Grease lubrication mechanisms in rolling bearing systems

Fettsmörjning i system med rullningslager

Fettsmörjning har tydliga fördelar framför oljesmörjning: Fett läcker inte så lätt, har tätande egenskaper och skyddar lagerytor mot korrosion. Nackdelar är fettets begränsade livslängd och bristande kylförmåga. I vissa inbyggnader finns dessutom risk för utarmad smörjning, vilket betyder reducerad smörjfilm. Men med rätt fett, rätt tätningar och rätt smörjsystem erbjuder fettsmörjning klara fördelar. Denna artikel är baserad på en ny bok, skriven av ingenjörer vid SKF [12], och sammanfattar olika aspekter av fettsmörjning i rullningslager.

Författare: Piet M Lugt, SKF Engineering & Research Centre, Nieuwegein, Nederländerna

Tillståndsövervakning Cylindriska rullager Spårkullager Maskiner och inventarier Underhåll Övrig industri Tillförlitlighet Forskning och teori

Sammandrag

Fettsmörjning erbjuder många fördelar jämfört med oljesmörjning, men att välja rätt fett är en komplicerad uppgift. Förståelse för smörjningens mekanismer gör det enklare att välja rätt fett och rätt mängd för en specifik tillämpning, med syfte att upp­fylla förväntad lagerlivslängd. Ingenjörer vid SKF publicerade i januari 2013 en ny bok på förlaget John Wiley & Sons Ltd [12]. Boken täcker de senaste rönen om fettsmörjning och dess särskilda problematik.

Relaterade länkar

Grease Lubrication in Rolling Bearings

Faser i fettsmörjning
Fettsmörjning är en dynamisk process som grovt kan delas in i tre faser, enligt figur 1.

Efter den inledande fyllningen eller efter eftersmörjning befinner sig fettet mellan rullkropparna, vilket leder till höga ältningsförluster vid start eller inkörning. Under denna fas, som även kallas ältningsfasen, pressas fettet undan och bildar reservoarer i delar av lagret där rullkropparna inte passerar (på tätningarna, hållaren eller lagerringarnas skuldror). Härifrån kommer fettet långsamt att förse löpbanorna med smörj­medel, genom antingen blödning eller skjuvning. I denna andra fas, blödningsfasen, styrs smörjfilmen av en tillförsel- och förlustmekanism [20] där löpbanorna matas av fett från reservoarerna, men där smörjmedel också går förlorat på grund av sidoflöden och oxidation. Detta kan leda till utarmning, speciellt i tätade lager där fettreservoarerna är mindre. En annan matningsmekanism är tillfällig påfyllning som beror på uppmjukning av fettet nära kontaktpunkter på grund av lokal värmeutveckling [14]. Detta orsakas i sin tur av tillfällig filmnedbrytning.

Förr eller senare kan reservoarerna vara tomma eller såpass försämrade att påfyllning inte längre kan ske. Om lagret inte eftersmörjs uppstår allvarlig nedbrytning av smörjfilmen. Detta markerar slutet på fettets livslängd. Efter denna punkt uppstår lagerskador och haveri.

Bildning av fettreservoarer
Hur snabbt fettreservoarerna bildas beror på fettets flytegenskaper, dess reologi. Dessa egenskaper styr även den fysiska nedbrytningen av fettet.

Smörjfett uppvisar ett viskoelastiskt beteende, vilket innebär att viskositeten hos fettet är en funktion av både skjuvning och skjuvhastighet. Figur 2 visar viskositeten som funktion av skjuvhastigheten, uttryckt i form av de olika modeller som ofta används. Här framgår att viskositeten är mycket hög vid låga skjuvhastigheter. Detta innebär att motståndet mot flödet kommer att vara mycket stort om fettet inte sätts i rörelse – det vill säga när det befinner sig utanför rullkropparnas rörelseområde. Denna egenskap kallas även konsistens. Under ältningsfasen kan fettet förlora en del av sin konsistens. Förmågan att bevara konsistensen kallas mekanisk stabilitet.

Viskositeten hos smörjfett är så hög vid mycket låga skjuvhastigheter att endast krypflöde förekommer, och fettet förefaller ha en fast konsistens. Som framgår av figur 2 uppvisar fettet skjuvförtunning, vilket är när fettets viskositet minskar väsentligt med ökande skjuvning.

Vid mycket höga skjuvhastigheter kan fettviskositeten närma sig basoljans viskositet. Så stora skjuvhastigheter förekommer i smörjfilmerna mellan rullkroppar och löpbanor. Tillsammans med oljeblödning är detta anledningen till att filmtjockleken i fettsmorda lager vanligen beräknas baserat på basoljans viskositet, ηoil.

Fettreologin kan beskrivas med olika modeller som illustreras i figur 2.

Filmtjocklek
Båda basolja och förtjockningsmedel kommer in i lagret [2]. Smörjfilmens tjocklek i fettsmorda lager bestäms av gränsskikten som bildas av förtjockare hR och av den hydrodynamiska verkan hos basoljan hEHL (elastohydrodynamisk smörjning) [4]). När det gäller det sistnämnda kan basoljan också beaktas, av de skäl som nämns ovan. Filmtjockleken, hT, är därför:

hT = hR + hEHL (1)

Fettsmorda lager körs ofta under så kallade utarmade smörjförhållanden, där mängden tillgänglig olja är starkt begränsad och där smörjfilmens tjocklek primärt är en funktion av tillgänglig oljemängd (fig 3). Förändringen i oljetillgång ges av skillnaden mellan matningen till (blödning [3, 21]) och förlusten av smörjmedel från löpbanorna [20]. Oljan i löpbanan går förlorad på grund av det tvärgående flöde som orsakas av det höga trycket i kontakterna mellan rullkroppar och löpbanor [18]. En viss påfyllning kan ske [6]. Men med undantag för mycket låga hastigheter och basoljor med låg viskositet är detta en mycket långsam process [7]. Skjuvning och medtransport på grund av kulrotation har troligen större effekt [5]. Både kulrotationen och de mindre kontaktytorna gör påfyllning lättare för kullager än för rullager. Det är en av orsakerna till att rullager kräver fett med större blödning än kullager [11]. Vid högre temperaturer har även oxidation och förångning inverkan på filmtjockleken. Material kan gå förlorat på grund av oxidation och förångning [19, 15]. Detta kommer dock även att förändra viskositeten och smörjförmågan.

Dynamiskt uppträdande
Utarmad smörjning innebär att filmtjockleken minskar och fortsätter minska tills lagret inte längre får tillräcklig smörjning. Metallisk kontakt orsakar lagerskador eller kan orsaka tillräcklig värmeutveckling för att reducera viskositeten hos smörjmedlet nära kontaktytan för påfyllning, vilket leder till skada. I det senare fallet ökar filmtjockleken på nytt, vilket resulterar i tillräcklig smörjning tills nästa skada inträffar. Detta kan upprepas ett antal gånger, beroende på fettets förmåga att återställas, vilket i sin tur beror på i vilken utsträckning det kan behålla sin fluiditet. Figur 4 visar ett exempel på temperaturprofilen hos ett cylindriskt rullager som körs under självinducerad temperatur [14].

Fettlivslängd och eftersmörjning
Ett fetts livslängd definieras som tiden fram till den punkt då det inte längre smörjer lagret. Denna tid kan vara lång, och därmed svår att mäta i en lagertestrigg. För att påskynda ett sådant test värms lagrets ytterring. Detta accelererar fettets åldring och minskar dess viskositet. Ett exempel på en sådan testrigg är fettlivslängdstestaren R0F+ [13].

Säker drift
Smörjfetter utvecklas för att fungera i ett relativt smalt temperaturområde. Den maximala temperaturen, som kallas övre temperaturgränsen (HTL), bestäms av droppunkten, temperaturen då fettet irreversibelt förlorar sin struktur. Denna temperatur får aldrig överskridas.

Den maximala säkra temperaturen ligger lägre, vid den så kallade övre temperaturprestandagränsen (HTPL).

Den nedre temperaturgränsen (LTL) är den lägsta temperaturen vid vilken fettet tillåter lagret att komma i rotation utan svårighet. Denna gräns brukar mätas med ett startmomenttest. Den lägsta säkra temperaturen ligger högre, och kallas den nedre temperaturprestandagränsen (LTPL) [1]. I zonen mellan dessa säkra temperaturer är fettlivslängden en funktion av temperaturen. Som tumregel gäller att fettlivslängden inom detta område halveras för varje temperaturökning med 15 °C.

Modeller för fettlivslängd
Olika modeller kan användas för att förutsäga fettlivslängd (eller fastställa eftersmörjningsintervall). Alla modeller är empiriska och baseras på fettlivslängdstest. Fettlivslängd definieras som L10-livslängden – med andra ord tiden vid vilken 10 procent av en stor population av lager har havererat. Eftersmörjning ska ske innan fettet har nått slutet av sin livslängd, så att inga lagerskador uppstår. SKFs eftersmörjningsmodell bygger på L01, med antagande av att L10 = 2,7 L01, som är tiden när endast 1 procent av lagren skulle ha havererat. Eftersmörjning är alls inte enkel. För mycket fett håller lagret kvar i ältningsfasen, med höga friktionsförluster och höga temperaturer. Figur 5 visar fettets livslängd i ett lätt belastat slutet spårkullager som en funktion av varvtal, lagrets medeldiameter, drifttemperatur och fettyp (fettprestandafaktor). Korrigeringsfaktorer kan användas för inverkan av lagerbelastning. Modeller för andra lagertyper baseras på samma modell, men andra korrigeringsfaktorer används. Dessa anges i SKFs huvudkatalog [1].

Åldring
Fettets mekaniska och kemiska egenskaper ändras medan fettet utsätts för ältning och oxidation i lagret. Typen av oxidation beror på driftförhållandena: Fysisk åldring dominerar vid lägre temperaturer och högre hastigheter, medan kemisk åldring dominerar vid höga lagertemperaturer [9]. Fysisk åldring leder till förändring av fettets reologiska egenskaper, vilket resulterar i läckage, minskad förmåga att blöda basolja och minskad förmåga att fylla på smörjmedel i kontakterna. Kemisk åldring beror främst på oxidering. Antioxidanter fördröjer denna process, men när dessa har förbrukats leder oxidation till förlust av smörjmedel på grund av ombildning till flyktiga produkter och bildning av lack som inte har förmågan att smörja lagret [9].

Fettsmörjningens mekanismer i tätningar
De viktigaste skillnaderna mellan fett och olja för smörjning av tätningar är relaterade till utarmning (påfyllning av olja till tätningsläppen) och filmbildning i gränsskiktet av förtjockningsmedlet. Fettpåfyllning i kontakt orsakas av skjuvkrafter och oljeblödning från fettet. Fettets tätningsverkan beror på dess styvhet. Ju styvare fettet är desto mindre tenderar det att rinna bort från tätningen. Dessutom bildar fettet fickor mellan läpparna i flerläppstätningar, och gör det svårt för förorenande partiklar att passera. I fall av tryckskillnader över tätningen kommer endast en liten del av fettet att förflyttas och föra med sig förorenande partiklar.

Smörjningssystem
I situationer där fettet inte kan ge lagret tillräcklig brukbarhetstid, eller i fall av förorening med partiklar eller vatten, kan eftersmörjning lösas med hjälp av smörjsystem. Sådana system består av pumpar, rör, ventiler, fördelare och styrsystem. Fetter som är enkla att pumpa med smörjsystem är inte nödvändigtvis optimala för de aktuella lagren. Smörjsystem ska konstrueras för att kunna hantera de typer av fett som passar lagren bäst.

Konstruktionen styrs av fettets flytegenskaper – eller pumpbarhet. SKF har utvecklat ett program för test av fetters pumpbarhet, som beaktar olika aspekter enligt nedan (SKFs testmetod anges inom parentes):

1. Leverans
(a) Flödesmotstånd (FTG5 och Lincoln Ventmeter)
(b) Komprimerbarhet (FTG1)
(c) Tryckurluftning (FTG3 och Lincoln Ventmeter)

2. Flytbarhet
(a) Flödestryck
(b) Oältad penetrering
(c) Leveransindex för pumpenhet (FTG4)
(d) Funktion hos pumpenhet

3. Oljeavskiljning (och härdning):
Fetthärdning under tryck (FTG2)

Tillståndsövervakning
För att mäta lagrets (smörjningens) tillstånd under drift brukar vanligen vibrationsnivåerna mätas. Men det blir allt vanligare med mätmetoder baserade på akustisk emission [16]. Offline kan fettets tillstånd mätas via oljeblödning, oljehalt, konsistens, partikelföroreningar och oxidation (FTIR-spektroskopi). Det finns teknik för att bestämma återstående fettlivslängd baserat på resultaten från dessa mätningar [10].

Slutsatser
Under de senaste decennierna har SKF vunnit stor kunskap om fett. I dag är det möjligt att med god precision förutsäga ett smörjfetts utveckling och att övervaka dess återstående livslängd. Effektiv tätning ökar livslängden hos ett lager som arbetar i förorenad miljö. Fett ger ytterligare tätande verkan. Smörjsystem kan användas för att regelbundet förse ett lager med nytt fett.

Referenser

Relaterat innehåll