen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Förderkolben für eine Kolbenpumpe, insbesondere für hochviskose und/oder stark verschleißend wirkende Fördermedien, bei dem zwischen dem Kolben-Grundkörper und einer Druckplatte, die mittels form- und kraftschlüssig wirkender Verbindungsmittel in axialer Richtung des Förderkolbens gegeneinander gezogen werden, jeweils mehrere im unverformten Zustand form- und abmessungsgleiche, elastische, scheibenförmige Dichtelemente eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Formgebung der Stützfläche (2e) des Kolben-Grundkörpers (2) mittels Radius R und der Preßflächen (3a', 3b') der Druckplatten (3a, 3b) mittels Abschrägung unter dem Kegelwinkel <x die Dichtlippen (A, B, Q D) der vorgespannten elastischen Dichtelemente (6a, 6b) als kreisförmige Mantellinien auf einem gedachten, sich zur Stützfläche (2e) hin verjüngenden Kegelmantel mit dem Neigungswinkel β liegen.

2. Förderkolben für eine Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Dichtelemente (6a, 6b) aus voneinander verschiedenen Materialien mit beispielsweise divergierenden chemischen und/oder mechanischen Eigenschaften hergestellt sind.

3. Förderkolben für eine Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (3a, 3b) und der Kolben-Grundkörper (2) mittels der in den Nuten (9) des Kolben-Grundkörpers (2) angeordneten Dichtringe (10) gegeneinander abgedichtet sind.