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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleitlageranordnung
und insbesondere auf die Verwendung einer Gleitlageranordnung für langsame Hochdruckanwendungen
ohne Nachfüllen
von Öl über einen
längeren
Zeitraum.
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Zur
Betätigung
des Antriebsmechanismus von Baggern wie z.B. Baumaschinen sind die
betreffenden Teile des Mechanismus drehbar oder schwenkbar miteinander
verbunden, so dass sie mit einem Zylinder und anderen Betätigungsorganen
angetrieben werden können.
Als Beispiel kann ein Hydraulikbagger mit einer am distalen Ende
des Auslegerarms angebrachten Schaufel dienen. Um den Aushub mit
der Schaufel zu bewirken, wird der Schaufelzylinder vor- und zurückbewegt,
so dass sich die Schaufel um den Punkt, an dem sie mit dem Arm verbunden
ist, dreht bzw. schwenkt. Zu diesem Zweck ist die Schaufel mit Hilfe
einer aus einer Welle und einer Laufbuchse bestehenden Gleitlageranordnung
an dem Arm angebracht.
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14 zeigt
einen Querschnitt einer bekannten Gleitlageranordnung. Wie gezeigt,
weist eine Rolle 1 eine darin vorgesehene Laufbuchse 2 auf.
Eine Staubdichtung 3 drückt
gegen beide Enden der Laufbuchse 2. Ein Stützteil 6 ist
an beiden Enden der Rolle 1 vorgesehen, und eine Beilagscheibe 5 ist in
den Spalt zwischen der Rolle 1 und jedem Stützteil 6 eingesteckt.
Ein O-Ring 4 ist um jeden Spalt herum angebracht. Eine
Welle 7 ist durch das Stützteil 6 an einem
Ende, die Laufbuchse 2 und das Stützteil 6 am anderen
Ende gesteckt. Ein Drehen der Welle 7 wird mit Hilfe eines
Arretierstiftes 8 verhindert, der durch die Welle 7 und
das Stützteil 6 an
einem Ende gesteckt ist. Eine Fetteinfüllöffnung 30 ist vorgesehen, die
von dem anderen Ende der Welle 7 zur Mitte der Laufbuchse 2 verläuft. Ein
Verschlussstopfen 32 ist in ein Ende der Einfüllöffnung 30 eingeschraubt,
die mit Fett 34 gefüllt
ist.
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Beim
Aushub wird ein langsamer, aber sehr hoher Druck auf die Oberflächen der
Gleitlageranordnung ausgeübt.
Unter diesen Umständen
müssen
die Gleitflächen
reichlich mit einem dicken Schmiermittel wie z.B. Fett versorgt
werden, um das Auftreten von Festfressen, Scheuern, ungleichmäßigem Verschleiß und anderen
Problemen in frühen
Betriebsphasen zu verhindern. Zu diesem Zweck ist ein häufiges Nachfüllen von
Fett erforderlich, aber das Nachfüllen ist nicht immer leicht
durchzuführen.
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Ein
weiteres Problem beim Nachfüllen
von Fett besteht darin, dass das alte Fett, das flüssig geworden
ist, aus dem Lager abgelassen werden muss, ehe neues Fett eingefüllt wird.
Dieses Ablassen und Nachfüllen
erfolgt in der Regel auf der Baustelle. Das abgelassene flüssige Fett
wird entsorgt, indem es auf der Oberfläche des Bodens an der Baustelle verteilt wird,
aber dies kann zu Umweltproblemen führen. Angesichts der jüngsten Bedenken
hinsichtlich des Umweltschutzes ist es besonders wünschenswert, bei
der Vorbereitung von Grundstücken
für den
Hausbau und Gartenbauarbeiten von einem Entsorgen oder Verteilen
des flüssigen
Fetts auf dem Erdreich abzusehen.
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Mit
Blick auf die Aufrechterhaltung der Schmiereigenschaften auf den
Gleitflächen über einen
längeren
Zeitraum ohne Nachfüllen
von Fett und anderen Schmiermitteln sind verschiedene Methoden entwickelt
worden, beispielsweise das Einbetten eines festen Schmiermittels
in die Gleitfläche
einer Laufbuchse (siehe 15, bei
dem die Laufbuchse 2 in die Gleitfläche eingebettete Graphitpartikel 36 aufweist).
Andere Methoden sind unter anderem das Ausbilden der Laufbuchse
aus selbstschmierenden Kunststoffen oder die Verwendung unkonventioneller Mittel
wie z.B. ein Magnetlager und ein Pneumatiklager. Magnet- und Pneumatiklager
sind jedoch für Hochlastanwendungen
nicht geeignet. Auch für
Lager mit festen Schmiermitteln (z.B. Graphit) oder selbstschmierenden
Werkstoffen (z.B. Kunststoffe) gelten bestimmte Einschränkungen.
Im ersten Fall macht der Kontakt zwischen Grundmetallteilen das Auftreten
von mikroskopischem Scheuern unvermeidbar, während im letzteren Fall die
unzureichende Festigkeit und Härte
von selbstschmierenden Werkstoffen gelegentlich zu einem plötzlichen
Auftreten von ungewöhnlichem
Verschleiß oder
Verformung (Kriechen) führen
kann.
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H.
Detter beschreibt in „Betriebsverhalten, Eigenschaften
und Berechnung von Sinterlagern für die Feinmechanik", VDI-Z, Vol. 116,
Nr. 4, März
1994, Seiten 305 bis 310, für
Lasten von maximal 130 bar bei Gleitgeschwindigkeiten von ca. 0,75
m/s geeignete Gleitlageranordnungen mit Schmierölen, die eine Viskosität zwischen
12 und 250 cSt aufweisen.
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D.
Netuschil empfiehlt in „Synthetische Schmierstoffe
für Sintermetall-Gleitlager", Maschinenmarkt,
Vol. 82, Nr. 34, 1976, Seiten 608 bis 611, eine Mindestviskosität von 12
cSt für
Schmieröl
und Viskositäten
zwischen 100 und 400 cSt für
normale Schmieröle.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Verwendung einer Gleitlageranordnung
für langsame
Hochdruckanwendungen, d.h. Hochdruckanwendungen mit niedriger Gleitgeschwindigkeit,
ohne Nachfüllen
von Öl über einen
längeren
Zeitraum von mindestens mehreren Jahren.
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Dieses
Ziel der Erfindung kann erreicht werden durch die Verwendung einer
Gleitlageranordnung, die mindestens eine Welle und eine Laufbuchse
aufweist, wobei die Laufbuchse aus einem mit einem Schmieröl imprägnierten
porösen
gesinterten Eisenmaterial be steht und das Schmieröl eine Viskosität im Bereich
von 240 bis 1.500 cSt bei 40 °C
aufweist.
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Anwendung
findet dies für
Schwingbewegungen in einer Umgebung, wo der auf die Gleitflächen einwirkende
Betriebsdruck mindestens 600 bar beträgt und die Gleitgeschwindigkeit
im Bereich von 2 bis 5 cm/s liegt, wobei sich als Ergebnis der Gleitbewegung
der Welle relativ zu der Laufbuchse ein mechanisch-chemisches Reaktionsprodukt
zwischen den Gleitflächen
bildet.
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Die
Welle besteht vorzugsweise aus einem Eisen- oder Stahlelement, das
einer Behandlung zur Oberflächenmodifizierung
unterzogen worden ist.
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Dies
erlaubt eine längere
kontinuierliche Betriebszeit von mindestens fünf Jahren ohne Nachfüllen von Öl auch in
einer Hochdruckumgebung mit niedriger Gleitgeschwindigkeit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel der Gleitlageranordnung
zur Verwendung nach der Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die einen vergrößerten Ausschnitt der Gleitfläche zwischen
der Welle und der Laufbuchse in der Gleitlageranordnung in 1 zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, das Kennlinien für die
Beziehung zwischen Druck und Reibungskoeffizient zeigt, wobei als
Parameter die Viskosität
des Schmieröls
benutzt wird, mit dem die Laufbuchse der Gleitlageranordnung zur
Verwendung nach der Erfindung imprägniert wird.
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4 ist
ein Diagramm, das die tribologischen Eigenschaften einer fettgeschmierten
Gleitlageranordnung nach dem Stand der Technik mit denen der mit
einem hochviskosen Schmieröl
imprägnierten
Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung vergleicht.
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5 ist
ein Diagramm, das zeigt, wie hoch die Abnutzung der Laufbuchse in
der Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung ist, wenn
sie kontinuierlichen Schwingbewegungen über 800 Stunden ausgesetzt
war.
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6 ist
ein Diagramm, das zeigt, wie hoch die Abnutzung der Welle in der
Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung ist, wenn
sie kontinuierlichen Schwingbewegungen über 800 Stunden ausgesetzt
war.
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7a zeigt
ein IR-Spektrogramm für
ein frisches, unvermischtes Schmieröl.
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7b zeigt
ein IR-Spektrogramm für
die schwarze viskose Schmiersubstanz, die sich bildet, wenn die
mit dem Schmieröl
imprägnierte
Laufbuchse und die Welle 100 Stunden lang übereinander gleiten.
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8 ist
ein Diagramm, das durch Röntgenbestimmung
und Untersuchung eines getrockneten Pulvers des Feststoffs erhalten
wurde, der von dem öligen
Anteil der schwarzen viskosen Schmiersubstanz getrennt worden ist.
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9a ist
ein Wellenformdiagramm, das das Ergebnis der Messung des Gleitflächenprofils
der Welle 10 mit einer Rauheitsmesssonde zeigt, die aus der
Gleitlageranordnung ausgebaut wurde, nachdem die Bildung der schwarzen
viskosen Schmiersubstanz festgestellt worden war.
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9b ist
ein Wellenformdiagramm, das das Gleitflächenprofil der Lauflbuchse 9 zeigt,
die aus der Anordnung ausgebaut wurde.
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10 ist
ein Diagramm, das die Kennlinien für die Beziehung zwischen Reibungskoeffizient, Temperatur
und Gleitzeit zeigt, die die Wirkung der kombinierten Verwendung
eines hochviskosen Schmieröls
und Fetts in der Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung
belegen.
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11 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Teil eines anderen
Beispiels der Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung
zeigt.
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12 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Teil eines weiteren
Beispiels der Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung
zeigt.
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13 ist
eine Querschnittansicht, die schematisch einen Teil noch eines weiteren
Beispiels der Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung
zeigt.
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14 ist
eine Querschnittsansicht einer fettgeschmierten Gleitlageranordnung
nach dem Stand der Technik.
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15 ist
eine Perspektivansicht, die schematisch und teilweise im Schnitt
eine Lauflbuchse nach dem Stand der Technik mit den in ihre Innenflächen eingebetteten
Partikeln eines festen Schmiermittels zeigt.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Die
Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung wird nachstehend
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt
ein Beispiel der Gleitlageranordnung im Querschnitt. Sie hat im
Wesentlichen denselben Aufbau wie die in 14 gezeigte
Ausführung nach
dem bisherigen Stand der Technik, weshalb für die nachfolgende Beschreibung
die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile oder Elemente
wie jene in 14 zu erläutern. Die in 1 gezeigte
Gleitlageranordnung weist auch eine in der Rolle 1 vorgesehene
Laufbuchse 9 auf. Ein Stützteil 6 ist an beiden
Enden der Rolle 1 vorgesehen, und eine Beilagscheibe 5 ist
in den Spalt zwischen der Rolle 1 und jedem Stützteil 6 eingesteckt. Ein
O-Ring 4 ist um jeden Spalt herum angebracht. Eine Welle 10 ist
durch das Stützteil 6 an
einem Ende, die Laufbuchse 2 und das Stützteil 6 am anderen Ende
gesteckt. Ein Drehen der Welle 10 wird mit Hilfe eines
Arretierstiftes 8 verhindert, der durch die Welle 10 und
das Stützteil 6 an
einem Ende gesteckt ist.
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Die
Laufbuchse 9 in der Gleitlageranordnung besteht aus einer
porösen
gesinterten Verbundlegierung, die typischerweise aus einem Kupfer-
und Eisenpulver hergestellt ist. Poröse Laufbuchsen aus anderen
Werkstoffen können
ebenfalls verwendet werden. Die Laufbuchse weist vorzugsweise eine Porosität von 5
bis 30 % aus. Ist die Porosität
geringer als 5 %, ist die Imprägnierung
der Laufbuchse mit dem hochviskosen Schmieröl so gering, dass die Wahrscheinlichkeit
besteht, dass sie nicht als Bestandteil einer Lageranordnung verwendet
werden kann, die kein Nachfüllen
von Öl
erfordert. Ist die Porosität
höher als
30 %, wird die mechanische Festigkeit der Laufbuchse zu gering,
um ein Brechen im Betrieb zu verhindern. Die Poren in der Laufbuchse
stehen vorzugsweise miteinander in Verbindung.
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Die
vorstehend beschriebene poröse
Laufbuchse ist mit einem hochviskosen Schmieröl mit einer Viskosität im Bereich
von 2,4 bis 15 cm2/s imprägniert.
Unter 2,4 cm2/s ist die Fluidität des Schmieröls so hoch,
dass es schwierig wird, das Öl
in den Poren in der Laufbuchse zurückzuhalten; außerdem können im
Betrieb unerwünschte
Probleme wie z.B. Scheuern auftreten, wodurch es unmöglich wird,
die Lageranordnung über
einen längeren
Zeitraum ohne Nachfüllen
von Öl
zu benutzen. Über
15 cm2/s kehrt das aufgrund der Reibungswärme über die
Gleitflächen
ausgeschwitzte Schmieröl
nicht ohne weiteres in das poröse
Innere zurück,
und die gewünschten Gleiteigenschaften
können
nicht über
einen längeren Zeitraum
konstant aufrechterhalten werden.
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Das
Schmieröl
zum Imprägnieren
der porösen
Laufbuchse beschränkt
sich nicht auf eine bestimmte Formulierung, solange seine Viskosität innerhalb
des oben angegebenen Bereichs liegt. Mineralöle, synthetische Öle und alle
anderen handelsüblichen
Schmierölformulierungen
können
für die
Erfindung benutzt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass Fett nicht
zum Imprägnieren
der Laufbuchse geeignet ist, weil es Fasern enthält. Das für die Erfindung zu benutzende
Schmieröl
kann feine Partikel (≤ 500 μm) fester
Schmiermittel wie zum Beispiel MoS2, WS2, hexagonales BN und Graphit enthalten.
Diese feinteiligen festen Schmiermittel sind besonders wirksam,
wenn die Gleitlageranordnung nach der Erfindung unter kalten klimatischen
Bedingungen benutzt wird.
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Beim
Imprägnieren
der porösen
Laufbuchse mit dem hochviskosen Schmieröl kann dieses erwärmt werden,
um die Viskosität
zu verringern, und die Laufbuchse wird in das erhaltene verflüssigte Öl eingetaucht
und in einer Vakuumatmosphäre
stehen gelassen. Als Ergebnis wird die Luft aus den Poren in der
Laufbuchse gesaugt, die sich wiederum mit dem flüssigen Öl füllen. Wird die so imprägnierte
Laufbuchse wieder an die normale Luftatmo sphäre gebracht und auf Raumtemperatur
abgekühlt,
verliert das flüssige Öl in den
Poren in der Laufbuchse an Fluidität und nimmt wieder seinen ursprünglichen hochviskosen
Zustand an. Dadurch kann das hochviskose Schmieröl in den Poren in der Laufbuchse zurückgehalten
werden. Die Temperatur, auf die das hochviskose Schmieröl erwärmt werden
muss, ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt und variiert je nach der
spezifischen Viskosität
des Schmieröls.
Daher kann das Schmieröl
erwärmt
werden, bis es flüssig
wird. Für
einen Fachmann ist dies ein einfach durchzuführender Vorgang. Die Zeit, über die die
Laufbuchse in das verflüssigte
Schmieröl
eingetaucht wird, und die Stärke
des Vakuums, bei der sie zu halten ist, unterliegen beide keinen
besonderen Einschränkungen,
da sie ebenfalls von der Viskosität des zu verwendenden Schmieröls abhängen. Wichtig ist,
dass die Laufbuchse in das verflüssigte
Schmiermittel eingetaucht werden sollte, bis die Poren in der Laufbuchse
mit dem Öl
gesättigt
sind. Wird zum Beispiel ein Schmieröl mit einer Viskosität von 4,6
cm2/s auf 60 bis 80 °C erwärmt und wird die Laufbuchse
bei einem reduzierten Druck von 3 Pa in das erwärmte Öl eingetaucht, sind die Poren
in der Laufbuchse nach etwa einer Stunde mit dem Schmieröl gesättigt.
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Die
Welle 10 besteht aus einem Eisen- oder Stahlwerkstoff Die
Eisen- oder Stahlwelle 10 ist vorzugsweise aufgekohlt,
nitriert und hochfrequenz-abgeschreckt und anschließend auf
ihrer Außenseite durch
geeignete Methoden einschließlich
durch Ausbilden einer Umwandlungsschicht aus Zinkphosphat, Manganphosphat
oder dergleichen oder durch Sulfurisieren oberflächenmodifiziert. Obwohl der
genaue Grund nicht bekannt ist, weist die so modifizierte Oberfläche der
Welle eine bessere „Benetzung" mit dem in die Laufbuchse
imprägnierten
hochviskosen Schmieröl
auf, und dies führt
zu entsprechenden Verbesserungen der Schmierwirkung des Schmieröls und der
tribologischen Eigenschaften der Lageranordnung. Die Gleitfläche der
Laufbuchse 9 ist ebenfalls vorzugsweise durch geeignete
Methoden einschließlich
Aufkohlen, Nitrieren und Sulfurisieren modifiziert. Eine durch Aufkohlen
gehärtete
Schicht in einer Dicke von 1 bis 3 mm, vorzugsweise ca. 2 mm, auf
der Gleitfläche
der Laufbuchse 9 trägt
zum Beispiel zu einer höheren
Verschleißfestigkeit
der Laufbuchse bei.
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Die
Rolle 1 kann mit einer der dem Fachmann bekannten Methoden
wie zum Beispiel dem Schrumpfpassen dicht passend über die
Laufbuchse 9 gezogen werden.
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch einen vergrößerten Ausschnitt
der Kontaktfläche
zwischen der Laufbuchse 9 und der Welle 10 zeigt.
Wie gezeigt, wird das in die Poren 14 in der porösen Laufbuchse 9 imprägnierte
hochviskose Schmieröl über die
innere Peripherie der Laufbuchse 9 ausgeschwitzt, um einen
dünnen Ölfilm 18 zu
erzeugen, der eine Gleitfläche
zwischen der Laufbuchse 9 und der Welle 10 bildet
und eine ausreichende Schmierwirkung aufweist, um die gewünschten
tribologischen Eigenschaften zu ge währleisten. Das in die Poren
in der Laufbuchse imprägnierte
hochviskose Schmieröl
hat ein so geringes Fließvermögen, dass es
nicht aus der Laufbuchse austritt, auch wenn letztere wiederholte
Gleitbewegungen relativ zu der Welle ausführt. Folglich wird der Schmierölfilm 18 über einen
extrem langen Zeitraum konstant aufrechterhalten. Daher kann die
Gleitlageranordnung tatsächlich über einen
längeren
Zeitraum ohne Nachfüllen von
Schmieröl
betrieben werden. Nach dem Stand der Technik tritt ein „Scheuern" zwischen der Welle 10 und
der Laufbuchse 9 auf, die angetrieben werden und unter
langsamer, aber hoher Last gegeneinander scheuern, was durch den
mikroskopischen Metallkontakt zwischen den beiden Elementen verursacht wird.
Ist die Laufbuchse 9 jedoch mit einem Schmieröl mit einer
Viskosität
zwischen 2,4 und 15 cm2/s imprägniert,
trägt das
mikroskopische „Ölreservoir" (der Ölfilm 18)
zu einem völligen
Fehlen von Schäden
aufgrund von Scheuern und anderen Problemen bei.
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Wieder
Bezug nehmend auf 1, wird die Menge des in die
Laufbuchse 9 imprägnierten
hochviskosen Schmieröls
gelegentlich den Vorrat übersteigen,
der nötig
und ausreichend ist, um den Ölfilm 18 zu
bilden (siehe 2), und die überschüssige Menge kann über die
Gleitfläche
zwischen der Welle 10 und der Laufbuchse 9 ausgeschwitzt
werden. Der Hauptgrund für
dieses Ausschwitzen wäre
der, dass die Reibungswärme
aufgrund des Gleitens der Welle 10 gegen die Laufbuchse 9 ein
Ausdehnen des Schmieröls
mit einem bestimmten Viskositätsabfall verursacht.
Wenn das ausgeschwitzte verflüssigte Schmieröl aus der
Lageranordnung ausleckt, verschlechtern sich nicht nur die tribologischen
Eigenschaften zwischen der Welle 10 und der Laufbuchse 9,
sondern es kommt auch zu einer unerwünschten Umweltverschmutzung
wie im herkömmlichen
Fall der Verwendung von Fett. Um dieses Problem zu vermeiden, weist
die Gleitlageranordnung ein Ölabschirmelement 12 an
beiden Enden der Laufbuchse 9 auf, und Staubdichtungen 3 sind
so zwischen die Welle 10 und die Rolle 1 gedrückt, dass
sie die Ölabschirmelemente 12 gegen
die Enden der Laufbuchse 9 drücken. Die Ölabschirmelemente 12 bestehen
vorzugsweise aus einem weichen, elastischen und ölabsorbierenden Material. Beispiele
für Materialien
mit diesen Eigenschaften sind unter anderem Vlies, Gewebe, poröser elastischer
Kunststoff, Schwamm, Asbest und Filz. Filz ist vom Standpunkt der
Kosten, Haltbarkeit und Ölabsorption
vorzuziehen. Das verflüssigte
Schmieröl,
das aus der Laufbuchse 9 ausgeschwitzt wird und in der
Längsrichtung
läuft,
berührt
das aus Filz bestehende Ölabschirmelement 12 an
jedem Ende der Laufbuchse 9 und wird von dem Filz aufgesaugt,
wodurch sichergestellt ist, dass das verflüssigte Schmieröl nicht
aus der Lageranordnung austreten kann.
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3 ist
ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen Druck und Reibungskoeffizient zeigt,
wobei die Viskosität
des Schmieröls
in der Laufbuchse als Parameter benutzt wird. Zur Anfertigung dieses
Diagramms wurden drei aufgekohlte und abge schreckte Laufbuchsen
aus einer porösen (15
%) gesinterten Verbundlegierung aus einem Kupfer- und Eisenpulver
hergestellt und dann mit der bereits vorstehend beschriebenen Methode
mit Schmierölen
mit unterschiedlichen Viskositäten
imprägniert,
d.h. 2,3 cm2/s (IDEMITSU DAPHNE SUPER GEAR
230, handelsüblich
erhältlich
bei Idemitsu Petro-Chemical
Co., Ltd.), 3,6 cm2/s (IDEMITSU DAPHNE SUPER
GEAR 360 von Idemitsu Petro-Chemical Co., Ltd.) und 4,6 cm2/s (IDEMITSU DAPHNE SUPER GEAR 460 von Idemitsu
Petro-Chemical Co., Ltd.). Unter Verwendung der Lauflbuchsen wurden
Gleitlageranordnungen mit dem in 1 gezeigten
Aufbau hergestellt. Die Gleitflächen dieser
Lageranordnungen wurden verschiedenen Druckbeanspruchungen ausgesetzt,
und es wurden Messungen der Scheuerfestigkeit durchgeführt, wobei
jede Anordnung um einen Winkel von 120° schwingen konnte. Wie die Daten
in 3 zeigen, trat bei der Anordnung mit der mit dem
Schmieröl
mit der niedrigsten Viskosität
imprägnierten
Laufbuchse bei einem Druck von ca. 500 bar Scheuern auf; andererseits
zeigten die Anordnungen mit den mit den Schmierölen mit Viskositäten von
3,6 und 4,6 cm2/s imprägnierten Laufbuchsen bei Drücken von
1 kbar und darüber
nicht das geringste Anzeichen von Scheuern.
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4 ist
ein Diagramm, das die tribologischen Eigenschaften einer fettgeschmierten
Gleitlageranordnung nach dem Stand der Technik mit denen der mit
einem hochviskosen Schmieröl
imprägnierten
Gleitlageranordnung vergleicht. Der Aufbau der fettgeschmieren Gleitlageranordnung
nach dem Stand der Technik entsprach 14. Die
Welle 7 bestand aus einem Stahl (hochfrequenz-abgeschreckter
Stahl S45C), ebenso wie die Laufbuchse 2. Bei dem Fett
handelte es sich um DAPHNE COLONEX EP Nr. 2, handelsüblich erhältlich bei
Idemitsu Kosan Co., Ltd. Der Aufbau der mit einem hochviskosen Schmieröl imprägnierten
Gleitlageranordnung war ebenfalls wie in 1 gezeigt.
Die Welle 10 bestand aus einem Stahl (hochfrequenz-abgeschreckter Stahl
S45C), während
die Laufbuchse 9 aus einer aufgekohlten und abgeschreckten
porösen
(15 %) gesinterten Verbundlegierung (Fe/Cu) bestand. Diese Laufbuchse
war mit einem Schmieröl
mit einer Viskosität
von 4,6 cm2/s (IDEMITSU DAPHNE SUPER GEAR 460 von
Idemitsu Petro-Chemical Co., Ltd.) imprägniert. Wie aus den Daten in 4 ersichtlich
ist, wies die fettgeschmierte Gleitlageranordnung nach dem Stand
der Technik bereits bei einem Druck über 500 bar Anzeichen von Scheuern
auf; andererseits zeigte die Lageranordnung zur Verwendung nach
der Erfindung auch bei einem Druck über 1 kbar nicht das geringste
Anzeichen von Scheuern.
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5 und 6 sind
Kennliniendiagramm, die den Verschleiß an der Laufbuchse bzw. an
der Welle in der Gleitlageranordnung zur Verwendung nach der Erfindung
zeigen, wenn sie über
800 Stunden kontinuierlichen Schwingbewegungen ausgesetzt war. Die
Lageranordnung hatte den grundlegenden Aufbau wie in 1.
Die Welle 10 bestand aus einem Stahl (hochfrequenz-abgeschreckter Stahl
S45C), und die Laufbuchse 9 bestand aus einer aufgekohlten
und abgeschreckten porösen
(15 %) gesinterten Verbundlegierung (Fe/Cu). Diese Laufbuchse war
mit einem Schmieröl
mit einer Viskosität von
4,6 cm2/s (IDEMITSU DAPHNE SUPER GEAR 460 von
Idemitsu Petro-Chemical Co., Ltd.) imprägniert. Die Prüfbedingungen
lauteten wie folgt: Druck 800 bar, Schwingwinkel 120°, Beanspruchungsrichtung
konstant und Umfangsgeschwindigkeit 12 Upm. Die Ergebnisse der Messungen
sind in 5 für vier Schwingrichtungen X1,
X2, Y1 und Y2 gezeigt. Wie aus 5 ersichtlich,
war die Lauflbuchse im Wesentlichen frei von ungleichmäßigen Verschleiß, auch
nach 800 Stunden, und das Ergebnis war unabhängig von der Schwingrichtung.
In gleicher Weise war die Welle im Wesentlichen frei von ungleichmäßigem Verschleiß, auch
nach 800 Stunden, und das Ergebnis war ebenfalls unabhängig von
der Schwingrichtung (siehe 6). Das
Ausmaß der
Verschleißerscheinungen,
die an der Laufbuchse und der Welle auftraten, war außerdem sehr
gering und betrug nicht mehr als ca. 0,4 mm. Diese Ergebnisse zeigen, dass
bei der Gleitlageranordnung mit der gesinterten und mit dem hochviskosen
Schmeröl
imprägnierten Laufbuchse
beim Dauerbetrieb über
800 Stunden auch bei einem Druck von bis zu 800 bar kein Scheuern
aufgetreten ist.
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Die
Anmelder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass eine
schwarze viskose Schmiersubstanz gebildet wird, bei der es sich
nicht um das Schmieröl
handelt, mit dem die Laufbuchse imprägniert ist, wenn die Gleitlageranordnung
nach der Erfindung nach der Montage über eine bestimmte Zeit (beispielsweise
ca. 50 Stunden) Gleitbewegungen ausgesetzt wird. Es wird angenommen,
dass diese schwarze viskose Schmiersubstanz das Produkt der mechanisch-chemischen
Reaktion aufgrund des Gleitens der Welle auf der Laufbuchse ist.
Die Mischung aus dem Schmieröl,
mit dem die Laufbuchse imprägniert
ist, und der später
gebildeten schwarzen viskosen Schmiersubstanz würde zur Realisierung eines
längeren
Gleitbetriebs ohne Nachfüllen
von Öl beitragen.
Der Begriff „mechanischchemisch" bezieht sich auf
die Änderungen
wie etwa im Hinblick auf Struktur, Phasenübergang, Reaktionsvermögen, Adsorptionsvermögen und
katalytische Aktivität,
die durch Anwendung von mechanischer Energie wie zum Beispiel durch
Fräsen,
Reibung, Ziehen und Komprimieren auf feste Substanzen verursacht
werden (siehe Iwanami, „Dictionary
of Physicochemistry",
4. Ausgabe, S. 1276).
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7a und 7b sind
IR-Spektrogramme, die die Ergebnisse der qualitativen Analyse der schwarzen
viskosen Schmiersubstanz zeigen. 7a bezieht
sich auf frisches, unvermischtes IDEMITSU DAPHNE SUPER GEAR 460,
mit dem die Laufbuchse 9 imprägniert war, und 7b bezieht sich
auf die schwarze viskose Schmiersubstanz, die gebildet wurde, als
die mit diesem Schmieröl
imprägnierte
Laufbuchse und die Welle 100 Stunden übereinander gleiten konnten.
Wie aus 7b ersichtlich, zeigte die schwarze
viskose Schmiersubstanz erkennbare zusätzliche Absorptionsbanden bei
Wellenlängen
von 1.720 cm–1 und
1.660 cm–1 im
IR-Bereich. Die Absorption bei 1.720 cm–1 könnte mit
einer Carbonylgruppe (Ester) und die Absorption bei 1.660 cm–1 mit
einer Kohlenstoff Kohlenstoff Doppelbindung (Olefin) in Verbindung
gebracht werden. Diese Ergebnisse bestätigten, dass es zu einer chemischen Veränderung
in dem Schmieröl
gekommen ist, mit dem die Laufbuchse imprägniert ist.
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8 ist
ein Diagramm, das durch Röntgenbestimmung
und Untersuchung eines getrockneten Pulvers des Feststoffs erhalten
wurde, der von dem öligen
Anteil der schwarzen viskosen Schmiersubstanz getrennt worden ist.
Offensichtlich bestand der Feststoff hauptsächlich aus SiO2,
Fe3O4, C, Graphit und α-Fe2O3. Kombiniert man
dieses Ergebnis mit den in 7 gezeigten
Daten, lässt
sich feststellen, dass in dem Teil, in dem die Welle 10 auf
der Laufbuchse 9 gleitet, eine mechanisch-chemische Reaktion
aufgetreten ist.
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9 zeigt mehrere Wellenformdiagramme, die
die Ergebnisse von Messungen der Gleitflächenprofile der Welle 10 und
der Laufbuchse 9 mit einer Rauheitsmesssonde zeigen, die
aus der Gleitlageranordnung ausgebaut wurden, nachdem die Bildung der
schwarzen viskosen Schmiersubstanz festgestellt worden war. 9a bezieht
sich auf die Oberflächenrauigkeit
der Welle 10. Wie aus dieser Abbildung ersichtlich, hat
sich die Gleitfläche
zwischen der Welle 10 und der Laufbuchse 9 zu
einem spiegelnden Zustand mit einer Oberflächenrauigkeit von 1 μm oder weniger
verbessert im Vergleich zu dem Wert von 10 bis 12 μm vor dem
Betrieb der Anordnung. Andererseits sind die Kontaktfläche mit
der Welle 10 und der Staubdichtung 3, die nicht
auf der Laufbuchse gleiten, sowie der hochfrequenzabgeschreckte Teil
der Welle 10 so rau wie im Ausgangszustand (vor dem Betrieb
der Anordnung) geblieben. 9b bezieht
sich auf die Oberflächenrauigkeit
der Laufbuchse 9 und zeigt, dass die gesamte Gleitfläche der Laufbuchse 9 sich
offensichtlich zu einem spiegelnden Zustand mit einer Oberflächenrauigkeit
von 1 μm oder
weniger verbessert. Ein Scheuern, wie es ansonsten häufig zwischen
der Welle 10 und der Laufbuchse 9 auftritt, fehlte
völlig.
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Grundsätzlich besteht
keine Notwendigkeit, bei der Verwendung der Gleitlageranordnung
nach der Erfindung Fett zu benutzen. Das Schmieröl, mit dem die Laufbuchse imprägniert ist,
muss sich jedoch direkt nach Beginn der Verwendung der Lageranordnung
noch über
die Gleitflächen
verteilen, weshalb es zu einem Scheuern kommen kann, wenn ein hoher
Druck auf die ungeschmierten Gleitflächen der Welle und der Laufbuchse
einwirkt. Um das Auftreten dieses „Anfangsscheuerns" zu verhindern, wird
vorzugsweise vor der Montage Fett auf die Oberflächen der Welle und/oder der
Laufbuchse aufgebracht. Das Fett wird vorzugsweise in einer Menge
von 0,001 bis 0,1 g/cm2, besser noch 0,005
bis 0,015 g/cm2 und am besten 0,01 g/cm2 auf die Oberflächen der Welle aufgebracht.
Das Aufbringen des Fetts vor der Montage verhindert nicht nur das
Auftreten von „Anfangsscheuern", sondern erleichtert
auch die anschließende
Montage von Welle und Laufbuchse. Wird das Fett in einer Menge von
weniger als 0,001 g/cm2 aufgebracht, kann
es das Auftreten von „Anfangsscheuern" nicht verhindern.
Wird das Fett in einer Menge von über 0,1 g/cm2 aufgebracht,
beeinträchtigt
dies nicht nur die Montagearbeiten, sondern es wird auch flüssig, nachdem
die Welle auf der Laufbuchse zu gleiten beginnt, und kann möglicherweise
aus der Lageranordnung austreten. Wird das Fett in der optimalen
Menge von 0,01 g/cm2 aufgebracht, bildet
es einen etwa 0,1 mm dicken Film zwischen der Welle und der Laufbuchse,
was sich am wirksamsten zur Verhinderung des Auftretens von „Anfangsscheuern" erwiesen hat und
gleichzeitig sicherstellt, dass die Lageranordnung in sehr effizienter
Weise konstruiert werden kann.
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Bei
bestimmten Maschinen unterliegt die Gleitlageranordnung in lokal
begrenzten Oberflächenbereichen
der Einwirkung von Drücken
von 800 bar oder mehr aufgrund von „ungleichmäßigem Kontakt" unter exzentrischen
Lasten beim Betrieb der Anordnung. Bei solchen Maschinen kann die
fertig montierte Lageranordnung betrieben werden, um Gleitbewegungen über einen
Zeitraum von 50 bis 200 Stunden, vorzugsweise von 75 bis 150 Stunden
und besser noch von 100 bis 130 Stunden auszuführen, damit die Welle und die
Laufbuchse „eingefahren" werden. Danach wird
Fett in einer Menge von 0,001 bis 0,1 g/cm2,
vorzugsweise 0,005 bis 0,015 g/cm2 und besser
noch 0,01 g/cm2 auf die Gleitflächen der
Welle und der Laufbuchse aufgebracht. Ist die Zeit für das Gleiten
nach der Montage kürzer
als 50 Stunden, werden die Welle und die Laufbuchse nicht ausreichend
eingefahren, so dass die kombinierte Verwendung von Fett gelegentlich
eventuell nicht die beabsichtigte Wirkung zeigt. Ist die Zeit für das Gleiten nach
der Montage länger
als 200 Stunden, kann es zu „ungleichmäßigem Kontakt" kommen, und die Wahrscheinlichkeit
des Auftretens von Scheuern nimmt zu. Beträgt die Zeit für das Gleiten
nach der Montage zwischen 100 und 130 Stunden, werden die Welle
und die Laufbuchse ausreichend eingefahren; zusätzlich beseitigt das Vorhandensein
sowohl des hochviskosen Schmieröls
in der Laufbuchse als auch des mechanisch-chemischen Reaktionsproduktes
im Wesentlichen die Gefahr des Auftretens von Scheuern aufgrund
von „ungleichmäßigem Kontakt". Wenn daher Fett
zugeführt
werden muss, wird dies am besten eingespritzt, nachdem seit dem
Start des Gleitens nach der Montage 100 bis 130 Stunden vergangen sind.
Wird das Fett in einer Menge von weniger 0,001 g/cm2 eingespritzt,
kann das Auftreten von Scheuern aufgrund von „ungleichmäßigem Kontakt" nicht verhindert
werden. Wird das Fett in einer Menge von mehr als 0,01 g/cm2 eingespritzt, kann ein Teil des verflüssigten
Fetts gelegentlich aus der Lageranordnung austreten. Wird das Fett
in der optimalen Menge von 0,01 g/cm2 eingespritzt,
verbleibt das verflüssigte
Fett auf den Gleitflächen
der Welle und der Laufbuchse, wobei nur eine geringe Gefahr des
Austretens aus der Lageranordnung besteht, ein Scheuern aber dennoch
sehr wirksam verhindert werden kann.
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10 ist
ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen Reibungskoeffizient,
Temperatur und Gleitzeit zeigt und die Wirkung des Einspritzens
von Fett nach dem Gleiten nach der Montage der Lageranordnung belegt.
Die in 10 gezeigten Daten wurden mit
einer Prüfstandapparatur
erhalten, die eine tatsächliche
Maschine simulierte und bei folgenden Bedingungen betrieben wurde:
Druck 800 bar, Schwingwinkel 120°,
Beanspruchungsrichtung konstant und Umfangsgeschwindigkeit 12 Upm.
Für Temperaturmessungen
war ein Thermoelement (Alumel-/Chromeldrähte) durch Punktschweißen an der porösen Laufbuchse
befestigt, und die zwischen der Welle und der porösen Laufbuchse
entstehende Reibungswärme
wurde anhand der thermoelektromotorischen Kraft gemessen. Zur Messung
des Reibungskoeffizienten wurde das zwischen der porösen Laufbuchse
und der Welle entstehende Drehmoment mit einem berührungslosen
Drehmomentmessgerät
(Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd.) gemessen; der entsprechende
Reibungskoeffizient wurde anhand der Gleichung μ = T/N·r bestimmt, wobei μ der Reibungskoeffizient,
T das erzeugte Drehmoment, N die senkrecht einwirkende Last und
r der Radius der Welle ist. Bezug nehmend auf die Kurve des Reibungskoeffizienten
in 10 entspricht der Abschnitt (1) der Wirkung,
die durch das Aufbringen von Fett in einer Menge von 0,01 g/cm2 vor der Montage erzielt wird; wie zu erkennen,
fiel der Reibungskoeffizient auf 0,03 ab. Der Abschnitt (2)
entspricht dem Zustand, wo das Gleiten nach der Montage dazu geführt hat,
dass der größte Teil
des zuvor aufgebrachten Fetts von den Gleitflächen der Welle und der Laufbuchse
verbraucht ist (d.h. der Anfangszustand des Prozesses, mit dem die
Welle und die Laufbuchse „eingefahren" wurden), wobei der
Reibungskoeffizient erkennbar auf einen Wert zwischen 0,10 und 0,13 angestiegen
ist. Die gestrichelte Linie (3) zeigt, dass der Reibungskoeffizient
deutlich auf 0,03 gefallen ist, sobald Fett in einer Menge von 0,01
g/cm2 auf die Gleitflächen der Welle und der Laufbuchse
gegeben worden ist, nachdem 125 Stunden nach dem Beginn des Gleitens
nach der Montage vergangen waren. Abschnitt (4) ist ein
stabiler Bereich, über
den der Reibungskoeffizient auf Werten von nicht mehr als 0,02 gehalten
wurde. Solch niedrige Werte für
den Reibungskoeffizienten konnten unverändert auch nach 1.000 Stunden
aufrechterhalten werden. Aus 10 ist
auch ersichtlich, dass das Temperaturprofil mit dem vorstehend diskutierten
Profil des Reibungskoeffizienten identisch war. Das Fett wird mit zunehmender
Temperatur schlechter, aber wie aus 10 ersichtlich,
wird die Temperatur in der Gleitlageranordnung auf einem im Wesentlichen
konstanten Niveau gehalten, weshalb die Qualitätsminderung des Fetts vernachlässigbar
ist. Dadurch können die
Fetteinspritzintervalle auf 1.000 Stunden oder länger verlängert werden. Es ist jedoch
zu beachten, dass diese vorteilhafte Wirkung des Einspritzens von Fett
nach dem Gleiten nach der Montage ein Synergieeffekt mit dem Imprägnieren
der Laufbuchse mit einem hochviskosen Schmieröl ist und dass bei Fehlen des
hochviskosen Schmieröls
aus der Laufbuchse Fett in Intervallen von 100 Stunden nachgefüllt werden
muss.
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Die
Gleitlageranordnung ist grundsätzlich ohne
Nachfüllen
von Schmieröl
oder Fett zu verwenden, aber wie einige Absätze zuvor beschrieben, rechtfertigen
bestimmte Maschinen die Zufuhr von Fett in Kombination mit dem hochviskosen
Schmieröl.
In diesem Fall kann die in 1 gezeigte
Lageranordnung 10 mit einer Fetteinfüllöffnung 32 in 14 versehen
sein, die eine Gleitlageranordnung nach dem Stand der Technik zeigt.
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11 ist
eine teilweise Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel für die Gleitlageranordnung
zeigt. Wie gezeigt, ist die Laufbuchse 9 an beiden Enden
mit balligen Abschnitten 20 versehen, um eine höhere Zuverlässigkeit
bei der Festigkeit in Erwartung von ungleichmäßigem Kontakt zwischen der
Welle 10 und der Laufbuchse 9 sicherzustellen, der
typischerweise aufgrund ihres Spiels oder der Verformung der Welle
auftritt.
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12 ist
eine teilweise Querschnittsansicht, die noch ein weiteres Beispiel
für die
Gleitlageranordnung zeigt. Wenn Erde, Sand usw. über die O-Ringe 4 in
die Lageranordnung eindringen [ein Beispiel für ein solches Eindringen ist
SiO2 mit einer Vickers-Härte (Hv) von ca. 1.000], üben sie
eine Verschleißwirkung
aus und verursachen Verschleiß und andere
Schäden
an der Rolle 1 und den Stützteilen 6. Um dieses
Problem zu vermeiden, ist die in 12 gezeigte
Anordnung mit verschleißfesten
Platten 22 ausgerüstet,
die eine Härte
aufweisen, die mit der von Erde, Sand usw. vergleichbar oder höher als
diese ist. Diese verschleißfesten
Platten 22 verbessern nicht nur die tribologischen Eigenschaften
der Lageranordnung und die Festigkeit des Lagers an sich, sondern
verhindern auch das Auftreten von Rattern.
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13 ist
eine teilweise Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel für die Gleitlageranordnung
zeigt. Wie gezeigt, ist eine hochfeste Lauftbuchse 24 aus
Eisen oder Stahl (z.B. abgeschreckter Stahl S45C) zwischen der Laufbuchse 9 (bestehend aus
einer porösen
gesinterten Verbundlegierung) und der Rolle 1 angeordnet,
um die mangelnde Festigkeit in beiden Endabschnitten der Laufbuchse 9 auszugleichen.
Durch die zusätzliche
Laufbuchse 24 kann die Gleitlageranordnung auch bei Einwirkung noch
höherer
Drücke
auf die Gleitflächen
der Anordnung verwendet werden.
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Die
Gleitlageranordnung eignet sich zur Verwendung unter Bedingungen,
bei denen der auf die Gleitflächen
einwirkende Druck mindestens 600 bar beträgt. Genauer gesagt, ist die
Gleitlageranordnung besonders geeignet für die Verwendung der Erfindung
in langsamen Hochdruckanwendungen, d.h. Hochdruckanwendungen mit
niedriger Gleitgeschwindigkeit, wie zum Beispiel einem Lager im
vorderen Teil eines Baggers, einem Lager am Ausleger eines Krans,
einem Lager am Rolltor der Schleuse eines Absperrdamms, einem Lager
in einem senkrecht gleitenden Nocken einer Pressform, einem Lager
an den Leitschaufeln des Laufrads eines Wasserkraftwerks und einem
Lager am Entladebolzen eines Schiffskrans.
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Es
ist bekannt, dass poröse ölgefüllte Lager an
sich ohne Nachfüllen
von Öl
benutzt werden können,
und hierzu gehören
unter anderem ölgefüllte Lager
aus Kupfergusslegierungen und solche aus Sintermetallen. Die herkömmlichen
porösen ölgefüllten Lager
benutzen Schmieröle
mit vergleichsweise niedrigen Viskositäten, und unter der Einwirkung
von hohen Drücken
auf die Gleitflächen
der Welle und der Laufbuchse nimmt die Viskosität des Schmieröls aufgrund
der durch das Gleiten der Welle auf der Laufbuchse erzeugten Reibungswärme weiter
ab. Diese Tatsache, zusammen mit den Gleitbewegungen der Welle auf
der Laufbuchse, führt
dazu, dass eine erhebliche Menge des Schmieröls von der Laufbuchse und den
Gleitflächen
in den ersten Betriebsphasen verbraucht wird. Bei dem resultierenden
großen
Verlust an Schmieröl
kann das Intervall für
das Nachfüllen
von Öl
bis zu einem gewissem Maße
verlängert werden,
aber es ist sicherlich nicht möglich,
das Lager über
einen längeren
Zeitraum von mindestens mehreren Jahren ohne Nachfüllen von Öl zu betreiben.
Darüber
hinaus sind die konventionellen porösen ölgefüllten Lager mit PV-Werten von
weniger als 100 bar·m/s
betrieben worden; bei den neueren Modellen von Baggern, die höhere Nutz-
und Antriebsleistungen aufweisen, ist es jedoch dringend erwünscht, die
vorderen Teile mit PV-Werten von 100 bar·m/s und mehr bei Reibungskoeffizienten
(μ) von nicht
mehr als 0,15 zu betreiben. Keines der herkömmlichen porösen Lager,
die mit niedrigviskosen Schmierölen
imprägniert
sind, ist jedoch in der Lage, Gleitlageranordnungen zu ergeben,
die diese Anforderungen erfüllen
und trotzdem über
einen längeren Zeitraum
ohne Nachfüllen
von Öl
benutzt werden können.
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Im
Gegensatz dazu stellt die vorliegende Erfindung eine Gleitlageranordnung
bereit, die in Umgebungen mit hohem Druck (über 600 bar) benutzt wird und
trotzdem ohne Nachfüllen
von Öl über einen längeren Zeitraum
von mindestens mehreren Jahren, z.B. fünf Jahren, Gleitbewegungen
ausgesetzt werden kann.