DE69007079T2 - Buchse für Ölfilmlager. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Verbesserung bezüglich eines Ölfilmlagers von jener Art, die dazu verwandt wird, die Lagerflächen der Lagerzapfen in einem Walzwerk drehbar zu lagern.
• Bei der typischen Walzwerksanwendung eines Ölfilmlagers, so wie schematisch in den Figuren 1 und 2 dargestellt, weist die Walze 10 einen Zapfenabschnitt 12 auf, auf welchem sie mittels eines oder mehrerer Kelle 13 drehfest befestigt ist. Das Äußere der Hülse bildet die Lagerfläche 16 des Walzenzapfens. Eine Buchse 18 hat eine innere Lagerfläche 20, die die Lagerfläche 16 umgibt und drehbar trägt. Die Buchse befindet sich innerhalb eines Blockes 22 und ist in diesem fixiert. Der Block ist dazu geeignet, in einem nicht gezeigten Walzengehäuse gelagert zu werden, und befindet sich nahe beim Außenende mittels einer Endplatte 24 und eines Deckels 26. Eine Dichtungsvorrichtung 28 ist zwischen Walze und innerem Ende des Blockes 22 angeordnet. Die Dichtungsvorrichtung arbeitet dahingehend, daß sie Schmieröl innerhalb des Lagers hält, während sie gleichzeitig eine Verschmutzung des Schmieröles und der inneren Lagerkomponenten durch Kühlwasser, Walzenzunder usw. verhindert.
• Während des Normalbetriebes des Walzwerkes bei umlaufender Walze in der durch den Pfeil in Fig. 2 angedeuteten Richtung und bei Geschwindigkeiten, die für einen vollen hydrodynamischen Betrieb geeignet sind, wird ein kontinuierlicher Ölstrom durch Kanal 29 im Block hindurchgefördert, durch Zufuhröffnungen 30 in der Buchse und eine Rückflußbohrung 32 in der Lagerfläche 20. Von hier aus tritt Öl zwischen die Lagerfläche 20 und die umlaufende Lagerfläche 16, um einen hydrodynamischen Ölfilm 34 in der Lagerlastzone "Z" zu bilden. Die Lastzone befindet sich auf der Seite gegenüber jener, auf der die Last "L" auf die Walze aufgebracht wird.
• Das Öl tritt schließlich axial von zwischen den Lagerflächen 16 und 18 aus und wird in inneren und äußeren Sümpfen 36, 38 aufgenommen. Von hier aus wird das Öl durch Filter, Kühlvorrichtungen usw. (nicht dargestellt) umgewälzt, bevor es zum Lager zurückkehrt.
• Befinden sich die Werte der Drehzahl der Lagerfläche 16, der Last L und der Viskosität des Öles innerhalb der Konstruktionsgrenzen, so arbeitet das Lager weiterhin zufriedenstellend, wobei ein ausreichender Ölfilm 34 hydrodynamisch in der Lastzone Z beibehalten wird. Fällt einer dieser Parameter unter seinen unteren Konstruktionswert, so kann der hydrodynamische Ölfilm schlechter werden oder zusammenbrechen, was zu einem Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen den Lagerflächen 16, 20 führt. Sollte dies eintreten, so führt die resultierende Reibung schnell zu einem Zusammenbruch des Lagers.
• Somit muß beim Anfahren des Walzwerks von einer Null- Drehzahl bis zur unteren Auslegungsgrenze für befriedigenden hydrodynamischen Betrieb der Ölfilm 34 in der Lastzone Z erzeugt und durch andere Mittel als die hydrodynamische Technik aufrechterhalten werden.
• Zu diesem Zwecke ist es aus vorbekannten Lagervorrichtungen - unter Bezugnahme auf die weiteren Figuren 3-5 - bekannt, mehrere hydrostatische Aussparungen 40 in der Lagerfläche 20 in der Belastungszone Z vorzusehen. Die Aussparungen 40 sind mittels eines Netzes von Kanälen 42 mit einer Verdrängungspumpe 44 für konstantes Volumen und hohen Öldruck leitend verbunden.
• Radial von innerhalb der Buchse gesehen, sind die Aussparungen 40 der vorbekannten Bauarten im wesentlichen rechteckig. Die Enden der Aussparungen sind bei 46 angespitzt, während Boden 48 und Seitenwände 50 senkrecht zueinander stehen und somit scharfe Bodenkanten 52 miteinander bilden. Die Seitenwände 50 verlaufen zur Lagerfläche 20 senkrecht, um somit scharfe Oberkanten 53 zu bilden.
• Bei dieser vorbekannten Anordnung tritt das Öl aus jeder Aussparung 40 aus, um einen hydrostatischen Ölfilm 34 zu bilden, erfährt einen sehr hohen Widerstand und somit einen deutlichen Druckabfall, da es in axialer Richtung zwischen die scharfen Kanten 53 und die Lagerfläche 20 eingedrückt wird. Das Endergebnis besteht darin, daß zum Beibehalten eines gegebenen Öldruckes in Film 34 ein wesentlich höherer Öldruck in der Aussparung 40 aufrechterhalten werden muß. Dies führt wiederum dazu, daß die Pumpe 44 stärker arbeiten muß, und daß das gesamte Schmiersystem derart ausgelegt werden muß, daß es bei höheren Drücken arbeitet. Man erkennt ferner, daß das in Umfangsrichtung aus jeder Aussparung 40 an den angespitzten Enden 46 austretende Öl deutlich weniger Widerstand erfährt, gegenüber jenem, den das axial hinter den scharfen Kanten 53 austretende Öl erfährt. Dies begünstigt die Umfangsströmung zu Lasten der Axialströmung, was wiederum die Ölfeldverteilung über die Belastungszone nachteilig beeinflußt. Das Öldruckfeld trägt die Last in der Lastzone.
• Weitere Nachteile der herkömmlichen Bauart beinhalten hohe Spannungskonzentrationen an den Bodenkanten 52, was Risse und Lagerausfall hervorrufen kann. Auch führt eine plötzliche Änderung des Strömungsbereiches an der scharfen Kante 53 zu relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten, was wiederum die metallische Erosion beschleunigt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Buchse zu schaffen, die neue und verbesserte hydrostatische Aussparungskonfigurationen aufweist, welche entweder die mit dem Stande der Technik verbundenen Probleme vermeiden oder wenigstens entscheidend verringern.
• US-A-3 761 149 beschreibt eine Buchse zur Anwendung bei einer Ölfilmlagervorrichtung jener Art, die dazu verwendet wird, um die Traglagerfläche eines Walzwerk-Walzenlagers drehbar zu lagern, umfassend: eine Wand mit einer inneren zylindrischen Lagerfläche zum Umgeben der genannten Traglagerfläche; eine Leitung, die sich durch die Wand hindurch erstreckt, um flüssiges Schmiermittel unter Druck einer Belastungszone zwischen der Lagerfläche und der Traglagerfläche zuzuführen, und wenigstens eine hydrostatische Aussparung in der Lagerfläche innerhalb der Lastzone, wobei die Aussparung eine größere Achse aufweist, die sich in Richtung senkrecht zur Längsachse der Buchse erstreckt, und eine kleinere Achse, die sich in Richtung parallel zur Längsachse der Buchse erstreckt, wobei die Aussparung mit der Leitung in leitender Verbindung steht, um das derart geförderte Schmiermittel unter Druck aufzunehmen und in der Lastzone in Gestalt eines Schmiermittelfilms zu verteilen, das die Traglagerfläche von der Lagerfläche trennt.
• Gemäß der Erfindung ist eine derartige Buchse dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung definiert ist durch das Schneiden einer doppelt-gekrümmten Rotationsfläche mit der Lagerfläche, und verbunden durch eine kontinuierliche Umfangskante, wobei die Tiefe der Aussparung von null an der genannten Kante bis zu einem Maximum im Zentrum der Aussparung langsam zunimmt.
• Demgemäß beschreiben wir eine verbesserte Buchse mit hydrostatischen Aussparungen, die - von innerhalb der Buchse radial gesehen - im wesentlichen elliptisch angespitzte Umfangskanten haben. Die großen Achsen der Aussparungen erstrecken sich in Bezug auf die Buchsenachse quer, während die kleinen Achsen der Aussparungen sich parallel zu den Buchsenachsen erstrecken. Die Tiefe einer jeden Aussparung ist nicht gleichförmig und nimmt langsam von der aus gewölbten Umfangskante bis zu einem Maximum an der Schnittstelle der großen und der kleinen Aussparungsachse zu.
• Jede hydrostatische Aussparung kann als Teil eines gestreckten Spharoids einer doppelt-gekrümmten Rotationsfläche mit der inneren Lagerfläche der Buchse*. Die doppelt- gekrümmte Rotationsfläche ist typischerweise ein Torus mit einer Umdrehungsachse, die von der Lagerfläche der Buchse umgeben ist und sich parallel zur Längsachse der Buchse erstreckt.
• Eine Ausführungsform der Erfindung soll lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden:
• Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht durch eine Ölfilmlagervorrichtung mit einer Buchse herkömmlichen Aufbaus.
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.
• Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.
• Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Querschnittes von Fig. 2. *betrachtet werden
• Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4.
• Fig. 6 ist eine Ansicht ähnlich jener von Fig. 3, jedoch in größerem Maßstab, und eine Buchse gemäß der Erfindung zeigend.
• Die Figuren 7 und 8 sind Schnittansichten in größerem Maßstab jeweils entlang der Linien 7-7 und 8-8 in Fig. 6.
• Die Figuren 9 und 10 sind Schnittansichten jeweils entlang der Linien 9-9 und 10-10 in Fig. 7.
• Fig. 11 ist eine schematische Veranschaulichung der Entwicklung der Aussparungen in der inneren Lagerfläche der Buchse.
• Fig. 12 ist eine vergrößerte Ansicht gemäß der Linie 12-12 in Fig. 11.
• Fig. 13 ist eine Ansicht ähnlich jener gemäß Fig. 4, wobei die Buchse gemäß der Erfindung in die Lagervorrichtung eingebaut ist.
• Fig. 14 ist eine Schnittansicht gemäß der Linie 14-14 in Fig. 13.
• Im folgenden soll auf die Figuren 6-14 eingegangen werden. Dort ist eine Buchse 60 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Buchse weist eine zylindrische innere Lagerfläche 62 mit einem Paar hydrostatischer Aussparungen 64 auf, die auf beiden Seiten des Lagerzentrums symmetrisch angeordnet sind.
• Jede Aussparung 64 ist von einer kontinuierlichen, angespitzten Kante 66 umgeben, die - radial von innerhalb der Buchse gesehen (so wie in Fig. 6 gezeigt), im wesentlichen von elliptischer Gestalt ist, mit einer großen Achse X, die sich quer zur Längsachse der Buchsenachse A erstreckt, und mit einer kleinen Achse Y, die sich parallel zur Achse A erstreckt.
• Wie in den Figuren 11 und 12 gezeigt, ist jede Aussparung 64 durch das Schneiden eines Torus 68 mit der inneren Lagerfläche 62 definiert. Torus 68 ist durch den Umlauf einer ebenen Kurve 70 um eine Achse B erzeugt. Kurve 70, die in der Praxis ein Schneidkantenprofil bildet, hat einen Radius R&sub1;. Torus 68 hat einen Radius R&sub2;, wobei die Achse B innerhalb und parallel zur Buchsenachse A verläuft.
• Aus den Figuren 7 und 8 erkennt man, daß aufeinanderfolgende Abschnitte senkrecht zur großen Achse X Segmente eines Kreises definieren, die jeweils den Radius R&sub1; haben. Fortschreitend vom Zentrum der Aussparung gegen dessen Enden hin weist ein solches Segment eine langsam sich verringernde Tiefe d und Breite w auf. In gleicher Weise und unter Bezugnahme auf die Figuren 9 und 10 definieren aufeinanderfolgende Abschnitte senkrecht zu der kleinen Achse Y Teile eines Kreises mit dem Radius R&sub2;. Wiederum vom Zentrum der Aussparung gegen dessen Seiten hin fortschreitend haben die aufeinanderfolgenden Teile langsam sich verringernde Tiefen d und Längen l. Hieraus folgt demgemäß, daß jede Aussparung 64 einen Teil eines gestreckten Sphäroids bildet.
• Die Figuren 13 und 14 zeigen die Buchse gemäß der Erfindung, eingebaut in eine Ölfilmlagervorrichtung. Statt der scharf eckigen Seitenkanten der vorbekannten Aussparungen 40 nimmt die kontinuierlich angespitzte Umfangskante 66 der Aussparung 64 gemäß der Erfindung eine sanftere und langsamer fließende Strömung axial austretenden Öles auf, mit bedeutend geringerem Druckabfall. Demgemäß ist ein niederigerer Öldruck in der Aussparung 64 erforderlich, um einen gegebenen Druck in dem hydrostatischen Film 34 aufrechtzuerhalten. Die geringere Ölgeschwindigkeit verringert die Erosion der Aussparungskante 66 und das Vermeiden der scharfen Ecken verringert bedeutend potentielle Zerstörungsspanungskonzentrationen.
• Ferner stellt der langsam sich verringernde Umfangsströmungsweg zufolge der verringerten Breite w an den Enden der Aussparung (vergleiche Figuren 7 und 8) der Umfangsströmung einen Widerstand entgegen und begünstigt weiterhin die Axialströmung, womit die Ölverteilung über die Lastzone verbessert wird.

Claims (10)

1. Buchse (60) zur Anwendung bei einer Ölfilmlagervorrichtung (34) jener Art, die dazu verwandt wird, die Lagerfläche (16) eines Walzwerk-Walzenzapfens (12) zu tragen, wobei die Buchse umfaßt: eine Wand (60) mit einer inneren zylindrischen Lagerfläche (62) zum Umgeben der genannten Traglagerfläche (16); eine Leitung (42), die sich durch die Wand (60) hindurcherstreckt, um flüssiges Schmiermittel unter Druck einer Lastzone Z zwischen der inneren Lagerfläche (62) und der genannten Traglagerfläche (16) zu fördern; und wenigstens eine hydrostatische Aussparung (64) in der genannten Lagerfläche (62) innerhalb der Lastzone Z, wobei die Aussparung (64) eine große Achse X aufweist, die sich in einer Richtung senkrecht zur Längsachse A der Buchse erstreckt, und eine kleine Achse, die sich in Richtung parallel zur Längsachse A der Buchse erstreckt, wobei die Aussparung (64) in leitender Verbindung mit der Leitung (42) besteht, um das derart geförderte Schmiermittel unter Druck aufzunehmen und in der Lastzone Z in Gestalt eines Schmiermittelfilmes zu verteilen, der die Traglagerfläche (16) von der Lagerfläche (62) trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (64) definiert wird durch den Schnitt einer doppelt gekrümmten Rotationsfläche (68) mit der Lagerfläche (62), und verbunden durch eine kontinuierliche Umfangskante (66), wobei die Tiefe der Aussparung (64) von null an der Kante (66) auf ein Maximum im Zentrum der Aussparung langsam ansteigt.

2. Buchse nach Anspruch 1, wobei die doppelt-gekrümmte Rotationsfläche (68) ein Torus ist.

3. Buchse nach Anspruch 2, wobei die Rotationsachse (B) der doppelt-gekrümmten Fläche (68) parallel zur Längsachse (A) der Buchse (60) verläuft und von der Lagerfläche (62) umgeben ist.

4. Buchse nach Anspruch 3, wobei der Drehradius der doppeltgekrümmten Rotationsfläche (68) kleiner als der Radius der Lagerfläche ist.

5. Buchse nach Anspruch 1, wobei die Aussparung (64) einen Teil eines gestreckten Sphäroids bildet.

6. Buchse nach Anspruch 1, wobei die Aussparung (64) eine im wesentlichen elliptische Umfangskante (66) aufweist.

7. Buchse nach Anspruch 1, wobei Querschnitte durch die Aussparung (64) in Richtungen senkrecht zur großen Achse (X) Kreissegmente definieren.

8. Buchse nach Anspruch 1, wobei Querschnitte durch die Aussparung (64) in Richtungen senkrecht zur kleinen Achse (Y) Kreisabschnitte bilden.

9. Buchse nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl der genannten Aussparungen (64) in der Lagerfläche (68), wobei die Aussparungen (64) in Bezug auf das Zentrum der Lastzone (Z) symmetrisch angeordnet sind.

10. Anwendung einer Buchse (60) gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche bei einer Ölfilmlagervorrichtung (34), wobei die Buchse die Traglagerfläche (16) eines Walzwerk-Walzenzapfens (12) drehbar lagert.