DE2940199C2 - Lagersystem für die Durchführung der Welle eines Absperrventils - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Lagersystem nach w der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solches Lagersystem ist bekannt (FR-PS 13 18 921) und umfaßt zur Reduzierung oder Unterdrückung von Wirbelerscheinungen bei schnellaufenden hydrodynamischen Gaslagern eine in zwei unsymmetrische Teilstücke unterteilte ^bl innere Lagerschale, bei welcher das obere, etwa über einen Viertel-Kreisbogen laufende Teilstück vollkommen frei beweglich lediglich über eine radial verstellbare Kugellagersicherung an seiner Position gehalten wird. Diese freie Beweglichkeit und Einstellbarkeit des kleineren Lagerschalenstück;, ermöglicht eine Justierung des Gesamtsystems dahingehend, daß Wirbelerscheinungen bei Halbgeschwindigkeiten jetzt unterhalb der Geschwindigkeiten auftreten, für welche die Welle verwendet wird. Dabei ist das größere, im wesentlichen tragende Lagerschalenstück an einer ringförmigen Membran befestigt, während bezüglich des kleineren Lagerschalenstücks lediglich deren Kugellagersicherung von der Membran getragen wird.

Für sich gesehen ist es ferner bekannt (US-PS 36 27 332), zur Wellenabdichtung eine Dichtscheibe aus Metall vorzusehen und radial zur Welle mittels eine radiale Nachgiebigkeit sichernden Vorspannungsfedern zu befestigen.

Im Gegensatz hierzu betrifft die vorliegende Erfindung Lagersysteme für Absperrventile, Steuerventile, Isolatoren u. dgL bei denen die Welle sich vergleichsweise langsam dreht und üblicherweise auch keine vollständige Umdrehung in ihrem Lager durchführt. Durch solche, gegebenenfalls nur auf Verdrehwinkel von 90° beschränkte Drehbewegungen ergeben sich ungewöhnliche Arbeitsbedingungen, die neben niedriger Arbeitsgeschwindigkeit einen unregelmäßigen Betrieb und minimale Wartung und Schmierung umfassen. Ferner müssen durch die Erfindung realisierte Lagertypen in der Lage sein, in staubiger und/oder korrosiver Umgebung zu arbeiten, wobei sich leitende Einflüsse längs der Schieberachse sowie von den Lagerbügeln ergeben; ferner sind Rahmen und Gehäuse Strahlungseinflüssen und starken Temperaturschwankungen ausgesetzt.

Die folgende Betrachtung zählt die wesentlichen Lagertypen auf, die unter speziellen Voraussetzungen und Arbeitsbedingungen üblicherweise benutzt werden:

1. Lager, die über einen rollenden Kontakt — in Verbindung mit Umfangsreibung — verfügen;

2. Lager mit besonderen Eigenschaften, bei denen, ohne daß eine Schmierung erforderlich ist, spezielle Materialien verwendet werden;

3. Grauguß-Gleitlagerund

4. Lager, die in eine Wellendichtung eingearbeitet sind.

Sämtliche dieser Lager verfügen über jeweils verschiedene Nachteile, auf die im folgenden gleich eingegangen wird, wenn sie unter bestimmten erschwerenden Arbeitsbedingungen verwendet werden. Dabei dürfen insbesondere die nachteiligen Einflüsse nicht unterschätzt werden, die von üblichen Wellendichtungen auf die Wirksamkeit und die Arbeitsweise der Lager ausgeübt werden. Die soeben erwähnten verschiedenen Lagertypen können wie folgt eingeordnet werden:

Bei den an erster Stelle genannten Rollenlagern ist das Lager von einer einzigen Kugellagerreihe gebildet, die in einem Lagerschalenblock oder in einem Flansch aus gepreßtem Stahl oder in einem Graugußgehäuse montiert ist. Solche Lager verfügen über eine äußere Kugellager-Laufbahn mit einer sphärischen äußeren Oberfläche, die zur Erzielung einer selbstausrichtenden Fähigkeit in eine entsprechende, angepaßte sphärische Bohrung im Gehäuse eingepaßt ist. AUernativ werden sphärische Rollenlager verwendet, bei denen die äußere Laufbahn über eine sphärische Bohrung verfügt und das sphärische Profil der beiden Rollenlaufbahnen die Fähigkeit zur .Selbstausrichtung oder Selbstzentrierung

sicherstellt.

Um das Eindringen von Schmutz, Makroteilchen, Feststoffpartikeln u. dgl. in das Lager zu verhindern, sind gelegentliche Dichtungen eingepaßt. Allerdings sind diese Dichtungen im allgemeinen nicht ausreichend, und als Folge davon kann es zu einem Lagerfressen kommen. Dieses Problem wird noch durch Korrosionseinflüsse auf die Kugeln oder Rollen und Walzen sowie deren Laufbahnen und den Verlust der Fähigkeit zur Selbstaus/ichtung verstärkt, falls nicht häufig ge- '" schmiert wird; speziell dort, wo es zu einer Wärmeübertragung längs der Schieberachse kommt, die ein Herauslaufen des Schmiermittels aus den Lagern bewirkt

Bei den einfachsten Anwendungsfällen wird eine '⁵ Wellendichtung dadurch bewirkt daß die Lager direkt auf den Rahmen des Sperrelements, Absperrventils, Drosselglieds o. dgl. montiert werden. Allerdings werden Temperatureinflüsse hierdurch verstärkt, wobei dann, wenn die Lagerdichtung versagt, die Wirksamkeit -° der Wellenabdichtung verloren ist. Alternativ werden zur Abdichtung übliche Stopfbuchsen verwendet. Dies führt jedoch zu dem Nachteil, daß die Fähigkeit zur Selbstausrichtung des Lagers, gleichgültig welcher Art, verhindert oder beeinträchtigt wird. Außerdem erfordem solche Wellendichtungen regelmäßige Wartung. Die Stopfbüchsenbrille muß periodisch festgezogen und gespannt werden, um die Dichtung aufrechtzuerhalten. Das Packmaterial ist wegen der radialen Belastung Abnutzungserscheinungen unterworfen und kann ⁱ⁽¹ schrumpfen sowie bei der Aussetzung von Temperatureinflüssen verhärten, so daß ein erneutes Packen der Stopfbüchse erforderlich wird.

Die unter Punkt 2 genannten Lager, die über besondere Eigenschaften verfugen und keine Schmie- ^!l rung benötigen, verwenden Materialien wie Nylon, Bronze mit Graphiteinlagerungen, P.T.F.E. (Polytetrafluoräthylen), Kohle, Sinterbronze oder Eisen mit einem Feststoff-Schmiermittel. Bei diesen Lagern handelt es sich üblicherweise um ebene Gleitlager, die in einem Gehäuse mit sphärischen Oberflächen montiert sind, um so eine selbstzentrierende Fähigkeit zu erzielen. Solche Lager neigen zum Fressen, und zwar infolge Eindringens von Schmutz und sonstigen Partikeln; außerdem kann übermäßige Abnutzung aufgrund der weichen ⁴"> Beschaffenheit der Lagermaterialien nur durch Aufrechterhaltung eines hohen Oberflächenfinish der Welle vermieden werden. Dies ist aber bei den hier vorherrschenden Bedingungen nicht möglich, denn auf den Oberflächen ergeben sich Ablagerungen; außerdem "'" ergeben sich Korrosionserscheinungen, die zur Grübchenbildung oder der Ansammlung von Korrosionsprodukten führen. Außerdem ist die zugelassei.e Belastung pro Flächeneinheit gering, während die aus gesinterten Materialien bestehenden Lager nicht fähig sind, " Stoßbelastungen aufzunehmen.

Wellendichtungen, die bei dieser Lagcrart verwendet werden, bestehen üblicherweise aus Stopfbüchsen, die die weiter oben erwähnten Nachteile aufweisen.

Die an dritter Stelle genannten Graugußgleitlager mit ^b0 ebenen Lagerflächen verfugen nicht über selbstausrichtende oder selbstzentrierende Fähigkeiten und weisen auch keine Mittel auf. die das Eindringen von Staub, Schmutz. Partikeln u.dgl. verhindern könnten, die zu einem Lagerfressen führen. Werden solche Lager direkt auf den Rahmen des Ventils oder des Sperrschiebers montiert, um so eine Wellendichtung zu bilden, kann die Wärmeleitung /u einem Lagerfressen führen, es sei denn, daß die Lagerspiele großzugig bemessen sind, in welchem Fall dann aber wieder Leckagen, beispielsweise bei gasförmigen Medien auftreten.

Schließlich kann man entsprechend Punkt 4 bei Sperr- oder Dämpfungsvorrichtungen Lager in Form von Einsätzen benutzen, die im Stopfbuchsen-Wellendichtungssystem enthalten sind. Diese Lager verfügen aber nicht über selbstzentrierende eigenschaften, sie verursachen eine exzessive Abnutzung der Stopfbüchsenpackung und sind infolge Eindringens von Fremdstoffen einem Lagerfressen leicht zugänglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lagersystem für die Durchführung der Welle eines Absperrventils, Trennschalters, Isolators o. dgl. zu schaffen, bei dem eine Schmierung nicht erforderlich ist und das Lager über selbstzentrierende Eigenschaften verfügt, bei dem die Lagerfunktion weder durch Schmutz und Fremdstoffe aus der Umgebung oder sonstige Feststoffteilchen noch durch Temperatureinflüsse beeinträchtigt wird und die notwendige Weilendichtung sich nicht nachteilig auf die selbstzentrierenden Eigenschaften des Lagers auswirkt

Diese Aufgabe löst das erfindungsgemäße Lagersystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß einerseits durch die segmentierte Ausbildung der Lagerschale Zwischenräume zwischen den einzelnen Lagersegmenten gebildet sind, die mit ihren jeweils an der Wellenoberfläche anliegenden Randkanten verhindern, daß sich auf dieser und somit zwischen den Lagersegmenten und der Welle Schmutzteilchen absetzen, andererseits aber die gesamte Lagerung trotz der nur partiell an der Welle angreifenden Unterstützungen durch die Lagersegmente insgesamt flexibel mit Hilfe einer Membran erfolgen kann. Dabei sind sämtliche Lagersegmente axial und radial fixiert, ohne daß die Membran ungleichmäßig belastet ist.

Die spezielle, in axialer Richtung durchlässige Lagerausführung erfordert die spezielle Zuordnung einer scheibenförmigen Wellendichtung, die dann ihrerseits verhindert, daß in die eigentliche Lagerung im größeren Maße Schmutz- und Fremdteilchen eindringen.

Das erfindungsgemäße Lagersystem ist in der Lage, selbstzentrierende Eigenschaften auch bei Eindringen von Fremdstoffen und Schmutz aufrechtzuerhalten, desgleichen die grundlegende Lagerfunktion auch dann, wenn keine Schmierung erfolgt und erhebliche Temperatureinflüsse unterschiedlicher Art einwirken. Durch die aus rostfreiem Stahl bestehenden flexiblen Zwischenscheiben, die insgesamt die Membran bilden, ergeben sich die selbstzentrierenden Eigenschaften der vorzugsweise fünf über den Umfang gleichmäßig verteilten, aus Phosphorbronze oder Kanonenbronze bestehenden Lagersegmente, wobei die große freie Oberfläche in Verbindung mit dem geringen Volumen der Zwischenscheiben (Membran) und die niedrige Wärmeübertragungseigenschaft dieser Membran das Lagersystem zu einer Temperaturbarriere ausbilden. Dabei wird die aus zwei übereinandergelegten geschlitzten, aus rostfreiem Stahl bestehenden Scheiben gebildete Wellendichtung mittels metallischer Klemmverbindungen gegen den stationären Rahmen und gegen die Welle gepreßt, so daß sich hier eine Metall-zu-Metall-Dichtung zwischen der Welle und dem Rahmen des Absperrventils ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden

Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch das Lagersystem, welches der Welle eines im einzelnen nicht dargestellten und daher im Grunde beliebigen Absperrventils zugeordnet ist,

Fig. 2 eine Draufsicht des Lagersystems der Fig. 1, gesehen in Richtung des Pfeils A und

F i g. 3 eine Draufsicht auf das Lagersystem der F i g. 1 (lediglich den Bereich der Wellendichtung), pesehen in Richtungdes Pfeiles ßvon Fig. 1. _!0

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren der Zeichnung ist der Lagerrahmen 1 eines Isolators, Trennelements oder eines wie im folgenden lediglich noch genannten Absperrventils dargestellt, durch welchen sich eine aus rostfreiem Stahl bestehende Welle 2 erstreckt. Um die Welle 2 ist ein Lager sowie eine Wellendichtung montiert, die beide zusammen ein Lagersystem bilden.

Das Lager besteht, radial nach außen von der Welle gesehen, aus einem aus zwei Teilen gebildeten konzentrischen, ringförmigen Zwischenglied, welches eine flache Ringscheibe 11, an welcher eine vorgegebene Anzahl von Lagersegmenten 12, vorzugsweise fünf Lagersegmente 12 befestigt, nämlich verschraubt sind, sowie einen Haltering 13 umfaßt, der die radiale Belastung des Lagers aufnimmt. Die der Befestigung der Lagersegmente 12 dienenden Schrauben übertragen selbst keine radiale Belastung. Die Segmente 12 sowie der Haltering 13 weisen insoweit Toleranzen auf, daß sich zwischen der Welle und den Segmenten 12 ein hinreichendes, großzügiges Spiel ergibt. Dies ist wegen der niedrigen, sich ergebenden Drehgeschwindigkeiten akzeptierbar und beseitigt jegliche Gefahr, daß sich die Welle im Lager festfrißt, daß es also zu einem Lagerfressen kommt. Dabei verfügt die die Welle lagernde Kontaktoberfläche über Unterbrechungen, die dadurch gebildet sind, daß zwischen den Segmenten 12 Abstände bzw. Freiräume vorhanden sind, so daß sich die Lagerfläche normalerweise über nicht mehr als etwa 70% der durch die Lagerung überstrichcnen Fläche der Welle erstreckt Dies ermöglicht das einfache Freischeren oder Durchscheren von Ablagerungen von Makroteilchen oder Feststoffpartikeln u.dgl. mittels des ausgeübten Arbeitsdrehmoments und stellt einen Ausweg für diese Partikelablagerungen und ähnliches zur Verfügung. Außerdem sind die Segmentseiten in ihrer Formgebung so getroffen, daß sich auf die Welle eine Reinigungswirkung ergibt. Die Verwendung von Segmenten ermöglicht schließlich den individuellen Ersatz von Lagerabschnitten, ohne daß die Gesamtheit des Lagersystems freigelegt und geöffnet werden muß.

An dem Haltering 13 sind zwei übereinandergelegte, also sich überlagernde, ringförmige flexible metallische Zwischenscheiben 15 festgespannt, die eine Membran 15 bilden, und zwar mit Hilfe eines Klemm- oder Spannrings i4. Die Scheiben oder federnden Plattenelemente sind dann ihrerseits mit ihren äußeren Randbereichen mit Hilfe eines größeren äußeren Spannringes 16 an einer Halteplatte 17 für das Lager festgespannt. Diese Zwischenscheiben 15, die insofern den Abstand zwischen dem Haltering 13 und dem größeren Ring 16 überbrücken, sind so angeordnet, daß sich die mechanischen Eigenschaften der Zwischenscheiben-Gesamtheit als über den gesamten Umfang symmetrisch ergeben, beispielsweise indem die Wälzrichtungen des verwendeten Spulenmaterials um 90° zueinander versetzt sind; mit anderen Worten, die sich durch das Walzen ergebende Textur der Zwischenscheiben wird zur Erzielung symmetrischer Eigenschaften versetzt angeordnet. Die beiden Zwischenscheiben bilden so ein Mittel zur Selbstausrichtung, d. h. zur Erzielung einer selbstzentrierenden Fähigkeit des Lagersystems, indem sie diesem eine winkelmäßige Abweichung oder Auslenkung ermöglichen.

Die am Rahmen des Sperrventils montierte Wellendichtung besteht aus zwei überlagerten, geschlitzten, ringförmigen, flexiblen metallischen Dichtscheiben 18. Um eine Leckage entlang der radialen Verbindung der Schlitze in den jeweiligen Scheiben 18 zu vermeiden, sind die Schlitze um 180° versetzt angeordnet, wie in Fig.3 gezeigt. Diese Dichtscheiben 18 werden am Sperrventilrahmen mit Hilfe eines Spannrings 19 sowie einer Anzahl, vorzugsweise vier Stapeln 20 aus sogenannten Belleville-Beilegscheiben (Tellerfedern) gehalten. Dabei sind die Dichtscheiben 18 sandwichartig zwischen zwei Scheiben aus gleichem Material (in der Zeichnung nicht dargestellt) angeordnet, die den Reibungskoeffizienten zwischen den Dichtscheiben 18 und dem Rahmen 1 oder dem Spannring 19 des Trennventils reduzieren, so daß in einfacher Weise eine Schwimmbewegung dieser insoweit schwimmend gelagerten Dichtscheiben begünstigt wird.

Die Belleville-Scheiben- oder 'Federstapel 20 erzwingen eins kontrollierte Einspannkraft und ermöglichen es so den Dichtscheiben 18, in der Ebene des Sperrventilrahmens 1 schwimmend nachzugeben und sich den Wellenbewegungen dann anzupassen, wenn das Lager nachgegeben hat oder abgelenkt wurde, so daß eine Fehlausrichtung oder Verwindung der Welle aufgefangen werden kann. Eine solche Auslegung der Wellendichtung behindert und verhindert daher nicht die Fähigkeiten des Lagers zur Selbstausrichtung. Darüber hinaus verfügt eine solche Wellendichtung über den Vorteil, daß die Dichtungsscheiben 18 ohne eine Zerlegung des Lagers ersetzt werden können.

Die Ringscheibe 11, der Haltering 13, die Spannringe 14 und 16 sowie die Halteplatte 17 bestehen bevorzugt aus weichem Stahl, der Spannring 19 ist bevorzugt aus dem gleichen Material, üblicherweise Stahl, hergestellt, wie der Rahmen des Absperrventils, während die Lagersegmente 12 bevorzugt aus Phosphorbronze oder Kanonenbronze (Rotguß) bestehen. Die Zwischenscheiben der Membran 15 und die Dichtungsscheiben 18 bestehen bevorzugt aus rostfreiem Stahl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Lagersystem für die Durchführung der Welle eines Absperrventils, Trennschalters. Isolators o. dgL durch einen stationären Lagerrahmen mit einer ringförmigen Membran zur flexiblen Aufhängung von austauschbaren Radiallagersegmenten am Lagerrahmen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei mit gegenseitigem Abstand über den Wellenumfang verteilte Segmente (12) vorgesehen sind, die an einem lingförmigen Zwischenglied (11, 13) auf einer Axialseite befestigt und von diesem radial abgestützt sind, und daß im axialen Abstand zu diesem Wellenlager mindestens eine die Welle umgebende, flexible, am Lagerrahmen (I) befestigte metallische Dichtscheibe (18) schwimmend angeordnet ist.

2. Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (11, 13) von einer flachen Ringscheibe (11) gebildet ist, an der die Lagersegmente (12) seitlich unmittelbar befestigt (angeschraubt) sind, sowie von einem mit der Ringscheibe (11) verbundenem Haltering (13), der die Lagersegmente (12) radial trägt und an der ringförmigen Membran (15) befestigt ist. :?5

3. Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Halterings (13) an der Membran (15) ein erster, innerer Spannring (14) vorgesehen und so an dem Haltering (13) befestigt ist, daß die Membran (15) mit ihrem w inneren Rand zwischen beiden eingespannt ist.

4. Lagersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am von der Membraneinspannung abgewandten axialen Ende des Halterings (13) ein äußerer Randbereich der Ringscheibe (11) befestigt S5 ist, an deren innerem Randbereich die einzelnen Lagersegmente (12) angeschraubt sind.

5. Lagersystem nach einem öder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Randbereich der Membran (15) mit einem +0 zweiten, äußeren Spannring (16) an einer Halteplatte (17) befestigt (eingespannt) ist, die ihrerseits am stationären Lagerrahmen (1) angeordnet ist.

6. Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) aus « zwei flexiblen, einander überlagernden Zwischenscheiben besteht.

7. Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheibe zwei übereinander angeordnete, geschlitzte, flexible, '■<> ringförmige Metallscheiben umfaßt, die mittels eines Spannrings (19) am Lagerrahmen (1) befestigt sind.

8. Lagersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze der Metallscheiben um 180° zueinander versetzt angeordnet sind.