DE4442384C1 - Spindel zur aerostatischen Lagerung eines Offenend-Spinnrotors - Google Patents

Description

Bisher wurde zur Lagerung eines Spinnrotors hauptsächlich die bekannte und bewährte Twin Disk Lagerung (Rollenlagerung) eingesetzt. Hierbei befindet sich der Spinnrotor am Ende einer Welle, die zwischen dem Antriebsriemen und zwei Rollen läuft, welche beide den mindestens 10fachen Durchmesser der Welle haben und mit Gummi beschichtet sind. Durch dieses Übersetzungsverhältnis von 1 : 10 konnte die Lebensdauer der Kugellager erheblich verlängert werden; gegenüber einer direkten Kugellagerung der Spinnwelle, wobei eine 10fach höhere Drehzahl der Kugellager notwendig ist. Dennoch müssen in etwa alle 20 000 Stunden die Rollen und die Kugellager wegen Verschleiß erneuert werden. Die Twin Disk Lagerung bietet jedoch eindeutige Vorteile, denn sie hält relativ hohen Belastungen stand und durch die Gummibeschichtung auf den Rollen und dem Antrieb über einen Riemen läuft die Welle mit dem Spinnrotor im überkritischen Schwingungsbereich, so daß die Unwuchtskräfte auf die Lagerung wesentlich geringer sind.

Diese Lagerung ist z. B. in der Auslegeschrift DE 25 25 435 B1 ausführlich beschrieben. Hier ist auch ein Stützlager (siehe Spalte 4, oberster Absatz) vorhanden, jedoch in einem völlig anderen Zusammenhang als das in den Patentansprüchen angegebene Lager 4.

Bei diesem Anwendungsfall wurde schon oft der Einsatz von aerostatischen Lagern angestrebt, da hier kein Verschleiß der Lagerung stattfindet. Wie z. B. durch die Auslegeschrift DE-AS 23 49 072 bekannt, ist hier der Rotor starr mit der aerostatisch gelagerten Welle verbunden, somit kann dieses Lager der hohen Belastung durch Unwuchtkräfte bei Fadenriß im Spinnrotor nicht standhalten.

Aufgabe war es nun, eine aerostatische Lagerung des Spinnrotors zu erreichen, die im überkritischen Schwingungsbereich läuft. Nach zahlreichen Versuchen wurde festgestellt, daß hierzu große Lagerspalte (im 1/10-mm-Bereich) notwendig sind, dies hat aber einen extrem hohen Luftverbrauch zur Folge, so daß die Energiekosten untragbar sind. Es wurde nun nach einer Möglichkeit gesucht, trotz engem Lagerspalt (8-12 µm) eine überkritische Lagerung des Spinnrotors zu gewährleisten. Durch elastisches Aufhängen der Lagerringe (bzw. Lagerschalen) in O-Ringen konnte zwar der überkritische Lauf erreicht werden, da aber der Luftlagerspalt innerhalb des Schwingungsbereiches liegt und somit die Massenausgleichskräfte übertragen muß, konnten auch hierbei nicht die notwendigen Unwuchtmassen aufgenommen werden.

Eine überkritische Aufhängung des Spinnrotors selbst in der aerostatisch gelagerten Welle wurde nun als letzte Möglichkeit in Betracht gezogen. Hierzu wurde der Spinnrotor an einem freischwingenden Fortsatz (z. B. Stange) aufgehängt, der von seinen Abmessungen so gestaltet war, daß ein Durchfahren der ersten Eigenschwingung (Schwingungsresonanz) schon bei relativ niedriger Drehzahl möglich war. Die Schwingungsausschläge beim Resonanzdurchfahren waren jedoch so groß, daß die aerostatische Lagerung überlastet wurde. Ein Lager am Ende des Fortsatzes mit genügend Spiel, um ein freies Schwingen des Fortsatzes im überkritischen Drehzahlbereich zu ermöglichen, brachte letztlich die Lösung des Problems (Anspruch 1). Dieses Lager tritt also erst dann in Funktion, wenn die Schwingungsausschläge am Ende des Fortsatzes mit Spinnrotor größer als das Spiel des Lagers sind. Sobald der Spinnrotor überkritisch läuft muß eine Berührung zwischen Lager und Fortsatz ausgeschlossen sein, dazu ist für das Lager mindestens das zweifache Lagerspiel der aerostatisch radialen Lagerung notwendig. Durch diese Aufhängung des Spinnrotors konnte neben dem Vorteil der gering verschleißenden Lagerung auch eine durch Unwuchtskräfte nicht überlastbare aerostatische Lagerung geschaffen werden.

Um die Spindel in ihrer Länge zu kürzen und die Unwuchtskräfte, die vom Spinnrotor ausgehen näher an die aerostatische Lagerung heranzubringen, wird der schwingungsfreie Fortsatz größtenteils in eine zentrische Bohrung der aerostatisch gelagerten Welle untergebracht. Damit die erste Eigenschwingung des Fortsatzes bereits bei niedriger Drehzahl durchfahren werden kann, muß die Länge des Fortsatzes mindestens viermal so groß wie der kleinste Durchmesser des Fortsatzes sein. Da die zweite Eigenschwingung des Fortsatzes weit genug von der Betriebsdrehzahl entfernt sein muß, ist eine Durchmesserzunahme des Fortsatzes von der Befestigungsstelle aus zum Spinnrotor hin notwendig (Anspruch 2).

Ein weiteres Problem stellte die Befestigung des Fortsatzes im Bohrungsgrund der Welle dar. Zuerst wurde ein Gewinde eingesetzt, was bei längerem Betrieb durch die hohe dynamisch-wechselnde Beanspruchung ein Lockern durch Setzungserscheinungen im Gewinde zur Folge hatte. Eine Preßverbindung herzustellen war mit äußerst hohen Herstellungskosten verbunden, da die Prellung mit sehr engen Maßtoleranzen (5 bis 10 µm) hergestellt werden mußte, um ein Knicken des Fortsatzes durch zu hohe Einpreßkräfte zu verhindern.

Indem entweder auf dem Fortsatz oder in der Welle ein Gewinde auf- bzw. eingebracht wurde, konnte erreicht werden, daß mit weiten Maßtoleranzen von 1/10 mm die Einpreßkraft immer noch in akzeptablen Grenzen liegt, ohne ein Knicken des Fortsatzes befürchten zu müssen (Anspruch 3).

Auch bei der aerostatischen Lagerung muß ein Auswechseln des Spinnrotors gewährleistet sein. Deshalb wurde bei bisherigen Ausführungen eine lösbare Verbindung zwischen Welle und Spinnrotor hergestellt. Dies hat aber zur Folge, daß bei jedem Wechsel des Spinnrotors die Spindel neu gewuchtet werden muß, oder eine hochpräzise, teure Passung zwischen Welle und Spinnrotor eingerichtet werden muß (Toleranzfeldbreite 0,002 mm), weil bereits bei geringem exzentrischen Sitz des Spinnrotors die Umwuchtkraft die Grenzlast des aerostatischen Lagers übersteigt.

Durch das Anbringen der lösbaren Verbindung am Ende des oben genannten Fortsatzes der aerostatisch gelagerten Welle, kann die Verbindung mit einer großzügigen Toleranz (0,05 mm) verwirklicht werden, da sie innerhalb des überkritischen Schwingungsbereiches liegt, der schon bei relativ niedriger Drehzahl erreicht wird.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der patentbeanspruchten aerostatischen Lagerung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Hier ist eine Welle 5 aerostatisch in einem Gehäuse 8 in axialer Richtung gelagert. Die Ausführungsformen von aerostatischen Lagern sind nach dem Stand der Technik bekannt. Die hier eingesetzte aerostatische Lagerung zeichnet sich vor allem durch den niedrigen Luftverbrauch aus, da die Abluft der radialen Lager noch in den axialen Lagern genutzt wird.

Die Welle wird an einem Ende 7 über einen Tangentialriemen angetrieben. In der Welle 5 befindet sich eine zentrische Bohrung, in deren Grund ein Fortsatz 2 durch eine Preßverbindung befestigt ist. Der Fortsatz ist in Form einer Stange 2 ausgebildet, an deren Ende der Spinnrotor 1 durch eine Schraubverbindung angebracht ist. Die Preßverbindung 6 zwischen Stange 2 und Welle 5 wird dadurch hergestellt, daß sich entweder auf der Stange 2 oder in Bohrung der Welle 5 ein Gewinde befindet (das Preßmaß beträgt 0,2 bis 0,3 mm). Die Stange 2 nimmt in ihrem Durchmesser zum Spinnrotor 1 hin stufenweise zu. Der kleinste Durchmesser in der Nähe der Befestigungsstelle 6 zwischen Welle und Stange muß so groß gewählt werden, daß er die Antriebs- und Bremsmomente des Spinnrotors 1 mit ausreichender Sicherheit übertragen kann und so klein gewählt werden, daß die erste Eigenschwingung der Stange 2 schon bei relativ niedriger Drehzahl durchfahren werden kann (bei dieser Ausführung beträgt er 3 mm). Die Gesamtlänge der Stange 2 enthält in etwa 20mal das Maß des kleinsten Durchmessers.

Am Ende der Stange, wo der Spinnrotor 1 angebracht ist, befindet sich ein zusätzliches radiales Lager 4 mit dem zwanzigfachen Lagerspiel 10 des aerostatischen radialen Lagers 11. Dieses Lager 4 ist hier als fettgeschmiertes Gleitlager ausgeführt. Ebenso kann ein Wälzlager mit genügend Lagerspiel eingesetzt werden. Um eine gute Dämpfung des Lagers beim Durchfahren der ersten Eigenschwingung zu erreichen, ist das Gleitlager 4 auf O-Ringen 3 im Gehäuse aufgehängt.

Da der Spinnrotor 1 wegen Verschleißes alle 10 000 Betriebsstunden ausgewechselt werden muß, ist es kein großer Aufwand, das fettgeschmierte und teilweise verschließende Gleitlager 4 mit auszuwechseln. Zum jetzigen Zeitpunkt können noch keine Aussagen über die wirklichen Standzeiten des Gleitlagers 4 gemacht werden.

Die Spindel ist für eine Betriebsdrehzahl von 120 000 U/min ausgelegt. Die erste Eigenschwingung der Stange 2 wird bereits bei der Drehzahl 12 000 U/min durchfahren. Danach läuft der Spinnrotor im überkritischen Schwingungsbereich, d. h. die Massenkräfte im Spinnrotor sind stets ausgeglichen und die Kräfte auf die aerostatische Lagerung sind selbst bei großen Unwuchtsmassen gering. Bis zur Drehzahl 11 000 U/min läuft der Spinnrotor unterkritisch.

Claims (4)

1. Spindel zur aerostatischen Lagerung eines Offenend-Spinnrotors, bestehend aus einer rotierenden Welle, die aerostatisch in einem Gehäuse in axialer und radialer Richtung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) einen freischwingenden Fortsatz (2) aufweist, an dessen einem Ende der Spinnrotor (1) angebracht ist und daß die Lagerung dieses Fortsatzes (2) am rotorseitigen Ende durch ein als Gleit- oder Wälzlager ausgebildetes Lager (4) erfolgt, wobei dieses Lager (4) mindestens das zweifache Lagerspiel (10) der aerostatisch radialen Lagerung (11) aufweist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) eine zentrische Bohrung (6) umfaßt, in welcher der Fortsatz (2) befestigt ist und der Durchmesser des Fortsatzes (2) zum rotorseitigen Ende hin zunimmt, wobei der kleinste Durchmesser des Fortsatzes zur Gesamtlänge des Fortsatzes mindestens ein Verhältnis von 1 : 4 aufweist.

3. Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (2) in der Bohrung (6) durch eine Preßverbindung befestigt ist, wobei sich jeweils nur in der Bohrung (6) oder nur auf dem Abschnitt des Fortsatzes (2), welcher in die Bohrung (6) eingepreßt ist, ein Gewinde befindet.

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Fortsatz (2) der Welle und Spinnrotor (1) eine lösbare Verbindung besteht, die das einfache Auswechseln des Spinnrotors ermöglicht.