Under de senaste 100 åren av lagerutveckling har många förbättringar gjorts inom cylindriska rullager. Denna långa erfarenhet har gett oss moderna konstruktioner med låg friktion, hög bärförmåga, lång livslängd och allt mindre mått.
Dagens cylindriska rullager baseras på en historia av rullningslagerutveckling som kan spåras ända tillbaka till 1870-talet. Då etablerades de första cykelfabrikerna och ett nytt behov av lager uppstod. Ytterligare behov av kul- och rullager inom allmän maskinbyggnad ledde fram till fabriker som uteslutande konstruerade och tillverkade rullningslager.
Rullagrens energibesparingspotential har varit tydlig ända sedan industrins barndom. I ett forskningsprojekt som W P Graham vid Syracuse University genomförde i New York 1905 jämfördes energin som förbrukades av två spårvagnar. Den ena var utrustad med glidlager och den andra med rullager, i övrigt var de likadana. Testet visade att spårvagnen med rullager förbrukade 52 procent mindre energi.
De första moderna cylindriska rullagren
1909 fick Dr Josef Kirner, chefsingenjör vid Norma Compagnie i tyska Cannstatt, patent på sin uppfinning av ett modernt cylindriskt rullager. Lagerkonstruktionen utmärktes av sina bomberade löpbanor (Se bild 1), vilket var ett sätt att undvika den skadliga kantbelastningen på rulländarna. Lagren hade korta rullar som var noggrant tillverkade och styrdes exakt mellan flänsar. Lösningen gav många fördelar. Josef Kirner insåg hur dessa fördelar kunde utnyttjas optimalt och lanserade lagren i Tyskland, trots kraftigt motstånd från expertkollegor.
1914 köpte SKF i Göteborg hälften av aktierna i Norma Compagnie GmbH. Företaget inkorporerades i SKF-koncernen. Sedan dess har det enradiga cylindriska rulllagrets historia varit nära kopplad till SKFs historia och många viktiga utvecklingsmilstolpar har passerats.
Mellan 1920 och 1925 slog det cylindriska rullagret igenom fullständigt som konstruktionselement. Genombrottet var så totalt att flera konkurrerande företag började kopiera lösningen. På 1920-talet utvecklades rullager för järnvägsapplikationer (Se bild 2): kombinationen av utförandena NU och NH för traktionsmotorer, som används än i dag, och kombinationen av WJ och WUJ för axelboxar. På 1930-talet var SKF en drivande kraft i att standardisera yttermåtten för cylindriska rullager. Yttermåtten blev identiska med dem för standardkullager. Rulldiametern hos lagren i den smala serien blev lika med rullängden, medan förhållandet mellan längd och diameter hos rullarna i lager i den breda serien blev cirka 1,5. Under denna period etablerades nästan alla dagens grundläggande och klassiska utföranden.
På 1950-talet kom B-rullen. Under de tio åren dessförinnan gjordes de första teoretiska beskrivningarna av ideala profiler hos rullkroppar och bomberade rullar med cirkulär bågprofil. Lundbergs teori utgjorde grunden för den bomberade profilen i cylindriska rullager och resultatet blev så småningom B-rullen som har rak profil i mittdelen och uppvisar en lätt fasning mot rulländen. Stora fördelar uppenbarade sig när lösningen implementerades i praktiken. Det blev nu möjligt att fastställa erforderlig bomberingshöjd noggrannare. Vid axelsnedställning måste dock bomberingshöjden fortfarande uppskattas.
Introduktionen av E-lagret på 1960-talet var ytterligare en milstolpe i det cylindriska rullagrets historia. E-lagret gjorde det möjligt att optimera lagertvärsnittsarean och ge plats för en förstärkt rullsats, bestående inte bara av större och längre rullar (Se bild 3a och 3b), utan även ett ökat antal rullar (Se bild 4a och 4b). Detta förbättrade lagrets bärförmåga med i genomsnitt 35 procent. Även lagrets livslängd ökade avsevärt.
Lager av E-typ var svåra att tillverka eftersom rulldimensionerna förändrades och nya hållare infördes. Samtliga lager i måttserierna 2, 22, 3 och 23 konstruerades om till E-lager. För övriga serier konstruerades endast vissa utvalda komponenter om.
1981 lanserades de cylindriska rullagren av typ EC med modifierad rulländ-/flänskontakt. Flänsgeometrin fick en öppen konstruktion (Se bild 5). Rulländarna är ytbehandlade för att förbättra smörjegenskaperna, minska friktionen och sänka drifttemperaturen. Detta resulterade i minskat underhållsbehov. Den förbättrade rulländ-/flänskontakten resulterade i ökad axiell bärförmåga hos lager med flänsar på både inner- och ytterring.
1984 lanserades den logaritmiska löpbaneprofilen, vilket innebar ytterligare en förbättring av kontaktförhållandena. Profilen ger optimal lastfördelning mellan rullar och löpbanor. Detta minskar kraftigt risken för otillåten kantpåkänning och ökar drifttillförlitligheten, även i applikationer där det förekommer snedställning och axelutböjning (Se bild 6).
Milstolpe för ökad prestanda
Det nya millenniet inleddes med en mycket viktig milstolpe, lanseringen av cylindriska rullager i serien SKF Explorer (Se bild 7). De cylindriska rullagren SKF Explorer är resultatet av många års intensiv forskning inom en internationell grupp forskare och ingenjörer från SKF. Under denna tid har SKFs experter på material och tillverkning, tillsammans med produktionsansvariga, framgångsrikt infört ett antal förbättringar. Bland dessa kan nämnas:
-
Lagermaterialet är extremt rent och homogent stål med ett minimum av inneslutningar. Syrehalten, ett mått på stålets renhet, har pressats till extremt låga nivåer. Detta ökar såväl lagrens utmattningshållfasthet i rullkontakterna som livslängden.
-
Nya värmebehandlingsprocedurer optimerar lagrens hållfasthet mot driftskador och höga temperaturer utan att påverka måttstabiliteten.
-
Hårdheten i ringar och rullar har valts ut för optimala prestanda. Detta gör lagerkomponenterna mindre känsliga för föroreningar och bidrar till deras extremt långa brukbarhetstid.
-
Förbättrade tillverkningsprocesser har bidragit till betydligt bättre produktkvalitet. Detta innebär att ringarna kan tillverkas med förbättrad rundhet och att avvikelser från den ideala formen hos rullarna har minskat ytterligare. Resultatet av de snävare toleranserna kanske inte syns, men lagren arbetar märkbart tystare och med mindre vibration.
-
Den logaritmiska kontaktprofilen hos rullarna har förfinats ytterligare. Lagren har därmed blivit ännu mindre känsliga mot små snedställningar och de kan bära större belastningar.
-
Den optimerade rulländ-/flänskontakten tillämpas även i SKF Explorer-lager.
-
Den utmärkt konstruerade övergången från det cylindriska avsnittet till den logaritmiska rullfasen minskar skadliga kantpåkänningar.
-
Ytfinheten hos ringarnas löpbanor och hos rullarna har förfinats och ger bättre smörjförhållanden, så att lagret kan arbeta längre även under bristande smörjförhållanden.
-
SKF Explorer-lager finns tillgängliga med olika hållarmaterial och i olika utföranden, avsedda för olika driftförhållanden. Konstruktionen hos samtliga hållare som används i SKF Explorer-lager bidrar till god smörjning av alla kontaktytor, även under tillfälliga avbrott i smörjmedelstillförseln.
Dessa förbättringar har bekräftats genom omfattande test av brukbarhetstid, och resultatet finns all anledning att vara stolt över: Det enradiga cylindriska rullagret SKF Explorer har definierat en ny standard sett till prestanda och hållbarhet. Lagren har högre dynamisk bärförmåga och upp till tre gånger längre brukbarhetstid än den tidigare standarden. Detta gör dem överlägsna alla konventionella cylindriska rullager. Nyligen har några medelstora lager konstruerats om och förts in i prestandaklassen SKF Explorer. Dessa komponenter identifieras av efterbeteckningen /PEX.
Förbättringarna hos SKFs cylindriska rulllager under de senaste 100 åren har gjort det möjligt att dimensionera ner konstruktioner utan att kompromissa med prestanda (Se bild 8). Lägre friktion och en dramatisk minskning av lagermassan har medfört lägre energiförbrukning.
Men framgångarna slutar inte här. För vissa applikationer, som inom gruvindustrin och i industriväxlar – framför allt för vindkraft – är hög bärförmåga av största vikt för att uppnå nödvändig hög tillförlitlighet. SKF har vidareutvecklat sina högpresterande cylindriska rullager (Se bild 9a och 9b). Dessa SKF Explorer-lager har ett större antal rullar jämfört med SKF Explorer-lager av standardtyp, men samma yttermått och inre huvudmått som standardlager. Väggtjockleken är oförändrad gentemot E-typ-lager som är beprövade under 45 år.
Den innovativa delen av konstruktionen ligger i hållarna. I högpresterande cylindriska rullager ligger hållarcirkeln ett gott stycke ovanför eller under rullcentrumcirkeln och hållaren är ansatscentrerad. Stålhållaren av fönstertyp är mycket stark – fullt jämförbar med styrkan hos delade hållare i massiv mässing – trots att den ger plats för flera rullar.
Jämfört med standardlager, och beroende på hållarpositionen, kan antalet rullar i lagret ökas med upp till två för lager i serie 23 och med upp till tre för lager i serie 22.
Efter teoretiska studier och simuleringar testades den nya konstruktionen under ett år. Det slutliga valideringstestet pågick i 1 000 timmar. Många storlekar av SKFs högpresterande cylindriska rullager har nu med framgång varit i drift i olika vindturbinapplikationer i flera år. Inspektioner under driftperioden har visat lagrens överlägsna prestanda i dessa applikationer.
Slutligen, för att uppfylla de ständigt hårdare kraven på lägre friktion och därmed lägre energiförbrukning introducerade SKF konceptet energieffektiva rullningslager 2007. SKFs första energieffektiva (E2) cylindriska rullager (Se bild 10) är medelstora lager i serie NJ. Jämfört med SKFs nuvarande standardlager uppvisar de nya cylindriska rullagren SKF E2 en friktionsminskning med upp till 85 procent i axiellt belastade applikationer (Se bild 11). De har också högre dynamisk bärförmåga eftersom de innefattar SKF Explorers egenskaper. Dessa nya
extremt lågfrikterande lager är avsedda för många olika applikationer, men huvudfokus ligger på industriella tillämpningar och vindturbinväxlar.
De viktigaste egenskaperna är lägre friktion, vilket ger lägre drifttemperatur, förbättrade smörjförhållanden och högre axiell bärförmåga. Detta kombineras med lägre energiförbrukning och högre verkningsgrad med därtill hörande lägre kostnader och emissioner, plus högre gränsvarvtal (+10 procent jämfört med standard). Denna senaste utveckling inom cylindriska rullager ger längre brukbarhetstid och högre tillförlitlighet. De nya lagerkonstruktionerna följer den mångåriga traditionen av rullager som har uppfyllt var tids krav.
