DE3806931C2 - Drehdurchführung zur Übertragung von unter Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil - Google Patents
Drehdurchführung zur Übertragung von unter Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes MaschinenteilInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehdurchführung zur Übertragung von unter
Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil wobei
die Welle eine axiale und eine sich daran anschließende radiale Bohrung aufweist,
die in einen Ringkanal eines mit Zuführbohrungen für das Medium versehenen
Buchse mündet, wobei diese Buchse zwischen Gehäuse und Welle angeordnet
ist und gegenüber dem Gehäuse mit elastischen Dichtungen abgedichtet ist,
wobei die Buchse zwischen Gehäuse und Welle radial verschiebbar ist und der Spalt
zwischen Gehäuse und Buchse durch die elastischen Dichtelemente überbrückt
wird.
Bei den bisher bekannten Drehdurchführungen handelt es sich um sog. starre Systeme,
d.h. um Systeme bei denen der Funktionsspalt zwischen dem stehenden und
rotierenden Teil bezüglich Lage und Größe ausschließlich von der Fertigungsgenauigkeit
abhängt. Es findet somit keine Anpassung an fertigungsbedingte und betriebsparameterbedingte
Form- und Lageabweichungen der Funktionsspalte zwischen Gehäuse
und Welle statt.
Um die hydraulischen Verluste bei den bekannten Systemen in akzeptablen Größen
zu halten, sind in der Regel zwischen den gegeneinander bewegten Teilen Spalte in
einer Größenordnung von 5 bis 10 µm notwendig. Diese Größenordnung liegt aber
bereits unterhalb normaler Lagerspiele d.h., daß es ohne weiteres toleranz- oder
thermischbedingt zu einer mechanischen Berührung und somit bei hohen Drehzahlen
zu schnellem Verschleiß oder zum Fressen zwischen dem stehenden und dem
rotierenden Bauteil kommen kann.
Diese Gefahr ist insbesondere dann gegeben, wenn z.B. ein schnelles Hochlaufen
auf die Nenndrehzahl verlangt wird. In diesem Fall kann es infolge ungleichmäßiger
thermischer Ausdehnung von Buchse und Welle in kürzester Zeit zum "Zuwachsen"
der Funktionsspalte und damit zum Blockieren der Drehdurchführung kommen. Ein
derartiger Ausfall des Gesamtsystems mit den dadurch entstandenen wirtschaftlichen
Folgen birgt zudem noch eine erhebliche Unfallgefahr, da Schläuche, Verbindungsleitungen
usw. abgerissen werden können. Aus Sicherheitsgründen ist man in
vielen Fällen deshalb gezwungen die Spalthöhen so zu vergrößern, daß Fertigungstoleranzen
und kurzzeitige thermische Effekte nicht zum Berühren der rotierenden
mit den stehenden Bauteilen führen können. Die aus den großen Spalthöhen resultierenden
hohen Leckagen - und damit hohen hydraulischen Verlusten sind aber andererseits
unwirtschaftlich und führen zu einer erheblichen Kostenbelastung.
In der CH-PS 4 83 584 ist eine Drehdurchführung beschrieben, bei welcher eine
Ausgleichseinrichtung vorgesehen ist, die die nach außen gerichteten radialen Kräfte
ausgleichen soll, die während der Übertragung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit
auftreten. Verhindert werden sollen hierdurch vermehrte Leckagen, die sonst
eine überhöhte Pumpenkapazität erfordern würden. Bei dieser bekannten Drehdurchführung
ist es aber von Nachteil, daß das Durchführungssystem gleichzeitig
als Lagerung für die Welle dient. Die Lagereinheit, z.B. bestehend aus Gehäuse und
Buchse, muß deshalb in sich starr und ortsfest in bezug auf die Wellenachse sein.
Die angestrebte Ausgleichseinrichtung ermöglicht somit lediglich ein ausweichen
der Welle innerhalb der Dichtspalte. Es ist weiterhin bei diesem System von großem
Nachteil, daß beim Auftreten fertigungs- oder funktionsbedingter größerer Verlagerungen
der Welle die Gefahr besteht, daß dies zum Anlaufen und zur Beschädigung
der Dicht- und Lagerspalte führen kann, ggf. sogar zum Festfressen.
Des weiteren offenbart die DE-PS 30 31 805 eine Drehdurchführung zur Übertragung
von unter Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes
Maschinenteil mit einer zwischen Gehäuse und Welle radial verschiebbaren Buchse
(Hülse). Der Spalt zwischen Gehäuse und Buchse wird durch elastische Dichtelemente
überbrückt. Durch diese Maßnahme soll eine sichere Überbrückung von Vibrationen
zwischen den beweglichen Elementen als auch eine optimale Abdichtung
der Medium-Überleitungsstellen gewährleistet werden. Nachteilig ist jedoch bei
dieser Drehdurchführung, daß aus hydrostatischen Gründen zwischen der zylindr.
Welle und der zylindr. Hülse keinerlei zentrierende Kräfte auftreten.
Dies bedeutet für die Drehdurchführung nach DE-PS 30 31 805, daß bei den ausgewiesenen engen Spalten, gepaart mit Form- und Lagerungsfehlern, ein mechanischer
und somit Verschleiß verursachender Kontakt unvermeidbar ist. Dies insbesondere
im Bereich der Relativbewegung zwischen der nach außen hin elastisch
gelagerten Hülse und der rotierenden Welle.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Drehdurchführung mit Radialspalt so zu
verbessern, daß diese bei allen Betriebsbedingungen d.h., bei hohen Drehzahlen und
gleichzeitig hohen Drücken absolut betriebssicher arbeitet und zudem geringste
Leckagen aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die elastischen
Dichtelemente der zwischen Gehäuse und Welle befindlichen Buchse in an sich bekannter
Weise in Abstand voneinander in Ringnuten der Buchse angeordnet sind,
wobei der Abstand der Ringnuten zur zentralen ringförmigen Zuführungsnut sowie
deren Breite und Tiefe so zueinander bemessen sind, daß sich unter dem Druck des
zu übertragenen Mediums die Buchse derart verformt, daß seine Zylindermantelflächen,
die die Gleitflächen der Buchse darstellen, so zu Kegelmantelflächen verformen,
daß der große Durchmesser des so gebildeten Kegels zur Druckseite und der
kleine Durchmesser des Kegels zur druckabgewandten Seite hinweist.
Durch diese einfachen Maßnahmen werden in vorteilhafter Weise die Forderungen
bei Drehdurchführungen nach möglichst engen Dichtspalten und daraus resultierenden
kleinen Leckagen sowie bei gleichzeitiger Sicherheit gegen Anlaufen und Festfressen
erfüllt.
Die elastischen Dichtelemente sind in an sich bekannter Weise in Abstand voneinander
angeordnet und die Buchse mit einer mittig angeordneten Ringnut für die Zuführung
des Druckmediums versehen. Lage und Abmessung der zentralen Ringnut
bzw. Zuführungsnut sind in vorteilhafter Weise so aufeinander abgestimmt, daß sich
die im drucklosen Zustand zylindrische Gleitfläche der Buchse unter Druck zu Kegelmantelflächen
verformt. Diese druckabhängige Verformung führt zu konischen,
zur Leckseite hin kleiner werdenden Spalten. Hierdurch entsteht eine zusätzliche
stabilisierende hydrostatische Führungskraft zwischen Welle und Buchse.
Im Rahmen der Erfindung ist es von Vorteil, daß Lagerfunktion und Übertragungsfunktion
voneinander getrennt sind. Die Lagerung kann somit optimal und funktionssicher
ausgelegt werden und die "schwimmende" Buchse kann engste Dichtspalte
aufweisen, ohne die Funktionssicherheit im geringsten zu beeinträchtigen.
Eine derart "weich" bzw. "schwimmend" gelagerten Übertragungsbuchse kann
somit vorhandene Lagerspiele und Fertigungstoleranzen zur jeweiligen Lage der
Welle ausgleichen. Kommt es infolge von Lageabweichungen zur einseitigen mechanischen
Berührung zwischen Welle und Buchse, so kann die Anpreßkraft nie
größer sein als die Vorspannkraft der elastischen Dichtelemente, d.h. die Anpreßkraft
ist entsprechend gering.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß bei einem beispielsweise verschmutzten
Druckmedium die Buchse radial ausweichen kann und sich somit der Spalt einseitig
in seiner Höhe verdoppelt. Schmutzpartikel werden hierdurch, ohne größeren Schaden
anrichten zu können, vollständig aus diesem Bereich herausgespült. Sollte es
trotzdem, z.B. durch grobe Verschmutzungen, zu einem Klemmen zwischen Welle
und Buchse kommen, so erfolgt eine Mitnahme der Buchse von der Welle und die
Relativbewegung erfolgt ausschließlich zwischen Buchse und Gehäuse im Bereich
der Dichtungen. Das auf das Gehäuse wirkende Reaktionsmoment kann somit nie
größer sein, als das über die Dichtung übertragbare Reibmoment. Diese Reibmomente
sind aber so gering, daß es nie zu einem Mitdrehen des Gehäuses und zum
Abreißen von Verbindungsleitungen kommen kann.
Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, die Welle mit einem schlecht wärmeleitenden
Werkstoff zu beschichten. Diese Beschichtung hat den Vorteil, wirksam
zu verhindern, daß die Welle aufgrund von Erwärmung schneller radial "wächst" als
die Buchse. Selbst dann, wenn kleinste Spalte zwischen Buchse und Welle vorgesehen
sind, ist ein Blockieren aufgrund thermischer Vorgänge ausgeschlossen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Drehdurchführung gemäß der Erfindung im Schnitt
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches "X" gem. Fig. 1
Wie die Zeichnung zeigt, ist ein feststehendes Gehäuse 1 mittels eines Kugel
lagers 2, 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert. Zwischen dem Gehäuse 1 und
der Welle 4 ist eine Buchse 5 angeordnet. Das Gehäuse 1 weist eine Anschluß
bohrung 6 als Anschluß und Zufuhr für das Medium auf. Die Anschlußbohrung 6
korrespondiert mit entsprechenden radial angeordneten Zuführungsbohrungen 7,
die in der zentralen Zuführungsnut 8 der Buchse 5, ausgebildet sind. Die
Welle 4 weist eine axiale Verbraucherleitung 9 mit radialen Bohrungen 10
auf, die wiederum mit der Anschlußbohrung 6 sowie den Zuführungsbohrungen 7
in Verbindung stehen. Wie die Zeichnung zeigt, sind zur Überbrückung des
Spaltes "S" zwischen Buchse 5 und Gehäuse 1 Dichtelemente 11 vorgesehen,
die in Ringnuten 12 angeordnet sind. Zwischen den Ringnuten 12 liegt
wiederum die bereits erwähnte ringförmig ausgebildete Zuführungsnut 8
für das Druckmedium. Die harte, schlecht wärmeleitende Beschichtung der
Welle 4 ist mit 13 bezeichnet.
Funktions- und Arbeitsweise der Drehdurchführung mit schwimmender Buchse
ist wie folgt:
Eingeleitet durch die Anschlußbohrungen 6 gelangt das Medium durch die
ringförmige Zuführungsnut 8 und die radialen Zuführungsbohrungen 7 der
Buchse 5 in die axiale Verbraucherleitung 9 und von dort zu einem (nicht
dargestellten) Verbraucher. Hierbei gelangt auch ausreichend Medium,
beispielsweise Drucköl, in den Spalt 14 zwischen die gegeneinander be
wegten Teile d.h., zwischen Beschichtung 13 der Welle 4 und der Buchse 5.
Bedingt durch den Spalt "S" und der ihn überbrückenden elastischen Dicht
elemente 11 ist die Buchse 5 somit aufgrund der elastischen oder "schwimmenden"
Aufhängung bzw. Lagerung jederzeit in der Lage, sich fertigungs- und
funktionsbedingten Verlagerungen anzupassen, ohne daß es zu einer Be
rührung zwischen Welle 4 und Buchse 5 kommt. Der Spalt 14 zwischen Welle 4
und Buchse 5 ist somit immer vorhanden. Die elastische Lagerung der Buchse 5
im Gehäuse 1 ist also derart, daß selbst bei radialen Verlagerungen die Rück
stellkräfte der elastischen Dichtungen 11 kleiner sind, als die hydro
statischen und hydrodynamischen Führungskräfte im Dichtspalt 14.
Um zu verhindern, daß die Welle 4 aufgrund von Erwärmung schneller "wächst"
als die Buchse 5 ist die Welle 4 mit einer Beschichtung 13 aus einem harten
schlecht wärmeleitenden Werkstoff z.B. Keramik versehen. Etwaige thermische
Vorgänge die zu einer Beeinflussung der Funktionssicherheit des Gesamt
systems führen könnten, werden somit doppelt ausgeglichen d.h., einmal
durch die Wahl der Beschichtung 13 und zum anderen durch die elastische
bzw. "schwimmende" Lagerung der Buchse 5. Die elastischen Dichtelemente 11
reduzieren gleichzeitig die Wärmeabfuhr von Buchse 5 zum Gehäuse 1.
Um druckabhängig die hydrostatische Führungskraft zwischen Welle 4 und
Buchse 5 zu vergrößern kann die Anordnung der Dichtelemente 11 und
Ausbildung und Anordnung der Zuführungsnut 8 so gewählt werden, daß es
zu einer druckabhängigen Verformung der Dichtflächen bzw. Zylindermantel
fläche 15 kommen kann. Diese Verformung zeigt Fig. 2 im vergrößerten
Bereich "X" gem. Fig. 1. Der Abstand a der Ringnuten 12 zur zentralen
Zuführungsnut 8 sowie deren Breite b und Tiefe t sind zueinander so
bemessen, daß es druckbedingt zu einer Verformung der Zylindermantel
fläche 15 (Fig. 1), zu Kegelmantelflächen 16 kommen kann. Die Verformung
ist derart, daß sich die Kegelmantelflächen 16 so bilden, daß der große
Durchmesser des Kegels zur Druckseite hinweist und der kleine Durchmesser
des Kegels zur druckabgewandten Seite.
Selbstverständlich ist es auch möglich, im Unterschied zu den Ausführungs
formen gem. Fig. 1 und 2, die Ringnuten und die elastischen Dichtungen
im Gehäuse vorzusehen.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 Kugellager
3 Kugellager
4 Welle
5 Buchse
6 Anschlußbohrung
7 Zuführungsbohrungen
8 Zuführungsnut
9 Verbraucherleitung
10 Bohrungen
11 Dichtelemente
12 Ringnuten
13 Beschichtung
14 Spalt
15 Zylindermantelfläche
16 Kegelmantelfläche
"S" Spalt
2 Kugellager
3 Kugellager
4 Welle
5 Buchse
6 Anschlußbohrung
7 Zuführungsbohrungen
8 Zuführungsnut
9 Verbraucherleitung
10 Bohrungen
11 Dichtelemente
12 Ringnuten
13 Beschichtung
14 Spalt
15 Zylindermantelfläche
16 Kegelmantelfläche
"S" Spalt
Claims (2)
1. Drehdurchführung zur Übertragung von unter Druck stehenden Medien von einem
stehenden in ein rotierendes Maschinenteil, wobei die Welle (4) eine axiale (9) und
eine sich daran anschließende radiale Bohrung (10) aufweist, die in einen Ringkanal
eines mit Zuführungsbohrungen (7) für das Medium versehenen Buchse (5) mündet,
wobei diese Buchse (5) zwischen Gehäuse (1) und Welle (4) angeordnet ist und gegenüber
dem Gehäuse (1) mit elastischen Dichtungen (11) abgedichtet ist, wobei die
Buchse (5) zwischen Gehäuse (1) und Welle (4) radial verschiebbar ist und der
Spalt zwischen Gehäuse (1) und Buchse (5) durch die elastischen Dichtelemente
(11) überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Dichtelemente
(11) der zwischen Gehäuse (1) und Welle (4) befindlichen Buchse (5) in an sich bekannter
Weise in Abstand voneinander in Ringnuten (12) der Buchse (5) angeordnet
sind, wobei der Abstand (a) der Ringnuten (12) zur zentralen ringförmigen Zuführungsnut
(8) sowie deren Breite (b) und Tiefe (t) so zueinander bemessen sind, daß
sich unter dem Druck des zu übertragenen Mediums die Buchse (5) derart verformt,
daß seine Zylindermantelflächen (15), die die Gleitflächen der Buchse (5)
darstellen, so zu Kegelmantelflächen (16) verformen, daß der große Durchmesser
des so gebildeten Kegels zur Druckseite und der kleine Durchmesser des Kegels zur
druckabgewandten Seite hinweist.
2. Drehdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) mit
einem schlecht leitenden Werkstoff z. B. Keramik, beschichtet ist.
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