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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Abdichten eines
Kolbens, der in einem Zylinder, und insbesondere in einem hydraulischen
Hochdruckzylinder, beweglich ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Pressen
und Extrusion unter sehr hohem hydrostatischem Druck ist ein wirksames
Verfahren zum Bearbeiten von Metallen und anderen Materialien. Hydraulische
Pressen und Zylinder mit zunehmender Leistung werden in der Metallverarbeitungs- und
anderen Industrien eingeführt.
Hochdruckvorrichtungen benötigen
Dichtungen, die in der Lage sind, in einem großen Bereich von Drücken wirksam zu
sein, vom atmosphärischen
Druck bis zu extrem hohen Drücken
von 20–40
kbar und mehr, bei denen sich der Innendurchmesser des Hochdruckzylinders um
~1% und mehr ausdehnt.
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Ein
hydraulischer Zylinder weist eine Zylinderwand mit einem offenen
Ende auf, wobei ein Kolben in den Zylinder eintritt, um eine hydraulische Flüssigkeit
zu hohen Druckpegeln zu komprimieren. Eine Dichtungsanordnung ist
in einer ringförmigen Ausnehmung
in der Zylinderwand in der Nähe
des offenen Endes angeordnet. Normalerweise weist eine Hochdruckdichtungsanordnung
eine Hochdruckdichtungsunteranordnung und eine Niederdruckdichtungsunteranordnung
auf. Bezüglich
der Ausdrücke "Hochdruck" und "Niederdruck" ist es für Fachleute offensichtlich,
dass kein einzelner Druckwert als eine Grenzlinie zwischen den beiden
angegeben werden kann. Gemeint ist damit hier und in der weiteren
Offenbarung, dass von Null oder atmosphärischem Druck bis zu irgendeinem
Zwischendruckbereich die Abdichtung des Zylinders nur durch Elemente
der sogenannten "Niederdruckunteranordnung" geliefert wird.
Bei höheren
Drücken
als dem Zwischendruckbereich und bis zu dem maximal vorgesehenen Druck
wird die Abdichtung des Zylinders nur durch die Elemente der sogenannten "Hochdruckunteranordnung" geliefert. In dem
Zwischendruckbereich wirken beide Unteranordnungen zusammen, um
eine Abdichtung zu liefern. Einige Elemente der Abdichtungsanordnung
können
zu beiden Unteranordnungen gehören.
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Bestehende
Hochdruckdichtungsanordnungen umfassen normalerweise Elemente, die
aus elastischem Material hergestellt sind und die, wenn dieselben
mit dem Kolben und anderen Metallteilen in Wechselwirkung treten,
einem raschen Verschleiß unterworfen
sind. Bisweilen kann es nötig
sein, dass Teile einer Dichtungsanordnung nach jedem Presszyklus
ausgetauscht werden.
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Die
US 3,606,356 für Beroset
stellt eine Hochdruckdichtungsanordnung vor, die in einer Ausnehmung
einer Hochdruckzylinderwand angeordnet ist. Die Niederdruckunteranordnung
der
US 3,606,356 umfasst
einen ringförmigen
Teflonring mit einem rechteckigen Profil, der an dem Kolben anliegt und
in der Ausnehmung platziert ist, einen ringförmigen Teflonring mit einem
dreieckigen Profil, der den rechteckigen Ring umgibt und an der
Ausnehmungsaußenwand
anliegt, und einen Gummi-O-Ring, der wie ein Keil zwischen die beiden
Teflonringe eingesetzt ist. Die Hochdruckunteranordnung umfasst
einen Metall-Antiextrusionsring mit einem dreieckigen Profil, der
die Ausnehmung radial überspannt,
an dem Kolben anliegt und an die beiden Teflonringe von der Seite
des offenen Endes der Ausnehmung anstößt. Die Dichtungsanordnung
wird durch einen Haltering (Dichtungshalter) geschlossen, der in
einem Schraubengewinde an dem offenen Ende des Zylinders in Eingriff
genommen ist und den Antiextrusionsring gegen die beiden Teflonringe
vorspannt, wodurch der rechteckige Ring und der O-Ring gegen den
Boden der Ausnehmung gedrängt
werden. Bei niedrigen Drücken
wird der Zylinder durch die beiden Teflonringe und den O-Ring dazwischen
abgedichtet. Bei hohen Drücken
sind der rechteckige Teflonring und der O-Ring nicht mehr wirksam,
aber der dreieckige Teflonring dehnt sich unter der Einwirkung des Drucks
zusammen mit der Zylinderwand aus, und die Abdichtung wird durch
den Metall-Antiextrusionsring in Zusammenwirkung mit dem dreieckigen
Ring geliefert. Somit gehört
der dreieckige Teflonring tatsächlich
auch zu der Hochdruckunteranordnung.
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Die
US 3,865,387 offenbart Hochdruckdichtungsanordnungen,
die zwei Metallringe umfassen, die in einer Ausnehmung der Zylinderwand
angeordnet sind, ähnlich
der im Vorhergehenden beschriebenen. Bei einem Ausführungsbeispiel
liegt ein metallener "Kolbendicht-"ring mit einem dreieckigen
Profil an dem Kolben an und stößt abdichtend
an einem Dichtungshalter an, der über dem offenen Ende der Ausnehmung
befestigt ist. Ein metallener "Zylinderdicht-"ring mit allgemein
rechteckigem Profil ist in der Ausnehmung der Zylinderwand eingepasst,
wobei derselbe den ersten Ring umgibt und auch abdichtend an den
Dichtungshalter anstößt. Der Zylinderdichtring
weist eine innere abgeschrägte
Ausnehmung oder eine Abschrägung
an der Seite des offenen Endes der Ausnehmung auf, die einen Teil
des Kolbendichtrings aufnimmt, wobei die beiden Ringe einen schmalen
kegelförmigen
Schlitz dazwischen definieren. Der Zylinderdichtring weist zwei
weitere ringförmige
taschenartige Ausnehmungen auf, wobei jede einen Gummi-O-Ring aufnimmt.
Eine Ausnehmung befindet sich an der abgeschrägten Innenseite gegenüber der
Kante des Kolbendichtrings, und ihr O-Ring wird zu dem Kolbendichtring,
zu dem Zylinderdichtring und zu dem Kolben gedrängt. Die andere Ausnehmung
befindet sich an dem äußeren Umfang
des Zylinderdichtrings, und ihr O-Ring wird zu der Zylinderwand
gedrängt.
Eine Niederdruckabdichtung wird nur durch die O-Ringe geliefert.
Eine Hochdruckabdichtung wird durch die beiden Metallringe in Zusammenwirkung
mit dem O-Ring, der sich dazwischen befindet, geliefert.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der
US 3,865,387 weist
eine ähnliche
Anordnung auf, aber der Zylinderdichtring ist auch an der Ausnehmungsbodenseite
abgeschrägt.
Eine ringförmige
Rille ist zwischen den beiden Metallringen gebildet, die einen vergrößerten O-Ring
aufnimmt, der zu beiden Metallringen, zu dem Kolben und zu der Zylinderwand
gedrängt
wird. Eine Niederdruckabdichtung wird durch den O-Ring geliefert.
Eine Hochdruckabdichtung wird durch die beiden Metallringe in Zusammenwirkung mit
dem O-Ring geliefert.
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Es
gibt andere Hochdruckdichtungsgestaltungen, bei denen der Betrieb
der Hochdruckunteranordnung keinen raschen Verschleiß der Niederdruckunteranordnung
nach sich zieht, aber dann erfährt
die Hochdruckunteranordnung zu große elastische Verformungen,
die zu einem raschen Verschleiß führen.
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So
offenbart die
US 4,602,791 eine
Hochdruckdichtungsanordnung, bei der die Hochdruckunteranordnung
eine Mehrzahl von elastischen Metallringen mit Winkelprofil (V-Profil) aufweist.
Die Ringe sind in einer Ausnehmung der Zylinderwand gestapelt, wobei
dieselben den Kolben umgeben, an den Kolben und die Zylinderwand
anstoßen,
und wobei das V-Profil in Richtung der Hochdruckseite des Zylinders
offen ist. Unter der Einwirkung des Hochdrucks öffnet sich das V-Profil elastisch,
der Ausdehnung des Zylinders folgend, und dichtet den Spalt um den
Kolben herum ab.
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Die
US 4,787,642 offenbart eine
Anordnung, bei der ein X-Profil-Hochdruck-Metallring in einer Ausnehmung
der Zylinderwand angeordnet ist. Zwei verformbare Ringe mit dreieckigen
Profilen liegen in den seitlichen Räumen des X-Profils, an dem
Kolben bzw. an dem Zylinder, an, was die Niederdruckunteranordnung
darstellt. Zwei Metallringe mit Keilprofilen sind in dem oberen
und dem unteren Raum des X-Profils eingesetzt. Die Wirkungsweise
dieser Abdichtungsanordnung bei Hochdruck ist die gleiche wie die
vorhergehende, wobei das X-Profil tatsächlich als zwei gegenüberliegende
V-Profile wirksam ist.
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Die
US 3,300,225 offenbart einen
Druckzylinder, der eine Dichtungsanordnung für den Hohlraum aufweist, der
einen Schaft umgibt. Die Dichtungsanordnung weist einen Gummiring
auf, der einen Außendurchmesser
aufweist, der kleiner als der Hohlraum ist, und einen Innendurchmesser,
der größer als
der Schaft ist. Die Dichtungsanordnung weist auch ein Band aus Tetrafluorethylen
auf, das einen Innendurchmesser aufweist, der so groß ist, dass dasselbe
an dem Schaft anliegt, und einen Außendurchmesser, der etwas größer ist
als der Innendurchmesser des Gummirings. Das Band ist zwischen dem
Schaft und dem Gummiring angeordnet. Die Dichtungsanordnung weist
ferner einen Metallring auf, der den Gummiring an einer Außenkante desselben
in Eingriff nimmt, um einen Extrusionsfluss des Letzteren zu verringern.
Die Dichtungsanordnung weist auch einen Haltering auf, der den Gummiring
in Eingriff nimmt. Der Metallring und das Band treiben den Ring
und das Band in den Hohlraum, wodurch der Gummiring verformt wird,
um gegen den Hohlraum und das Band zu drücken. Das Band wird gegen den
Schaft getrieben, wodurch der Schaft wirksam abgedichtet wird.
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Die
US-A-3,606,356 offenbart
einen Druckzylinder gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Hochdruckdichtungsanordnung bereitgestellt,
bei der die Hochdruckabdichtung nur durch Metallringe erreicht wird.
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Die
Dichtungsanordnung der vorliegenden Erfindung dichtet den Spalt
zwischen der zylindrischen Wand eines Hochdruckzylinders und einem axial
beweglichen Kolben ab. Die Dichtungsanordnung ist in einer ringförmigen inneren
Ausnehmung in der Wand platziert, die radial durch die Zylinderwand und
axial durch ein offenes Ende und einen diesem gegenüberliegenden
Boden begrenzt ist, und weist einen Kolbendichtring, einen Zylinderdichtring,
einen elastischen Niederdruckring und einen ringförmigen Dichtungshalter
auf. Der Niederdruckring liegt an dem Kolben an und ist am Ausnehmungsboden
angeordnet, der Zylinderdichtring ist in der Ausnehmung um den elastischen
Ring herum angeordnet und liegt eng gegen die Zylinderwand an, der
Kolbendichtring liegt eng an dem Kolben an und ist in der Ausnehmung
angeordnet, wobei sich derselbe radial entlang des Zylinderdichtrings
und des Niederdruckrings erstreckt, der Dichtungshalter ist in das
offene Ende der Ausnehmung eingesetzt, liegt an dem Kolbendichtring
an und ist an der Zylinderwand angezogen, wobei derselbe den Kolbendichtring
gegen den Zylinderdichtring und den Niederdruckring drängt und
die letzteren beiden Ringe gegen den Ausnehmungsboden und gegeneinander
drängt.
Sowohl der Kolbendichtring als auch der Zylinderdichtring bestehen
aus Metall, ihre gegenseitigen Kontaktflächen liegen aneinander an,
bevorzugt durch Lappen, und der Kolbendichtring weist ein ausreichendes
Widerstandsmoment auf, um sicherzustellen, dass die Kontakt- und
Biegeverformungen unter Hochdruck an den gegenseitigen Kontaktflächen ausreichend klein
sind, um dazwischen einen engen Sitz zu halten.
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Gemäß der Gestaltung
der vorliegenden Erfindung werden die Metallringe der Hochdruckunteranordnung
keinen wesentlichen Biegeverformungen unterworfen, und der elastische
Ring der Niederdruckunteranordnung nutzt sich bei Hochdruck nicht übermäßig ab,
wodurch eine längere
Betriebslebensdauer und Wirksamkeit der Dichtungsanordnung und eine
Funktionsfähigkeit
bei viel höheren
Drücken
als bei den Dichtungen des Stands der Technik ermöglicht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Um
die Erfindung zu verstehen und zu sehen, wie dieselbe in der Praxis
ausgeführt
werden kann, werden nun zwei Ausführungsbeispiele nur als nicht
einschränkende
Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt entlang der Achse einer Hochdruckdichtungsanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 einen
Querschnitt der Dichtungsanordnung von 2 mit Verformungen
unter Hochdruck, die schematisch übertrieben gezeigt sind.
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3 einen
Querschnitt entlang der Achse einer Hochdruckdichtungsanordnung
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 einen
Querschnitt der Dichtungsanordnung von 3 mit Verformungen
unter Hochdruck, die schematisch übertrieben gezeigt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist eine Hochdruckdichtungsanordnung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Hochdruckzylinder 14 mit einer Wand 20,
einer hydraulischen Arbeitsflüssigkeit 22 und
einem Kolben 24, der axial in den Zylinder bewegbar ist,
um die Arbeitsflüssigkeit
zu komprimieren, gezeigt. Die Dichtungsanordnung ist konzipiert, um
den Spalt 26 zwischen der Wand 20 und dem Kolben 24 abzudichten,
und ist in einer ringförmigen
inneren Ausnehmung 28 in der Wand 20 angeordnet, wobei
die Ausnehmung radial durch die Zylinderwand und axial durch ein
offenes Ende 32 und einen diesem gegenüberliegenden Boden 34 begrenzt
ist. Die Dichtungsanordnung weist einen Metallkolbendichtring 36,
einen Metallzylinderdichtring 40, einen elastischen Niederdruckring 42,
einen ringförmigen Dichtungshalter 44 und
einen Stützring 46 auf.
Der Stützring 46 ist
an dem Ausnehmungsboden 34 angeordnet. Derselbe weist keine
Abdichtungsfunktion auf und kann als ein Teil des Bodens 34 in
der Zylinderwand 20 betrachtet werden. Der Dichtungshalter 44 wird
axial durch eine geeignete Einrichtung 48 an die Zylinderwand 20 angezogen,
wodurch die Elemente 36, 40, 42 und 46 der
Dichtungsanordnung 10 in Richtung des Ausnehmungsboden 34 gedrängt werden.
Die Kontaktflächen 50 des
Dichtungshalters 44 und des Kolbendichtrings 36 weisen
eine kegelstumpfförmige
Form auf, die in Richtung des offenen Endes 32 verjüngt ist,
die gegenseitigen Kontaktflächen 52 des
Zylinderdichtrings 40 und des Niederdruckrings 42 weisen
ebenfalls eine kegelstumpfförmige
Form auf, die in Richtung des offenen Endes verjüngt ist, während die Kontaktflächen 54 zwischen den
Metallringen 36 und 40 eben und senkrecht zu der
Zylinderachse sind.
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Der
elastische Niederdruckring 42 liegt entlang Kontaktflächen 55 eng
an dem Kolben 24 an. Der Zylinderdichtring 40 umgibt
den Niederdruckring 42 und liegt entlang Kontaktflächen 56 eng
gegen die Zylinderwand 20 an. Im freien Zustand weist der
Niederdruckring 42 eine größere axiale Abmessung als der
Ring 40 auf, so dass, wenn die Dichtung montiert wird,
der Ring 42 unter der treibenden Kraft des Dichtungshalters 44 elastisch
verformt wird und dadurch auch an dem Zylinderdichtring 40 entlang
der Kontaktfläche 52 eng
anliegt. Der Kolbendichtring 36 liegt entlang einer Kontaktfläche 58 eng
an dem Kolben an. Die gegenseitigen Kontaktflächen der Metallringe 36 und 40 liegen
durch Lappen sehr genau aneinander an.
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Wenn
der Kolben 24 sich in den Zylinder 14 hinein zu
bewegen beginnt, beginnt der Druck in der hydraulischen Flüssigkeit 22 vom
Null- (oder atmosphärischen)
Druck ausgehend anzusteigen. Bis zu einem Bereich von Zwischendruckwerten
wird die Abdichtung des Zylinders durch den engen Sitz des Niederdruckrings 42 an
dem Kolben 24 entlang der Kontaktfläche 55, an dem Zylinderdichtring 40 entlang
der Kontaktfläche 52 und
durch den engen Sitz des Rings 40 an der Zylinderwand 20 entlang
der Kontaktfläche 56 geliefert.
Somit stellen die Ringe 40 und 42 eine Niederdruckunteranordnung
dar.
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Wenn
sich der Kolben 24 weiter in den Zylinder 14 hinein
bewegt, wird der Druck der hydraulischen Flüssigkeit höher und der Zylinder erfährt eine erhebliche
elastische Ausdehnung, wie es übertrieben
in 2 gezeigt ist. Der hohe Druck, der dadurch auf
den elastischen Niederdruckring 42 ausgeübt wird,
wird über
die geneigte Kontaktfläche 52 als
eine auswärts
gerichtete radiale Kraft, die den Ring 40 zusammen mit
der Zylinderwand 20 ausdehnt, auf den Zylinderdichtring 40 übertragen,
wodurch der enge Sitz an der Kontaktfläche 56 gehalten wird.
Der hohe Druck drängt
auch den Zylinderdichtring 40 zu dem Kolbendichtring 36,
was ihren Sitz entlang den präzise
geläppten
Flächen 54 fluiddicht
macht. Der axial gerichtete Druck, der durch den Zylinderdichtring 40 auf
den Kolbendichtring 36 ausgeübt wird, wird über die
geneigten Kontaktflächen 50 in
eine nach innen gerichtete radiale Kraft umgewandelt, die den Sitz des
Kolbendichtrings 36 an dem Kolben 24 enger macht.
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Bei
höheren
Drücken
als dem Zwischenbereich und bis zu maximal vorgesehenen Drücken wird die
Abdichtung nur durch die Metallringe 40 und 36 über die
Kontaktflächen 54, 56 und 58 geliefert.
Somit stellen der Kolbendichtring 36 und der Zylinderdichtring 40 eine
Hochdruckunteranordnung dar.
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Bei
dem Aufbau der vorliegenden Erfindung trägt der hohe Druck der hydraulischen
Flüssigkeit dazu
bei, den Sitz enger zu machen, der für die Abdichtungswirksamkeit
der Anordnung sorgt. Um jedoch diesen enger machenden Effekt zu
erreichen, müssen
die Profile der Metallringe 36 und 40 ausreichende
Widerstandsmomente aufweisen, um sicherzustellen, dass bei hohem
Druck Kontakt- und Biegeverformungen an der gegenseitigen Kontaktfläche ausreichend
klein sind. Dies ist besonders wichtig bei dem Kolbendichtring 36,
der die Breite beider Ringe 40 und 42 überspannt
und entlang der Kontaktfläche 50 nicht
genau am Dichtungshalter 44 anliegt. Wie es in den 1 und 2 zu
sehen ist, wird eine ausreichende Steifigkeit des Rings 36 durch
sein relativ dickes Profil sichergestellt, bevorzugt mit einer mittleren
axialen Abmessung, die zumindest gleich der halben radialen Abmessung
ist.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Hochdruckdichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in 3 gezeigt. Die ähnlichen Elemente der Anordnung
sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 bezeichnet,
wobei der Unterschied darin besteht, dass die Ausnehmung 28 aus
zwei Stufen besteht, wobei die erste Stufe 28', die zu dem
offenen Ende 32 benachbart ist, einen größeren Durchmesser
als die zweite Stufe 28'' aufweist. Ein
Absatz 54'' ist zwischen
den beiden Stufen gebildet. Die zweite Stufe 28'' ist in Richtung des Ausnehmungsbodens 34 verjüngt, und
dementsprechend liegt der Zylinderdichtring 40 an der Zylinderwand
entlang kegelstumpfförmiger
Kontaktflächen 56' an. Der Kolbendichtring
ruht nun auf dem Absatz 54''. Auch sind
die Kontaktflächen 54' zwischen dem Kolbendichtring 36 und
dem Zylinderdichtring 40 nicht eben und senkrecht zu der
gemeinsamen Achse, sondern kegelstumpfförmig mit einer Verjüngung in
Richtung des offenen Endes 32.
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Der
Abdichtvorgang des zweiten Ausführungsbeispiels
im Niederdruckbereich ist derselbe wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Wie es in 4 gezeigt ist, wird die Abdichtungswirkung
jedoch bei hohem Druck verstärkt.
Wenn die Zylinderwand 20 sich aufgrund des hohen Drucks
ausdehnt, dehnt sich der Zylinderdichtring 40 unter der
radialen Kraft, die durch den hohen Druck auf die Fläche 52 ausgeübt wird,
aus. Der Ring 40 dehnt sich radial aus und gleitet entlang
der präzise
geläppten
Kontaktfläche 54' relativ zu
dem Kolbendichtring 36. Wegen der Neigung der Fläche 54' wird der Ring 40 jedoch
in Richtung des Ausnehmungsbodens 34 geschoben, wodurch
der Sitz entlang der geneigten Kontaktfläche 56' enger wird. Auch überragt,
da der Ring 36 die Ringe 42 und 40 mit
einem Überschuss überspannt, der
auf dem Absatz 54'' ruht, bei hohem
Druck das Profil des Rings 40 nicht die Kante des Rings 36,
wie es bei dem ersten Ausführungsbeispiel
der Fall ist (vergleiche 2 und 4). Dieser Überhang
führt bei
extrem hohen Drücken
zu einer Extrusion des Materials des Zylinderdichtrings in den Spalt
zwischen dem Kolbendichtring 36 und der Zylinderwand 20,
obwohl der Ring aus Metall ist, und folglich zu einem rascheren
Verschleiß der
Dichtung.
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Obwohl
zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung offenbart wurden, sei darauf hingewiesen, dass Veränderungen
daran vorgenommen werden können,
ohne von der Wesensart der Erfindung abzuweichen. Die Ausnehmung
in der Hochdruckzylinderwand kann z. B. durch ein Einsetzen eines
austauschbaren Einsatzes in den Zylinder gebildet werden. Auch können die
Metallhochdruckdichtringe jeder aus zwei oder mehr Ringen zusammengesetzt
sein.