DE3612097A1

DE3612097A1 - Gas-static bearing in double-cone form

Info

Publication number: DE3612097A1
Application number: DE19863612097
Authority: DE
Inventors: Gabriel Tittizer; Ewald Junghans; Georg Bestenreiner; Christian Dahm
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1987-10-15

Abstract

A gas-static bearing is proposed, which acts both as a radial and as an axial bearing and is protected against the appearance of tumbling motions of the shaft (1) by increased gas pressure at the ends of the bearing gap (18). The bearing bodies (2), (4), (5) adapted in hourglass shape to the bearing shell (3) are made of plastic so that the bearing has good emergency running properties. A turbine (12) driving the shaft can also be supplied with compressed air by the compressed-air supply (13) via a branch line (14). In the event that the gas pressure drops, a non-return valve (15) brings about an interruption in the air supply to the turbine and the use of the residual air for the lubrication of the bearing. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gasstatisches La ger nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Gasstatische Lager (zumeist mit Luft betrieben, daher auch als aero statische Lager bezeichnet) mit Lagerschalen aus Sinter metall oder einer porösen Keramik sind in der Form be kannt, daß Lagerschale und Welle jeweils eine hohlzylin drische bzw. zylindrische Form aufweisen. Bei gleich bleibender Breite des Lagerspaltes führt dies infolge der besseren Abströmmöglichkeit für das Gas an den Enden in der Lagerschale dazu, daß sich der höchste Gasdruck und damit auch die größte Tragfähigkeit des Lagers in dessen mittlerem Bereich einstellt. Dieser Umstand begünstigt das Auftreten von Unstabilitäten, z. B. von Nutationsbe wegungen; hierdurch können die Lagerflächen in Kontakt miteinander kommen und beschädigt werden.The present invention relates to a gas static La ger according to the preamble of the 1st claim. Gas static Bearings (mostly operated with air, therefore also as aero static bearings) with bearing shells made of sinter metal or a porous ceramic are in the form knows that the bearing shell and shaft each have a hollow cylinder have drical or cylindrical shape. At the same time The remaining width of the bearing gap results from this better outflow possibility for the gas at the ends in the bearing shell that the highest gas pressure and thus also the greatest load-bearing capacity of the bearing middle range. This favors the occurrence of instabilities, e.g. B. from Nutationsbe movements; this can cause the bearing surfaces to come into contact come together and get damaged.

Zugleich als Radial- wie Axiallager ausgebildete gasstatische Lager sind z. B. aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 35 20 717.5 der Anmelderin bekannt. Hier liegt der axial wirkende Teil des Lagers in einer zur Wellenachse senkrechten Ebene; diese Orientierung genau einzuhalten, führt bei der praktischen Fertigung der Lagerschalen zu erhöhtem Aufwand. Problematisch sind bisher auch die Notlaufeigenschaften gasstatischer Lager. Bei einem Ausfall der Gasversorgung kann die Tragkraft des Lagers so schnell abnehmen, daß die Lagerflächen mit einander in Berührung kommen, ehe die Welle zum Stillstand gekommen ist. Bei Kleinturbinen, die zum Antrieb von Werk zeugen verwendet werden, ist bereits vorgeschlagen worden, in einem solchen Falle die dem Antrieb der Turbine dienen de Gasströmung aus entgegengesetzter Richtung auf die Turbi ne wirken zu lassen, um diese schneller zum Stillstand zu bringen. Dies bedingt einen erhöhten Bedarf an Um schalteinrichtungen und ist dann unwirksam, wenn die Gas versorgung der Turbine zusammen mit derjenigen des Lagers ausfällt, da beide aus der selben Quelle versorgt werden.At the same time as Radial and axial bearings designed gas-static bearings are z. B. from the unpublished German Patent application P 35 20 717.5 of the applicant known. Here the axially acting part of the bearing is in one plane perpendicular to the shaft axis; this orientation adhering to precisely leads to practical production the bearing shells to increased effort. Are problematic so far also the emergency running properties of gas-static bearings. If the gas supply fails, the load capacity can be reduced remove the bearing so quickly that the bearing surfaces with come into contact with each other before the wave stops has come. For small turbines that drive the factory witnesses have been used has already been proposed in such a case, which serve to drive the turbine de Gas flow from the opposite direction to the turbine let it work to bring it to a standstill faster bring to. This means an increased need for Um switching devices and is ineffective when the gas supply of the turbine together with that of the bearing fails because both are supplied from the same source.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein gasstatisches Lager, das sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufzunehmen imstande ist, weniger zu Schwingungen neigt und verbesser te Notlaufeigenschaften aufweist.The object of the present invention is a gas static Bearings that absorb both radial and axial forces is capable of less tendency to vibrate and improve has emergency running properties.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeich nenden Teil des 1. Anspruchs angegebenen Mittel. Die vor geschlagene Stundenglasform sorgt dafür, daß die Tragkraft des Lagers sowohl eine radiale als auch eine axiale Kom ponente aufweist. Dabei brauchen an die Fertigungsgenauigkeit nicht mehr ganz so hohe Anforderungen gestellt zu werden. Aus der US-A- 31 71 295 ist eine Schraubenspindel mit da rauf drehbarer, luftgeschmierter Mutter bekannt, die im Längsschnitt gesehen aus einer Vielzahl hintereinanderge reihter doppelkegelförmiger Abschnitte zu bestehen scheint. Hier handelt es sich jedoch nicht um schnell umlaufende Teile, so daß deren Schwingungsverhalten unerheblich war. Da der Umfang des Lagerspaltes von der Mitte zu den Enden hin zunimmt, erhöht sich auch die je Längen- und Zeitein heit durchtretende Gasmenge. Da in die Berechnung der Tragkraft jedoch nicht der Umfang der Welle, sondern nur deren Projektion eingeht, erhöht sich an den Enden der Lagerschale die Tragkraft. Die Welle wird daher anders als bei den bislang üblichen zylindrischen Lagern an den Enden stärker unterstützt als in der Mitte; hierdurch wird die Neigung der Welle zu Taumelbewegungen herabgesetzt. This problem is solved by the in the character means specified in the first claim. The before Beaten hourglass shape ensures that the load capacity the bearing both a radial and an axial Kom component. Thereby need the manufacturing accuracy to be less demanding. From US-A-31 71 295 a screw spindle is there known as a rotatable, air-lubricated nut Longitudinal section seen from a variety one behind the other rows of double-conical sections seems to exist. However, these are not fast-moving Parts, so that their vibration behavior was irrelevant. As the circumference of the bearing gap from the middle to the ends increases, so does the length and time quantity of gas passing through. Since in the calculation of the Load capacity, however, not the circumference of the shaft, but only whose projection comes in increases at the ends of the Bearing capacity. The wave is therefore different than with the previously common cylindrical bearings on the Ends more supported than in the middle; hereby the tendency of the shaft to wobble reduced.

Gemäß der im 2. Anspruch vorgeschlagenen Ausgestaltung der Erfindung behält die Welle an sich ihre fertigungs technisch günstige zylindrische Form und es werden ledig lich zwei kegelstumpfförmige, an die Konizität der Lager schale angepaßte Lagerkörper aus Kunststoff auf die Welle aufgezogen. Diese Kunststoffkörper sind leichter herzu stellen als ein entsprechender Wellenabschnitt in der ge forderten Form. Darüber hinaus weist die Paarung Metall/ Kunststoff einen sehr viel günstigeren Reibungskoeffizienten auf als die Paarung Metall/Metall, wodurch die Notlauf eigenschaften des Lagers bedeutend verbessert werden.According to the configuration proposed in claim 2 The invention keeps the shaft itself manufacturing Technically favorable cylindrical shape and it becomes single Lich two frusto-conical, to the taper of the bearings shell-matched plastic bearing body on the shaft raised. These plastic bodies are easier to produce represent as a corresponding shaft section in the ge demanded form. In addition, the pairing metal / Plastic has a much cheaper coefficient of friction on than the metal / metal pairing, causing the emergency running properties of the bearing can be significantly improved.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschla gen, daß die Lagerkörper aus Hart-Polyvinylchlorid geformt sind, der wie sich im praktischen Versuch erwiesen hat, für diesen Zweck besonders geeignet ist.In a special embodiment of the invention, it is proposed conditions that the bearing body is molded from hard polyvinyl chloride are, as has been proven in the practical experiment, is particularly suitable for this purpose.

In der DE-A-32 30 232 hat die Anmelderin eine Lagerschale aus Sintermetall vorgeschlagen, deren Lauffläche z. B. durch Rollieren verdichtet und zur erneuten Öffnung der durch das Rollieren zugeschmierten Poren anschließend elektrokorrodiert wird. Gemäß dem im 4. Anspruch gemachten Vorschlag wird die Erhöhung der Tragkraft an den Enden der Lagerschalen durch ein axial unterschiedliches Behandeln der Lagerschale und die dadurch hervorgerufene unterschied liche Porosität unterstützt, insbesondere wenn das Ausmaß der Verdichtung nach der Mitte hin zunimmt, das Ausmaß der Aufätzung jedoch nach der Mitte hin abnimmt, wie im 5. Anspruch vorgeschlagen.In DE-A-32 30 232 the applicant has a bearing shell made of sintered metal, the tread z. B. compacted by rolling and reopening the pores then smeared by rolling is electro-corroded. According to the one made in claim 4 Proposal will increase the load capacity at the ends of the Bearing shells through axially different treatment the bearing shell and the difference caused by it porosity supports, especially if the extent the density increases towards the middle, the extent However, the etching decreases towards the middle, as in 5. Claim proposed.

Es sind schnelldrehende Werkzeugmaschinen, z. B. Fräser, Bohrer oder Schleifmaschinen bekannt, die durch auf die Welle aufgesetzte, mit Druckluft betriebene Kleinturbinen in Drehung versetzt werden. Eine Vereinfachung der Druck gasversorgung wird gemäß dem 6. Anspruch erreicht, wenn gasstatisches Lager und Turbine aus der selben Druckgas quelle gespeist werden.There are fast rotating machine tools, e.g. B. milling cutter, Known drills or grinders that work through on the Small turbines with compressed air powered be rotated. Simplifying the pressure gas supply is achieved according to claim 6 if gas-static bearing and turbine from the same compressed gas source are fed.

Bei der im 7. Anspruch vorgeschlagenen Ausgestaltung die ses Gedankens dient das Rückschlagventil dazu, bei einer Unterbrechung der Gasversorgung (bei der nur selten mit einem schlagartigen Druckverlust gerechnet werden muß) zunächst die Zufuhr zur Turbine zu stoppen, während das noch vorhandene, langsam abnehmende Druckgefälle dazu benutzt wird, um das Lager bis zum erreichten Stillstand der Welle zu versorgen.In the embodiment proposed in claim 7, the According to this idea, the check valve is used for one Interruption of gas supply (only rarely with a sudden pressure loss must be expected) first stop feeding the turbine while the still existing, slowly decreasing pressure drop is used to bring the bearing to a standstill to supply the wave.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt diese einen Längsaxialschnitt.An embodiment of the invention is in the drawing shown, namely that shows a longitudinal axial section.

Mittels einer Welle 1 können hier nicht dargestellte, auf dieselbe geschobene Werkzeuge, z. B. ein Bohrer in Drehung versetzt werden. Gelagert ist die Welle 1 in einer aus Sintermetall hergestellten Lagerbuchse 3, deren Lauf fläche verdichtet und zur Porenöffnung anschließend elek trokorrodiert sein kann. Zur Form der Lagerbuchse 3 pas send sind auf die Welle 1 Lagerkörper 2, 4, 5 aus Kunst stoff geschoben, die mittels einer Kappe 10 fixiert sind, die mit einer Schraube 9 befestigt ist. Die Lagerschale 3 ist in ein Gehäuse 11 eingepaßt unter Abdichtung durch O-Ringe 6. Mit Schrauben 7 ist am Gehäuse 11 ein Ansatz 8 befestigt, der der Ableitung der Lager- und Antriebsluft dient und darüber hinaus zur Verbindung des Gerätes mit Handhabungseinrichtungen verwendet werden kann. Die einer hier nicht gezeigten Quelle entnommene Druckluft tritt über einen Anschluß 13 in das Gehäuse 11 ein, durchdringt die Lagerschale 3 (die in axiale Abschnitte von zu ihren Enden ansteigender Porösität unterteilt sein kann) und entweicht schließlich über einen Lagerspalt 18. Von dem Anschluß 13 zweigt eine Leitung 14 ab, die in einer um laufenden Nut 16 im Gehäuse 11 endet. Dieser Nut gegen überliegend sind in der Lagerschale 3 radiale Bohrungen 17 angebracht, durch die die Druckluft die an den Lager körper 5 angeformten Turbinenschaufeln 12 beaufschlagen kann, wodurch die Welle 1 in Drehung versetzt wird. In die Leitung 14 ist ein Rückschlagventil 15 eingebaut, das bereits bei einer nicht allzu starken Absenkung des Luftdruckes schließt. Die Luftzufuhr zur Turbine 12 wird dann unterbrochen und die verbleibende zur Verfügung stehende Druckluft wird nur noch zur Versorgung des La gers gebraucht. Der Zeitpunkt des völligen Tragkraftver lustes kann so hinausgezögert werden, bis die Welle 1 zum Stillstand gekommen ist. Zur Dämpfung der Abströmgeräusche der Turbine 12 ist ein Schalldämpfer 19 vorhanden. Mit Lagern der hier gezeigten Art können Drehzahlen von etwa zweihunderttausend Umdrehungen in der Minute bei praktisch schwingungsfreiem Lauf erreicht werden.By means of a shaft 1 not shown here, pushed onto the same tools, eg. B. a drill can be rotated. The shaft 1 is mounted in a bearing bush 3 made of sintered metal, the running surface of which is compressed and can then be electro-corroded to the pore opening. The shape of the bearing bush 3 pas send are pushed onto the shaft 1 bearing body 2 , 4 , 5 made of plastic, which are fixed by means of a cap 10 which is fastened with a screw 9 . The bearing shell 3 is fitted into a housing 11 with sealing by O-rings 6 . A screw 8 is attached to the housing 11 with screws 7 , which serves to discharge the bearing and drive air and can also be used to connect the device to handling devices. The compressed air taken from a source, not shown here, enters the housing 11 via a connection 13 , penetrates the bearing shell 3 (which can be divided into axial sections of increasing porosity at its ends) and finally escapes via a bearing gap 18 . A line 14 branches off from the connection 13 and ends in a groove 16 in the housing 11 . This groove opposite are in the bearing shell 3 radial bores 17 through which the compressed air can act on the bearing body 5 molded turbine blades 12 , whereby the shaft 1 is rotated. In the line 14 , a check valve 15 is installed, which closes when the air pressure is not reduced too much. The air supply to the turbine 12 is then interrupted and the remaining compressed air available is only needed to supply the bearing. The time of the complete Tragkraftver loss can be delayed until the shaft 1 has come to a standstill. A silencer 19 is provided to dampen the outflow noises from the turbine 12 . With bearings of the type shown here, speeds of approximately two hundred thousand revolutions per minute can be achieved with virtually vibration-free running.

Claims

1. Gasstatisches Lager für eine mit hoher Drehzahl um laufende Welle (1) mit poröser Lagerschale (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (3) die Gestalt zweier abgestumpfter Hohlkegel aufweist, die an ihren kleinen Endflächen mit einander verbunden sind.1. Gas-static bearing for a high-speed shaft ( 1 ) with a porous bearing shell ( 3 ), characterized in that the bearing shell ( 3 ) has the shape of two truncated hollow cones which are connected to one another at their small end faces.

2. Gasstatisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß komplimentär zur Lagerschale (3) geformte Lagerkörper (2), (4), (5) aus Kunststoff auf die Welle (1) aufgesetzt sind.2. Gas-static bearing according to claim 1, characterized in that complementary to the bearing shell ( 3 ) shaped bearing body ( 2 ), ( 4 ), ( 5 ) made of plastic are placed on the shaft ( 1 ).

3. Gasstatisches Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkörper (2), (4), (5) aus Hart-Polyvinylchlorid geformt sind.3. Gas-static bearing according to claim 2, characterized in that the bearing body ( 2 ), ( 4 ), ( 5 ) are formed from hard polyvinyl chloride.

4. Gasstatisches Lager nach Anspruch 1 mit einer Lager schale (3), deren Lauffläche verdichtet und ggf. anschlie ßend gezielt aufgeätzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Verdichtung und/oder der Aufätzung axial unterschiedlich ist.4. Gas-static bearing according to claim 1 with a bearing shell ( 3 ), the tread is compressed and optionally subsequently etched specifically, characterized in that the degree of compression and / or the etching is axially different.

5. Gasstatisches Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Verdichtung nach der Mitte hin zunimmt, bzw. das Ausmaß der Aufätzung nach der Mitte hin abnimmt. 5. Gas-static bearing according to claim 4, characterized, that the degree of compaction increases towards the middle, or the extent of the etching decreases towards the middle.

6. Gasstatisches Lager nach Anspruch 1 mit auf die Welle (1) aufgesetztem Turbinenrad (12), dadurch gekennzeichnet, daß eine sich verzweigende Leitung (13), (14) für die Zu fuhr von Druckgas vorhanden ist, deren erster Zweig (13) der Versorgung der Lagerschale (3) und deren zweiter Zweig (14) der Versorgung der Turbine (12) dient.6. Gas-static bearing according to claim 1 with on the shaft ( 1 ) mounted turbine wheel ( 12 ), characterized in that a branching line ( 13 ), ( 14 ) for the supply of compressed gas is available, the first branch ( 13 ) serves to supply the bearing shell ( 3 ) and its second branch ( 14 ) to supply the turbine ( 12 ).

7. Gasstatisches Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zweig (14) mittels eines Rückschlagventils (15) absperrbar ist.7. Gas-static bearing according to claim 6, characterized in that the second branch ( 14 ) can be shut off by means of a check valve ( 15 ).