DE102012201721A1

DE102012201721A1 - Verfahren zum Betrieb einer Wälzlageranordnung und Wälzlagereinrichtung hierzu

Info

Publication number: DE102012201721A1
Application number: DE102012201721A
Authority: DE
Inventors: Walter Holweger; Marcus Wolf; Frank Walther
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US9556909B2; WO2013117392A1; US20150030272A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wälzlagereinrichtung (1) und ein Verfahren zu deren Betrieb mit einem Wälzlager (2) mit unter Mediumsberührung stehenden und von dem flüssigen Medium (10) geschmierten Wälzkontakten (6, 7). Um die Schmier- und Tragfähigkeit derart mediumsgeschmierter Wälzlager (2) bei gleichzeitig biologisch verträglichem Verhalten zu verbessern, wird in einer Vorhalteeinrichtung (14) ein das Medium verdickender, biologisch neutraler Zusatzstoff (13) vorgehalten und bedarfsabhängig an die Wälzkontakte (6, 7) dosiert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Wälzlagereinrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb mit einem Wälzlager mit unter Mediumsberührung stehenden und von dem flüssigen Medium geschmierten Wälzkontakten.
Hintergrund der Erfindung
Mediumsberührte Wälzlager, beispielsweise in Unterwasseranwendungen eingesetzt, sind andauernden Belastungen mit dem Medium – hier Wasser – ausgesetzt, so dass herkömmliche, mit synthetischen oder mineralischen Schmierstoffen behandelte Wälzkontakte rasch ausgewaschen werden. Durch Auswaschen derartiger Schmierstoffe treten insbesondere bei gehäufter oder dauerhafter Anwendung Umweltprobleme wie Umweltverschmutzung infolge mangelnder biologischer Abbaubarkeit und Eutrophierung auf. Um dem raschen Verlust von Schmiermittel entgegenzuwirken, werden dynamische Abdichtungen des die Wälzkontakte enthaltenden Zwischenraums zwischen Außenring und Innenring vorgeschlagen, bei denen jeweils an einer Seite des Wälzlagers eine Dichteinheit an Außenring oder Innenring drehfest angeordnet ist und mittels einer Dichtung wie beispielsweise eine Lippendichtung gegenüber dem anderen Laufring dynamisch abdichtet. Hierbei treten Reibmomente auf, die den Wirkungsgrad des Wälzlagers und damit der verwendeten Anwendung mit diesem verschlechtern.
Alternativ wird vorgeschlagen, Wälzlager derart auszulegen, dass Wasser als Schmiermedium funktionalisiert wird. Hierbei sind entsprechend hoch korrosionsfeste Materialien insbesondere in Meerwasserumgebungen notwendig. Die Tragfähigkeit der ausschließlich mit Wasser geschmierten Wälzkontakte ist vergleichsweise gering. Weiterhin ist mit sogenanntem Fouling zu rechnen, bei dem die Wälzkontakte mit kalkabsetzenden Mikroorganismen zugesetzt werden, wodurch die Wälzkontakte dauerhaft geschädigt werden.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher die Weiterbildung eines Wälzlagers zur Verbesserung einer mediumsgestützten Schmierung durch das Medium, insbesondere Wasser.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch Verfahren zum Betrieb einer Wälzlagereinrichtung mit einem Wälzlager mit unter Mediumsberührung stehenden und von dem flüssigen Medium, insbesondere Wasser, geschmierten Wälzkontakten gelöst, wobei in einer Vorhalteeinrichtung ein das Medium verdickender, biologisch neutraler Zusatzstoff vorgehalten und bedarfsabhängig an die Wälzkontakte dosiert wird.
Durch die Verwendung von biologisch neutralem, das Medium wie Wasser verdickendem Zusatzstoff wird durch die Verdickung von Medium der tribologische Effekt von auf diese Weise funktionalisiertem Medium verbessert, so dass die Tragfähigkeit der Wälzkontakte bei gleicher Wälzfläche gesteigert werden kann. Weiterhin kann durch hohen Mediumsdruck und/oder Mediumsfluss abgespültes funktionalisiertes Medium durch die geregelte Dosierung von Zusatzstoff ersetzt werden. Hierbei handelt es sich bei dem biologisch neutralen Zusatzstoff um einen Einzelstoff wie beispielsweise ein Gel oder dergleichen oder um ein Gemisch aus einem Verdicker und entsprechenden Additiven. Der Zusatzstoff ist insbesondere biologisch verträglich, bevorzugt zu 100% biologisch abbaubar und nicht eutrophierend. Beispielsweise können Verdicker abbaubar und nicht eutrophierend. Beispielsweise können Verdicker wie modifizierte Cellulosen, Aminosäuren und dergleichen eingesetzt werden. Hierdurch ergeben sich vorteilhafte Anwendungen für Wasserturbinen beispielsweise in Strömungskraftwerken, Papiermaschinen, Lebensmittelverarbeitungsmaschinen, Landwirtschaftliche Geräte, Geräte in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, Anwendungen in Schiffen, beispielsweise an Stevenrohren, in der Militärtechnik und dergleichen.
Durch die Verwendung von Zusatzstoff in Verbindung mit dem Medium wird lediglich eine geringe Menge Zusatzstoff wie Verdicker benötigt, um einen gewünschten Schmiereffekt bei vorgegebener tribologischer Wirkung und Tragfähigkeit zu erzielen, sodass Material und Kosten gespart werden. Additive können verschleiß- und/oder korrosionsmindernd wirkend vorgesehen sein, so dass beispielsweise ein dauerhafter Einsatz in besonders reinem bis hin zu befrachtetem Süßwasser und insbesondere Meerwasser möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird eine Dosierung des Zusatzstoffes mittels einer im Bereich der Wälzkontakte angebrachten Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Viskosität des Mediums erfassten Steuergröße gesteuert. Beispielsweise kann im Bereich der Wälzflächen an einem Wälzkörperkäfig oder einem stehenden Laufring, je nach Anwendung am Außen- oder Innenring, ein Quarzviskosimeter angeordnet sein, welcher die Viskosität der an den Wälzkontakten wie Wälzflächen wirksamen Zusammensetzung aus Medium und Zusatzstoff ermittelt und abhängig von der in eine Steuergröße, beispielsweise ein elektrisches Signal umgewandelten Viskosität, beispielsweise durch Steuerung eines Ventils wie elektrisches Proportionalventil oder dergleichen Zusatzmittel mittels einer oder mehrerer Dosieröffnungen an die Wälzkontakte dosiert. Hierbei kann das in der Vorhalteeinrichtung, beispielsweise einem innerhalb oder bevorzugt außerhalb des Mediums angeordneten Vorratsbehälters vorgehaltene Zusatzmittel unter Schwerkraft oder mittels Vorspannung einer Speisepumpe druckbeaufschlagt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Dosierung von Zusatzmittel mittels einer im Bereich der Wälzkontakte angebrachten Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Füllstandes eines mit den Wälzkontakten in Verbindung stehenden Reservoirs erfassten Steuergröße gesteuert werden. Hierbei kann der Füllstand des Reservoirs, beispielsweise einer direkt mit einem Wälzkontakt in Verbindung stehenden und von diesem begrenzten Rille oder einer Kavität durch Erfassung des Drucks, eines elektrischen Widerstands, optisch oder in ähnlicher Weise erfasst werden.
Zur Verminderung des Mediumkontakts an den Kontaktflächen kann zusätzlich an der der Dosierung des Zusatzmittels gegenüberliegenden Seite der Wälzkontakte eine mit Druckluft betriebene Freiblaseinrichtung vorgesehen sein, die ein gasförmiges Polster bevorzugt aus Druckluft vor die Wälzkontakte legt, so dass eine Mediumsberührung vermindert und dadurch der Abfluss von mit dem Zusatzstoff funktionalisiertem Medium zumindest vermindert wird. Hierdurch kann der Verbrauch an Zusatzstoff weiter vermindert werden.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Wälzlagereinrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens gelöst. Hierzu ist ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und zwischen diesen über den Umfang verteilten, an Wälzkontakten dieser abwälzenden Wälzkörpern vorgesehen, wobei zur Verdickung von an den Wälzkörpern anwesendem Medium wie insbesondere Wasser eine Vorhalteeinrichtung mit das Medium verdickendem Zusatzstoff und eine den Zusatzstoff abhängig von einer von einer Erfassungseinrichtung erfassten Steuergröße an die Wälzkontakte dosierende Dosiereinrichtung vorgesehen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Wälzlagereinrichtung eine Dosiereinrichtung mit einer den Zusatzstoff in der Vorhalteeinrichtung vorspannenden Speisepumpe, ein abhängig von der Steuergröße schaltbares Ventil und zumindest eine Dosieröffnung im Bereich der Wälzkontakte.
Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise ein Viskosimeter, ein einen Füllstand eines an den Wälzkontakten angeordneten Reservoirs für den Zusatzstoff erfassender Füllstandssensor oder dergleichen sein. Auf der der Dosiereinrichtung gegenüberliegenden Seite des Wälzlagers kann eine Freiblaseinrichtung vorgesehen sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Funktion einer Wälzlagereinrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer Wälzlagereinrichtung und
3 eine schematische Darstellung einer gegenüber der Wälzlagereinrichtung der 2 geänderten Wälzlagereinrichtung.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
1 zeigt als Blockschaubild die schematische Funktionsweise einer Wälzlagereinrichtung 1 in Mediumsumgebung – hier Wasser. Durch den Eintritt von Wasser in das Wälzlager wird Schmierstoff ausgetragen. Um den Schmierstoffverlust mit möglichst geringem Stoffeinsatz und ökologisch für die Umwelt zumindest neutral auszugleichen, wird das vorhandene Wasser funktionalisiert, indem geringe Mengen Zusatzstoff – hier Verdicker – zugeführt wird, der mit dem Wasser den Schmierstoff durch Erhöhung dessen Viskosität bildet. Hierdurch kann die Dosierung des Verdickers bei geringen Mengen gehalten werden. Bei entsprechender Zusammensetzung des Verdickers aus einer Einzelkomponente oder einem Gemisch aus mehreren Einzelkomponenten kann das mittels des Verdickers funktionalisierte Wasser Schmiereigenschaften beispielsweise zu der Qualität der ISO VG 220 annehmen. Hierbei kann der Verdicker beispielsweise zu 5 Vol-% an dem Gesamtvolumen des Schmierstoffs beteiligt sein und das Wasser die übrigen 95 Vol-% bereitstellen. Dabei sind sowohl der Verdicker selbst als auch der gegebenenfalls chemisch reaktiv umgesetzte und/oder physikalisch assoziativ gebildete Schmierstoff biologisch bevorzugt zu 100% abbaubar, nicht eutrophierend und umweltverträglich eingestellt. Als Verdicker können beispielsweise mit hydrophilen Medien einen Schmierstoff höherer Viskosität bildende chemische Verbindungen oder deren Gemische wie modifizierte Cellulose, Aminosäuren und dergleichen eingesetzt werden. Gegebenenfalls können dem Verdicker Additive wie Korrosionsschutzkomponenten beigefügt sein, die bevorzugt ebenfalls biologisch neutral sind.
Die Anwendung ist insbesondere in Temperaturen von –20°C bis 100°C, unter Druck oder entsprechender Medienbelastung bis 120°C einsetzbar und eignet sich insbesondere für Strömungskraftwerke wie Meeresströmungskraftwerke, Gezeitenkraftwerke und dergleichen wegen ihrer hohen Toleranz gegenüber Salzwasser.
2 zeigt die Wälzlagereinrichtung 1 der 1 schematisch im Detail. Das um die Welle 3 angeordnete Wälzlager 2 mit dem Innenring 4, dem Außenring 5 und den zwischen diesen an den Wälzkontakten 6, 7 abwälzenden, über den Umfang verteilt in dem Lagerkäfig 9 aufgenommenen Wälzkörpern 8 ist gegenüber dem Medium 10 wie Wasser offen ausgebildet. Hierdurch wird abhängig von der mittels der Pfeile 11 dargestellten herrschenden Strömung des Mediums 10 an dem Wälzlager 2 Schmiermittel – durch den Pfeil 12 symbolisiert – ausgetragen.
Das hier nicht detailliert dargestellte Schmiermittel wird vorort aus in das Wälzlager 2 eingespültem Medium 10 und Zusatzstoff 13 wie Verdicker gebildet, welcher in der Vorhalteeinrichtung 14 vorgehalten und über die Druckleitung 15 mittels der Dosieröffnung 16 in den Bereich der Wälzkontakte 6, 7 dosiert wird. Aufgrund der Mediumsströmung und der durch die Pfeile 17 symbolisierte Verwirbelung durch das drehende Wälzlager 2 wird der Zusatzstoff 13 und Medium 10 vermischt und Schmiermittel hergestellt, das einen Schmierfilm an den Wälzkontakten 6, 7 bildet.
Zur Kompensation des ausgetragenen Schmiermittels ist eine Dosierung des Zusatzstoffes 13 vorgesehen. Hierzu wird der Zusatzstoff 13 mittels der Speisepumpe 18, der den Kolben 20 der Vorhalteeinrichtung 14 vorspannenden Vorspannfeder 19 und/oder dergleichen vorgespannt und mittels des Dosierventils 21 dosiert. Das Dosierventil 21 ist in die Regelschleife 22 eingebunden und öffnet dann, wenn die Erfassungseinrichtung 23 eine Viskosität des Schmiermittels kleiner als einem vorgegebenen Schwellwert erfasst. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise ein Quarzviskosimeter sein, das abhängig von der Viskosität eine elektrische Steuergröße ausgibt, die in einem die Regelschleife 22 enthaltenden Steuergerät ausgewertet wird, wobei dieses das Dosierventil 21 steuert.
3 zeigt eine Abwandlung der Wälzlagereinrichtung 1 der 2 in Form der Wälzlagereinrichtung 1a in schematischer Darstellung. Im Unterschied zu der Erfassungseinrichtung 23 der 2 erfasst die Erfassungseinrichtung 23a einen Füllstand eines Reservoirs 24, beispielsweise in Form einer Rille oder einer Kavität im Lagerkäfig 9a, welche in Kontakt zu dem Wälzkontakt 6a steht. Aufgrund der Präsenz des Mediums 10 wird der Schmierstoff laufend mit dem aus dem Reservoir 24 austretenden Zusatzstoff 13 und dem Medium 10 hergestellt. Nimmt der Füllstand des Zusatzstoffs 13 im Reservoir unter einen vorgegebenen Schwellwert ab, wird das Dosierventil 21a geöffnet und Zusatzstoff 13 nachdosiert.
Weiterer Unterschied ist die Freiblaseinrichtung 25, welche auch in der Wälzlagereinrichtung 1 der 2 zum Einsatz kommen kann. Die Freiblaseinrichtung 25 enthält das beispielsweise mittels der Druckpumpe 26 vorgespannte und der Vorspannfeder 27 stabilisierte, mit Gas wie Druckluft befüllte Druckvolumen 28, welches über die Druckleitung 29 laufend oder intermittierend hier auf die von der Stirnseite mit der Dosierungseinrichtung für den Zusatzstoff abgewandte Stirnseite das vorgespannte Gas bläst, so dass der Zwischenraum 30 zwischen Innenring 4a und Außenring 5a des Wälzlagers 2a von dem Medium 10 symbolisch in Richtung der Pfeile 31 freigeblasen wird. Aufgrund des im Zwischenraum 30 nur vermindert präsenten Mediums 10 wird die Ausspülung von Schmiermittel reduziert, so dass der Verbrauch an Zusatzstoff 13 weiter eingeschränkt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlagereinrichtung
1a: Wälzlagereinrichtung
2: Wälzlager
2a: Wälzlager
3: Welle
4: Innenring
4a: Innenring
5: Außenring
5a: Außenring
6: Wälzkontakt
6a: Wälzkontakt
7: Wälzkontakt
8: Wälzkörper
9: Lagerkäfig
9a: Lagerkäfig
10: Medium
11: Pfeil
12: Pfeil
13: Zusatzstoff
14: Vorhalteeinrichtung
15: Druckleitung
16: Dosieröffnung
17: Pfeil
18: Speisepumpe
19: Vorspannfeder
20: Kolben
21: Dosierventil
21a: Dosierventil
22: Regelschleife
23: Erfassungseinrichtung
23a: Erfassungseinrichtung
24: Reservoir
25: Freiblaseinrichtung
26: Druckpumpe
27: Vorspannfeder
28: Druckvolumen
29: Druckleitung
30: Zwischenraum
31: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO VG 220 [0018]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Wälzlagereinrichtung (1, 1a) mit einem Wälzlager (2, 2a) mit unter Mediumsberührung stehenden und von dem flüssigen Medium (10) geschmierten Wälzkontakten (6, 6a, 7), dadurch gekennzeichnet, dass in einer Vorhalteeinrichtung (14) ein das Medium (10) verdickender, biologisch neutraler Zusatzstoff (13) vorgehalten und bedarfsabhängig an die Wälzkontakte (6, 6a, 7) dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Bereich der Wälzkontakte (6) angebrachten Erfassungseinrichtung (23) zur Erfassung der Viskosität des Mediums (10) erfassten Steuergröße eine Dosierung des Zusatzstoffs (13) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Bereich der Wälzkontakte (6a) angebrachten Erfassungseinrichtung (23a) zur Erfassung eines Füllstandes eines mit den Wälzkontakten (6a) in Verbindung stehenden Reservoirs (24) erfassten Steuergröße eine Dosierung des Zusatzstoffs (13) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Dosierung des Zusatzstoffs (13) gegenüberliegenden Seite der Wälzkontakte (6a) eine mit Druckluft betriebene Freiblaseinrichtung (25) vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung (1, 1a) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Wälzlager (2, 2a) mit einem Innenring (4, 4a), einem Außenring (5, 5a) und zwischen diesen über den Umfang verteilten, an Wälzkontakten (6, 6a, 7) dieser abwälzenden Wälzkörpern (8), dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdickung von an den Wälzkörpern (8) anwesendem Medium (10) eine Vorhalteeinrichtung (14) mit das Medium verdickendem Zusatzstoff (13) und eine den Zusatzstoff (13) abhängig von einer von einer Erfassungseinrichtung (23, 23a) erfassten Steuergröße an die Wälzkontakte (6, 6a, 7) dosierende Dosiereinrichtung vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung (1, 1a) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung eine den Zusatzstoff (13) in der Vorhalteeinrichtung (14) vorspannende Speisepumpe (18), ein abhängig von der Steuergröße schaltbares Dosierventil (21, 21a) und zumindest eine Dosieröffnung (16) im Bereich der Wälzkontakte (6, 6a, 7) enthält.
Wälzlagereinrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (23) ein Viskosimeter ist.
Wälzlagereinrichtung (1a) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (23a) ein einen Füllstand eines an den Wälzkontakten (6a) angeordneten Reservoirs (24) für den Zusatzstoff (13) erfassender Füllstandssensor ist.
Wälzlagereinrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Dosiereinrichtung gegenüberliegenden Seite des Wälzlagers (2a) eine Freiblaseinrichtung (25) vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung (1, 1a) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (13) biologisch verträglich, biologisch abbaubar und nicht eutrophierend ist.