DE3230232A1 - Bearing shell for a hydrostatic gas bearing and a method for its production - Google Patents
Bearing shell for a hydrostatic gas bearing and a method for its productionInfo
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Abstract
Description
Lagerschale für ein gas statisches Lager und VerfahrenBearing shell for a gas static bearing and process
zu seiner Herstellung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagerschale für ein gastatisches Lager und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei einem gasstatischen Lager wird eine poröse Lagerschale radial von außen nach innen von Gas durchströmt und hält so eine in der Lagerschale liegende Welle durch Gaspolster fest. Versetzt sich die Welle radial1 so- nimmt der Strömungswiderstand im verengten Spalt zu und bewirkt einen Anstieg des örtlichen statischen Druckes. Auf der gegenüberliegenden Seite sind infolge des größeren Lagerspaltes die Verhältnisse umgekehrt, d.h. hier stellt sich ein niedrigerer Druck ein, der aufgrund der Drosseleigenschaft der porösen Lagerschale aufrecht erhalten bleibt. Es entsteht somit rings um die Welle eine von der Spaltgröße abhängige asymmetrische Druckverteilung, die ihren maximalen Wert im geringsten und ihren minimalen Wert im größten Spalt erreicht. Die Differenz der beiden auf die projizierte Lagerfläche bezogenen Drücke bestimmt die Tragfähigkeit des Lagers.for its manufacture The present invention relates to a bearing shell for a gastatic warehouse and a process for its production. At a gas table Bearing, gas flows through a porous bearing shell radially from the outside to the inside and thus holds a shaft lying in the bearing shell by means of gas cushions. Relocated If the shaft moves radially1, the flow resistance in the narrowed gap increases and causes an increase in the local static pressure. On the opposite On the side, the situation is reversed due to the larger bearing gap, i.e. here a lower pressure occurs, which is due to the throttling property of the porous Bearing shell is maintained. There is thus one around the shaft asymmetrical pressure distribution dependent on the gap size, which is at its maximum Value reached in the smallest gap and its minimum value in the largest gap. The difference of the two pressures related to the projected storage area determines the load-bearing capacity of the camp.
Für solche Lager gibt es Untersuchungen und theoretische Grundlagen, sowie auch einige praktische Erfahrungen, so z.B. beschrieben in der DE-OS 21 10 261 und in der Dissertationsarbeit von J. Schmidt, Karlsruhe, 1972 zum Thema "Berechnungen und Untersuchungen aerostatischer Radiallager aus porösem Werkstoff" Obwohl solche Versuche mit elektrographitierten Kunstkohlenlagern teilweise erfolgreich verlaufen sind, hat sich gezeigt, daß einige negative Eigenschaften der Kunstkohle, wie z.B. Sprödigkeit und schlechtes tribologisches Verhalten in Heliumatmosphäre zur Verwendung von anderen Materialien zwingen. Dazu wird beispielsweise vorgeschlagen, ein austenitisches, poröses Sintermetall einzusetzen. Bei ersten Versuchen mit solchen Sintermetallagern hat sich aber ergeben, daß solche Lager nicht wie Kunstkohlelager eine schwingungsdämmende Wirkung haben, sondern ausgesprochene Schwingungsanfälligkeit zeigen. Die selbsterregten Schwingungen treten je nach Ladedruck, radialer Belastung und Gasdurchlässigkeit der Lager mit unterschiedlichen Stärken auf.There are studies and theoretical foundations for such bearings, as well as some practical experience, for example described in DE-OS 21 10 261 and in the dissertation by J. Schmidt, Karlsruhe, 1972 on the topic of "Calculations and investigations of aerostatic radial bearings made of porous material " Even though such attempts with electrographitized carbon bearings were partially successful have run, it has been shown that some negative properties of the charcoal, such as brittleness and poor tribological behavior in a helium atmosphere force the use of other materials. For this purpose, it is proposed, for example, to use an austenitic, porous sintered metal. At first attempts with such Sintered metal bearings, however, have shown that such bearings are not like charcoal bearings have a vibration-damping effect, but rather pronounced vibration susceptibility demonstrate. The self-excited vibrations occur depending on the boost pressure and radial load and gas permeability of the bearings with different strengths.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind daher Lagerschalen für ein gasstatisches Lager, welche die schlechten materiellen Eigenschaften der Kunstkohle nicht haben und gleichzeitig auch eine schwingungsdämmende Wirkung zeigen. Grundlage für die Lösung dieser Aufgabe war die Erkennung der Schwingungsursache und eine praktisch und analytisch gefundene Möglichkeit, Schwingungen zu unterbinden.The object of the present invention are therefore bearing shells for a gas static bearing, which eliminates the poor material properties of charcoal do not have and at the same time also show a vibration-damping effect. basis to solve this problem was the detection of the cause of the vibration and a practical and analytical found possibility to suppress vibrations.
Gemäß dem Hauptanspruch wird vorgeschlagen, eine Lagerschale aus einem porösen Material herzustellen, dessen Oberflächenschicht auf der Innenseite der Lagerschale stärker verdichtet ist als die übrige Lagerschale selbst, d.h. kleinere Poren aufweist. Die poröse Lagerschalenschicht wirkt normalerweise als Speicher für das Gas und die stärker verdichtete Oberflächenschicht dient dabei als Drossel. Bei den bekannten Lagern dient die ganze Lagerschale als Drossel und speichert gleichzeitig auch Gas. Dabei fließt Gas mit einem hohen Strömungswiderstand durch die poröse Lagerschale, wodurch sicft ein radiales Druckgefälle aufbaut. Da das Druckgefälle proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, sind bei aufliegender Welle, d.h. bei geringem Massenstrom die Poren der Lagerschale bis nahe der aufliegenden Welle mit vollem Speisedruck geladen. Es kommt so zu der Speicherung einer bestimmten Gasmenge in der Nähe des Lagerspaltes. Beim Abheben der Welle fließt dieses gespeicherte Gas aufgrund des geringen Strömungswiderstandes in den Lagerspalt und verzögert die Abnahme des statischen Druckes. Erst nach Entspannung der gespeicherten Reserve fließt Gas mit hohem Druckverlust durch die Lagerschale in den Lagerspalt. Der verspäteten Abnahme des statischen Druckes entsprechend wird die Welle mehr als nötig beschleunigt, so daß sich das Kräftegleichgewicht zwischen der radialen Belastung und der Beschleunigungskraft der Welle erst bei einem. entsprechend größeren Abstand der Welle zur Lagerschale einstellt. Da sich bei diesem Abstand aufgrund des hohen Strömungswiderstandes der Lagerschale nur ein geringer statischer Druck im Lagerspalt einstellen kann, nähert sich die radial belastete Welle mit einer zu stark beschleunigten Bewegung der Lagerschale. Dadurch verkleinert sich der Lagerspalt, der statische Druck steigt aber aufgrund des hohen Strömungswiderstandes des porösen Stoffes und des relativ großen Volumens der spaltnahen Poren zu langsam an, so daß die in Bewegung gesetzte Masse ihre restliche kinetische Energie an die Lagerwand abgibt. Die aus der elastischen Verformung des Lagers und des inzwischen aufgebauten statischen Druckes resultierenden Kräfte beschleunigen die Welle erneut in entgegengesetzter Richtung. Die sich periodisch wiederholende Entladung der kinetischen Energie der Welle in der Lagerwand führt letztlich zu der bekannten mit "air hammer" bezeichneten Schwingung.According to the main claim it is proposed a bearing shell from a produce porous material whose surface layer is on the inside of the Bearing shell is more compact than the rest of the bearing shell itself, i.e. smaller Has pores. The porous bearing shell layer normally acts as a memory serves as a throttle for the gas and the more densely compressed surface layer. In the known bearings, the entire bearing shell serves as a throttle and stores at the same time even Gas. Gas flows through the porous bearing shell with a high flow resistance, whereby a radial pressure gradient builds up. Because the pressure gradient is proportional the flow velocity are when the wave is resting, i.e. at low Mass flow through the pores of the bearing shell to near the shaft resting on it with full Feed pressure charged. It comes to the storage of a certain amount of gas in near the bearing gap. When the shaft lifts off, this stored gas flows due to the low flow resistance in the bearing gap and delays the Decrease in static pressure. Only after the stored reserve has been released gas flows with high pressure loss through the bearing shell into the bearing gap. The belated one As the static pressure decreases, the shaft is accelerated more than necessary, so that the balance of forces between the radial load and the acceleration force the wave only at one. correspondingly larger distance between the shaft and the bearing shell adjusts. Since at this distance due to the high flow resistance of the Bearing shell can only set a low static pressure in the bearing gap approaches the radially loaded shaft with an excessively accelerated movement of the bearing shell. This reduces the bearing gap, but the static pressure increases as a result the high flow resistance of the porous material and the relatively large volume of the pores close to the gap too slowly, so that the mass set in motion has its remainder releases kinetic energy to the bearing wall. The result of the elastic deformation of the Accelerate bearing and the static pressure that has built up in the meantime the wave again in the opposite direction. The periodically repeating one Kinetic discharge Energy of the shaft in the bearing wall leads ultimately to the well-known vibration known as "air hammer".
Durch Verdichten einer dünnen Oberflächenschicht wird nunmehr die bisher von der ganzen Lagerschale übernommene Drossel funktion nur noch von dieser dünnen Oberflächenschicht übernommen, und der eben beschriebene Vorgang kann nicht mehr stattfinden. Die Speicherkapazität der dünnen Oberflächenschicht ist sehr klein, und die im darunterliegenden Bereich der Lagerschale gespeicherte Gasmenge kann durch die Oberflächenschicht nicht mehr schnell in den Luftspalt eintreten.By compressing a thin surface layer, the The throttle function previously taken over by the entire bearing shell is only used by this one thin surface layer, and the process just described cannot take place more. The storage capacity of the thin surface layer is very small, and the amount of gas stored in the area below the bearing shell no longer enter the air gap quickly through the surface layer.
Im Anspruch2 wird vorgeschlagen, daß die Lagerschale aus einem austenitischen, porösen Sintermetall bestehen soll. Ein solches Sintermetall weist, insbesondere in Heliumatmosphäre, nicht die Nachteile von Kunstkohlelagern auf.In claim 2 it is proposed that the bearing shell be made of an austenitic, porous sintered metal should exist. Such a sintered metal has, in particular in a helium atmosphere, does not have the disadvantages of charcoal bearings.
Im Anspruch 3 wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Innenflächen der Lagerschale durch Rollieren zu verdichten. Mit diesem Vorgang kann eine dünne Oberflächenschicht stark verdichtet werden und gleichzeitig bleibt die Rundheit der Lagerschale sichergestellt.In claim 3 it is proposed in a further embodiment of the invention, to compact the inner surfaces of the bearing shell by roller burnishing. With this process a thin surface layer can be strongly compressed and at the same time remains the roundness of the bearing shell is ensured.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Innenflächen der Lagerschale durch Elektrokorrosion mit definierten Porenöffnungen versehen sind.In a further embodiment of the invention it is proposed that the Inner surfaces of the bearing shell due to electrical corrosion with defined pore openings are provided.
Es hat sich gezeigt, daß bei einem zu starken Verdichten der Innenflächen der Lagerschale eine zu große Drosselwirkung eintritt, welche die Tragfähigkeit des Lagers herabsetzt. Da je nach den Anforderungen ein Mittelweg zwischen Schwingungsdämpfung und Tragfähigkeit gefunden werden muß, bietet es sich an, die Innenflächen zunächst, beispielsweise durch Rollieren, zu verdichten und anschließend die Poren bis zu einer definierten gewünschten Größe wieder zu öffnen. Auf diese Weise lassen sich gezielt ganz bestimmte Eigenschaften der Lagerschale herstellen.It has been shown that if the inner surfaces are compressed too much too great a throttling effect occurs in the bearing shell, which affects the load-bearing capacity of the camp. Depending on the requirements, there is a middle ground between Vibration damping and load-bearing capacity must be found, it is advisable to do the To compress the inner surfaces first, for example by roller burnishing, and then to reopen the pores up to a defined desired size. To this Way, very specific properties of the bearing shell can be produced in a targeted manner.
In den Ansprüchen 5, 6, 7 und 8 werden entsprechende Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Lagerschale angegeben. Im Anspruch 5 wird vorgeschlagen,- die Innenseite der porösen Lagerschale zu verdichten und anschließend durch chemische Behandlung bis zu einer vorgebbaren Durchlässigkeit die Poren wieder zu erweitern. Die Verdichtung einer Oberflächenschicht hat zunächst zur Folge, daß die Poren in diesem Schichtbereich kleiner werden und bewirkt andererseits aber auch ein Zuschmieren der Öffnungen an der äußersten Oberfläche. Letzteres ist dabei unerwünscht, weil dadurch der Strömungswiderstand zu stark erhöht wird und eine präzise Einstellung der Porengröße nicht mehr möglich ist. Daher wird vorgeschlagen, im zweiten Schritt durch eine gezielte chemische Behandlung die zugeschmierten Poren wieder zu öffnen.In claims 5, 6, 7 and 8 are corresponding methods for Manufacture of a bearing shell according to the invention indicated. In claim 5 it is proposed - to compress the inside of the porous bearing shell and then by chemical Treatment to expand the pores again up to a predeterminable permeability. The compression of a surface layer initially has the consequence that the pores in this layer area become smaller and, on the other hand, also causes smearing the openings on the outermost surface. The latter is undesirable because as a result, the flow resistance is increased too much and a precise setting the pore size is no longer possible. Hence, it is suggested in the second step to reopen the clogged pores through targeted chemical treatment.
Im sechsten Anspruch wird vorgeschlagen, die Innenseite der porösen Lagerschale zunächst durch Rollieren zu verdichten. Rollieren ist dabei eine der besten Möglichkeiten ohne sonstige Veränderung des Lagers die Innenseite zu verdichten.In the sixth claim it is proposed that the inside of the porous First compress the bearing shell by roller burnishing. Rolling is one of the best possibilities to compact the inside without changing the bearing in any other way.
Im Anspruch 7 wird weiterhin vorgeschlagen, anschließend die Poren der verdichteten Schicht durch ein Elektrokorrosions-Verfahren wieder zu öffnen. Ein solches Ver- fahren hat den Vorteil, daß zunächst an Kanten und vorstehenden Graten eine Korrosion eintritt und daher gerade die gewünschte Wirkung erzielt werden kann, ohne daß die Lagerschale in sonstiger Weise stark angegriffen wird.In claim 7 it is also proposed, then the pores to open the compacted layer again by means of an electrocorrosion process. Such a driving has the advantage that first on edges and protruding burrs, corrosion occurs and therefore just the desired Effect can be achieved without the bearing shell being severely attacked in any other way will.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Lagerschale aus einem porösen, austenitischen Sintermetall hergestellt wird und das Elektrokorrosions-Verfahren in einem schwachen Elektrolyten, vorzugsweise fünfpronzentiger Oxalsäure, stattfindet.In a special embodiment of the invention it is proposed that the bearing shell is made from a porous, austenitic sintered metal and the electrocorrosion process in a weak electrolyte, preferably five percent oxalic acid takes place.
üblicherweise hängt die Wahl des Elektrolyten von dem Material der Lagerschale ab. Es soll erreicht werden, daß ohne Anlegen eines elektrischen Potentials noch keine Korrosion stattfindet, sondern erst nach Anlegen einer definierten Spannung für eine definierte Zeit der Korrosionsvorgang abläuft. Dies sind die nötigen Voraussetzungen für eine definierte Öffnung der Poren.Usually the choice of electrolyte depends on the material of the Bearing shell. The aim is to achieve that without applying an electrical potential no corrosion takes place yet, but only after a defined voltage has been applied the corrosion process takes place for a defined period of time. These are the necessary requirements for a defined opening of the pores.
In spezieller Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, das Elektrokorrosions-Verfahren unter Einstrahlung von Ultraschall stattfinden zu lassen und dem Elektrolyt Oktylalkohol beizumischen. Es hat sich gezeigt, daß sich in den zunächst bei der Elektrokorrosion entstehenden Poren ziemlich bald Sauerstoffbläschen ansammeln, welche eine weitere Öffnung der Poren verhindern.In a special embodiment of the method it is proposed that To allow electrocorrosion processes to take place with irradiation of ultrasound and add octyl alcohol to the electrolyte. It has been shown that in the pores initially created by electrocorrosion soon become oxygen bubbles accumulate, which prevent further opening of the pores.
Zur Verringerung der Oberflächenspannung der Bläschen dient die Oktylalkoholbeimischung, während durch Ultraschall die Ablösung der Bläschen aus den Poren gefördert wird.The addition of octyl alcohol serves to reduce the surface tension of the bubbles, while ultrasound promotes the detachment of the vesicles from the pores.
Zur Erläuterung wird die Erfindung in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt die Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes gasstatisches Lager, Fig. 2 schematisch eine Anordnung zum Rollieren der Innenseite der Lagerschalen und Fig. 3 eine Vorrichtung zur Elektrokorrosion der verdichteten Innenseite der Lagerschale.To explain the invention is shown in the drawing. It Fig. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through an inventive gas static warehouse, Fig. 2 schematically shows an arrangement for roller burnishing the inside of the bearing shells and FIG. 3 shows a device for electrical corrosion the compressed inside of the bearing shell.
In Fig. 1 ist eine Welle 1 in einer von einem Gehäuse 2 gehaltenen Lagerschale 3 eingesetzt. Über-einen Spalt 4, der durch eine Öffnung 5 mit unter Druck stehendem Gas beaufschlagt wird, dringt Gas durch die poröse Lagerschale 3 hindurch bis zur Welle und strömt an dieser entlang bis zu den Auslaßöffnungen 6. Der Weg ist durch Pfeile angedeutet. Auf der Innenseite nahe der Welle 1 weist die Lagerschale 3 eine verdichtete Schicht 7 auf.In FIG. 1, a shaft 1 is held in a housing 2 Bearing shell 3 used. Over-a gap 4, which through an opening 5 with under Pressurized gas is applied, gas penetrates through the porous bearing shell 3 through to the shaft and flows along it to the outlet openings 6. The way is indicated by arrows. On the inside near the shaft 1, the Bearing shell 3 has a compacted layer 7.
Von dem zwischen dieser Schicht und der Welle gebildeten dünnen Gaspolster wird die Welle gelagert.From the thin gas cushion formed between this layer and the shaft the shaft is stored.
In Fig. 2 ist die Lagerschale 3 mit einer teilweise fertiggestellten innenverdichteten Schicht 7 dargestellt, Durch eine Vorrichtung 10 zum Rollieren, wie sie bei einer üblichen Drehbank verwendet werden kann, wird die Innenfläche der Lagerschale bearbeitet.In Fig. 2, the bearing shell 3 is partially finished with a internally compacted layer 7 shown, by a device 10 for rolling, as it can be used on a conventional lathe, the inner surface becomes machined the bearing shell.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Elektrokorrosion der Innenseite der Lagerschale dargestellt. In einem Behälter 15 befindet sich ein Elektrolyt 14, in welchen die Lagerschale 3eingetaucht ist. Dabei dient die Lagerschale als Anode und ein von oben in die Mitte der Lagerschale eintauchender Stab 13 als Kathode.Eine Heizplatte 11 sorgt für die nötige Temperatur und ein Magnetrührer 12 bewegt den Elektrolyten. Die ganze Vorrichtung kann, falls nötig noch in ein nicht dargestelltes Ultraschallbad eingetaucht werden, wodurch die Bläschenbildung in den Poren der verdichteten Schicht 7 verhindert wird. Der Elektrolyt ist dabei so auf die Elektroaffinität des Werkstoffes der Lagerschale abgestimmt, daß ohne äußeren Eingriff in das elektrische Potentialgleichgewicht keine chemische Umwandlung stattfindet. Wird die Lagerschale als Anode und die zentral liegende Elektrode als Katode in einem Stromkreis als elektrolytische Zelle betrieben, setzt eine Korrosion ein. Dabei treten positiv geladene Metallionen im Elektrolyten über, deren größter Teil sich auf der Kathdde ablagert. Dabei werden zuerst Kanten und Grate abgetragen und die Abtragungsgeschwindigkeit ist bei einem gegebenen Wertstoff vom Elektrolyten und von der Stromdichte der Elektrolyse abhängig. Auf diese.Weise kann eine genau definierte Porengröße durch eine definierte Stromdichte über eine bestimmte Zeit eingestellt werden.In Fig. 3 is a device for electrocorrosion of the inside the bearing shell shown. In a container 15 there is an electrolyte 14, in which the bearing shell 3 is immersed. The bearing shell serves as an anode and a rod 13 dipping from above into the center of the bearing shell as a cathode Heating plate 11 ensures the necessary temperature and a magnetic stirrer 12 moves the Electrolytes. The whole device can, if necessary, be converted into a not shown The ultrasonic bath can be immersed, causing the formation of bubbles in the pores of the compacted layer 7 is prevented. The electrolyte is there so matched to the electro affinity of the material of the bearing shell that without external If there is interference in the electrical potential equilibrium, no chemical conversion takes place. If the bearing shell is used as the anode and the centrally located electrode as the cathode in When operated in a circuit as an electrolytic cell, corrosion sets in. In the process, positively charged metal ions pass over in the electrolyte, most of them deposited on the cathdde. First edges and burrs are removed and the rate of removal from the electrolyte is for a given valuable substance and depends on the current density of the electrolysis. In this way one can exactly defined pore size through a defined current density over a certain time can be set.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht nunmehr die Verwendung von gasstatischen Lagern auch in Fällen, in denen bisher andere Lager verwendet werden mußten, weil Schwingungen oder Materialprobleme nicht gelöst waren. Insbesondere bei hoher Temperatur und in Hliumatmosphäre können solche Lager günstig eingesetzt werden, beispielsweise bei Heißgasventilen und ähnlichen Armaturen. Auch eine Verwendung für Turbinen erscheint nunmehr möglich.The present invention now enables the use of gas tables Storage even in cases where previously other bearings had to be used because Vibrations or material problems were not resolved. Especially at high temperatures and in a helium atmosphere, such bearings can be used favorably, for example for hot gas valves and similar fittings. A use for turbines also appears now possible.
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Legal Events
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: INTERATOM GMBH, 5060 BERGISCH GLADBACH, DE |
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| D2 | Grant after examination | ||
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| 8331 | Complete revocation |