DE19906733A1 - Dichtungssystem für Kolben-Zylinder-Einheiten - Google Patents

Abstract

Ein Dichtungssystem für Kolben-Zylinder-Einheiten umfaßt ein erstes Maschinenelement (Zylinder 14), das dicht auf einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche (18) eines zweiten Maschinenelementes (Kolbenstange 12) läuft. In dem ersten Maschinenelement ist ein im wesentlichen ringförmiger Einbauraum (20) für eine Mehrzahl von axial nebeneinander liegenden Dichtungselementen (34, 42-48) vorgesehen. Von diesen ist mindestens ein erstes (42-48) im Axialschnitt V-förmig ausgebildet (Dachmanschette). Das mindestens eine erste Dichtungselement (42-48) ist faserfrei ausgebildet. Ein zweites Dichtungselement (34) ist als Dichtringsatz (36, 38) ausgebildet, bei dem in einem weicheren Dichtring (36) ein härterer und abriebfester Gleitring (38) eingesetzt ist und der Dichtring (36) neben dem Gleitring (38) in eine schmale Dichtlippe (40) ausläuft (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem für Kolben-Zylinder- Einheiten, bei dem ein erstes Maschinenelement, bspw. ein Zy­ linder, dicht auf einer im wesentlichen zylindrischen Oberflä­ che eines zweiten Maschinenelementes, bspw. einer Kolbenstange oder eines Kolbens, läuft und in dem ersten Maschinenelement ein im wesentlichen ringförmiger Einbauraum für eine Mehrzahl von axial nebeneinanderliegenden Dichtungselementen vorgesehen ist, von denen mindestens ein erstes im Axialschnitt V-förmig ausgebildet ist.

Dichtungssysteme der vorstehend genannten Art sind allgemein bekannt. Sie werden in der Fachsprache auch als "Dachmanschetten-Dichtungssysteme" bezeichnet. Die im Axial­ schnitt V-förmigen Dichtungselemente ("Dachmanschetten") beste­ hen aus einem vulkanisierten Textilgewebe. Bei der Herstellung dieser Ringe wird das Textilgewebe in einer Gummilösung ge­ tränkt und dieser Verbund dann gemeinsam vulkanisiert.

Für herkömmliche Dichtungssysteme wird z. B. in eine Ringnut, die sich in der zylindrischen Innenoberfläche eines Zylinders befindet, eine Mehrzahl derartiger Dachmanschetten nebeneinan­ der eingelegt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß mit­ tels eines geeigneten Andrückringes die Dachmanschetten nach dem Einbau in Axialrichtung komprimiert werden. Infolge dieser Axialkraft weichen die Dachmanschetten nach Art einer Stopf­ büchse radial aus und legen sich unter Druck an die ebenfalls zylinderförmige Außenoberfläche der Kolbenstange (bzw. des Kol­ bens) an, die in dem Zylinder läuft.

Obwohl derartige Dachmanschetten-Dichtungssysteme weit verbrei­ tet sind, haben sie den Nachteil, daß sie im Langzeitgebrauch nachhaltig zerstört werden. Diese Zerstörung beginnt im allge­ meinen damit, daß der auf der Oberfläche der Kolbenstange ent­ lang gleitende Rand der Dachmanschette umgefaltet wird, insbe­ sondere bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten der Kolbenstange, so daß dann ein Ablöseprozeß stattfindet. Es sind auch Zerstö­ rungsprozesse durch sonstige Gewebeablösungen z. B. infolge von Trockenlauf, expandierender Luft oder dgl. bekannt.

Wenn ein Dachmanschettensystem der vorstehend beschriebenen Art verschlissen ist, muß die gesamte Kolben-Zylinder-Einheit außer Betrieb gesetzt und demontiert werden. Nachdem der Kolben oder die Kolbenstange aus dem Zylinder herausgezogen wurde, kann man das Dachmanschettensystem aus der Ringnut im Zylinder entfernen und gegen ein neues Dichtungssystem ersetzen.

Diese Arbeiten sind außerordentlich aufwendig und zeitraubend und umso schwieriger auszuführen, je schlechter die Kolben- Zylinder-Einheit zugänglich ist. Darüber hinaus haben die da­ durch bewirkten Stillstandszeiten der Kolben-Zylinder-Einheit in der Regel erhebliche wirtschaftliche Folgen, weil Kolben- Zylinder-Einheiten typischerweise nur ein Teil, nämlich ein Be­ tätigungselement einer komplexeren Anlage sind, die dann eben­ falls stillgesetzt werden muß. So werden Kolben-Zylinder- Einheiten typischerweise im Schwermaschinenbau eingesetzt, bspw. bei Gießzylindern in Stranggußanlagen, bei hydraulischen Pressen, bei Stanz- und Ziehanlagen, aber auch bei Kränen, schweren Bau- und Tiefbaumaschinen sowie bei Schleusen und Stauwehren im Wasserbau.

Es ist leicht einsehbar, daß erhebliche wirtschaftliche Schäden entstehen, wenn ein verschlissenes Dichtungssystem bei einer Kolben-Zylinder-Einheit einer derartig komplexen Anlage ausge­ tauscht werden muß.

Herkömmliche Dachmanschetten-Dichtungssysteme haben darüber hinaus den Nachteil, daß vor allem im Neuzustand und bei hoher Vorspannung ein Rattern beim Verfahren z. B. einer Kolbenstange in einem Zylinder auftritt, weil das Dichtsystem während des Verfahrvorganges abschnittsweise gleitet und klemmt (sogenannter "Stick-Slip-Effekt"). Dieses Phänomen trägt sei­ nerseits weiter zum Verschleiß des Dichtungssystems bei.

Aus der DE 24 61 455 C ist eine Dichtung, insbesondere für hy­ draulisch betätigte Zylinderkolben und Kolbenstangen bekannt. Bei dieser bekannten Dichtung, die in der Fachwelt auch als "TDI-Dichtung" bezeichnet wird, liegt in einem ringförmigen Einbauraum ein Dichtringsatz. Der Dichtringsatz besteht aus ei­ nem weicheren, elastischen Dichtring und einem darin gelagerten härteren, abriebfesten und radial verhältnismäßig dünnen Gleit­ ring. Der Gleitring liegt auf der Kolbenstangenoberfläche auf, ebenso wie der Dichtring, der den Gleitring auf beiden axialen Seiten umfaßt. Auf einer dieser beiden axialen Seiten ist der Gleitring als verhältnismäßig dünne Dichtlippe ausgebildet. Der Gleitring ist dabei an der der Dichtlippe zuweisenden Seite üb­ licherweise mit einer Ausnehmung versehen.

Derartige bekannte Dichtungen mit Dichtringsatz sind ebenfalls weit verbreitet. Sie stoßen jedoch an Grenzen, wenn die Seite des Dichtringes, auf der sich die Dichtlippe befindet, und die üblicherweise der Hochdruckseite der Kolben-Zylinder-Einheit zugewandt ist, einem sehr hohen Druck ausgesetzt wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungssystem der eingangs genannten Art dahingehend weiter­ zubilden, daß die vorstehend genannten Nachteile vermieden wer­ den. Insbesondere soll erreicht werden, daß eine reibungsarme und stick-slip-freie Dichtung zur Verfügung gestellt wird, die auch bei hohen Drücken auf der Hochdruckseite einsetzbar ist, eine wesentlich längere Lebensdauer als bekannte Dachmanschet­ ten-Dichtungssysteme aufweist und schließlich in einfacher Wei­ se in bereits im Einsatz befindliche Kolben-Zylinder-Einheiten eingebaut werden kann, wenn infolge Verschleißes eines herkömm­ lichen Dachmanschetten-Dichtungssystems ohnehin ein Austausch erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Dichtungssystem der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das mindestens eine erste Dichtungselement faserfrei ausgebildet ist und daß ein zweites Dichtungselement als Dichtringsatz ausgebildet ist, bei dem in einen weicheren Dichtring ein härterer und abriebfe­ ster Gleitring eingesetzt ist und der Dichtring neben dem Glei­ tring in eine schmale Dichtlippe ausläuft.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Erfindungsgemäß wird nämlich ein Dichtungssystem zur Verfügung gestellt, das von den äußeren Abmessungen her identisch mit denjenigen herkömmlicher Dachmanschetten-Dichtungssysteme aus­ gestaltet werden kann. Das erfindungsgemäße dachmanschettenar­ tige Dichtungssystem kann daher ohne weiteres bei einem Aus­ tausch eines verschlissenen herkömmlichen Dachmanschetten- Dichtungssystems gegen dieses ausgetauscht werden.

Die Verwendung des an sich bekannten Dichtringsatzes mit wei­ cherem Dichtring und härterem, abriebfestem Gleitring hat den Vorteil, daß ein längerlebiges Dichtungssystem zur Verfügung gestellt wird, das auch beim Langzeitgebrauch reibungsarm und stick-slip-frei läuft. Der Benutzer des erfindungsgemäßen dach­ manschettenartigen Dichtungssystems braucht dabei nicht auf die gewohnten dachmanschettenförmigen Dichtungselemente zu verzich­ ten, auch wenn diese im Rahmen des erfindungsgemäßen Dichtungs­ systems eine andere Funktion ausüben als bei herkömmlichen Dachmanschetten-Dichtungssystemen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben die im Axialschnitt V-förmig ausgebildeten Dichtungselemente nämlich keine ausschließliche Dichtungsfunk­ tion sondern vielmehr eine Führungsfunktion für den Dich­ tringsatz und insbesondere eine Druckmindererfunktion, wenn die im Axialschnitt V-förmigen Dichtungselemente zwischen dem Dicht­ ringsatz und der Hochdruckseite der Kolben-Zylinder-Einheit angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen dach­ manschettenartigen Dichtungssystems besteht das erste Dichtung­ selement aus massivem Kunststoff, insbesondere aus einem Polyu­ rethan, einem Nitrilkautschuk oder einem Fluorelastomer.

Diese Werkstoffe haben sich als besonders vorteilhaft im vor­ liegenden Zusammenhang erwiesen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Dichtungselement in einer ersten axialen Endposition des Ein­ bauraumes angeordnet. Diese erste axiale Endposition ist vor­ zugsweise die von der Hochdruckseite der Kolben-Zylinder- Einheit weg weisende Endposition.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das zweite Dichtungselement auf der Niederdruckseite betrieben werden kann, wobei die zwi­ schen dem zweiten Dichtungselement und der Hochdruckseite lie­ genden ersten Dichtungselemente eine Druckmindererfunktion aus­ üben, so daß die Dichtlippe des zweiten Dichtungselementes nur einem verhältnismäßig niedrigen Druck ausgesetzt wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung dieser Variante ist an einer der ersten axialen Endposition gegenüberliegenden zweiten axialen Endposition des Einbauraumes ein Stützring an­ geordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch Vorsehen des Stütz­ ringes eine Längenanpassung möglich ist, wenn nämlich Stützrin­ ge mit unterschiedlichen axialen Abmessungen eingesetzt werden, um unterschiedliche axiale Abmessungen des Einbauraumes im Hin­ blick auf die Dichtungselemente zu kompensieren.

Obwohl bei dem erfindungsgemäßen dachmanschettenartigen Dich­ tungssystem eine axiale Vorspannung der Dichtungselemente im Gegensatz zu herkömmlichen Dachmanschetten-Dichtungssystemen nicht erforderlich ist, kann es im Einzelfall zweckmäßig sein, z. B. die Druckminderungswirkung der ersten Dichtungselemente durch eine, allerdings sehr viel geringere axiale Vorspannung einzustellen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der bei­ gefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Axialschnitt, stark schematisiert, durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen dachman­ schettenartigen Dichtungssystems;

Fig. 2 zum Vergleich ein entsprechendes Dichtungssystem in Dachmanschetten-Bauart nach dem Stand der Technik.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt eine Kolben-Zylinder- Anordnung, wie sie z. B. im Schwermaschinenbau eingesetzt wird, also bspw. bei Gießzylindern in Stranggußanlagen, bei hydrauli­ schen Pressen, Zugzylindern, Stanz- und Ziehanlagen und dgl. Derartige Kolben-Zylinder-Anordnungen werden aber auch z. B. im Wasserbau eingesetzt, um Schleusentore oder Tore in Staudämmen zu betätigen. Darüber hinaus werden derartige Kolben-Zylinder- Anordnungen auch bei Kränen, Baumaschinen, Tiefbaumaschinen, Tunnelbohrmaschinen und dgl. eingesetzt.

Bei Kolben-Zylinder-Anordnungen der vorstehend genannten Art sind hohe Verfahrgeschwindigkeiten erwünscht. Dabei soll eine maximale Dichtfunktion zwischen Kolben bzw. Kolbenstange und Zylinder gewährleistet sein, und zwar auf möglichst einfache Weise. Es wird ferner angestrebt, daß der Betrieb des Dich­ tungssystems stick-slip-frei erfolgt, also ohne eine ratternde Bewegung z. B. einer Kolbenstange im Zylinder.

Da Kolbenstangen heutzutage häufig feinstbearbeitet und auch mit keramisch, z. B. mit einem Metalloxid, beschichteten Ober­ flächen versehen sind, müssen Dichtungssysteme für derartige Anordnungen auch für diese Einsatzfälle geeignet sein.

Bei der Anordnung 10 gemäß Fig. 1 ist mit 12 ein Kolben oder eine Kolbenstange angedeutet, die in einem Zylinder 14 läuft. Der Zylinder 14 weist einen nur abgebrochen dargestellten Zy­ linderkörper 16 auf, der die zylindrische Oberfläche 18 der Kolbenstange 12 umgibt.

Der Zylinderkörper 16 ist an seiner Innenseite mit einem ring­ förmigen Einbauraum 20 versehen. Der Einbauraum 20 wird an den axialen Enden teilweise von herkömmlichen Dicht- und Führungs­ ringen 22, 24 begrenzt. In Fig. 1 befindet sich die Hochdruck­ seite der Anordnung 10 rechts und die Niederdruckseite links. Auf der Niederdruckseite läuft der linke Dicht- und Führungs­ ring 24 in einen schrägen Abstreifer 26 aus, wie dies an sich bekannt ist.

Die in Fig. 1 linke Endposition des ringförmigen Einbauraumes 20 wird darüber hinaus durch ein ringförmiges Andrückelement 28 begrenzt, das mit einem Vorsprung 30 einen Teil der radialen Stirnfläche am linken Ende des ringförmigen Einbauraumes 20 be­ stimmt. Es muß jedoch bereits an dieser Stelle darauf verwiesen werden, daß das Andrückelement 28 nur fakultativ vorhanden ist, im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, wie noch erläutert werden wird, ein axiales Andrücken nämlich nicht zwingend er­ forderlich.

Das Andrückelement 28 ist im Zylinderkörper 16 mittels Schrau­ ben 32 befestigt.

Im Einbauraum 20 befindet sich auf der Niederdruckseite, also links, ein sogenanntes TDI-Dichtungselement 34. Das Dichtungs­ element 34 umfaßt einen Dichtring 36, der vorzugsweise aus einem weicheren Werkstoff, also z. B. einem Elastomer, besteht. Der Dichtring 36 umgibt einen Gleitring 38 aus härterem, gut gleitfähigen Material, vorzugsweise einem PTFE-Compound. Der Dichtring 36 umschließt den Gleitring 38 auf beiden axialen Seiten, wobei er auf der in Fig. 1 rechten Seite in eine Dicht­ lippe 40 ausläuft.

Das Dichtungselement 34 ist als Dichtringsatz an sich bekannt und z. B. in der bereits eingangs erwähnten DE 24 61 455 C be­ schrieben.

Rechts vom Dichtungselement 34 befinden sich insgesamt vier im Axialschnitt V-förmige Dichtelemente, die somit im üblichen Sprachgebrauch "dachmanschettenförmig" ausgebildet sind. Die Dichtelemente 42 bis 48 bestehen jedoch im Gegensatz zu klassi­ schen Dachmanschetten nicht aus einem vulkanisierten Textilge­ webe, sondern sind vielmehr faserfrei aus massivem Kunststoff gefertigt. Hierfür kommen bei Standardanwendungen Polyurethane (PUR) in Betracht, für Sonderfunktionen kann man auch einen Ni­ trilkautschuk verwenden, wie er unter der Bezeichnung NBR im Handel ist oder auch ein Fluorelastomer, wie es z. B. unter dem eingetragenen Markennamen "VITON" der Firma Dupont erhältlich ist.

Nach rechts wird die Anordnung im Einbauraum 20 noch durch ei­ nen Stützring 50 komplettiert, der ebenfalls aus einem massiven Kunststoff besteht. Der Dichtring 50 kann axial unterschiedli­ che Abmessungen haben, so daß je nach Anwendungsfall bei vorge­ gebenem Einbauraum 20 eine gewünschte Anzahl von Dichtelementen 42-48 eingesetzt werden kann.

Die Dichtelemente 42-48 haben im wesentlichen ebenfalls eine Füllfunktion. Sie haben jedoch darüber hinaus eine technische Funktion dahingehend, daß der von der Hochdruckseite her auf die Anordnung einwirkende Hydraulikdruck durch die mehrstufige Anordnung der mehreren Dichtelemente schrittweise gemindert wird, so daß die Dichtlippe 40 nur noch einem verhältnismäßig geringen hydraulischen Druck ausgesetzt wird. Diese Funktion kann man bei Bedarf dadurch einstellen, daß man über das An­ drückelement 28 einen gewissen, allerdings sehr geringen axia­ len Druck auf die Dichtelement 42-48 ausübt. Außerdem können die Dichtelemente 42-48 eine radiale Führungsfunktion aus­ üben.

Zur Veranschaulichung und zum Vergleich mit dem Stand der Tech­ nik ist in Fig. 2 ein herkömmliches Dachmanschetten- Dichtungssystem dargestellt.

In demselben Einbauraum 20' befindet sich dabei eine Anordnung, die links von einem Druckring 60 gebildet wird, an den sich nach rechts abwechselnd eine Gewebemanschette 62, eine Gummi­ manschette 64, wieder eine Gewebemanschette 66, erneut eine Gummimanschette 68 und dann ein weiteres Mal eine Gewebeman­ schette 70 anschließen, wobei die Anordnung nach rechts eben­ falls durch einen Stützring 72 komplettiert wird.

Bei dieser Anordnung nach dem Stand der Technik ist das An­ drückelement 28' zwingend erforderlich, weil zur Funktion der Manschetten 62-70 ein erheblicher axialer Druck ausgeübt wer­ den muß, der die im Axialschnitt V-förmigen Dachmanschetten in radialer Richtung ausweichen läßt, so daß sie nach Art einer Stopfbüchse die gewünschte Dichtfunktion herstellen.

Wenn die in Fig. 2 dargestellte herkömmliche Anordnung aus den eingangs geschilderten Gründen verschlissen ist, wird die Kol­ ben-Zylinder-Anordnung demontiert und die verschlissenen Man­ schetten 62-70 und Ringe 60, 72 werden aus dem Einbauraum 20' entfernt. Man kann dann ohne weitere bauliche Veränderungen das erfindungsgemäße dachmanschettenartige Dichtungssystem gemäß Fig. 1 einbauen, das dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Sy­ stem an Dichtigkeit und vor allem an Lebensdauer weit überlegen ist.

Versuche haben ergeben, daß mit dem erfindungsgemäßen dachman­ schettenartigen Dichtungssystem im Temperaturbereich zwischen -30°C und +120°C Gleitgeschwindigkeiten von 1 m/s und darüber erzielbar sind, wobei auch im Langzeitgebrauch kein Verschleiß festgestellt werden konnte.

Claims (10)

1. Dichtungssystem für Kolben-Zylinder-Einheiten, bei dem ein erstes Maschinenelement dicht auf einer im wesentli­ chen zylindrischen Oberfläche (18) eines zweiten Maschi­ nenelementes läuft und in dem ersten Maschinenelement ein im wesentlichen ringförmiger Einbauraum (20) für eine Mehrzahl von axial nebeneinander liegenden Dichtungsele­ menten (34, 42-48; 62-70) vorgesehen ist, von denen mindestens ein erstes (42-48; 62-70) im Axialschnitt V-förmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine erste Dichtungselement (42-48) fa­ serfrei ausgebildet ist und daß ein zweites Dichtungsele­ ment (34) als Dichtringsatz (36, 38) ausgebildet ist, bei dem in einen weicheren Dichtring (36) ein härterer und abriebfester Gleitring (38) eingesetzt ist und der Dich­ tring (36) neben dem Gleitring (38) in eine schmale Dichtlippe (40) ausläuft.

2. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dichtungselement (42-48) aus massivem Kunststoff besteht.

3. Dichtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Polyurethan, ein Nitrilkautschuk oder ein Fluorelastomer ist.

4. Dichtungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dichtungse­ lement (34) in einer ersten axialen Endposition des Ein­ bauraumes (20) angeordnet ist.

5. Dichtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste axiale Endposition die von der Hochdruck­ seite weg weisende Endposition ist.

6. Dichtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einer der ersten axialen Endposition ge­ genüberliegenden zweiten axialen Endposition des Einbau­ raumes (20) ein Stützring (50) angeordnet ist.

7. Dichtungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe (40) dem mindestens einen ersten Dichtelement (42-48) zu weist.

8. Dichtungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei erste Dichtelemente (42-48) nebeneinander verwendet werden.

9. Dichtungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Ausüben ei­ nes axial gerichteten Drucks auf die nebeneinander lie­ genden Dichtungselemente (34, 42-48) vorgesehen sind.

10. Dichtungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Maschi­ nenelement ein Zylinder (14) und das zweite Maschinenele­ ment (12) eine Kolbenstange oder ein Kolben sind.