DE69309225T2

DE69309225T2 - Lagerzusammenbau

Info

Publication number: DE69309225T2
Application number: DE69309225T
Authority: DE
Inventors: Allan Roger Budris
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: EP0598421B1; DE69309225D1; JPH06207620A; CA2108307A1; JP2538182B2; US5267798A; KR970001607B1; CA2108307C; EP0598421A1; KR940009543A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lageranordnungen zum Lagern von Wellen und insbesondere auf Schmiereinrichtungen für die relativ zueinander beweglichen Komponenten von Lageranordnungen.
Langlebige und aus hartem Material bestehende Lagerzapfen und Druckringe in Lageranordnungen, die in Anlage an Hülsen oder Wellen aus demselben oder einem ähnlichen harten Material laufen, wie sie zur Handhabung von Schleifstoffen sowie hohen Lagerenergiebelastungen in hochkorrosiven Umgebungen erforderlich sind, d.h. Lagerzapfen, Ringe und Hülsen aus massivem alpha-gesinterten Karbid, weisen sehr schlechte Trockenlaufeigenschaften auf. Solche Lageranordnungen, wie sie häufig bei Magnetantriebspumpen in der Chemie verwendet werden, können vorzeitige und rasche Lagerausfälle während Stauchperioden erleiden, die zu einer Unterversorgung der Anordnungen mit Schmiermittel führen. Ferner verschärft sich bei den meisten Magnetantriebspumpen ein Problem durch Lagertemperaturanstieg während Trockenlauf-Perioden aufgrund der zusäztlichen Wärme durch Wirbelströme, die in dem typischen Metallmantel erzeugt werden, in den die Lager derselben eingeschlossen sind. Beim Trockenlaufen versagen die Lager so schnell, daß jegliches Überwachungsgerät oder Instrument für diesen Zweck nicht rasch genug reagieren kann, um die Pumpe zum Stoppen zu bringen, bevor die Lager ernsthaften Schaden nehmen. Diese harten Lager aus massivem alpha-gesinterten Siliziumkarbid benötigen außerdem sehr geringe Lauftoleranzen zwischen dem Lagerzapfen und der Hülse, d.h. ca. 0,0015 Inch pro Inch Hülsendurchmesser, um in wirksamer Weise zu arbeiten. Als Ergebnis hiervon ist die Bewegung der Hülse in dem Lagerzapfen recht begrenzt, bevor Oberflächenkontakt- Belastungen in dem Lager entstehen. Jegliche Kräfte, die durch die Schmiereinrichtung auf den Lagerzapfen oder die Hülse ausgeübt werden, dürfen daher das Lager nicht zu sehr überbelasten.
Der bekannte Stand der Technik, wie er z.B. durch das US-Patent 4 869 603 von Rudolf Meltzer et al. am 26. September 1989 fur ein Lager für Zylinder von Druckpressen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung veranschaulicht ist, offenbart die Verwendung von Polytetrafluorethylen als Schmiermittel für das Lager. Dieses Material ist deshalb von Vorteil, weil Polytetrafluorethylen eine viel höhere Wärmeausdehnungsrate als das vorstehend genannte Lagermaterial, nämlich alpha-gesintertes Siliziumkarbid, hat. Wenn das Lager heiß wird, dehnt sich das vorstehend genannte Schmiermittel aus und verteilt sich auf der Lagerhülse oder dem Druckring und überzieht diese, wobei dies dazu führt, daß das Schmiermittel, d.h. das Polytetrafluorethylen, gegen sich selbst läuft.
Als Schmiermittel bietet Polytetrafluorethylen, das unter seinem Warenzeichen Teflon allgemein bekannt ist, den genannten Vorteil, daß es einen Überzug auf der damit in Berührung tretenden Komponente bildet und gegen sich selbst laufen kann, wobei jedoch bei einer Lageranordnung, die sehr geringe Lauftoleranzen benötigt, die Teflon-Ausdehnung eine weitere Belastung für die Lageranordnung darstellt. Selbst die Verwendung einzelner Längen aus Teflon, die in den relativ zueinander beweglichen Lagerkomponenten im Abstand voneinander vorgesehen sind, wie dies in dem vorstehend genannten Patent 4 869 603 angegeben ist, würde zu einer übermäßigen Belastung einer Lageranordnung führen, die geringe Lauftoleranzen besitzt. Eine Wärmeausdehnung der Streifen wäre kein Weg für ein Nachgeben irgendeines derselben, und zwar aufgrund der Expansion anderer Streifen. Da sich bei dem betreffenden Lager in Umfangsrichtung unterschiedliche Temperaturen manifestieren, können die Längen oder Streifen aus Teflon dies nicht ausgleichen, indem sie einem Streifen eine geringere Dehnung als einem anderen gestatten, um eine übermäßige Belastung des Lagers auszuschließen. Außerdem unterliegt das Teflon, das auf die glatten, harten polierten Lagerflächen zu Schmierzwecken aufgebracht wird, mit der Zeit Verschleiß und muß daher während jeder Erwärmungsperiode aus dem trockenen Lagerbetrieb wieder aufgebracht werden. Dadurch könnte ein Verschleißen der Lagerf lächen bis zum erneuten Aufbringen von Teflon erfolgen.
Es besteht daher in Bedarf für eine Schmiereinrichtung für eine Lageranordnung, die nicht mit den genannten Schwierigkeiten behaftet ist und bei Lageranordnungen mit geringen Lauftoleranzen in effizienter Weise verwendbar ist, wobei die Lageranordnungen aus harten Materialien hergestellt sind.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, den vorstehend genannten Bedarf eines verbesserten Schmiermittels bei einer Lageranordnung zu erfüllen.
Insbesondere besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Lageranordnung mit einer gehärteten Welle oder einer Hülse zum Lagern einer Welle in dieser; mit einer Lagerbüchse, die die gehärtete Welle oder Hülse in konzentrischer Weise umgibt; und mit einer unter Wärmeeinwirkung dehnbaren Schmiereinrichtung, die zwischen der Welle und der Büchse oder der Hülse und der Büchse angeordnet ist, wobei die Schmiereinrichtung eine Einrichtung aufweist, die auf umfangsmäßig unterschiedliche Temperaturbedingungen der Lageranordnung anspricht, um eine entsprechend unterschiedliche Dehnung der Schmiereinrichtungen zu bewerkstelligen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine axiale Ansicht eines Teils einer Magnetantriebspumpe, wobei eine Hälfe derselben im Querschnitt dargestellt ist, unter Darstellung eines Laufrads, einer Welle und einer Lageranordnung, wobei letztere ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Lagerbüche der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie 3-3 der Fig. 2;
Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine Draufsicht, eine Seitenaufrißansicht bzw. eine Endansicht des Streifens aus Schmiermaterial, das bei der Lageranordnung der Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Lagerbüchse;
Fig. 8 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, in der jedoch keine separate Hülse vorhanden ist und stattdessen die eigentliche Welle gehärtet ist und als separate Hülse dient.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist in der neuartigen Lageranordnung 10 die Welle 12 eine Magnetantriebspumpe gelagert, wobei mit der Welle ein Laufrad 14 gekoppelt ist, und ein Wellentreiber 16 ist an dem inneren (rechten) Ende der Welle 12 angeordnet. Die Lageranordnung 10 umfaßt einen Lagerhalter 18, der in einem Ring 20 angeordnet ist, sowie einen Druakring 22, der in dem Halter 18 festgelegt ist. Eine Lagerhülse 24 umschließt die Welle 12 und lagert letztere darin, und eine mit der Hülse 24 konzentrische Lagerbüchse 26 umgibt die Hülse 24. "L"-förmige Streifen 28 aus Polytetrafluorethylen (d.h. Teflon) sind zwischen der Lagerbüchse 26 und der Hülse 24 sowie der Lagerbüchse 26 und dem Druckring 22 angeordnet (wobei nur ein Streifen gezeigt ist). Die axiale Länge der Streifen ist zwischen der Lagerbüchse 26 und der Hülse 24 angeordnet, und der radiale Fortsatz der Streifen 28 befindet sich zwischen der Lagerbüchse 26 und dem Druckring 22.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Lagerbüchse 26 sowie drei axial und radial darin ausgebildet Nuten 30, in denen die Streifen 28 aufgenommen sind. In einer der Nuten 30, die in den Fig. 2 und 3 oben dargestellt ist, ist ein Streifen 28 positioniert. Der Teflon-Streifen 28 ist in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt, wobei er eine axiale Länge 32 und einen radialen Fortsatz 34 aufweist.
Die Wärmeausdehnungsrate von Teflon ist viel höher als die Wärmeausdehnungsrate der Lagerbüchse 26, der Hülse 26 und des Druckrings 22, wobei die Lagerhülse, die Hülse und der Ring aus massivem, alpha-gesintertem Siliziumkarbid gebildet sind. Somit expandieren die Teflon-Streifen 28 aus den Nuten 30 heraus, wenn sich die Lageranordnung 10 erwärmt, und sie führen eine eine Beschichtung bildende Schleifbewegung auf der Hülse 24 und dem Ring 22 aus. Ein Teil der auf diese Weise übertragenen Teflon-Beschichtung wird zurück auf die Innenbohrung der Lagerbüchse 26 gestreift und läuft gegen die Streifen 28, von denen die eigentliche Beschichtung ihren Ursprung hatte. Als Ergebnis hervon ist die Anordnung selbstschmierend, indem Teflon gegen Teflon läuft.
Das vorstehend bisher Beschriebene ist nicht grundlegend anders als die in dem genannten Patent Nr. 4 869 603 offenbarte Anordnung. Die Erfindung gibt jedoch eine neuartige Verbesserung an, die im Stand der Technik nicht vorweggenommen oder vorgeschlagen ist. Die Streifen 28 gemäß der Erfindung sind aus faserigem und porösem Teflon gebildet. Eine Lageranordnung, wie die Anordnung 10, manifestiert um ihren Umfang herum üblicherweise unterschiedlichen Temperaturbedingugen. Unter solchen Bedingungen, in denen massive Teflon- Streifen um die Lagerbüchse 26 herum angeordnet sind, erfolgt eine Dehnung jedes einzelnen Streifens und dadurch eine übermäßige Belastung der Lageranordnung. Durch die neuartige Verwendung poröser Streifen jedoch dehnen sich die Streifen aus den Nuten 30 heraus, drücken sich aber durch die darin vorhandenen Lücken zusammen. Dadurch, daß die Lücken ein Kollabieren der Streifen 28 auffangen, führt die Kombination der um die Lagerbüchse 26 herum angeordneten Streifen 28 zu keiner übermäßigen Belastung der Lageranordnung. Bei Konfrontation der Lageranordnung 10 mit solchen umfangsmäßig unterschiedlichen Temperaturbedingungen bewirkt die Anordnung der Streifen 28 dann als Ergebnis eine entsprechende unterschiedliche Dehnung der Streifen 28.
Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind in der Lagerbüchse 26 drei Nuten 30 ausgebildet, wobei diese gleichmäßig um das Zentrum der Lagerbüchse herum voneinander beabstandet sind. Durch diese Anordnung befinden sich die Streifen 28 aus schmierendem Teflon um die Lagerbüchse 26 herum im allgemeinen in einer Gleichgewichtsanordnung. Wenn die porösen Streifen 28 sich dehnen, um mit der Hülse 24 in Kontakt zu treten, wird eine übermäßige Dehnung nicht nur durch die gegenüberliegenden Streifen 28, sondern auch durch teilweises Kollabieren der Lücken in den Streifen neutralisiert. Es spielt keine Rolle, wenn sich einer oder zwei der Streifen 28 mehr dehnen als der dritte Streifen, denn da das Teflon porös ist, gewährleistet seine Zusammendrückbarkeit oder Kollabierbarkeit, daß die Anordnung 10 nicht übermäßig belastet wird.
Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Lagerbüchse 26a, in der nur zwei Nuten 30 für die Streifen 28 ausgebildet sind. Da sich die Nuten auf gegenüberliegenden Seite des Zentrums der Lagerbüchse 26a befinden, sind die schmierenden Teflon- Streifen 28 im allgemeinen miteinander ausgeglichen, und die vorstehend genannten Vorteile davon ergeben sich bei Verwendung dieses Ausführungsbeispiels ebenfalls.
Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die Lagerbüchse 26, die Hülse 24 und der Druckring 22 bei einem ersten Ausführungsbeispiel aus massivem alpha-gesintertem Siliziumkarbid hergestellt. Bei einem alternativen Ausführugnsbeispiel der Erfindung ist ins Auge gefaßt, alpha-gesintertes Siliziumkarbid mit gesteuerter Porosität (erhältlich von der Caborundum Corp., Niagara Falls, New York, unter der Warenbezeichnung: Hexaloy SP-D) anstatt des massiven alpha-gesinteren Siliziumkarbids als Material für die Lagerbüchse 26, die Hülse 24 und den Druckring 22 zu verwenden. Dieses Produkt besitzt eine Anzahl von Lücken in seinen Oberflächen, in denen ein Teil des auf diese Oberflächen aufgestreiften Teflon eingefangen und dort festgehalten wird, wobei verhindert wird, daß es sich leicht wegstreifen läßt. Dies verbessert die sich ergebenden Trockenlaufeigenschaften der Lageranordnung 10, da nach einer ersten Trockenlaufperiode ein gewisser Teil Teflon, der sich in den Lücken in dem alpha-gesintertem Siliziumkarbid mit. gesteuerter Porosität verfängt oder in diesen hängenbleibt, die Oberflächen schützt. Es treten daher keine Perioden einer Nicht-Schmierung später im Trockenlauf auf, wenn man auf ein erneutes Expandieren der Teflon-Streifen 28 aus ihren Nuten 30 heraus sowie eine erneute Streifbewegung über die relevanten Flächen zur Schaffung einer Schmierwirkung wartet.
Fig. 8 zeigt eine axiale Ansicht eines Teils einer Magnetantriebspumpe ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, mit der Ausnahme, daß bei dieer Ausführungsform der Pumpe keine separate Hülse vorhanden ist; dort verwendete entsprechende oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnen jedoch dieselben oder entsprechende Teile wie in Fig. 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist die Lageranordnung loa nicht mit einer separaten Hülse 24 ausgebildet, sondern stattdessen läuft die Lagerbüchse 26 auf einem Bereich 24a der Welle 12a. Der Bereich 24a ist normalerweise in angemessener Weise gehärtet, d.g. mit Karbid oder einem anderen harten Überzugsmaterial beschichtet, damit er als Hülse der Lageranordnung 10a dienen kann.
Die Erfindung schafft Trockenlaufeigenschaften für eine Lageranordnung 10 oder 10a in einer Pumpe oder derglichen, mit denen sich ausreichend Zeit für Überwachungsgeräte erreichen läßt, um auf einen solchen Trockenlauf-Zustand zu reagieren und die Pumpe sicher stillzusetzen, bevor irgendeine Beschädigung des Lagers auftritt. Sie ermöglicht auch, daß das Endprodukt Trockenlaufeigenschaften für begrenzte Zeitdauern hat, ohne daß man das Endprodukt abschalten muß oder es zu einem Versagen oder Lageranordnung kommt. Die Erfindung lehrt die Art und Weise, in der sich eine Trockenlauf-Möglichkeit für jegliches Lagerbüchsen-, Hülsen oder Druckringmaterial schaffen läßt, vorausgesetzt daß die wärmeausdehnungsrate der genannten Komponenten niedriger ist als die der porösen Teflonstreifen 28.
Ich habe meine Erfindung zwar in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen derselben beschrieben, jedoch versteht es sich, daß dies nur als Beispiel und nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu verstehen ist, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargestellt ist.

Claims

1. Lageranordnung (10) mit einer Hülse (24) zum Lagern einer Welle in dieser, mit einer Lagerbüchse (26), die die Hülse (24) umgibt und konzentrisch zu dieser angeordnet ist, und mit einer unter Wärmeeinwirkung dehnbaren Schmiermitteleinrichtung, die zwischen der Hülse (24) und der Lagerbüchse (26) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermitteleinrichtung aus faserigem und porösem Polytetrafluorethylen gebildet ist, das auf in Umfangsrichtung unterschiedliche Temperaturbedingungen der Lageranordnung anspricht, um eine entsprechend unterschiedliche Dehnung der Schmiermitteleinrichtung hervorzurufen.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermitteleinrichtung eine Mehrzahl von Streifen (28) aus Schmiermaterial aufweist und daß wenigstens einer der Streifen zwischen der Hülse (24) und der Lagerbüchse (26) zum Hervorrufen einer Wärmeausdehnung des einen Streifens angeordnet ist, um eine durch Wärmeausdehnung verursachte Kraft zu neutralisieren, die zwischen der Hülse (24) und der Lagerbüchse (26) durch einen anderen der mehreren Streifen (28) hervorgerufen wird.

3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (24) und die Lagerbüchse (26) eine Längsachse aufweisen, und daß es sich bei der Mehrzahl von Streifen um zwei Streifen (28) handelt, die axial auf gegenüberliegenden Seiten der Achse angeordnet sind.

4. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (24) und die Lagerbüchse (26) eine Längsachse aufweisen, und daß es sich bei der Mehrzahl von Streifen um nur drei Streifen (28) handelt, die axial und mit gleichmäßiger Beabstandung um die Achse herum angeordnet sind.

5. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (24) und die Lagerbüchse (26) eine Längsachse aufweisen, daß ein Ring (22) an dem einen axialen Ende der Lagerbüchse (26) angeordnet ist und diesem zugewandt gegenüberliegt, und daß die mehreren Streifen (28) jeweils einen Fortsatz aufweisen, der zwischen dem Ring (22) und der Lagerbüchse (26) angeordnet ist.

6. Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbüchse (26) ein Paar axial ausgebildeter Nuten (30) auf gegenüberliegenden Seiten der Achse aufweist, in denen die beiden Streifen (28) aufgenommen sind.

7. Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbüchse (26) ein Paar axial und radial ausgebildeter Nuten (30) auf gegenüberliegenden Seiten der Achse aufweist, in denen die mehreren Streifen (28) aufgenommen sind.

8. Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (22) an dem einen axialen Ende der Lagerbüchse (26) angeordnet ist und diesem zugewandt gegenüberliegt, daß die mehreren Streifen (28) jeweils einen Fortsatz aufweisen, der zwischen dem Ring (22) und der Lagerbüchse (26) angeordnet ist, und daß die Lagerbüchse (26) drei axial und radial ausgebildete Nuten (30) in gleichmäßiger Beabstandung um die Achse herum aufweist, in denen die drei Streifen aufgenommen sind.

9. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (24) aus einem Material gebildet ist, das Lücken zum Einschließen und Halten des Schmiermaterials darauf aufweist.

10. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet&sub1; daß die Lagerbüchse aus einem Material gebildet ist, das Lücken zum Einschließen und Halten des Schmiermaterials darauf aufweist.

11. Lageranordnung anch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Hülse (24) und/oder die Lagerbüchse (26) aus einem alpha-gesintertem Siliziumkarbid mit gesteuerter Porosität gebildet ist.