DD259021A1 - Radialgleitlager von hubkolbenverdichter-triebwerken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung der ertragbaren Belastung der Radialgleitlager von Hubkolbenverdichter - Triebwerken, die als Verbundlager, insbesondere bei ungehaerteten Kurbelwellen-Lagerstellen als Dreistofflager mit relativ dicker Weissmetallaufschicht konzipiert sind. Das Erfindungsmerkmal besteht darin, dass ausgehend von den mechanischen Werkstoffkenngroessen des Laufschichtwerkstoffes, insbesondere dessen Zugfestigkeit, ein erforderliches Uebermass ermittelt wird, durch dessen Wirksamkeit bei der Montage eine definierte Druckvorspannung in das Lager, vorzugsweise in die Lagerlaufschicht, eingebracht wird, die im Bereich von 80% bis 120% der Zugfestigkeit des Laufschichtwerkstoffes liegt.

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um den bestehenden Forderungen nach ständiger Erhöhung der Leistungsdichte im Hubkolbenverdichterbau zu entsp/echen, wurden mit der Erhöhung der Drehzahlen und der Realisierung der mehrkurbeligen Triebwerke auch die Lagerbreiten sukzessiv verringert.

Im Laufe der Entwicklung erreichten die im Hubkolbenverdichterbau, insbesondere in der mittleren und oberen Leistungsklasse am häufigsten eingesetzten Weißmetallagerstoffe, die sich durch sehr gute Notlaufeigenschaften und sehr gute Anpassungsfähigkeit auszeichnen, da sie als dickwandige Weißmetallager ausgeführt waren, bald ihre Leistungsgrenze bezüglich der mechanischen Belastbarkeit.

Um die hohe Dauerfestigkeit der härteren Lagerwerkstoffe — z.B. auf Kupfer-oder Aluminiumbasis — mit den guten Laufeigenschaften der Weißmetalle zu vereinen, wurden Mehrstoff lager—auch als geschichtete Lager bezeichnet — entwickelt und eingesetzt.

Bewährt haben sich die vorgenannten Dreistofflager, die aus einer Stahlstützschale bestehen, auf die Bleibronze als Notlaufschicht und zur Verbesserung der Anpassungsfähigkeit aufgegossen und dann innen mit einem nur wenige Mikrometer dicken Weißmetall belag versehen wird. Dünne Laufschichten allein sind anfällig für schnellen Verschleiß dieser Schichten durch zu große Oberflächenrauhigkeit des Zapfens, durch Schmutz im Öl, Einbaufehler oder ungenügende Schmierung.

Die konstruktiven Bedingungen für den Einsatz von Lagerwerkstoffen hoher Festigkeit bzw. Mehrstofflager mit extrem dünnem Laufbelag sind einmal auf Grund der verminderten Anpassungsfähigkeit höhere Forderungen bezüglich Qualität in der Fertigung, eine Oberflächenhärtung der Kurbelwelle im Lagerbereich und zum anderen kurze Kurbelwellen, d. h. ein-, höchstens zweikurbelige Maschinen, die noch eine Zweifachlagerung zulassen. Diese Bedingungen sind lediglich im unteren und zum Teil im mittleren Leistungsbereich gegeben.

Im mittleren und oberen Leistungsbereich des Hubkolbenverdichterbaues, wo die Kleinserien, häufig sogar die Einzelfertigung mit ihren spezifischen technologischen Gegebenheiten dominiert, die fertigungsaufwendigen und damit teuren Kurbelwellen im Normalfall ungehärtet montiert werden, um der Gefahr von Härterissen entgegenzuwirken, die Instandsetzung — also auch ein Lagerschalenwechsel von einzelnen Lagern — vor Ort erfolgt und die mehrkurbeligen Triebwerke zum Einsatz kommen, ist bezüglich des Laufwerkstoffes eine geringe Neigung zum Verschweißen ebenso wichtig, wie eine sehr gute Anpassungsfähigkeit, wozu bekanntlich eine entsprechende Stärke dieser Laufschicht erforderlich ist.

All diesen Forderungen entsprechen die bewährten Weißmetalle in Form von Verbundlagern. Lediglich die Dauerfestigkeit des Lagerwerkstoffes begrenzt die Leistungsfähigkeit dieser Triebwerke, da die Laufschichtdicke in einer den praktischen Verhältnissen angepaßten Stärke erforderlich ist, wodurch sich die Dauerfestigkeit stark verringert und häufig nur noch die Werte der Weißmetallmassivlager erreicht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Zuverlässigkeit der Gleitlager und damit die Betriebssicherheit der Verdichteranlage zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Belastungsgrenzen der Radialgleitlager von Hubkolbenverdichtern zu schaffen, welches vorzugsweise für Verdichteranlagen der mittleren und oberen Leistungsklasse, bei denen die Haupt- bzw. Kurbelzapfenlager als Verbundlager mit entsprechend den praktischen Bedingungen angepaßten Weißmetallschichten ausgeführt sind, geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ausgehend von den mechanischen Werkstoffkenngrößen des Laufschichtwerkstoffes, insbesondere dessen Zugfestigkeit, ein erforderliches Übermaß ermittelt wird, durch dessen Wirksamkeit bei der Montage eine definierte Druckvorspannung in das Lager, vorzugsweise in die Lagerlaufschicht eingebracht wird, die im Bereich von 80% bis 120% der Zugfestigkeit des Laufschichtwerkstoffes liegt.

Ausführungsbeispiel

Es ist eine Erfahrung, die in Auslegungsvorschriften von Gleitlagern Eingang gefunden hat, daß Haupt-, Pleuel- und Kolbenbolzenlager in gleicher geometrischer und Werkstoffausführung sehr unterschiedlich belastbar sind, so z. B. bei Weißmetallgleitlagern:

— Außenlagerschwungradseitig Pmax= 250 N/cm²

— Gekröpfte Kurbelwelle, Wellenlager Pmax= 450 N/cm²

— Gekröpfte Kurbelwelle, Pleuellager P_max = 750 N/cm²

— Kreuzkopf- u. Kolbenbolzenlager P_max = 1 200 N/cm²

Theoretische Untersuchungen bezüglich der unter Wirkung des Schmierfilmdruckes sich einstellenden Spannungen und Spannungsverläufe in einem geschichteten Gleitlager haben ergeben, daß als Reaktionen auf die radiale Belastung des Schmierfilmdruckes sich in den Lagermaterialien sowohl Radial- als auch Tangentialspannungen einstellen. Während die Radialspannungen sich nur als Druckspannungen äußern, besitzen die Tangentialspannungen sowohl Druck als auch Zugspannungsanteile, wobei die Zugspannungsanteile betragsmäßig mit größer werdenden Druckgradienten des Schmierfilmdruckverlaufes anwachsen; die absolute Größe des Filmdruckes ist hierbei nur von geringer Auswirkung. Bekanntlich setzt sich der hydrodynamische Druck in einem dynamisch beanspruchten Gleitlager eines Kurbeltriebes aus einem Drehungs- und einem Verdrängungsanteil zusammen. Während sich der Verdrängungsdruck symmetrisch zum engsten Schmierspalt, d. h. zur äußeren Belastung aufbaut und somit nur einen kleinen Druckgradienten besitzt, ist der Drehungsdruck gekennzeichnet durch eine starke Unsymmetrie mit einem steilen Druckabfall (entspricht großem Druckgradienten) im Bereich des engsten Spaltes.

Ein Vergleich der einzelnen Festigkeitswerte von Lagerwerkstoffen, vor allem von Weißmetallen, läßt deutlich erkennen, daß starke Abweichungen zwischen den Zug- und Druckfestigkeiten vorliegen, d. h., daß die Weißmetallegierungen im Stande sind, wesentlich größere Druckspannungen als Zugspannungen auf zunehmen.

Damit ist eine theoretische Erklärung für diese Erfahrung gefunden, denn die Hauptlager werden bedeutend stärker durch Umfangslasten — die Kolbenbolzenlager hingegen mit ausgeprägten Wechsel- oder Schwellasten — beansprucht. Die Dauerfestigkeit von Bauteilen aller Art ist wesentlich von den Eigenschaften ihrer Oberflächen und ihrer Randzonen abhängig. Die Zunahme der Dauerfestigkeit ist bedingt durch die Ausbildung eines günstigen Eigenspannungssystems, in der Regel Druckeigenspannungen in Form einer Druckhaut, die in der Randzone durch plastische Verformung oder durch Eindiffundierung von chemischen Bestandteilen erzeugt werden. Der günstige Einfluß dieses Eigenspannungssystems beruht auf der Überlagerung von Last- und Eigenspannungen, wodurch sich die für den Schädigungsprozeß maßgeblichen Spannungsspitzen verringern.

Aus diesen Sachverhalten wird erfindungsgemäß abgeleitet, daß die Triebwerkslager von Hubkolbenverdichtern, die aus konstruktiven, fertigungs- und montagetechnischen Gesichtspunkten mit Verbundlagern, insbesondere mit Verbundlagern mit Weißmetallaufschichten — die wesentlich stärker als die galvanischen Laufschichten ausgeführt sind — ausgerüstet werden, bei der Montage eine definierte Druckvorspannung im Bereich des Laufwerkstoffes erfahren, die etwa 120%-80% der Zugfestigkeit dieses Werkstoffes betragen sollte.

Wird in einer unter Druckvorspannung stehenden Laufschicht eine belastungsbedingte Zugspannung erzeugt, wird die Gesamtspannung kleiner als die beiden Komponenten. Treten belastungsbedingte Druckspannungen auf, so daß die Gesamtspannung sich infolge der Überlagerung erhöht, wirkt sich dies nicht negativ aus, da die ertragbaren Druckspannungen wesentlich größer sind als die ertragbaren Zugspannungen.

Positiv wirken sich die Druckvorspannung weiterhin dahingehend aus, daß sie im Falle eines Anrisses den Rißfortschritt hemmen. Das zur Erzeugung einer derartigen Druckvorspannung erforderliche Übermaß zwischen dem Gehäusebohrungsinnendurchmesser und dem Lagerschalen-Außendurchmesser kann man z.B. mit Hilfe der nachfolgenden Beziehungen ermitteln:'

i-4

P = . R_T.m » -

(1,2 ooo 0,8) ^D~ - ^D-·

V · D

1 -(T_n+M

G²

>³a

¹ " "St"⁷" ν ^τ St

= 2,2

G = wirksamer Lagerbock-Außendurchmesser

D_a = Lagerschalen-Außendurchmesser

Dj = Lagerschalen-Innendurchmesser .

E₀ = Elastizitätsmodul des Gehäusewerkstoffes

5_G = Querkontraktianzahl des Gehäusewerkstoffes

Est = Elastizitätsmodul des Stützschalenwerkstoffes

5st = Querkontraktionszahl des Stützschalenwerkstoffes

RmLw ⁼ Zugfestigkeit des Laufschicht-Werkstoffes

Rz = Mittlere Rauheit der Gehäuse-Innenbohrung

Rzla = Mittlere Rauheit der Stützschalen-Außenfläche

φ = Übermaßzwischen Gehäusebohrungs-Innendurchmesserunddem Lagerschalenaußendurchmesser

Claims (1)

1. Radialgleitlager von Hubkolbenverdichter-Triebwerken, die als Verbundlager, insbesondere bei ungehärteten Kurbelwellen-Lagerstellen als Dreistofflager mit relativ dicker Weißmetallaufschicht konzipiert sind, gekennzeichnet, daß ausgehend von den mechanischen Werkstoffkenngrößen des Laufschichtwerkstoffes, insbesondere dessen Zugfestigkeit, ein erforderliches Übermaß ermittelt wird, durch dessen Wirksamkeit bei der Montage eine definierte Druckvorspannung in das Lager, vorzugsweise in die Lagerlaufschicht, eingebracht wird, die im Bereich von 80% bis 120% der Zugfestigkeit des Laufschichtwerkstoffes liegt.

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der ertragbaren Belastung der Radialgleitlager von Hubkolbenverdichter-Triebwerken, die als Verbundlager, insbesondere bei ungehärteten Kurbelwellen-Lagerstellen als Dreistofflager mit relativ dicker Weißmetalllaufschicht konzipiert sind.