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Die Erfindung betrifft ein Hochdruckgefäß, insbesondere einen Zylinder
für eine Hochdruckformpresse, welches aus mehreren konzentrischen Bändern besteht.
Die Verwendung des Hochdruckgefäßes als Zylinder kommt dabei besonders für solche
Formpressen in Betracht, bei denen das zu verformende Werkstück bzw. der Werkstückrohling
ganz oder teilweise in einem abgeschlossenen Raum angeordnet ist und hierin zur
Einleitung der Verformungskräfte mit einer Druckflüssigkeit beaufschlagt wird.
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Hochdruckgefäße mit mehreren Wandschichten, insbesondere mit in mehreren
Lagen schraubenförmig gewickelten Bändern bestehenden Wänden, sind bekannt (z. B.
deutsche Patentschrift 1138 593, USA.-Patentschrift 2 652 943). Ein gemeinsames
Grundmerkmal dieser wie auch anderer mehrlagiger oder mehrschichtiger Wandkonstruktionen
besteht darin, daß die einzelnen Bandlagen oder Schichten in Umfangsrichtung mit
einer bestimmten Vorspannungsverteilung eingebaut werden, die sich im Betrieb mit
den durch den Innendruck hervorgerufenen Zugspannungen in der Behälterwandung überlagert.
Im allgemeinen werden die Schichten unter Zugspannung in der Weise aufgebracht,
daß die Schichten innerhalb der fertigen Behälterwand im Ruhezustand unter einer
von innen nach außen abnehmenden bzw. in eine zunehmende Zugspannung übergehenden
Druckspannung stehen. Bei Überlagerung mit den von innen nach außen abnehmenden
Betriebszugspannungen läßt sich auf diese Weise eine mehr oder weniger gleichmäßige
Zugspannungsverteilung über den Querschnitt der Behälterwand erreichen.
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Die geschichteten Wandkonstruktionen der angeführten Art sind mit
verschiedenen grundsätzlichen Nachteilen behaftet. Zunächst ist hierbei die Notwendigkeit
einer genauen Einstellung und Messung bzw. Überwachung der Zugvorspannung in der
jeweils zuletzt aufgebrachten Wandschicht zu beachten.
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Die hierzu erforderlichen Meßeinrichtungen und Kontrollen führen zu
einer Vergrößerung des Herstellungsaufwandes. Ein weiterer Nachteil, der sich insbesondere
bei größtmöglicher Ausnutzung der Werkstoffestigkeit ergibt und deshalb vor allem
für Höchstdruckgefäße von Bedeutung ist, besteht darin, daß die ungleichförmige
Spannungsverteilung über den Wandquerschnitt nicht vollständig vermieden, sondern
- wenn auch abgeschwächt - vom Betriebszustand in den Ruhezustand verlagert wird.
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Während der Herstellung q bzw. im Ruhezustand stehen nämlich z. B.
die inneren Wandschichten unter vergleichsweise hoher Druckspannung, die erst bei
der Überlagerung mit den Betriebszugspannungen abgebaut wird. Diese bei der Herstellung
auftretenden Druckspannungen können die Fließgrenze erreichen, was zum Teil bewußt
hervorgerufen wird, im allgemeinen jedoch die Einstellung eines definierten Spannungszustandes
erschwert und zur Materialüberlastung führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hochdruckgefäßes mit
geschichteter Wandung, bei dem weder im Ruhe- noch im Betriebszustand unzulässige
Spannungen auftreten. Diese Aufgabe wird bei einem Hochdruckgefäß der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bänder an ihren sich überlappenden Enden
formschlüssige Verbindungselemente aufweisen, zwischen denen bei drucklosem Gefäß
ein von dem äußeren Band nach dem inneren Band zunehmendes tangentiales Spiel
vorhanden
ist, derart, daß die Verbindungselemente und damit die konzentrischen Bänder beim
Aufbringen des Innendruckes nacheinander von außen nach innen zum Tragen kommen.
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Durch die erfindungsgemäße Wandkonstruktion wird erreicht, daß die
inneren Wandschichten bei zunehmendem Innendruck infolge der noch nicht in Formschluß
stehenden Verbindungselemente keine Tangentialspannung aufnehmen und zunächst nur
die Radialkraftübertragung zu den äußeren Wandschichten bewirken. Die Aufnahme der
durch den Innendruck bedingten Tangentialspannung in der Gefäßwandung beginnt also
an der äußersten Wandschicht, die infolge ihrer Umfangslänge die stärkste Dehnfähigkeit
bis zum Erreichen der zulässigen Werkstoffbeanspruchung aufweist. Nach entsprechender
Dehnung der äußersten Wandschicht wird das Spiel des Verbindungselementes der nach
innen folgenden Wandschicht überwunden, worauf letztere mit weiter ansteigendem
Innendruck zunehmend an der Aufnahme der Tangentialspannung teilnimmt. In dieser
Weise setzt sich die Lastaufnahme von den äußeren zu den inneren Wandschichten zunehmend
fort, bis - bei zweckentsprechender Abstufung des Spiels in den Verbindungselementen
- eine gleichmäßige Spannungsverteilung über sämtliche Wandschichten bzw. Bänder
erreicht ist. Der wesentliche Vorteil besteht hierbei darin, daß die gewünschte,
im allgemeinen gleichmäßige Spannungsverteilung nur durch entsprechende Bemessung
des Spiels in den Verbindungselementen festgelegt werden kann, ohne daß die einzelnen
Wandschichten mit Vorspannung aufgebracht werden müßten. Während der Herstellung
sowie im Ruhezustand ist die erfindungsgemäße Gefäßwandung spannungsfrei, so daß
keine Überlastungen eintreten können. In dieser Weise läßt sich grundsätzlich eine
beliebige endgültige Spannungsverteilung in den Bändern erreichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochdruckgefäßes
sind als Verbindungselemente an den Enden der Bänder korrespondierende Verzahnungen
vorgesehen. Mit solchen Verbindungselementen läßt sich durch vergleichsweise einfache
Formgebungsverfahren eine genaue Spielbemessung sowie eine gleichmäßige Anlage der
Druckflächen und damit eine gleichmäßige Tangentialsp annungsübertragung erreichen.
Zweckmäßig sind dabei ferner die Enden der Bänder gegensinnig abgeschrägt und an
ihren Schrägflächen mit den Verzahnungen versehen. Auf diese Weise läßt sich eine
gleichbleibende Radialstärke der Wandschichten im Einbauzustand erreichen, was für
die gleichmäßige Spannungsverteilung von Bedeutung ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochdruckgefäßes
ist das äußerste Band als ungeteilter Hohlzylinder ausgebildet. Hierdurch ergibt
sich eine Aufwandsverminderung sowie eine in vielen Fällen vorteilhafte äußere Abdichtung.
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Zweckmäßig kann ferner auf der Innenseite des innersten Bandes ein
Kernrohr vorgesehen werden, welches bei entsprechend dehnfähiger Ausbildung nur
unwesentlich an der Aufnahme von Tangentialkräften, sondern hauptsächlich an der
Radialdruckübertragung teilnimmt und im übrigen als Abdichtung für den z. B. mit
Flüssigkeit gefüllten Innenraum dient.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen veranschaulicht.
Hierin zeigt
F i g. l einen Längsschnitt einer Hochdruckformpresse
mit erfindungsgemäß ausgebildetem Zylinder, F i g. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II
in F i g. 1, F i g. 3 eine Profilansicht eines noch nicht gebogenen Bandes und F
i g. 4 die Verzahnungsabschnitte eines gebogenen Bandes im Eingriff.
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In ein Druckgefäß 11 ist ein Werkstück 10 eingesetzt, welches unter
hohem Druck durch eine Preßdiese 12 gepreßt werden soll.
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Das Druckgefäß 11 besteht aus einem Kernrohr 13, das von einer Mehrzahl
zylindrisch gebogener, konzentrisch angeordneter Bänder 16, 17 und 18 umgeben ist.
Kernrohr und Bänder sind zwischen einer oberen und unteren Platte 19 bzw. 20 mittels
Schrauben 21 axial eingespannt. Die obere Platte 19 weist an der Unterseite einen
ringförmigen Ansatz 22 auf, über den ein Dichtring 23 gegen die obere Stirnfläche
des Kernrohres 13 gepreßt ist. Mit dem radial äußeren Abschnitt seiner Stirnfläche
stößt der Ansatz 22 ferner gegen den inneren Rand der Stirnfläche des inneren Bandes
16. Im übrigen besteht zwischen den oberen Stirnflächen der Bänder und der unteren
Fläche der Platte 19 ein Spalt 24, welcher eine radiale Ausdehnung der Bänder ungestört
zuläßt. Eine zentrale Bohrung 26 durchsetzt die Platte 19 innerhalb des Ansatzes
22 und gestattet den Eingriff eines Druckstempels 28 in das Druckgefäß 11. Der Druckstempel
28 wird durch eine nicht näher dargestellte Presse 29 angetrieben.
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Auch die untere Platte 20 ist mit einer zentralen Bohrung 31 versehen,
durch welche ein die Preßdüse 12 tragender Gegenstempel 32 in den Druckraum eingreift.
Der Gegenstempel 32 stützt sich auf einer Sockelplatte 33 ab. Der Gegen stempel
32 kann mit der Platte 20 fest verbunden sein und trägt dann das gesamte Druckgefäß.
Zum Abschluß des Druckraums ist auch an der unteren Stirnfläche des Kernrohres 13
ein Dichtring 36 eingesetzt.
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In Verlängerung der Preßdüse 12 ist innerhalb des Gegenstempels 32
eine Bohrung 37 vorgesehen, in welche ein kleinerer, durch eine Dichtung 41 abgedichteter
Druckstempel 38 eingreift. Der Druckstempel 38 ist durch einen Hydraulikkolben 39
abgestützt, so daß die ebenfalls mit Druckflüssigkeit gefüllte, den aus dem Werkstück
10 geformten Strang aufnehmende Bohrung 37 unter einen vorgegebenen Gegendruck gesetzt
werden kann.
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Der Aufbau der Gefäßwand aus den Bändern 16, 17 und 18 ist in den
Fig. 2 bis 4 gezeigt. Vor der Biegung haben die Bänder, wie das in Fig. 3 dargestellte
Band 16, ein rhombusartiges Profil. Die parallelen Querschnittsseiten 42 und 43
bilden nach der Biegung die zylindrischen Wand- bzw. Zwischenflächen des Gefäßes,
während die keilförmig in einem spitzen Winkel gegen die erstgenannten Seiten zulaufenden
Querschnittsseiten 44 und 46 mit sägeförmigen Verzahnungen 47 bzw. 48 versehen sind.
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Die dargestellten Zähne haben im Profil die Form von rechtwinkligen
Dreiecken, jedoch können auch andere Zahnformen verwendet werden. Die Zahntiefe
ist so gewählt, daß jeder Zahnkopf jeweils am Grund der entsprechenden Zahnlücke
anliegt.
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Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Hypotenusenseiten 40 und 51
der Zähne 47 und 48 bei zusammengesetzter Verzahnung zur gegenseitigen Anlage kommen,
während zwischen den zur Bandlängsrichtung senkrechtenZahnflanken 53 und 54 ein
Spiel 52 besteht.
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In der Einbaulage der Bänder 16, 17 und 18 stehen die Verzahnungen
des äußeren Bandes 18 gemäß F i g. 2 ohne Spiel im gegenseitigen Eingriff, was schon
durch die nach der zylinderförmigen Biegung verbleibende, elastische Federkraft
des Bandes bewirkt wird. Das äußere Band kann deshalb auch durch einen geschlossenen
Hohlzylinder entsprechender Wandstärke ersetzt werden. Das nach innen folgende Band
17 wird in der Länge so bemessen, daß es durch das äußere Band 18 auf einen im Vergleich
zu dem Zustand bei anliegenden Zähnen etwas verringerten Durchmesser zusammengepreßt
wird. Hierdurch entsteht zwischen den radialen Flanken der Verzahnung des Bandes
17 ein Spiel 52'. In ganz entsprechender Weise ergibt sich zwischen den radialen
Zahnflanken des Bandes 16 durch Zusammenpressung seitens des Bandes 17 ein Spiel
52, welches etwas größer als das Flankenspiel 52' des Bandes 17 ist.
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Die Wirkungsweise der Bänder und der Verzahnungen ist folgende: Bei
Zunahme des Innendrucks im Zylinder 11 dehnt sich zunächst das Kernrohr 13 aus und
preßt die Bänder 16, 17 und 18 radial gegeneinander. Infolge des Spiels in den Verzahnungen
der Bänder 16 und 17 wird dieser Radialdruck zunächst von dem äußersten Band 18
in Form entsprechender Tangentialspannungen aufgenommen. Auf die Bänder 16 und 17
wird dabei zunächst nur die durch die Reibung zwischen den geneigten rückwärtigen
Zahnflanken bedingte Tangentialkraft übertragen. Bei weiterer Druckzunahme und Ausdehnung
des Bandes 18 kommen die radialen Zahnflanken des Bandes 17 zur gegenseitigen Anlage,
so daß die weitere Zunahme der Tangentialkraft in der Zylinderwand nun von diesem
Band mit aufgenommen wird. Entsprechendes gilt bei weiterem Druckanstieg für das
innerste Band 16, sobald dessen Zahnspiel 52 geschlossen ist. Die gesamte, vom Innendruck
erzeugte Tangentialkraft innerhalb der Zylinderwand wird dann von allen Bändern
aufgenommen. Infolge der durch Flankenspiel und Längenabmessung der Bänder einstellbaren
Reihenfolge der Kraftaufnahme läßt sich eine gleichmäßige oder eine andere gewünschte
Belastung der einzelnen Bänder erreichen.