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Hochdruck-Kolbenpumpe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruck-Kolbenpumpe, vorzugsweise
mit mehreren Pumpen-Einheiten, wobei jeder Kolben von einem Antriebsglied entgegen
einer Rückstellfeder angetrieben wird, und bei welcher ein hydraulisches Druckmedium
von jedem Kolben während des Arbeitstaktes über ein Saugventil angesaugt und über
ein Druckventil zur Hochdruck-Verbrauchs stelle gefördert wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die während des Betriebes
zwischen den beweglichen Elementen der Pumpe auftretenden Flächen- bzw. Reibungskräfte
in stark spürbarem Maße herabzusetzen, um die Verwendung der Pumpe an Aggregaten
mit extrem hohen Betriebsdrücken (z.B. bei hydraulischen Pressen bis 700 bar) mit
annehmbaren Antriebskräften zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß zwischen dem Antriebsglied und dem Kolben ein aus Material von sehr
guter Gleiteigenschaft hergestelltes Zwischenglied eingeschaltet ist, das beiderseits
konkave Vertiefungen besitzt, wobei in die auf der einen Seite ausgebildete konkave
Vertiefung das konvex gestaltete Ende des Kolbens und in die auf der anderen Seite
ausgebildete konkave Vertiefung der konvex gestaltete Umfangsteil des Antriebsgliedes
eingreifen.
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Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist das die Vertiefungen tragende
Zwischenglied als Gleitring ausgebildet und an seiner Innenfläche mit einer Rille
versehen. Auf diese Weise wird an den Innenbereichen der stirnseitigen Eingriffsflächen
des Zwischengliedes eine geringfügige Elastizität erzielt, um eine sehr gute Anpassung
dieser Flächen an die Gegenflächen des
Kolbens und des Antriebsgliedes
zu erreichen. Es ist von besonderem Vorteil, diese Rille mit einem elastisch federnden
Material auszufüllen.
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Bei einer besonders zweckdienlichen Ausführungsform der Erfindun ist
das Innere des Zwischenringes über eine im Kolben vorgesehen Längsbohrung mit dem
Kolben-Arbeitsraum in Leitungsverbindung gebracht, um eine zusätzliche Druckentlastung
an den Eingriffsflächen zwischen Kolben und Antriebsglied zu erreichen.
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Bei gestaltung der Pumpe als Radial-Kolbenpumpe, bei welcher mehrere
Kolben-Einheiten am Umfang eines als Exzenter ausgebilde ten Antriebsgliedes radial
verteilt sind, ist es zur weiteren Reduzierung der Kräfte bzw. Gleitgeschwindigkeiten
von besonderem Vorteil, auf dem Umfang des Exzenters einen Gleitring aus Material
von sehr guter Gleiteigenschaft anzubringen und mit einem Antriebsring zu verbinden,
z.B. durch Einschrumpfen, der auf seinem Umfangsteil konvex gestaltet ist und mit
der konkaven Vertiefung eines jeden Zwischengliedes zusammenarbeitet.
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Es ist in bestimmten Betriebsfällen von Vorteil, wenn das Zwisch glied
und/oder der Gleitring aus Verbundmaterial, beispielsweise Metall mit Kunststoff-Beimischung
von guter Gleiteigenschaft gefertigt werden.
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Irfder nachstehenden Bweschreibung sind einige Ausführungsbeispie
le des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen: Fig.1 die Pumpe im Querschnitt, Fig.2 eine Seitenansicht
zur Fig.1 bei teilweisem Schnitt durch die Pumpe, Fig.3 eine Einzelheit aus Fig.1
im Querschnitt, Fig.4 das Platten-Saugventil der Pumpe in Draufsicht, Fig.5-7 das
Zwischenglied in verschiedenen Schnittstellungen und in Draufsicht, und Fig.8+9
in Ansicht und Querschnitt ein anderes Antriebsglied.
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Die als Ausführungsbeispiel dargestellte, z.B.für hydraulische Hochdruck-Pressen
bestimmte Kolbenpumpe ist mit mehreren Pumpen-Einheiten ausgerüstet, die in zwei
hintereinander liegenden Reihen radial zum Antriebsglied der Pumpe angeordnet sind.
Das Pumpengehäuse besteht aus zwei scheibenartigen Gehäusehälften 10+12, die unter
Zwischenschaltung von einigen Abstandhaltern 14 (Fig.3) und mit Hilfe einiger Schrauben
1o miteinander verbunden sind. Am mit Umfang jeder Hälfte 10 bzw.12 ist ein/Dichtungsring
18 ausgestatteter Ringteil 20 bzw.22 aufgesetzt, wobei ein darüberliegender Abdeckring
24 auf die Dichtungsringe 18 drückt und für dichten Abschluß des Gehäuse-Innern
nach außen sorgt.
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Die von einer geeigneten Kraftquelle auf Drehbewegung bewegte Antriebswelle
28 ist mittels eines Dichtungsringes 30 und einiger Kunststoff-Lagerbüchsen 32 sowie
Kunststoff-Beilagscheiben 33 im Gehäuse dicht gelagert. Mit Hilfe eines Keiles 34
ist auf der Welle 28 je ein Exzenter 36 befestigt, der zum Antrieb der zur Welle
28 radial angeordneten Pumpen-Einheiten dient.
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Jede Pumpe umfaßt eine im Querschnitt rechteckig gestaltete Kolbenbüchse
38, die mit Hilfe von zwei Zentrierstiften 40 in der zugeordneten Hälfte 10 bzw.12
radial zur Welle 28 ausgeXrchtet ist. (ImBedarfsfalle kann die Kolbenbüchse 38 auch
so angeordnet sein, daß ihre Längsachse um einen geringen Winkelbetrag von der Radiallinie
abweicht.) Jeweils zwei gegenüberliegende Kolbenbüchsen 38 der beiden hintereinander
liegenden Radial-Reihen sind zwischen den Hälften 10+12 fesgespannt. In jeder Kolbenbüchse
38 ist ein Kolben 42 angeordnet, der mit einer Rückstellfeder 44 belastet ist, die
bestrebt ist, den Kolben gegen die Antriebswelle zu drücken.
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Das Druckmedium, das beispielsweise aus Wasser mit geringer Beimischung
von Schmier- und Antikorrosionsmittel bestehen kann, wird aus einem nicht dargestellten
Vorratsbehälter über einen Anschlußstutzen 24a des Abdeckringes 24 in den ringförmigen
Saugraum S innerhalb der Gehäuseelemente 10,12,20,22,24 zugeführt. An der Stirnseite
38a einer jeden Kolbenbüchse 38 ist ein Anschlußstück 46 angeschraubt, das in seiner
Mitte eine zum Saugraum S führende Saugbohrung 46a aufweist. Auf der anderen Seite
der Saugbohrung ist ein Platten-Saugventil 48 (Fig.4) angeordnet, das sternförmig
gestaltet ist und mit seinem Umfang in einer Führungssenkung 38b der Kolbenbüchse
38 in AchsrichtunE dieser Büchse geführt ist. Eine Verbindungsbohrung 38v führt
von Saugventil 48 zum Arbeitsraum 38c des Kolbens 42.
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Die Druckseite der Pumpe umfaßt eine Verbindungsbohrung 38d, die zu
einem im Ventilkörper 50 sitzenden Kugel-Druckventil 52 führt Dieser Ventilkörper
ist von zylindrischer Gestalt und liegt mit seiner Mittelachse senkrecht zur Achse
der Kolbenbüchse 42. Am Umfang weist der Ventilkörper 50 einige achsial verlaufende
Rillen 50a, die eine Leitungsverbindung zwischen den Senkungen 50b und 50bb an beiden
Stirnseiten des Körpers 50 herstellen.
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Eine am Auslauf der Bohrung 38d vorgesehene Sitzfläche 38e bildet
den Sitz der Ventilkugel 52 in der Kolbenbüchse 38 bei Schließstellung des Dr tventils.
Nach Erreichen einer bestimmten Druckhöhe wird das Ventil 52 vom Sitz 38e bis zum
Anschlag 50c im Ventilkörper 50 angehoben, sodaß das Druckmedium aus der Senkung
50b in die Rillen 50a und in die Senkung 50bb und von hier aus weiter in die Bohrungen
10a+10b im Gehäuseteil 10 gelangen kann. Aus der Bohrung 1Ob bzw.12b läuft das Druckmedium
in
eine zur Achse der Antriebswelle 28 koachsiale Innenrille 20a bzw. 22a der Gehäuseteile
20 bzw.22. Aus diesen Innenrillenläuft das Druckmedium weiter in die Bohrungen 20b
bzw.22b (Fig.3).
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Eine Längsbohrung 14a im Abstandhalter 14 verbindet diese Bohrungen
untereinander. An der Seitenfläche des Gehäuseteiles 20 ist eine Gewindebohrung
20c vorgesehen, in die ein Druckanschluß-Nippel 54 für die Druckleitung 56 eingeschraubt
ist, welche zu der Verbrauchsstelle des Hochdruck-Aggregates führt.
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Der in der Kolbenbüchse 38 laufende Kolben 42 ist an seinem dem Exzenter
36 zugewandten Ende 42a konvex (ballig) mit Radius R1 ausgebildet und sitzt in einer
entsprechend konkav (hohlkugelförmig) geformten, ebenfalls den Radius R1 aufweisenden
Vertiefung 58a an der einen Stirnseite eines als zylindrisches Gleitstück ausgebildeten
Zwischengliedes 58 (Fig.5-7). Dasselbe ist wiederum mit einer auf seiner anderen
Seite ausgebildeten konkaven Vertiefung 58b versehen, die am Umfang des konvex (ballig)
gestalteten Exzenters 36 aufsitzt. Es ist zweckdienlich, den Radius R2 der Vertiefung
58b dem Halbmesser des Exzenters und auch dem Radius R2 der balligen Umfangs fläche
des Exzenters 36 gleichzusetzen, weil sich dann eine konkave Vertiefung 58b mit
Radius R2 am Zwischenglied 58 ergibt. Der Exzenter 36 stellt somit einen scheibenförmigen
Ausschnitt aus einer Kugel mit dem Radius R2 dar.
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Das Zwischenstück 58 wird -genauso wie Welle 28, Exzenter 36 und Kolben
42 aus Material von erforderlicher Härte und guter Gleiteigenschaft, z.B. Stahl
hergestellt. Bei bestimmten Bauarten kann das Zwischenstück aber auch aus Verbundmaterial,
beispielsweise Metall mit Kuststoff-Beimischung guter Gleiteigenschaft gefertigt
werden.
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Das Zwischenglied 58 weist eine Bohrung 58c und eine Innenrille 58d
auf, die eine geringfügige Elastizität an den Innenbereichen der Eingriffsflächen
58a und 58b gewährleistet, um eine sehr gut Anpassung dieser Flächen an die Gegenflächen
der in sie eingreifenden Elemente zu erreichen. Man könnte im Bedarfsfalle diese
Rille 58d auch noch mit einem elastisch federnden Material auffülen.
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Während des Pumpen-Betriebes wird jeder Kolben 38 durch seine Rückstellfeder
44 in Richtung auf unteren Totpunkt zum Saughub bewegt, soweit es die jeweilige
Lage des Exzenters 36 erlaubt.
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Hierbei wird das Saugventil 48 geöffnet und das Druckmedium aus dem
Saugraum S der Pumpe über die Saugbohrung 46a in den Kolben-Arbeitsraum 38c angesaugt.
Während des vom Exzenter 36 veranlaßt Druckhubes des Kolbens 38 in Richtung auf
obere Totpunktlage wir -nach Schließung des Saugventils 48- das Druckmedium komprimiert
und durch die Bohrung38d zum Druckventil 52 gefördert und drückt es gegen den Anschlag
50c an. Damit ist nun in der ersten Reihe der Durchgang 50b,50a,50bb,10a,10b zu
Rille 20a und der Bohrung 20b bzw. in der zweiten Reihe der Durchgang 50b,50a50bb,12a,12b
zur Rille 22a und Bohrung 22b hergestellt. Das über die Bohrung 14a im Abstandhalter
14 gesammelte Druckmittel fließt dann in di Druckleitung 5 und wird unter hohem
Druck der Verbrauchsstelle im Aggregat zugeführt.
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Das als Gleistück ausgebildete und an seinen Eingriffsflächen sehr
gute Gleiteigenschaften aufweisende Zwischenglied 58 (zwischen Kolben 42 und Exzenter
36) gewährleistet dabei, daß hier (gegenüber einer Punkt-oder Linienberührung bei
bekannten Pumpe) die Eingriffsflächen erheblich vergrößert und damit die
Flächendrücke
bzw. Gleitgeschwindigkeiten stark reduziert werden.
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Auch ermöglicht die frei gleitende bzw. rotierende Zwischenschaltung
des Elementes 58, daß etwaige aus Herstellungstoleranzen herrührende seitliche Abweichungen
zwischen den Antriebselementen ohne Sondermaßnahmen überbrückt werden. Die Bewegungen
der Antriebselemente erfolgen so bei stark reduzierter Reibung, daß sich ein extrem
ruhiger Lauf der Pumpe bei minimaler Antriebskraft ergibt.
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Es ist weiterhin zweckdienlich, den Kolbenarbeitsraum 38c mit Hilfe
einer Axialbohrung 42b im Kolben 42 mit dem Innenraum des Zwischenstückes 58 zu
verbinden. Auf diese Weise wird nämlich zusätzlich noch eine hydrostatische Druckentlastung
an den Eingriffsflächen zwischen Exzenter und Kolben erreicht.
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In Fig.8+9 ist eine Ausführungsform dargestellt, die eine besondere
Gestaltung des Antriebs-Exzenters aufweist. Der eigentliche Exzenterteil 136 ist
auf der Antriebswelle 28 aufgekeilt und arbeitet auf seinem Umfang mit einem Gleitring
138 zusammen.
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Derselbe ist fest verbunden, z.B. eingeschrumpft in dem die konvexe
bzw. ballige Umfangsfläche 140a aufweisenden ringförmigen Teil 140, auf dem erst
die jeweiligen Zwischenglieder 58 mit ihren konkaven Vertiefungen 58b aufsitzen.
Die Gleitringe 138+140 sind in axialer Richtung auf der Welle 28 gehalten durch
Kunststoff-Beilagscheiben 142. Die übrigen hier nicht dargestellten Pumpen-Elemente
entsprechen den bei Fig.1-7 verwendeten Elementen, sodaß hier auf weitere Erläuterungen
verzichtet werden kann.
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Die Einschaltung des aus Material sehr guter Gleiteigenschaft, z.B.
Verbundmaterial (Metall mit Kunststoff-Beimischung) bestehenden Ringes 138 erbringt
-wegen seiner freien Gleitmöglichkeit
am Exzenter 136- eine weitere
spürbare Reduzierung der Reibungskräfte. Außerdem wird im Hindblich auf den bei
derartigen Antrieben zu beachtenden pV-Wert (p=Flächendruck; V=Gleitgeschwindigkei
die Gesammt-Geschwindigkeit zwischen Exzenter 136 und Kolben 42 praktisch aufgeteilt
auf Geschwindigkeiten in den Paarungen Exzenter 136/Gleitring 138 und Gleitring
138/Zwischenglied 58 und so die Gesammt-Geschwindigkeit (V) bzw. der pV-Wert stark
reduziert.
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Es sei abschließend noch eraräht, daß die Erfindung nicht auf die
gezeigten Ausführungsbeispiele allein beschränkt ist. Man kann derartige Zwischenglieder
auch bei anderen als gezeigten Pumpen-Bauarten verwenden, z.B. bei Pumpen mit in
gerader Reihe anzeordneten Pumpen-Einheiten.
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- L e e r s e i t e -