Verlängerte Lagerlebensdauer durch effektive Fettschmierung

Die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen von SKF zielen darauf ab, die Produktentwicklung bei Lagern und Dichtungen zu unterstützen, für die das Verständnis der Fettschmierung entscheidend ist, da die meisten Lagerausfälle durch unsachgemäße Schmierung verursacht werden.

SKF verfügt über interne Kompetenz zur Analyse von Schmierstoffen und der Auswirkung der Schmierung auf die Lagerleistung mithilfe einer breiten Palette hochentwickelter chemischer Mess- und Prüfgeräte.

Das Schmier- und Schmiersystem ist oft in das Lagersystem integriert, wo spezielle Fette ausgewählt werden, die für die Anwendung bestimmt sind. SKF stellt keine Schmierfette her, hat jedoch in Zusammenarbeit mit bevorzugten Lieferanten eine Reihe von Schmierfetten sowohl für die Erstbefüllung als auch für den Aftermarket entwickelt.

Das Schmierwissen erstreckt sich auch auf automatische Schmierstoffgeber, Mehrpunkt- und Einzelpunktschmierer, Zentralschmiersysteme und Totalverlust- und Umlauf-Zentralschmiersysteme.

SKF bietet auch Schulungen in den Bereichen Schmierstoffauswahl, Schmierstoffhandhabung, Inspektion, Entsorgung und Zuverlässigkeitswartung an. Eine separate SKF Geschäftseinheit, Engineering and Consultancy Services, hilft bei der Entwicklung von Produkten für rotierende Wellen oder Lageranwendungen. Natürlich ist die Schmierung (insbesondere Fettschmierung) hier sehr wichtig. Anwendungstechnik, Beratungsdienste, Schulungen, Schmierungsmanagement, Zustandsüberwachung, Zuverlässigkeitswartung, technischer Support, Werkzeuge, Produkte und Systeme bilden zusammen die komplette SKF Schmierungslösung.

Fettschmierung für Lageranwendungen
Das perfekte Lager wäre schmiermittelfrei. Allerdings wird Schmiermittel benötigt, um die Wälzkörper von den Laufbahnen zu trennen, um Schäden durch (Mikro-)Schlupf zu vermeiden. Das ideale Trennmedium ist eine Flüssigkeit, die mit geringen Reibungsverlusten Scherkräfte aufnehmen und die Lagerflächen auffüllen kann (Selbstheilung).

Schmierfett wird häufig wegen seiner Konsistenz verwendet, die es einfach zu verwenden macht; es wird nicht leicht auslaufen und bietet eine gewisse Dichtwirkung. Fett schützt vor Korrosion und senkt die Reibwerte im Vergleich zur Ölschmierung, sofern Fett mit guter Qualität und Füllgrad verwendet wird.

Ein Schmierfett hat eine endliche Lebensdauer [2,3], die im Allgemeinen kürzer ist als die Ermüdungslebensdauer von Lagern [1]. Es gibt fortschrittliche Lagerlebensdauermodelle, und da die Fettlebensdauer oft die Lagerlebensdauer dominiert, ist ein Fettlebensdauermodell sehr wünschenswert. Aufgrund der Komplexität der Fettschmierung [2] stehen heute leider keine physikalischen Modelle zur Vorhersage der Fettlebensdauer zur Verfügung. SKF hat ein empirisches Modell entwickelt, mit dem die Fettlebensdauer (oder das Nachschmierintervall) für ein „Fett von guter Qualität“ berechnet werden kann.

Abbildung 1.

Für Rillenkugellager hat SKF das Grease Performance Factor (GPF)-Konzept [3] (Abb.1) zur Vorhersage der Lebensdauer bekannter Schmierfette entwickelt, sofern Daten verfügbar sind. Ein GPF=1 entspricht der Leistung eines „guten Schmierfetts“. Viele Fettsorten übertreffen die Standardqualität „gute Qualität“ und haben einen GPF von mehr als 1. Abbildung 1 zeigt die Fettlebensdauer in Abhängigkeit von Temperatur, Drehzahl (n dm) und Fettqualität [3].

SKF empfiehlt Temperatur-Leistungsgrenzen innerhalb der standardisierten Temperaturgrenzen (Abbildung 2). Zwischen den empfohlenen Leistungsgrenzen, der „grünen Zone“ des SKF Ampelkonzepts, funktioniert das Fett zuverlässig und die Fettgebrauchsdauer (und das Nachschmierintervall) können bestimmt werden [8].

Abbildung 2.

Temperaturen in der Bernsteinzone beiderseits der grünen Zone sollten nur für sehr kurze Zeiträume auftreten. Mit der Zeit, der Temperatur, der mechanischen Bearbeitung, der Alterung und dem möglichen Eindringen von Verunreinigungen verschlechtert sich das Fett in einem Lager und verliert seine Schmiereigenschaften. Nach der Erstbefettung beim Einbau kann eine zusätzliche Fettnachschmierung die gewünschte Standzeit realisieren. Drei Faktoren für die Nachschmierung sind für die Zuverlässigkeit wichtig:Fettsorte, Fettmenge und Häufigkeit der Anwendung. Die zugeführte Menge und Häufigkeit der Schmierung hängt von den Betriebsbedingungen und der Art der Zufuhr ab:manuell oder durch einen automatischen Schmierstoffgeber oder Schmiersystem. Dieses Wissen wird in Expertensystemen verkörpert:LubeSelect, LuBase und DialSet, verfügbar über das Internet.

Physik der Fettschmierung
Das Verständnis der Physik und Chemie der Fettschmierung ist entscheidend für die Vorhersage der Fettleistung in einem Lager. Eine Prüfung der Fettlebensdauer unter Anwendungsbedingungen ist in der Regel nicht möglich, da eine Anwendung auf eine sehr lange Lebensdauer ausgelegt ist, was zu unzulässig langen Prüfzeiten führen würde. In der Praxis werden die Testbedingungen strenger gewählt (z. B. höhere Temperatur und/oder höhere Geschwindigkeiten) als in der Anwendung. Außerdem werden Fettstandsdauerprüfstände teilweise mit genormten Lagern betrieben, die von der Anwendung abweichen.

Die Schmierfettleistung hängt nicht nur von den Fetteigenschaften, sondern auch von der Innengeometrie des jeweiligen Lagertyps ab. Auch innerhalb von Lagertypen hängt die Leistung von der Innengeometrie ab, wobei Innenabmessungen, Dichtungslösung, Käfigkonfiguration und Käfigmaterial am wichtigsten sind.

Durch Kenntnis der Physik und Chemie von Schmierfetten können Testergebnisse auf Bedingungen „extrapoliert“ werden, für die keine Testdaten verfügbar sind. Darüber hinaus werden die Testdaten der Fettlebensdauer verwendet, um physikalische Modelle zu validieren, die für die Fettschmierung entwickelt wurden. Das Engineering &Research Center von SKF hat neueste Erkenntnisse und Modelle in den Bereichen Tribologie/Schmierung und Physik/Chemie entwickelt, die das Verständnis der Fettschmierung unterstützen. Zu den wissenschaftlichen Bereichen, die die Entwicklung von Fettvorhersagemodellen unterstützen, gehören Rheologie, Fluiddynamik, Chemie, elasto-hydrodynamische Schmierung und Statistik.

In der frühen Phase des Lagerbetriebs fließt Fett. Das meiste Fett landet neben den Laufbahnen und ein Teil bleibt im „besenkten Bereich“. Die interne Verteilung des Schmierfetts im Lager während und nach dieser Phase erfordert Kenntnisse über die Strömungsdynamik und die rheologischen Eigenschaften des Schmierfetts. Die Anwendung der Fluiddynamiktheorie auf den Fettfluss ist nicht einfach; Schließlich ist ein Schmierfett nicht wirklich flüssig. Fett altert durch mechanische und thermische Arbeit, die in einem Lager stark ist und das Problem noch komplizierter macht. Die Theorie der Fluiddynamik/Rheologie wird auch verwendet, um die Ölausblutungseigenschaften von Fett vorherzusagen. Das Verständnis der Chemie der Fettschmierung ist wichtig, um die Oxidation von Grundöl und Verdicker vorherzusagen [4]. Darüber hinaus bestimmt die Fettchemie die Grenzschmiereigenschaften.

Schmierfett soll einen Trennfilm entwickeln, der ein Grenzfilm sein kann oder durch hydrodynamische Einwirkung gebildet werden kann. Bei Wälzlagern erzeugt die elastische Verformung der sich berührenden Körper eine günstige Einlaufgeometrie für den Filmaufbau, dieses Phänomen wird als „elasto-hydrodynamische Schmierung“ (EHL) bezeichnet. Diese Theorie ist für die Ölschmierung gut entwickelt, aber noch nicht für die Fettschmierung, bei der die Filmdicke durch die Schmierstoffverfügbarkeit auf den Laufbahnen (allgemein als „aushungernde EHL“ bezeichnet [5]) und durch Verdicker-„Partikel“ dominiert wird. Abbildung 3 zeigt ein interferometrisches Bild eines fettgeschmierten Kontakts. Der Film ist nicht glatt, da Verdickungspartikel in den Kontakt gelangen.

Schließlich ist der Fettschmierungsprozess nicht deterministisch. Es gibt eine statistische Verteilung der Fehler, die die Vorhersage weiter verkompliziert. SKF verfügt über fundierte Kenntnisse der Weibull-Statistik, die zur Bewertung von Lagerlebensdauer- und Fettlebensdauer-Testdaten verwendet wird [6].

Fetttest
Um die Lebensdauer von Schmierfetten in einem Lager vorherzusagen, hat SKF Prüfmaschinen entwickelt, die in der gesamten Industrie eingesetzt werden. Traditionell waren dies die Prüfstände R0F (Kugellager) und R2F (Pendelrollenlager). Die R0F-Prüfstände wurden aufgerüstet (R0F+) und sind dadurch sehr flexibel in Bezug auf Geschwindigkeit, Belastung und Temperatur. Im SKF Engineering &Research Center ist eine große Anzahl von R0F und R0F+ erhältlich, die die gleichzeitige Durchführung von 140 Tests ermöglichen (Abbildung 4).

Abbildung 4.

Neben der Fettlebensdauerprüfung werden Funktionsprüfungen zu Anlaufdrehmoment, Reibung, Korrosionsbeständigkeit, Vibrationen (V2F), Fettgeräuschen (BeQuiet+) etc. durchgeführt. Ein gut ausgestattetes Chemielabor unterstützt die Auswertung der Testergebnisse.

Produktentwicklung und Fettschmierung
Mehrere Beispiele zeigen, wie das Verständnis der Fettschmierung die Entwicklung neuer Produkte beeinflusst hat, darunter eine neue Generation energieeffizienter SKF Lager. Abbildung 5 zeigt ein SKF Energy Efficient (E2) Rillenkugellager. SKF E2 Rillenkugellager weisen im Vergleich zu SKF Standardlagern derselben Größe einen um mindestens 30 % geringeren Reibungsverlust auf. SKF E2-Lager wurden für fettgeschmierte Anwendungen entwickelt und verbrauchen außerdem weniger Schmiermittel.

Abbildung 5.

Ein Vergleich zwischen der Fettgebrauchsdauer eines Standard- und SKF E2 Rillenkugellagers (Abbildung 6) zeigt, dass sich die Fettgebrauchsdauer verdoppelt, was die Lagerlebensdauer effektiv verdoppelt. Die Reibungsreduzierung ist auf eine verbesserte Fettschmierung zurückzuführen – d. h. ein einzigartiges Fett in Kombination mit einer verbesserten Innengeometrie und einem neuen Käfigdesign. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie die Fettentwicklung in die Lagerkonstruktion integriert wurde.

Abbildung 6.

Ein neues Schmierfett mit ausgezeichneten Anti-Fehlbrilling-Eigenschaften für Windturbinenblätter und Azimut-Lager entstand, als SKF einen eigenen internen Prüfstand und ein Verfahren zum Falschbrinelling entwickelte. Bild 7 zeigt die Testergebnisse mit einem Standardfett und dem neuen Blatt- und Azimutlagerfett, wobei die Reibung in Abhängigkeit von der Anzahl der Schwingungen überwacht wird. Wenn die Reibung im Laufe der Zeit kontinuierlich zunimmt, kommt es zum Versagen. Die blauen Linien stellen die Maße für handelsübliches Fett dar. Die grünen Linien sind die Messungen mit dem SKF LGBB 2 Fett, das eine schützende Triboschicht bildet und über viele Zyklen sehr niedrige Reibungswerte zeigt und zu einer langen Lebensdauer der Lager führt.

Abbildung 7.

Abbildung 8 zeigt das Wirkungsfenster für verschiedene Fette unter blattlagerähnlichen Bedingungen. Bei partiellem Schlupf ist die Schwingung so klein, dass die Mitte des Hertzschen Kontakts kleben bleibt und nur an den Kanten des Kontakts ein Schlupf stattfindet. Grober Schlupf tritt auf, wenn die Schwingungen so stark sind, dass sogar die Mitte des Kontakts rutscht. Fressen tritt typischerweise zwischen Oberflächen auf, die befestigt werden sollen, jedoch kleinen Schwingungen ausgesetzt sind und durch erzeugten Abrieb gekennzeichnet sind, der im Kontaktbereich eingeschlossen bleibt. Das Schmierfett SKF LGBB 2 hat ausgezeichnete Antifretting-Eigenschaften und kann auch bei großen Schwingungen verwendet werden. Das Fett hat eine gute Leistung bei niedrigen Temperaturen und hat gute Korrosionsschutzeigenschaften, wodurch es sich sehr gut für Windturbinenflügel- und Azimutlageranwendungen eignet.

Abbildung 8.

Für Anwendungen in Papierfabriken hat SKF das „SKF Polymer-Dicked-Schmiermittel“ oder Polymerfett entwickelt, das herkömmliche Seifenverdicker durch ein Polymer ersetzt [7]. Das Polymer ist unpolar, d. h. die Seife konkurriert nicht mit der Metalloberfläche, um die Additive anzuziehen. Herkömmliches Fett enthält 10 bis 20 Prozent Seifenverdicker auf Metallbasis (polar) und 80 bis 90 Prozent Grundöl, inklusive Additivpaket. Das mit Polymer verdickte Schmiermittel enthält 10 bis 13 Prozent Polypropylen (PP), ein unpolares Material, und 87 bis 90 Prozent Öl, einschließlich des Additivpakets. Das einzigartige Verfahren zur Bildung von polymerverdicktem Fett ist der innovative Erwärmungs- und Abschreckvorgang des in Öl gelösten Polymers. Dadurch entsteht eine dreidimensionale Netzstruktur, die wie ein „normales“, mit Metallseife angedicktes Fett funktioniert. Das Fett hält auf dem R0F-Prüfstand auch ohne Zusatzstoffe lange und ist damit umweltfreundlicher mit verlängerten Nachschmierintervallen. Dies führt zu einem geringeren Fettverbrauch. Das neue Polymerfett hat eine hervorragende Leistung bei niedrigen Temperaturen und es wird weniger Energie für seine Herstellung benötigt.

Die Fettanforderungen an die Hauptwellenlager in Windkraftanlagen beziehen sich auf die raue Umgebung, in der das Fett bei starker Kontaktbelastung, niedrigen Drehzahlen sowie Schwing- und Stillstandsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit erreichen muss. Zusätzliche Herausforderungen ergeben sich für Windkraftanlagen, die in Offshore- und kalten Klimazonen installiert sind. SKF hat drei verschiedene Schmierfette für Hauptwellenanwendungen von Windkraftanlagen entwickelt. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften der Fette. Alle drei Fette sind weit verbreitet und von verschiedenen OEMs von Windkraftanlagen freigegeben. Die Wahl des Fettes hängt von der Art der Dichtung, den Betriebsbedingungen und der Umgebung ab.

Tabelle 1.

SKF bietet komplette Kundenlösungen für Hauptwellenanwendungen, die Schmierfette, Gehäuse, Dichtungen, Lagerkonfigurationen, Schmiersysteme, Sicherungsmuttern, Montageservices, Schmierstoffe und Analysen sowie Zustandsüberwachung umfassen.

Schlussfolgerungen
SKF trägt durch Weiterentwicklung und Anwendung seines Wissens in der Fettschmierung zur Nachhaltigkeit bei und unterstützt umweltfreundliche Lösungen, wodurch die Lebensdauer von Lagersystemen verlängert und die Reibung reduziert wird, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Verlängerte Standzeiten und Nachschmierintervalle führen zu einem geringeren Wartungsaufwand und einer Reduzierung des Ausschusses. Dies wird erreicht, indem das Wissen aus grundlegender F&E und Modellentwicklung in Kombination mit der Produktentwicklung genutzt wird.

Referenzen

[1] E. Ioannides, G. Bergling und A. Gabelli. Eine analytische Formulierung für die Lebensdauer von Wälzlagern. Acta Polytechnica Scandinavia, Mechanical Engineering Series, Finnische Akademie für Technologie, (137), 1999.

[2] Uhr Lugt. Ein Überblick über Fettschmierung in Wälzlagern. Tribology Transactions, 52(4):470-480, 2009.

[3] B. Huiskamp. Fettlebensdauer bei lebensdauergeschmierten Rillenkugellagern. Evolution, 2:26–28, 2004.

[4] A. van den Kommer und J. Ameye. Vorhersage der verbleibenden Fettlebensdauer – ein neuer Ansatz und eine neue Methode durch lineare Sweep-Voltammetrie. Tagungsband Esslingen Konferenz, Seiten 891–896, 2001.

[5] M. T. van Zoelen, C. H. Venner und P.M. Lugt. Vorhersage des Filmdickenabfalls in ausgehungerten elasto-hydrodynamisch geschmierten Kontakten unter Verwendung eines Dünnfilmschichtmodells. Verfahren der Institution of Mechanical Engineers. Teil J, Journal of Engineering Tribology, 223(3):541-552, 2009.

[6] T. Andersson. Dauertest in der Theorie. Kugellagerzapfen, 217:14–23, 1983.

[7] D. Meijer, D. Polymerverdicktes Schmierfett. Europäische Patentanmeldung (EP 0 700 986 A3), 1996.

[8] SKF Gesamtkatalog, 6000/I (2008)