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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sicherungssystem bzw. Auffanglager für Wellen mit einem Auffangring, welcher in einem Störungsfall in der Lage ist, eine Welle bei einem Lagerdefekt aufzufangen um weitere Schäden an Lager und Welle möglichst zu begrenzen.
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Derartige Sicherungssysteme kommen insbesondere bei Lagern zum Einsatz, welche durch eine Störung komplett ausfallen können, wie beispielsweise Magnetlager, bei denen der Stromfluss in einem Teil oder allen Spulen ausfällt, oder beispielsweise bei Luftlagern, bei denen durch eine Stromunterbrechung der zur Lagerung notwendige Luftstrom ausfällt. Aber auch andere Lagerungen können über ein solches Sicherungssystem verfügen, um die Welle dann abzufangen, wenn sie zu einer beliebigen Seite, beispielsweise in Richtung der Schwerkraft aus dem Lager „fällt”.
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Ein derartiges Sicherungssystem ist z. B. in
DE 10 2006 017 933 A1 offenbart, welches ein Fanglager mit einem an einen Stator montierten Außenring aufweist, in dem ein drehbarer Ring gleitend geführt ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Auffangringe bekannt, welche in einem Abstand von 1 bis 2 mm von der Welle angeordnet sind. Im Störungsfall sollen diese die Welle auffangen. Gehalten werden derartige Ringe gemäß dem Stand der Technik von Lager-Pads, welche ihrerseits auf Federn sitzen und dazu ausgebildet sind, den Ring federnd gelagert rotationssymmetrisch in Bezug auf die Wellenachse zu halten und zu lagern.
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Bei Auffangringen gemäß dem Stand der Technik fällt die Welle im Störungsfall zwar innerhalb eines Bruchteils einer Sekund in den Ring, die Welle hat sich jedoch in dieser Zeit schon mehrere Male um die eigene Achse gedreht. Gemäß dem Stand der Technik ist vorgesehen, dass sich der Ring durch die aufgrund der Relativgeschwindigkeit entstehende Reibung auf etwa die Drehzahl der Welle beschleunigt. Da jedoch die Relativgeschwindigkeit zwischen Ring und Welle sehr hoch sein kann, wird bei der ersten Berührung der Welle mit dem Ring, welche auf einer fast punktförmigen Fläche stattfindet, die mechanische und thermische Belastung sehr stark, es kommt zu starken Schwingungen der Welle und es kann zu einem starken Erhitzen des Ringes kommen. Eine Beschädigung der Welle und eine weitere Beschädigung des Lagers kann dabei nicht ausgeschlossen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Sicherungssystem für eine Welle bereit zu stellen, welche in der Lage ist, die durch die drehende Welle auftretenden Kräfte sicher aufzufangen und eine weitere Schädigung der Welle und des Lagers im Störungsfall zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Sicherungssystem für Wellen gemäß Anspruch 1 gelöst, welches einen Auffang-Ring nach Anspruch 6 umfasst.
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Die Welle ist bevorzugt im Bereich des Rings und bevorzugt ca. 1 mm nach jeder Seite überstehend mit Messing beschichtet (aufgerieben). Die Messingbeschichtung sichert die erste Notlaufeigenschaft (Messingnotlauflager). Anstelle von Messing können aber auch andere selbständig schmierenden Beschichtungen, wie beispielsweise Molybdänsulfid zum Einsatz kommen.
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Die Ringoberfläche ist erfindungsgemäß auf der Innenseite beschichtet und vorzugsweise aus mehreren übereinander angeordneten Schichten aufgebaut:
Erfindungsgemäß ist der Ring auf seiner Innenseite mit einer verschleißarmen Schicht versehen, welche mittels Laser strukturiert ist. Dem Fachmann ist hierbei bekannt, wie eine Strukturierung beschaffen ist, welche mittels Laser erzeugt wurde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Ring aus mehreren Schichten aufgebaut. Bevorzugt ist der Ring aus zwei oder drei Schichten aufgebaut. Wenn er aus zwei Schichten aufgebaut ist, ist die erste Schicht des Rings durch das Grundmaterial des Rings gebildet, indem mittels Laserimpulsen im Bereich von 7 bis 15 μm, bevorzugt 10 μm das Grundmaterial aufgeschmolzen und geglättet ist. Darauf ist dann die verschleißarme Schicht aufgebracht.
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Bei der Ausführungsform, bei der der Ring aus drei Schichten gebildet ist, ist die erste Schicht des Rings wiederum durch das Grundmaterial des Rings gebildet, indem mittels Laserimpulsen im Bereich von 7 bis 15 μm, bevorzugt 10 μm das Grundmaterial aufgeschmolzen und geglättet ist. Die zweite Schicht ist aus der geglätteten Oberfläche der ersten Schicht gebildet indem diese zusätzlich in einem Bereich von 3 bis 5 μm mittels Laserimpulsen mikrogehärtet ist. Auf der gehärteten Schicht ist eine fest haftende verschleißarme dritte Schicht aufgebracht, die eine Schichtdicke von 1 bis 2 μm, bevorzugt 1,5 μm aufweist.
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Vorzugsweise ist die dritte, strukturierte Schicht aus Diamant, Titan, Tantal oder Wolframcarbid oder ähnlichen Hartstoffen, wie Titannitrid oder Siliziumcarbid, Glasstahl (bevorzugt aus dem Grundmaterial erzeugt) aufgebaut. Die dritte Schicht kann auch erzeugt sein, indem in einem Grenzbereich der darunter liegenden vorzugsweise mikrogehärteten Schicht Titan-, Tantal-, Wolframcarbid Partikel oder Titannitrid eingebracht ist.
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Diese Oberflächen-Schicht ist mittels Laserimpulsen strukturiert, vorzugsweise mit einer Periode von zwischen 500 und 700 nm und besonders bevorzugt von in etwa 600 nm und einer Tiefe von vorzugsweise 200 bis 500 nm. Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass diese Strukturierung die Reibung erheblich mindert.
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Als Struktur sind gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen eine Ripple-Struktur, eine Ripple Struktur, eine Doppelripple Struktur oder eine unterbrochene Doppelripple Struktur vorgesehen. Vorzugsweise ist die Doppelripple Struktur v-förmig ausgebildet. Aber auch eine unterbrochene Doppelripple Struktur oder eine einfache Ripple Struktur kann gemäß weiterer Ausführungsformen v-förmig ausgestaltet sein.
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Zischen dem Ring und der Welle ist erfindungsgemäß ein Gel aufgebracht. Durch die Strukturierung des Rings wird das Gel zwischen Ring und Welle gehalten und wirkt sich dadurch stabilisierend aus. Vorzugsweise ist das Gel auf dem Ring mit einer Schichtdicke von bevorzugt 0,2 bis 0,5 mm aufgetragen. Das Gel wird vorzugsweise aus Silikatgel gebildet und beinhaltet gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen 5 bis 10 Volumenprozent Graphit vorzugsweise zusätzlich 5 bis 10 Volumenprozent Molybdänsulfid und vorzugsweise zusätzlich 5 bis 10 Volumenprozent Glyzerin. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Graphit in dem Gel vorhanden ist. Graphit hat insbesondere ganz am Anfang der Beschleunigung des Rings aus der Haftreibung heraus sehr gute Schmier-Eigenschaften. Molybdänsulfid erreicht seine besten Schmiereigenschaften bei höheren Drehzahlen. Die Verwendung von Glyzerin hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um die anderen Schmiermittel auch bei längerem Gebrauch gleitfähig zu halten.
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Die Kombination aus Beschichtung der Welle, des Rings sowie die Verwendung des Gels führen im Anwendungsfall dazu, dass die Welle bei dem Fall in den Ring zunächst die Gelschicht erreicht und nicht wie aus dem Stand der Technik direkt auf den Ring fällt. Dabei wird durch das Drehen der Welle der gesamte Umfang der Welle im Bereich des Rings mit dem Gel bedeckt. Der Kontakt des Rings mit der Welle ist nicht mehr weitestgehend punktförmig. Die Flächenpressung ist dadurch wesentlich verringert, die Beschleunigung des Ringes setzt durch die verminderte Reibung nicht mehr schlagartig ein, wodurch wiederum die mechanische und thermische Energiefreisetzung im Ring wesentlich verringert ist.
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Dadurch bleiben die Wellenschwingungen in einem beherrschbaren Bereich. Die Welle und der Ring werden auch bei einem mehrfachen Kontakt nicht beschädigt.
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Bei den Ausführungsformen, bei denen die dritte Schicht eine Ripple-, Doppelripple- oder unterbrochene Doppelripple-Struktur aufweist, bildet sich im Verlauf der Drehzahlverringerung der Welle eine selbststabilisierende, schmierende Schicht heraus. Selbst bei einer im Wesentlichen punktförmigen Beschädigung der strukturierten Oberfläche bildet sich im Verlauf der weiteren Drehungen wieder eine selbstschmierende Schicht durch die vorgesehenen Materialien und Strukturen. Der Ring und die Welle können deshalb auch nach Beseitigung des Störfalles weiter verwendet werden.
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Vorzugsweise weist der Ring auf seiner Außenseite ebenfalls eine mittels Laser strukturierte Oberfläche auf. Dabei sind gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Oberflächen/Schichten/Gele für die Außenseite des Rings vorgesehen, wie diese vorangehend für die Innenseite es Rings beschrieben wurden. Dabei kann die Außenseite durchaus eine andere Oberflächenstruktur, Beschichtung oder ein anderes Gel aufweisen als die Innenseite des Rings.
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Vorzugsweise weist die äußere Oberfläche eine v-förmige Strukturierung auf, welche zu einer v-förmigen auf der Oberfläche der Pads aufgebrachten Strukturierung korrespondiert, jedoch in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist die v-förmige Struktur des Rings so ausgerichtet, dass sich der Ring in Richtung der beiden offenen Schenkel des „v” dreht.
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Gemäß eines selbständigen erfinderischen Aspektes der Erfindung ist der Ring in wenigstens einem weiteren Ring gelagert, welcher sich durch einen Drehen des durch die Welle in Bewegung gesetzten inneren Rings ebenfalls zu drehen beginnt, wobei bevorzugt zwischen dem inneren und dem äußeren Ring ebenfalls eine hydrodynamische Lagerung vorgesehen ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
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Dabei sollen die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ist eine perspektivische nicht maßstabsgerechte Darstellung des erfindungsgemäßen Sicherungssystems,
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2 eine schematische perspektivische Darstellung des Schichtaufbaus des erfindungsgemäßen Rings mit laserstrukturierter dritter Schicht,
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3 Draufsicht auf die mit einer Ripple Struktur versehene Oberfläche des Rings,
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4 eine Darstellung einer Doppelripple Struktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine Ausschnittdarstellung einer unterbrochenen Doppelripple Struktur.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sicherungssystems 1 mit einer Welle 2, welche von einem Magnetlager 4 gelagert ist. Sollte das Magnetlager 4 ausfallen, verhindert der Lagerring 10, dass die Welle 2 beispielsweise in Richtung der Schwerkraft aus dem Magnetlager 4 fällt. Der Auffangring 10 wird dabei von mehreren Lagerpads 3 federnd gelagert. Sollte die Welle 2 in den Lagerring 10 fallen, so wird die zu erwartende punktförmige Belastung durch das auf der Oberfläche des Rings 10 aufgetragene Gel über den gesamten Ring 10 abgeführt. Der Ring 10 fängt dabei an, sich zu drehen und die Lagerpads 3 reiben auf der Außenseite des Lagerrings 10. Die Außenseite, sowie die Innenseite des Rings 10 sind mit einer v-förmigen Ripplestruktur versehen, wobei die geöffneten Schenkel der v-förmigen Struktur auf der Innenseite des Rings 10 entgegen der Drehrichtung der Welle 2 ausgerichtet sind und auf der Außenseite des Rings 10 in Richtung der Drehrichtung der Welle 2 ausgerichtet sind.
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Auf der Innenseite der Lagerpads 3 ist ebenfalls eine v-förmige Ripplestruktur aufgebracht, wobei die Schenkel entgegen der Schenkel auf der Außenseite des Rings 10 ausgerichtet sind. Durch eine derartige Ausrichtung der Strukturierung wird das Gel selbst stabilisierend zwischen sowohl Welle 2 und Ring 10, als auch zwischen Ring 10 und Lagerpads 3 gehalten.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Rings 10 gemäß einer ersten Ausführungsform, bei dem die Oberflächen-Schicht 13 mit einer Ripple Struktur 14 versehen ist. Insgesamt weist der Ring 10 drei Verschiedene Schichten 11, 12, 13 auf, wobei die ersten beiden Schichten 11, 12 aus dem Grundmaterial des Rings 1, in diesem Fall Duplex Stahl hergestellt sind. Die erste Schicht 11 hat in diesem Fall eine Dicke von 10 μm und ist durch Aufschmelzen des Grundmaterials mit einem Laser und anschließendem Glätten entstanden.
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Die zweite Schicht 12 besteht wiederum aus dem Grundmaterial des Rings 10 und ist durch eine Mikrohärtung der geglätteten ersten Schicht 11 mittels Laserimpulsen in einer Tiefe von 3 bis 5 μm hervorgegangen.
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Die dritte Schicht 13 besteht aus Titannitrid, hat eine Schichtdicke von 1,5 μm und ist mittels eines Laserstrahls so bearbeitet, dass die Oberfläche der dritten Schicht 13 eine Ripple Struktur 14 mit einem Spur-Abstand S von 450 nm aufweist.
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Aus der Draufsicht gemäß 3 wird deutlich, dass die Ripple Struktur 14 parallel zur Achse des Rings ausgerichtet ist, sodass die Relativbewegung des Rings gegenüber der Bewegungsrichtung B der Welle im Wesentlichen orthogonal gegenüber der Ripple Struktur 14 verläuft.
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4 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rings 10, bei dem die dritte Schicht 13 eine Doppelripple Struktur aufweist. Dabei sind die Spuren jeweils 45° gegenüber der axialen Richtung des Rings 10 ausgerichtet Die Spurbreite S gemäß 4a beträgt hierbei ebenfalls 450 nm. Der Kantenwinkel β der Doppelripple-Struktur gemäß 4b beträgt in etwa 30°.
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5 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Rings 10 in einer Ausführungsform, bei dem die dritte Schicht 13 mit einer unterbrochenen Doppelripple-Struktur versehen ist. Bei dieser Struktur verlaufen die Berge B und Täler T der Ripple Struktur v-förmig im Winkel α von 90° aufeinander zu, und treffen sich. Die jeweiligen Spuren sind dabei in einem Winkel von etwa 45° gegenüber der axialen Richtung des Rings 10 ausgerichtet.
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Zwischen jeweils zwei Ripple Strukturen (eine Ripple Struktur besteht aus einem Berg B und zwei Tälern T) ist ein Abstand von 1,5 cm eingehalten. Diese unterbrochene Doppelripple-Struktur führt zu einem Aufschwimmen der Welle 2 insbesondere wenn die Ripple-Strukturen v-förmig entgegen der Bewegungsrichtung B der Welle 2 zusammenlaufen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sicherungssystem
- 2
- Welle
- 3
- Lagerpads
- 4
- Wellenlager
- 10
- Auffangring
- 11
- Schicht 1 aus Grundmaterial
- 12
- Schicht 2 aus Grundmaterial
- 13
- Schicht 3 aus Titannitrid
- 14
- Ripple Struktur
- T
- Wellenberg der Ripple-Struktur
- B
- Wellental der Ripple-Struktur
- α
- Winkel zwischen V-förmiger Ripple-Struktur
- β
- Kantenwinkel der Doppel-Ripple-Struktur
- B
- Bewegungsrichtung der Welle
