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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Lagerung rotierender Maschinenteile.
Genauer gesagt, ist eine zum Unter-Kontrolle-Halten der Lagerbelastung dienende
Anordnung für
Wälzlager
Gegenstand dieser Erfindung.
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Besonders
bei den wechselhaft belasteten Walzen von Materialbahn-Herstellungsmaschinen, besonders
von Maschinen zur Herstellung von Faserstoffbahnen, wie zum Beispiel
von Papier- und/oder Kartonmaschinen, kann es zu Belastungssituationen
kommen, bei denen die Belastung des Wälzlagers unter der Mindestbelastung,
die im typischen Fall rund 2 % der dynamischen Tragfähigkeit des
Wälzlagers
beträgt,
bleibt.
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In
normaler Belastungssituation rollen die Lagerrollen im Wesentlichen
ohne zu gleiten zwischen den Lagerringen, und am Lagerumfang befindet
sich auf der zur resultierenden Last entgegengesetzten Seite ein
Bereich, in dem die Rollen nicht zwischen den Lagerringen eingepresst
sind. Dieser Bereich ist allerdings so kurz, dass keine nennenswerte Verlangsamung
der Rotationsgeschwindigkeit der Rollen eintritt. Je nach Belastung
kann es jedoch zu Situationen kommen, in denen jener Bereich, in
dem die Rollen nicht unter Pressdruck stehen, eine solche Ausweitung
erfährt,
dass es während
des Lagerumlaufs zu einer Verlangsamung der Rotationsgeschwindigkeit
der Rollen kommt. Kommt die nun langsamer gewordene Rolle erneut
in den Belastungsbereich, so beschleunigt sie abrupt auf Rollgeschwindigkeit,
was an der Berührungsstelle
infolge des Gleitens eine Scherspannung bewirkt, die zusammen mit
dem wachsenden Pressdruck zu einem Versagen des Schmiermittelfilms
und zu Kontakt von Metall auf Metall und weiter zu einem lokalen
Oberflächenschaden
führt.
Wird danach der Betrieb unter Normalbelastung, d.h. hoher Belastung
fortgesetzt, so wirkt diese geringfügige Oberflächenbeschädigung als Ausgangsstelle für einen
eigentlichen Ermüdungsschaden
des Lagers, der wachsen und sich zum Beispiel in Form örtlichen
Abplatzens der Oberfläche äußern kann,
das sich über
den gesamten Umfang fortsetzen und schließlich zum Bruch eines Lagerringes
oder zu Rollenbruch führen
kann.
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Im
Folgenden ist unter dem Terminus „O-Last" eine Belastungssituation zu verstehen,
in der sich die Rotationsgeschwindigkeit der Rollen erheblich verringern
und dann am Anfang des Pressungsbereichs abrupt beschleunigen kann.
Eine solche O-Last beträgt
typisch unter 2 % der dynamischen Tragfähigkeit des Lagers. Diese Grenze
hängt jedoch
von zahlreichen Variablen ab, u.a. vom Lagerspiel, von der Lagerdrehzahl,
vom Schmiermittel, vom Lagertyp, von der Lagergröße usw. Typisch ist jedoch,
dass sich durch O-Last-Situation die Lebensdauer des Lagers erheblich
verkürzen
kann.
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Bei
O-Last-Situation nimmt das Risiko einer Beschädigung des Wälzlagers
wesentlich zu, weil die zwischen Innen- und Außenring befindlichen Wälzkörper, wie
z.B. die Kugeln, Rollen oder dergleichen, nicht unbedingt weiter
rollen oder sich in ihrer Rollgeschwindigkeit gegenüber dem
Lagerinnen- und -außenring
wesentlich verlangsamen, wobei dann auf die Wälzkörper und/oder die Lagerringe
eine reibende Belastung wirkt, als deren Folge es an der Rollfläche des
Wälzkörpers und/oder
des rotierenden Lagerringes bei Versagen des Schmiermittelfilms
zu kleinen örtlichen
Schäden
kommt, die sich äußerst nachteilig
auf die Lebensdauer des Lagers auswirken können. Zu einer solchen reibenden
Belastung kommt es besonders dann, wenn die Wälzkörper wieder auf die Geschwindigkeit
der Gegenflächen beschleunigen,
sei es infolge Erhöhung
der Belastung oder weil die Wälzkörper am
Lagerumfang an eine Stelle gelangen, wo eine ausreichende Pressung
zwischen Innen- und Außenring
herrscht. Der Wälzkörper und/oder
die Rollfläche
des Innen-/Außenringes
des Wälzlagers
können
allmählich
Schaden nehmen, und es kann schließlich zur Zerstörung des
Lagers kommen, wenn der Betrieb unter normalen Belastungsverhältnissen
fortgesetzt wird.
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Während der
vorgenannte örtliche
Schaden als Initialstelle für
den Schadensmechanismus fungiert, treten O-Last-Situation und O-Last-Risiko
nur unter bestimmten, meistens kurzen Betriebssituationen der Materialbahn-Herstellungsmaschine
auf, zum Beispiel beim Anfahren, Niederfahren und bei Bahnabriss,
wo mit Absinken der äußeren Belastung die
resultierende Belastung des Lagers sich Null nähert.
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Bekannt
ist bereits, dass sich das O-Last-Risiko durch Einsatz von Gleitlagern
vermeiden lässt. Gleitlager
sind jedoch in der Anschaffung so viel teurer als Wälzlager,
dass für
ihren Einsatz andere Gründe
als das Vermeiden des O-Last-Risikos vorliegen müssen.
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Eine
der Aufgaben dieser Erfindung besteht darin, das mit Wälzlagern
verbundene O-Last-Risiko zu eliminieren oder wenigstens wesentlich
zu verringern. Weiter soll mit der Erfindung eine neue, Erfindungshöhe aufweisende
Anordnung für
Wälzlager, mit
der sich die Lagerbe lastung unter Kontrolle halten lässt, bereitgestellt
werden.
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Erfüllt werden
die gestellten Aufgaben mit einer Anordnung für Wälzlager, mit der sich die Lagerbelastung
unter Kontrolle halten lässt,
etwa in der Form, dass der Wälzlagerung
eine Zusatzlagerung zugeordnet wird, deren Belastung geregelt/verändert oder
auf einen gewünschten
Wert eingestellt werden kann.
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Im
Hinblick auf das Regeln/Verändern/Einstellen
der Belastung ist es gemäß der Erfindung
angezeigt, dass mit der Zusatzlagerung die Belastung um soviel verändert werden
kann, dass die Mindestbelastung des Wälzlagers unter allen Betriebssituationen überschritten
wird. Die Zusatzbelastung kann entweder konstant oder von vorgegebener
Größe oder
so regelbar sein, dass sie nur zum Überschreiten der Mindestbelastung
zur Anwendung kommt.
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Verwirklicht
werden kann die Zusatzlagerung nach der Wälzlagertechnik oder – vorteilhafter – nach der
Gleitlagertechnik, weil das Gleitlager in beengtem Raum untergebracht
werden kann.
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Gemäß der Erfindung
kann die Belastung der Zusatzlagerung zum Beispiel mit einer Feder oder
magnetisch oder auf der Basis von Wärmeausdehnung oder mit einem
Kraftzylinder, wie zum Beispiel einem pneumatischen Kraftzylinder
oder bevorzugt mit einem hydraulischen Kraftzylinder, d.h. einem
Hydraulikzylinder verwirklicht werden. Die Regelung der Belastung
basiert auf der jeweiligen Belastung des eigentlichen Wälzlagers,
und die Belastung kann in der gewünschten Weise gesteuert werden.
Zur Erzeugung der regelbaren Kraft dient bevorzugt ein Hydraulikzylinder,
aber auch die anderen oben genannten Mittel kommen für diesen
Zweck in Frage.
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Neben
dem Erreichen der eigentlichen Ziele sind mit dieser Erfindung auch
Vorteile verbunden, zu denen hier nur Folgendes gesagt sei: Die
Größe der mit
der Zusatzlagerung zu bewirkenden Zusatzbelastung kann im Verhältnis zur
Tragfähigkeit
der eigentlichen Wälzlagerung
gering gehalten werden, so dass das Zusatzlager von geringer Baugröße sein kann.
Da die O-Last-Situation
in der Regel nur in bestimmten kurzzeitigen Betriebsphasen auftritt,
kann zum Eliminieren des O-Last-Risikos das Zusatzlager nur in diesen
kurzen Betriebsphasen belastet werden, wobei der Leistungsbedarf
und die zusätzliche Reibung
gering bleiben, was wiederum eine wesentliche Reduzierung des Wartungsbedarfs
und des Energieverbrauchs bedeutet. Ein Vorteil ist auch, dass das
Zusatzlager im gleichen Ölraum
wie das eigentliche Wälzlager
angeordnet werden kann, so dass sich bei gleichzeitig sehr geringem
Platzbedarf auch zusätzliche
Abdichtungen erübrigen.
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Im
Folgenden wird eine als vorteilhaft befundene Ausführungsform
der Erfindung, ohne dass die vorliegende Erfindung darauf beschränkt werden soll,
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Patentzeichnungen im Einzelnen beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt der erfindungsgemäßen Lagerung
einer Walze einer Materialbahn-Herstellungsmaschine,
Walzenachse rotierbar;
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2 eine
erfindungsgemäße Lagerung
einer Walze einer Materialbahn-Herstellungsmaschine frontal betrachtet;
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3 einen
Querschnitt der erfindungsgemäßen Lagerung
einer Walze einer Materialbahn-Herstellungsmaschine,
Walzenachse feststehend.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 1 und 2 ist die rotierende Achse 1 der
Walze der Materialbahn-Herstellungsmaschine über das
Wälzlager 2, 3, 4 an
der Stuhlung gelagert, wobei das Wälzlager einen an die feststehende
Stuhlung gefügten,
nicht beweglichen äußeren Lagerring 2,
einen an der rotierenden Achse 1 angeordneten und mit dieser
rotierenden inneren Lagerring 3 sowie zwischen den beiden
Ringen kranzförmig
angeordnete Wälzkörper 4 umfasst.
Die Wälzkörper be stehen
in dem in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
aus Kugeln, aber sie könnten
auch aus zylindrischen oder konischen oder tonnenförmigen oder
hülsenartigen oder
allgemein aus rotationssymmetrischen Elementen bestehen.
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Es
sei hier besonders darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung
auch auf Lagerungskonzepte angewendet werden kann, bei denen die Achse
und der daran angeordnete Innenring des Lagers feststehend sind
und der Außenring
des Lagers rotiert. Dabei wird dann gegen die am rotierenden Außenring
des Zusatzlagers ausgebildete Gleitfläche ein an dem feststehenden
Innenring angeordneter Gleitschuh gedrückt.
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Gemäß dem allgemeinen
Prinzip der vorliegenden Erfindung ist der Wälzlagerung eine Zusatzlagerung 8, 9, 10, 11 zugeordnet,
deren Belastung auf einen gewünschten
Wert eingestellt oder der jeweiligen Belastungssituation entsprechend
geregelt werden kann. Mit dieser regelbaren Zusatzlagerung kann
bei Bedarf eine solche Zusatzbelastung erzeugt werden, dass die
dynamische Mindestbelastung der eigentlichen Wälzlagerung 2, 3, 4 der
Achse 1 überschritten
wird.
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Wie
aus 1 deutlicher hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Zusatzlagerung 8, 9, 10, 11 in
axialer Richtung so zwischen der Wälzlagerung 2, 3, 4 der
Achse 1 und dem mit der Achse rotierenden Körper, zum Beispiel
einer Walze, angeordnet, dass sie sich unmittelbar neben der Wälzlagerung
der Achse befindet. Die Zusatzlagerung kann auch auf der anderen
Seite des eigentlichen Wälzlagers
oder, zum Beispiel symmetrisch, beiderseits des eigentlichen Wälzlagers
angeordnet sein.
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Wie
in 2 gestrichelt veranschaulicht ist, erzeugt die
Zusatzlagerung eine Belastung, deren Wirkungslinie F symmetrisch
durch die Achse 1 und das Wälzlager 2, 3, 4 der
Achse läuft.
Diese Wirkungslinie verläuft
außerdem
am vorteilhaftesten senkrecht zur zentralen Drehachse der Achse.
Die mit der Zusatzlagerung zu erzeugende Zusatzbelastung kann entweder
die gleiche Richtung wie die normale resultierende Belastung des
eigentlichen Wälzlagers
haben oder von deren Richtung abweichen.
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Gemäß der Erfindung
kann die Zusatzlagerung nach der Wälzlagertechnik oder – vorteilhafter – nach der
Gleitlagertechnik verwirklicht werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 1 und 2 ist die Zusatzlagerung auf
Gleitlagerbasis verwirklicht. Hierbei umfasst das Zusatzlager ein
an der rotierenden Achse 1 angeordnetes, mit der Achse
rotierendes inneres Rahmen- oder Ringteil 5 mit einer Gleitfläche 6,
das mehrere kranzförmig
und symmetrisch in gleichmäßigen gegenseitigen
Abständen
angeordnete Hohlräume 10 mit
je einem eingepassten, beweglichen Kolbenteil 8 hat. Dabei
bildet jeder der Hohlräume
zusammen mit seinem Kolbenteil ein Zylinderteil 9, aus
dem, von einem unter Druck stehenden Medium belastet, sich das Kolbenteil
radial nach innen gegen die Gleitfläche erstreckt, wobei das Kolbenteil 8,
wenn es an der Gleitfläche
anliegt und auf der Gleitfläche
gleitet, als Lagerschuh funktioniert.
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Der
Hohlraum 10 und der darin befindliche Lagerschuh 8 bilden
so einen Kraftzylinder, der von einem Druckmedium betätigt, d.h.
angetrieben wird, dessen Zuführungsleitung 11 über ein
nicht rotierendes Teil mit dem vom Kolbenteil 8 mit seiner
Rückseite
verschlossenen, oberhalb befindlichen Hohlraum 10, dem
Arbeitsraum des Kraftzylinders, in Verbindung steht.
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Der
Lagerschuh 8 kann unter Anwendung an sich bekannter Technik
als hydrodynamischer oder als hydrostatischer Schuh funktionieren.
Im letzteren Fall ist in die Tasche zwischen Schuh und Gegenfläche 6 Drucköl zu leiten.
Das Drucköl
kann zum Beispiel einer passenden Druckölquelle entnommen werden, oder
es kann in Verbindung mit der Lagerung eine eigene Pumpe angeordnet
werden, die das Öl
zum Beispiel aus dem Ölkreislauf
des Wälzlagers entnimmt
und es unter Druck in die Tasche befördert, von wo es in den Ölkreislauf
des Wälzlagers
zurückfließt.
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Zu
der oben genannten Gleitfläche 6 ist
festzustellen, dass es zur Bildung der Gleitfläche nicht unbedingt erforderlich
ist, an der Achse 1 ein besonderes inneres Rahmenteil 5 anzuordnen,
sondern dass auch die Außenfläche der
Achse 1 als Gleitfläche
des Lagerschuhs 8 dienen kann.
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Das
Zylinderteil 9 und der innen in diesem befindliche Lagerschuh 8 bilden
einen Kraftzylinder, der von einem Druckmedium angetrieben wird,
dessen Zuführungsleitung 11 mit
dem vom Kolbenteil 8 mit seiner Rückseite verschlossenen, oberhalb
des Kolbenteils befindlichen Arbeitsraum 10 des Kraftzylinders
in Verbindung steht. Der Typ des Kraftzylinders ist vom Standpunkt
des Funktionierens der Erfindung betrachtet nicht das Wesentlichste,
und so kann denn gemäß der Erfindung
die Regelung der Belastung der erfindungsgemäßen Zusatzlagerung mit einem
passenden Kraftzylinder, wie zum Beispiel einem pneumatischen Kraftzylinder
oder, vorteilhafter, einem hydraulischen Kraftzylinder, d.h. einem Hydraulikzylinder
verwirklicht werden. Statt mit einem Kraftzylinder kann bei der
vorliegenden Erfindung die Belastung gegebenenfalls auch durch eine feste
oder verstellbare Federbelastung oder durch magnetische Belastung
oder durch auf Wärmeausdehnung
basierende Belastung verwirklicht werden.
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Zum
Abdichten des Arbeitsraumes 10 hat die kreisringförmige Seitenwand
des Kolbenteils, das den Lagerschuh 8 bildet, eine Kolbendichtung 7.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
besteht die Kolbendichtung vorteilhaft aus einem elastischen Werkstoff.
Um eine noch bessere Abdichtung in Bewegungsrichtung des Kolbenteils
zu erzielen, können auch
mehrere Kolbendichtungen angebracht werden; in dem Beispiel in 1 ist
nur eine Kolbendichtung vorhanden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 1 sind das eigentliche Wälzlager 2, 3, 4 und
die erfindungsgemäße Zusatzlagerung 5, 8, 9 im
gleichen Ölraum angeordnet,
so dass für
die Zusatzlagerung keine zusätzlichen
Abdichtungen erforderlich sind.
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In 3 ist
das Lagerungskonzept eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung
gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Achse 1' und
der daran angeordnete Lagerinnenring 3 feststehend, während der
Lageraußenring 2 rotiert.
Der an der Achse gelagerte rotierende Körper, zum Beispiel ein Walzenmantel,
ist hier an den rotierenden Außenring
des Lagers gefügt.
Die Wälzkörper 4 bestehen bei
dem Ausführungsbeispiel
von 3 aus Kugeln, aber sie könnten auch aus zylindrischen
oder konischen oder tonnenförmigen
oder hülsenartigen
oder allgemein aus rotationssymmetrischen Elementen bestehen.
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Gemäß dem allgemeinen
Prinzip dieser Erfindung ist in Verbindung mit der Wälzlagerung 2, 3, 4 eine
Zusatzla gerung 8', 9', 10', 11' angeordnet,
deren Belastung auf einen gewünschten
Wert eingestellt oder der jeweiligen Belastungssituation entsprechend
geregelt werden kann. Mit dieser regelbaren Zusatzlagerung kann
bei Bedarf eine solche Zusatzbelastung erzeugt werden, dass die
dynamische Mindestbelastung der eigentlichen Wälzlagerung 2, 3, 4 der
Achse 1' überschritten
wird.
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Als
Gleitfläche
in der Zusatzlagerung 8', 9', 10', 11' dient nun die
Innenfläche 6' des sich zusammen
mit dem rotierenden Außenring
drehenden inneren Rahmen- oder Ringteils 9' oder die Innenfläche des
rotierenden Walzenmantels, gegen die das Kolbenteil 8', das an der
feststehenden Achse 1' oder
an dem an der feststehenden Achse befindlichen Rahmenteil 5' angeordnet
ist, radial nach außen
gedrückt wird.
Das Kolbenteil fungiert so als Gleitschuh der Zusatzlagerung.
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Wie
beim Ausführungsbeispiel
in 1 und 2 ist auch hier die Zusatzlagerung 8', 9', 10', 11' nach der Gleitlagertechnik
verwirklicht. Der wesentliche Unterschied ist, dass die Zusatzlagerung
ein an der nicht rotierenden Achse 1' angeordnetes, nicht rotierendes
inneres Rahmen- oder Ringteil 5' aufweist, an dem kranzartig und
symmetrisch in gleichmäßigen gegenseitigen
Abständen
Hohlräume 10' mit je einem
eingepassten beweglichen Kolbenteil 8' ausgebildet sind, wobei der Hohlraum 10' und das Kolbenteil
zusammen jeweils ein Zylinderteil 9' bilden. Mit einem Druckmedium
be aufschlagt, tritt das Kolbenteil aus dem Hohlraum hervor und kann
dann als Lagerschuh, der sich an der Gleitfläche 6' abstützt und auf dieser gleitet,
fungieren. Der Hohlraum 10' und
der in diesem vorhandene Lagerschuh 8' bilden so einen Kraftzylinder,
der von einem Druckmedium angetrieben wird, dessen Zuführungsleitung 11' über die
nicht rotierende Achse 1' mit
dem von der Rückseite
des Kolbenteils 8' verschlossenen,
darunter befindlichen Hohlraum 10', dem Arbeitsraum des Kraftzylinders,
in Verbindung steht. Zur Abdichtung des Arbeitsraumes 10' ist es angezeigt,
dass die ringförmige
Seitenwand des den Gleitschuh bildenden Kolbenteils 8' mit wenigstens
einer Kolbendichtung versehen ist.
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In
den Ausführungsbeispielen
von 1, 2 und 3 ist der
Typ des Kraftzylinders vom Standpunkt des Funktionierens der Erfindung
betrachtet nicht das Wesentlichste, und so kann denn gemäß der Erfindung
die Regelung der Belastung der erfindungsgemäßen Zusatzlagerung mit einem
passenden Kraftzylinder, wie zum Beispiel einem pneumatischen Kraftzylinder
oder, vorteilhafter, einem hydraulischen Kraftzylinder, d.h. einem
Hydraulikzylinder verwirklicht werden. Statt mit einem Kraftzylinder kann
bei der vorliegenden Erfindung die Belastung auch durch eine konstante
oder verstellbare Federbelastung oder durch magnetische Belastung
oder ggf. durch auf Wärmeausdehnung
basierende Belastung verwirklicht werden.
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Der
Lagerschuh 8, 8' kann
unter Anwendung an sich bekannter Technik als hydrodynamischer oder
als hydrostatischer Schuh funktionieren. Im letzteren Fall ist in
die Tasche zwischen Schuh und Gegenfläche 6, 6' Drucköl zu leiten.
Das Drucköl
kann entweder einer passenden Druckölquelle entnommen werden, oder
es kann in Verbindung mit der Lagerung eine eigene Pumpe angeordnet
werden, die das Öl
zum Beispiel aus dem Ölkreislauf
des Wälzlagers
entnimmt und es unter Druck in die Tasche befördert, von wo es in den Ölkreislauf
des Wälzlagers zurückfließt.
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Die
Erfindung wurde vorangehend nur exemplarisch beschrieben, soll damit
aber keinesfalls auf ein solches Einzelbeispiel beschränkt werden.
Somit sind im Rahmen der in den Patentansprüchen definierten erfinderischen
Idee zahlreiche Alternativen, Variationen und äquivalent funktionelle andere
Lösungen
möglich.
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So
kommt also auch der Fall in Frage, dass sowohl die Achse als auch
der daran gelagerte Körper,
zum Beispiel ein Walzenmantel, rotierbar sind. Dabei kann dann das
Belasten des Gleitschuhs gegen die Gleitfläche zum Beispiel über einen
an der rotierenden Achse/am Rahmenteil ausgebildeten Ringkanal erfolgen.