antriebstechnik 5/2023

WÄLZ- UND GLEITLAGER

WÄLZ- UND GLEITLAGER TITEL Wenn man die Papierproduktion betrachtet, ist das Digitalzeitalter noch nicht wirklich angebrochen. Im Jahr 2022 wurden in Deutschland immerhin 21,6 Millionen Tonnen Papier erzeugt – mit einem Altpapieranteil von 79 %. Allerdings verringert sich der Anteil an (Zeitungs-)Druckpapier kontinuierlich und der Hauptanteil von 12,7 Millionen Tonnen entfällt auf Papier, Karton und Pappe für Verpackungszwecke. Dieser Anteil wächst weiter, weshalb viele Papierhersteller ihre Anlagen entsprechend umrüsten oder neu bauen und nicht mehr grafische Papiere herstellen, sondern beispielsweise Sorten wie Testliner und Kraftliner, aus denen Wellpappe produziert wird. HERAUSFORDERUNG FÜR DIE ANTRIEBSTECHNIK Aus Sicht der Antriebstechnik stellt die Papierproduktion sehr hohe Anforderungen – zum Beispiel in der Trockenpartie, wo das soeben erzeugte Papier entfeuchtet wird. Mit hoher Geschwindigkeit (bis zu 1.000 m/min und mehr) wird die Papierbahn von unten und oben über 40 bis 100 Trockenzylinder („Thermalwalzen“) geführt, die von Dampf durchströmt werden und entsprechend erhitzt sind. Dabei nimmt die Papierbahn Wärme auf, die sie direkt wieder durch Verdampfung, d. h. in Form von Wasser, abgibt, wenn sie sich durch die Zwischenräume, die man als „Taschen“ bezeichnet von Walze zu Walze bewegt. Manche Trockenpartien verfügen auch über Walzen mit Taschenbelüftung (TB-Walzen). Hier wird kalte Luft in die offenen Taschen geblasen, was die Effizienz des Trockners erhöht. WÄLZLAGERUNG VON TROCKENZYLINDERN Bei der Auswahl der Wälzlager für die Trockenwalzen sind Pendelrollenlager die erste Wahl. Sie können (auch temperaturbedingte) Wellendurchbiegung kompensieren und sind vergleichsweise kostengünstig. Allerdings müssen hohe Temperaturen (bis 150 °C) berücksichtigt werden sowie die Tatsache, dass der Feuchtegehalt der Umgebungsluft sehr hoch ist. Hinzu kommen hohe Axialkräfte und Belastungen, die aus der Bandzugspannung resultieren, sowie Tangentialkräfte am Innenring, die durch die Aufweitung der Walzenzapfen beim Aufheizen entstehen. Unter diesen Bedingungen kann es – wenn konventionelle Wälzlager eingesetzt werden – zu Rissen im Innenring kommen und damit zum Bruch des Ringes bzw. zum Ausfall der kompletten Anlage. Ein solcher Ausfall muss unbedingt vermieden werden, weil der Lagertausch aufwändig ist. Und weil bei 100 Trockenzylindern 200 Lagerstellen potenziell ausfallen können, muss die Zuverlässigkeit und Lebensdauer jedes einzelnen Lagers sehr hoch sein. TYPISCHES SCHADENSBILD: RISSE AM INNENRING Verursacht werden die Risse am Innenring dadurch, dass der Dampf, mit dem die Walzen erwärmt werden, durch die Hohlwelle der Walzen geleitet wird. Das führt dazu, dass sich die Welle stärker ausdehnt als das Lager, so dass die Passung am Innenring immer fester wird. Wenn die Umfangsspannung (d. h. die in Umfangsrichtung ausgeübte Kraft) des Innenrings zunimmt, können Risse entstehen. Hinzu kommt in solchen Fällen, dass die Wärme die Viskosität des Schmiermittels herabsetzt. Dadurch verringert sich ebenfalls die Lagerlebensdauer. Außerdem kann die Wärmeausdehnung der Welle zu einem Kriechen der Lagerringe führen, was sich negativ auf die Maßhaltigkeit der Lagerung auswirkt und in der Folge zu verringerter Lagerlebensdauer führt. Verhindern kann man das Auftreten solcher Probleme durch ein langsames Anlaufen der Anlage, bei dem die Temperatur nur in kleinen Schritten erhöht wird. Dann kann es allerdings mehrere Stunden dauern, bis die Anlage mit voller Leistung läuft. Solche Produktions- und Ertragsausfälle können und wollen sich die Papierhersteller nicht leisten. Wirtschaftlicher sind in diesem Fall eine kluge Auswahl der Wälzlager in den Walzen und Zylindern des Trockenbereichs sowie ein optimiertes Aufheizverfahren. PENDELROLLENLAGER MIT SPEZIELLER WERKSTOFFSPEZIFIKATION NSK hat die Voraussetzungen für Innenringbrüche analysiert und eine Methode zur Festigkeitsbewertung dieser Lager entwickelt. Damit waren die Grundlagen für die Entwicklung der Pendelrollenlager mit TL-Spezifikation gelegt. Die Buchstaben stehen für „Tough & Long life“ und bezeichnen die wesentlichen Merkmale dieser Baureihe: Unter rauen Umgebungsbedingungen erreichen sie eine hohe Lebensdauer. Möglich DIE IDEE „NSK hat die Voraussetzungen für Innenringbrüche von Pendelrollenlagern analysiert und eine Methode zur Festigkeitsbewertung dieser Lager entwickelt. Damit waren die Grundlagen für die Entwicklung von Pendelrollenlager mit Spezifikation für „Tough & Long life“ (TL) geschaffen. Trick liegt in einer besonderen chemischen Zusammensetzung des verwendeten Einsatzstahls für die Innen- und Außenringe. Dessen entscheidende Eigenschaft ist die harte Randschicht bei einem relativ weichen Kern. Außerdem wurde das Wärmebehandlungsverfahren so optimiert, dass es hohe Zugspannungen aufnehmen kann. In entsprechenden Anwendungsbereichen weisen TL-Lager wesentlich verlängerte Lebensdauer auf.“ Ralf Petersen, Manager Industrial Bearings, European Technology Center, NSK Deutschland GmbH, Ratingen 12 antriebstechnik 2023/05 www.antriebstechnik.de

TITEL WÄLZ- UND GLEITLAGER 2 105 °C 85 °C 02 Beispielhafter Aufbau einer Trockenzylinderwalze mit Angabe der typischen Temperaturen (1 Dampf, 2 Schmieröl, 3 Ölrücklauf) 180 °C 3 01 Bei diesem durchgehärteten Innenring eines Pendelrollenlagers führten die Umfangsspannungen aufgrund der hohen Temperaturen erst zu Rissen, dann zum Bruch 1 wird das durch eine besondere chemische Zusammensetzung des verwendeten Einsatzstahls für die Innen- und Außenringe. Die Vorteile dieses Einsatzstahls liegen in der harten Randschicht und dem relativ weichen Kern. Außerdem wurde das Wärmebehandlungsverfahren so optimiert, dass es hohe Zugspannungen aufnehmen kann. DOPPELT SO HOHE LAGERLEBENSDAUER Die Widerstandsfähigkeit von Innenringen, die die TL-Spezifikation erfüllen, gegenüber Ausdehnungen und Tangentialspannungen ist höher als der Widerstand von Innenringen aus bainitischem Stahl und Wälzlagerstahl. Die Randschichthärte der Laufbahnen ist größer als die von bainitischem Stahl und einsatzgehärtetem Stahl. Das führt dazu, dass der Innenring bei Temperaturen bis zu 200 °C hohen Umfangsspannungen standhalten kann. Weitere Kennzeichen der TL-Lager sind eine geänderte Innenkonstruktion und eine Schmiernut mit Schmierbohrung im Außenring. Dank diesen konstruktiven Merkmalen erreichen TL-Pendelrollenlager in der Trockenpartie von Papiermaschinen im Vergleich zu Standardwälzlagern eine mindestens doppelt so hohe Lebensdauer. Damit eignen sie sich bestens nicht nur für die Lagerung von Thermalwalzen, sondern beispielsweise auch für den Einsatz in Kalanderwalzen, Leitwalzen und Glättzylindern, die ebenfalls in der Trockenpartie mit entsprechend erhöhten Temperaturbereichen installiert sind. NSK-Pendelrollenlager mit TL-Technologie bewähren sich weltweit in Trockenzylindern und anderen Walzen von Papiermaschinen. Das Programm umfasst mehr als 100 verschiedene TL-Lagergrößen und -typen mit Bohrungsdurchmessern bis 560 mm. PRAXISBEISPIEL Ein Beispiel aus der Praxis: Bei den Kalanderwalzen in einer Papierfabrik kam es zu Rissen an den Innenringen der Walzenlager. Die Folge waren bis zu 12 Ausfälle pro Jahr, die zu aufwändigen Wartungsarbeiten und erheblichen Stillstandszeiten führten. Das Unternehmen bat ein Expertenteam von NSK, das Problem zu untersuchen. Solche Aufgaben übernimmt NSK im Rahmen des AIP-Programms (Added Value Programme). Die NSK-Spezialisten stellten fest, dass es sich bei den Pendelrollenlagern in den Kalanderwalzen um Standardlager handelte, die nicht für den Betrieb bei hohen Temperaturen ausgelegt sind. Risse an den Innenringen waren daher die logische Konsequenz. NSK empfahl, auf Pendelrollenlager mit TL-Technologie umzustellen. Der Papierhersteller setzte diesen Vorschlag um, und die Lagerlebensdauer verdoppelte sich daraufhin. Über einen Zeitraum von fünf Jahren konnte das Unternehmen rund 430.000 Euro an Wartungsund Ausfallkosten einsparen. VISI N ERFÜLLT Sondergetriebe auf höchstem technischen Niveau für effiziente und innovative Lösungen von Morgen. GSC Schwörer GmbH D-79871 Eisenbach www.gsc-schwoerer.de Bilder: NSK, Carl Tim/Shutterstock.com www.nskeurope.com www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2023/05 13 GSC-20-0073_Anzeigen_Zukunftsmission_43x130mm_RZ.indd 05.10.21 17:12 2