Stopfbüchsen

Stopfbüchsen dichten eine bewegliche zylindrische Stange in der Wandung eines Druckgefäßes, so daß das Druckmittel nicht durchdringen kann.

Die in einer Büchse enthaltene Packung muß sich unter sanftem Druck an die Stange pressen, entweder unter radial wirkendem Federdruck oder durch Uebertragung eines axialen Druckes auf radiale Richtung mittels kegelförmiger Ringflächen oder vermöge der allseitigen Elastizität der Füllmasse. Besondere Schwierigkeit bietet die Bedingung, daß die Abdichtung, bei geringer Reibung, nicht nur die verschiebende oder drehende Hauptbewegung der Stange, sondern auch kleine Seitenbewegungen unbeschadet zulassen soll. Weiche, elastische Stopfbüchsenpackungen haben sich aus diesem Grunde von jeher bewährt und im Gebrauch erhalten, insbesondere sogar bei unrunden, ungeraden und ungleich dicken Stangen, während Metalldichtungen in entsprechender Ausbildung mit der Steigerung des Druckes und der Dampftemperatur sich mehr und mehr einführen. Man unterscheidet: liegende Stopf büchsen (Fig. 1), bei denen die Durchbiegung der Stange am meisten in Frage kommt, stehende (Fig. 3), die sich am leichterten bedienen lassen, und hängende, die man zweckmäßig mit äußerem Topf (nach Fig. 2) anordnet; ferner solche für drehbare statt verschiebbare Stangen, bei denen die Schmierung von der Ueberdruckseite aus recht reichlich erfolgen soll (Fig. 2).

Die gewöhnliche Stopfbüchse (Fig. 1) enthält die Packung in einem Gehäuse, das am Zylinderboden, an der Schieberkastenwand u.s.w. angegossen oder angeschraubt ist und im Innern die Grundbüchse hält. Die Stopfbüchsenbrille wird an Schrauben, in der Regel Stiftschrauben, so weit in das Gehäuse eingeschoben, daß die Packung unter gerade hinreichendem Druck steht, und mittels hinter dem Flansch sitzender halbhoher Gegenmuttern (Fig. 2 und 3) widergehalten und herausgezogen. Wegen der unvermeidlichen Fehler der zentrischen Einstellung und der Ungleichmäßigkeit beim Anziehen der Schrauben muß die Brille im Gehäuse Spiel haben, ebenso auf der Stange leicht gehen. Darum kann die Brille niemals zum Tragen oder Führen der Stange dienen; auch die Grundbüchse vermag das Gewicht einer liegenden Kolbenstange (s.d.) auf die Dauer nicht zu tragen. Für d cm Stangendurchmesser beträgt die radiale Stärke w der Packung etwa 0,75 √d, oder 0,1 d + 1 bis 1,5 cm für gewöhnliche Stangendicke, bei Metallpackung mehr, 0,2 d + 1 cm. Die Wandstärke der Büchse kann reichlich gleich w oder 0,1 d + 1,5 cm gesetzt werden, der Flansch etwas stärker. Die Tiefe des Packungsraumes wird annähernd gleich seiner inneren Weite angenommen; die Brille braucht den Boden nicht zu erreichen und mag 1 d Länge erhalten, die Grundbüchse 0,5 d bis 1 d. Die fest eingepaßte Rotgußhülse erhält 0,05 d + 0,2 cm Stärke und etwas dickere Bordränder mit gerader, schräger, dach- oder bogenförmig profilierter Druckfläche. Wenn die Stange mit einem dickeren Ende ein- und ausgeschoben werden soll, muß die Grundbüchse und die Führungsbuchse der Brille[326] zweiteilig und ihre Wandstärke mindestens gleich der Anlaufhöhe der Stange sein. Die Schrauben von der Stärke

und der Anzahl z = ca. 0,3 d (nämlich als einfache Ueberwurfmuttern für Spindeln bis 3 cm, Fig. 9, zwei Schrauben in ovalem Flansch, Fig. 1, bei Spindeln und Stangen bis 8 cm, bis 12 cm drei Schrauben, bei dickeren Stangen und Tauchkolben mehrere Schrauben mit etwa 13 cm Abstand im Kreisumfang) sind erfahrungsmäßig bestimmt, unter Rücksicht auf zufällige Biegung und Abnutzung des Gewindes. Berechnet man ihre Zugbeanspruchung s nur aus dem Flüssigkeitsdruck p auf den Bodenrand der Brille aus pπ (d + w)w = ¹/₂δ² zs, so findet man s unter 100 kg/qcm an Stopfbüchsen für Dampf, aber bis 450 kg/qcm an solchen für hydraulischen Druck. Nach den vorstehenden Annahmen kommt s auf etwa 10p. Die Schmierung erfolgt teils durch den Fettgehalt der Packung, teils durch das an der Stange haftende Oel vom Dampfraum oder von der Brille aus; nur bei langen Packungen oder bei hängenden Stopfbüchsen fließt das Oel durch einen laternenförmigen Zwischenring im Gehäuse zu (s. Bd. 5, S. 263, Fig. 12 und 13).

Der in Bd. 2, S. 663, Fig. 5 dargestellte Hammerzylinder zeigt einen geteilten Zylinderboden mit geteilter Stopfbüchse und Brille, die mit versetzten Fugen zwischen Kolben und Bär an die Stange gelegt und verschraubt sind.

Die Büchse (Fig. 3) eines Akkumulatorkolbens von 420 mm Durchmesser dichtet gegen Preßwasser von 50 Atmosphären mit langer Packung aus mit geschmolzenem Talg durchtränkter Baumwolle. Die Manschettendichtung (Fig. 4) eines hydraulischen Hebezylinders ist von oben zugänglich, an der hydraulischen Presse (Fig. 5) nur von innen, so daß der eiserne Stützring, der ein Zusammenklappen der Manschette verhütet, mehrteilig einzusetzen ist. Ueber die Dichtung hydraulischer Festigkeitsprüfmaschinen s. [13] und [16]. Die Labyrinthdichtung (Fig. 6) mit vielen Rillen in der 10d langen Führung wird meist ohne die vorgeschaltete Weichpackung angewendet, um möglichst reibungsfreien Gang zu erzielen.

Die Metallstopfbüchse der sächsischen Staatsbahnen (Fig. 7) gleicht der gewöhnlichen Form mit kegelförmigen Druckflächen, zwischen denen der längsgeteilte, mit verklinkter Fuge zusammengesetzte Weichmetallring eingespannt ist; vor der Brille legt sich ein Staubschutzring von Filz dicht um die Stange. – Die an preußischen Lokomotiven benutzte Büchse (Fig. 8), für eine geneigt liegende Schieberstange gezeichnet, verhindert durch die auf der- Druckseite eingesetzte Feder etwaige Klemmungen infolge von Wärmedehnungen an dem mit schlanken Kegeln gegen die Stange gedrückten zweiteiligen Weißgußring. – Der einteilige, geschlitzte Kegelring (Fig. 9) mit einer elastischen Auflage von Tuckspackung von Cords & Co. in Hamburg eignet sich für Spindeln und dünne Stangen. – Die an Schiffsmaschinen beliebte Schellingsche Büchse (Fig. 10) vereinigt die metallische Abdichtung der Stange durch einen dreiteiligen Weichkupferring mit der Elastizität der ihn umschließenden Packung von Baumwolle oder Asbest unter Einschaltung eines Abschlußringes von Tuckspackung zwischen Brille und Druckring [4].

Oefter benutzt man eine größere Anzahl zweiteiliger Ringe mit versetzten Fugen in dreieckigem oder trapezförmigem Querschnitt. Fig. 11 zeigt die Anordnung[327] einer hängenden Büchse mit Druckfeder am Zylinderboden oder Schieberkasten, Fig. 12 eine Büchse für Großgasmaschinen [9] mit einer beweglich eingebauten Metallringpackung mit außen vorliegender Weichpackung und innen liegender Dichtung mittels gußeiserner Selbstspannringe, und Fig. 13 eine Schwabe-Büchse für Dampfturbinen nach Ausführungen des Nürnberger Werkes der Vereinigten Maschinenfabrik Augsburg und Maschinenbaugesellschaft Nürnberg, A.-G. In der für Dampfmaschinen, Gasmaschinen, Dampfturbinen und Kompressoren benutzten Schwabe-Büchse [8] liegen von Schlauchfedern umspannte dreiteilige Gußeisenringe einzeln oder besser paarweise dicht und querverschiebbar zwischen Abstandsringen, die den axialen Druck aufnehmen. Auch die Selbstspannringe in Fig. 12 sind in den winkelförmigen Führungsringen verschiebbar aufgeschliffen. Wenn dagegen in einer Büchse abwechselnd nach innen und außen federnde Ringe liegen, verhindert die Reibung unter dem Axialdruck die willige Anpassung an die Stange.

Gußeiserne Selbstspanner, die sich an Kolben bewährt haben, lassen sich an den dünneren Stangen kaum anwenden, weil sie zu steif oder zu dünn ausfallen, und weil die Fuge zu weit klafft, wenn man nicht die Ringe sprengt, statt sie aufzuschneiden. Schraubenförmig geschnittene Ringe von mehr als 180° Umfang lassen sich nicht gut in ebene Lage zwängen; dagegen werden Cremers Spannringe in mehreren Schraubenwindungen mit abgeebneten Endflächen wie für Kolben (s. Bd. 2, S. 589, Fig. 8) auch für Stopfbüchsen von der Duisburger Maschinenbau-A.-G. vorm. Bechern & Keetmann verwendet. – Lentz benutzt für Heißdampfmaschinen ungeteilte, auf die Stange passend aufgeschliffene Dichtungsringe zwischen Abstandsringen [7]. – Die amerikanische Lokomotivbüchse (Fig. 14) enthält geteilte, mit Blattfedern angedrückte Ringe, deren enge Teilfugen noch durch besondere Zungen abgedeckt sind [3]. – Einfacher ist die Büchse von H. Bollinckx in Brüssel [15]; hier legen sich ungeteilte Ringe, die um 0,1 mm weiter als die Stange gebohrt sind, nach dem Einlaufen auf fast den halben Umfang an die Stange unter dem Druck einer Blattfeder. Zwei Gruppen von drei Ringen besorgen die Abdichtung mit einer zum Abschluß vorgesetzten Weichpackung.

Während für einzelne Ringe die Verschiebbarkeit genügt, gibt man längeren Metallpackungen, die sich einer durchgebogenen Stange gut anpassen sollen, die Möglichkeit, sich in einer kugelförmig geschliffenen Ringfläche zu neigen, in Verbindung mit der Verschiebung auf plan geschliffenen Ringflächen, die unter axialem Federdruck dichthalten müssen. Die von L. Ziegler in Berlin N. 65 gebaute bewegliche Macbethbüchse trägt in einer symmetrischen Linsendichtung plan verschiebbar eine nach innen verjüngte Büchse mit Metallringen von Dreieckprofil. – Einfache Kugel- und Planfläche mit Gegenfeder zeigt der mittlere Einbau in Fig. 12, die Lokomotivbüchse Fig. 15 in Uebereinstimmung mit dem inneren Teil von Fig. 17 und die Katzensteinpackung Fig. 16, die nach D.R.P. Nr. 166283 von L. Katzenstein in New York von Gall & Seitz in Hamburg besonders für Schiffsmaschinen geliefert wird. Hierbei legen sich die am äußeren Umfang breiteren Bronzeringe nicht wie bei Howaldt an die Hüttenwand, sondern sind durch Schrauben an den Teilfugen zusammengehalten, so daß man sie mit den an der Stange breit anliegenden Weißmetallringen und den durch Schlauchfedern zusammengespannten Flachringen auf der Brille aufbauen und in die Büchse des Zylinderbodens einschieben kann; der oberste Ring enthält die Druckfedern, der zweite federt nach außen gegen die Büchsenwand. – Die Packung Fig. 17 ist in der Marine als Philadelphiapackung bekannt, hierzulande als Lillepackung, eingeführt von der United States Metallic Packing Co. mit Filiale Compagnie des Garnitures Métalliques Américaines in Lille (mit Vertretern in Deutschland und Oesterreich). Sie ist als Duplexpackung gezeichnet, für Heißdampf über 8 Atmosphären, während die vordere Segmentpackung allein für Dampf bis 8 Atmosphären genügt und die hintere Ringpackung allein für schwächere Stangen benutzt wird. Im Vorderteil dichtet sich die Stange zwischen zwei in Bronze gefaßten Weißmetallschiebern, die, zwischen Bronzesegmenten geführt, je ein Drittel des Stangenumfangs umfassen, und einem andern um 90° versetzten Paar. – Auf gleichem Prinzip beruht die Bauart der Maschinenbauanstalt in Crimmitschau i. S. [6] (s. Bd. 5, S. 11, Fig. 5 und 6); ähnlich sind auch die Stopfbüchsen der Hamburger Wasser werke [11]. – Die Büchse der Heißdampfmaschinen[328] von Wilh. Schmidt [14] ähnelt Fig. 11 und ist zwischen zwei Kugelringflächen so eingebaut, daß ein Luftraum zur Kühlung von außen die Packungshülse umgibt.

Als Stopfbüchsenpackung für Dampf, Wasser und Luft benutzte man früher allgemein und noch heute vielfach gehechelten Hanf, der von der Mitte des Strähnes aus zu einem Zopf geflochten und mit Talg durchfettet so eingebracht wird, daß ein oder mehrere Zöpfe eine gleichmäßig dicke Schichtung bilden. Bequemer ist das Einlegen von geflochtener, quadratisch gepreßter Baumwollpackung mit Ausfüllung von Talkum, auch Kork, Gummi, Asbest, wovon einzelne Stücke abgeschnitten, zu Ringen um die Stange gebogen und mit versetzten Fugen eingelegt werden. Zur Schmierung dient, außer der Oelzuführung in der Brille, Talkum, Graphit oder Talg. Aehnlich ist die Verwendung von Tuckspackung und Asbest, der hitzebeständig ist, aber leicht hart wird. Mit Kupfer und Nickel überzogenes Metallpapier (von der Galvanischen Metallpapierfabrik-A.-G. in Berlin N. 39) legt man in kegelförmigen Schichten, den inneren Rand gegen die Ueberdruckseite gerichtet, in den Packungsraum und füllt nach, in dem Maße, wie es sich aufzehrt. Ebenso legt man flache, passend aufgeschnittene Lederscheiben in Trichterform um Pumpenstangen oder benutzt einteilige Lederwinkelringe, bei stärkerem Wasserdruck aus Leder oder Gummi hergestellte Manschetten (s.d.). Für kaltes Wasser empfiehlt Paul Lechler in Stuttgart geflochtene, quadratisch gepreßte Kabel von Rohhautstreifen, die im Wasser aufquellen, ferner Planitpackung aus Spänen von Weißmetall für Dampf bis 220° und Karmalpackung, Asbestgeflecht mit hitzebeständigem Schmierstoff durchtränkt, bis 360° C. Quadratische Geflechte aus Strähnen von dünnen Drähten liefern Felten & Guilleaume in Mülheim a. Rh. Eingestampfte Metallspäne, die Gust. Pickhardt in Bonn a. Rh. anbietet, eignen sich wie andre unelastische Massen nur für genau gerade laufende Stangen.

Stopfbüchsenmetall, das in der Dampfwärme genügend weich wird, um sich der Stange ohne starke Reibung anzuschmiegen, besteht z.B. aus 45% Zinn, 45% Blei und 10% Antimon. Fester ist die Legierung von 89% Zinn, 4% Kupfer und 7% Antimon, billiger die Legierung von 65% Blei, 20% Zinn und 15% Antimon. Die Ringe in Fig. 15 bestehen aus Babbitmetall; in Fig. 10 aus reinem Kupfer, für Speise- und Lentzpumpen aus Pockholz mit Rillen an der Gleitfläche. Für Heißdampf, dem auch schwer schmelzbares Weißmetall genügt, und für Gasmaschinen ist man auf Gußeisen zurückgekommen. Die bekannte Metallpackung der Howaldtswerke in Kiel besteht aus einer größeren Zahl geteilter Ringe von dreieckigem Querschnitt (wie im mittleren Teil von Fig. 12) mit einer Auflage von weicher Packung, die die Abdichtung vollendet, Wärmedehnungen ausgleicht und das Eindringen von Staub verhütet. Die gegen die Stange gedrückten Ringe bestehen aus Weißguß besonderer Art, die äußeren können aus Bronze bestehen. Aehnliche Packungen mit Dichtungsrillen in den Ringen liefern W. Gminder in Stuttgart und Fr. Goetze in Burscheid bei Cöln a. Rh., ferner Gebr. Greiser in Hannover mit schrägen Einschnitten in den linsenförmigen Innenringen. Zur Abdichtung von Ammoniak ist nach D.R.P. Nr. 145120 Holz für die inneren Ringe gewählt. Die Packungen für Kältemaschinen sind in Bd. 5, S. 264 angegeben [5]. Für Säuren und Laugen in Steinzeugmaschinen eignet sich Asbestschnur mit Paraffin und Graphit, für manche Fälle Bleiwolle von Aug. Bühne in Freiburg i. B.

Labyrinthdichtung, gebildet durch Rillen, die in der Büchse oder auf der Spindel eingedreht sind, hat sich trotz der dagegen erhobenen theoretischen Bedenken mit gutem Erfolg auch unter den schwierigsten Verhältnissen eingeführt und bewährt. Die Durchströmungsgeschwindigkeit in engen Spalten [12] ist direkt proportional dem Druckgefälle und dem Quadrat der Spaltweite, so daß die Unterteilung des Druckgefälles durch die Rillen zwar ohne Einfluß bleibt, doch wird die Durchströmung, auch wenn sich die Rillen mit Kondenswasser oder Oel füllen, jedenfalls behindert. Man benutzt die Rillendichtung an kurzhübigen Ventilspindeln [10] sowie in Metalldichtungen für Kolbenstangen; am vollständigsten ist sie in den Konstruktionen von Lentz für Heißdampfmaschinen durchgeführt. Auch die Wirkung der Faserpackung läßt sich als Labyrinthdichtung auffassen mit der Folgerung, daß die Länge der Packung mit dem Ueberdruck wachsend zu wählen ist.

Die Stopfbüchsenreibung R berechnet man zweckmäßig so, als ob nur 1 cm Packungshöhe mit dem Flüssigkeitsüberdruck von p Atmosphären an den Umfang der Stange gepreßt würde, R = π d cm 1 p μ, mit μ = 0,06 bis 0,11 für gute talgdurchtränkte Baumwoll- oder Hanfpackung; bis η = 0,25 für harte, schlecht bediente ebensolche Packung; η = 0,05 für gute weiche, μ = 0,20 für schlechte (z.B. auf rauhem Kolbengehende) Lederstulpe [13]. (Vgl. a. Kolbenreibung, Bd. 2, S. 592.) – Ueber Kompensationsstopfbüchsen s. Bd. 2, S. 595.

Literatur: [1] Lynen, W., Zeitschr. des bayr. Revisionsvereins 1904, S. 83f. – [2] Brück, Rich., Zeitschr. f. Elektrotechnik und Maschinenbau 1905, S. 246 s. – [3] Zeitschr. des Ver. deutsch. Ing. 1894, S. 1530. – [4] Ebend. 1895, S. 1117–1119. – [5] Ebend. 1897, S. 72, und 1898, S. 850. – [6] Ebend. 1901, S. 542. – [7] Ebend. 1902, S. 1930. – [8] Ebend. 1903, S. 1049–1051; 1906, S. 1253 und 1572; 1907, S. 944. – [9] Ebend. 1905, S. 302; 1906, S. 1252. – [10] Ebend. 1907, S. 929. – [11] Ebend. 1907, S. 930 und 991. – [12] Ebend. 1907, S. 1133–1141. – [13] Ebend. 1907, S. 1184–1186. – [14] Ebend. 1908, S. 1305. – [15] Ebend. 1909, S. 433. – [16] Ebend. 1909, S. 694–698 und 747–750.

Lindner.

Fig. 1., Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4., Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7., Fig. 8., Fig. 9., Fig. 10.

Fig. 11., Fig. 12.

Fig. 13.

Fig. 14.

Fig. 15.

Fig. 16., Fig. 17.