DE3700587A1 - Verfahren zum zerteilen und zerteiler eines aus einer duese austretenden hochdruckfluessigkeitsstrahls - Google Patents
Verfahren zum zerteilen und zerteiler eines aus einer duese austretenden hochdruckfluessigkeitsstrahlsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen und einen
Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hochdruckflüs
sigkeitsstrahl, insbesondere zur Materialbehandlung, wie zum
Abtragen, Entgraten, Schneiden oder Bohren.
Bearbeitungsverfahren mit Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen sind
unter der Bezeichnung Jet-Cutting bekannt geworden. Durch Anwen
dung hoher Drücke und dadurch erreichbarer sehr hoher Strahlge
schwindigkeiten ist es möglich geworden, Wasser als Werkzeug nicht
nur zum Abbau von Kohle oder zur Bearbeitung von Gesteinen, son
dern auch in der Metallbearbeitung, z. B. zum Entgraten von Guß
stücken einzusetzen. Außerdem werden Hochdruckwasserstrahlen für
die Bearbeitung von Holz, Textilien und Kunststoffen eingesetzt.
Die bisherigen Hochdruckwasserstrahlanlagen arbeiten mit kontinu
ierlich aus der Düse austretenden Strahlen.
Es ist andererseits schon bekannt, insbesondere bei Reinigungsan
lagen, mit pulsierendem oder moduliertem Wasserstrahl zu arbeiten.
Derartige Anlagen sind entweder raumaufwendig, da sie einen Fremd
antrieb benötigen, so daß sie z. B. nicht in engen Rohren, z. B.
zum Entgraten, einsetzbar sind, oder sie sind zum Hochdruckan
schluß nicht geeignet, da bei ihnen Flüssigkeitsschläge auftreten
können, durch die eine Schädigung der Hochdruckpumpe eintreten kann.
Außerdem ist mit den bekannten Anlagen eine gesteuerte Zerteilung
eines Strahles ohne Änderung der Durchflußmenge nicht möglich, und
schließlich kann man mit bekannten Anlagen, insbesondere, wenn der
Zerteiler vor der Düse angeordnet ist, nicht dicht genug an das zu
behandelnde Werkstück herankommen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch Steigerung der Strahl
dynamik zu höherer Abtragsleistung bei gleicher Pumpenleistung
zu kommen, ggfs. bei geringeren Drücken und bei geringerer Förder
menge.
Die zur Lösung der gestellten Aufgabe wesentlichen Merkmale sind
im Patentanspruch 1 genannt. Die Unteransprüche nennen Ausführungs
arten der Erfindung.
Nach der Erfindung wird die verbesserte Wirkung dadurch erreicht,
daß beim Aufschlag eines zerteilten Flüssigkeitsstrahles auf eine
Oberfläche innerhalb von Mikrosekunden Stoßbelastungen auftreten,
die um ein Vielfaches höher sind als der Staudruck eines kontinu
ierlichen Strahls. Nach der Erfindung wird, ohne den Strahl inner
halb der Düse zu unterbrechen, durch das Zerteilen aufgrund der
Relativgeschwindigkeit der einzelnen Strahlteile in einem gewissen
Abstand vor der Düse ein voll unterbrochener Strahl, also eine Auf
teilung in Tropfen, erreicht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
die langsamen Strahlteile von den schnelleren eingeholt werden.
Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß bereits im Bereich des
sich unmittelbar an die Düse anschließenden Strahlkerns statt einer
konstanten Geschwindigkeit die zur Tropfenbildung führenden unter
schiedlichen Strahlgeschwindigkeiten auftreten, wodurch die sonst
statische Belastung der zu behandelnden Oberfläche in eine dynamische
verwandelt wird.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsformen des neuen Zerteilers. In
Fig. 1 einen mit einem Motor arbeitenden Zerteiler im Längsschnitt, in
Fig. 2 einen mit einem Kolben arbeitenden Zerteiler im Längsschnitt,
und in
Fig. 3 einen weiteren mit einem Kolben arbeitenden Zerteiler zum
Anschluß an eine Hochdruckspritzpistole im Längsschnitt, in
Fig. 4 und 5 eine Variante des Motors nach Fig. 1 im Längs- und Quer
schnitt und in
Fig. 6 und 7 eine Ausführungsform eines Laminators im Längs- und
Querschnitt.
Die Funktion des Zerteilers nach Fig. 1 ist folgendermaßen:
Die von einer Pumpe geförderte Flüssigkeit gelangt über den
Anschluß 6 in das Innere des Strahlzerteilers. Von einem Sam
melraum 8 strömt es durch die Bohrungen 5 a eines Leitkörpers 5
und wird tagential auf die Oberfläche eines zylindrischen Rotors
3 geleitet. Mehrere Bohrungen 3 a in diesem führen das mit hoher
Geschwindigkeit um den Rotor rotierende Wasser in den axialen
Mittelkanal 3 b des Rotors 3. Hierdurch wird der Drall der Flüs
sigkeit auf den Rotor 3 übertragen und dieser somit auf eine hohe
Drehgeschwindigkeit beschleunigt. Der Mittelkanal 3 b des Rotors 3
gabelt sich strömungsabwärts in drei Zweigkanäle 3 c. Versetzt zur
Mittelachse des Rotors 3 befindet sich im Gehäuse 2 die Ausfluß
bohrung 2 a mit der Düse 1. Bedingt durch die Rotation des Rotors 3
passieren die drei Zweigkanäle (3 c) den Eintritt in die Ausfluß
bohrung (2 a) und versperren hierbei periodisch teilweise den Boh
rungsquerschnitt. Hierdurch wird eine Zerteilung des aus der Düse
austretenden Stahles bewirkt. Ein positiver Effekt der immer nur
teilweise geschlossenen Ausflußbohrung (2 a) ist, daß der Rotor (3)
in jeder Position anlaufen kann. Da stets ein Flüssigkeitsdurch
fluß möglich ist, und damit ein Rotor-Drehmoment zur Verfügung
steht.
Die Rotordrehzahl und damit die Strahlfrequenz ist dadurch zu beein
flussen, daß ein Teil der Flüssigkeit nicht durch den Leitkörper,
sondern durch den Mittelkanal 3 b in entgegengesetzter Richtung
über ein Bypass-Ventil 9 in den Sammelraum 8 zurückfließt. Je mehr
Flüssigkeit - durch das Bypass-Ventil 9 gesteuert - anteilig durch
den drehzahlneutralen Mittelkanal fließt, desto geringer ist die -
Rotordrehzahl bzw. die Strahlfrequenz. Statt drei Zweigkanäle 3 c
können auch mehrere Zweigkanäle im Rotor angeordnet sein. Die Strahl
frequenz läßt sich aus der Anzahl der Zweigkanäle multipliziert mit
der Rotordrehzahl errechnen.
Das Gehäuse besteht aus dem linken Teil 2, an dem die Ausflußbohrung
2 a und die Düse 1 angeordnet ist sowie aus dem rechten Teil 4, das
eine Stopfbuchs-gedichtete Durchführung für das Bypass-Ventil 9 trägt.
Die gesamte Konstruktion wird nach außen hin mit O-Ringen gedich
tet. Die nötige Anpreßkraft wird auf jeder Seite durch mindestens
vier Zylinderschrauben erzeugt, wie in der Fig. lediglich durch
strichpunktierte Linien angedeutet. Der Leitkörper 5 übernimmt
die Zentrierung der beiden Gehäuseteile. Die Lagerung des Rotors
3 erfolgt in dem Leitkörper und dem linken Gehäuseteil 2. Die
Rotorlagerung erfolgt über wassergeschmierte Gleitlager.
Das der Strömungsquerschnitt zwischen Düse und Pumpe niemals voll
ständig unterbrochen wird, kann es nicht zu gefürchteten Flüssig
keitsschlägen in der Leitung und evtl. rückwirkend bis zur Pumpe
mit den daraus resultierenden möglichen Schädigungen kommen. In
folge der Strahlzerteilung mit Hilfe der Energie des unter hohem
Druck zugeführten Wassers erübrigen sich aufwendige Dichtungs
systeme, die nötig wären, um eine externe Antriebsleistung in die
Hochdruckseite des Zerteilers einzubringen. Solche externe Antriebe
stellen eine Komplizierung des Zerteilers und damit eine potentielle
Fehlerquelle dar.
Der Kolbenstrahlzerteiler nach Fig. 2 hat ein in drei Teile 2, 4,
5 gegliedertes Gehäuse. Das linke Gehäuseteil 2 enthält den Druck
wasseranschluß 6, den Ventilsitz 2 b und die Düse 1 und zwischen
Ventilsitz 2 b und Düse den Anschluß 2 c einer Druckrückführleitung
7. Das mittlere Gehäuseteil 4 dient als Leitkörper 5, der Führung
des Kolbens 3 und der Anordnung von Dichtelementen. Das rechte Ge
häuseteil 4 schließt den hinteren Druckraum 10 ein und enthält den
hinteren Anschluß 4 b der Druckrückführleitung 7. Die Gehäuseteile
sind mittels O-Ringen gegeneinander abgedichtet und mit je mehreren
M 8 Zylinderschrauben gegeneinander verschraubt. Der Kolben 3 ist
als Stufenkolben ausgeführt. An seiner linken Seite ist ein Ventil
kegel 3 a ausgebildet. Die vordere - gegen die hintere Fläche abge
dichtete - Fläche ist kleiner als die hintere Fläche. Die Abdichtung
zwischen den beiden Kolbenflächen erfolgt durch Lippendichtung, z. B.
aus einem gebogenen Hochdruckrohr oder Schlauch. Ihr Anschluß an das
Gehäuse erfolgt über Schneidringverschraubungen.
Die Wirkung dieses Zerteilers ist folgendermaßen:
Durch den seitlichen Druckmittelanschluß 6 tritt die Hochdruck
flüssigkeit in das linke Gehäuseteil 2 ein. Setzt man als Aus
gangsstellung ein geöffnetes Ventil 2 b, 3 a voraus, strömt die
Flüssigkeit zur Düse 1 und tritt dort aus. Zwischen Ventil und
Düse befindet sich in einem spitzen Winkel gegen die Strömungs
richtung die Abzweigbohrung 2 c zur Druckrückführleitung 7. Durch
diese pflanzt sich der Flüssigkeitsdruck zur rückseitigen Fläche
des Stufenkolbens 3 fort. Bedingt durch die hintere, größere
hydraulisch wirksame Fläche wird eine Kraft in Schließrichtung
des Kolbens 3 wirken. Überwindet diese Kraft die Reibwiderstände
der Dichtungen, so beginnt sich der Kolben zu schließen. Ist das
Ventil geschlossen, so kann sich der hintere Druckraum 10 über die
Düse 1 entlasten. Der Flüssigkeitsdruck wirkt nur noch auf die
vordere kleinere Fläche des Kolbens, verringert durch die wirksame
Ventilfläche. Ein Öffnungsvorgang des Kolbens ist die Folge und der
Zyklus beginnt von neuem. Um die Frequenz dieses Schwingsystems zu
erhöhen und aus Gewichtsgründen kann der Kolben von seinem hinteren
Ende aus hohl gebohrt sein.
Bei dem Kolbenzerteiler nach Fig. 3 kann der Hochdruckanschluß 6
an einen Pistolennippel 14 einer Hochdruckpistole angeschlossen
werden. Das Gehäuse besteht aus zwei Drehteilen 2, 4, die miteinan
der durch Außengewinde im linken und Innengewinde im rechten Teil
verschraubt sind. Die Gewindesicherung kann über ein übliches flüs
sig aufzubringendes Sicherungsmittel erfolgen. Auch bei diesem Zer
teiler ist steuerndes Element der als Stufenkolben ausgebildete
Kolben 3, der zwischen zwei Positionen schwingen soll. Eine Posi
tion ist die Freigabe der Durchströmung, die andere Position die
Verriegelung der Durchströmung. Die Hochdruckflüssigkeit strömt
durch den Pistolennippel 14 und den als Dichtkörper ausgebildeten
Hochdruckanschluß 6 auf den Dichtkegel 3 a des Kolbens 3 und schickt
diesen zurück. Durch z. B. vier Bohrungen 3 b hinter dem Dichtkegel
gelangt die Flüssigkeit in das Innere des hohlgebohrten Kolbens 3
und kann direkt zur Düse 1 strömen. Sobald sich ein genügend hoher
Flüssigkeitsdruck auf der düsenwärtigen Seite des Stufenkolbens
aufgebaut hat, überwiegt infolge der hier größeren hydrau
lischen Fläche die den Kolben schließende Kraft, die öffnende
Kraft. Die Abgrenzung der hydraulisch wirksamen Flächen gegen
einander erfolgt durch Hochdruckdichtungen. Der Raum zwischen
den Dichtungen ist drucklos. Infolge der angreifenden Kraft er
fährt der Kolben 3 eine Beschleunigung gegen die Richtung der
Strömung. Jetzt nimmt der Durchfluß durch den Ventilspalt 3 b
und damit der Druck auf die rückwärtige Kolbenfläche ab, und der
Kolben wird durch den höheren Druck auf der Anströmseite wieder
nach links verschoben. Es stellt sich also ein Oszillationsvorgang
des Kolbens ein. Dabei schließt das Ventil nicht vollständig. Die
Schwingung muß nur für eine entsprechend starke zeitliche Abdros
selung der Strömung sorgen. Es wird dann der gleiche Effekt wie
bei dem Zerteiler mit Rotor nach Fig. 1 erreicht. Der Stufenkolben
3 nach Fig. 3 ist zwischen Dichtungen in dem aus Stützringen 5 c und
einer Zentrierhülse 5 b gebildeten, ggfs. auch als einziges Bauteil
kontruierten, Leitkörper gelagert. Die Dichtungen sind durch die
Stützringe 5 c gesichert. Diese stützen sich durch Verschrauben gegen
die Zentrierhülse 5 b. Die Zentrierhülse 5 b und das linke Gehäuseteil
2 ist mit Entlastungsbohrungen versehen, die verhindern sollen, daß
sich zwischen den Höchstdruckdichtungen ein Druck aufbaut.
Bei dem gegenüber Fig. 1 abgewandelten Rotor nach Fig. 4 und 5 sind
statt tangentialer Durchtrittskanäle kreuzweise angeordnete Rippen 15
vorgesehen, durch die die Drehung des Rotors bewirkt wird.
In Fig. 6 und 7 ist eine Ausführungsform des in Fig. 2 mit Bezugs
zeichen 11 angedeuteten Laminators dargestellt.
Die neuen Zerteiler haben sich insbesondere bei geringen Düsenab
ständen vom zu behandelnden Werkstück bewährt. Bei dem Rotorzerteiler
wurde eine optimale Wirkung bei Anwendung einer Düse von 2,8 mm Durch
messer und Drücken im Bereich bis 400 bar etwa bei einem Düsenabstand
vom Werkstück von 150 mm erreicht. Es waren aber auch Düsenabstände
zwischen 60 und 500 mm möglich. Je nach Wahl dieser Parameter ändert
sich die Zeit, in der eine Bestrahlung erfolgen muß.
Bei einem Kolbenstrahlzerteiler mit einer Düse von 2 mm Durch
messer ergaben sich bei 400 bar-Drücken die besten Ergebnisse
bei geringstem Abstand vom Werkstück. Die einzelnen Parameter
sind selbstverständlich den zu bearbeitenden Materialien wie Beton,
Aluminium, PVC oder PMMA anzupassen.
Claims (11)
1. Verfahren zum Zerteilen eines aus einer Düse austretenden
Hochdruckflüssigkeitsstrahles, insbesondere zur Materialbe
handlung, wie Abtragen, Entgraten, Schneiden oder Bohren,
dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Querschnitt vor
der Düse ohne Unterbrechung des Querschnitts zwischen Düse
und Hochdruckpumpe, ggfs. mit einstellbarer Frequenz, peri
odisch um ein - je nach Pumpendruck und Düsenquerschnitt
und Abstand von dem zu behandelnden Material - vorbestimmtes
Maß allein mit Hilfe der Energie der zugeführten Flüssig
keit abgedrosselt und wieder erweitert wird.
2. Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hochdruck
flüssigkeitsstrahl zum Ausführen des Verfahrens nach An
spruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:
- a) ein Gehäuse (2, 4) weist an einer Seite einen in einen zentrischen Sammelraum (8) mündenden Hochdruckanschluß (6) und an der gegenüberliegenden Seite eine mit einer Düse (1) ausgerüstete Ausflußbohrung (2 a) auf.
- b) Im Sammelraum (8) befindet sich ein im Gehäuse (2, 4) fest eingebauter, im wesentlichen zylindrischer, Leit körper (5), in dem ein einen zentrischen Mittelkanal (3 b) aufweisender Rotor (3) drehbar gelagert ist.
- c) Der Mittelkanal (3 b) ist über vorzugsweise tangentiale Bohrungen (3 a) im Rotor und tangentiale Bohrungen (5 a) im Leitkörper (5) mit dem Sammelraum (8) und über min destens drei sich an den Mittelkanal (3 b) anschließende Zweigkanäle (3 c) mit der versetzt zur Achse des Rotors (3) angeordneten Eintrittsöffnung der Ausflußbohrung (2 a) verbunden.
- d) Die Anordnung und Öffnungsweite der Zweigkanäle (3 c) ist so auf die Lage und Öffnungsweite der Eintritts öffnung der Ausflußbohrung (2 a) abgestimmt, daß sie bei Drehung des Rotors (3) periodisch nur teilweise abgedrosselt und wieder erweitert wird (Fig. 1).
3. Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hochdruck
flüssigkeitsstrahl zum Ausführen des Verfahrens nach An
spruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:
- a) Ein Gehäuse (2, 4, 5) weist an einer Seite einen in einen zentrischen Sammelraum (8), vorzugsweise tan gential, mündenden Hochdruckanschluß (6) und an einer Seite eine mit einer Düse (1) ausgerüstete Ausfluß bohrung (2 a) auf.
- b) Zwischen dem düsenseitig im Gehäuse angeordneten Sam melraum (8) und einem hinten im Gehäuse angeordneten Druckraum (10) ist in einem vorzugsweise als Gehäuse mittelteil ausgebildeten Leitkörper (5) ein Kolben (3) axial verschiebbar gelagert, der mit einem Ventil kegel (3 d) einem Ventilsitz (2 b) vor der Eintritts öffnung in die Ausflußbohrung (2 a) zugeordnet ist.
- c) Der Sammelraum (8) steht im Bereich der Ausflußbohrung (2 a) über eine Druckrückführleitung (7), vorzugsweise einen Schlauch, mit dem Druckraum (10) in offener Verbindung.
- d) Die in den Druckraum (10) ragende Fläche des Kolbens (3) ist größer als die in den Sammelraum (8) ragende Fläche dieses Kolbens (3). (Fig. 2)
4. Zerteiler für einen aus einer Düse austretenden Hoch
druckflüssigkeitsstrahl zur Ausführung des Verfahrens
nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:
- a) Ein Gehäuse (2, 4) weist an einer Seite einen in einen zentrischen Sammelraum (8) mündenden Hochdruckanschluß (6) und an einer Seite eine mit einer Düse (1) ausge rüstete Ausflußbohrung (2 a) auf.
- b) Zwischen einem düsenseitig im Gehäuse (2, 4) angeordne ten Druckraum (10) und dem hinten im Gehäuse angeordne ten Sammelraum (8), in den zentrisch der Hochdruckan schluß (6) mündet, ist in einem Leitkörper (5 b, 5 c) ein Steuerkolben (3) im Gehäuse (2, 4) axial verschiebbar gelagert, der mit einem Ventilkegel (3 d) einem Ventil sitz (6 a) vor der Eintrittsöffnung des Hochdruckanschlus ses (6) zugeordnet ist.
- c) Der Sammelraum (8) steht über Bohrungen (3 a) im Kolben (3) und über dessen hohlen Innenraum mit dem Druckraum (10) in offener Verbindung.
- d) Die in den Druckraum (10) ragende Fläche des Kolbens (3) ist größer als die in den Sammelraum (8) ragende Fläche dieses Kolbens (3). (Fig. 3)
5. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet
durch ein zweiteiliges oder mehrteiliges Gehäuse (2, 4) bzw.
(2, 4, 5) und abgedichtete Halterung des Leitkörpers (5)
bzw. (5 b, 5 c) zwischen den Gehäuseteilen.
6. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet
durch eine schwimmende Flüssigkeitslagerung, vorzugsweise
im Gleitlager, des Motors (3) bzw. Kolbens (3) im Leitkör
per (5) und in einem Gehäuseteil.
7. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 6, gekenn
zeichnet durch eine Verbindung des Mittelkanals (3 b) über
ein Bypassventil (9) mit dem Sammelraum (8).
8. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 oder 5 bis 7, gekenn
zeichnet durch eine Axiallagerung des Rotors 3 mittels einer
stirnseitig in ihn eingepreßten, vorzugsweise an ihrer
Auflageseite abgeplatteten Stahlkugel, die an einer in der
ihr gegenüberliegenden Wand des unteren Gehäuseteils (2)
eingesetzten Graphitplatte abgestützt ist und/oder durch
radiale keilförmige Rinnen in der stirnseitigen Auflage
fläche des Rotors (3).
9. Zerteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet
durch einen Laminator (11) in der Ausflußbohrung (2 a)
zwischen deren Eintrittsöffnung und der Düse, vorzugsweise
als in seiner Längsrichtung mehrfach durchbohrter Zylinder.
10. Zerteiler nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet
durch Ausbildung des Kolbens (3) als Hohlkörper.
11. Zerteiler nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet
durch eine Druckentlastungsbohrung (12) zwischen den
Lagern (13) des Kolbens (3).
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DE19873700587 DE3700587A1 (de) | 1987-01-10 | 1987-01-10 | Verfahren zum zerteilen und zerteiler eines aus einer duese austretenden hochdruckfluessigkeitsstrahls |
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DE19873700587 Withdrawn DE3700587A1 (de) | 1987-01-10 | 1987-01-10 | Verfahren zum zerteilen und zerteiler eines aus einer duese austretenden hochdruckfluessigkeitsstrahls |
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1987
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