DE19929412A1

DE19929412A1 - Lagerelement

Info

Publication number: DE19929412A1
Application number: DE19929412A
Authority: DE
Inventors: Francois Meynard; Ken Yves Haffner; Vishal Mallick
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-06-26
Filing date: 1999-06-26
Publication date: 2000-12-28

Abstract

Ein Lagerelement (1), insbesondere für Schublager (10), umfasst eine Platte (2) mit einer darauf angebrachten Plattenauflage (3) aus einem verstärkten Kunststoff. DOLLAR A Die Platte (2) besteht ebenfalls aus einem verstärkten Kunststoff.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem Lagerelement nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Die Lagerelemente von Gleitlagern von grossen Maschinen, insbesondere Schublager von Generatoren, bestehen im wesentlichen aus einer Lager-Platte und einer Auflage aus einem Material mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten. Üblicherweise wird als Auflage des Lagerelementes Weissmetall (engl.: babitt) verwendet. Weissmetall-Auflagen können einfach repariert und ersetzt werden. Weiter kann das Weissmetall harten Abrieb in die Oberfläche aufnehmen, ohne dass der Rotor beschädigt wird. Weissmetall weist einen relativ niedrigen Schmelzpunkt auf, oberhalb dieser Temperatur wird das Lager zerstört. Als Gleit- und Kühlmittel wird deshalb Öl verwendet, welches beim An- und Herunterfahren des Generators mit hohem Druck durch die Lagerelemente in das Lager gepresst wird, um einen Ölfilm zwischen dem Weissmetall und der Rotoroberfläche zu erzeugen.

Aus der Schrift "PTFE Thrust Bearings for Hydro Generators and their Application to Dinorwig & Ffestiniog Pumpecl Storage Power Plants, UK", offengelegt an der Hydro Vision 98, Reno Nevada, USA, sind Schublagerelemente von Hydrogeneratoren bekannt, deren Auflage aus Polytetrafluorethylene (PTFE) besteht. Polytetrafluorethylene ist besser bekannt unter dem Handelsnamen "Teflon". PTFE weist gegenüber Lagern aus Weissmetall geringere Wärmeleiteigenschaften und einen geringeren Reibungskoeffizienten auf. Messungen haben gezeigt, dass der Ölfilm zwischen dem PTFE-Lager und der Rotoroberfläche bei gleicher Last grösser ist als bei Weissmetall. Deshalb kann die maximale Lastaufnahme für PTFE-Lager in der Grössenordnung von 5 bis 6.5 MPa und sogar bis 10 MPa liegen, im Vergleich zu 3.5 MPa für Weissmetall-Lager. Dank des tiefen Reibungskoeffizienten muss beim An- und Herunterfahren des Generators bei der Verwendung von PTFE-Lagern das Öl nicht mit hohem Druck in das Lager gepresst werden, was die Anlage vereinfacht und verbilligt.

Durch die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften der Lager-Platte aus Metall und der Auflage aus PTFE ist die Befestigung der Auflage auf der Lager-Platte problematisch. Vor allem durch die verschieden thermische Ausdehnung beim Erwärmen werden hohe Anforderungen an die Verbindung zwischen der Kunststoffauflage und der metallischen Lager-Platte gestellt. Um eine gute Verbindung zwischen Auflage und Platte zu erhalten, wird eine Zwischenschicht aus Kupferdraht zwischengeschaltet. Der Kupferdraht wird dazu geschichtet und aufgeknäuelt und so eine Art von Kupferdrahtbett erzeugt, auf den die PTFE-Schicht aufgelegt und mittels Warmpressen mit dem Kupferdrahtbett verbunden. Das PTFE fliesst durch das Warmpressen in einem Übergangsbereich in die Windungen aus Kupferdraht ein und verbindet sich mechanisch mit dem Kupferdraht. Der so hergestellte Verbund aus Kupferdraht und PTFE wird mittels der Unterseite, die nur aus Kupferdraht besteht, mit der metallischen Lager-Platte verbunden, wobei diese Verbindung z. B. mittels Löten erfolgen kann. Es entsteht somit eine Schichtung metallische Lager-Platte, Kupferdrahtbett, PTFE. Eine solche Verbindung zwischen Lagerplatte und Auflage hat jedoch sehr ungenaue und unvorhersagbare Verbindungseigenschaften zur Folge, da die PTFE-Schicht nicht überall gleichmässig in das Kupferdrahtbett eindringt. Weiter ist deshalb die Steifigkeit der PTFE-Auflage nicht gleichmässig über die Oberfläche des Lagerelementes verteilt. Dies führt zu relativ kurzen Lebenszeiten des Lagerelementes und zu ungenauen Aussagen über die Lebensdauer.

Die mechanischen Eigenschaften von PTFE sind jedoch auch stark temperaturabhängig und PTFE weist eine grosse Neigung zur thermischen Expansion und zum Kriechen schon bei tiefen Temperaturen auf. Ein weiteres Problem ist der Abtrag der Oberfläche. Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden schon Versuche mit Lagern aus verstärktem PTFE gemacht. Das PTFE kann dabei mit Kohle- oder Glasfasern oder Graphit verstärkt werden.

In "Operation and Technical Analysis of EMP-Segments", Übersetzung einer chinesischen Schrift von Prof. Shen When Yi, Komitee des drei Schluchten Projekts, wurden Lagersegmente aus Verbundwerkstoffen aus Kunststoff und Metall untersucht. Dabei wurden PTFE-Lagerauflagen untersucht, wobei dem PTFE als Verstärkung Glas- oder Kohlefasern zugegeben wurden. Dadurch sollten die Kriecheigenschaften, die Streckgrenze und die Wärmeausdehnung des Lagers verbessert werden. Durch die Zugabe von Verstärkungsmaterialien wird jedoch auch der Reibungskoeffizient erhöht und somit die Abtragung der Oberfläche. Als Gleit- und Kühlmittel muss deshalb auch hier Öl mit hohem Druck durch die Lagerelemente in das Lager gepresst werden, was die Lager verteuert.

In der Abwägung der Vor- und Nachteile der Lager ergibt sich aus der obengenannten Schrift, dass PTFE-Lageraufllagen mit Verstärkungsmaterialien insgesamt schlechtere Eigenschaften als reine PTFE-Auflagen aufweisen und deshalb nicht verwendet werden sollten.

Auch hier ergeben sich jedoch durch die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften der Lager-Platte aus Metall und der Auflage aus verstärktem Kunststoff die gleichen Probleme bei der Verbindung zwischen der verstärkten Kunststoffauflage und der metallischen Lager-Platte. Dies führt ebenfalls zu relativ kurzen Lebenszeiten des Lagerelementes und zu ungenauen Aussagen über die Lebensdauer.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lagerelement der eingangs genannten Art die Konstruktion von Lagerelementen bei der Verwendung von verstärkten Kunststoff-Lagerauflagen zu vereinfachen und zu verbessern.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, dass die Platte und die gesamte Segmentstruktur ebenfalls aus einem verstärkten Kunststoff besteht.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Vorteile von verstärkten Kunststoff-Lagerauflagen ausgenutzt werden können und die Auflage trotzdem sicher mit der Lager-Platte verbunden werden kann. Durch die Verwendung von verstärkten Kunststofflagern wird die thermische Deformation des Lagerelementes reduziert, die Konstruktion des Lagerelementes vereinfacht und dadurch die Zuverlässigkeit der Konstruktion erhöht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Verwendung von thermoplastischen Kompositmaterialien können die Lagerelemente besonders günstig durch Warmpressen hergestellt werden.

Weiter ist es vorteilhaft auf der Auflage aus verstärktem Kunststoff durch molekulare Bindung einen Gleitfilm zur Senkung des Reibungskoeffizienten der Plattenauflage aufzubringen. Durch die molekulare Verbindung des Gleitfilms mit der Auflage haftet der Gleitfilm auch bei der zusätzlichen Verwendung von Öl im Lager zuverlässig auf der Auflage. Durch die Verwendung von Lagern aus verstärkten Kunststoff mit einem molekular mit der Auflage verbundenen Gleitfilm muss beim An- und Herunterfahren der zu lagernden Maschine das Öl nicht mit hohem Druck in das Lager gepresst werden, was die Anlage weiter vereinfacht und verbilligt.

Es ist besonders zweckmässig, wenn als Gleitfilm ein Disulfid verwendet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch ein Schublager;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch ein Lager mit mehreren Schublagerelementen;

Fig. 3A den vergrösserten Ausschnitt II aus Fig. 1 mit unterschiedlicher Auflage und Platte;

Fig. 3B den vergrösserten Ausschnitt 11 aus Fig. 1 mit einstückig ausgeführter Auflage und Platte.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 und 2 ist ein Schublager 10 dargestellt, welches einen Läufer 6 und Schublagerelemente 1 umfasst. Ein Schublagerelement 1 besteht üblicherweise aus einer Platte 2 und einer Plattenauflage 3. Die Plattenauflage 3 ist mit der Platte 2 fest verbunden, beispielsweise kann die Plattenauflage mit der Platte durch Warmpressen verbunden werden. Das Schublagerelement 1 ist über ein Drehlager 5 drehbar gegenüber einem Widerlager 11 gelagert. Das Schublager 10 besteht dabei aus mehreren Schublagerelementen 1, die regelmässig um eine Läuferachse 9 verteilt sind, siehe Fig. 2. Das gesamte Schublager 10 ist mit Öl 8 bedeckt, wobei zwischen dem Läufer 6 und dem Schublagerelement 1 ein Ölfilm der Dicke h gebildet wird. Die Dicke h und die Druckverteilung des Ölfilms sowie eines Winkels α des Schublagerelements 1 gegenüber dem Läufer ist dabei abhängig von der Last 7 des Läufers sowie dessen Geschwindigkeit und der Lage des Drehlagers 5 gegenüber dem Lagerelement 1 und abhängig von der Viskosität des Öls, wobei durch die Scherkräfte Wärme im Ölfilm produziert wird. Die entstehende Wärme kann über das Öl abgeführt werden.

Die Platte 2 und die Plattenauflage 3 besteht aus einem Kunststoff, der mit einem Füllstoff verstärkt ist. Verwendet werden können verschiedene Thermoplaste, welche mit Füllmaterialien wie Kohle- und Glasfasern oder mit Graphite, usw., gefüllt sind. Ein bekanntes Material ist zum Beispiel "Zymaxx", welches aus Polytetrafluorethylene (PTFE) und eingelagerten Kohlefasern besteht. Dieses Material weist gegenüber reinem PTFE verbesserte Kriecheigenschaften, eine höhere Streckgrenze und geringere Wärmeausdehnung auf. Gegenüber einem Schublagerelement mit einer Auflage aus Weissmetall werden somit die thermischen Deformation des Schublagerelements verringert, was die Konstruktion des Schublagerelements deutlich verbessert. Weiter ist durch die verbesserten Kriecheigenschaften gegenüber PTFE das Verhalten des Schublagerelements besser voraussagbar und zuverlässiger, da das Kriechen der Plattenauflage im wesentlichen nicht mehr beachtet werden muss.

Wie schon erwähnt, ist ein Nachteil dieses Materials, der gegenüber reinem PTFE erhöhte Reibungskoeffizient. Deshalb wird ein Gleitfilm 4, siehe Fig. 3A und 3B, auf die Plattenauflage 3 aufgebracht und dieser Gleitfilm molekular mit der Plattenauflage verbunden. Die molekulare Verbindung wird durch die entsprechende Wahl des Gleitfilm-Materials erzielt. Als Gleitfilm-Material lassen sich beispielsweise Disulfide verwenden, welche ohne zusätzliche Bindemittel mit der Plattenauflage eine molekulare Bindung eingehen. Ein besonders bevorzugtes Disulfid ist dabei Wolframdisulfid (WS₂), welches beispielsweise unter dem Markennamen "Ultralube" oder "Dicronite" bekannt ist. Der Reibungskoeffizient dieses Materials liegt unter 0.03 und es kann einfach auf das Substrat aufgebracht werden, wobei es wie oben erwähnt mit dem Substrat eine molekulare Bindung eingeht. Es kann jedoch auch ein Molybdändisulfid verwendet werden, welches beispielsweise unter dem Markennamen "Petromoly" bekannt geworden ist.

Es ist jedoch auch möglich, als Gleitfilm eine Schicht aus PTFE zu verwenden, die z. B. mittels Plasmatechnik auf das Substrat aufgebracht werden kann. Auch hier können natürlich die obengenannten Disulfide auf die Gleitschicht aus PTFE aufgebracht werden.

Durch den Auftrag des Gleitfilmes auf die Plattenauflage wird somit der Reibungskoeffizient des Schublagerelementes drastisch reduziert und es werden sogar bessere Werte als bei der Verwendung von reinem PTFE erzielt. Durch die molekulare Verbindung von Gleitfilm und Plattenauflage wird garantiert, dass der Gleitfilm auch nicht abgetragen wird, wenn beim Anfahren und Herunterfahren der Anlage kein Öl mit Druck in das Schublager eingetragen wird.

Durch die Verwendung eines mit der Plattenauflage molekular verbundenen Gleitfilmes können auch andere verstärkte Kunststoffe als PTFE als Plattenauflage verwendet werden. Obwohl diese Materialien einen höheren Reibungskoeffizienten aufweisen können als verstärktes PTFE, wird durch die Verwendung des Gleitfilmes die Reibung genügend reduziert. So können beliebige thermoplastische Kunststoffe, die den entsprechenden mechanischen und thermischen Anforderungen genügen, verwendet werden. Dies sind vorzugsweise aromatische Kunststoffe, insbesondere Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI) oder Polyetheretherketon (PEEK). Als Verstärkungsmaterial werden auch hier bevorzugt Kohlefasern oder Glasfasern oder andere Füllstoffe verwendet, weil das daraus resultierende Kompositmaterial einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist was sehr vorteilhaft ist. PEEK wird üblicherweise bei etwa 400°C, PPS bei etwa 340°C und Polyimid bei etwa 420°C verarbeitet.

Diese obengenannten Kunststoffe könne natürlich auch für die Platte 2 verwendet werden, insbesondere da für die Platte 2 der Reibungskoeffizient keine Rolle spielt.

Nach Fig. 3A kann die Platte 2 aus einem anderem verstärktem Kunststoff bestehen als die Auflage 3. Ein besonderes Augenmerk muss dann auf die verwendeten Kunststoffe gelegt werden, um eine ausreichende Verbindung zwischen den beiden Schichten zu erlangen.

Besonders vorteilhaft ist die Lösung nach Fig. 3B wo die Platte und die Auflage einstückig aus dem gleichen verstärkten Kunststoff hergestellt sind. Dadurch werden jegliche Bindungsprobleme vermieden und die Lebensdauer des Lagerelementes entscheidend erhöht. Durch die Verwendung eines Gleitfilmes können die mechanischen und thermischen Anforderungen des Lagerelementes durch eine beliebige Kombination von Verstärkungsmaterial und Kunststoffmatrix erzielt werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die hier beschriebenen Lagerelemente können natürlich auch in einem Radiallager verwendet werden. Die Lagerelemente sind dann um den Umfang des Rotors angeordnet und entsprechend dem Umfang des Rotors gebogen. Es können auch weitere Gleitfilme verwendet werden, die eine genügende Verbindung mit der Plattenauflage und einen genügend tiefen Reibungskoeffizienten aufweisen.

Bezugszeichenliste

1

Schublagerelement

2

Platte

3

Plattenauflage

4

Gleitfilm

5

Drehlager

6

Läufer

7

Last

8

Öl

9

Läuferachse

10

Schublager

11

Widerlager
h Ölfilmdicke
α Winkel

Claims

1. Lagerelement (1), insbesondere für Schublager (10), umfassend eine Platte (2) mit einer darauf angebrachten Plattenauflage (3) aus einem verstärkten Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (2) ebenfalls aus einem verstärkten Kunststoff besteht.

2. Lagerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (2) und die auf der Platte angebrachte Plattenauflage (3) einstückig aus dem gleichen verstärkten Kunststoff ausgeführt sind.

3. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkte Kunststoffmaterial der Platte (2) und/oder der Plattenauflage (3) PTFE oder ein aromatischer Thermoplast ist.

4. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial der Platte (2) und/oder der Plattenauflage (3) Kohle- oder Glasfaser oder Graphit ist.

5. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Plattenauflage (3) durch molekulare Bindung ein Gleitfilm (4) zur Senkung des Reibungskoeffizienten der Plattenauflage (3) aufgebracht ist.

6. Lagerelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitfilm (4) ein Disulfid ist.

7. Lagerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitfilm (4) ein Wolfram- oder ein Molybdän-Disulfid ist.