Ein Neues Schnellverbindungs-System

Ein Neues Schnellverbindungs-System received 20 September

K A Schwedtmann,

1974 Schweizerisches

lnstitot fiir Nuklearforschung,

Villigen AG z Zt Contraves AG, Ziirich ZH, Switzerland

A fast coupling system for high vacuum is described. The coupling is based on a link-chain system with conical connectors and conical throwover flanges. A table, based on the PneuropNorm, presents the data for flanges and chains in the range from 50 to 500 mm nominal bore-dimensions. All parts are fully compatible to the Pneurop-Norm. A calculation of the chain forces and a large number of test results are given. The final part of the article shows a remote operated coupling and a fast bellow joined. The system is successfully used in the 160 m vacuumbeam line of the Swiss Institute for Nuclear Research.

1. Einleitung

(2) Rostfreies-Flanschsystem

Das Schweizerische Institut fiir Nuklearforschung in Villigen (AG) kurz SIN genannt, plant, entwickelt, und baut einen Protonenbeschleuniger von cu. 600 MeV und 100 PA externen Strahl zur Produktion von Mesonen. Fiir diesen Prim&-Strahl (cu. 60 m) und fiir alle SekundHr-Strahlen (cu. 100 m) wurde nach einem neuen Konzept fiir das Vakuumsystem gesucht. Die ersten Ueberlegungen fiir die Entwicklung einer Schnellschlussverbindung reichen bis ins Jahr 1971 zuriick. Damals wurden die Grundlagen fiir die Auslegung des Vakuumsystems von der Extraktion an festgelegt. Das Pflichtenheft bestand in der Hauptsache aus folgenden Forderungen : (1) Durch die zu erwartenden hohen Strahlenpegel innerhalb des Protonenkanals wurde ein Ganzmetall-System gefordert, urn damit die Zuverlhsigkeit des Vakuums zu steigern. (2) Bedingt durch Punkt 1 wurde es notwendig, dieses System schnell zu handhaben, d.h. bei einem evt. auftretenden Vakuumleck entweder ein schnelles Austauschen der Komponente vorzunehmen, oder die entsprechende Leekstelle schnell zu reparieren. Schnell bedeutet hier eine GrGssenordnung von Minuten mit sehr grosser Zuverllssigkeit. An allen zuggnglichen Stallen im p-Kanal wurde eine min. Aufenthaltsdauer von 15 Min. angenommen. (3) Da man bereits im Injektionsweg das Pneurop-System verwendet hatte, allerdings in Al und mit Gummidichtung, wurde gewiinscht, such im p-Kanal auf dieses System aufzubauen und miiglichst mit wenigen verschiedenen Nennweiten auszukommen (Lagerhaltung). haben wesentlich grassere Nenn(4) Die Sekundlr-Strahlen weiten. Trotzdem sollte das System such filr diese Strahlen angewendet werden. Hierbei ist es wiinschenswert, nur die ersten paar Meter in Ganzmetall auszustatten (zungchst Strahlenbelastung, dann Zuggnglichkeit), und danach fiir die Experimentatoren auf ein herkiimmliches System (z.B. Gummi und Al-Flanschen) ohne eine grosse Aenderung umzuschalten. Nach diesem Pllichtenheft wurde eine Studie iiber den linanziellen Einsatz gemacht, bei der vier Varianten durchgerechnet wurden. (1) Al-Flanschsystem und Gummidichtungen wie sie im Injektionsweg Verwendung finden.

(3) Al-Flanschsystem

Vacuum/volume 25/number 3.

Pergamon Press LtdlPrinted

und Gummidichtungen.

und Metalldichtungen.

(4) Rostfreies-Flanschsystem

und Metalldichtungen.

Es zeigte sich bei dieser AbschPtzung, dass die Kosten vom System mit Gummidichtung zu dem mit Metalldichtung sprunghaft ansteigen, der Unterschied von Al auf Rostfrei aber nur Mehrkosten von cu. 15% verursacht. Strahlenschutzberechnungen zeigten ausserdem, dass die Strahlung von den aktivierten Materialien im Pegel keine starke Verschiebung zu Ungunsten von Rostfreiem-Stahl zeigt. Dieses Ergebnis stimmt nur fi.ir die speziellen Umsttinde am SIN und ist nicht zu verallgemeinern. Deshalb wurde Rostfreier-Stahl gewtihlt, da das System ausserdem such technisch einfacher zu realisieren ist.

2. Alternativen auf dem Markt und erste Versuche Es sind einige weitere Randbedingungen am SIN in Erinnerung zu rufen.

des Vakuumsystems

(1)

Das Vakuum ist nicht gerade kritisch fiir eine Ganzmetallverbindung (10-4-10-6 Torr). In den Sek.-Strahlen sogar nur 10-2-10-3 Torr.

(2)

Aus diesem Grund ausgeheizt werden.

brauchen

die Komponenten

(3) Es handelt sich nur urn kreisfiirmige nahme am Strahlfgnger).

nicht

Flansche (eine Aus-

2.1 Bekannte Systeme auf dem MarkL Das CERN hat aus gegebenem Anlass eine Untersuchung iiber GanzmetallVerbindungen gemacht. Es sind darin i&r 50 verschiedene Verbindungen aufgefiihrt, aber leider zeigt sich such bald, dass jedes dieser Systeme sich nur fiir sehr spezifische Anwendungen eignet. Hierbei sind die Verbindungsart und die Dichtungsart auseinander zu halten. Als mijgliche Verbindungsarten fiir eine Schnellverbindung existieren alle Arten von V-Band-Klammern und Hakenverbindungen. Die Hakenverbindungen (z.B. Pneurop) haben den Nachteil, dass man bei den sehr hohen spez. PresskrLften fiir Metalldichtungen eine grosse Anzahl (fiir die NW 160 mehr als acht) beniitigt, und damit der Effekt der ‘schnellen’ Verbindung verloren geht.

in Great Britain

97

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Bei den V-Band-Klammern kann man unterscheiden zwischen solchen mit festen Gliedern und Scharnieren (z.B. CERN) und solchen mit flexiblen Bandern. Prinzipiell hat die V-BandVerbindung folgende Voteile : (1) Eine wirkliche schnelle Verbindung, da nur em bis max. drei Schrauben am Umfang befestigt werden miissen. (2) Bei vielen Systemen ist die Klammer aufklappbar, d.h. sie kann iiber das zusammengesetzte Rohr geklappt werden. (3) Die Konusflanschen gewahren durch ihren Winkel von cu. 20” eine gute Kraftiibersetzung, dadurch werden die notigen Krafte an der Dichtung gewahrleistet. Bei den Dichtungsarten sind ganz grob Flachdichtungen und Formdichtungen zu unterscheiden. Die Flach- und such Drahtdichtungen haben den Nachteil sehr hoher Dichtkrlfte (200-600 kp pro cm Dichtung), was zu enorm schweren Verbindungselementen fiihrt. Die Formdichtungen haben normalerweise diese Nachteile nicht, dafiir ist ihr Preis sehr vie1 hoher (teilweise mehr als 100 fach). Als vertretbaren Kompromiss diirfen hier C- und 0-Ring-Dichtungen genannt werden. Im Rahmen dieses Berichts muss dieser kurze Ausflug in den kommerziellen Teil geniigen, er ist jedoch fur die weiteren Gedanken notwendig. 2.2 Versuche mit V-Band-Kupplung und Metall-0-Ringen. Die Ueberlegungen im letzten Abschnitt fiihrten Ende 1971 dazu, einige Versuche mit handelsiiblichen V-Band-Kupplungen und Dichtungselementen durchzufiihren. Da der Metall-O-Ring eine spezielle Ausbildung der Dichtflachen bedarf, war eine Kombination mit dem Pneurop-System nicht ohne Schwierigkeiten moglich. Es wurde such eine Verbindung der NW 300 hergestellt und getestet. Zur Gewahrleistung von Vakuumdichtheit mtissen die 0-Ringe beschichtet werden. Aber such eine Beschichtung mit Silber oder Indium brachte nicht den gewiinschten Erfolg. Ausserdem kiinnen die 0-Ringe nur einmal verwendet werden. Am CERN wurden dann noch mehrere Versuche mit der V-Band-Kupplung (NW 160) durchgeftihrt. Es wurde eine Kupplung der Fa. Aeroquip mit mehreren anderen Fabrikaten verglichen. Die Kupplung zeigte die besten Resultate und hatte bei einer mittleren Presskraft von 35 kp/cm Dichtlange an 2 Schrauben am Umfang ein Drehmoment von I,7 m kp. Bei diesen Versuchen zeigte sich dann such der Nachteil der V-Band-Kupplungen bei der Anwendung mit Metalldichtungen. Die Druckverteilung der Kupplung am Umfang ist sehr unterschiedlich. Bei der CERN-Klammer mit Scharnieren betragt die Verteilung bis 4: 1 zwischen dem Schraubpunkt und dem gegeniiberliegenden. Bei Kupplungen mit flexiblen Bandern, die Krlfte bis 100 kp/cm ertragen haben, ist die Verteilung zwar besser, sie konnte aber nicht unter 15: 1 mit Schmierung gebracht werden. Als Ergebnis der am SIN und CERN durchgeftihrten Versuche mit V-Bandern darf gefolgert werden, dass die negativen Seiten fur unseren Fall zu gross waren. Es gibt keine kaufliche Verbindung, die das Pflichtenheft erftillt, deshalb musste an eine Eigenentwicklung gedacht werden. 3. Die Beschreibung des Kettensystems Durch verschiedene Entwicklungsstadien wurde dann die Ketten-Schnellverbindung zur Prototypreife entwickelt und sehr ausgiebigen Tests unterworfen. Die Vorteile seien hier kurz gegeniiber der V-Band-Verbindung aufgezeichnet. 98

(1) Metrische Abmessungen und Durchmesserwahl in weiten Bereichen frei wahlbar. Dadurch leichte Anpassung an Pneurop-Grundflansch. (2) Nur durch die Zahl der Kettenglieder bei gleichbleibendem Verschluss konnen mehrere Nennweiten iiberstrichen werden. Das heisst sogar, dass man eine Kette grosserer NW fur einen Flansch kleinerer NW verwenden kann (einfache Lagerhaltung, kleine Herstellungskosten). (3) Es sind am Umfang immer mehr Rollen als vergleichsweise beim Ueberwurfflansch Schrauben vorhanden. Dadurch homogenere Kraftverteilung am Umfang, kleinere spezifische Flachenkrafte. (4) Durch die Verwendung von Rollen, die sich beim Anziehen drehen, wird die Reibung sehr klein gehalten und dadurch eine ausserst homogene Pressung am Umfang erreicht. Dadurch widerum braucht such bei grossen NW nur ein Verschluss am Umfang vorgesehen zu werden. des Systems ist so einfach, dass kein (5) Die Handhabung Fachpersonal benotigt wird, was bei anderen Ganzmetallverbindungen unumganglich ware. (6) Prinzipiell ist das System nicht auf Vakuum mit Metalldichtungen beschrankt. Durch den guten Wirkungsgrad IHsst sich die Verbindung bei Gummidichtung such fur grosse NW mit einer Fliigelmutter dichten. Auch ist das System fur Ueberdruckleitungen verwendbar. (7) Prinzipiell ist ein Ausheizen bis 250°C mit Al-Dichtungen moglich. Als Nachteil gegeniiber der V-Band-Verbindung ist zu bemerken, dass sowohl Rollen als such Konusringe oberflachengehartet sein mussen, damit nicht durch Hineinquetschen der Rollen in die Flanschoberflasche grosse Reibung zu iiberwinden ist. Dadurch wiirde eine sehr ungleichmassige Pressung am Umfang eintreten.

3.1 Die Al-Kantendichtung. 3.1.1 Allgemeine Anforderungen und Materialwahl. Aus der Literatur ist bekannt, dass man Schneidkanten als Vakuumdichtleisten ausbilden kann. Die zum dichten notwendigen Krafte liegen aber dann bei einigen 100 kp pro cm Dichtlange. Seit einiger Zeit verwendet CERN sogenannte Al-Kantendichtungen. Diese sind aus Al gepresst und benotigen ca. 100 kp pro cm, urn Vakuumdichtheit zu erreichen. Einmal sollte dieser Wert wegen der Auslegung des Spannelementes moglichst klein gewahlt werden, zum anderen wird durch eine damit verringerte Oberllachenharte die Miiglichkeit zur Verwendung mit Al-Flanschen eroffnet. Es wurde deshalb als Material nicht wie iiblich AC 100, sondern Reinaluminium 99,5 ‘A gewahlt. Ausserdem wurde die Dichtkante gedreht und damit eine sehr gleichformige und gleichstarke Dichtleiste erreicht. Wie es sich zeigte, war selbst bei der NW 320 der Ausschuss der gedrehten Dichtungen unter 1% bei Verwendung von gewalzten (cu. 35 Brinell) Al-Rohlingen.

3.1.2 Abmessungen und Wkmebehandlung. Abbildung 1 zeigt die Abmessungen der Metalldichtung; diese entsprechen der Pneurop-Norm fiir Gummidichtungen mit Tragringen. Es wurden die NW 100, 160 und 320 hergestellt und getestet. Im 2. Halbjahr 72 wurden erste Testringe aus Al-Platten hergestellt und auf ihre Harte getestet. Der Harteversuch nach

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Metoll-Dftchtring

Abb. 1. Abmessungen der Al-Kantendichtung von NW 10 bis NW 1000 fi.ir Pneurop-Flanschen. DIN 50 133 ergab HV 2 Htirte zwischen 26 und 32 kp mmm2. Eine griissere Serie von je 30 Stiick der NW 100, 160 und 320 wurde verschiedenen Wmebehandlungen unterworfen und dann ebenfalls hlrtegepriift. (1) Die unbehandelten Ringe zeigten eine HBrte HV 2 von 34 bis 37 kp mme2. (2) Je 8 Ringe wurden bei 380°C fiir 2 h im Ofen gehalten und mit Nz gespiilt. Die H%rte betrug hier 23 bis 25 kp mmm2. (3) Ebenfalls je 8 Ringe wurden bei 380°C fiir 4 h im Ofen gehalten, waren aber der normalen Luft ausgesetzt. Ihre Hlrte betrug 18 bis 20 kp mme2. Wie in 3.1 .l angefiihrt, wird miiglichst ein weicher Ring angestrebt. Auf der anderen Seite wird eine Langzeit-Dichtheit verlangt. Das bedeutet, der Ring muss noch elastisch genug sein und darf nur unbedeutend fliessen. Auch im Hinblick auf ein Ausheizen der Dichtung, darf diese nicht zu weich sein, deshalb wurde such eine sehr hohe Anlasstemperatur gew8;hlt. Als Ergebnis der nachfolgenden Tests wurde dann die Serie mit 3 x 300 Dichtungen aufgegeben und nach der Wlrmebehandlung nach DIN 50 351 hirtegepriift. Es ergab sich eine HBrte HB5/5-30 zwischen 20 und 24 kp mm-‘. 3.1.3 Versuchsaufbau und Durchfiihrung. Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau fi.ir die Dichtungsversuche der NW 160. Der Druck wurde mit einer Hydraulikpresse von Hand aufgebracht und mit einem Druckmanometer Kl 0,6 gemessen.

Zur Eichung des Systems wurde ein Dynamometer mit 10 Mp Vollausschlag und 200 kp Teilung verwendet. Dieses Dynamometer wurde such fi.ir alle Kettenversuche verwendet, sodass der relative Fehler unter 100 kp liegen diirfte. (Ablesegenauigkeit etwa 50 kp). Zur Priifung der Leckrate des Dichtungssystems mit Stahlflanschen wurden 2 He-Lecktestgerzte verwendet. (1) Ger%t : Ein Alcatel-Lecksucher Typ ASM7 kleinste Auf1Bsung cu. lo-” Torr 1 s -I. (2) Gerlt : Ein Balzers-Ger%t Typ QMG 111 B kleinste Auflijsung cu. 1Om8Torr 1 s-‘. Beide GerHte wurden laufend mit einem Eichleck nachgepriift. Der Druck wurde im allgemeinen von 20 kp pro cm mit 10 kp pro cm gesteigert. Wie aus folgenden Tabellen zu entnehmen ist, wurden noch eine grosse Reihe weiterer Daten aufgenommen und ausgewertet. 3.1.4 Auswertung der Versuchsdaten. 15 Dichtungsringe kamen in die Auswertung. Davon wurden je 5 Ringe den Behandlungen 1, 2 und 3 unterzogen. Bei der Behandlung 1 betrug die Presskraft zwischen 34 und 59 kp/cm, die Differenz der totalen Dicke 0,ll bis 0,23 mm und die mittlere Fasenbreite 0,26 bis 0,36 mm. Bei der Behandlung 2 betrug die Presskraft zwischen 19 und 44 kp/cm, die Differenz der totalen Dicke 0,13 bis 0,28 mm und die mittlere Fasenbreite 0,18 bis 0,44 mm. Bei der Behandlung 3 betrug die Presskraft zwischen 29 und 34 kp/cm, die Differenz der totalen Dicke 0,13 bis 0,27 mm und die mittlere Fasenbreite 0,20 bis 0,34 mm. Bei der Belastung wurde der Vakuumdruck mit beriicksichtigt und der untere Fehler durch die jeweilige Steigerung des Drucks urn 5 kp/cm angenommen. Sowohl bei der Dickendifferenz, als such bei der Fasenbreite wurden je 4 Messungen am Umfang durchgefiihrt. Die Messegnauigkeit betrug *0,02 mm, was deshalb als min. mittleren Fehler des Mittelwertes angenommen wurde.

Abb. 2. Versuchsaufbau zur Leckratenbestimmung bei Al-Kantendichtungen NW 160. 99

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Die letzten 4 Messungen sind deshalb von besonderem Interesse, weil hier am gleichen Al-Dichtring mehrere Versuche durchgefiihrt wurden. Obwohl man sagen darf, dass die AlKantendichtung eine Einwegdichtung ist, zeigt es sich doch, dass sie bei entsprechender Steigerung des Drucks mehrmals Vakuumdichtheit erlangt. Hier zeigt sich besonders bei den weicheren Dichtringen ein hohes Mass an Sicherheit. Als Beispiel sei hier ein Ring mit der Behandlung 2 genannt. Bei einer Belastung von 19, 29, 44 und 59 kp/cm und jeweiligem Drehen urn 90” stellte sich immer wieder Vakuumdichtheit unterhalb der Auflosung des Messgerats zur Leckratenbestimmung ein. In der Tabelle 1 ist die Belastung bei gegebener Warmebehandlung in Abhangigkeit zur jeweiligen Dickendifferenz, mit der Angabe des mittleren Fehlers des Mittelwertes angegeben. Auch hier war der Fehler im min. 0,02 mm wegen der Ablesegenauigkeit. Diese Tabelle wurde in Abb. 3 graphisch dargestellt. Es zeigt sich, dass sich die einzelnen Dichtringharten nicht klar trennen lassen; die Fehler sind zu gross. Deshalb wurde versucht, nur die zwei Gruppen 34-37 Brine11 und 18-25 Brine11 zu bilden. Die lineare Abhangigkeit bis zu einer Differenz von 0,3 mm scheint eine gentigend genaue Naherung darzustellen. Streng mathematisch genommen handelt es sich urn eine quadratische Abhangigkeit, da in dem Ansatz p = F x 6 sowohl die Dichtungsflache F (Spitzenwinkel 90”) als such die Fllchenpressung 6 linear zunehmen. Die zu den beiden gebildeten Gruppen gemittelten Graden konnen mit folgender Steigung angegeben werden: Fur 34-37 Brine11 Fiir 18-25 Brine11

35 kp cm-‘/O,1 22 kp cm-‘/O,1

Tahelle 1.Zusammenfassung

1

100

mm + 15% mm f 20%

der Daten fur Al-Dichtringe

Behandlung

Erwartungsgemass ist der Fehler gross, sind doch hier sehr verschiedene Einfliisse zusammengefasst, wie Messfehler, Harteschwankungen von Dichtung und Flanschen, Fertigungstoleranzen des Priifaufbaus und nicht zentrischer Kraftangriff. Wahrend die Abb. 3 sich mit der Abhangigkeit von Druckkraft und Dickenanderung ohne Rticksicht auf die Leckrate befasste, beziehen wir uns jetzt ausschliesslich auf den Punkt, an dem die Vakuumdichtheit, also L < lo-* Torr l/s, erreicht wird. Aus den jeweiligen Einzelmessungen wurde fur jede Behandlung der Schwerpunkt aller Messungen ermittelt. Hier zeigt sich such eine deutliche Unterscheidung aller drei Behandlungen. Ueberraschend zeigte sich die zweite Behandlung mit 23-25 Brine11 als die giinstigste. Hier war das Minimum erreicht, bei dem Dichtigkeit bei kleinster Druckkraft erzielt wurde. Bis auf den Ausreisser, der auf eine Kerbe am nicht verwendeten Dichtring zuriickgeht, war such die Streuung bei dieser Messreihe am kleinsten. Bei der 3. Behandlung darf angenommen werden, dass bei der Warmebehandlung, die zu einer Reduktion der Harte auf bis zu 18 Brine11 ftihrte, das Geftige so weich wurde, dass es zum Fliessen neigt. Aus Sicherheitsgriinden wird zum Schwerpunkt ein Zuschlag gegeben. Dann ergibt sich folgende kleine Tabelle:

Harte (Brinell)

Schwerpunkt Versuch (kp/cm)

Anwendung (kp/cm)

34-37 23-25 18-20

49 24 33

>55 230 140

NW 160

Belastung mit Vakuum q = kp/cm

Differenz der tot. Dicke mm d

24 34 39 44 54 59 64 69 74 84

0,03 0,06 0,09 0,15 0,lO 0,12 0,15 0,20 0,26 0 13 0,25 0,18 0,22 0,27 0,23 0,28

14 19 24 29 44 54 59 64 24 29 34 44 54 64 74 84

0,06 0,16 0,14 0,16 0,17 0,27 0,31 0,28 0,08 0,14 0,14 0,19 0,25 0,30 0,39 0,44

0,06 0,06 0,06 0,14 0,09 0,lO O,ll, 0,16 0,20

0,07 0,22

0,08 0,13 0,18 0,22 0,27 0,25

0,06 0,06 0,07 0,16 0,19 0,19 0,20

mittlerer Fehler des Mittelwertes min. & 0,02 bzw. l/x 0,05 0,09 0,lO 0,12 0,18 0,13 0,21 0,22 0,25 0,28

Zt 0,02 l 0,02 -i 0,03 $Z 0,02 i 0,03 i 0,04 + 0,03 * 0,os f 0,02 4 0,05

0,06 0,16 0,ll 0,16 0,17 0,25 0,31 0,28 0,07 0,14 0,18 0,20 0,26 0,28 0,39 0,44

f 0,02 f 0,04 f 0,04 + 0,04 + 0,04 f 0,03 & 0,06 Zt 0,05 * 0,02 * 0,02 & 0,02 * 0,02 + 0,02 rt 0,03 * 0,06 & 0,07

KA

Schwedtmann:

Ein Neues Schnellverbindungs-System

Al -0lchtrlnge

mit

Fehlerbalken Dlckendnderung der Druckkroft

Abb. 3. Dickensnderung als Funktion der Druckkraft drei WBrmebehandlungen mit Fehlerbalken.

-

,-_ --

Abb. 4. Einzelteile der Schnellverbindung der NW 160 mit konischen Uberwurfflanschen, Al-Dichtung und Spannkette.

Abb. 5. Grobabmessungen

bei Al-Dichtringen

01s Funkiion

NW 160 fi,ir alle

3.2 Die Spannkette mit Konusfhmschen.

3.2.1 Berechmmgsgnmdlagen. In Abb. 4 u. 5 ist die serienmassige Ausfiihrung der Spannkette zu sehen. Diese Ausfiihrung ist der Pneurop-Norm angeglichen und fiir eine kommerzielle Verwendung gedacht. Die zu der Spannkette gehorenden Konusflanschen sind in Abb. 6 mit allen Massen angegeben. Wie schon im vorhergehenden Abschnitt angegeben beschrlinkte sich das SIN auf drei Nennweiten aus diesem Angebot von 50 bis 500 mu. Die NW 100, 160 und 320 representieren nun aber je einen eigenen Rollentyp mit entsprechender Kettenteilung. Bei einer Stiickzahl von je 100 Ketten ist das sehr unrationell und im Hinblick darauf, dass die NW 100 und 320 die Grenzwerte der Nachbarbereiche darstellen, wurde versucht mit der einen Kette mit Teilung 41,4 alle 3 Bereiche zu bedecken. Fiir die NW 100 war dies keine Schwierigkeit, die Spannkette wirkte reichlich ilberdimensioniert. Bei der NW 320 jedoch musste eine Kettenberechnung, wie such bei den anderen

fiir die Spannkette im Bereich von NW 50 bis NW 500. 101

KA Schwedtmann:

Ein Neues Schnellverbindungs-System Kettenberechnung Skizze

fur

KonLJsflansche”

Abb. 7 Abb. 6. Abmessungen

der Konusflanschen

von NW 50 bis NW 500

fiir Pneurop-Grundflanschen.

D. tgu

N=2.

siehe Skizze fiir Konustlanschen siehe Skizze fiir Kettenzug

N = 2 *Z. sin b/2 kommerziellen Ausfiihrungen, durchgefiihrt rechnung wird als Beispiel angegeben.

werden. Diese Bemit Reibungswinkel: N = 2 . D - tg (a + pR)

3.2.2 Kettenberechnung NW 320. Neben den eigentlichen Ketten spielen die Auslegung von Haken und Lager (zur Reibungsreduktion) eine Rolle. Der Haken wurde aus Stahl 34 Cr Ni MO 6 geschmiedet und hat eine Zugfestigkeit von iiber 5000 kp, das Torrosionsmoment liegt bei cu. 7 mkp theoretisch. Messungen ergaben ein kleineres Moment von 5,5 bis 6 mkp, wahrscheinlich durch Gewindekerbwirkung. Das Axiallager 51200 kann bis fiber 2800 kp statisch belastet werden. Als max. Dichtkraft wurde 100 kp pro cm angenommen, was einem Sicherheitsfaktor von 2 bis 3 entspricht, wie man aus dem vorangegangenen Abschnitt entnehmen kann.

Aufl&en

nach Z und kiirzen tg CM. + PR)

Z=D

a *4

tg (u + Pa)

4

sin b/2

D,,--.

Drehmoment M=Z.r

an der Schraube tgy+

1 Werte und Symbole: Kettenteilung Kettenbruchlast min Dichtkraft max Dichtkraft spezifisch Dichtkraft Rollkreisdurchmesser Dichtungsdurchmesser Kettenzugkraft Flansch-Konuswinkel Ketten-Teihmgswinkel Reibungswinkel (Rolle) Reibungskoeffizient (Rolle) Reibungswinkel (Schraube) Reibungskoeffizient (Schraube) Steigungswinkel (Schraube) Schraubenradius SteigungshGhe Drehmoment (Schraube) Berechnung der Kettenzugkraft 102

Symbol

k,,. D mar

Wert 41 3800 100 425 335 20

Benennung mm kp kp/cm kp/cm kp/Teilung mm mm kp o

h

tgy=-

(allgemein) (Abb. 7).

(24 des Hakens

PS co5 612I

M = z . Y . tg (y + p,) Au&en

(3)

nach Z 1

Z=M

Zugkraft als Funktion des Drehmoments an der Schraube

r * Q (Y + 4

41 mm. =

(2)

PS tg PS = cos 612

2.r.n

Berechnung

mm mm mkp

Zugkraft als Funktion der Dichtkraft am Flansch

sin PI2 Z =

(1)

der NW 320

100 kp

. 335 mm

425mmecm

D = 323 kp pro Teilung

(4)

KA Schwedtmann:

Ein Neues Schnellverbindungs-System

Fiir tx = 20” und /3 = 11” gilt Zmin (ohne Reibung) tg p/2 = $ -

Z

Itl,”

R

41 mm = = 0,0965 - $5” 425 mm 323 kQ * 0,364

=D*tgm -= sin p/2

Zugkraft Reibung)

0,0965

berechnet

Z = A4 [kpm]

iiber

= 1240 kp.

Schraubendrehmoment

(ohne

1000 [mm/m] 4,5 [mm] - 0,053

Z = M [kpm] - 4200 [m-i] mit tg y = 0,053 fiir MlO.

Abb. 9. Versuchsaufbau zum Spannkettenversuch

NW 160 mit

Drehmomentenschhissel. Bei der Gegentiberstellung von Druckkraft und Drehmoment iiber die Zugkraft bei Berticksichtigung der Reibung ergibt sich folgendes Bild : Z = M * Funktion 2 = D,, . Funktion

(p,) nach (4) (pR) nach (2a).

Diese beiden Funktionen sind in Abb. 8 wiedergegeben. Als Beispiel wurde eine den realen Verhlltnissen nahekommende Variante gewahlt. Bei einem Drehmoment von 1,0 mkp und einem Schraubenreibungskoeffizienten von 0,2 ergibt sich eine Zugkraft von ca. 770 kp. Bei einer Rollreibung von 0,l folgt dann ein spezifischer Druck von ca. 47 kp/cm.

DSP

kp/cm

Ergebnisse

der NW 320

0 M ~KP Of5

2.5

Abb. 8. Ergebnisse der Kettenberechnungen der NW 320 bei angenommenen Schrauben- und Rollenreibungskoethzienten.

In diesem Beispel wiirde dann der gesamte Sicherheitsfaktor sowohl fur den Haken als such die Kette tiber 5 liegen. 3.2.3 Versuchsaufbau uud Durchfiihrung. Abb. 9 zeigt den Versuchsaufbau fur den Spannkettenversuch der NW 160. Zur Druckmessung wurde wieder das Dynamometer verwendet. Im Prinzip wurde jeweils der Druck in Abhangigkeit zum Drehmoment gemessen. Es war nicht immer einfach die Kraft genau zentrisch angreifen zu lassen, deshalb wurde der Abstand 4mal am Umfang gemessen. Da der Konusflansch als grosses Federelement wirkt, wurde such hier der Abstand an der Spitze und an der Wurzel gemessen. Deshalb wird such der Konuswinkel in Abb. 6 mit 19”30’ statt mit 20” angegeben. Urn die Rollreibung klein zu halten, ist es erforderlich, dass sich such die Rollen wirklich drehen. Auch dies wurde an 4 Rollen am Umfang gemessen. Neben der Rollreibung spielt die Schraubenreibung eine grosse Rolle. Deshalb wurden Versuche mit Axiallager und ohne durchgefiihrt. Mit einer Feststoffschmierung (MO&)* wurde sowohl die Schraube als such die Rollen behandelt und der Effekt gemessen. Es war noch eine alte Kette vorhanden (gleiche Kettenteilung aber urn 5 mm kleinere Rollen und ein M8 Gewinde am Haken), die zu vergleichenden Messungen herangezogen wurde. Das Drehmoment am Haken wurde in drei Stufen mit drei Drehmomentenschliisseln gemessen. Von 0,l bis 0,5 mkp mit einer Genauigkeit von 0.015 mkp; von 0,5 bis 1,0 mkp mit einer Genauigkeit von 0,03 mkp und tiber 1 mkp mit etwa 0,25 mkp Fehler. 3.2.4 Auswertung der Versuchsdaten. Natiirlich kann man hier nicht alle gemessenen Daten auffiihren; es werden deshalb hauptsachlich Zusammenfassungen gezeigt. Alle Auswertungen werden, soweit miiglich, auf den spezifischen Pressdruck (kp pro cm) bezogen, urn so such eine Aussage fiir andere Nennweiten zu machen. Abbildung 10 zeigt die Messpunkte. In den Tabellen und Kurven wurden nur die jeweiligen Abweichungen aufgetragen. Es wurde immer zwischen 4 Werten am Umfang gemittelt und + Diosetral 57N der Tribo Tech AG, Buochs (NW). 103

KA Schwedtmann:

Ein Neues Schnellverbindungs-System

Versuchs

Kette

Nummer 1 2 3 4 5 6 7 8

neu neu neu neu neu neu alt alt

Axiallager

MO& Schmierung

Gewinde mit Haken

ohne ohne mit mit mit mit ohne ohne

ohne ohne ohne ohne mit mit ohne ohne

Ml0 Ml0 Ml0 Ml0 Ml0 Ml0 M8 M8

In der Tabelle 2 sind als Beispiel die Versuche Nr. 3 und 4 aufgetragen. Die Mettelwerte Ar7 und Ah sind mit 2 Stellen hinter dem Komma angegeben. Es handelt sich hier nur urn die rechnerische Genauigkeit, urn Tests besser beurteilen zu kiinnen. Die 2. Stelle hinter dem Komma ist als unsicher zu bezeichnen. Fiir alle anderen Werte sind die Fehlerbreiten angegeben. Wie schon erwghnt ergab sich aus der Schwierigkeit des zentrischen Angriffs ein grosser Fehler, der mit der Genauigkeit der Messung wenig zu tun hat; deshalb wurde die Fehlerberechnung such fiir die Messreihen unterlassen. Alle Daten sind in der Tabelle iibersichtlich niedergelegt. Auch wird die Rollendrehung angegeben. Ausser im ersten Versuch sind alle doppel Messreihen reproduzierbar. Es ist im ersten Versuch ein grosser Fehler von AH vorhanden. Dies Messpunkte Abb. 10. Messpunkte

deutet auf einen nicht zentrischen Angriff des Dynamometers hin und damit verbunden ergibt sich eine schiefe Kettenauflage, die das gute Abrollen der Konusrollen verhindert. Deshalb ist hier die Rollendrehung relativ klein. Natiirlich ist die Drehung der 1. und 15. Rolle am griissten, da sich hier der Haken befindet und die Drehung stark von AA abhgngig ist.

der Kette NW160

und Bezeichnungen

der Spannkette NW 160.

dieser Wert angegeben. Insgesamt wurden acht Messreihen durchgefiihrt, die in folgender Tabelle angegeben sind.

Tabelle 2. Zusammenfassung

der Versuche Nr. 3 und 4 der NW 160, Spannkettenversuch

M Drehmoment (kpm)

P Druck (kp)

9 spez. Druck (kp/cm)

0,l * 0,03 032 033 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 039 l,O 1,5 + 0,25 2,O

400 & 50 850 1100 1700 2250 3050 3500 3950 4250 5100 5750 6000

7&l 16 20 31 42 56 65 73 79 94 106 111

62,00 = 0 2300 2,70 4.20 5;SO 7,40 8,20 9,20 9,90 11,60 14,00 15,00

0,l + 0,03 0,2 023 0,4 0,5 0,6 0,65 0,7 038 039 1.0 1,5 &I 0,25 2,O

500+50 1000 1450 1850 2450 2850 3100 3350 3880 4200 4850 5750 6100

911 19 27 34 45 53 57 62 72 78 90 106 113

60,90 = 0 1,80 3,20 4,80 6,OO 6,40 6.90 7,50 8,70 9,60 11,lO 13,70 15,20

104

Rollendrehung Bermerkungen

w

0,13 0,19 0,26 0,36 0,43 0,49

w

0,18 0,22 0,35 0,48 0,58 0,68

0

138 4,2 595 675 9,O

23

12,0

10,5

3.5 6;0 7.5

0,57 0,77

0,85 1,19

020 0,12 0,20 0,29 0,36

0,O 0,lJ 0,29 0,49 0,54

0 2,5 4,5

0

0,43

0,62

7,5

7,O

0,51

0,82

0,62 0,71

0,97 1.19

11,5

Rollenmitte liegt auf Flansch auf

2,o 2,5

ll,o

Rollenmitte liegt auf Flansch auf

KA Schwedtmann:

Ein Neues Schnellverbindungs-System

OaFi Spannkette Spez Druck

0.1

q2

0.3

0.4

0,5

0.6

mi!

Konusflanschen

01s Funktlon

0.7

der Flonschverformung

0.8

0.9 Aii,AF;

1.0

1.2

mm

Abb. 11. Spezifischer Druck als Funktion der Flanschverformung der Spannkette mit Konusflanschen NW 160.

Abbildung 11 zeigt das Verhaltnis von spez. Druck auf die Verbindung und der Flanschenverformung. Zusltzlich zu den 4 Spannketten-Versuchen wurden die beiden Kurven der AlDichtungen eingetragen. (Abb. 4). Es ist trotz der Messpunktstreuung die Differenz zwischen AH und Ah gut zu erkennen. Diese Differenz ist von den Konusring-Abmessungen und vom Ringmaterial abhangig und ein Mass fiir die Federkonstante der Konusringe. Die Verformung liegt im elastischen Bereich und ist ein Anhaltspunkt fur die Moglichkeit der Verbindung, Al-Dichtungsanderungen (plastische Verformung) ohne Vakuumleck auszugleichen. Die 4 SW Dnrk kplcm 90

I

Konustlonschen Spez buck ok Funkiicn des Drehmomentes

.

0'

0,2

0,r

0,6

NC 1”

I’

”

0

,.

,.

&

,,

0,B M

up.sycll

0

1,o Drehmoment

Abb. 12. Spezifischer Druck als Funktion

Spannkette mit Konusflanschen NW 160.

2

3”‘ 5U6 ?“l

l,2

1,4

kpm

des Drehmoments der

Messpunkte wurden durch eine Gerade gemittelt, was nur fur diesen kleinen Ausschnitt zuli&sig ist. Abbildung 12 zeigt das wichtigste Ergebnis dieser Versuchsreihe: Das Verhiiltnis von spez. Druck und Drehmoment. Die Messpunkte der einzelnen Versuche liegen gut auf einer gemittelten Geraden, ohne Ausreisser. Bei hohen spez. Driicken lagen beim 5. und 6. Versuch die Konusringe auf, weshalb hier einige Punkte neben der Geraden liegen. Wie zu sehen ist, sind die Versuche gut reproduzierbar. Das Axiallager verbessert das Drehmoment urn das Dreifache und die anschliessende Schmierung mit MO& der Kette und des Hakens verbesserte das System auf nahezu das Fiinffache. Das heisst bei einem spez. Druck von z.B. 30 kp pro cm beniitigt man 0,95 kpm ohne Lager, 0,35 kpm mit Axiallager und nur 0,2 kpm mit Lager und Schmierung. Diese Trockenschmierung ist anorganisch und korrosionsfest und sehr haltbar. Mit MO& Behandlung ist es mijglich geworden die Al-Verbindung bis zur NW 160 von Hand mit einer Fliigelmutter herzustellen. Die Vergleichskette zeigt ein ahnliches Verhalten, allerdings wurde ja hier mit einem M8 Gewinde mit kleinerer Steigung (1,25 mm statt 1,5 mm) gemessen. Es wurde such der spez. Druck in Abhtingigkeit zur RadialBnderung gemessen. Wie erwartet, ist die Radialanderung ganz unabhangig von der Behandlung der Kette, ja selbst unabhBngig von der Gewindesteigung. Bei der Kettenberechnung und in der Abb. 12 hat sich gezeigt, dass das Drehmoment sehr stark von der Behandlung, das heisst vom Reibungskoeffizient abhgngig ist. Ein Abstellen auf ein bestimmtes Drehmoment hltte grosse spez. Druckschwankungen zur Folge, die bis zum Reissen der Kette ftihren konnten. Deshalb ist es sinnvoll ftir die Vorschrift der Spannkette die Radiallnderung (d.h. entsprechende Umdrehungen) mit einer oberen Begrenzung des Drehmoments anzugeben. Hierbei ist zu bariicksichtigen, dass die Radiallnderung linear mit der Kettenliinge zunimmt. Bei der Verwendung der gleichen Kette und der NW 320 ist dann die Aenderung etwa doppelt so gross, wie bei der angegebenen NW 160. 105

KA Schwedtmann: 3.3

Ein Neues

Schnellverbindungs-System

Die NW 160 und NW 320 im Zusammenhang.

Rohrstiicke, die separat waren. Dadurch wurden gewisse zusatzhche Zug- und erzeugt, wie sie bei langen mit Balgen abgetrennten Vakuumsystemen durch das nicht exakte Fluchten der Rohre gegeben sind. Die Tabelle 3 gibt eine Zusammenfassung

3.3.1 Die Ermitthmg des Kettenreibungskoeffizienten. Bisher ist die NW 160 mit einem Haken am Umfang getestet worden und Versuche haben gezeigt, dass die Rollendruckverteilung am Umfang sehr homogen ist. Aber ist dies such bei der NW 320 noch der Fall? Hier erreicht die Kette bereits eine Lange von ca. 135 cm. Deshalb wurde eine Verbindung der NW 320 mit zwei Haken die 180” versetzt waren, ausgeriistet. Bei gegebenem Drehmoment des einen Hakens wurde das des anderen gemessen und visa versa, urn Reibungen in den Haken auszugleichen. Diese sehr einfache Methode gibt nur ein relatives Reibungsverhalten an. In der folgenden kleinen Tabelle sind das I und 2. Drehmoment angegeben und der verbleibende Prozentsatz. Die Ergebnisse sind aus acht Messungen gemittelt. Der Fehler liegt bei &2”,/, alle Abweichungen eingeschlossen.

Drehmoment

Abweichung

1

7

kpm

kpm

%

O,l

0,07 0,16 0,22 0,29 0,34 0,42 0,48 0.54 0,60 0,66

70 80 73 73 68 70 69 68 67 66

OJ 093 024 OS 036 O,7 0,s O,9 I.0

“i,*

* Im Mittel 70,4. Die Resultate zeigen, dass man mit der Verwendung eines Hakens bei der NW 320 das Drehmoment urn ca. 40% steigern muss urn an der gegentiberliegenden Seite den min. Pressdruck zu erreichen. 3.3.2 Pressversuche mit Vakuum. Als Abschluss beiden NW 160 und 320 unter wirklichkeitsnahen

“_ ” “”

4050mm

Versuchsaufbau

Abb. 13. Versuchsaufbau 106

wurden

zum

die

Al-Dichtung, werden such hier die Dickendifferenz Fasenbreite der Dichtung an 4 Punkten am Umfang gemessen. Diesmal wurde das Drehmoment urn jeweils 0,05 kpm variiert und als Funktion aufgetragen.

I I5 so tiefe sichtbare auf, dass trotz wesentlich hoherer Anzugsmomente nicht Vakuum dicht bringen waren. Tests wurden deshalb in die Auswertung 3.3.3 Auswertung der Versuchsdaten. In den Abbildungen 14 und I5 sind die Daten der Tabelle 3 aufgetragen. Die Abb. 14 bezieht sich auf die NW 160. Da bereits eine grosse Zahl von Al-Dichtungen in den vorangegangenen Versuchen verbraucht wurden, war es moglich nur zwei bzw, drei Ringe pro Behandlungsart zu testen. Die Fehlerbalken beruhen auf den gleichen Voraussetzungen wie bei den vorausgegangenen Messungen. Wie zu erwarten war, zeigen die Resultate der NW 160 bei harteren Ringen grossere Drehmomente bis zur Vakuumdichtheit. Die Streuung bei harten Ringen ist grosser, da sich hier kleine Harteunterschiede schon stark auf das Drehmoment auswirken. Die Verformung der Ringe (Frasenbreite und Dickendifferenz) zeigt kein klares Verhalten zur Harte. Hierzu muss bemerkt werden, da ja fur die Schwerpunkte keine Fehlerbalken eingetragen wurden, dass sehrwohl die Unterschiede noch innerhalb der Fehlergrenzen liegen konnen. Bei der Abb. 15 sind die Ergebnisse der NW 320 aufgezeigt. Bisher beruhten die Angaben zu dieser NW ausschliesslich auf Extrapolationen der Messungen der NW 160 und es schien hier offensichtlich (was sich such mathematisch voraussagen lasst) den Faktor zwei einzufiihren. Die Ergebnisse zeigen aber ein ganz anderes Bild. Da sechs bzw. fi.inf Ringe pro Behandlung getestet wurden, sind die Ergebnisse experimentell gesichert. Es

Sponnkettenversuch

zum Spannkettenversuch

NW 160 und

NW 323

NW 160 und NW 320.

M

2 2 2 2 1 1 1 1 1 1

111 112 113 114 115 117 119 120 121 122

060 0,55 0,55 0,50 3300 1900 0,70 0,65 0,80 1,05

0,65 0,65 0,65 060 0,50 4900

3 3 3 3 2 2

103 104 105 106 109 110

Drehmoment (kpm)

0,70 0,65

Behandlung

101 102

Ring Nr.

<10-a

<1o-8 <1o-8

min. Leckrate (Torr I/s)

e

Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal.

Bal. BZI. Bal. Bal. Bal.

Bal. Bal.

MessGerlt

0,20 0,14 0,16 0,16 0,32 0,14 0,14 0,12 0,16 0,lO

0,14 0,22 0,24 0,20 0,18 0,56

0,26 0,20

0,28 0,24 0,22 0,24 0,42 0,22 0,16 0,12 0,16 0,18

0,26 0,26 0,28 0,30 0,26 0,62

0,34 0,28

0,36 0,28 0,26 0,22 0,56 0,22 0,18 0,19 0,22 0,20

0,26 0,32 0,34 0,34 0,26 044

0,36 0,32

Differenz der Totalen Dicke (mm) 180” 0” 90”

Tahelle 3. Zusammenfassung der Pressversuche mit Dichtung und Kette NW 320

0,32 0,28 0,22 0,20 044 0,18 0,12 0,13 0,16 0,18

0,20 0,26 0,30 0,26 0,22 0,42

0,28 0,28

270

0,29 0,24 0,22 0,21 044 0,19 0,15 0,14 0,18 0,17

0,22 0,27 0,29 0,28 0,23 0,51

i f * f It zt zt

l

f f

f + & f f * 0,03 0,03 0,02 0,02 0,05 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

0,03 0,02 0,02 0,03 0,02 0,05

0,31 * 0,02 0,27 f 0,03

Mittlerer Fehler des Mittelwertes dmin. i 0,02

0,27 0,25 0,20 0,20 0.45 0,30 0,20 0,17 0,20 0,25

0,32 0,27 0,30 0,25 0,20 060

0,25 0,20

0,35 0,32 0,25 0,30 0,60 0,40 0,22 0,20 0,25 0,35

0,35 0,30 0,25 0,35 0,30 0,60

0,30 0,30

0,35 0,32 0,27 0,30 0.65 0,45 0,27 0,30 0,35 0,40

0,27 0,30 0,35 0,32 0,25 0,50

0,40 0,35

Fasenbreite (mm) 0” 90” 180”

0,32 0,29 0,30 0,31 0,26 0,56 0,33 0,30 0,24 0,26 0,56 0,38 0,22 0,22 0,28 0,34

0,35 0,25 0,25 0,25 0,55 0,37 0,20 0,20 0,30 0,35

f & f * & & * * * &

& f * * f +

0,02 0,02 0,02 0,02 0,04 0,03 0,02 0,03 0,03 0,03

0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03

0,31 * 0,03 0,29 h 0,03 0,35 0,30 0,30 0,30 0,30 0,52

0,30 0,30

270”

Mittlerer Fehler des Mittelwertes b min. * 0,02

bei 0,75 kpm

bei 0,60 kpm Schlagstelle?

5 Schlagstellen 0,3 mm tief bei 0,75 kpm

Schlagstelle an Dichtung

Bemerkungen

320 320 320 320 320 320 320 320 320

320 320 320 320 320 320

320 320

NW

K A Schwedtmann:

‘9

I

Ein Neues

NW 160 Dtckendlfferenz errelchen

Schnellverbindungs-System

Pressversuch 01s Funktlon

der

Es wurde angenommen, dass der spez. Druck konst. ist, fur das Drehmoment wurde kein 40 % Zuschlag fur die Verwendung mit einem Haken angegeben. Aus diesen beiden kleinen Tabellen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen :

m,l K&e des

Vakuumd\chtheit

Drehmoments

-~lO-~Torr.

bei

Iis

(1) Die Verformung, das heisst die Dickenanderung

ist bei den Versuchen etwas hbher, als bei den Einzelmessungen. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Messung Unsicherheiten beinhaltet, ausserdem wurde bei den VakVersuchen eine Sicherheit angestrebt. Die Differenz betragt nicht einmal 0,l mm, dies ist nicht von grosser Bedeutung fur die Funktionstiichtigkeit.

(2) Der Vergleich der Drehmomente

d = mm

D,fferenz

der

ist iiberraschend. Die NW 320, ausgehend von den Spannkettenversuchen, liegt innerhalb der erwarteten Steigerung von 100x, die NW 160 zeigt jedoch ein wesentlich grosseres Moment, als man von den Spannkettenversuchen ableiten diirfte.

Drcke

Abb. 14. Dickendifferenz als Funktion des Drehmoments bei erreichen

der Vakuumdichtheit des Pressversuchs NW 160.

fallt auf, dass es durchaus keiner Steigerung urn 100% des Drehmoments bedarf urn diese grosse Dichtung vakuumdicht zu schliessen. Dann zeigt die Behandlung 2 die giinstigsten Werte im Hinblick auf das Drehmoment, und die Dichtungsverformung der einzelnen Harten ist bei der Fasenbreite fast gleich, bei der Dickendifferenz zeigt der weichste Ring die griisste Verformung, aber dazu sind grossere Momente erforderlich. Diese Abweichung kann experimentell bedingt sein, da ja zwischen der Dickenanderung und der Fasenbreite ein direkter Zusammenhang besteht.

NW 320 Pressversuch Dlckendlfferenz errelchen

der

m,t

(11s Funkinn Vakuumdlchtheli

Kette des

Orehmomen!s


Iis

be,

3.3.4 Zusammenfassung der Auswertungen. Die einzelnen vorausgegangenen Ergebnisse der Teilverversuche werden nocheinmal gegeniibergestellt und es sol1 versucht werden diese im Zusammenhang zu deuten. Wieder gilt

.

Behandlung

1 entspricht 34-37 Brine11 Hlrte

Behandlung

2 entspricht 23-25 Brine11 Harte

Behandlung

3 entspricht

Nimmt man als Vergleich die Al-Dichtungsringe

Beh. 1

2 3

33 24 49

bei erreichen

der NW 160 und die Spannkette NW 160 so entsteht folgende kleine Tabelle:

P (kplcm)

Fi.ir die NW 320 wird als Vergleich

108

Abb. 15. Dickendifferenz als Funktion des Drehmoments der Vakuumdichtheit des Pressversuchs NW 320.

18-20 Brine11 Htirte

0,20 0,15 0,16

d(Abb. 14)

h4 (Abb. 12)

(mm)

(kpm)

M(Abb. (kpm)

0,22 0,24 0,19

0,24-0,36 0,18-0,28 0,36-0,54

0,43 0,so 0,12

die NW 160 herangezogen.

14)

Dies ergibt folgende Tabelle:

d (Abb. 15)

M (Abb. 12)

M (Abb. 15)

Beh.

L/cm)

bm)

(mm)

Mm)

(kpm)

1 2 3

33 24 49

0,20 0,15 0,16

0,27 0,24 0,17

0,48-0,72 0,36-0,56 0,72-1,08

0,65 0,54 0,84

K A Schwedtmann:

Ein Neues Schnellverbindungs-System

aufgesucht werden konnen. (Radioaktivitat, Hitze, Gase etc.). Aber gerade im Bereich der Beschleuniger gibt es Orte, z.B. Targets, die einen Zutritt unmiiglich machen, dies ist hauftig durch grosse Strahlung, aber such durch Platzverhahnisse gegeben. Fiir diese Anwendung wurde aus der Schnellverbindung fur die NW 320 eine fernbedienbare autom. Flanschenverbindung fur Metalldichtungen entwickelt. Das Grundprinzip kann fiir alle anderen NW verwendet werden. Der Vorteil dieser Entwicklung beruht wieder auf der Verwendung der Pneurop-Grundflanschen, deshalb ist es ohne weiteres mijglich eine normale Verbindung auf fernbedienbar umzuriisten oder umgekehrt. Im Reparaturfall wird die ganze Verbindung ausgetauscht. Abbildung 16 zeigt eine doppelseitige Fernverbindung. Wenn eine Rohrverbindung nicht in Achsrichtung getrennt werden kann und die spatere Justierung der beiden Flanschen nur auf cu. f2 mm gewahrleistet wird, muss ein flexibles Element (Balg) diese Unterschiede ausgleichen. Ausserdem muss dieser Balg bei der Trennung sich so weit zusammenziehen, damit ein gefahrloses Trennen der Dichtungsflachen gewlhrt wird. In der Zeichnung wurds sowohl der Antrieb als such der Mechanismus zum Zusammenziehen und Strecken (Abstiitzen bei Vakuum) nicht dargestellt, da hier die Anwendung der Kette im Vordergrund stehen sollte. Die Kette ist geteilt, jede Halfte wird in einem Korb formstabil gehalten. Die Kette wird mit zwei Spindeln, die rechts und links Gewinde tragen, synchron angezogen. Die Al-Dichtungen sind L-formig und mit Madenschrauben an den Flanschen des Balgs befestigt. Das ganze Element ist herausnehmbar und austauschbar. Es wurde ein Prototyp dieser Ausfiihrung hergestellt. Nach einigen techn. Aederungen am ‘Zieh- und Streck-Mechanismus’ arbeitet der Prototyp zufriedenstellend. Die Flanschenverbindung wird im Strahlftirungssystem hinter dem ‘Dicken Target’ eingesetzt werden. Splter sind noch andere Anwendungsorte geplant.

Wie such schon die Kettenberechnungen gezeigt haben, sind die Reibungskoeffizienten nur sehr schwer zu bestimmen und iiber viele Versuche konst. zu halten. Die Kette der NW 160 wurde fiir cu. 100 Versuche gebraucht, bis sie zum letzten Versuch (NW 160 mit Dichtung und Vakuum) benutzt wurde. Der Anstieg des Drehmoments muss deshalb auf einen Anstieg der Reibung am Haken und an der Kette zurilckgefilhrt werden. Hier zeigt sich wiederum die sehr ungenaue Methode iiber das Drehmoment und dessen obere Begrenzung. Wie aus den Messungen der Kette (MW 160) und den Messungen (NW 320) ohne Vakuum ersichtlich ist, muss auf die Hakenverkiirzung AA das Hauptgewicht gelegt werden. Die obere Begrenzung des Drehmoments sollte bei 1,0 kpm fur die NW 160 und 2,0 kpm fiir die NW 320 gelegt werden. Fur die NW 160 betrug die Verkiirzung etwa 7 mm. Unter Bet-iicksichtigung einer Sicherheit sind 6 Umdrehungen (Steigung 1,s mm) vorzusehen. Fur die NW 320 ist dann die Verkiirzung bei etwa 12 mm anzusetzen (es wurden die giinstigen Ergebnisse der Vak-Versuche einbezogen) was 9 Umdrehungen (Steigung 1,5 mm) entspricht. Die NW 100 wurde nicht im Detail getestet; aus den Ergebnissen und bei der Verwendung der gleichen Kette ergibt sich jedoch eine obere Drehmomentbegrenzung von 1,0 kpm und eine Verkiirzung von 6 mm, was 4 Umdrehungen entspricht. 3.4 Anwendung der Scbuellverbindung (fernbedient). In den bisherigen Abschnitten wurden die einzelnen Teile der Schnellverbindung dargestellt. Die normale Anwendung wird die handbediente Verbindung sein. Durch den einen Haken am Umfang ist ein schnelles Liisen und Schliessen der Kette garantiert, so dass sich dieses System selbst fur Umgebungen eignet, die gesundheitsschadlich sind und nur kurzzeitig

-

Eine fernbedienbare autom. Flanschverbindung fur Metalldichtungen der Nennweite 320

Abb. 16. Eine fembedienbare autom. Flanschenverbindung

fur NW 320. 109

K A Schwedtmann:

Ein Neues

Schnellverbindungs-System

4. Eine schnelle Balgabstiitzung

Die Voraussetzung fiir die Entwicklung einer Schnellverbindung war die geringe Verweilzeit in der N&he des Strahlfiihrungssystems. Wenn man aber eine Verbindung entwickelt, die sich in Minuten bedienen l&t, so ist es nicht sinnvoll bei der Balgverkiirzung oder-verllngerung diese Zeit wieder zu verlieren. Es ist eine Balgabstiitzung mit einem Lamellenbalg auf dem Markt, die gegeniiber den normalen Abstiitzungen mit Schrauben und langen Muttern das Pradikat ‘schnell’ wohl verdient. Sie ist aber sehr teuer und hat ein schlechtes Verhgltnis von gestreckter zu gepresster Lgnge, ausserdem ist sie nicht fi,ir grosse NW geeignet und hat einen sehr grossen Aussendurchmesser. 4.1 Forderungen an eine schnelle Balgabstiitzung. Aus den bisherigen Ueberlegungen muss an das Pflichtenheft folgende Anforderung gestellt werden : (1) Die Abstiitzung muss ‘schnell’ sein. (2) Sie muss in beiden Richtungen, also such gegen den Balgwiderstand, angewendet werden kijnnen. (3) Werkzeug sol1 nicht verwendet werden. (4) Das Prinzip muss bis zur NW 500 angewendet werden kBnnen. sein. (5) Sie sol1 im Prinzip balgunabhgngig miissen sowohl mit den Konus(6) Die Pneutopgrundflanschen flanschen als such mit den Ueberwurf-Schraubflanschen ausgeriistet werden kijnnen. Ein Wechsel von Konus-auf Schraubflansch muss such nachtraglich miiglich sein. 4.2

Beispiel einer schnellen Balgabstiitzung. In der Abb. 17 sieht man die Balgabstiitzung fiir die NW 100, 160 und 320. Bei der NW, 100 ist such eine Ansicht in der Achsrichtung gezeichnet.

B&pie1 schnellen

Hier sieht man den geteilten Ring, der leicht auf den Balg gespannt wird und dadurch Drehen verhindert. Am geteilten Ring sind Aussparungen fiir die SchraubenkSpfe fiir die Verwendung mit Ueberwurfflanschen. Diese Ausfiihrung wird spanabhebend hergestellt ; fiir grosse Stiickzahlen wird aber eine spanlose Formgebung giinstiger sein. Das Stiitzungselement selbst ist immer in seiner Funktion gleich. Durch die zwei Kugelgelenke links und rechts ist eine Achsverschiebung von wenigstens 12 mm miiglich, das Max. h$ngt von der Flexibilitgt des Balgs ab. Die hohle Mutter wird durch einen Zapfen am Drehen gehindert, sodass man mittels der gertindelten Schraube den Balg hin und her bewegen kann. Die gezeigte Balgabstiitzung ist das Ergebnis mehrerer Prototypen. Wichtig war dabei das Gewinde und den RBndelschraubendurchmesser richtig zu bestimmen. Zum Auswechseln der Dichtung muss der Balg 5 bis 10 mm gestaucht werden. Auch bei der NW 320 sind drei Stiitzpunkte am Umfang ausreichend (Vakuumdruck cu. 800 kp). Die wichtigsten Testergebnisse: Nennweiten Balgbewegung

(mm) RBndeldurchm. (mm) Gewinde x Steigung Nominales Drehmoment fiir Balgbewegung (pcm) Max. Drehmoment (pcm)

25

160

320

*10

110

30

30

Ml4 x 2 M20 x 2,s cu. 200 cu. 300

ea. 400

cu. 2500

cu. 3000

cu. 3000

M20 x 2,s

Das Stiitzelement wurde aus Messing gefertigt, das Gewinde war nicht geschmiert. Eine Behandlung des Gewindes mit MoS, wird natiirlich noch eine Verbesserung bringen. Die Forderungen von 4.1 werden mit dieser Lasung voll erfiillt. Zusgtzlich kann bei den Balgen durch Austausch die unter 3.4 beschriebene Schnellverbindung angebaut werden.

einer Balgabsttitzung

Abb. 17. Beispiele einer schnellen Balgabstiitzung NW 100, 160 und 320. 110

100 *s

K A Schwedtmann:

Ein Neues Schnellverbindungs-System

Der Autor mijchte sich fiir die vielseitige Unterstiitzung seitens des SIN und CERN bedanken. Namentlich seien hier Herr Ing. H. Fend, Buchs SG, Herr P. Gheno und Herr A. Geissler genannt.

Liter&r

1A Inbar, Vacuum, 21,1971,319. ’ W Unterlerchner, CERN-SI (Note ME) 70-3. ’ Vakuumsystem der Strahlfiihrung SIN-TLtigkeitsbericht Abschnitt : B.6.

1972,

Es wird ein Schnellverbindungs-System fiir Hochvakuumsysteme vorgestellt. Die Verbindung beruht auf dem Kettensystem mit konischen Rollen und konischen Uberwurfflanschen. Eine Tabelle, passend fiir die Pneurop-Norm, wird sowohl fiir die Flanschen als such fiir die Kette im Bereich von NW 50 bis NW 500 angegeben. Alle Teile des Systems sind voll in die Pneurop-Norm integriert. Eine Berechnung der Kettenkrtifte und eine grosse Anzahl von Versuchsergebnissen werden angegeben. Am Schluss werden zum System noch eine fernbedienbare Verbindung und eine schnelle Balgverbindung angegeben. Das System wurde vom Schweizerischen lnstitut fiir Nuklearforschung fiir ca. 160 m Vakuumstrahl erfolgreich angewendet.

111