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Technisches Gebiet
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Die Erfindung hat eine Gleitlagerung zum Gegenstand, insbesondere befasst sich die Erfindung mit dem vereinfachten Aufbau von Gleitlagerungen in großdimensionierten Anordnungen wie Windkraftanlagen, Brückenabstützungen oder Schiffswellen.
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Gleitlagerungen sind Lagerungen, bei denen der sich bewegende und zu lagernde Körper auf Gleitflächen gleitet. Hierbei gleitet die Gleitfläche des zu lagernden Körpers auf der Gleitfläche des Lagerkörpers. Der Lagerkörper ist je nach Art des Gleitlagers unterschiedlich ausgestaltet. So ist bei einem Radialgleitlager der Lagerkörper als eine in einem Gehäuse eingebettete Lagerschale ausgeführt, die in mehrere (Lager-) Segmente geteilt ausgeführt sein kann.
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Ein solches Radialgleitlager ist aus
CH200760 A bekannt geworden. Dieses Radialgleitlager weist einen ersten Gleitpartner in der Form eines Lagerkörpers auf. Dieser erste Gleitpartner wird von einer Bohrung durchdrungen. Den zweiten Gleitpartner, der vom Lagerkörper gelagert wird, bildet eine Welle, die durch die Bohrung im ersten Gleitpartner geführt und gelagert ist. Um ein reibungsminimiertes Gleiten der drehenden Welle im Lagerkörper herbeizuführen, ist die Bohrung im Lagerkörper mit einer Hülse aus einem Werkstoff ausgekleidet, deren Oberfläche gegenüber dem Werkstoff der Welle einen verminderten Reibungskoeffizienten hat. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass zur weiteren Reduzierung der Reibung auch die Welle mit einer Hülse aus einem reibungsoptimierten Werkstoff versehen sein kann, so dass durch Entlanggleiten von zwei Hülsen aus reibungsarmen Werkstoffen eine äußerst effiziente Gleitlagerung geschaffen wird.
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Neben dem Versehen von Bohrungen und/Wellen mit Hülsen ist es bei Gleitlagerungen zur Minimierung des Aufwands im Hinblick auf die Festlegung von separaten Hülsen auch bekannt, die entsprechenden (Gleit-) Werkstoffe direkt auf die in Frage kommenden Oberflächen der Gleitpartner aufzubringen. So zeigt etwa
DE 102013225398 A1 einen Lagerkörper eines Gleitlagers, dessen die Bohrung umrandende Umfangsfläche direkt mit einer Diamantbeschichtung beschichtet ist.
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Auch wenn das direkte Beschichten von Oberflächen von Gleitpartnern sicherlich ökonomische Vorteile hat, versagt diese einfache Art der Herstellung von Gleitflächen, wenn die zu beschichtenden Oberflächen eine bestimmte Größe überschreiten.
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So zeigt
US 5.513.917 einen stationären Lagerkörper einer Gleitlagerung. Zur Drehlagerung einer Welle in diesem Lagerkörper sind in der Bohrung des Lagerkörpers Segmente vorgesehen, welche nach radial innen gerichtet und integraler Teile des Lagerkörpers sind. Ist eine Welle in diese Bohrung eingebracht, stützen diese Segmente die Welle nur bereichsweise ab, weil die symmetrisch zur Drehachse dieses Gleitlagers angeordneten Segmente in Umfangsrichtung dieses Gleitlagers einen gegenseitigen Abstand zueinander einhalten. Berücksichtigt man, dass Rotorwellen von modernen Windkraftanlagen leicht einen Durchmesser von 2 oder mehr Metern haben können, ist es mit vertretbaren Mitteln nicht möglich, entsprechende Gleitschichten auf derart große Werkstücke aufzubringen, wenn die Segmente integraler Teil des Lagerkörpers sind.
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US 5.513.917 zeigt aber auch, dass die Segmente nicht notwendig integraler Teil des Lagerkörpers sein müssen. So wird in einem Ausführungsbespiel eine Gleitlagerung gezeigt, bei dem die Segmente mit dem Lagerkörper verbunden sind. Eine solche Segmentierung hat den Vorteil, dass nicht der gesamte Lagerkörper beschichtet werden muss, sondern die einzelnen, kleineren Segmente mit vertretbarem Aufwand mit Gleitmaterial beschichtet werden können, selbst wenn der Durchmesser der Welle, die auf den Segmenten gelagert werden soll, 2 oder mehr Meter beträgt.
Aber selbst dann, wenn die Beschichtungsfähigkeit von Segmenten mit vertretbarem Aufwand gegeben ist, erreichen derartige Segmente sehr leicht ein Gewicht von 500 kg oder mehr, um eine vernünftige Lagerung von Wellen zu reichen, deren Durchmesser 2 oder mehr Meter beträgt.
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Als nachteilig wird daher erachtet, dass im Laufe der Zeit die Segmente verschleißen und zu ihrem Austausch Gewichte von 500 kg oder mehr bewegt werden müssen.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 9 entnehmbar. Eine Windkraftanlage, deren Rotorwelle entsprechend der Erfindung gelagert ist, ist in Anspruch 10 angegeben.
Ist der Gleitpartner, welcher mit der Gleitschicht versehen ist, aus Segmenten gebildet, wobei jedes Segment von einer Mehrzahl von aneinanderliegenden Platten besteht, die lösbar zu einem Block verbunden sind, ist es möglich, die Segmente durch Beseitigung der Verbindungsmittel, welche den jeweiligen Block zusammenhalten, in kleinere Einheiten zu zerlegen, was die Demontage und auch die spätere Montage erheblich erleichtert. Die Verwendung von Platten macht es so möglich, diese durch einfaches Stanzen bereitzustellen.
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Eine einheitliche Gleitsicht ist gegeben, wenn jedes Segment aus einer mit der Gleitschicht versehenen Platte und mindestens einer weiteren, gleitschichtfreien Platte gebildet ist, wobei die gleitschichtfreie Platte(n) an die gleitschichtfreie Oberfläche der mit der Gleitschicht versehenen Platte anschließt.
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Sind die jeweiligen Segmente aus einer Mehrzahl von Platten gebildet ist, deren eine Kantenfläche des Umfangsrandes mit einer Gleitschicht versehen ist, ergeben sich durch die Schichtung der Platten in Gleitrichtung Montagevorteile.
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Ist die Erstreckungslänge aller Segmente in Gleitrichtung kleiner als die Erstreckungslänge des anderen Gleitpartners, kann zusätzliches Gewicht eingespart werden.
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Ist die Seite des Blocks, der der mit der Gleitschicht versehenen Platte gegenüberliegt, in zumindest eine Raumrichtung schwenkgelenkig abgestützt, können ähnlich einem Pendelrollenlager Schiefstellungen leicht ausgeglichen und damit einhergehende Kantenbelastungen reduziert werden.
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Eine besonders gute Schwenkgelenkigkeit ist dann gegeben, wenn die Seite des Blocks, der der mit der Gleitschicht versehenen Platte gegenüberliegt, mit einer ersten Kugelstruktur versehen ist, welche zusammen mit einer weiteren Kugelstruktur, die zur ersten Kugelstruktur komplementär ist, ein Kugelgelenk bildet.
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Auch wenn von der Anmeldung nicht ausgeschlossen wird, dass die Segmente mit dem drehenden Gleitpartner verbunden sein können, ist eine einfache Realisierbarkeit dann gegeben, wenn die Segmente den stehenden Gleitpartner bilden.
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Weitere Gewichtsersparnis durch Segmentreduktion ist dann gegeben, wenn bei einer in Richtung 6 Uhr wirkende, vom drehenden Gleitpartner ausgehenden Belastung auf den stehenden Gleitpartner die Anzahl der Segmente, welche die Welle, also den drehenden Gleitpartner zwischen 3 über 6 bis 9 Uhr am stehenden Gleitpartner, stützen, größer der Anzahl der Segmente ist, welche die Welle zwischen 9 über 12 bis 3 Uhr stützen.
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Weist jeder Block mindestens eine Lage aus einem Material auf, welches gegenüber dem Material, aus welchem die Patten gebildet sind, eine größere Nachgiebigkeit hat, können von den Segmenten Stoßbelastungen aufgenommen werden, ohne dass diese Belastungen zu Schädigungen der weiteren Umgebungskonstruktion führen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine Gondel einer Windkraftanlage (schematisch);
- 2 einen Schnitt durch eine Rotorwelle, quer zu Drehachse DA;
- 3a ein Segment;
- 3b ein weiteres Segment;
- 3c ein weiteres Segment,
- 4 eine Abstützung eines Segments; und
- 5 eine Kombination aus erstem und zweiten Gleitpartner.
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Wege zum Ausführen der Erfindung
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Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden.
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In 1 ist die Gondel 1 einer nicht weiter gezeigten Windkraftanlage 2 gezeigt. Die Rotorwelle 3, welche mit einem Rotor 4 versehen ist, wird von zwei, in axialem Abstand entlang der Rotorwelle 3 Lagern 5 gelagert, auf welche noch näher eingegangen wird. Wird die Rotorwelle 3 durch auf den Rotor 4 wirkende Windkräfte F1 in Drehung versetzt, wird von dieser über ein Getriebe 6 ein Generator 7 zur Erzeugung von elektrischem Strom angetrieben.
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Jedes dieser Lager 5 ist als Gleitlager ausgeführt und umfasst einen ersten Gleitpartner 8.1 und einen zweiten Gleitpartner 8.2. Dabei bildet -wie 2 zeigt- die Mantelfläche 17 der Rotorwelle 3 den ersten Gleitpartner 8.1. Die zweiten Gleitpartner 8.2 werden von Segmenten 9 gebildet, deren der Drehachse DA nahen Flächen 10.1 mit der Mantelfläche 17 der Rotorwelle 3 in Gleitkontakt stehen, wenn sich die Rotorwelle 3 dreht, und deren der Drehachse DA fernen Flächen 10.2 sich an der Gondel 1 ortsfest abstützen.
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Wie 2 leicht zu entnehmen ist, wird die Rotorwelle 3 im 6:00 Uhr Bereich von 3 gleichgroßen Segmenten 9 abgestützt, wobei ein Segment 9 genau in der 6:00 Uhr Position und die beiden anderen Segmente 9 seitlich um einen geringen Abstand A versetzt zur 6:00 Uhr Position in Richtung zur 9:00 Uhr bzw. 3:00 Uhr Position angeordnet sind. Die Abstützung der Rotorwelle 3 zwischen 9:00 Uhr, über 12:00 Uhr bis 3:00 Uhr wird lediglich von einem Segment 9 übernommen, welches zu diesem Zweck genau bei der 12:00 Uhr Position vorgesehen ist und dessen Größe der Größe der Segmente 9 im 6:00 Uhr Bereich entspricht. Die asymmetrische, im 6:00 Uhr Bereich konzentrierte Anordnung von Segmenten 9 ist dem Umstand geschuldet, dass unter Berücksichtigung der Erdanziehungskraft F2 und der Gewichtskraft der Rotorwelle 3 dieser Bereich der Rotorwelle 3 besser abgestützt werden muss als der 12:00 Uhr Bereich, der bei einer langsam drehenden Rotorwelle 3 kaum radial belastet wird und lediglich dafür zu sorgen hat, dass die Rotorwelle 3 lediglich geführt wird. Die Erfindung schließt natürlich bezogen auf die zu lagernde Rotorwelle 3 auch eine symmetrische Anordnung von Segmenten 9 ein.
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In 3a ist ein Segment 9 vergrößert dargestellt. Dieses Segment 9 wird von einer Platte 11.1 aus Stahl gebildet, welche eine gerundete, der Rotorwelle 3 (2) angepasste Fläche 10.1 und eine ebene, der Drehachse DA abgewandte Fläche 10.2 aufweist. An die ebene Fläche 10.2 der Platte 11.1 schließen in diesem Ausführungsbeispiel zwei weitere, ebenfalls aus Stahl gefertigte Platten 11.1, 11.2 an. Folglich wird das Segment 9 in 3a insgesamt aus drei Platten 11.1 - 3 gebildet. Sollen größere radiale Abstände zwischen der Gondel 1 und der Rotorwelle 3 mittels von Segmenten 9 überbrückt werden (2), können natürlich auch mehr als die beiden in 3a gezeigten Platten 11.2, 11.3 an die Platte 11.1 radial anschließen. Dies schließt ein, dass Segmente 9 aus mehr als 20 dünnen, beispielsweise gestanzten Platten 11 gebildet sind.
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Wie der Darstellung gemäß 3a entnehmbar ist, ist die Fläche 10.1 der Platte 11.1 mit einer Gleitschicht 12 versehen, welche durch ihre Materialeigenschaften ein nahezu reibungsfreies Rotieren der Rotorwelle 3 aus Stahl erlaubt.
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Das Segment 9 gemäß 3b unterscheidet sich vom Segment 9 gemäß 3a lediglich dadurch, dass die Platte 11.2' nicht aus Stahl, sondern aus einem Werkstoff gebildet ist, der gegenüber Stahl eine größere Elastizität hat. Auch wenn im Ausführungsbeispiel gemäß 3b die Platte 11.2 aus einem Kunststoff gebildet ist, kann diese Platte 11.2 in einem anderen Ausführungsbeispiel natürlich auch aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Metallschaum gebildet sein, um die Dämpfung des Segments 9 gegenüber Stoßbelastungen der Rotorwelle 3 zu erhöhen.
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In 3c ist ein Segment 9 gezeigt, welche aus sieben aneinanderliegenden Platten 11.4 gebildet und von Schrauben 13 zu einem Block 14 lösbar verbunden ist. Im Gegensatz zu den Ausbildungen der 3a und b sind in 3c die Platten 11.4 nicht in Radialrichtung der Rotorwelle 3, sondern quer dazu geschichtet. Daher wird Gleitschicht 12 auch von sieben einzelnen Gleitschichten 12' gebildet, indem die der Rotorwelle 3 zugewandten Kantenflächen 18 der Platten 11.4. mit Gleitmaterial beschichtet sind. Sind die Platten 11.4 quer zur Rotorwelle 3 montiert, können durch das seitliche Zusammenfügen von Platten 11.4 in Pfeilrichtung P sehr einfach Segmenten 9 montiert bzw. durch das seitliche Entfernen von Platten 11.4 entgegen der Pfeilrichtung P auch wieder sehr einfach Segmente 9 demontiert werden.
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Die Platten 11.1-4 der Segmente 9 gemäß 3a bis c werden von Schrauben 13 lösbar zu einem Block 14 verbunden.
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In 4 ist ein Segment 9 gemäß 3a gezeigt, wobei von diesem Segment 9 lediglich die Platte 11.3. ausschnittweise gezeigt ist. Diese Platte 11.3 ist mit einem halbkugelförmigen ausgebildeten Vorsprung 15 versehen ist. Dieser Vorsprung 15 der Platte 11.3 bzw. des gesamten Segments 9 ruht in einer kalottenförmigen Aufnahme 16, die mit der Gondel 1 (in 4 nicht gezeigt) ortsfest verbunden ist. Mit den beiden Doppelpfeilen ist eine gelenkige Lagerung der Platte 11.3 bzw. des gesamten Segments 9 in der Aufnahme 15 in alle Raumrichtungen angedeutet.
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Wie im Zusammenhang mit 5 gezeigt, können schichtweise aus Platten 11 aufgebaute Segmente 9 als zweite Gleitpartner 8.2 nicht nur zur Abstützung drehender, erster Gleitpartner 8.1, sondern auch zur Abstützung von sich nur linear bewegenden ersten Gleitpartnern 8.1 eingesetzt sein. Dazu ist in 5 ein erster Gleitpartner 8.1 gegeben, der bezogen auf den zweiten Gleitpartner 8., der gegenüber dem ersten Gleitpartner 8.1 eine geringere axiale Erstreckung hat, lediglich eine lineare Bewegung -angedeutet durch den Doppelpfeil- vollführt.
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Im Gegensatz zu den Ausführungen der 3a-c sind die Platten 11, welche in 5 ein Segment 9 bzw. einen Block 14 bilden, miteinander verschweißt. Dies schließt eine Lösbarkeit der Platten nicht aus, weil die verschiedenen Schweißpunkte 19, welche die Platten 11 verbinden, sehr leicht, etwa durch Wegschleifen, entfernt werden können.
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Auch wenn dies nicht besonders gezeigt ist, kann die Verbindung von Platten 11 zu einem Segment 9 aus einer Kombination von Schweißpunkten 19 und Schrauben 13 gebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gondel
- 2
- Windkraftanlage
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Rotor
- 5
- Lager
- 6
- Getriebe
- 7
- Generator
- 8.1, 8.2
- erster bzw. zweier Gleitpartner
- 9
- Segment
- 10.1, 10.2
- Flächen, nahe und fern der Drehachse
- 11.1 - 11.n
- Platten
- 12
- Gleitschicht
- 13
- Schraube
- 14
- Block
- 15
- Vorsprung
- 16
- Aufnahme
- 17
- Mantelfläche
- 18
- Kantenfläche
- 19
- Schweißpunkte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 200760 A [0003]
- DE 102013225398 A1 [0004]
- US 5513917 [0006, 0007]
