antriebstechnik 11/2017

WÄLZ- UND GLEITLAGER

WÄLZ- UND GLEITLAGER Für höhere Anforderungen von heute Wie Pendelrollenlager den gestiegenen Erwartungen für kritische Anwendungen gerecht werden John Rhodes und Karen Clever, The Timken Company, USA, erläutern die Notwendigkeit neuer Pendelrollenlager, um die höheren Anforderungen anspruchsvoller Einsatzumgebungen und der Schwerindustrie zu erfüllen. John Rhodes ist Senior Product Development Engineer und Karen Clever ist Product Managerin – Spherical Roller Bearings; beide bei The Timken Company in North Canton, USA Heutzutage treiben die Branchenerwartungen der Schwerindustrie die Erweiterung der Grenzen von Langlebigkeit und Produktivität voran, wodurch traditionelle Maschinen- und Komponentenkonstruktionen auf die Probe gestellt werden. Der globale Marktplatz erfordert größere Zuverlässigkeit bei höheren Betriebstemperaturen, Belastungen und Drehzahlen, wobei die Effizienzsteigerungen jedes einzelnen Schrittes besonders wichtig sind. Neue Möglichkeiten werden sich eher aus schrittweisen Verbesserungen vorhandener Technologien als aus grundlegenden Fortschritten ergeben. Aufgrund der härteren Einsatzbedingungen in der Zementindustrie arbeiten Anlagen- und Schwermaschinenbetreiber zunehmend mit Zulieferern und Herstellern zusammen, um wesentliche Effizienzsteigerungen zu realisieren. Branchenweit besteht das Ziel in messbaren Leistungs-, Produktivitäts- und Rentabilitätssteigerungen, die aus Verbesserungen vorhandener Anlagen, Prozesse und Vermögenswerte resultieren. Timken hat ein intensives Optimierungsprogramm in Angriff genommen, um die Anforderungen für erhöhte Lasten, Drehzahlen und Temperaturen bei Wälzlagern in kritischen Anwendungen zu erfüllen. Der vorliegende Artikel befasst sich mit den gestiegenen Erwartungen für kritische Anwendungen, besonders in der Zementindustrie, dem technischen Fortschritt im Bereich der Pendelrollenlager und der Konstruktion und Prüfung der Timken Hochleistungs-Pendelrollenlager. Argumente für Pendelrollenlager Pendelrollenlager gehören zu einer Klasse von Rollenlagern, die in anspruchsvollsten und schwierigsten Anwendungen zum Einsatz kommen. Diese selbstausrichtenden, doppelreihigen Radiallager haben einen Innen- und einen Außenring und sind mit tonnenförmigen Wälzkörpern bestückt, die durch einen Käfig voneinander getrennt sind. Sie besitzen eine höhere Lasttragfähigkeit und verglichen mit anderen üblichen Wälzlagertypen wie Kegel- oder Zylinderrollenlager die Fähigkeit zur Kompensierung dynamischer Winkelfehler. Die meisten Wälzlager sind entweder zur Aufnahme von Radiallasten (Wirkung senkrecht zur Welle) oder zur Aufnahme von Axiallasten (Wirkung parallel zur Welle) bestimmt. Pendelrollenlager können kombinierte Lasten aufnehmen, wobei mäßig bis hohe Radial- und Axialkräfte wirken. 110 antriebstechnik 11/2017

WÄLZ- UND GLEITLAGER Pendelrollenlager werden nicht nur in Anwendungen eingesetzt, in denen Fehlausrichtungen der Welle üblich sind, sondern auch in Anwendungen, in denen Verschmutzung, Stoßbelastungen und Vibrationen ständige Herausforderungen darstellen. Ihre robuste Konstruktion und die höhere Toleranz für Fehlausrichtungen sind für die Zementindustrie vorteilhaft. Sehr gute Leistungswerte Im Zusammenhang mit Pendelrollenlagern bedeutet der Begriff Hochleistung eine Verlängerung der Lagerlebensdauer; das bietet die Möglichkeit zur Verkleinerung anderer Komponenten unter Beibehaltung der derzeitigen Systemleistung (d. h. kleinere Maschinen und Anlagen, die effizienter bzw. effektiver arbeiten, oder eine erhöhte Leistungsdichte, die größeren Durchsatz und längere Anlagenlebensdauer ermöglicht). Hohe Leistung lässt sich auch als Reduzierung der Wärmeerzeugung beschreiben – Wälzlager, die unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen bei niedrigeren Temperaturen arbeiten können, besitzen das Potenzial für höhere Effizienz und höhere Betriebsdrehzahlen. Niedrigere Betriebstemperaturen reduzieren die Oxidationsrate und die Zersetzung von Schmiermitteln, verbessern dadurch die Schmierung und somit die Lagerlebensdauer. Da sich die grundsätzliche Funktionalität der Pendelrollenlager seit ihrer Einführung in den 1950er-Jahren nur wenig verändert hat, haben Lagerhersteller ihr Hauptaugenmerk auf kontinuierliche Leistungsverbesserungen gerichtet. Die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten von Timken haben sich parallel zum Markttrend entwickelt, um die zunehmenden Größen- und Leistungsanforderungen von Schwermaschinen und angetriebenen Anlagen zu erfüllen. Hauptkonstruktionsmerkmale Zu den Zielen des Optimierungsprogramms für Timken Pendelrollenlager gehörten und gehören weiterhin eine höhere Lasttragfähigkeit, eine reduzierte Betriebstemperatur sowie eine längere Lagerlebensdauer. Die Arbeiten konzentrierten sich auf folgende Aspekte: n Optimierung der Innengeometrie, um Wälzkörperlänge und dynamische Tragfähigkeit zu maximieren n Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheiten, um höhere Tragzahlen und höhere Lambda- Verhältnisse für die Schmierung zu unterstützen n Verstärkung der Käfigstruktur, um Verschleiß zu reduzieren n Verbesserung des Schmiermittelflusses zu den Kontaktflächen der Rollkörper n Verbesserung der Wärmeableitung Im Rahmen kontinuierlicher Verbesserungsprozesse hat Timken die Designkomplexität reduziert, wenn sich die Ge legenheit zur Verwendung einfacherer oder weniger Komponenten ergab. Die Ausführung des neuen Hochleistungs-Pendelrollenlagers ist mit der ISO- Norm für Wälzlager-Abmessungen konform, sodass eine allgemeine Austauschbarkeit mit den Lagern anderer Hersteller gewährleistet ist. Diese Norm bestimmt Innendurchmesser (ID), Außendurchmesser (AD) und Breite, jedoch nicht Käfigstruktur oder Innengeometrie. Innengeometrie Das Kernstück des Pendelrollenlagerdesigns ist die Innenringgeometrie, die eine präzise Konstruktionsspezifi kation und Fertigungskonsistenz erfordert. Der Innenring ermöglicht eine komplexe Wechselwirkung zwischen dem Kontaktwinkel des Lagers und dem Laufbahnprofil, [1] das spezifiziert werden muss, um die effizienteste Dynamik zwischen Laufbahn und Wälzkörper zu erzielen. Timken hat die Eigenschaften des Timken P900-Kegelrollenlagers auf das neue Pendelrollenlagerdesign erweitert. Das P900-Design nutzt optimierte Geometrien, spezielle Oberflächen und hochwertige Werkstoffe, um eine verbesserte Leistungsdichte (Verhältnis von Tragfähigkeit zu Gewicht des Lagers) zu erzielen und eine effiziente Lösung bereitzustellen [3–5]. Die makroskopische Kontaktgeometrie des Laufbahnprofils minimiert die Möglichkeit der Entwicklung von Betriebszuständen, bei denen die Kontaktspannungen an einer einzigen Stelle konzentriert sind, was die Dauerwälzfestigkeit reduzieren würde. Die mikroskopische Laufbahnstruktur wurde durch Reduzierung der gemittelten Oberflächenrauheiten ebenfalls verbessert. Dies hat einen direkten Einfluss auf die Steigerung des operativen Lambda (λ)- 01 Pendelrollenlager werden in anspruchsvollsten und schwierigsten Anwendungen eingesetzt 02 Optimiertes Hochleistungs- Pendelrollenlagerdesign ermöglicht Effizienzsteigerungen Verhältnisses. Lambda ist definiert als die vorausberechnete Dicke des Ölschmierfilms im Betrieb dividiert durch die gemittelte Oberflächenrauheit. Es ist ausreichend belegt, dass Verbesserungen des Lambda- Verhältnisses zu höheren berechneten Ermüdungslebensdauern von Wälzlagern führen, was durch die Erhöhung des a3l- Faktors bei faktorbasierten Lebensdauerberechnungen dargestellt wird [6–8]. Die für die mikroskopische Struktur verwendeten Spezifikationen gehen über die für die gemittelte Oberflächenrauheit benötigten Anforderungen hinaus, um sicherzustellen, dass sich das gewünschte Lambda-Verhältnis im Betrieb erzielen lässt. Die Verbesserung der Oberflächenstruktur ist außerdem Voraussetzung für eine potenzielle Reduzierung der Wärmeerzeugung durch Aus- antriebstechnik 11/2017 111