DE19859637A1

DE19859637A1 - Lagerelement

Info

Publication number: DE19859637A1
Application number: DE1998159637
Authority: DE
Inventors: Ken Haffner; Francois Meynard
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2000-06-29

Abstract

Bei einem Lagerelement (1), insbesondere für Schublager (10), umfassend eine Platte (2) mit einer darauf angebrachten Plattenauflage (3) aus einem verstärkten Kunststoff, ist auf der Plattenauflage (3) durch molekulare Bindung ein Gleitfilm (4) zur Senkung des Reibungskoeffizienten der Plattenauflage (3) aufgebracht.

Description

Technisches Gebiet

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

Die Erfindung geht weiter aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.

Stand der Technik

Für Gleitlager von grossen Maschinen, insbesondere Schublager von Generatoren, wird üblicherweise als Auflage des Lagerelementes Weissmetall (engl.: babitt) verwendet. Weissmetall-Auflagen können einfach repariert und ersetzt werden. Weiter kann das relativ weiche 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 Pumped 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 auf und einen geringeren Reibungskoeffizienten.

Messungen haben gezeigt, dass der Ölfilm zwischen dem Lager und der Rotoroberfläche bei gleicher Last grösser als bei Weissmetall ist. 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.

Die mechanischen Eigenschaften von PTFE sind jedoch auch stark temperaturabhängig und PTFE weist eine grosse Neigung zur thermischen Ausdehnung 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", Traduction of a Chinese Document by Prof. Shen Wen Yi, Technical Comittee of the "China Three Gorges Development Corporation", 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 Vorteile und Nachteile der Lager ergibt sich aus der obengenannten Schrift, dass PTFE-Lagerauflagen mit Verstärkungsmaterialien insgesamt schlechtere Eigenschaften als reine PTFE-Auflagen aufweisen und deshalb nicht verwendet werden sollten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lagerelement der eingangs genannten Art die Verwendung von verstärkten Kunststoff-Lagerauflagen zu ermöglichen.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, dass auf der Plattenauflage durch molekulare Bindung ein Gleitfilm zur Senkung des Reibungskoeffizienten der Plattenauflage aufgebracht ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Vorteile von verstärkten Kunststoff-Lagerauflagen ausgenützt werden können und die Lagerelemente trotzdem einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen.

Durch die molekulare Verbindung des Gleitfilms mit der Auflage haftet der Gleitfilm auch beider zusätzlichen Verwendung von Öl im Lager zuverlässig auf der Auflage. Durch die Verwendung von verstärkten Kunststofflagern wird die thermische und kriechende Deformation des Lagerelementes reduziert und dadurch die Konstruktion des Lagerelementes vereinfacht, was die Zuverlässigkeit der Konstruktion erhöht. Durch die Verwendung von verstärkten Kunststoff-Lagerauflagen mit einem molekular 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.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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 den vergrösserten Ausschnitt II aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch ein Lager mit mehreren Schublagerelementen.

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

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1, 2 und 3 ist beispielsweise ein Schublager 10 dargestellt, welches einen Läufer 6 und Schublagerelemente 1 umfasst. Ein Schublagerelement 1 besteht aus einer Platte 2 und einer Plattenauflage 3. Die Plattenauflage 3 ist mit der Platte 2 fest verbunden, beispielsweise kann die Plattenauflage auf der Platte aufgeklebt werden oder über eine nicht dargestellte, zwischengeschaltete metallische Gitterstruktur miteinander 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 des Läufers 6 verteilt sind, siehe Fig. 3. 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 Scherkräfte im Ölfilm erzeugt werden. Die entstehende Wärme kann über das Öl und eventuell über Ölkühler abgeführt werden.

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 Graphit, 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 aus Weissmetall und reinem PTFE 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 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. Das Wolframdisulfid wird dazu beispielsweise einfach auf die zu behandelnde Fläche aufgesprüht.

Es kann jedoch auch ein Molybdändisulfid (MoS₂) verwendet werden, welches beispielsweise unter dem Markennamen "Petromoly" bekannt geworden ist.

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 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 verstärkte 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 Kohlefasern oder Glasfasern oder andere Füllstoffe verwendet. PEEK wird üblicherweise bei etwa 400°C, PPS bei etwa 340°C und Polyimid bei etwa 420°C verarbeitet.

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 Typen von Gleitfilmen verwendet werden, die eine genügende Verbindung mit der Plattenauflage und einen genügend tiefen Reibungskoeffizienten aufweisen. So sind beispielsweise auch die unter dem Markennamen "Dylyn" bekannt geworden Beschichtungen verwendbar, welche eine diamantartige Struktur aufweisen können.

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 auf der Plattenauflage (3) durch molekulare Bindung ein Gleitfilm (4) zur Senkung des Reibungskoeffizienten der Plattenauflage (3) aufgebracht ist.

2. Lagerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitfilm (4) ein Disulfid ist.

3. Lagerelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitfilm (4) ein Wolfram- oder ein Molybdän-Disulfid ist.

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

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

6. Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes (1), insbesondere für Schublager (10), umfassend eine Platte (2) mit einer darauf angebrachten Plattenauflage (3) aus einem verstärkten Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Plattenauflage (3) ein Gleitfilm (4) aufgebracht wird, dass der Gleitfilm (4) molekular mit der Plattenauflage (3) verbunden wird und dass der Gleitfilm (4) einen niedrigeren Reibungskoeffizienten aufweist als die Plattenauflage (3).

7. Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Gleitfilm (4) ein Disulfid aufgebracht wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Gleitfilm (4) ein Wolfram- oder ein Molybdän-Disulfid aufgebracht wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als verstärktes Kunststoffmaterial der Plattenauflage (3) ein PTFE oder ein aromatischer Thermoplast verwendet wird.