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Drucklager mit Kippsegmenten enthalten eine Vielzahl von
Tragsegmenten, die jeweils auf einer Scheibe zum Kippen in
einem Haltering auf einem gehärteten kugelförmigen
Schwenkknopf getragen werden, der sich von dem Boden der Scheibe
erstreckt. Die Segmente werden mit zirkulierendem
Schmiermittel überflutet. Ein rotierender Druckkragen oder Läufer
liegt auf den oberen Oberflächen der Segmente auf und reitet
auf einem Ölfilm auf der oberen Oberfläche der Segmente. Die
Tragsegmente werden üblicherweise aus Stahl hergestellt, der
mit einem Material niedriger Reibung beschichtet ist,
beispielsweise Lagermetall. Ein derartiges Drucklager mit
Kippsegmenten entsprechend dem Vorspann des Anspruchs 1 ist aus
US-A-38 29 180 bekannt.
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Wenn der Läufer rotiert, schert er den Ölfilm, der den Läufer
von den Lagersegmentflächen trennt, und erzeugt Hitze an der
Oberfläche der Segmente. Dies führt zu einem
Temperaturdifferential quer zu jedem Segment und durch jedes Segment. Die
obere Oberfläche ist die heißeste, so daß sie eine leicht
konvexe Form annimmt. Die Konvexität bzw. das Abwärtsbiegen
der vorderen und hinteren Kanten der Segmente verformt den
Ölfilm auf der Tragoberfläche und beeinflußt ihre
Lastaufnahmefähigkeit. Die Last auf dem Segment verursacht ein
weiteres Abwärtsbiegen des Segments um seinen Schwenkpunkt, und
dies beeinträchtigt ebenfalls die Lastaufnahmefähigkeit,
jedoch ist die Biegung aufgrund der Temperaturunterschiede
normalerweise mehrfach größer als aufgrund des Druckes.
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Der
Ausdruck "Vorderkante", wie er hierin benutzt wird, ist
die Kante des Lagersegments, die von einer beliebigen Linie
an dem sich in der Richtung der Drehung oder Bewegung über
die Reihe von kreisförmig angeordneten oder linear
angeordneten Tragsegmenten bewegenden Läufer zuerst überquert würde.
Die "hintere Kante" ist dann die Kante des Segments, über die
der genannte Punkt oder die Linie als zweite in der Richtung
der Drehung oder Bewegung des Läufers geht.
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Aufgrund der in dem flüssigen Schmiermittel erzeugten
hydrodynamischen Kräfte hat man es für wünschenswert gehalten,
die Segmente zum Kippen um einen Kontaktpunkt zwischen einer
kugeligen Oberfläche und einer eben Oberfläche anzuordnen.
Die Kippwirkung führt dazu, daß sich die maximale
Schmierfilmdicke (h1) natürlich an der vorderen Kante der Segmente
enwickelt, und eine minimale Filmdicke (h2) sich an der
hinteren Kante der Segmente enwickelt. Bei dem Entwurf von
Kippsegmentlagern ist es ein Ziel, wie im Fall der vorliegenden
Erfindung, den Filmdruck zu reduzieren, die Filmdicke zu
maximieren und die Temperatur des Schmierfilms zu minimieren.
Die von der oberen Arbeitsoberfläche der Lagersegmente
entwickelte Abwärtsbiegung oder Konvexität verformt den
Schmierölfilm zwischen der Tragoberfläche des Segments und dem
Läufer und verursacht im allgemeinen eine signifikante Abnahme
der Lastaufnahmekapazität. In der tatsächlichen Praxis ist
die Abbiegung für ein mit Lagermetall beschichtetes
Stahllagersegment einige hundertstel eines Millimeters (einige
tausendstel eines Zolls), was sich allgemein mit der Lagergröße
ändert. Dies ist zwar eine kleine Größe, beeinträchtigt
jedoch die Lastaufnahmekapazität des Lagers wesentlich.
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Die meisten zur Verwendung mit einem rotierenden Läufer
angepaßten Lageranordnungen mit Kippsegmenten haben eine
Vielzahl von sektor- oder kuchenstückförmigen in einem Kreis
angeordneten Segmenten. Die Theorie der von einem
hydrodynamischen
Film geschmierten Achsiallager mit Kippsegmenten ist
bei den Personen bekannt, die sich mit dem Konstruieren und
Verwenden großer Drucklager befassen, beispielsweise für
hydraulische Turbinen und dergleichen. Die allgemein als gültig
angenommene Theorie sagt, daß sich eine maximale
Lastaufnahmefähigkeit ergibt, wenn die Segmentkippstelle in
Umfangsrichtung in der Richtung der Läuferrotation zu einer
optimalen Position von etwa 0,6 der Länge des Segments von dessen
Vorderkante versetzt ist, wenn die obere Tragoberfläche des
Segments flach ist und der Läufer in einer einzigen Richtung
läuft. Bei Anwendungen, bei denen der Läufer in Drehrichtung
umkehrbar ist, muß der Schwenkpunkt natürlich auf einer Linie
liegen, die zwischen den Vorderkanten und Hinterkanten der
Lagersegmente zentriert oder mittig angeordnet ist. Die
theoretische Analyse der hydrodynamischen Eigenschaften von
Lagersegmenten, die für eine Drehung in beiden Richtungen
zentral gehaltert sind, und von flachen Lageroberflächen ergibt,
daß sich ein Ölfilm entwickeln würde, der überhaupt keine
Lastaufnahmefähigkeit aufweist. Theorie und Realität stimmen
in diesem Fall nicht überein. In der tatsächlichen Praxis
entwickeln die flachen Lager aufgrund von Hitze und Belastung
eine gewisse Verformung, die dazu führt, daß sich eine
Lastaufnahmefähigkeit durch das Schmiermittel entwickelt. Für nur
in einer Richtung drehbare Läufer haben die Fachleute es
akzeptiert, den Schwenkpunkt für die Kippsegmente bei 60 % des
Abstandes zwischen ihren vorderen und hinteren Kanten
einzustellen. Erfindungsgemäß wurde jedoch sehr zur Überraschung
der sich mit der Konstruktion schwerer Kippsegmentlager
bebefassenden Personen kürzlich durch theoretische Analyse und
praktische Tests demonstriert, daß, wenn man die Verformung
berücksichtigt, der Schwenkpunkt von der Vorderkante um
wesentlich mehr als 60 % der Breite des Lagersegmentes nach
stromab gerückt werden soll, in Übereinstimmung mit der
hierin offenbarten Erfindung. Es wurde herausgefunden, daß
dies einen dickeren Schmierfilm im Bereich der Hinterkante
als bisher erreicht erzeugt, was gleichbedeutend ist mit der
Aussage, daß das Lager eine höhere Lastfähigkeit haben wird.
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Eine von der Marineabteilung der Vereinigten Staaten
veröffentlichte Abhandlung berichtet über Tests, die an zwei
verschiedenen Typen von Drucklagern durchgeführt wurden, von
denen eines ein Kippsegmentlager und das andere eine andere Art
von Drucklager war. Die Leistungsmerkmale wurden verglichen.
Die Daten zeigen, daß die Leistung des Kippsegmentlagers sich
verbesserte, wenn der Punkt, auf dem die Segmente kippen, von
50 % bis 60 % bis 70 % des Abstands von der Vorder- zu der
Hinterkante der Segmente zunahm. Ein optimierter Kipppunkt
wurde nicht bestimmt oder nahegelegt. Der herkömmliche 60 %
Kippunkt wurde nicht positiv in Frage gestellt. Die Studie
war hauptsächlich zum Vergleichen zweier Typen von Lagern
bestimmt. Bei der Veröffentlichung handelt es sich um: Nathan
T. Sides und Thomas L. Daugherty, "Performance
Characteristics of Oil Lubricated Swing-Pad Thrust Bearings with
Different Radii of Curvature" - Report No. DTNSRDC-80/122 (David
Taylor Naval Ship Research and Development Center) ,
veröffentlicht Dezember, 1980. Government Accession No. AD-
A093173.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, für die
Reduzierung der Schmierfilmtemperaturen, die Reduzierung der
Schmiermitteldrücke und für die Vergrößerung der
Schmiermitteldicke bei Kippsegmentlagern zu sorgen.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Wie diese allgemeine Aufgabe gelöst wird und wie andere
speziellere Aufgaben gelöst werden, ergibt sich aus einer mehr
in Einzelheiten gehenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung, die im folgenden gegeben wird.
Kurz gesagt liegt das Hauptmerkmal der Erfindung darin, den
bevorzugten Bereich von Prozentsätzen und den optimalen
Prozentsatz des Abstands zwischen den Vorder- und Hinterkanten
des Segments für die radial verlaufende Linie anzugeben, auf
der Schwenkpunkt angeordnet sein sollte, um reduzierte
Filmtemperaturen, reduzierten Schmiermitteldruck und vergrößerte
Filmdicke an der Hinterkante des Segments zu erhalten.
Insbesondere liegt die Erfindung darin, die Segmentschwenkstellen
im Bereich von 70 % bis 80 % des Abstands zwischen den
Vorder- und Hinterkanten der Segmente anzuordnen. Der optimale
Punkt der Schwenkstelle liegt bei etwa 75 % des Abstands
zwischen den Vorder- und Hinterkanten des Segments.
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Zusätzlich zur Lieferung von Nachweisen zur Bestätigung der
Wirksamkeit, den Schwenkpunkt zwischen 70 % und 80 % einer
Segmentbreite zu haben, wird ein Gerät zum Durchführen der
Tests offenbart, die die Gültigkeit der hierin beschriebenen
Schwenkstelle bestätigen.
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Eine ins einzelne gehende Diskussion einer erläuternden
Entwicklung der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen gegeben.
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Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines typischen
Kippsegmentlagers, die die Segmente und das Gehäuse, um sie
halten, und eine Welle zeigt, an der ein Läufer oder Gleiter
befestigt ist, der teilweise geschnitten dargestellt ist;
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Figur 2 ist eine Aufsicht auf ein sektorförmiges
Kipplagersegment;
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Figur 3 zeigt einen Schnitt durch das Lagersegment der
vorhergehenden Figur längs einer Linie 3-3 in Figur 2, zusammen
mit einem Schnitt eines Läufers, einem Schnitt einer
Kipptragescheibe und einem Schnitt einer Basisplatte;
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Figur 4 ist eine Explosionsansicht der wesentlichen Teile
eines Gerätes zum Durchführen der Tests, die bei der
Bestätigung der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
vorgeschriebenen Stelle der Lagersegmentkippunkte mithilft;
und
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Figur 5 bis 11 sind graphische Darstellungen von
Schwenkstelle und maximaler Segmenttemperatur, wobei mindestens ein
Parameter verändert wird;
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Figur 12 ist eine Aufsicht auf eine alternative Form eines
sektorförmigen Lagersegments nach der Erfindung;
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Figur 13 zeigt eine senkrechte Schnittansicht des
Lagersegments der Figur 12 längs einer Linie 13-13 zusammen mit einem
Schnitt eines Läufers und einem Schnitt einer stationären
Basisplatte;
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Figur 14 ist eine Aufsicht auf ein weiteres sektorförmiges
Lagersegment nach der Erfindung;
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Figur 15 zeigt eine senkrechte Schnittansicht des
Lagersegments der Figur 14 längs einer Linie 15-15 in Figur 14
zusammen mit einem Schnitt eines Läufers und einem Schnitt einer
stationären Basisplatte;
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Figur 16 ist ein Graph einer Lagersegmentschwenkstelle gegen
maximale gemessene Segmenttemperatur für einen Fall A, wo das
Segment aus Stahl besteht, und einen Fall B, in dem das
Segment aus einer Kupferlegierung besteht, und in beiden Fällen
ist der Kippachsenknopf aus hartem Stahl, wobei der Graph
sich auf die Ausführungsform der Figur 12 und 13 bezieht; und
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Figur 17 ist ein Graph einer Lagersegmentschwenkstelle
gegenüber der maximalen gemessenen Segmenttemperatur für einen
Fall C, bei dem das Segment aus Stahl besteht, und einen Fall
D, in dem das Segment aus Kupferlegierung besteht, wobei der
Graph sich auf die Ausführungsform der Figur 14 und 15
bezieht.
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Eine typische Kippsegmentlageranordnung ist in Figur 1
dargestellt. Sie enthält ein kreisförmiges Gehäuse 10. Es gibt
eine Vielzahl von kippbaren Lagersegmenten 11, die in einem
Kreis in dem Gehäuse 10 angeordnet sind. Das Gehäuse 10 ist
üblicherweise in einer Maschinenbasis angeordnet, wie es
beispielsweise der Fall wäre bei einer hydraulischen Turbine.
Die lasttragende Welle ist mit 12 markiert und weist einen
scheibenförmigen Läufer oder Gleiter 13 auf, der an ihr
befestigt ist. Ein Teil des Läufers ist weggeschnitten, um die
oberen Oberflächen der Lagersegmente 11 freizulegen. Diese
oberen Oberflächen sind, typischerweise und für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung, beschichtet mit einer Schicht von
Lagermetall 14, das in Figur 3 gesehen werden kann. In Figur
1 kann die Annahme gemacht werden, daß der Läufer 13 in der
Richtung des Pfeils 15 rotiert. In diesem Fall ist die Kante
16 des ersten offengelegten Lagersegments 11 als die
Vorderkante behandelt, und die andere Kante ist dann die mit 17
markierte Hinterkante.
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Nun wird die Aufmerksamkeit auf die Diagramme in Figuren 2
und 3 gerichtet. Figur 2 ist eine Aufsicht auf ein
Kippsegment 11, das in einem rotierenden Drucklager verwendet wird.
Figur 3 zeigt, wie das Segment auf einem stationären
Basisring 18 getragen wird, der in einem Gehäuse 10 befestigt sein
würde, das in einer Maschine befestigt sein würde. Das
Segment 11 ist in diesem Beispiel auf dem ringförmigen Rand 19
einer kippbaren Scheibe 20 gelagert. Die Scheibe besteht
üblicherweise aus hartem Stahl. Ein kugeliger Knopf 21 ist
einstückig mit dem Boden der Scheibe 20 gebildet und
erstreckt sich von diesem. Wie ersichtlich verläuft die obere
Oberfläche des Basisrings 18 als Tangente zu dem Umfang der
Kugel. Der Durchmesser der kippbaren Scheibe 20 ist gleich
"d". Das Lagersegment 11 ist sektorförmig. Seine
durchschnittliche oder zentrale Breite ist mit L bezeichnet. Die
Breite L ist ein Bogen, der sich von der Vorderkante 16 zu
der Hinterkante 17 erstreckt und quer über eine radial
verlaufende Linie geht, auf die der Schwenkpunkt fällt. Der
Schwenkpunkt ist in diesem Beispiel auf dem halben Weg
zwischen den radial äußeren und inneren Kanten 22 und 23 der
Segmente. Die Dicke des Kippsegments 11 ist mit dem
Buchstaben "t" bezeichnet. Die Last auf eines der typischen Segmente
11 wird durch den Läufer 13 aufgelegt, wie in Figur 1
demonstriert. Die Translation oder Drehung des Läufers in Figur 3
wird durch den mit 15 bezeichneten Pfeil angezeigt. In
Betrieb sind die dargestellten Teile in nicht dargestelltes
Schmieröl eingetaucht, das zwangszirkuliert werden kann. Wenn
der Läufer 13 in Bewegung ist, kippen alle Segmente 11 in der
kreisförmigen Segmentreihe, und lastaufnehmender Film von Öl
entwickelt sich aufgrund bekannter hydrodynamischer
Grundsätze zwischen der oberen Oberfläche der Lagermetallschicht
14 und der unteren ebenen Oberfläche des Läufers 13. Die
minimale Dicke des Films bei oder im Bereich der Hinterkante
17 des Segments wird mit "h&sub2;" bezeichnet. Da das Segment
aufgrund der Belastung und der Erwärmung eine leichte konvexe
obere Oberfläche entwickeln wird, Balligkeit genannt, kann
die minimale Ölfilmdicke weiter innen als an der Hinterkante
des Segments auftreten. Eine Aufgabe der Erfindung ist es,
eine Filmdicke h&sub2; zu erreichen, die möglichst dick ist. Die
Lastaufnahmefähigkeit des Lagers wird in großem Ausmaß von
der Dicke h&sub2; des Schmierfilms beherrscht. Die Dicke des Films
an der Vorderkante 16 des Segments 11 wird mit "h&sub1;"
bezeichnet. Der Abstand von der Vorderkante 16 des Segments 11 zu
dem Schwenkpunkt oder dem Be-rührungspunkt des kugelförmigen
Knopfes 21 wird durch den Buchstaben "P" bezeichnet.
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Bis zu der Zeit, zu der die erfinderischen Konzepte der
vorliegenden Erfindung bestätigt wurden, bestand die
herkömmliche Weisheit unter Konstrukteuren von
Schwerlastsegmentaxiallagern
darin, den Schwenkpunkt oder die radial
gerichtete Linie, auf der das Schwenken auftritt, so zu anzuordnen,
daß der Abstand P etwa 60 % der Segmentlänge L gleich war.
Ein Überraschungsfaktor bei der vorliegenden Erfindung liegt
darin, daß die allgemein akzeptierte Praxis, P bei 50 % bis
60 % von L zu haben, nicht zu einer optimalen Lagerleistung
führt. Wie im folgenden demonstriert werden wird, werden
erfindungsgemäß gewünschte Leistungsmerkmale des Lagers bei
70 % bis 80 % verbessert und werden optimal, wenn P im
Bereich von etwa 75 % von L ist. Wenn man eine Schwenkstelle
wie sie von der Erfindung vorgeschrieben wird hat, führt dies
zu einer vergrößerten Filmdicke h&sub2;. Dies verringert die durch
die Scherwirkung auf das Schmiermittel erzeugte Hitze, was
wiederum zu verringerten Filmtemperaturen und Drücken führt.
Erfindungsgemäß sind die Faktoren, die die
Lastaufnahmefähigkeit von Kippsegmentlagern maximieren, wenn die Schwenkstelle
P 70 % bis 80 % von L ist, synergistisch oder wirken in
einer positiven Rückkopplung miteinander. Die Reduzierung des
Drucks in dem Film in dem Kontaktbereich, wenn die
Schwenkstelle in dem vorgeschriebenen Bereich liegt, führt zu einer
vergrößerten Filmdicke und verringerten Filmtemperaturen und
umgekehrt. Reduzierte Filmdrücke ergeben sich aus einer
wirksameren Verwendung der Segmentoberfläche aufgrund einer
geringeren Balligkeit, wenn die Segmenttemperaturen verringert
werden.
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In einer Abhandlung, vorgelegt von Rightmire, D.K., et al,
"An Experimental Investigation of a Tilting-pad, Compliant-
Surface, Thrust Bearing", Journal of Lubrication Technology,
Trans. ASME, vorgelegt Oktober 21-23, 1975, berichten die
Autoren über Experimente mit Kippsegmenten, deren
Lageroberflächen mit einer nachgiebigen gummiartigen Zusammensetzung
anstelle von Lagermetall beschichtet waren. Sie bemerkten,
daß die Bewegung des Schwenkpunktes der Segmente über einen
Bereich von 55 % bis 85 % der Segmentlänge den
Spitzen-Ölfilmdruck vergrößert. Rechnungen des Anmelders hier sagten
das Abnehmen des Ölfilmdrucks, wenn man von 50 % von L bis
etwa 65 % bis 70 % geht, und dann ein Zunehmen voraus. Dies
korreliert mit den von dem Anmelder erhaltenen
Temperaturdaten. Sie setzen nicht speziell die Segmentschwenkstelle in
Bezug zu der Lagerleistung. Aufgrund der Subtilität der bei
Hochlastaxiallagern auftretenden Phänomene können keine
Ableitungen mit Sicherheit gemacht werden, daß ihre Daten auf
lagermetallbeschichtete Lagersegmente anwendbar sein würden.
Die Geometrie der Lagersegmente und die Testanordnung von
Rightmire et al ist ebenfalls deutlich verschieden von dem,
was von dem Erfinder dieser Anmeldung beschrieben wird.
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Die die unerwarteten hierin berichteten Ergebnisse
unterstützenden Daten wurden mit dem in Explosionsdarstellung in
Figur 4 dargestellten Testgerät erhalten. Das Gerät ist aus
zwei halbkreisförmigen kanalförmigen Abschnitten
zusammengesetzt, die Innen- und Außenränder 26 und 27 aufweisen, die
einen kreisförmigen Kanal definieren, dessen flache Boden-
oder Basisoberfläche mit 28 markiert ist. Zwei aufgespaltete
Ringe 29 und 30 sind derart ausgebildet, daß sie in den Kanal
eingesetzt werden können. Sie haben eine Vielzahl von
Löchern, beispielsweise das mit 31 bezeichnete Loch, zur
Aufnahme von Kippscheiben 20 verschiedener Durchmesser. Wenn
sich das Testgerät der Figur 4 im Gebrauch befindet, sind die
beiden Kanalabschnitte zur Bildung eines kreisförmigen Kanals
mit Hilfe von Zylinderkopfschrauben verriegelt, die in Löcher
wie das Loch 32 passen. Während eines gegebenen Tests wird
nur ein identisches Paar von Kippscheiben 20 verwendet. Eine
Scheibe in dem Paar ist der anderen diametral entgegengesetzt
angeordnet. In Figur 4 zeigt die mit 20 markierte und in
umgekehrter Stellung dargestellte Scheibe den kugeligen
Tragknopf 21. Ihr Gegenstück an der entgegengesetzten Seite des
Kanalrings ist in aufrechter Stellung dargestellt, wie es
während eines Tests sein würde. Zwei Kippsegmentsektoren 11
werden für einen Testlauf verwendet. Einer ist in dem
Basisring in Figur 4 an seiner Stelle, während der andere, der
diametral gegenüberliegend sein würde, entfernt wurde.
Typischerweise passen die Scheiben 20 in zugehörige Löcher 31 in
den Sektoren 30. Die Sektoren 30 haben Kerben 33 in den
Rändern. Diese Kerben liegen benachbart zu dem Außenrand 27 der
Basis. Es gibt einen Schlitz in dem Seitenrand 27, in den ein
gerader Keil 34 zum Eingriff mit einer beliebigen der Kerben
33 eingesetzt werden kann. Dies ermöglicht die Verriegelung
des Sektors 30 in einer Position während eines Tests. Wenn
der Keil 34 entfernt wird, können die Sektoren in dem Kanal
verdreht werden, um das Paar der verwendeten Scheiben 20
relativ zu den Lagersegmenten 11 zu positionieren. Mit anderen
Worten verursacht das Einstellen der Winkelposition der
gekerbten Sektoren 30 in Drehrichtung, daß der Schwenkpunkt
oder der Kontaktpunkt des kugelförmigen Knopf es bei einem
beliebigen ausgewählten Abstand P relativ zu der Länge L des
Segments 11 angeordnet wird. In Figur 4 sind drei
Tragsegmente benachbart zu dem Testgerät dargestellt, um nahezubringen,
daß Segment 11', 11", und 11"' unterschiedlicher Dicke
verwendet wurden, um zu bestätigen, daß die von der vorliegenden
Erfindung vorgeschriebene optimale Schwenkstelle unabhängig
von einem praktischen Bereich von Dicken t des Lagersegmentes
11 war. Der Läufer zum Auflegen einer Last auf die oberen
Oberflächen der Testsegmente 11 wurde in Figur 4
weggelassen.
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Einige der Bedingungen, die für die Tests aufgestellt wurden,
sind: die Tragscheiben 20 ständig vollständig innerhalb der
Vorder- und Hinterkante der Segmente zu halten;
Läufergeschwindigkeiten von 4000 U/min nicht zu überschreiten, um
nichtlaminare Filmbedingungen zu vermeiden; die maximale
Last auf 414 N/cm² (600 psi) zu begrenzen, um das Ausfallen
von Lagern zu vermeiden und die Fähigkeiten beizubehalten,
gültige Daten zu erhalten; die maximale Segmenttemperatur auf
121ºC (250ºF) zu begrenzen; als Schmiermittel Turbinenöl des
Typs ISO VG32 (Internationale Standard Organisation
Viskositätsgrad 32) zu verwenden; die Öleinlaßtemperatur zwischen
48,6ºC (119,5ºF) und 49,2ºC (120,5ºF) zu halten; und Öl mit
etwa 57 Litern pro Minute zirkulieren zu lassen. Die
Kriterien für die Lagerleistung wurden aus Erwärmungswirkungen
abgeleitet. Dementsprechend hatten alle der Testkippsegmente 11
mehrere thermisch sensitive Detektoren, wie beispielsweise
Thermoelemente, die nicht sichtbar in Kontakt mit der
Lagermetallbeschichtung an verschiedenen Stellen montiert waren.
Die elektrischen von diesen Sensoren kommenden Leitungen sind
aus entgegengesetzten Enden der Segmente in Figur 4 kommend
dargestellt und mit 35 und 36 markiert.
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Die Segmente 11 werden gegen Drehung in dem kanalförmigen
Basisring mit Hilfe von Zapfen 37 und 38 gehalten, die radial
nach außen und innen verlaufen und in Kerben in dem Rand 27
einsitzen. Die Kerben sind tief genug, so daß die Zapfen 37
nicht auf ihren Böden ruhen, in welchem Fall die Segmente nur
auf den kreisförmigen Tragscheiben 20 und ihren kugeligen
Schwenkknöpfen 21 kippen.
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Die als Figuren 5 bis 12 dargestellten Kurven stellen einige
der Testdaten dar, die die Konzepte des vorliegenden
Erfinders bestätigen, wonach die Schwenkstelle P im Bereich von
0,70 bis 0,80 von L sein soll. In diesen Darstellungen gibt
es drei verschiedene unabhängige Variable.
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In Figur 5 und auch in den anderen Diagrammen der Figuren 6
bis 12 ist die maximal gemessene Temperatur der Kippsegmente
während eines speziellen Testlaufs gegen die
Segmentkippstelle aufgezeichnet. Die maximale Temperatur, wo auch immer sie
in dem Segment festgestellt wird, ist ein Anzeichen der
Lagerleistung. In Figur 5 sind die Kurven 1, 2 und 3 für
verschiedene Lagersegmentdicken. Kurve 1 basiert auf einer Dicke
des Segments 11 von 12,7 mm (0,50 Zoll). Kurve 2 basiert auf
einem Segment von 19,05 mm Dicke (0,75 Zoll) und Kurve 3
basiert auf einer Segmentdicke von 25,4 mm (1,00 Zoll). Die
Last auf den Segmenten war 414 N/cm² (600 psi), der
Durchmesser
der Knopfscheibe war 38,1 mm (1,5 Zoll), und die
Drehgeschwindigkeit des Läufers war 4000 U/min. Der Punkt maximaler
gemessener Temperatur in den Lagersegmenten fällt schnell für
alle Segmentdicken und bleibt niedrig in einem Bereich der
Schwenkstelle von 0,70 bis 0,80 von L. Die minimale
Segmenttemperatur tritt für alle Segmentdicken auf, wo das
Verhältnis von P/L etwa 0,75 ist. Dies ist die bevorzugte Stelle für
die Schwenkung bei einer beliebigen Kombination von
Testbedingungen. Der Bereich zwischen den Grenzen von 0,70 bis 0,80
von L wird als bevorzugt bezeichnet, da in allen Fällen die
maximal gemessene Temperatur des Segments bei 0,80 L wieder
auf die gleiche Temperatur zugenommen hat, von der das
Segment nach 0,70 L abgefallen ist,
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Das Diagramm der Figur 6 hat alle Bedingungen des Tests der
Figur 5 konstant gehalten mit der Ausnahme, daß die
Knopfscheibe 20 in Figur 6 einen Außendurchmesser von 19,05
Millimetern (0,75 Zoll) in Figur 6 aufweist, gegenüber den 38,1 mm
(1,50 Zoll) in Figur 5. Hier beginnt wieder die Temperatur in
der Zone der maximalen gemessenen Temperatur des
Lagersegments scharf abzufallen, wo das Schwenkstellenverhältnis von
P zu L etwa 0,70 ist, und wie bei dem vorhergehenden Test
stieg die maximale Temperatur zu dem Wert, den sie bei etwa
0,70 L aufwies, erst wieder an, wenn eine Schwenkstelle von
0,8 L erreicht ist. In Figur 6 basiert die Kurve 1 auf der
Verwendung eines Segments 11 mit einer Dicke von 12,7 mm
(0,50 Zoll). Segment 2 hatte eine Dicke von 19,05 mm (0,75
Zoll) und die Kurve 3 bezieht sich auf eine Segmentdicke von
25,4 mm (1,0 Zoll)
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In Figur 7 werden Segmente mit der gleichen Dicke 19,05 mm
(0,75 Zoll) wie in der Kurve 2 des Segments 2 des Tests der
Figur 6 verwendet. Der Knopfscheibendurchmesser ist ebenfalls
der gleiche für die beiden Tests und ebenso die
Umdrehungszahl. Bei dem Test der Figur 7 wurden unterschiedliche
Lastdrücke angewendet. Die Kurve 1 basiert auf einem Druck von
138 N/cm² (200 psi). Kurven 2 und 3 basieren auf Drücken
oder Belastungen von 276 N/cm² (400 psi) bzw. 414 N/cm² (600
psi). Es ist zu beachten, daß in allen Fällen die Leistung,
wie sie durch die niedrige maximale gemessene Temperatur in
den Segmenten repräsentiert ist, sich wesentlich verbessert,
wo die Schwenkstelle P/L im Bereich von 0,70 bis 0,80 von L
ist und daß die niedrigste Maximaltemperatur etwa dort
auftrat, wo P zu L 0,75 ist.
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In Figur 8 wurde die Last auf den Segmenten bei 207 N/cm²
(300 psi) gehalten, die Segmentdicke t war 19,05 mm (0,75
Zoll) und der Durchmesser der Tragscheibe 20 war 19,05 mm
(0,75 Zoll). Hier wurde der Druck konstant gehalten, die
Segmentdicke und der Knopfdurchmesser waren gleich wie bei
dem Diagramm der Figur 7. Rotationsgeschwindigkeit in U/min
ist die Variable in dem Test der Figur 8. Die mit 1 markierte
Kurve basiert auf einer Rotation des Läufers bei 1000 U/min.
Die Kurven 2, 3 und 4 sind für zunehmende Geschwindigkeiten
von 2000, 3000 bzw. 4000 U/min. Wieder ist zu beachten, daß
die maximal gemessene Temperatur an dem Segment am
niedrigsten war, wenn P/L 0,75 ist. Wiederum ist die maximale
Temperatur bei P/L von 0,8 etwa die gleiche wie bei 0,7, und die
niedrigste Temperatur trat auf, wenn P/L 0,75 war.
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In Figur 9 ist die Schwenkscheibe 20 19,5 mm (0,75 Zoll) dick
und die Belastung ist 207 N/cm² (300 psi) wie bei dem Test
der Figur 8. Bei dem Test der Figur 9 ist die
Drehgeschwindigkeit 4000 U/min wie bei der Kurve 4 des Test der Figur 8.
In Figur 9 ist die Segmentdicke die unabhängige Variable. In
der mit 1 markierten Kurve ist die Segmentdicke 12,7 mm (0,5
Zoll). In den Kurven 2 und 3 ist die Segmentdicke 19,05 mm
(0,75 Zoll) und 25,4 mm (1,00 Zoll). Wie in den
vorhergehenden Diagrammen demonstriert wurde, war die maximale gemessene
Temperatur an den Schwenksegmenten 11 am niedrigsten in dem
Bereich von 0,70 bis 0,80 für P/L. Unter den Testbedingungen
des Diagramms der Figur 9 wird der Vorteil, P/L in dem
Bereich von 0,70 bis 0,80 zu haben, unabhängig von der
Segmentdicke erreicht. Wie in anderen Fällen ist die maximale
gemessene Segmenttemperatur bei P/L von 0,70 und 0,80 die gleiche.
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Figur 10 ist eine Kurve maximaler Segmenttemperatur gegenüber
der Schwenkposition, wo der Läufer bei 2000 U/min rotiert.
Während dieses Tests wurde eine Kipptragplatte 20 mit einem
Außendurchmesser "d" von 38,1 mm (1,5 Zoll) verwendet. Die
radiale Abmessung des sektorförmigen Kippsegments 11 wird mit
"b" identifiziert. Die unabhängige Variable in Figur 10 ist
das Verhältnis t/b gegenüber maximaler Temperatur. Hier ist
wieder zu sehen, daß die maximale Segmenttemperatur deutlich
abnimmt, nachdem die Schwenkposition als Prozentsatz des
Segmentbogens L 65 % überschreitet. Der beste Bereich ist
zwischen 0,70 und 0,80 L. Die Temperatur bei 0,70 des
Segmentbogens ist gerade etwa gleich zu der Temperatur bei 0,80 des
Segmentbogens. Die Temperatur des Segments am heißesten Punkt
ist am niedrigsten, wenn die Schwenkposition bei etwa 75 %
der Segmentbogenlänge L liegt. Bei dem Testlauf der Figur 10
basiert die Kurve 1 darauf, daß das Verhältnis t/b die
Variable ist. Die Dimension b wird tatsächlich für einen
gegebenen Testlauf festgehalten, und es ist die Dicke t, die
tatsächlich variiert wird, indem unterschiedliche Segmente für
aufeinanderfolgende Testläufe ersetzt werden. Beispielsweise
ist in Figur 10 die Kurve 1 für ein Verhältnis von t/b von
0,13. Die Kurven 2 und 3 sind für t/b gleich 0,20 und 0,27.
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In den Testläufen der Figur 11 ist das Verhältnis des
Durchmessers d der Tragscheibe 20 zu dem Segmentradius b oder d/b
die unabhängige Variable. Für die Lagersegmente des Tests ist
die Abmessung b 95 mm. Beispielsweise ist das Verhältnis von
d/b für die Kurve 1 gleich 0,2 und für die Kurven 2 und 3 0,4
bzw. 0,6. Bei diesem Testlauf ist die maximale
Segmenttemperatur an der Stelle, wo die Schwenkposition als Prozentsatz
des Segmentboges etwa 0,70 ist, gleich der maximalen
Segmenttemperatur für den Fall, wo die Schwenkposition des
Segmentbogens
gleich 0,80 ist. Wie in den anderen Testläufen tritt
die niedrigste maximale Segmenttemperatur dort auf, wo die
Schwenkposition bei etwa 75 % des Segmentbogens liegt.
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Wenn der heißeste Punkt der Segmente dort auf niedrigster
Temperatur ist, wo der Schwenkpunkt zwischen 70 % und 80 %
der Segmentbogenlänge liegt, folgt daraus, daß die Filmdicke
an der hinteren Kante notwendigerweise dicker sein muß als es
bei unterschiedlichen Schwenkpunkten sein würde. Während
eines Testlaufs wurden die gewünschten Last- und
Geschwindigkeitsbedingungen eingestellt und mindestens für 10 Minuten
beibehalten. Eine Ablesung wurde vorgenommen, wenn die
Ölversorgungstemperatur innerhalb der Bereiche von 48,6ºC bis
49,2ºC war. Wenn dies nicht der Fall war, wurden
Einstellungen vorgenommen, um sie in diese Grenzen zu bringen, und
Daten wurden dann aufgezeichnet. Die gesammelten Daten
bestanden aus Temperaturwerten von acht in jeder der zwei diametral
gegenüberliegend angeordneten Testsegmenten eingebetteten
Thermoelementen plus Öleinlaß und Ölauslaß, plus Ölströmung,
Traglast und Wellengeschwindigkeit. Das Datensammelprogramm
bildete einen Durchschnitt der beiden Temperaturen an einer
entsprechenden speziellen Stelle bei jedem der beiden
Segmente und zeichnete ebenfalls den Unterschied auf. Der
Unterschied war typischerweise kleiner als 3ºC und häufig kleiner
als 1ºC. Dies gab ein Vertrauen in die gleichmäßige
Verteilung der Last zwischen den Segmenten und in die Konsistenz
der Installation der Thermoelemente. Die Stellen für die
Thermoelemente wurden so gewählt, daß sie einen Bereich
abdeckten, wo normalerweise die höchsten Segmenttemperaturen
gefunden wurden, sowohl durch theoretische Analyse als auch
durch Tests. Es ist ersichtlich, daß die Wirkung der
Schwenkposition klar und konsistent war. Die niedrigsten
Temperaturen wurden in den Segmenten während Tests gefunden, bei denen
die Schweknkung bei 75 % des Segmentbogens lag. Es folgt
daher notwendigerweise, daß ein verringerter Einheitsdruck in
dem Schmierfilm und eine vergrößerte Filmdicke sich aus der
Reduzierung von Filmtemperaturen ergeben.
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Eine alternative Implementierung der Erfindung wird nun unter
Bezugnahme auf die Figuren 12, 13 und 16 beschrieben.
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Figur 12 ist eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform
eines Lagersegments von unten.
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Wie aus Figur 12 zu entnehmen ist, besteht das Lagersegment
50 aus einem Sektor eines Rings. Das Segment weist einen in
ihm eingebetteten Kippknopfeinsatz 51 auf. Ein Schnitt durch
den Knopf 51 ist in Figur 13 dargestellt, aus der es
ersichtlich ist, daß der Knopf satt in eine Ausnehmung 52 eingepaßt
ist und guten Kontakt mit dem Körper 50 des Lagersegments
macht. Wie bei der Ausführungsform der Figur 3 weist der
Knopf einen konvexen Vorsprung 53 auf, der so gebogen ist,
daß er im wesentlichen eine Punktberührung bei 54 mit dem
stationären Basisring 55 der Lageranordnung macht. Die Fläche
des Segments 50 weist eine Schicht 56 aus mit ihm verbundenen
Lagermetall auf, das dem gleitenden oder rotierenden Läufer
57 gegenüberliegt, der mit einer Welle wie der Welle 12 der
Figur 1 verbunden sein würde. Die unter Bezugnahme auf die
Ausführungsform der Figur 3 diskutierten hydrodynamischen
Erscheinungen gelten auch für die Ausführungsform der Figur
12 und 13.
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Lagersegmente mit den Elementen der in Figur 12 und 13
dargestellten Lagersegmente wurden verwendet, bevor die
vorliegende Erfindung gemacht wurde. Jedoch war bei der früheren
Verwendung der Kontaktpunkt 54 des Knopfes 51 bei etwa 60 % von
L angeordnet, wo L die Bogenlänge zwischen der Vorderkante 58
des Lagersegments und der Hinterkante 59 ist, wie dies in
Figur 12 dargestellt ist. Erfindungsgemäß liegt der
Lagerschwenkpunkt 54 bei zwischen 70 % und 80 % von L und am
besten bei 75 % von L. Tests zweier Veränderungen des Segments
in Figur 12 wurden durchgeführt um zu bestätigen, daß die
Anordnung des Schwenkpunkts 54 zwischen 70 % und 80 % von L
zur Erreichung der niedrigsten Betriebstemperaturen mit einer
gegeben Belastung auf dem Lager für beide Veränderungen gilt.
Bei der einen Variante bestand das Segment 50 aus Stahl und
bei der anderen Variante bestand das Segment 50 aus einer
Kupferlegierung. Insbesondere wurde eine
Chrom-Kupferlegierung verwendet. Das Diagramm der Figur 16 zeigt die
Testresultate. Die beiden Kurven sind graphische Darstellungen der
Lagerschwenkstelle gegenüber der Lagersegmenttemperatur
während Testläufen mit einer typischen Last auf dem Lager wie
beispielsweise 414 N/cm² (600 psi). Kurve A demonstriert die
Beziehung zwischen der Schwenkstelle und der
Lagersegmenttemperatur, wenn das Segment aus Stahl besteht und der Einsatz
51 aus gehärtetem Stahl. In Übereinstimmung mit der Erfindung
lief das Lager auf seine minimale Temperatur, wenn die
Schwenkstelle bei 75 % von L war, und die Segmenttemperatur
bei 80 % von L war auf etwa die gleiche Temperatur
angestiegen, die in dem Lager herrschte, wenn es bei der gleichen
Belastung und der Schwenkstelle bei 70 % von L gelaufen
wurde, wodurch aufgestellt wird, daß der erlaubte Bereich des
Schwenkpunktes zwischen 70 % und 80 % von L sein soll zur
Erzielung der niedrigsten Betriebstemperaturen. Übrigens ist
der Schwenkpunkt 54 bei der Ausführungsform des in Figur 12
dargestellten Segments im wesentlichen mittig zwischen der
radial inneren Kante 60 des Lagersegments und seiner radial
äußeren Kante 61.
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Ein weiterer im Grundsatz weit bekannter Typ von Lagersegment
wurde getestet, um zu bestimmen, ob die Anordnung der
Schwenklinie des Segmentes bei 70 % bis 80 % von L auch für
diesen Typ von Segment gilt. In Figur 14 ist das Segment im
allgemeinen durch das Bezugszeichen 70 identifiziert und
weist Vorder- und Hinterkante 71 bzw. 72 auf. Bei dieser
Konstruktion gibt es eine einstückig mit dem Segment geformte
Rippe 73, die von dem Boden des Segments vorspringt. Wie sich
aus Figur 15 ergibt, weist die Rippe 73 eine gebogene Fläche
auf, was dazu führt, daß eine Berührung zwischen der Rippe 73
des Segments und dem stationären Basisring 74 längs einer
radial verlaufenden Linie 75 vorkommt. Die Berührungslinie 75
ist bei 75 % von L angeordnet oder in anderen Worten bei 75 %
des Abstands zwischen den Vorter- und Hinterkanten 71 bzw. 72
des Segments. Bei der Ausführungsform der Figuren 14 und 15
ist das Lager mit Lagermetall 76 beschichtet und läuft der
Läufer 77 auf der Lagermetalloberfläche mit einem zwischen
dem Lagermetall und dem Läufer aufgrund des Kippens des
Segments auf der Linie 75 entwickelten Ölfilm.
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Tests wurden durchgeführt mit zwei Varianten der
Ausführungsform der Figur 14. Bei einer Reihe von Tests waren das
Lagersegment 70 und die Rippe 73 einstückig und bestanden aus
relativ hartem Stahl. Bei einer anderen Variante bestanden das
Lagersegment 70 und die Rippe 73 aus einer Chrom-Kupfer-
Legierung. Die Ergebnisse der Tests sind in den Kurven der
Figur 17 zusammengefaßt.
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In Figur 17 gilt der Kurve C für das ganz aus Stahl
bestehende Lagersegment 70 und die Kurve D für das ganz aus
Kupferlegierung bestehende Lagersegment. Figur 17 zeigt, daß für
Lagersegmente mit der Konfiguration des Segments in Figur 14
und aus Stahl oder Kupferlegierung bestehend die niedrigsten
Lagersegmentbetriebstemperaturen bei einer gegebenen
Belastung auftraten, wenn die Kippachse für die Linienberührung 75
in dem Bereich von 70 % bis 80 % von L, dem Abstand zwischen
den Vorder- und Hinterkanten 71 und 72, war. Darüberhinaus
demonstriert Figur 17 wieder, daß erfindungsgemäß die
optimale Stelle für die Schwenkachse des Segments bei 75 % von L
ist, was von der Tatsache abgeleitet wird, daß dies die
Schwenklinienstelle ist, die dazu führt, daß das Lager für
eine gegebene Last von beispielsweise 414 N/cm² (600 psi) bei
der niedrigsten Temperatur ist.