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Verdrängerteil einer Kolbenpumpe
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Die Erfindung betrifft ein Verdrängerteil einer Kolbenpumpe, insbesondere
einer Hochdruckpumpe, für abrasive und/oder korrosive Flüssigkeiten, bestehend aus
einer Kolbenstange und einem an dieser mittels einer lösbaren Verbindung befestigten
Kolben aus gesintertem, keramischem, insbesondere oxidkeramischem Material, wobei
der Kolben als zylindrischer Körper mit einem Sackloch ausgeführt ist.
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Pumpenkolben, insbesondere solche von Hochdruckpumpen für Waschaggregate,
wie sie beispielsweise in der Landwirtschaft zum Abspritzen von Ställen oder zum
Reinigen von Maschinen, wie auch im Automobilsektor zum Autoreinigen eingesetzt
werden, unterliegen hohen Beanspruchungen. Die Pumpen sind dabei im allgemeinen
als Kolbenpumpen ausgeführt, bei denen 2 bis 6 Zylinder auf einer -Kurbelwelle arbeiten.
Sie erreichen Drücke, die zwischen 80 und 180 bar liegen. Als Reinigungsflüssigkeit
werden meist scharfe Alkalien eingesetzt. Die Temperaturen der Reinigungsflüssigkeiten
betragen 80 und mehr Grad C. Die bisher als Kolben eingesetzten beschichteten oder
hartverchromten Stahlhülsen wurden über eine Spann-
schraube mit
der Kolbenstange verbunden. Alternativ zu diesen Stahlhülsen hat man entsprechende
Hülsen aus gesinterter Oxidkeramik eingesetzt, die analog verbunden waren. Als Metall
für die Kolbenstange wurde ein nichtrostendes Material, also im allgemeinen ein
hochlegierter Stahl verwandt.
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Unter keramischen Materialien im Sinne der vorliegenden Anmeldung
sollen Sinterkörper aus gesinterten Nitriden, beispielsweise Siliziumnitrid, Boriden,
Titanaten, insbesondere jedoch oxidkeramischen Platerialien 'verstanden werden,
wie sie als Aluminiumoxidkeramik und Zirkonoxidkeramik am bekanntesten sind.
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Alle diese Materialien werden zunächst zu sogenannten Grünkörpern
geformt, d. h. unter Zusatz bestimmter Bindemittel als Rohling gepresst. sei dem
Sintervorgang schrumpfen diese Grünkörper erheblich. Aluminiumoxid beispielsweise
bei Temperaturen oberhalb 1.500 Grad C gesintert, schwindet im Bereich von 18 bis
23 %. Diese Schrumpfung ist in Ahhängigkeit von der Gestalt der zu sinternden Materialien
nicht überall völlig gleichmäßig, insbesondere dann nicht, wenn unterschiedliche
Wandstarken vorhanden sind. Aus diesem Grunde ist es praktisch unmöglich, beispielsweise
ein exakt passendes Gewinde für eine Maschinenschraube in einen Oxidsinterkörper
direkt einzusintern. Man muß daher so vorgehen, daß das erforderliche Gewinde nachträglich
durch Einschleifen mit diamant-
bestückten Schleifkörpern eingebracht
bzw. nachbearbeitet wird. Ein solch aufwendiges Verfahren ist jedoch für einfache
Körper wie ihn ein Pumpenkolben darstellt aus Preisc3ründen nicht realisierbar.
Der Stand der Technik sah daher vor, Rohre aus Keramik zu sintern, die an beiden
Stirnseiten geschliffen wurden und mittels eines Bolzens auf die Kolbenstange aufgeschraubt
werden konnten. Der Nachteil dieser Konstruktion bestand in der komplizierten Abdichtung,
ohne die ein Lösen des Kolbens nicht möglich ist, da bei Eintreten vor zu pumpender
Flüssigkeit in dem Bereich der Verschraubung dieser Bereich korrodierte und damit
unlösbar wurde.
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Mit dem Einsatz einer Keramikhülse als Kolben, konnte bereits weitgehend
die Anforderung an die Verschleißfestigkeit und chemische Beständigkeit des Kolbens,
sowie Lebensdauer der Manschette, berücksichtigt werden. Schwierigkeiten ergaben
sich jedoch durch die Befestigung dieser Keramikhülse auf der Kolbenstange. In vielen
Fällen korrodierte die Schraube oder vertrug sich nicht mit dem Fördermedium, in
das sie eintaucht. In allen Fällen war es erforderlich, eine Abdichtung gegenüber
der Keramikhülse zu fertigen, die ausgesprochen aufwendig war. Nur durch einen'O-Ring
mit dahinter angeordnetem Führungsring und einer Kupferscheibe konnte gewährleistet
werden, daß die Abdichtung über einen längeren Zeitraum Bestand hatte. Außerdem
mußten beide Stirnseiten
der Keramikhülse plangeschliffen werden,
um ein Zerstören des Kolbens durch beim Verspannen auftretende Biegekräfte zu vermeiden.
Die Anordnung des O-Rings für die Dichtung erforderte zusätzlich das Einschleifen
einer Fase im Eingriffsbereich des O-Ringes in das Keramikrohr, um die Gefahr des
Zerquetschens des O-Ringes bei der Montage zu verhindern. Das Zerquetschen ergab
eine mangelhafte Dichtung, die zur Korrosion innerhalb des Kolbens führte, oder
im Saughub den Kolben durch höheren Innendruck zerstörte. Auch durch das Anbringen
der Fase wurde die Gefahr, daß ein O-Ring bei schneller Montage zerquetscht wurde,
nicht völlig verhindert. Da die Kolben nach einer gewissen Arbeitszeit gelöst werden
müssen, um die verschlissenen Dichtmanschetten, die auf diesem Kolben gleiten, auszuwechseln,
ist es absolut erforderlich, daß die Verbindung zwischen Kolben und Kolbenstange
nicht korrodieren kann, d. h., vom Fördermedium völlig getrennt sein muß.
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Aus der DE-OS 29 39 284 ist ein Verfahren zum Herstellen von Kolben
aus gesinterter Oxidkeramik bekannt, wobei der Kolben beim Pressen des Rohlings
mit einem groben Innenrundgewinde versehen wird und in dieses Rundgewinde nach dem
Sintern und Schleifen des Kolbens ein mit einem dünneren groben Rundgewinde versehener
Metallrohling eingekittet wird. Nach dem Abbinden des Kittes bzw. Klebers wird der
aus dem Kolben hervorstehende Ansatz fertig bearbeitet und mit Gewinde versehen,
so daß der Kolben zentrisch verankert werden kann.
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Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß sich die eingeklebten Verbindungsteile
durch ständig pulsierende Zugdruckwechselbelastung aus der Keramik lösen, was darauf
zurückzuführen ist, daß einmal der Kleber ermü det, ferner kann der Kleber nur begrenzt
höhere Temperaturen vertragen, des weiteren ist es möglich, daß durch unzureichendes
Entfetten des Rohlings Fehler beim Einbringen des Klebers entstehen, d. h., daß
keine Verklebung zwischen Keramikkolben und Rohling auftritt.
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Darüberhinaus kann die Verbindung bei Pumpen im Reaktorbau oder Bergwerkspumpen
nicht angewendet werden1 da hier die Vorspannung der Packungen und Dichtmanschetten
die Scherfestigkeit von verklebten Verbindungen übersteigt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Verbindung
zwischen Kolben und Kolbenstange zu finden, die auch beim Einsatz in korrosiven
und abrasiven Medien noch nach langer Laufzeit lösbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kombination folgender Merkmale:
a) das Sackloch im Kolben weist eine zylindrische Aussenkung auf, die eine ebene
Kreisringfläche bildet, b) hinter der Ereisringfläche ist durch Hinterdrehen ein
Freiraum geschaffen worden,
c) die Kreisringfläche weist mindestens
eine Ausnehmung auf, d) aus dem Sackloch ragt eine sich mit dem Kopf im Freiraum
des Kolbens befindliche Schraube mit ihrem Gewindeteil über die g;reisringfläche
und die Kolbenkopffläche hinaus, e) die Schraube ist mittels einer Mutter, die auf
die KreisringflGche wirkt, mit dem Kolben verbunden.
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Die bereits durch die DE-OS 29 39 284 erreichte Lösung, daß nur noch
der Keramikkolben als solcher mit dem zu pumpenden Medium in Berührung kommt, wobei,
wie immer üblich gewesen, der Kolben durch Manschetten im Zylinderraum abgedichtet
wird, damit keine Flüssigkeit nach außen austritt, somit auch keine Flüssigkeit
in den Bereich des Kolbenkopfes und damit an die Kolbenstange und ihre Verschraubung
gelangen kann, wird jetzt noch durch eine einfache und sichere Befestigungsmöglichkeit
des Kolbens gegenüber dem älteren Vorschlag verbessert. Dadurch, daß das Sackloch
in gewissem Abstand vom Kopf des Kolbens hinterdreht ist, bildet sich am Kolbenkopf
eine ebene Kreisringfläche, die mit einer Ausnehmung versehen ist. Zweckmäßig kann
die Kreisringfläche mit zwei Ausnehmungen versehen sein, die sich gegenüber liegen.
Dadurch ist es möglich, eine hakenkopfförmige Schraube -bei einer Ausnehmung, die
sich vom Sackloch in die Fläche hinein erstreckt - oder eine Hammerkopfschraube
- bei zwei sich gegenüberliegenden Ausnehmungen in der Kreisringfläche - in den
Freiraum einzusetzen und um einen gewissen Winkel zu verdrehen, so daß der Kopf
auf der Rückseite der
Sreisringfläche zur Anlage kommt. Das Gewindeteil
der Schraube steht dabei über die Kreisringfläche hinaus, so daß mit einer Mutter
die Schraube fest mit dem Kolben verbunden werden kann.
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Der Schraubenkopf ist dabei auf seiner, der Kreisringfläche zugewandten
Seite vorteilhafterweise ballig ausgestaltet, so daß die Schraube durch die auf
dem Kolbenkopf aufliegende Mutter ausgerichtet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Kreisringfläche
eine Stärke von lo - 15 mm auf. Bereits durch die Ausführung der Kreisringfläche
mit einer Stärke von lo mm ist gewährleistet, daß Zugkräfte von 2,5 t und mehr übertragen
werden können, d.h., daß das so ausgebildete Verdrängerteil höchsten Belastungen,
auch als Hochdruckpumpe, entspricht.
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Die Kreisringfläche selbst weist zweckmäßig eine Breite von 4 bis
7 mm auf und ist damit relativ schmal.
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Sie dient zur Aufnahme der Mutter, die gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung als Ringmutter ausgeführt ist und die Führung der Schraube, die zweckmäßig
als Hammerkopfschraube mit balliger Unterseite ausgebildet ist, übernimmt. Durch
die Kreisringfläche erfolgt dabei ein axiales Ausrichten der Schraube, durch die
Ringmutter, die in der Aussenkung des Kolbens geführt'wird, das radiale Ausrichten.
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Nach dem Einsetzen der Schraube, die bevorzugt als Hammerkopfschraube
ausgeführt ist, in den Kolben, muß diese ausgerichtet werden, d.h., die Hammerkopfflächen
müssen so gedreht werden, daß sie ungefähr in der Mitte des rückseitigen Teils der
Kreisringfläche zum. Anliegen kommen. Für diese Positionierung
der
Schraube, ist die Schraube mit einem Schlitz versehen, in den ein Schraubendreher
eingeführt werden kann und mit dem sie während des Anziehens der Ringmutter gehalten
wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen den Stand der Technik, die Fig. 4 das komplette,
erfindungsgemäße Verdrängerteil im Teilschnitt, die Fig. 5 eine Schnittansicht gemäß
Ebene V . V in Fig. 4, die Fig. 6 in perspektivischer Explosionsdarstellung und
im teilweisen Schnittaufbruch die einzelnen Bauteile.
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Der Kolben 2 ist mit einem Sackloch 3 versehen, das im Bereich des
Kolbenkopfes eine zylindrische Aussenkung 6 aufweist. Die zylindrische Aus senkung
6 wird durch die Kreisringfläche 12 in ihrer Tiefe begrenzt, hinter welcher der
Freiraum 13 angeordnet ist. Die Schraube 16 wird bei der Montage des Kolbens 2 durch
die Ausnehmungen 14', 14'', die an das Sackloch 3 angrenzen, mit ihrem Kopf 15 in
den Freiraum 13 geführt und hier um 9o Grad gedreht.
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Der Kopf 15 der Schraube 16 liegt damit an den Spannstegen 7, also
der Unterseite der Kreisring; fläche 12 an, die durch die Ausnehmungen 14', 14''
in die beiden kreisförmigen Segmentflächen 28 geteilt ist. Durch Aufschrauben der
Mutter 8 auf den Gewindeteil 17 der Schraube 16, wird ihr Kopf 15 an die kreisringförmigen
Segmentflächen 28 angepreßt.
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ta die unteren, den, kreisringförmigen Segmentflächen 28 zugewandten
Kopfflächen 29 des Schraubenkopfes ballig ausgeführt sind, wird die Lage des Gewinde-
teiles
17 der Schraube nur durch die Mutter 8, die als Ringmutter ausgeführt ist, bestimmt.
Die Mutter 8 ist dabei in der Aussenkung 6 radial geführt, wodurch die Zentrierung
der Schraube 16 erfolgt. Das Ausrichten der Schraube 16 erfolgt durch das Anliegen
der Mutter 8 an der Krcisringfläche 12, also dem Boden der Aussenkung 6.
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Die Höhe der Mutter 8 ist so gewählt, daß sie völlig in der zylindrischen
Aussenkung 6 verschwindet, d.h., daß die Kolbenkopffläche 18 im eingebauten Zustand
der Schraube 16, die Mutter 8 geringfügig überragt.
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Um die Schraube 16 in der gewählten Position zu halten und während
der Montage gegen Verdrehung zu sichern, ist im oberen Bereich des Gewindeteiles
17 der Schraube 16 ein Schlitz 22 eingebracht, der bei der Montage der Schraube
16 im Kolben 2 zur Aufnahme einer Schraubendreherschneide dient. Die als Ringmutter
ausgeführte Mutter 8 ist mit zwei Bohrungen 21 versehen, die beim Anziehen der Mutter
mit einem Stiftschlüssel die Stifte aufnehmen. Das Gewindeteil 17 steht über die
Kolbenkopffläche 18 hinaus und greift in die Kolbenstange 1 ein.
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Wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, unterscheidet sich der Stand
der Technik erheblich vom Anmeldegegenstand. In den Figuren 1 und 2 ist in den Kolben
2 ein Rundgewindestück 19 mittels Kitt 20 eingebracht, wobei dieses Rundgewindestück
19 im Anschluß an das Einkitten mit einem Gewinde 26 zur Aufnahme der Kolbenstange
1 versehen wurde. Das Gewinde 26 kann dabei, wie Fig. 1 zeigt, als Außengewinde
Qder, wie Fig. 2 zeigt, als Innengewinde 26 ausgeführt sein.
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Fig. 3 zeigt die Ausführung des Kolbens 2 als Kolbenhülse, die über
einen Ansatz an der Kolbenstange 1 angeordnet ist und durch eine Sechskantschraube
23, die eine Ausgleichscheibe 24 und einen O-Ring 25 trägt, mit der Kolbenstange
1 fest verbunden wird.
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Der O-Ring 25 dient dabei der Abdichtung des Kolbens 2, d.h., er soll
das Eindringen der Förderflüssigkeit in den Innenraum des Kolbens 2 verhindern.