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Hybrid Bearing Life - Ein Realitätscheck

Hybridlager, die keramische Wälzkörper mit Stahllaufbahnen kombinieren, haben sich in vielen Anwendungen als überlegen erwiesen. Wie können Sie jedoch ihre Eignung für Ihre voraussagen? Die Antwort ist ein neues Modell für die Lagerlebensdauer, das die Lagerleistung unter realen Bedingungen bewertet und vergleicht.

Von Guillermo Morales-Espejel, Principal Scientist, Forschung und Technologieentwicklung bei SKF

Guillermo Morales-Espejel, Principal Scientist, Forschung und Technologieentwicklung, bei SKF

Guillermo Morales-Espejel, Principal Scientist, Forschung und Technologieentwicklung, bei SKF


Die Lebensdauer ist ein Schlüsselfaktor - auch wenn dies nicht die einzige Überlegung ist - bei der Auswahl der Lager. In den letzten 50-Jahren und mehr hat sich gezeigt, dass Hybrideinheiten in vielen Situationen die Leistung von Ganzstahllagern übertreffen und diese überleben. Zum Beispiel sind sie eine offensichtliche Wahl für den Einsatz mit Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinenspindeln geworden.

Keramische Werkstoffe eignen sich besonders für anspruchsvolle Schmier- und Verschmutzungsbedingungen. Ihr niedrigerer Grenzschmierreibungskoeffizient ermöglicht eine größere Effizienz, wenn die Schmierung schlecht ist, und sie neigen dazu, niedrigere Betriebstemperaturen zu zeigen.

Sie haben auch eine höhere Beständigkeit gegen Oberflächenschäden durch Partikel und sie vermeiden die Möglichkeit des Stahl-Stahl-Oberflächenschweißens. Darüber hinaus haben sie andere nützliche Eigenschaften wie einen hohen elektrischen Widerstand und ein geringes Gewicht.

Das Einsatzspektrum von Hybridlagern hat sich erweitert, auch weil die Kosten im Zuge der fortschreitenden Fertigungstechnologie gesenkt wurden. Sie sind jedoch weiterhin eine teurere Option. Ingenieure, die ihre Verwendung in Betracht ziehen, müssen wissen, ob die zusätzlichen Kosten durch Leistungsvorteile gerechtfertigt sind.

Hybridlager

Modellierungsbeschränkungen für herkömmliche Lagerlebensdauern

Traditionell geben Ingenieure Informationen zu den erwarteten Lasten und Geschwindigkeiten ihrer Anwendung in eine Gleichung ein, die die Lebensdauer der Lager bestimmt. Die dynamische Tragzahl (C) eines Lagers gibt hauptsächlich seine Leistung in Bezug auf die Ermüdung des Untergrunds an. Über Millionen von Lade- und Entladezyklen steigt die Ermüdung und das Lager fällt schließlich aus.


Bei Hybridlagern wirft dieses Lagerlebensdauermodell jedoch Probleme auf, wenn es um die Ermüdung unter der Oberfläche geht. Keramische Wälzkörper sind steifer als Stahl, so dass sie sich unter Last weniger verformen.

Das Ergebnis ist eine Konzentration der Belastung auf einer kleineren Fläche, die die Beanspruchung erhöht und die Ermüdung des Untergrunds beschleunigt. Dies kann einen ungünstigen Eindruck hinterlassen, der häufig im Widerspruch zum Nachweis der Hybridlagerleistung auf dem Gebiet steht.

Die Erfahrungen von SKF aus der Praxis zeigen, dass die meisten Lagerausfälle im Betrieb auf Probleme an der Oberfläche und nicht auf Materialschäden zurückzuführen sind. Dies gilt sowohl für Stahl- als auch für Hybridlager.

Schäden, die durch unzureichende Schmierung oder Verunreinigungen verursacht werden, sind in der Regel die Hauptursache. Moderne Standards wie ISO 281 versuchen, diesen Effekten durch Korrekturfaktoren Rechnung zu tragen, spiegeln jedoch immer noch nicht das reale Verhalten von Lagern wider.

Hybridlager gblm

Der neue Ansatz


Um diese Berechnungsmängel zu beheben, wurde in 2012 ein Team von SKF zusammengestellt, um ein neues Modell zu entwickeln. Ziel war es, auf dem bestehenden Modell für die Ermüdung unter der Oberfläche aufzubauen, aber auch die Modellierung von Fehlern an der Oberfläche zu berücksichtigen und Daten aus Dauertests zu verwenden.

Die Forschung des Teams stützt sich auf jahrzehntelange Erfahrung in der Materialwissenschaft und Tribologie - der Wissenschaft der Wechselwirkung von Oberflächen in Relativbewegung. Jeder Aspekt des Verhaltens von Lagerflächen wurde eingehend untersucht, von den Reibungseigenschaften bis hin zur Art und Weise, wie sie von Schmutzpartikeln unter Last eingekerbt werden.

Zur Erstellung der für die Kalibrierung und Validierung des Modells erforderlichen Daten wurden Hunderte von Lagern getestet, darunter sowohl Ganzstahl- als auch Hybridlager. Die Lebensdauer wurde über einen weiten Bereich von Belastungen und Oberflächenbedingungen sowie für Lager unter schlecht geschmierten oder verschmutzten Bedingungen gemessen. Um Verhaltenskurven zu erstellen, mussten 30-Lager für jeden Punkt getestet werden - wobei jeweils mehrere von ihnen ausfielen.

Das Ergebnis dieser Arbeit in 2018 war ein neues Generalized Bearing Life Model für Hybridlager. Es wurde seitdem von einer angesehenen Gruppe von Anwendungstechnikern getestet und genehmigt. Prototypversionen des Modells wurden neben herkömmlichen Methoden zur Abschätzung der Lagerlebensdauer angewendet und die Ergebnisse mit den tatsächlichen Projekterfahrungen der Ingenieure verglichen.

Verallgemeinertes Modell der Lagerlebensdauer

Anwendung im wirklichen Leben

Um die Art der Erkenntnisse zu demonstrieren, die dieses Modell ermöglicht, hat das SKF-Team seine Methode kürzlich auf vier typische reale Szenarien angewendet. Die Lebensdauer eines Hybridpumpenlagers, das mit einem Ölbad geschmiert wurde, dessen verdünntes Öl zu einer schlechten Schmierung führte, war achtmal länger als bei einer vergleichbaren Stahleinheit.

Darüber hinaus wurde ein Hybrid-Schraubenverdichterlager modelliert, das mit verunreinigtem Schmiermittel betrieben wird, und es wurde gezeigt, dass es die hundertfache Lebensdauer eines herkömmlichen Stahlprodukts aufweist.

Berechnungen für zwei Elektromotoranwendungen wurden ebenfalls modelliert, und zwar unter verschiedenen Belastungsbedingungen, jedoch in beiden Fällen unter sauberen und gut geschmierten Bedingungen. Ähnliche Bemessungslebensdauern wurden für Hybrid- und Stahllager angegeben. In solchen Fällen ist zu beachten, dass andere Hybrideigenschaften - wie der elektrische Widerstand oder die Verlängerung der Fettlebensdauer - den Preisunterschied möglicherweise noch rechtfertigen.

Eine Version des Modells wurde in aufgenommen SKF Bearing Select - ein Web-Tool, das Kunden online und über spezielle Softwareanwendungen angeboten wird. In der Zwischenzeit unterstützen die SKF Ingenieure Kundenprojekte, indem sie eine komplexere Version des Modellierungswerkzeugs einsetzen.

SKF Bearing Select


Im Allgemeinen sind Lager, die unter leichteren Lasten, jedoch mit Problemen einer schlechten Schmierung oder Verunreinigung betrieben werden, gute Kandidaten für den Ersatz durch Hybridalternativen. Wenn die Lasten schwer sind, die Umgebung des Lagers jedoch sauber und gut geschmiert ist, kann die Beständigkeit des Stahls gegen Ermüdung des Untergrunds den Vorteil haben.

In jedem Fall wird das neue Modell die Option nicht nur mit einer längeren Lebensdauer identifizieren, sondern auch den Unterschied quantifizieren.

Prozessindustrie Informer

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