DE102010005458A1

DE102010005458A1 - Wälzlageranordnung sowie Verfahren zur frühzeitigen Detektion von Lagerschäden bei einer Wälzlageranordnung

Info

Publication number: DE102010005458A1
Application number: DE201010005458
Authority: DE
Inventors: Rainer 50354 Hölzer
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2010-01-23
Filing date: 2010-01-23
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2011088934A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung die insbesondere für schnelldrehende Wellen von Turbomolekularpumpen geeignet ist. Die Wälzlageranordnung weist mehrere Wälzkörper (10) auf, die zwischen einer Welle (18) und einem Gehäuseelement (20) durch einen Lagerkäfig (16) positioniert sind. Sofern ein Schmierfilm zwischen den Wälzkörpern (10) und dem Lagerkäfig (16) reißt, können je nach Material der Wälzkörper (10) und des Lagerkäfigs (16) statische elektrische Ladungen hervorgerufen werden. Mit Hilfe einer Spannungsdetektionseinrichtung (24) werden die statischen elektrischen Ladungen der Wälzkörper (10) und/oder des Lagerkäfigs (16) detektiert, um frühzeitig das Auftreten von Lagerschäden detektieren zu können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung die insbesondere für schnelldrehende Wellen wie Rotorwellen von Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen geeignet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur frühzeitigen Detektion von Lagerschäden bei einer Wälzlageranordnung insbesondere bei einer Wälzlageranordnung für schnelldrehende Wellen von Turbomolekularpumpen.
Bei Vakuumpumpen wie Turbomolekularpumpen sind Wälzlager aufgrund der im Lager herrschenden niedrigen Drücke sowie auch aufgrund der hohen Drehzahlen hohen Belastungen ausgesetzt. Sowohl aufgrund der hohen Drehzahlen als auch aufgrund der herrschenden niedrigen Drücke, besteht das Risiko eines zumindest kurzfristigen Schmierfilmabrisses. Dies führt zumindest kurzfristig zu erheblichen Lagerbelastungen, durch die die Lebensdauer der Lager verringert wird. Die Lebensdauer von mechanisch gelagerten Molekularpumpen wird daher überwiegend durch die Lebensdauer der Wälzlager bestimmt. Die auftretenden Wälzlagerdefekte treten hierbei häufig durch Laufbahndefekte auf, die insbesondere durch kurze Schmierfilmzusammenbrüche an den Berührstellen der sich gegeneinander bewegenden Teile hervorgerufen werden.
Um einen vorzeitigen Ausfall der Turbomolekularpumpe zu vermeiden, ist eine Wartung der Pumpe in kurzen Zeitintervallen bei denen ein Auswechseln der Wälzlager durchgeführt wird, erforderlich. Dies stellt einen erheblichen Aufwand dar und ist mit hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wälzlageranordnung zu schaffen bei der das Auftreten von Lageschäden frühzeitig detektiert werden kann. Ferner ist Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur frühzeitigen Detektion von Lagerschäden der Wälzlageranordnungen zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Wälzlageranordnung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur frühzeitigen Detektion von Lagerschäden gemäß Anspruch 5.
Die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung die insbesondere für schnelldrehende Wellen, wie Rotorwellen von Turbomolekularpumpen geeignet ist, weist mehrere Wälzkörper auf. Die Wälzkörper sind durch einen Lagerkäfig positioniert und zwischen einer Welle und einem Gehäuseelement angeordnet. Gegebenenfalls ist eine innere und/oder einer äußere Lagerschale vorgesehen, wobei es auch möglich ist, dass die Laufbahnen für die Wälzkörper unmittelbar an einer Wellenoberfläche oder in einem die äußeren Lagerschale ausbildenden Gehäuseteil vorgesehen sind. Es wurde festgestellt, dass es bei verschiedenen Materialpaarungen zwischen den Wälzkörpern und dem Lagerkäfig zu statischen elektrischen Aufladungen kommen kann. Die statischen Aufladungen werden durch Reibung zwischen den beiden Materialien erzeugt. Die statische Ladung bleibt dadurch erhalten, bzw. kumuliert mit der Zeit dadurch, dass das Kugellager den stehenden Teil und den drehenden Teil elektrisch gegeneinander isoliert. Beispielsweise treten derartige statische elektrische Ladungen auf, wenn die Wälzkörper keramisches Material aufweisen und in einem Kunststoffkäfig angeordnet sind. Sobald der Schmierfilm ggf. auch nur kurzzeitig unterbrochen ist, reibt der Wälzkörper an dem Lagerkäfig, wobei die auftretende Reibung eine statische elektrische Ladung erzeugt. Die Erscheinung ist als triboelektrischer Effekt bekannt. Der Effekt tritt an allen Materialpaaren der triboelektrischen Reihe auf.
Erfindungsgemäß ist daher eine Spannungsdetektionseinrichtung zur Detektion einer statischen elektrischen Ladung vorgesehen. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass die Spannungsdetektionseinrichtung mit dem Gehäuseelement verbunden ist, da die Entladung üblicherweise gegenüber dem geerdeten Gehäuse erfolgt.
Die auftretenden Entladungen können auf einfache Weise gemessen werden. Insbesondere ist möglich, die Spannungsdetektionseinrichtung in die Steuerelektronik der Turbomolekularpumpe zu integrieren bzw. die Steuerelektronik zur Detektion der Entladung zu nutzen. Insbesondere ist es auch möglich einen Grenzwert vorzugeben, wobei bei Überschreiten des entsprechenden Grenzwertes, die statische Entladung als kritisch angesehen wird. In diesem Fall ist es sodann möglich ein Warnsignal zu erzeugen. Insbesondere kann auch ein unmittelbares Abschalten der Turbomolekularpumpe erfolgen. Weiter ist es möglich die Art des Warnsignals von der Höhe der detektierten Spannung und von der Häufigkeit der erfolgenden Entladungen abhängig zu machen. Erst wenn der Schmierfilm innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls häufiger zusammenbricht ist ein unmittelbar bevorstehender Ausfall des Lages zu befürchten.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur frühzeitigen Detektion von Lagerschäden bei Wälzlageranordnungen, insbesondere bei den vorstehend beschriebenen Wälzlageranordnungen die vorzugsweise für schnelldrehende Wellen von Turbomolekularpumpen eingesetzt werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt mit Hilfe einer Spannungsdetektionseinrichtung, dass Detektieren einer statischen elektrischen Ladung von Wälzkörpern und/oder eines Lagekäfigs.
Die Spannungsdetektionseinrichtung ist auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mit einem Gehäuseelement verbunden und besonders bevorzugt in die Steuerelektronik der Turbomolekularpumpe integriert. Wie anhand der Wälzlageranordnung erläutert, kann hierdurch die aufgrund der Reibung zwischen dem Wälzkörper und dem Lagerkäfig erzeugte statische elektrische Ladung detektiert werden und das Erzeugen eines Warnsignals ausgelösen. Das Warnsignal bei dem es sich beispielsweise um ein akustisches oder optisches Warnsignal handel kann, wird insbesondere beim Überschreiten eines Grenzwertes erzeugt. Hierbei kann der Grenzwert eine vorgegebene Spannung und/oder die Häufigkeit von detektierten Entladungen berücksichtigen.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt einer Wälzlageranordnung.
Bei der in der Figur dargestellten Lageranordnung handelt es um ein Kugellager, wobei die Wälzkörper 10 zwischen einer äußeren Lagerschale 12 und einer inneren Lagerschale 14 angeordnet sind. Ferner sind die Wälzkörper 10 durch einen Lagerkäfig 16 positioniert. Der innere Lagerring 14 ist mit einer Welle 18 und der äußere Lagerring 12 mit einem Gehäuse 20 verbunden.
Ferner ist mit dem Gehäuse 20 über eine elektrische Leitung 22 eine Spannungsdetektionseinrichtung 24 verbunden. Das Gehäuse 20 ist über eine weitere Leitung 26 geerdet, so dass die Spannungsdetektionseinrichtung 24 zwischen dem Lageraußenring 12 bzw. dem Gehäuse 20 und der Erdung 28 angeordnet ist.
Sofern eine Schmierfilmunterbrechung dazu führt, dass die Kugeln 10 an dem Lagerkäfig 16 reiben, erfolgt eine statische Aufladung. Die Spannungsdetektionseinrichtung 24 kann sowohl das statische Feld zwischen der Welle 18 und dem Gehäuse 20, als auch Entladungen zwischen der Welle 18 und dem Gehäuse 20 detektieren. In Abhängigkeit der Spaltverhältnisse innerhalb des betriebenen Geräts erfolgt sodann eine Entladung der statischen elektrischen Ladung über das geerdete Gehäuse 20. Diese Entladung kann durch die Spannungsdetektionseinrichtung 24 detektiert werden. Die Stärke sowie die Häufigkeit der detektierten Entladung kann an eine Steuerelektronik 30 weitergegeben werden, wobei es sich bei der Steuerelektronik 30 insbesondere um die die Turbomolekularpumpe steuernde Elektronik handelt. Die Steuerelektronik 30 kann sodann in Abhängigkeit ggf. vom Benutzer veränderbaren Grenzwertes ein akustisches oder optisches Warnsignal erzeugen und/oder die Pumpe abschalten.

Claims

Wälzlageranordnung, insbesondere für schnelldrehende Wellen von Turbomolekularpumpen mit, einem mehrere Wälzkörper (10) zwischen einer Welle (18) und einem Gehäuseelement (20) positionierenden Lagerkäfig (16) und einer Spannungsdetektionseinrichtung (24) zur Detektion einer statischen elektrischen Ladung der Wellen (18).
Wälzlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsdetektionseinrichtung (24) mit dem Gehäuseelement (20) verbunden ist.
Wälzlageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsdetektionseinrichtung (24) in die Steuerelektronik (30) der Turbomolekularpumpe integriert ist.
Wälzlageranordnung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsdetektionseinrichtung (24) mit einer Signaleinrichtung zur Erzeugung eines Warnsignals bei Detektion einer statischen elektrischen Ladung verbunden ist.
Verfahren zur frühzeitigen Detektion von Lagerschäden bei einer Wälzlageranordnung insbesondere für schnelldrehenden Wellen von Turbomolekularpumpen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem Mittels einer Spannungsdetektionseinrichtung (24) eine statische elektrische Ladung der Welle (18) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Entladung der statischen elektrischen Ladung detektiert wird, wobei die Spannungsdetektionseinrichtung (24) hierzu vorzugsweise mit einem Gehäuseelement (20) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem beim Detektieren der statischen elektrischen Ladung ein Warnsignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Warnsignal erzeugt wird, wenn statische elektrische Ladung einen Grenzwert überschreitet.