Umfassendes Wissen über Schmierung ist für einen Wälzlagerhersteller unverzichtbar. SKF nutzt ihr spezielles Wissen in diesem Bereich, um nachhaltige Produkte und Dienstleistungen zu entwickeln, die sich besonders auch durch eine verbesserte Energieeffizienz und längere Lebensdauer auszeichnen

 

 

Bei der Produktentwicklung von Lagern und Dichtungen ist das Verständnis der Vorgänge bei Fettschmierung von großer Bedeutung, da die Mehrzahl der Lagerausfälle durch ungeeignete Schmierung verursacht wird.

SKF hat die Kompetenz, um Schmierstoffe und deren Auswirkungen auf das Lagerlaufverhalten zu analysieren. Hierbei kommen eine Vielzahl hochentwickelter chemischer Verfahren, Mess- und Prüfeinrichtungen zur Anwendung.

Der Schmierstoff und das Schmiersystem sind häu im Lagersystem integriert, wofür anwendungsorientiert spezielle Fette eingesetzt werden. Zwar stellt SKF selbst keine Schmierfette her, aber in Zusammenarbeit mit bevorzugten Zulieferern hat SKF sowohl für die Erstbefüllung als auch für den Ersatzbedarf eine Schmierstoffreihe entwickelt.

Die Kompetenz im Bereich Schmierung erstreckt sich auch auf automatische Schmierstoffgeber, Mehrpunkt- und Einzelpunktschmierstoffgeber, Zentralschmiersysteme sowie Verbrauchsschmieranlagen und zentrale Umlaufschmieranlagen.

SKF bietet darüber hinaus Schulungen zum Thema Schmierstoffauswahl, Umgang mit Schmierstoffen, Kontrolle, Entsorgung und Betriebssicherheit an. Die SKF Geschäftseinheit, Engineering and Consultancy Services, unterstützt bei der Entwicklung von Produkten, die sich auf umlaufende Wellen und Lageranwendungen beziehen, da die Schmierung (besonders mit Fett) hier eine besondere Bedeutung hat. Damit umfasst die komplette SKF Schmierungslösung Anwendungstechnik, Beratung, Schulung, Schmierungsmanagement, Zustandsüberwachung, Betriebssicherheit, technischen Support, Werkzeuge, Produkte und Systeme.

FETTSCHMIERUNG IN LAGERANWENDUNGEN
Das perfekte Lager wäre schmierungsfrei. Zum Trennen der Wälzkörper von den Laufbahnen ist jedoch Schmierstoff nötig, um Schäden durch (Mikro)gleiten zu verhindern. Das ideale Trennmittel ist eine Flüssigkeit, die in der Lage ist, Schubspannungen mit nur geringen Reibverlusten aufzunehmen und die Lageroberfläche regenerieren kann (Selbstheilungseffekt).

Aufgrund seiner Eigenschaften insbesondere der Konsistenz wird die Verwendung von Schmierfett bevorzugt eingesetzt. Die Handhabung ist einfach und es erfüllt eine gewisse Dichtungsaufgabe, da es nicht ausläuft. Fett schützt gegen Korrosion und verringert, verglichen mit Ölschmierung, die Reibung, vorausgesetzt, dass ein qualitativ gutes Fett mit idealem Füllgrad verwendet wird.

Ein Schmierfett hat eine endliche Lebensdauer [2,3], die im Allgemeinen kürzer als die Lagerermüdungslebensdauer ist [1]. Es gibt verschiedene leistungsfähige Lagerlebensdauer-Berechnungsmodelle. Da die Fettlebensdauer oft die Gebrauchsdauer des Lagers stark beeinflusst, ist auch ein Fettlebensdauermodell sehr wünschenswert. Leider ermöglicht die Komplexität der Fettschmierung [2] bisher kein physikalisches Modell für die Vorhersage der Fettlebensdauer. Deshalb hat SKF ein empirisches Modell erarbeitet, mit der die Fettlebensdauer (oder die Nachschmierfrist) berechnet werden kann. Es basiert auf einem „Fett in guter Qualität“.

Für lebensdauergeschmierte Rillenkugellager hat SKF den Fettleistungsfaktor (Grease Performance Factor – GPF) eingeführt [3] (Bild 1). Ein GPF von 1 entspricht der Leistung eines Fettes „guter Qualität“. Viele Fette übertreffen den Standard „gute Qualität“ und ergeben ein GPF>1. Bild 1 zeigt die Fettlebensdauer in Abhängigkeit der Temperatur, Geschwindigkeit (n dm) und der Fettqualität. [3].

SKF empfiehlt Betriebstemperaturgrenzen innerhalb der genormten Temperatureinsatzgrenzen (Bild 2). Innerhalb der empfohlenen Leistungsgrenzen („grüner Bereich“) des SKF Ampelkonzepts, wird das Fett zuverlässig funktionieren und die Fettlebensdauer (bzw. Nachschmierfristen) können ermittelt werden [8]. Außerhalb des grünen Bereichs sollten Temperaturen im gelben Bereich nur kurzzeitig auftreten. Mit der Zeit, Temperatur, mechanischen Beanspruchung, Alterung und möglichem Eindringen von Verunreinigungen verschlechtert sich das Fett im Lager und verliert seine Schmierfähigkeit. Nach der Erstbefüllung während der Montage kann zusätzliche Nachschmierung die gewünschte Gebrauchsdauer ermöglichen. Für einen sicheren Betrieb sind drei Faktoren für die Nachschmierung wichtig: der Fetttyp, die Fettmenge und die Häukeit der Anwendung. Die zugeführte Menge und Häukeit der Nachschmierung hängt von den Betriebsbedingungen und der Art der Zuführung ab: manuell oder mittels eines automatischen Schmiersystems. Diese Kenntnis wird in Expertensystemen zum Ausdruck gebracht: LubeSelect, LuBase und DialSet, die über das Internet erhältlich sind.

PHYSIK DER FETTSCHMIERUNG
Für die Vorhersage des Fettverhaltens im Lager ist das physikalische und chemische Verständnis der Fettschmierung unerlässlich. Versuche zur Fettlebensdauer unter Anwendungsbedingungen sind normalerweise nicht durchführbar. Eine Anwendung wird in der Regel für eine sehr lange Lebensdauer ausgelegt und dies würde zu unannehmbar langen Prüfzeiten führen. Praktisch werden daher strengere Prüfbedingungen als in der Anwendung festgelegt (d.h. höhere Temperaturen und/oder höhere Drehzahlen). Außerdem werden manchmal Fettlebensdauerprüfmaschinen abweichend vom Anwendungsfall mit genormten Lagern bestückt.

Das Schmierfettverhalten hängt nicht allein von den Fetteigenschaften ab, sondern auch von der inneren Geometrie des jeweiligen Lagertyps. Selbst bei ein und demselben Lagertyp ist das Schmierstoffverhalten von der inneren Geometrie abhängig. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die Innenabmessungen, Dichtungslösung, Kägestaltung und der Käwerkstoff.

Wenn die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Schmierfette bekannt sind, können die Prüfergebnisse für Bedingungen, für die keine Prüfdaten vorliegen, „extrapoliert“ werden. Ferner werden Prüfdaten zum Validieren von physikalischen Modellen, die für Fettschmierung entwickelt wurden, verwendet. Das Forschungs- und Entwicklungszentrum der SKF (ERC) hat dem Stand der Technik entsprechendes Wissen und Modelle in Tribologie/Schmierung und Physik/Chemie entwickelt, um ein besseres Verständnis der Fettschmierung und der Vorhersage zu erlangen. Diese schließen wissenschaftliche Gebiete wie Rheologie, Strömungsdynamik, Chemie, elastohydrodynamische Schmierung (EHD) sowie Statistik ein.

Im frühen Stadium des Lagerbetriebs fließt das Fett. Das meiste Fett wird sich nach und nach neben den Laufbahnen ansammeln, einiges verbleibt im „bestrichenen Bereich“ (swept area). Die interne Fettverteilung im Lager während und nach diesem Vorgang erfordert ein Verständnis der Strömungsdynamik und der rheologischen Eigenschaften des Fettes. Die Anwendung der Theorie der Strömungsdynamik auf die Fließeigenschaften des Schmierfettes ist nicht einfach, da das Schmierfett keine echte Flüssigkeit darstellt. Noch komplexer wird das Problem aufgrund der Tatsache, dass das Fett im Lager aufgrund mechanischer und thermischer Beanspruchung stark altert. Die Theorie der Flüssigkeitsdynamik/Rheologie wird auch angewendet, um die Eigenschaften des Fettes bezüglich Ölabgabe vorherzusagen. Das Verständnis der Chemie bei der Fettschmierung ist zur Vorhersage der Oxidation des Grundöls und des Verdickungsmittels wichtig [4]. Außerdem bestimmt die Fettchemie die Eigenschaften bei Mischreibung.

Es wird angenommen, dass Schmierfett einen trennenden Film bildet, der ein Grenzfilm sein kann oder durch hydrodynamische Vorgänge gebildet wird. Bei Wälzlagern erzeugt die elastische Verformung der Körper im Kontakt eine günstige Einlassgeometrie für die Filmbildung. Dieses Phänomen wird „Elastohydrodynamische Schmierung“ (EHD) genannt. Diese Technik ist für die Ölschmierung gut, für die Fettschmierung allerdings noch nicht entwickelt. Bei der Fettschmierung wird die Filmdicke durch das Vorhandensein von Schmierstoff auf den Laufbahnen (allgemein mit „Teil-EHD“ bezeichnet [5]) und durch Verdicker“teilchen“ dominiert. Bild 3 zeigt ein Interferenzbild in einem fettgeschmierten Kontakt. Der Film ist aufgrund von Verdickerteilchen, die in den Kontakt eintreten, nicht gleichmäßig.

Außerdem ist der Fettschmierungsvorgang nicht deterministisch. Darüber hinaus gibt es eine statistische Fehlerverteilung, die die Vorhersage noch komplexer gestaltet. SKF besitzt fundierte Kenntnisse der Weibull Statistik, um Lagerlebensdauer- und Fettlebensdauerdaten auszuwerten [6].

FETTPRÜFUNG
Zur Vorhersage der Schmierfettlebensdauer im Lager hat SKF Prüfmaschinen entwickelt, die in der gesamten Industrie verwendet werden. Traditionsgemäß waren dies die R0F (Kugellager) und R2F (Pendelrollenlager) Prüfmaschinen. Die R0F Prüfmaschinen wurden verbessert (R0F+), wodurch sie sehr flexibel hinsichtlich Drehzahl, Belastung und Temperatur wurden. Eine große Anzahl R0F und R0F+ befinden sich im SKF Forschungszentrum ERC, wo 140 Tests gleichzeitig durchgeführt werden können (Bild 4).

Zusätzlich zu den Fettlebensdauerversuchen werden auch Funktionsuntersuchungen wie Anfangsdrehmoment, Reibung, Korrosionsbeständigkeit, Schwingungen (V2F), Fettgeräusch (BeQuiet+) usw. durchgeführt. Ein gut ausgerüstetes Chemielabor unterstützt die Auswertung der Prüfergebnisse.

PRODUKTENTWICKLUNG UND FETTSCHMIERUNG
Mehrere Beispiele demonstrieren, wie das Verständnis der Fettschmierung die Entwicklung neuer Produkte beeinflusst hat, einschließlich einer neuen Generation der SKF Energieeffizienten Lager. Bild 5 zeigt ein SKF Energieeffizientes (E2) Rillenkugellager. SKF E2 Rillenkugellager weisen verglichen mit vergleichbaren Standard SKF Lagern bei derselben Abmessung mindestens 30% niedrigere Reibungsverluste auf. Für Anwendungen mit Fettschmierung konzipiert, verbrauchen SKF E2 Lager auch weniger Schmierstoff.

Ein Vergleich der Fettlebensdauer in einem Standard- und einem SKF E2 Rillenkugellager (Bild 6) zeigt, dass sich die Fettlebensdauer verdoppelt, was sich auch in einer effektiv verdoppelten Gebrauchsdauer des Lagers widerspiegelt. Die Reibungsverringerung kann der verbesserten Fettschmierung zugeschrieben werden, d.h. ein einzigartiges Fett kombiniert mit verbesserter innerer Geometrie und neuer Käausführung. Das zeigt beispielsweise auch, wie die Fettentwicklung in die Lagerkonstruktion integriert wurde.

Ein neues Fett mit ausgezeichneten Eigenschaften zur Verhinderung von Riffelbildungen (False Brinelling) für Blatt- und Azimutlager in Windkraftanlagen entstand, nachdem SKF ihren hauseigenen Prüfstand samt Verfahren für Riffelbildung weiterentwickelte. Bild 7 stellt grafisch die Testergebnisse mit einem Standardfett und dem neuen Blatt- und Azimutlagerfett dar, wobei die Reibung in Abhängigkeit der Zahl der Schwingungen aufgezeichnet wurde. Ein Versagen steht kurz bevor, wenn die Reibung über die Zeit ständig zunimmt. Die blauen Kurven zeigen die Messungen für handelsübliches Fett. Die grünen Kurven sind die Messergebnisse mit dem SKF LGBB 2 Fett. Es bildet eine Tribo-Schutzschicht und zeigt sehr geringe Reibwerte über viele Zyklen auf, was zu einer langen Gebrauchsdauer im Lager führt.

Bild 8 zeigt das Betriebsfenster für verschiedene Fette unter blattlagerungsähnlichen Bedingungen. Im Fall von partiellem Gleiten sind die Schwingungen so gering, dass das Zentrum des Hertzschen Kontakts feststeht und Gleiten nur im Randbereich des Kontakts auftritt. Gesamtgleiten tritt ein, wenn die Schwingungen so stark sind, dass selbst im Zentrum des Kontakts Gleiten möglich ist. Reibverschleiß tritt normalerweise bei geringen Oszillationen auf, sodass harte Verschleißpartikel nicht aus dem Kontakt herausgespült werden können. Das SKF LGBB 2 Fett besitzt ausgezeichnete Reibverschleiß hemmende Eigenschaften und kann auch bei starken Oszillationen verwendet werden. Das Fett hat ein gutes Niedrigtemperaturverhalten und besitzt korrosionsverhindernde Eigenschaften, wodurch es sich für Blatt- und Azimutlageranwendungen gut eignet.

Für Anwendungen in Papiermaschinen hat SKF den „SKF Polymer verdickten Schmierstoff“ oder Polymerfett entwickelt, bei dem herkömmliche Seifenverdicker durch Polymere ersetzt werden [7]. Das Polymer ist unpolar, d.h. die Seife steht nicht im Wettbewerb mit der Metalloberfläche, um die Additive anzuziehen. Herkömmliches Fett enthält 10-20% metallische Seifenverdicker (polar) und 80-90% Grundöl, einschließlich des Additivpakets. Der Schmierstoff mit Polymerverdicker enthält 10-13% unpolares Polypropylen (PP) und 87-90% Öl, einschließlich des Additivpakets. Das einzigartige Verfahren für die Bildung von Polymer verdicktem Fett ist der innovative Heiz- und Abkühlvorgang des Polymers, das im Öl gelöst ist. Dies resultiert in einer dreidimensionalen Netzstruktur, die wie ein „normales“ Fett mit Metallseifenverdicker wirkt. Das Fett erzielt im R0F Test, selbst ohne Einsatz von Additiven, eine lange Lebensdauer, wodurch es umweltfreundlicher mit gleichzeitig verlängerten Nachschmierintervallen wird. Dies wird zu geringerem Fettverbrauch führen. Das neue Polymerfett besitzt ein ausgezeichnetes Niedrigtemperaturverhalten und für seine Herstellung wird weniger Energie benötigt.

Die Anforderungen an das Fett für das Hauptwellenlager in Windkraftanlagen stehen im Zusammenhang mit der rauen Umgebung, in der das Fett hohe Zuverlässigkeit bei hoher Kontaktbelastung, niedriger Drehzahl und oszillierenden Bewegungen sowie Stillstand aufweisen muss. Zusätzliche Herausforderungen ergeben sich für Offshore Windkraftanlagen oder in kalten Klimabereichen. SKF hat drei unterschiedliche Fette für die Hauptwelle in Windkraftanlagen entwickelt. Tabelle 1 zeigt die Fetteigenschaften. Alle drei Fette sind von verschiedenen Erstausrüstern für Windkraftanlagen freigegeben und werden weitverbreitet verwendet. Die Fettauswahl hängt vom Dichtungstyp, den Betriebsbedingungen und der Umgebung ab.

SKF bietet umfassende Kundenlösungen für Hauptwellenanwendungen: Schmierfette, Gehäuse, Dichtungen, Lageranordnungen, Schmiersysteme, Wellenmuttern, Montagehilfen, Schmierstoffe sowie Analysen und Zustandsüberwachung.

FAKTEN
Durch Weiterentwicklung und Anwendung ihres Wissens aus Grundlagenforschung, Modellentwicklung und Produktentwicklung bei der Fettschmierung unterstützt SKF umweltfreundliche und nachhaltige Lösungen. Eine längere Gebrauchsdauer der Lagersysteme und verringerte Reibung führen auch zu einem geringeren Energieverbrauch. Reduzieren den Wartungsaufwand und den Schmierstoffbedarf.

SKF machte und macht kontinuierliche Fortschritte beim Verständnis aller theoretischen und praktischen Aspekte der Fettschmierung. Dieses Verständnis hat zu technischen Verbesserungen neuer Produkte in so unterschiedlichen Einsatzfällen wie beispielsweise Papierherstellung und Windkraftanlagen geführt.

Referenzen
[1] E. Ioannides, G. Bergling, and A. Gabelli. An analytical formulation for the life of rolling bearings. Acta Polytechnica Scandinavia, Mechanical Engineering.Series, Finnish Academy of Technology, (137), 1999.
[2] P.M. Lugt. A review on grease lubrication in rolling bearings. Tribology Transactions, 52(4):470-480, 2009.
[3] B. Huiskamp. Grease life in lubricated-for-life deep groove ball bearings. Evolution, 2:26–28, 2004.
[4] A. van den Kommer and J. Ameye. Prediction of remaining grease life- a new approach and method by linear sweep voltammetry. Proceedings Esslingen Conference, pages 891–896, 2001.
[5] M.T. van Zoelen, C.H. Venner, and P.M. Lugt. Prediction of film thickness decay in starved elasto-hydrodynamically lubricated contacts using a thin-film layer model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part J, Journal of engineering tribology, 223(3):541-552, 2009.
[6] T. Andersson. Endurance testing in theory. Ball Bearing Journal, 217:14–23, 1983.
[7] D. Meijer, D. Polymer thickened lubricating grease. European Patent Application, (EP 0 700 986 A3), 1996.
[8] SKF Hauptkatalog