DE4339733C2 - Schwimmende Kolbenführung in Dickstoffpumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Kolbenführung in Dickstoffpumpen, wie sie zum Fördern zähflüssiger oder nahezu fester Stoffe, wie Klärschlamm oder eingedickter Klärschlamm oder Hüttenschlamm verwendet werden.

Aufgrund der Festigkeit und der nur geringen Viskosität des zu fördernden Mediums werden an den Kolben erhöhte Anforderungen gestellt. Er ist in der Regel als Verschleißteil ausgestaltet, das häufig aufgrund Abnutzung ausgetauscht werden muß. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Abdichtung des meist hydraulisch hin- und herbewegten Kolbens gegenüber der Zylinder- Laufbuchse.

Im Stand der Technik wird beispielsweise in der DE 37 42 938 A1 eine Kolbenpumpe für die erwähnten Fördermedien vorgeschlagen, die eine leichte Austauschbarkeit des Verschleißteiles "Förderkolben" ermöglicht, was durch zwei Halbschalen (dort mit 29 bezeichnet) geschieht, die am hinteren Ende der Zylinder- Laufbuchse verspannt angeordnet sind und bei Lösen den vorderen Teil des Kolbens (dort mit 18 bezeichnet) leicht zugänglich machen. Diese Lösung hat sich als störanfällig im harten Alltagsbetrieb erwiesen, weil die Halbschalen nach längerem Betrieb nicht mehr abnehmbar sind und ein regelmäßiger Austausch des Förderkolbens erheblich erschwert wird. Zwar ist in der erwähnten Offenbarung des Standes der Technik eine asymmetrische Bewegung des Förderkolbens angesprochen (vgl. dort Anspruch 13), allerdings wird diese asymmetrische Bewegung durch eine Drucksteuervorrichtung und durch Sensoren ermöglicht, die die reine Axialbewegung des Kolbens beeinflussen.

Die US 2,175,441 (Miller) zeigt Verbesserung bei Schlammpumpen, die eine erhöhte Dichtigkeit und verbessertes Anliegen von Dichtungsringen aus abriebfestem Gummi an einer Zylinderwandung betreffen. Die radial äußeren Ringflächen (die "lips" 23, 24 bei Miller) der relativ steifen, abriebfesten Gummiringe (15, 16 bei Miller) werden durch weiche Gummiringe (17, 18, bei Millder), die radial innerhalb der steifen Ringe liegen, nach außen gegen die Zylinderwandung gedrückt. Maßnahmen zur Kompensation von Verspannung oder Fluchtungstoleranz der Kolbenstangenbewegung werden nicht vorgeschlagen.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Führungseigenschaften des Förderkolbens in die Zylinder- Laufbuchse zu verbessern und dabei Ungenauigkeiten bei der Axialbewegung des Kolbens zuzulassen, wobei gleichzeitig eine sichere Abdichtung des Kolbens gegenüber der Zylinder-Laufbuchse gewährleistet werden soll.

Dies erreicht die technische Lehre des Anspruchs 1.

Sie verwendet einen Kolbenkörper, der eine ringförmige Gestalt hat und beweglich gegenüber der Kolbenstange, die ihn axialbewegt, gelagert ist. Durch elastische Lagerung kann der Kolbenkörper eine Relativbewegung gegenüber der Kolbenstange ausführen und ist gleichwohl sicher gelagert und gehalten. Auf dem Kolbenkörper ist eine Dichtung ebenfalls elastisch gelagert. Diese Verknüpfung von Halterung in Axialrichtung und gleichzeitig beweglicher Lagerung in Radialrichtung kann auch als "schwimmende Lagerung" des Kolbenkörpers zwischen Dichtung und Kolbenstange bezeichnet werden (Anspruch 2).

Mit dieser schwimmenden Lagerung wird erreicht, daß die Dichtung des Kolbenkörpers außen dicht an der Zylinder-Laufbuchse anliegt, unabhängig davon, ob die Kolbenstange sich genau in Achsrichtung hin- und herbewegt. Von der schwimmenden Lagerung wird aber nicht nur eine aus der zentrischen Achse der Laufbuchse parallelverschobene geradlinig Hin- und Herbewegung der Kolbenstange kompensiert, sondern auch eine gegenüber der Zentralachse leicht geneigte Hin- und Herbewegung. Beide Ungenauigkeiten (Verspannung und Fluchtungstoleranz) werden erfindungsgemäß ausgeglichen durch die elastisch bewegliche Lagerung des Kolbenkörpers.

Die doppelte elastische Lagerung hat zwei elastische Lagerungen an der - in Radialrichtung gesehen - Innenfläche und Außenfläche des Kolbenkörpers. Die innere ringförmige Fläche stützt sich dabei bevorzugt auf zwei axial beabstandete Ausgleichskörper, wie O-Ringe (Ansprüche 3 bis 5). Die radial außerhalb angeordnete schwimmende Lagerung der Kolbendichtung kann durch ähnliche oder dieselben (nur hinsichtlich des Durchmessers unterschiedlichen) Ausgleichskörper erreicht werden, deren axialer Abstand geringer sein kann, als der vorerwähnte axiale Abstand der innenliegenden Ausgleichskörper (Anspruch 4).

Die Halterung des schwimmend gelagerten Kolbenkörpers in Axialrichtung wird durch zwei Ringscheiben ermöglicht, die einen festen axialen Abstand voneinander haben (Anspruch 6).

Zur Vereinfachung der Montage von stirnseitig kann eine der Ringscheiben integral mit einem hohlzylindrischen Grundkörper so verbunden sein, daß nach dessen Aufbrignung auf die Kolbenstange die elastischen Ausgleichselemente auf ihm angeordnet werden und danach der ringförmige Kolbenkörper darüber geschoben wird (Anspruch 7). Mittels einer Mutter kann eine zweite vordere Ringscheibe axial gegen den Grundkörper fixiert werden (Anspruch 8), so daß der ringförmige Kolbenkörper seine endgültige schwimmende Lagerung zwischen der äußeren - an der Zylinderwand geführten - Dichtung und der Kolbenstange erhält.

Die Einheit am Vorderende der Kolbenstange ist leicht austauschbar durch Lösen der Mutter, durch Abnehmen der Front- Ringscheibe und durch Herunterziehen des schwimmend gelagerten Ringkörpers. Er kann dann mit neuen äußeren Dichtungen versehen werden, er kann auch vollständig ausgetauscht werden. Ebenfalls ausgetauscht werden können Mutter und vordere Ringscheibe, falls diese durch den Betrieb stark in Anspruch genommen worden sind.

Wenn die erwähnten Ringscheiben einen Außendurchmesser haben, der geringfügig kleiner ist als das Durhmesser-Maß der im Kolbenkörper vorgesehenen Radialdichtungen (Anspruch 12), kann sichergestellt werden, daß bei Fluchtungs- und Verspannungstoleranzen der Kolbenstange gegenüber der Zentralachse des Zylinders keine Berührungen zwischen den Ringscheiben und der Zylinder-Laufbuchse entstehen.

Im Kolbenkörper können weitere umfängliche Dichtungen vorgesehen werden.

Wird die schwimmende Lagerung gemäß der Erfindung eingesetzt, so können umfängliche Zug- und Symmetrierstangen um die Zylinderhülse herum, die den Wasserkasten mit dem Pumpenkopf fest und ausgerichtet miteinander verbinden, entfallen. Eine geringfügige Verstärkung der Zylinderhülse ist dann empfehlenswert, nicht aber notwendig. Die Zylinderhülse selbst kann am Pumpenkopf und an dem Wasserkasten ohne die erwähntne Zugstangen dann fest und in Achsrichtung unbeweglich angeordnet werden, so daß eine im wesentlichen axiale Ausrichtung vorgesehen werden kann; die geringen Abweichungen, die bei einer solchen Anordnung noch bestehen, werden durch die erfindungsgemäße schwimmende Lagerung des Förderkolbens kompensiert.

Die US 3,200,759 betrifft HPLC-Hochdruckpumpen; außermittige Hubbewegungen des dortigen Kolbens sind nicht erwähnt; die DE 77 21 901 U1 betrifft einen Luft-Kompressor, der eine elastische Lagerung einer Hülse (dort 40) an einem Kolbenkopf offenbart; die GB 1 518 073 betrifft einen Hydraulik-Hubzylinder mit Lagern an beiden Enden einer Hydrauliköl-Kammer, wobei innerhalb der Kammer ein Ring-Kolbenelement diese Kammer in zwei Hälften trennt, die gegensinnig ihr Volumen verändern.

Die DE-PS 3 57 551 offenbart eine Pumpenvorrichtung mit drei Ring-Dichtelementen (a, b, c): einen Dichtungsring aus Weichmetall, einen ihn spannenden Eisenring und einen letzteren sichernden Metallring.

Die DE 33 15 050 A1 betrifft eine Führungs- und Dichtungseinheit zum Führen und Abdichten von Kolben von Arbeitszylindern. Ein bauchiger Antifriktions-Ring aus festem Werkstoff wird von einem elastischen Ring nach radial außen gegen die Zylinderwandung gedrückt. Unsymmetrisch sind dort nicht angesprochen.

Anders die Erfindung, die mittels doppelter elastischer Lagerung am vorderendigen Kolbenkopf Unsymmetrien bei der Kolbenbewegung auszugleichen vermag.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll das Verständnis der Erfindung vertieft werden.

Fig. 1 zeigt das vordere Ende einer Kolbenstange 10, deren Zentralachse 100 strichpunktiert dargestellt ist. Etwa konzentrisch um einen gegenüber der Stirnseite nur leicht zurückgesetzten Abschnitt der Kolbenstange ist ein ringförmiger Kolbenkörper 5 schwimmend gelagert. Die Figur ist teilweise im Schnitt (obere Hälfte) und in Seitenansicht (untere Hälfte) gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine Übersicht, wo in einer Dickstoff-Förderpumpe die beispielshafte Anordnung gemäß Fig. 1 angeordnet ist.

Zur Übersicht soll zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen werden, wo eine teilweise geschnittene Dickstoff-Förderpumpe 30 gezeigt wird. Die Zentralachse ist mit 100 bezeichnet, in ihr bewegt sich die Kolbenstange 10 gesteuert durch einen - nicht dargestellten - Hydraulikantrieb. Am vorderen Ende der Kolbenstange 10 ist ein beispielhafter Förderkolben eingezeichnet, der dem Stand der Technik entstammt. Demgegenüber kann das in Fig. 1 gezeigte Beispiel einer schwimmenden Lagerung des Förderkolbens an der Kolbenstange 10 eingesetzt werden. Der Kolben läuft in einer Zylinder-Laufbuchse 20, die eine metallische Hülse von einem abgestimmten Querschnittsmaß mit dünner Wandung sein kann. Am hinteren Ende der Zylinder- Laufbuchse 20 ist ein Wasserkasten 40 angeordnet. Er enthält Wasser zur Schmierung der hartverchromten Förderzylinder- Laufflächen und zu Kühlungszwecken. Er ist auch diejenige Stelle, in die der Förderkolben zurückgezogen wird, wenn er ausgetauscht werden soll.

Am vorderen Ende der Zylinder-Laufbuchse 20 ist der Pumpenkopf 31 angeordnet, in den über ein erstes Ventil 32 gesteuert - dessen Achse 101 etwa senkrecht zur Förderachse 100 liegt - der Dickstoff bei Rückwärtsbewegung der Kolbenstange 10 mit Förderkolben hereingezogen wird (das Ventil ist nach innen geöffnet) und aus dem Dickstoff bei Schließen des erwähnten Ventiles 32 und Öffnen eines demgegenüber schräg und in einem Winkel von etwa 45° aus der Zentralachse 100 geneigten zweiten Ventiles 33 (dessen Ventilachse mit 102 bezeichnet ist) in Zentralachsrichtung 100 bei Vorwärtsbewegung der Kolbenstange 10 und des Förderkolbens herausgefördert wird. Am linken Bildrand ist nahe dem zweiten Ventil 33 ein Flanschanschluß in Zentralachs-Richtung angeordnet, der an eine Förder-Rohrleitung angeflanscht wird. Die Ventile 32 und 33 arbeiten im Gegentakt, Ventil 32 ist geöffnet, wenn sich der Kolben nach rückwärts bewegt, Ventil 33 ist geöffnet, wenn sich der Kolben nach vorwärts bewegt. Bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens ist Ventil 32 geschlossen. Die Öffnungszeiten der Ventile können elektronisch über Sensoren oder Zeitsteuerungen mit der Axialbewegung der Kolbenstange 10 verkoppelt sein, die Öffnungs- und Schließzeiten können sich auch geringfügig überlappen.

Ein Detail der Fig. 2 - der Pumpenkopf - ist in Fig. 1 vergrößert dargestellt. Dabei ist zu bemerken, daß der in Fig. 2 eingezeichneten Förderkolben eine Förderkolben-Lösung gemäß dem Stand der Technik ist, bei der keine "schwimmende Lagerung" vorgesehen ist, wie sie aber in dem Beispiel gemäß Fig. 1 erreicht wird.

Fig. 1 zeigt einen Zylinderkolben, der am vorderen Ende der Kolbenstange 10 über eine Mutter 9 austauschbar angeordnet ist. Der Kolben besteht zunächst aus drei Grundkomponenten 5; 6, 6a; 8, wobei die Komponente 6, 6a ein integrales Teil - den Kolben- Grundkörper - bildet. Er hat im Querschnitt - oberhalb der Zentralachse 100 - etwa L-förmige Gestalt und dient zur nach rückwärts abstützenden Aufnahme des ringförmigen Kolbenkörpers 5, dessen innere Öffnung im Durchmesser etwas größer ist, als der äußere Durchmesser des axialen Abschnitts 6a des Kolben-Grundkörpers 6, 6a. Die vorderseitige Lagerung - entsprechend der rückwärtigen axialen Halterung 6 des Kolben- Grundkörpers - übernimmt eine Ringscheibe 8, die mittels der Mutter 9 an den Basisabschnitt 6a des Kolben-Grundkörpers angepreßt wird. In der so gebildeten ringförmigen Ausnehmung zwischen den beiden Ringscheiben 6, 8 und dem dagegen einen geringeren Außendurchmesser aufweisenden Kolben-Grundkörper 6a ist ein Kolbenkörper. Seine axialen Seitenabschnitte können ballig ausgeformt sein, sie können aber auch gerade gestaltet sein, wenn sie ein geringes Spiel gegenüber den Ringscheiben 6 und 8 erhalten.

Der Kolbenkörper 5 ist an seiner Innen-Ringfläche 5a auf axialbeabstandeter O-Ringen 7a, 7b abgestützt, die ihrerseits in ringförmige Nuten 7c und 7d so eingelegt sind, daß sie noch ein wenig radial hervorstehen, um mit der erwähnten inneren Ringfläche 5 in Kontakt zu treten.

Nachdem die O-Ringe 7a und 7b vollumfänglich elastisch ausgebildet sind, können sie sich auch unterschiedlich entlang ihrem Umfang verformen. Damit wird erreicht, daß der Kolbenkörper 5 sich sowohl in eine Richtung senkrecht zur Zentralachse 100 verlagern kann, was einer außermittigen aber parallelen (geraden) Kolbenführung 10 entspricht; aber auch eine Schrägverlagerung kann zugelassen werden, die in einer stärkeren Kompression des einen O-Ringes 7a auf der einen Häft seines Umfangs und einer stärkeren Kompression des davor angeordneten O-Ringes 7b auf der anderen Hälfte seines Umfanges entspricht. Dies ist eine nichtfluchtende, gegenüber der Zentralachse 100 leicht schräge Antriebswelle der Kolbenstange 10. Die ballige Ausformung an beiden axialen Stirnseiten des Kolbenkörpers 5 erleichtert die zuletzt erwähnte Verkippung des Kolbenkörpers 5.

Bei allen erwähnten Schrägführungen und Fluchtungsfehlern kann gleichwohl eine sichere Abdichtung des Kolbenkörpers 5 an der umfänglichen Zylinderhülse 20 erreicht werden (sie ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt). Dazu wird in seiner axialen Abmessung gegenüber dem Kolbenkörper 5 verkürzter Dichtungsring 2 ebenfalls schwimmend gelagert, und zwar auf zwei beispielhaften O-Ringen 3a und 3b. Sie haben einen geringeren axialen Abstand und sind in Nuten 3c und 3d eingelegt, die umfänglich so tief liegen, daß die erwähnte Ringdichtung 2 auch an der vorderen Stirnseite der ersten Nut 3d und der rückwärtigen Stirnseite der zweiten Nut 3c gehaltert ist. Die Ringdichtung 2 kann so eine dem ringförmigen Kolbenkörper 5 entgegengesetzte Verkippung erfahren, um fluchtend an der Innenwand der Kolbenhülse 20 anzuliegen, obwohl der Kolbenkörper 5 nicht konzentrisch oder nicht symmetrisch zur Hauptachse 100 ausgerichtet ist.

Zwei weitere Dichtungselemente (Vordichtung 1 und rückwärtige Nachdichtung 4) können am Umfang des Kolbenkörpers 5 vorgesehen sein.

Erwähnt werden soll noch die Montage des mehrteiligen Kolbens 5, 6, 6a, und 8 mit den elastischen lagernden Ausgleichskörpern 7a, 7b, 3a, 3b.

Dazu weist die Kolbenstange 10 eine vordere kurze Verjüngung auf, an der sich ein Gewinde 10b befinden kann. Mittels dieser Verjüngung entsteht als Passung zwischen Kolben- Grundkörper 6, 6a und Kolbenstange 10 ein ringförmiger Absatz 10a, an dem der Kolben-Grundkörper 6, 6a von stirnseitig anschlägt, wenn er auf die Kolbenstange 10 aufgesteckt wird. Ist ein Gewinde 10b vorgesehen, wird der Kolben-Grundkörper auf die Verjüngung aufgeschraubt. Nach Aufbringen (Aufstecken, Aufschrauben) und Einbringen der inneren Ausgleichsringe 7a und 7b in die mit ihnen korrespondierenden Ringnuten 7c und 7d kann der ringförmige Kolbenkörper 5 auf den Grundkörper aufgesteckt werden. Stirnseitig wir der Kolben- Grundkörper 5 von der danach ebenfalls auf den verjüngten vorderen Abschnitt der Kolbenstange 10 aufzusteckenden Ringscheibe 8 in Axrichtung festgelegt.

Claims (12)

1. Axial-Kolbenführung in Feststoff- oder Dickstoff-Pumpen (30)

• - mit einer - einen ringförmigen Kolbenkörper (5) vorderseitig tragenden - Kolbenstange (10), gegenüber der (10) der Kolbenkörper (5) auf seiner inneren Ringläche (5a) elastisch gelagert (7; 7a, 7b) ist, und
• - mit einer gegenüber der äußeren Ringfläche (5b) des ringförmigen Kolbenkörpers (5) elastisch gelagerten (3; 3a, 3b) Dichtung (2) zur Abdichtung gegenüber einer Kolbenkörper-Führungshülse (20) der Feststoff- oder Dickstoff-Pumpe (30).

2. Axial-Kolbenführung nach Anspruch 1, bei der der Kolbenkörper (5) zwischen Dichtung (2) und Kolbenstange (10) schwimmend gelagert ist.

3. Kolbenführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste und zweite elastische Lagerung mittels beabstandeter Ausgleichskörper (7; 7a, 7b; 3; 3a, 3b) ausgeführt ist.

4. Kolbenführung nach Anspruch 3, bei der die axiale Beabstandung der an der inneren (5a) und der äußeren (5b) Ringfläche angeordneten Ausgleichskörper (3; 7) unterschiedlich ist, insbesondere der Axial-Abstand der innenliegenden Ausgleichskörper (7a, 7b) größer ist.

5. Kolbenführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elastische Lagerung bzw. die axial beabstandeten Ausgleichskörper (7; 3) toroidförmige O-Ringe (7a, 7b; 3a, 3b) sind.

6. Kolbenführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halterung des Kolbenkörpers (5) in Axialrichtung mittels zweier ringscheibenartiger Halteelemente (6, 8) erfolgt.

7. Kolbenführung nach Anspruch 6, bei der die von dem Frontende der Kolbenstange (10) abgewandten Scheibe (6) mit einem ringförmigen Grundkörper (6a) integral verbunden ist, der auf eine entsprechende Passung (10a, 10b) am Frontende der Kolbenstnge (10) aufgebracht ist und einen größeren Außen- Durchmesser aufweist als die Kolbenstange (10).

8. Kolbenführung nach Anspruch 7, bei der die andere Scheibe (8) mittels einer Mutter (9), die auf ein stirnendig auf der Kolbenstange (10) angebrachtes Gewinde (10b) aufschraubbar ist, an den Grundkörper (6a) des aufsteckbaren Halters (6) axial fest andrückbar ist, um den Kolbenkörper (5) zwischen beiden Scheiben (6, 8) axial zu halten.

9. Kolbenführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elastische Lagerung oder die Ausgleichskörper (3a, 3b; 7a, 7b) in Ringnuten (7c, 7d; 3c, 3d) angeordnet sind, insbesondere für die innenliegende elastische Lagerung mit etwas weniger als der Hälfte ihrer Querschnittsabmessung aus den entsprechenden Nuten (7c, 7d) hervorstehen und für die äußere elastische Lagerung gegenüber der äußeren Ringfläche (5b) vertieft sind.

10. Kolbenführung nach Anspruch 9, bei der über den äußeren Ausgleichskörpern (3a, 3b) eine ringförmige Dichtung (2) so anbringbar ist, daß sie (2) wenigstens teilweise noch radial über die äußere Ringfläche (5b) des Kolbenkörpers (5) heraussteht.

11. Führung nach Anspruch 7, bei der die Passung (10a, 10b) am vorderen Bereich der Kolbenstange (10) eine stufige Durchmesserreduktion (10a) ist und der aufsteckbare Grundkörper (6a) eine ebensolche stufige Durchmesserreduktion (6b) in seinem vorderen Teilbereich aufweist, um eng anliegend vom Stirnbereich der Kolbenstange (10) auf diese aufgesteckt zu werden und mittels der Mutter (9) bzw. der zusätzlichen Scheibe (8) paßgenau und im wesentlichen konzentrisch befestigt zu werden.

12. Kolbenführung nach Anspruch 6 bis 11, bei der die radiale Abmessung der Scheibe(n) (6, 8) etwas geringer ist, als das radiale Maß der äußeren Ringfläche (5b) des ringförmigen Kolbenkörpers (5).