Hochleistungs-Pendelrollenlager

Da Branchenerwartungen der Schwerindustrie zunehmend die Erweiterung der Grenzen von Langlebigkeit und Produktivität vorantreiben, werden traditionelle Maschinen- und Komponentenkonstruktionen auf die Probe gestellt. Der globale Marktplatz erfordert größere Zuverlässigkeit bei höheren Betriebstemperaturen, Belastungen und Drehzahlen, wobei die Effizienzsteigerungen jedes einzelnen Schrittes besonders wichtig ist. 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.

Die Timken Company, Hersteller von Wälzlagern und Antriebstechnik mit Sitz im US-Bundesstaat Ohio, hat ein intensives Optimierungsprogramm in Angriff genommen, um die Anforderungen für erhöhte Lasten, Drehzahlen und Temperaturen bei Wälzlagern in kritischen Anwendungen zu erfüllen. Dieser 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. Die Autoren sind bei der Timken Company beschäftigt, Rhodes ist als Produktentwickler, Clever als Produktmanagerin tätig.

Pendelrollenlager gehören zu einer besonderen 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.

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 besonders vorteilhaft.

Im Zusammenhang mit Pendelrollenlagern bedeutet der Begriff ˏHochleistungˋ 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.

Zu den Zielen des Optimierungsprogramms für Pendelrollenlager des Herstellers gehörten und gehören weiterhin:

1. Höhere Lasttragfähigkeit

2. Reduzierte Betriebstemperatur

3. Längere Lagerlebensdauer

Die Arbeiten konzentrierten sich besonders auf folgende Aspekte:

1. Optimierung der Innengeometrie, um Wälzkörperlänge und dynamische Tragfähigkeit zu maximieren

2. Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheiten, um höhere Tragzahlen und höhere Lambda-Verhältnisse für die Schmierung zu unterstützen

3. Verstärkung der Käfigstruktur, um Verschleiß zu reduzieren

4. Verbesserung des Schmiermittelflusses zu den Kontaktflächen der Rollkörper

5. Verbesserung der Wärmeableitung

Im Rahmen kontinuierlicher Verbesserungsprozesse hat Timken die Designkomplexität reduziert, wenn sich die Gelegenheit zur Verwendung einfacherer oder weniger Komponenten ergab.

Die Ausführung des neuen Hochleistungspendelrollenlagers ist mit der ISO-Norm für Wälzlager-Abmessungen konform, so dass eine allgemeine Austauschbarkeit mit den Lagern anderer Hersteller gewährleistet ist. Diese Norm bestimmt Innendurchmesser [ID], Außendurchmesser [AD] und Breite, jedoch nicht Käfigstruktur oder Innengeometrie.

Das Kernstück des Pendelrollenlagerdesigns ist die Innenringgeometrie, die eine präzise Konstruktionsspezifikation und Fertigungskonsistenz erfordert. Der Innenring ermöglicht eine komplexe Wechselwirkung zwischen dem Kontaktwinkel des Lagers und dem Laufbahnprofil,1-2 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)-Verhältnisses. Lambda ist als die vorausberechnete Dicke des Ölschmierfilms im Betrieb dividiert durch die gemittelte Oberflächenrauheit definiert. 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 Auswahl von Schmierstoffen mit reduzierter Viskosität, die noch ausreichende Lambda-Verhältnisse im Betrieb garantieren.

Käfige haben mehrere Funktionen für den ordnungsgemäßen Betrieb von Wälzlagern, darunter die Trennung der Wälzkörper voneinander, um ihren Kontakt und den damit verbundenen Verschleiß zu vermeiden. Käfige dienen außerdem dazu, die Wälzkörper auf dem Innenring außerhalb der Betriebsbelastungszone auszurichten, um ein Gleiten, Rutschen oder Verdrehen zu verhindern.

Für die Käfigkonstruktion des Hochleistungs-Pendelrollenlagers von Timken wurde eine hochentwickelte Methodik angewendet, die zu dem fortschrittlichen Stahlkäfigdesign für die EJ-Baureihe führte. Bei höheren Drehzahlen kann ein Stahlkäfig aufgrund seiner geringeren Masse und des reduzierten Kontakts zwischen Wälzkörper und Käfig Vorteile im Vergleich zu Messingkäfigen bieten. Der EJ-Käfig ist zusätzlich nitriert (d. h oberflächengehärtet) und weist eine verbesserte Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit auf.

Das neue Design vereint zahlreiche Aspekte vorhandener Stahlkäfige wie Innenringführung, geringe Masse, geringe Massenträgheit, unabhängige Käfige für jede Reihe, das Fehlen des Führungsrings zur axialen Positionierung der Wälzkörper sowie erstmalig Längsnuten in den äußeren Käfigstirnseiten. Die symmetrisch angeordneten Nuten zwischen den Käfigtaschen erleichtern den Schmierstofffluss zur Innenringlaufbahn. Dies sorgt für eine sichere Schmierstoffverfügbarkeit an den Kontaktflächen, sodass ein ausreichender Schmierfilm erzeugt und das Potenzial für extreme Wärmeentwicklung aufgrund der Scherwirkung übermäßiger Schmierstoffzufuhr weiter reduziert wird.

Die EJ-Konstruktion umfasst zwei unabhängige Käfige (einen für jede Rollenreihe), die in ein Lager eingebaut sind. Auf diese Weise können die einzelnen Käfig- und Wälzkörperlaufbahnen unabhängig voneinander abrollen. Die fensterartige Käfigtaschenkonstruktion reduziert Biegespannungen. Der Käfig wird auf dem Innenring geführt und läuft oberhalb der Wälzkörpermitte. Das erhöht die Käfigsteifigkeit und reduziert Spannungen bei hohen Stoßbelastungen oder Beschleunigungen.

Bei Lagern mit einem Außendurchmesser über 400 mm können die Käfig- und Wälzkörpermassen erhebliche Werte annehmen und die Wärmeerzeugung des Lagers sowie die Betriebstemperaturen nachteilig beeinflussen. Um dem vorzubeugen, ist die Bohrung größerer EJ-Stahlkäfige profiliert, um die Reibung mit der Innenringführungsfläche und die damit verbundene Wärmeerzeugung aufgrund des Kontakts möglichst klein zu halten.

Bei kleineren Lagern (Außendurchmesser <400 mm) werden die Wälzkörper von den Flanken der Käfigtaschen geführt. Bei größeren Lagern ist die Käfigtasche mit vier Verstärkungen konturiert (strategisch platziert auf der Brückenoberfläche), die die in die Betriebsbelastungszone eintretenden bzw. austretenden Wälzkörper berühren und ausrichten. Diese Wechselwirkung minimiert das Potenzial für nachteilige Wälzkörperverdrehung und die damit verbundene Zunahme des Reibmoments und der Betriebstemperatur.

Dank der präzisen Wechselwirkungen mit den Käfigtaschen erübrigt sich ein zentraler Führungsring zur axialen Positionierung der Wälzkörper im EJ-Käfigdesign. Ohne Führungsring wird die zwischen den Wälzkörpern und dem Ring erzeugte Reibung beseitigt, was kühler laufende Lager zur Folge hat. Weniger Reibung bedeutet zugleich, dass weniger Energie benötigt wird, um das Wälzlager zu starten und in Bewegung zu halten. Darüber hinaus wird durch das Entfernen des Führungsrings mehr Platz innerhalb des Bauraums geschaffen, um größere Rollen aufzunehmen und so die Traglast zu erhöhen. Auch der Schmierstofffluss zwischen den Lagerlaufbahnen wird durch die Erhöhung des verfügbaren Hohlvolumens verbessert.

Das Design des Hochleistungs-Pendelrollenlagers von Timken wurde umfassend validiert. Dazu gehörten standardisierte Ermüdungslebensdauertests zur Bestätigung der Haltbarkeit unter schwierigen und beschleunigten Betriebsbedingungen ebenso wie Tests auf verschiedenen Plattformen zur Verifizierung der Wärmeerzeugung durch Messung der Außenringtemperatur.

Standardlebensdauerprüfungen werden bei Timken auf einem „First-in-Four“-Lebensdauerprüfstand durchgeführt. Die Lager werden bei erhöhter Belastung und Drehzahl unter Verwendung eines Ölumlaufschmiersystems geprüft, mit dem sich die Öleinlasstemperatur auf einen bestimmten erhöhten Wert einstellen lässt. Ziel ist es, die Wälzkörperkontaktflächen des Lagers in einem beschleunigten Verfahren auf Ermüdungserscheinungen auf und unter der Oberfläche zu untersuchen. Lagerkonstruktion, Werkstoff, Wärmebehandlung, Geometrie, Oberflächenprofil und -struktur haben eine kombinierte Auswirkung auf die Lebensdauerprüfung, das zur Entwicklung der Prüfmethode mit Weibull-Verteilung verwendet wurde.

Zur Berechnung der voraussichtlichen Lagerperformance auf Grundlage der der Lagermetrologie und der Testbedingungen wird die von Timken entwickelte, analytische Modellierungssoftware SYBER verwendet. Die Testergebnisse werden mithilfe der Weibull-Verteilung für die L15.91-Lebensdauer und den zugehörigen 65 %-Konfidenzbändern zur Bestimmung der Testleistung ausgewertet. Das Ergebnis der Weibull-Auswertung wird dann mit den SYBER-Prognosen verglichen und die Akzeptierbarkeit der resultierenden Lebensdauerverhältnisse wird einer Beurteilung unterzogen. Diese Verhältnisse werden überprüft, um ihr Maß an Unterstützung für die beabsichtigten Leistungskennzahlen zu bestimmen.

Die Validierungsergebnisse zeigten, dass das Hochleistungs-Pendelrollenlager von Timken eine um 18 % höhere dynamische Tragzahl und eine um 17 % höhere thermische Bezugsdrehzahl verglichen mit früheren Pendelrollenlagerdesigns des Herstellers erreichte.

Die Ergebnisse validieren ein Hochleistungs-Pendelrollenlagerdesign, das die zunehmend höheren Last-, Drehzahl- und Temperaturanforderungen von in der Schwerindustrie eingesetzten Maschinen und Anlagen erfüllt.

Literaturhinweise

1. HARRIS, T.A. und KOTZALAS, M.N., Rolling Bearing Analysis, 5th Ed – Advanced Concepts of Bearing Technology, (2007).

2. MOYER, C.A., NIXON, H.P. und BHATIA, R.R., ‘Tapered Roller Bearing Performance for the 1990’s,’ SAE Paper #881232, SAE International, (1988).

3. STOVER, J.D., KOLARIK, R.V. und KEENER, D.M., ‘The Detection of Aluminum Oxide Stringers in Steel Using an Ultrasonic Measuring Method,’ Proc. 31st Mechanical Working and Steel Processing Conference (1990), S. 431 – 440.

4. HOEPRICH, M.R., ‘Numerical Procedure for Designing Rolling Element Contact Geometry as a Function of Load Cycle,’ SAE Paper #850764, SAE International (1985).

5. MOYER, C.A. und BAHNEY, L.L., ‘Modifying the Lambda Ratio to Functional Line Contacts,’ STLE Tribology Transactions, V. 33, Nr. 4 (1990) S. 535 – 542.

6. DANNER, C. H., ‘Fatigue Life of Tapered Roller Bearings under Minimal Lubricant Films,’ ASLE Transactions, V. 13, Nr. 4 (1970) S. 241 – 251.

7. ZARETSKY, E.V. ed., Life Adjustment Factors for Ball and Roller Bearings, An Engineering Design Guide (1971).

8. ZHOU, R.S., ‘Surface Topography and Fatigue Life of Rolling Contact Bearings,’ STLE Tribology Transactions, V. 36, Nr. 3 (1993), S. 329 – 340.