Verlengde levensduur van lagers door effectieve vetsmering

De onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen van SKF zijn gericht op het ondersteunen van productontwikkeling in lagers en afdichtingen waarvoor kennis van vetsmering cruciaal is, aangezien de meeste lagerstoringen worden veroorzaakt door onjuiste smering.

SKF heeft de competentie in huis om smeermiddelen en de impact van smering op lagerprestaties te analyseren door middel van een breed scala aan geavanceerde chemische, meet- en testapparatuur.

Het smeer- en smeersysteem is vaak geïntegreerd in het lagersysteem waar specifieke vetten worden gekozen, specifiek voor de toepassing. SKF produceert geen vet, maar heeft in samenwerking met voorkeursleveranciers een reeks vetten ontwikkeld, zowel voor de eerste vulling als voor de aftermarket.

De kennis op het gebied van smering strekt zich ook uit tot automatische smeersystemen, meerpunts- en enkelpuntssmeersystemen, gecentraliseerde smeersystemen en gecentraliseerde smeersystemen met totaal verlies en circulatie.

SKF biedt ook training in smeermiddelselectie, smeermiddelhantering, inspectie, verwijdering en betrouwbaarheidsonderhoud. Een aparte business unit van SKF, Engineering and Consultancy Services, helpt bij het ontwikkelen van producten met betrekking tot roterende assen of lagertoepassingen. Uiteraard is smering (vooral vetsmering) hier erg belangrijk. Applicatie-engineering, consultancydiensten, training, smeerbeheer, conditiebewaking, betrouwbaarheidsonderhoud, technische ondersteuning, gereedschappen, producten en systemen vormen samen de complete SKF smeeroplossing.

Vetsmering voor lagertoepassingen
Het perfecte lager zou smeermiddelvrij zijn. Er is echter smeermiddel nodig om de rolelementen van de loopbanen te scheiden om schade door (micro)slip te voorkomen. Het ideale scheidingsmedium is vloeibaar, dat in staat is om afschuiving op te vangen met lage wrijvingsverliezen en de lageroppervlakken kan aanvullen (zelfherstellende werking).

Smeervet wordt veel gebruikt vanwege zijn consistentie, waardoor het gemakkelijk te gebruiken is; het zal niet gemakkelijk uitlekken en het zorgt voor enige afdichtende werking. Vet beschermt tegen corrosie en verlaagt de wrijvingswaarden in vergelijking met oliesmering, mits smeervet met een goede kwaliteit en vulgraad wordt toegepast.

Een smeervet heeft een eindige levensduur [2,3], die over het algemeen korter is dan de levensduur van lagers [1]. Er bestaan ​​geavanceerde modellen voor de levensduur van lagers, en aangezien de levensduur van het vet vaak de levensduur van de lagers domineert, is een model voor de levensduur van een vet zeer wenselijk. Helaas betekent de complexiteit van vetsmering [2] dat er momenteel geen fysieke modellen beschikbaar zijn voor de voorspelling van de levensduur van vet. SKF heeft een empirisch model ontwikkeld waarmee de levensduur van het vet (of het nasmeerinterval) kan worden berekend voor een "vet van goede kwaliteit".

Figuur 1.

Voor groefkogellagers heeft SKF het Grease Performance Factor (GPF)-concept [3] (fig.1) ontwikkeld voor het voorspellen van de levensduur van bekende vetten waarvoor gegevens beschikbaar zijn. Een GPF=1 komt overeen met de prestatie van een “vet van goede kwaliteit”. Veel vetsoorten presteren beter dan de standaard "goede kwaliteit" en hebben een GPF groter dan 1. Figuur 1 toont de vetlevensduur als functie van temperatuur, snelheid (n dm) en vetkwaliteit [3].

SKF beveelt temperatuurprestatielimieten aan die ruim binnen de gestandaardiseerde temperatuurlimieten liggen (Figuur 2). Tussen de aanbevolen prestatielimieten, de "groene zone" van het SKF verkeerslichtconcept, zal het vet betrouwbaar functioneren en kan de levensduur van het vet (en het nasmeerinterval) worden bepaald [8].

Figuur 2.

Temperaturen in de amberkleurige zone aan beide zijden van de groene zone mogen slechts gedurende zeer korte perioden voorkomen. Na verloop van tijd, temperatuur, mechanische werking, veroudering en het mogelijk binnendringen van verontreinigingen, verslechtert het vet in een lager en verliest het zijn smerende eigenschappen. Na de eerste vetvulling tijdens de installatie, kan extra vetsmering de gewenste levensduur realiseren. Drie factoren voor nasmering zijn belangrijk om betrouwbaarheid te bereiken:type vet, hoeveelheid vet en frequentie van aanbrengen. De geleverde hoeveelheid en frequentie van de smering is afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden en de wijze van toevoeren:handmatig, of door een automatisch smeerapparaat of smeersysteem. Deze kennis is vastgelegd in expertsystemen:LubeSelect, LuBase en DialSet, beschikbaar via internet.

Fysica van vetsmering
Het begrijpen van de fysica en chemie van vetsmering is cruciaal bij het voorspellen van de vetprestaties in een lager. Het testen van de levensduur van het vet onder toepassingsomstandigheden is meestal onmogelijk, omdat een toepassing zal worden ontworpen voor een zeer lange levensduur, wat zou leiden tot onaanvaardbaar lange testtijden. In de praktijk worden de testomstandigheden zwaarder gekozen (bijvoorbeeld hogere temperatuur en/of hogere snelheden) dan in de toepassing. Bovendien worden testbanken voor de levensduur van vet soms gebruikt met gestandaardiseerde lagers, die verschillen van de toepassing.

De prestaties van smeervet hangen niet alleen af ​​van de veteigenschappen, maar ook van de interne geometrie van het specifieke lagertype. Zelfs binnen lagertypes hangen de prestaties af van de interne geometrie, waarbij interne afmetingen, afdichtingsoplossing, kooiconfiguratie en kooimateriaal het belangrijkst zijn.

Door de fysica en chemie van smeervetten te kennen, kunnen testresultaten worden "geëxtrapoleerd" naar omstandigheden waarvoor geen testgegevens beschikbaar zijn. Bovendien worden testgegevens voor de levensduur van vet gebruikt om fysieke modellen te valideren die zijn ontwikkeld voor vetsmering. Het Engineering &Research Center van SKF heeft geavanceerde kennis en modellen ontwikkeld op het gebied van tribologie/smering en natuurkunde/chemie, die het begrip van vetsmering ondersteunen. Wetenschappelijke gebieden die de ontwikkeling van vetvoorspellingsmodellen ondersteunen, zijn onder meer reologie, vloeistofdynamica, chemie, elasto-hydrodynamische smering en statistiek.

In het vroege stadium van de werking van de lagers zal er vet vloeien. Het meeste vet komt naast de loopbanen terecht en een deel blijft in het "geveegde gebied". Interne distributie van het vet in het lager tijdens en na deze fase vereist inzicht in de vloeistofdynamica en de reologische eigenschappen van het vet. Het toepassen van de theorie van de vloeistofdynamica op de vetstroom is niet eenvoudig; een smeervet is immers niet echt een vloeistof. Vet veroudert door mechanisch en thermisch werk, wat ernstig is in een lager, waardoor het probleem ingewikkelder wordt. Vloeistofdynamica/reologietheorie wordt ook gebruikt om de olieaftappende eigenschappen van vet te voorspellen. Het begrijpen van de chemie in vetsmering is belangrijk om de oxidatie van basisolie en verdikkingsmiddel te voorspellen [4]. Bovendien bepaalt de vetchemie de grenssmeringeigenschappen.

Smeervet wordt verondersteld een scheidingsfilm te ontwikkelen, die een grensfilm kan zijn of kan worden gevormd door hydrodynamische actie. Bij wentellagers zal de elastische vervorming van de in contact zijnde lichamen een gunstige inlaatgeometrie genereren voor filmopbouw, en dit fenomeen wordt "elasto-hydrodynamische smering" (EHL) genoemd. Deze theorie is goed ontwikkeld voor oliesmering, maar nog niet voor vetsmering, waar de laagdikte wordt gedomineerd door de beschikbaarheid van smeermiddel op de loopbanen (algemeen aangeduid als "honger EHL" [5]) en door verdikkings "deeltjes". Figuur 3 toont een interferometriebeeld van een vetgesmeerd contact. De film is niet glad door verdikkingsdeeltjes die in het contact komen.

Ten slotte is het vetsmeringsproces niet deterministisch. Er is een statistische verdeling in mislukkingen, wat de voorspelling verder bemoeilijkt. SKF heeft gedegen kennis van Weibull-statistieken ontwikkeld, die wordt gebruikt om de levensduur van lagers en testgegevens voor vetlevensduur te evalueren [6].

Vettesten
Om de levensduur van smeervet in een lager te voorspellen, heeft SKF testmachines ontwikkeld die in de hele industrie worden gebruikt. Traditioneel waren dit de R0F (kogellagers) en R2F (sferische rollagers) testopstellingen. De R0F-testbanken zijn geüpgraded (R0F+), waardoor ze zeer flexibel zijn qua snelheid, belasting en temperatuur. Een groot aantal R0F en R0F+ is te vinden in het SKF Engineering &Research Center, waardoor 140 tests tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd (Figuur 4).

Figuur 4.

Naast het testen van de levensduur van het vet, wordt er functioneel getest op startkoppel, wrijving, corrosieweerstand, trillingen (V2F), vetgeluid (BeQuiet+), enz. Een goed uitgerust chemisch laboratorium ondersteunt de evaluatie van de testresultaten.

Productontwikkeling en vetsmering
Verschillende voorbeelden laten zien hoe kennis van vetsmering de ontwikkeling van nieuwe producten heeft beïnvloed, waaronder een nieuwe generatie SKF Energy Efficient lagers. Afbeelding 5 toont een SKF Energy Efficient (E2) groefkogellager. SKF E2 groefkogellagers hebben wrijvingsverliezen die ten minste 30 procent lager zijn in vergelijking met standaard SKF-lagers van dezelfde maat. Ontwikkeld voor vetgesmeerde toepassingen, verbruiken SKF E2-lagers ook minder smeermiddel.

Figuur 5.

Vergelijking tussen de levensduur van het vet in een standaard en SKF E2 groefkogellager (Figuur 6) laat zien dat de levensduur van het vet is verdubbeld, waardoor de levensduur van de lagers effectief wordt verdubbeld. De wrijvingsvermindering kan worden toegeschreven aan verbeterde vetsmering - d.w.z. uniek vet in combinatie met verbeterde interne geometrie en een nieuw kooiontwerp. Dit is een goed voorbeeld van hoe vetontwikkeling is geïntegreerd in het lagerontwerp.

Figuur 6.

Een nieuw vet met uitstekende anti-valse brinelling-eigenschappen voor windturbineschoepen en gierlagers ontstond toen SKF zijn eigen interne testopstelling en methode voor valse brinelling ontwikkelde. Figuur 7 geeft de testresultaten weer met een standaardvet en het nieuwe blad- en gierlagervet, waarbij de wrijving wordt gecontroleerd als een functie van het aantal trillingen. Als de wrijving in de loop van de tijd voortdurend toeneemt, staat het falen op het punt te gebeuren. De blauwe lijnen vertegenwoordigen de metingen voor commercieel vet. De groene lijnen zijn de metingen met het SKF LGBB 2-vet, dat een beschermende tribo-laag vormt en gedurende vele cycli zeer lage wrijvingswaarden vertoont en zal leiden tot een lange levensduur van lagers.

Afbeelding 7.

Afbeelding 8 toont het werkingsvenster voor verschillende vetten in bladlagerachtige omstandigheden. Bij gedeeltelijke slip is de oscillatie zo klein dat het midden van het Hertziaanse contact blijft plakken, en slip vindt alleen plaats aan de randen van het contact. Grove slip vindt plaats wanneer de trillingen zo hevig zijn dat zelfs het midden van het contact zal verschuiven. Fretting treedt meestal op tussen oppervlakken die bedoeld zijn om te worden gefixeerd, maar onderworpen aan kleine oscillaties en wordt gekenmerkt door gegenereerde slijtageresten die opgesloten blijven in het contactgebied. Het SKF LGBB 2-vet heeft uitstekende anti-fretting-eigenschappen en kan ook worden gebruikt voor grote trillingen. Het vet presteert goed bij lage temperaturen en heeft goede anticorrosie-eigenschappen, waardoor het zeer geschikt is voor toepassingen met windturbinebladen en gierlagers.

Figuur 8.

Voor toepassingen in papierfabrieken heeft SKF het "SKF polymeer verdikt smeermiddel" of polymeervet ontwikkeld, ter vervanging van traditioneel zeepverdikkingsmiddel door een polymeer [7]. Het polymeer is niet-polair, d.w.z. de zeep concurreert niet met het metalen oppervlak om de additieven aan te trekken. Conventioneel vet bevat 10 tot 20 procent zeepverdikkingsmiddel op metaalbasis (polair) en 80 tot 90 procent basisolie, inclusief het additievenpakket. Het met polymeer verdikte smeermiddel bevat 10 tot 13 procent polypropyleen (PP), een niet-polair materiaal, en 87 tot 90 procent olie, inclusief het additievenpakket. Het unieke proces voor de vorming van met polymeer verdikt vet is de innovatieve verwarmings- en afschrikbewerking van het in olie opgeloste polymeer. Dit resulteert in een driedimensionale netstructuur, die functioneert als een "normaal", met metaalzeep verdikt vet. Het vet geeft een lange levensduur op de R0F-testbank, zelfs zonder toevoegingen, waardoor het milieuvriendelijker is met langere nasmeerintervallen. Dit zal leiden tot een lager vetverbruik. Het nieuwe polymeervet heeft uitstekende prestaties bij lage temperaturen en er is minder energie nodig bij de productie ervan.

Vetvereisten voor de hoofdaslagers in windturbines hebben betrekking op de ruwe omgeving waar het vet een hoge betrouwbaarheid moet bereiken onder zware contactbelasting, lage snelheden en oscillerende en stilstandomstandigheden. Extra uitdagingen doen zich voor bij windturbines die zijn geïnstalleerd in offshore en koude klimaten. SKF heeft drie verschillende vetten ontwikkeld voor toepassingen op de hoofdas van windturbines. Tabel 1 toont de eigenschappen van de vetten. Alle drie de vetten worden veel gebruikt en goedgekeurd door verschillende OEM's van windturbines. De keuze van het vet hangt af van het type afdichting, de bedrijfsomstandigheden en de omgeving.

Tabel 1.

SKF biedt complete klantoplossingen voor hoofdastoepassingen, waaronder vetten, behuizingen, afdichtingen, lagerconfiguraties, smeersystemen, borgmoeren, montageservices, smeermiddelen en analyses en conditiebewaking.

Conclusies
SKF draagt ​​bij aan duurzaamheid en ondersteunt milieuvriendelijke oplossingen door verdere ontwikkeling en toepassing van haar kennis op het gebied van vetsmering, waardoor de levensduur van lagersystemen wordt verlengd en wrijving wordt verminderd, wat leidt tot minder energieverbruik. Verlengde levensduur en nasmeerintervallen leiden tot minder onderhoud en minder afval. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van de kennis die is verkregen uit fundamentele R&D en modelontwikkeling in combinatie met productontwikkeling.

Referenties

[1] E. Ioannides, G. Bergling en A. Gabelli. Een analytische formulering voor de levensduur van wentellagers. Acta Polytechnica Scandinavia, Mechanical Engineering Series, Finse Academie voor Technologie, (137), 1999.

[2] PM Lugt. Een recensie over vetsmering in wentellagers. Tribologietransacties, 52(4):470-480, 2009.

[3] B. Huiskamp. Smeerlevensduur in levenslang gesmeerde groefkogellagers. Evolutie, 2:26–28, 2004.

[4] A. van den Kommer en J. Ameye. Voorspelling van de resterende levensduur van vet - een nieuwe benadering en methode door lineaire sweep-voltammetrie. Proceedings Esslingen Conference, pagina's 891-896, 2001.

[5] MT van Zoelen, C.H. Venner en P.M. Lugt. Voorspelling van filmdikteverval in uitgehongerde elasto-hydrodynamisch gesmeerde contacten met behulp van een dunne-filmlaagmodel. Proceedings van de Institution of Mechanical Engineers. Deel J, Journal of engineering tribology, 223 (3):541-552, 2009.

[6] T. Andersson. Duurtests in theorie. Kogellagerdagboek, 217:14–23, 1983.

[7] D. Meijer, D. Polymeer verdikt smeervet. Europese octrooiaanvrage (EP 0 700 986 A3), 1996.

[8] SKF Algemene Catalogus, 6000/I (2008)