Fördelar med rekonditionering av rullningslager

Företag har mycket att vinna på att rekonditionera använda lager. De kan minska sina driftstopp, kapa kostnader, minska kassationen och höja företagets hållbarhetsprofil.

Lager är centrala komponenter i de flesta produktionsutrustningar, och de tar mycket stryk. Vanligtvis byter man lager, antingen vid planerat underhåll då de närmar sig slutet av sin nominella livslängd, eller vid haverier. Beroende på lagertyp kan ett byte vara dyrt och ha lång ledtid. Att skrota lager som bara på papperet har nått slutet av sin livslängd kan dessutom ha negativ inverkan på ett företags hållbarhetsprofil – en aspekt som blir allt viktigare för investerare och kunder. Hur kan man då öka lagrens brukbarhetstid – och därmed minska driftstopp, kostnader och kassation? Rekonditionering är nyckeln till att lyckas (fig 1 och 2).

Kostnads- och intäktsanalyser visar att det går att spara mellan 50 och 80 procent av kostnaden för ett nytt lager genom rekonditionering – beroende på lagerstorlek, komplexitet, kondition, nypris och liknande. Dessutom kan rekonditionering av begagnade lager minska koldioxidutsläppen. Att rekonditionera 100 kilogram använda lager betyder att cirka 350 kilogram mindre koldioxid släpps ut.

Inom bland annat flygindust­rin är det normalt att demontera rullningslager i samband med underhåll eller översyn. Efter rekonditionering sätts lagren i drift på nytt [1], [2], [3].

Det behövs en internationell standard (ISO) för att definiera allmängiltiga rutiner och villkor för lagerrekonditionering. Än så länge finns det bara en nationell standard i Österrike [4]. Den publicerades 2011.

Det går att beskriva lagerlivslängd för rekonditionerade lager utgående från geometriförändring och skjuvspänning τ (τ₀, τ_u) som följd av att utmattat material tagits bort och av att rullkroppssatsen har bytts mot en ny.

Lagerlivslängd och tillförlitlighet
Generellt kan ett rullningslager inte användas och rotera i evighet, med mindre än att driftförhållandena är ideala och att utmattningsgränsen inte överskrids. Förr eller senare uppstår materialutmattning [5].

Utmattning initierad under ytan
Ett lagers livslängd anses vara tiden fram till att de första tecknen på utmattning visar sig. Lagerlivslängden är en funktion av antalet varv som lagret roterar och belastningens storlek [6 till 9]. Utmattning är följden av skjuvspänningar som cykliskt uppstår omedelbart under den lastbärande ytan hos ringar och rullkroppar (fig 3 och ekvation 1).

  S    sannolikhet för överlevnad [%]

N    antalet belastningscykler

τ0    maximal vinkelrät skjuvspänning [Pa]

  τ_ᵤ     skjuvspänning vid utmattningsgräns [Pa]

z₀     djup hos maximal vinkelrät skjuvspänning [m]

  a    kontaktlinje i tvärriktning [m]

   l    löpbanekontaktens längd [m]

  e    Weibull-exponent

c, h  exponenter i formeln för utmattningslivslängd

Efter en tid orsakar dessa spänningar sprickor under ytan, vilka efter hand fortplantar sig till ytan. När rullkropparna passerar över ytan bryts materialfragment loss. Detta kallas skalning.

Andra felmekanismer
Många andra felmekanismer är kända. De orsakas av långvarig användning i icke-ideala förhållanden eller inbyggnader. ISO 15243 [5] ger en god översikt över dessa felmekanismer, men med tanke på nya rön som vunnits finns det ett behov att revidera ISO-standarden för rullnings­lagerskador och lagerhaverier.

I mitten av 1950-talet föreslog den ledande lagerteoretikern Arvid Palmgren konceptet lager­reparation i stället för lagerbyte. Han sa: ”Den genomsnittliga brukbarhetstiden är mycket längre än den beräknade livslängden, och lager som får kortare brukbarhetstid skulle egentligen bara behöva repareras, genom att slitna komponenter byts ut.”

Detta ska inte tolkas som att ett lager är obrukbart efter att skalning eller andra skador börjat uppstå (fig 4). Begynnande skador avslöjas av ökande ljud- och vibrationsnivå. Under de senaste årtiondena har trenden gått mot reparation av lager, för att återställa ursprungligen förväntad livslängd och tillförlitlighet.

Konsekvenser
Analys av och erfarenhet från modern lagerrekonditionering visar att reparerade lager kan erbjuda nästan samma livslängd och tillförlitlighet som nya. Baserat på omfattningen av rekonditioneringen kan en representativ livslängdsfaktor, LF, fås fram som resultat av: påkänningsmätmetoder som XRD [10] (fig 5) och icke-förstörande provningsmetoder (NDT) som Barkhausen-metoden [11], mikromagnetisk mätning (3M), icke-elastisk vågspektroskopi (NEWS) [12], resonant ultraljudsspektroskopi av akustiska vågor längs ytan (RUSSAW) samt fasad ultraljudsanalys. Livslängdsfaktorn multiplicerar livslängden för ett motsvarande nytt lager med ett värde mellan 0,87 och 0,99 (fig 6).

Klassificering av rekonditionering av lager
Termer och definitioner som förekommer i samband med rekonditionering av lager förklaras nedan.

Beroende på hur mycket ett lager har använts och hur slitet det är kan rekonditioneringen delas in i fem klasser (fig 7).

Åtgärderna i de olika klasserna är numrerade, men representerar inte nödvändigtvis den faktiska åtgärdssekvensen. Särskilda avtal mellan underhållsföretaget och beställaren måste respekteras.

Skyddande behandlingar kan krävas mellan de enskilda åtgärderna. När en löpbana har skadats av utmattning initierad under ytan, se [5], kan det exempelvis inte bli aktuellt med klass III-rekonditionering. Om det där­emot handlar om ytliga skador (ytinitierad utmattning) på löpbanorna, orsakade av smuts eller skräp, kan löpbanorna ofta återställas genom honing eller slipning.

Ytterligare arbete
För rekonditionering (klass II) eller rekonditionering, nivå 1 (klass III), demonteras reparer­bara lager, komponenterna inspekteras visuellt och hårdheten hos lagerringarna mäts. De komponenter som anses kunna återställas inspekteras med avseende på mått. Vid behov kan lagrets sidplan, hål och ytterdiameter slipas eller poleras i den mån toleransgränserna tillåter. Plätering med nickel eller krom kan bli aktuell för att de ytor som ska slipas eller poleras ska återfå sina ritningsmässiga mått.

I samband med rekonditionering (klass II) sker en avsevärd materialavverkning, i syfte att ta bort ytliga skador och påverka volymen utmattat material. Ytan återställs till sina ritningsmässiga mått eller bättre. Därefter återmonteras lagret med nya rullkroppar, med diameter lika med diametern hos ursprungliga rullkroppar plus två gånger djupet av avverkningen, om toleransgränserna så kräver. De nya rullkropparna måste ha samma nominella diameter, men deras faktiska mått kan fastställas med hänsyn till lagerglappet.

Hållarna inspekteras med avseende på sprickor och repareras vid behov. De kan även bytas. Vanligtvis placeras de nya rullkropparna i hållaren, varefter lagret monteras på nytt.

I samband med rekonditionering, nivå 1 (klass III), är djupare slipning av inner- och ytterringens löpbanor på större lager acceptabel. Dessutom kan andra bearbetningsmetoder (till exempel hårdsvarvning) tillämpas. Ytliga skador tas bort och mängden utmattat material minskas. Ytan återställs till sina ritningsmässiga mått eller bättre. Lagret förses med nya rullkroppar, vars diameter är lika med diametern hos de ursprungliga rullkropparna, plus dubbla djupet av omslipningen. För cylindriska rullager ökas både rullarnas längd och diameter. De nya rullkropparnas nominella diameter överstiger vanligen den hos de ursprungliga. Denna stora ökning av rullkroppsdimensionen kan kräva rekonditionering av hållarfickorna, eller byte av hållare.

Med klart definierade rutiner och klassificeringar kan ett rekonditionerat lager uppfylla specificerade standarder och det blir möjligt att jämföra olika leverantörer av rekonditioneringstjänster.

Klass 0 – inspektion
Klass 0 omfattar inspektion av begagnade lager (eller lager som har förvarats under lång tid) och jämförelse med ritning/kravspecifikation. I processen ingår:

Obs: Vanligtvis ges en rekommendation för lämplig behandling och passande rekonditioneringsklass.

Klass I – omklassificering
Omklassificering omfattar alla inspektionsåtgärder i klass 0 samt följande:

Klass II – Rekonditionering
Rekonditionering av lager omfattar alla åtgärder inom ramen för inspektion (klass 0) och omklassificering (klass I), plus en eller flera av följande:

Klass III – Rekonditionering, nivå 1
Rekonditionering, nivå 1, för lager omfattar alla åtgärder inom ramen för inspektion (klass 0), omklassificering (klass I) och eventuell rekonditionering (klass II), plus en eller flera av följande åtgärder:

19) montering av överdimensionerade rullkroppar med större nominell diameter (se moment 13)
20) montering av ursprunglig rekonditionerad hållare, eller en ny (se moment 14)

Klass IV – Rekonditionering, nivå 2
Rekonditionering, nivå 2, för lager innebär rekonditionering enligt klasserna I-III samt ytterligare en operation:

Global åtkomst
Som en av världens ledande leverantörer av lager har SKF ett globalt nätverk av avancerade servicecentra. Via dessa får kunderna tillgång till företagets världsledande teknik för lagerrekonditionering. SKF Remanufacturing Services stöds av mer än 100 års erfarenhet av roterande maskiner.
För att rekonditionera lager använder SKF samma högkvalitativa material, metoder och maskiner som i den ursprungliga tillverkningen. Detta ger kunderna trygghet i att deras lager och tillhörande utrustning (exempelvis lagerhus) behandlas med samma höga kvalitet, noggranna arbetsprocesser och omfattande kunskap – oavsett var i världen de befinner sig. Bland fördelarna med SKF Remanufacturing Services kan nämnas:

•   ökad brukbarhetstid för lager
•   lägre livscykelkostnader
•   minskad miljöpåverkan genom återvinning av lager
•   lagren i reservdelsförrådet hålls i gott skick
•   högre tillförlitlighet för maskinparken
•   tillgång till indata för tillförlitlighetsförbättringar i lager­inbyggnader

Fördelarna med rekonditioneringsprogrammet utnyttjas maximalt när kunder även använder SKFs expertis inom förutsägande underhåll.

Referenser
[1] Zaretsky E V; Branzai E V: NASA TM-2005-212966, ”Effect of rolling bearing refurbishment and restoration on bearing life and reliability”. (2005)
[2] Zaretsky E V; Branzai E V: NASA TP-2007-214463, ”Model specification for rework of aircraft engine, poser transmission, and accessory/auxillary ball and roller bearings”. (2007)
[3] ”Optimize your assets with SKF Remanufacturing Services”. SKF Publication 6697 EN, July 2008
[4] ÖNORM M6328 2011, ”Rolling bearings – Reworking of used rolling bearings (Wälzlager – Überarbeitung gebrauchter Wälzlager)”
[5] ISO 15243:2004, ”Rolling bearings – Damage and failures – Terms, characteristics and causes”
[6] Lundberg G; Palmgren A: ”Dynamic capacity of rolling bearings”. Acta Politecnica. Mechanical Engineering Series. Kungliga Svenska Ingenjörsvetenskaps­akademien, Vol 1, No3, 7, (1947)
[7] Lundberg G; Palmgren A: ”Dynamic capacity of roller bearings”. Acta Politecnica. Mechanical Engineering Series. Kungliga Svenska Ingenjörsvetenskaps­akademien, Vol 2, No4, 96, (1952)
[8] Ioannides E; Bergling G; Gabelli A: ”An analytical formulation for the life of rolling bearings”. Acta Polytechnica Scandinavica. Mechanical Engineering Series No 137. Espoo 1999
[9] ISO 281:2007, ”Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life”
[10] Voskamp A P: ”Material response to rolling contact loading”. Trans Am Soc Mech Engineers, J Tribology 107 (1985) 359
[11] Zika T; Schimpelsberger B; Kern A: ”Barkhausen-Noise – A possibility for non-destructive grinding burns (TROOSTITE) and residual stress testing”. Science Report 2006-2007, SKF Österreich AG, AT 0802 EN. (2008) [12] Andersson B E; Griffa M; Le Bas P-Y; Ulrich TJ; Johnson P A: ”Experimental implementation of reverse time”