Lagerlösung für Vakuumpumpen und Verdichter

SKF hat ein verbessertes und erweitertes Katalogangebot an einreihigen Schrägkugellagern der Explorer Leistungsklasse vorgestellt, die sich für Anwendungsbereiche wie Schraubenverdichter und -pumpen, einschließlich industrieller Vakuumschraubenpumpen, eignen. Diese Lager können nicht nur zu einer höheren Leistungsdichte führen, sondern auch die Leistung und Effizienz von Maschinen steigern, indem sie einen Betrieb bei höheren Drehzahlen und geringerer Reibung ermöglichen und gleichzeitig Kostenwettbewerbsfähigkeit, globale Verfügbarkeit und Service bieten.

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Typischer Verdichter oder typische Vakuumpumpe mit Doppelschraubentechnik

Druckluft wird oft als der vierte Energieträger bezeichnet, und daher sind die Zuverlässigkeit und Effizienz von Verdichtersystemen für die meisten Produktionsanlagen von kritischer Bedeutung. Ein in Industriebetrieben gängiger Kompressortyp ist der Doppelschraubenverdichter. Immer mehr moderne Produktionsprozesse benötigen neben Druckluft auch Atmosphären mit verschiedenen Vakuumwerten. Vakuumpumpen, die den Luftverdichtern in der Regel sehr ähnlich sind, werden in vielen Industriezweigen eingesetzt, u. a. in der Lebensmittel-, Getränke- und Verpackungsindustrie, in der optischen, elektronischen und Halbleiterindustrie sowie in der chemischen, pharmazeutischen und Glasindustrie, wo sie für industrielle Beschichtungsverfahren wie PVD (Physical Vapour Deposition) und CVD (Chemical Vapour Deposition) verwendet werden. Vakuumpumpen kommen sogar bei groß angelegten wissenschaftlichen Experimenten zum Einsatz, wie beispielsweise bei Gravitationswellendetektoren.

Ähnlich wie Doppelschraubenverdichter arbeiten Vakuumschraubenpumpen mit zwei ineinandergreifenden Schraubenwellen, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen. So wird das Gas zwischen den Schrauben eingeschlossen und zur Ausgangsseite transportiert, während die Gasmenge im abgedichteten Behälter auf der Eingangsseite vermindert und der Druck auf den gewünschten Vakuumwert reduziert wird. Die Lager, auf denen die Schraubenrotoren gelagert sind, stellen betriebswichtige Komponenten dar: Sie nehmen die durch den Gasdruck entstehenden Belastungen auf und sorgen für eine genaue radiale und axiale Wellenpositionierung, die für die Effizienz von Schraubenmaschinen äußerst wichtig ist.

Künftig werden auf dem Verdichter- und Pumpenmarkt höhere Drehzahlen, kompakte Konstruktionen, eine noch genauere axiale Wellenpositionierung und eine robuste Leistung der Stützlager erwartet. Die Stützlager (auch Anstell-Lager oder Backup-Lager genannt), die das Axialspiel der Lagerung und damit den Spalt zwischen Wellen und Gehäuse beeinflussen, können von einer Kombination aus hohen Drehzahlen und niedrigen Belastungen beeinträchtigt werden. Bei Vakuumschraubenpumpen sind die Drehzahlen, die Effizienz (durch geringe Dichtspalte) und eine geringe Wärmeentwicklung von entscheidender Bedeutung.

Schraubenverdichter mit einreihigen 25°-Schrägkugellagern

Verbesserte Lagerkonstruktion

SKF hat sich bereits auf diese neuen Anforderungen eingestellt. Es wurden nicht nur verschiedene Verbesserungen an der Lagerkonstruktion vorgenommen, sondern es wurde auch ein völlig neues Lagersortiment entwickelt, um sicherzustellen, dass die einreihigen SKF Explorer Schrägkugellager die aktuellen und zukünftigen Leistungsanforderungen erfüllen. Die erste Innovation war ein neuer Käfig mit deutlich verbesserter Geometrie und einem neuartigen Messingmaterial, das höhere Drehzahlen bei geringerer Reibung ermöglicht.

Zudem nahm SKF eine Lagervariante mit einem Berührungswinkel von 25° in das Schrägkugellager-Standardsortiment auf. Beide Lagerkonstruktionen sind mit dem neuen verbesserten Käfig ausgestattet. Im Vergleich zur Lagervariante mit dem 40°-Berührungswinkel ermöglicht der kleinere Berührungswinkel von 25° den Betrieb des Lagers bei höheren Drehzahlen, wobei es sich auch als Stützlager bei leichten Belastungen besser verhält. Und gegenüber den 40°-Lagern sind die 25°-Lager auch radial höher belastbar, was von Vorteil ist, wenn die Anwendung hauptsächlich Radiallasten aufnimmt. So bieten diese Lager beispielsweise gute Downsizing-Möglichkeiten bei Maschinenkonstruktionen. Außerdem gewährleistet das Angebot als Standardkatalogausführung eine weltweite Verfügbarkeit mit kurzen Lieferzeiten.

Ein weiterer entscheidender Vorteil dieser 25°-Baureihe besteht darin, dass diese Lager mit anderen 25°- und 40°-Lagern universell gepaart werden können, das heißt, sie lassen sich in Duplex- oder Triplex-Anordnungen zusammensetzen, ohne dass ein Messvorgang erforderlich ist.

Das Schrägkugellager-Standardsortiment wurde um eine Lagervariante mit einem Berührungswinkel von 25° erweitert.
Berechnungsergebnis aus einem Vergleich von Lagern mit Berührungswinkeln von 25° und 40°
Vergleich der Lagertemperaturen von einreihigen fettgeschmierten Schrägkugellagern mit Messing-Massivkäfig
Vergleich der Grenzdrehzahlen von einreihigen Schrägkugellagern mit Messing-Massivkäfig

Konstruktionsbeispiel

Ein Kunde bat um technische Unterstützung bei der Validierung eines Konstruktionsvorschlags für eine neue Generation von Vakuumschraubenpumpen. Daraufhin führte SKF unter Verwendung des 3D-Simulationsprogramms SimPro eine umfassende Analyse des Lagersystems durch. Die Simulationsergebnisse zeigten einige Risiken beim Einsatz von 40°-Schrägkugellagern auf, wie beispielsweise eine geringere rechnerische Lebensdauer, beträchtliche Berührungswinkelschwankungen und höhere Reibungsverluste. Dabei ist auch zu beachten, dass bei sehr hohen Geschwindigkeiten die auf die Kugeln wirkenden Fliehkräfte eine Rolle spielen; ein kleinerer Berührungswinkel sorgt unter solchen Bedingungen für eine bessere Kinematik.

Die Drehzahlen der analysierten Vakuumpumpen waren im Vergleich zu ähnlich großen Schraubenverdichtern höher, während die axialen Belastungen etwas geringer waren. Die Analysen ergaben, dass die beste Konstruktionslösung eine Duplex-Lageranordnung war, die aus den neuen SKF Explorer Lagern mit einem 25°-Berührungswinkel und einem geringen Spiel bestand. Die Berechnungsergebnisse, die in den nachfolgenden Diagrammen dargestellt sind, zeigen deutlich die Leistungsunterschiede hinsichtlich der berechneten Lebensdauer und der reduzierten Leistungsverluste.

Mit dem SKF Simulationstool SimPro wurde die nichtlineare Lagerdynamik eines Vakuumschraubenpumpensystems im Detail analysiert.

Vorteile durch die neuesten Verbesserungen

Dank der neuesten Verbesserungen des einreihigen SKF Explorer Schrägkugellagersortiments können die Kunden zahlreiche Vorteile nutzen, einschließlich der Kosteneffizienz, die sich aus der Verfügbarkeit eines Standardsortiments ab Lager ergibt. Was die Leistung anbelangt, so können die 25°-Schrägkugellager bei höheren Drehzahlen betrieben werden. Sie sind auch als Stützlager bei leichten Belastungen besser geeignet. Die höhere radiale Belastbarkeit kann auch für raumsparende Maschinenkonstruktionen genutzt werden. Die neue, verbesserte Konstruktion des Messing-Massivkäfigs sorgt für einen ruhigeren Lauf und geringere Reibungsverluste. Die Konstruktionsmöglichkeiten sind äußerst flexibel: Es stehen drei Lagerluft- und drei Vorspannungsklassen zur Auswahl. Da sowohl die 40°- als auch die 25°-Lager universell paarbar sind, gestalten sich Logistik, Lagerhaltung und Maschinenmontage insgesamt äußerst unkompliziert. All diese Vorteile werden durch die globale Reichweite und die kurzen Lieferzeiten von SKF noch gesteigert.

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