DE102011082681A1

DE102011082681A1 - Gleitlageranordnung sowie Verfahren zur Reduzierung der Reibung einer Gleitlageranordnung

Info

Publication number: DE102011082681A1
Application number: DE102011082681A
Authority: DE
Inventors: Martin Weber; Armin Gerner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Gleitlageranordnung (100, 200), insbesondere Radialgleitlager mit einem Lagerelement (110, 210), das zur Lagerung eines Bauteils (101, 201) vorgesehen ist, wobei eine Gleitlagerfläche (112, 212) und ein Ultraschall emittierender Aktor (130, 230) vorgesehen sind, und der Aktor geeignet ist, zur Reduzierung der Reibung an der Lagerfläche (112, 212) diese in Schwingung zu versetzen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung sowie ein Verfahren zur Reduzierung der Reibung einer Gleitlageranordnung.
Hintergrund der Erfindung
Gleitlageranordnungen werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt. Sie dienen insbesondere auch zum Lagern von schweren und großvolumigen Bauteilen. Über Radialgleitlager werden rotierbare Bauteil gelagert. Ein derartiges Radialgleitlager wird beispielsweise bei Solaranlagen, insbesondere bei Parabolrinnenkollektoren eingesetzt. Hierbei wird über das Radialgleitlager ein Antriebsrohr gelagert, das zum Tragen und zur Nachführung eines Kollektorelements des Parabolrinnenkollektors ausgebildet ist.
Parabolrinnenkollektoren verwenden fokussierende Reflektorflächen, um das einfallenden Sonnenlicht auf einen Absorber zu bündeln. Solche Reflektorflächen müssen der Sonne nachgeführt werden und verfügen daher über ein Nachführsystem.
Aktuelle Parabolrinnenkollektoren bestehen aus einer Mehrzahl aneinander gereihter Kollektorelemente. Diese stützen sich auf einer jeweiligen Stützstruktur, den sogenannten Pylonen ab. Die Gesamtlänge eines Parabolrinnenkollektors beträgt zum Teil mehrere hundert Meter, beispielsweise etwa 200 m. Zur Nachführung der Kollektorelemente ist vorzugsweise lediglich ein mittig angeordneter Antriebsmotor vorgesehen. Die Drehbewegung wird über das Antriebsrohr übertragen, das sich auf den Pylonen abstützt und dort gelagert ist. Das Antriebsrohr ist zusammengesetzt aus mehreren Rohrteilstücken, die über Flansche miteinander verbunden sind. Zwischen den Flanschen ist vorzugsweise ein Lagerring angeordnet, der an dem jeweiligen Pylon über das Radialgleitlager gelagert ist.
Diese Lagerringe leiten die Kräfte über Lagerflächen, die sogenannten Gleitsegmente an eine Umgebungskonstruktion ab. Die Gleitsegmente erzeugen aber eine hohe Anfahrreibung, so dass das Antriebsrohr sich mit steigendem Abstand zum Antrieb zunehmend verdreht. Damit ist eine exakte Nachführung erschwert, die Sonnenstrahlen treffen unter Umständen nicht mehr das Absorberrohr und der Wirkungsgrad der Anlage sinkt beträchtlich.
Zur Reduzierung der Reibungsprobleme können Stützrollen verwendet werden, die ebenfalls an Lagerflächen gleitgelagert sind. Das Antriebsrohr mit dem Lagerring rollt auf der Stützrolle ab und treibt diese dabei an. Durch die Getriebestufe des Innendurchmessers der Stützrolle zum Außendurchmesser der Stützrolle reduziert sich das notwendige Antriebsmoment für die Stützrolle im Vergleich zur Verwendung der Gleitsegmente. Auch bei dieser Ausführung besteht das Problem, wenn auch in vermindertem Umfang, dass das Antriebsrohr sich mit steigendem Abstand zum Antrieb zunehmend verdreht und so eine exakte Nachführung erschwert ist.
Zusätzlich muss bei allen bekannten Gleitwerkstoffen eine Einlaufphase überwunden werden, bis sich ein niedriger, lange Zeit konstanter Reibwert einstellt. Unter Einlaufphase wird hierbei eine Phase nach der Inbetriebnahme verstanden, die sich über eine Vielzahl von Gleitbewegungen, also über die ersten Betriebsstunden erstreckt. So sind anfänglich Reibwerte von 0,2 zu beobachten, die auf unter 0,05 absinken können. Die oben geschilderten Probleme treten daher verstärkt während der Einlaufphase auf. Aufgrund des während der Einlaufphase höheren Reibwertes muss der Antrieb der Parabolrinnenkollektoren entsprechend ausgelegt werden, was jedoch dazu führt, dass der Antrieb nach Abschluss der Einlaufphase überdimensioniert ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Reibungsreduzierung an den Lagerstellen der gleitgelagerten Teile insbesondere während einer Einlaufphase der Lager oder bei ungünstigen Umgebungsbedingungen zu ermöglichen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die im Hinblick auf die Gleitlageranordnung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen lassen sich sinngemäß auch auf die Anlage und das Verfahren übertragen.
Die Erfindung gibt daher eine Gleitlageranordnung, insbesondere ein Radialgleitlager mit einem Lagerelement an, das zur Lagerung eines Bauteils vorgesehen ist, wobei eine Gleitlagerfläche und ein Ultraschall emittierender Aktor vorgesehen sind, und der Aktor geeignet ist, zur Reduzierung der Reibung an der Lagerfläche diese in Schwingung zu versetzen.
Diese Ausgestaltung nutzt die vom Aktor erzeugten Vibrationen dahingehend aus, um die Lagerflächen der Lagerungspartner des Gleitlagers relativ zueinander in Mikrobewegungen zu versetzen, um dadurch die Reibung durch Verminderung der Haft- oder Anfahrreibung zu reduzieren.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Reibung sich etwa um mehr als den Faktor 2, insbesondere etwa um den Faktor 4 reduziert hat im Vergleich zu einer Ausgestaltung ohne den Aktor. Entsprechend ist die benötigte Antriebskraft auch um den gleichen Faktor reduziert.
Durch die Reibungsreduzierung der Lagerstelle des Lagerelements ist daher zum Antrieb des Bauteils, beispielsweise eines Antriebsrohrs eines Parabolrinnenkollektors, eine verringerte Antriebskraft ausreichend. Der Antriebsmotor zum Antrieb des Parabolrinnenkollektors als auch ein mit dem Antriebsmotor verbundener Umrichter können so kleiner und damit kostengünstiger dimensioniert werden. Durch das kleiner Dimensionieren des Antriebs und der damit verbundenen Antriebselektronik ergibt sich in der Folge ebenfalls ein geringerer Stromverbrauch.
Vorzugsweise wir dabei der Aktor nur während der Einlaufphase eingesetzt, bis also die niedrigeren Reibungswerte nach der Einlaufphase erreicht sind. Grundsätzlich kann der Aktor auch nach der Einlaufphase weiterhin eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleitlageranordnung einen Bolzen zur axialen Lagerung des Lagerelements aufweist. Bevorzugt ist das Lagerelement entlang des Bolzens in Axialrichtung bewegbar. Während des Betriebs des Parabolrinnenkollektors können sich die Rohrsegmente des Antriebsrohrs, auf denen die jeweiligen Kollektorelemente angeordnet sind, durch thermische Einwirkung in Axialrichtung ausdehnen. Das Lagerelement ist daher zur Kompensation der Ausdehnung des Antriebsrohrs entlang des Bolzens bewegbar, so dass sich das Lagerelement bei der Ausdehnung des Antriebsrohrs in Axialrichtung bei gleichzeitiger Aufnahme der Drehbewegung des Antriebsrohres mit diesem mit bewegt. Aufgrund der großen Länge des Parabolrinnenkollektors ist eine Längenkompensation von bis zu einigen 10 cm erforderlich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ultraschall emittierende Aktor am Bolzen angebracht oder mittels einer in den Bolzen eingebrachten Bohrung in dem Bolzen angeordnet ist. Die Montage des Ultraschall emittierenden Aktors am Bolzen ist somit einfach und es ist kein bzw. ein nur geringer Umbau eines vorhandenen Solarkraftwerks erforderlich. Bestehende Anlagen lassen sich daher in einfacher Weise nachrüsten.
In vorteilhafter Weise ist daher vorgesehen, dass der Bolzen mittelbar mit der Gleitlagerfläche verbunden ist, so dass die vom Ultraschall emittierenden Aktor ausgehenden Schwingungen mittelbar über den Bolzen auf die Gleitlagerfläche übertragen werden. Diese Schwingungen reduzieren die Reibung an der Lagerstelle des Lagerelements, so dass eine Verdrillung des mit dem gelagerten Teil verbundenen Antriebsrohrs zum Tragen und zur Nachführung der Kollektorelemente nicht oder nur gering erfolgt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lagerfläche Teil des Lagerelements und zur unmittelbaren Lagerung des drehbaren Bauteils ausgebildet.
In einer alternativen bevorzugten Ausbildung ist das Lagerelement durch eine Stützrolle gebildet, an der sich das drehbare Bauteil abrollt. Durch die Getriebestufe des Innendurchmessers der Stützrolle zum Außendurchmesser der Stützwelle kann das notwendige Antriebsmoment für die Stützrolle im Vergleich zur Verwendung der Gleitsegmente reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stützrolle auf einer Gleitlagerhülse gelagert ist, die die Gleitlagerfläche aufweist und gleichzeitig sowohl die axiale als auch die Drehbewegung des Antriebsrohres aufnehmen kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen, teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
1 eine Parabolrinnenkollektoranordnung gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
2 einen Mittel-Pylon der Parabolrinnenkollektoranordnung mit einem Lagerelement und einem gemäß dem Stand der Technik,
3 ein Lagerelement gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,
4 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gleitlageranordnung,
5 eine Darstellung ähnlich 4 eines zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleitlageranordnung und
6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleitlageranordnung in einer perspektivischen Ansicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Eine Parabolrinnenkollektoranordnung 10 gemäß 1 weist einen Parabolrinnenkollektor auf, welcher auf einer Mehrzahl von Pylonen angeordnet ist. Ein Antriebs-Pylon 11 weist einen Antrieb zum Bewegen des Parabolrinnenkollektors auf. Der Antriebs-Pylon 11 und Mittel-Pylonen 12 weisen eine Konstruktion zum Tragen des Parabolrinnenkollektors auf. Der Parabolrinnenkollektor besteht aus einer Mehrzahl von Kollektorelementen 13. Der Parabolrinnenkollektor verwendet fokussierende Reflektorflächen, um einfallendes Sonnenlicht auf ein Absorberrohr 14 zu bündeln und somit eine darin angeordnete Substanz zu erwärmen. Die Kollektorelemente 13 sind über ein sich in Längsrichtung der Parabolrinnenkollektroanordnung 10 erstreckendes Antriebsrohr auf den Pylonen 11, 12 gelagert. Das Antriebsrohr wird zur Nachführung der Kollektorelemente nach der Sonne über den Antrieb in eine Drehbewegung um seine Längsachse versetzt. Das Antriebsrohr ist in mehrere Rohrteilstücke unterteilt, die über Flansche miteinander verbunden sind.
Zwischen den Flanschen ist ein Lagerring 101, 201 vorgesehen, der in 2 zusammen mit einem Mittel-Pylon 12 (ohne Rohrteilstücke) dargestellt ist. Der Lagerring 101, 102 steht radial über die Flansche über und ist in einer Gleitlageranordnung 100, 200 gelagert. Der Lagerring 101, 102 bildet insoweit zusammen mit dem gesamten Antriebsrohr bzw. den Kollektorelementen ein zu lagerndes Bauteil. Im Ausführungsbeispiel umfasst die Gleitlageranordnung 100, 200 zwei V-förmig angeordnete Tragarme, die jeweils endseitig ein Lagerelement 110, 210 tragen.
3 zeigt eine erste Variante eines Lagerelements 110 der Gleitlageranordnung 100 in einer perspektivischen Ansicht. Das Lagerelement 110 ist nach Art eines massiven Lagerblocks ausgebildet, der am oberen Ende des jeweiligen Pylons 12 angeordnet ist. Das Lagerelement 110 umfasst zwei zueinander etwa V-förmig geneigte Lagerbacken auf, die jeweils eine Gleitlagerfläche 112 zur Lagerung des Gleitpartners, nämlich zur Lagerung des Lagerrings 101 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel ist über zwei nach oben überstehende Stege eine Axialführung 113 zur Führung Lagerrings 101 vorgesehen. Das Lagerelement 110 umfasst weiterhin eine zylindrische Durchführung, über die das Lagerelement 110 axial auf einem Bolzen 120 (4) gleitgelagert ist. Die innere Mantelfläche der Durchführung bildet insoweit eine innere Gleitlagerfläche 114 aus.
4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele einer ersten Variante der Gleitlageranordnung 100 basierend auf dem Lagerelement 110 gemäß 3.
Der Lagerring 101 ist am Lagerelement 110 auf den in diesen Figuren nicht zu erkennenden Gleitlagerflächen 112 gelagert. Der Lagerring 101 ist zwischen zwei Flansche 102 über Befestigungselemente 103 (Schrauben) angeordnet. Über die Flansche 102 sind zwei Antriebsrohrsegmente der Parabolrinnenkollektoranordnung 10 miteinander verbunden.
Die Gleitlageranordnung 100 weist überdies einen Bolzen 120 zur axialen Führung des Lagerelements 110 auf, wobei der Bolzen 120 linkerhand und rechterhand des Lagerelements 110 an einem Träger 104 befestigt ist. Die beiden gegenüberliegenden Träger 104 bilden jeweils einen der beiden V-förmigen Tragarme, wie sie in 2 dargestellt sind.
Des Weiteren weist die Gleitlageranordnung 100 einen Ultraschall emittierenden Aktor 130 auf, welcher geeignet ist, zur Reibungsreduzierung zwischen den Gleitlagerpartnern, hier zwischen dem Lagerring 101 und der Gleitlagerfläche 112 des Lagerelements 110, das Lagerelement 110, insbesondere die Gleitlagerfläche 112 in Schwingung zu versetzen. Der Ultraschall emittierende Aktor 130 ist über den Bolzen 120 mittelbar mit der Lagerfläche 112 zur Übertragung des Körperschalls (Vibrationen) gekoppelt. Der Ultraschall emittierende Aktor 130 weist des Weiteren eine Leistungsversorgung 131 auf. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist der Ultraschall emittierende Aktor 130 an einer Oberseite des Bolzens 120 in einem Bereich außerhalb des Trägers 104 angebracht.
Im Gegensatz zu dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ultraschall emittierende Aktor 130 mittels einer in den Bolzen 120 eingebrachten Bohrung in dem Bolzen 120 angeordnet.
6 zeigt eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Gleitlageranordnung 200. Im Unterschied zu der ersten Variante ist das in 2 dargestellte Lagerelement 110 durch eine gleitgelagerte Stützrolle 210 ersetzt. Die Stützrolle 210 ist wiederum auf dem Bolzen 220 zur axialen Führung gelagert.
Der Lagerring 210 weist eine Mantelfläche 215 auf, auf der der Lagerring 201 bei einer Drehbewegung (Nachführung) abrollt.
Wie mit Bezug auf 4 beschrieben weist die Vorrichtung 200 den Ultraschall emittierenden Aktor 230 auf, um zur Reibungsreduzierung des Lagerelements 210 eine Gleitlagerfläche 212 des Radialgleitlagers in Schwingung zu versetzen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Stützrolle 210 am Bolzen 220 gleitgelagert. Das Lagerflächenpaar ist daher gebildet durch eine innere Mantelfläche der Stützrolle und der hierzu korrespondierenden Gleitlagerfläche 112, die in Vibrationen versetzt wird. Bei einer direkten Lagerung der Stützrolle 210 auf dem Bolzen 220 ist dies die Außenmantelfläche des Bolzens 220. Zusätzlich zum Radialgleitlager bildet der Bolzen 220 und die innere Mantelfläche der Stützrolle 210 ein Axialgleitlager zur Längsverschiebung sowie ein Radialgleitlager zur Aufnahme der Drehbewegung des Antriebsrohres auf dem Bolzen aus.
Gemäß einer bevorzugten, nicht näher dargestellten Ausführungsvariante ist die Stützrolle 210 mittels einer Lagerhülse auf dem Bolzen 220 gelagert. Die Gleitbewegung sowohl für die Rotation, als auch für die axiale Bewegung findet hierbei zwischen dem Innendurchmesser der Lagerhülse und dem Außendurchmesser des Bolzens statt. Die auch als Gleitbuchse bezeichnete Lagerhülse wird fest, beispielsweise mittels einer Presspassung an die Stützrolle 210 befestigt. Bei dieser Ausführungsvariante wird die Lagerhülse mittelbar über den Bolzen 220 in Vibrationen versetzt, die zueinander korrespondierenden Gleitlagerflächen sind daher die Außenmantelfläche des Bolzens 220 und die Innenmantelfläche der Lagerhülse. Die Lagerhülse kann für die Längenkompensation in Axialrichtung auf dem Bolzen 220 gleiten. Alternativ kann für die axiale Bewegung der Stützrolle 210 eine Lagerhülse und für die Drehbewegung des Antriebsmotors ein Wälzlager vorgesehen sein.
Der Ultraschall emittierende Aktor 230 ist hierbei an einer Oberseite des Bolzens 220 in einem Bereich außerhalb des Trägers 204 angebracht. Der Ultraschall emittierende Aktor 230 weist wiederum eine Leistungsversorgung 231 auf.
Der Ultraschall emittierende Aktor 230 kann alternativ, wie mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 5 beschrieben, mittels einer in den Bolzen 220 eingebrachten Bohrung in dem Bolzen 220 angeordnet sein.
Die hier beschriebene Gleitlageranordnung 100, 200 ist auf das gesamte Anwendungsspektrum von Gleitlagern, insbesondere bei Großlagern, wie beispielsweise bei Lagern für Brücken, Staudämme oder Schleusen applizierbar. Unter Großlager werden hierbei Lager verstanden, die für eine radiale Lagerlast Fr von mehreren hundert, insbesondere mehrere tausend Kilonewton ausgebildet sind.
Insbesondere wird die Gleitlageranordnung 100, 200 bei einer zu 1 beschriebenen Parabolrinnenkollektoranordnung 10 eingesetzt.
Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Parabolrinnenkollektoranordnung
11: Antriebs-Pylon
12: Mittel-Pylon
13: Kollektorelement
14: Absorberrohr
100, 200: Gleitlageranordnung
101, 201: Bauteil
102: Flansch
103: Befestigungsmittel
104, 204: Träger
108, 202: Vorrichtung zum Lagern eines Bauteils
110, 210: Lagerelement
112, 212: Gleitlagerfläche
113, 213: Axialführung
114: innere Gleitlagerfläche
120, 220: Bolzen
130, 230: Ultraschall emittierender Aktor
131, 231: Leistungsversorgung
215: Mantelfläche

Claims

Gleitlageranordnung (100, 200), insbesondere Radialgleitlager mit einem Lagerelement (110, 210), das zur Lagerung eines Bauteils (101, 201) vorgesehen ist, wobei eine Gleitlagerfläche (112, 212) und ein Ultraschall emittierender Aktor (130, 230) vorgesehen sind, und der Aktor geeignet ist, zur Reduzierung der Reibung an der Lagerfläche (112, 212) diese in Schwingung zu versetzen.
Gleitlageranordnung (100, 200) nach Anspruch 1, mit einem Bolzen (120, 220) zur axialen Lagerung des Lagerelements (110, 210).
Gleitlageranordnung (100, 200) nach Anspruch 2, wobei das Lagerelement (110, 210) entlang des Bolzens (120, 220) in Axialrichtung bewegbar ist.
Gleitlageranordnung (100, 200) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Ultraschall emittierende Aktor (130, 230) am Bolzen (120, 220) angebracht ist oder mittels einer in den Bolzen (120, 220) eingebrachten Bohrung in dem Bolzen (120, 220) angeordnet ist.
Gleitlageranordnung (100, 200) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Bolzen (120, 220) mittelbar mit der Gleitlagerfläche (112, 212) verbunden ist, so dass die vom Ultraschall emittierenden Aktor (130, 230) ausgehenden Schwingungen mittelbar über den Bolzen (120, 220) auf die Gleitlagerfläche (112, 212) übertragen werden.
Gleitlageranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerfläche (112) Teil des Lagerelements (110) und zur unmittelbaren Lagerung des drehbaren Bauteils (101) ausgebildet ist.
Gleitlageranordnung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lagerelement (210) eine Stützrolle (210) ist, an der sich das drehbare Bauteil abrollt.
Gleitlageranordnung (200) nach Anspruch 7, bei der die Stützrolle (210) auf einer Gleitlagerhülse gelagert ist, die die Gleitlagerfläche (212) aufweist.
Anlage, insbesondere eine Parabolrinnenkollektoranordnung (10) mit einer Gleitlageranordnung (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Reduzierung der Reibung während einer Einlaufphase nach einer Inbetriebnahme der Anlage.
Verfahren zur Reduzierung der Reibung einer Gleitlageranordnung (100, 200), insbesondere eines Radialgleitlagers, mit einem Lagerelement (110, 210), bei dem mit Hilfe eines Aktors (130, 230) Ultraschallwellen erzeugt werden, über die eine Gleitlagerfläche 112, 212) des Lagerelements (110, 210) zur Reduzierung der Reibung an der Lagerstelle des Lagerelements (110, 210) in Schwingung versetzt wird.