Wälzlager fachgerecht schmieren und Kosten sparen

MVS Import 17. August 2017 Technik

Für den zuverlässigen Betrieb von Wälzlagern ist deren korrekte Schmierung ein wichtiger, in der Praxis aber oft unterschätzter Faktor. Schmierstoffe trennen die metallischen Oberflächen der Lagerbauteile im Betrieb; sie reduzieren Kosten, indem sie Verschleiß und Reibungsverluste minimieren. Die folgenden Anwendungsbeispiele zeigen anschaulich die „Do‘s and don‘ts“ auf.

Die Schmierung ist ein zentraler Bestandteil des gesamten Lagersystems und muss entsprechend sorgfältig ausgelegt sein: Etwa 43 % aller vorzeitigen Wälzlagerausfälle sind auf ein Problem bei der Schmierung zurückzuführen. Ursachen hierfür sind Fehler, die bereits beim Einbau der Wälzlager gemacht werden, oder Versäumnisse während des laufenden Betriebs (etwa nicht eingehaltene Nachschmierfristen).

Daneben gibt es aber auch Schäden, deren Ursache sich bis in die Auslegungsphase der Lagerung bzw. der Schmierung zurückverfolgen lässt – denn je nach Lagertype ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Schmierung. Weitere Kriterien für die Auswahl der passenden Schmierung sind Belastung der Lagerung, Betriebstemperatur, Umgebungstemperatur, Drehzahlbereich der Lagerung, mögliche Verunreinigungen und letztendlich auch die Kosten für den Schmierstoff und das gesamte Schmierungssystem.

Anhand von drei Anwendungsbeispielen soll im Folgenden verdeutlicht werden, welchen Einfluss die Schmierung auf die Funktion der Lagerung hat.

Zylinderrollenlager in einem Zapfwellengetriebe

Im Rahmen einer theoretischen Betrachtung der Lager in einem Zapfwellengetriebe wurde vom österreichischen Wälzlagerhersteller NKE auch die Schmiersituation näher untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Viskosität des vorgesehenen Schmieröls unter den gegebenen Betriebsbedingungen viel zu gering für die Ausbildung eines ausreichend tragfähigen Schmierfilms wäre – erhöhter Verschleiß und eine Verringerung der Lebensdauer wären die logische Folge. Von NKE wurde dem betreffenden Kunden daher der Einsatz eines höher viskosen, also dickeren Schmieröls empfohlen.

Zur Absicherung dieser Empfehlung wurde auch ein praktischer Versuch durchgeführt: Dazu wurden zwei baugleiche Getriebe mit den zu vergleichenden Schmierölen befüllt und über einen Zeitraum von 500 Stunden betrieben. Bei der anschließenden Begutachtung zeigten sich an den Funktionsflächen der Lager, die mit dem dünnen Öl betrieben wurden, deutliche Verfärbungen und erste Anzeichen von Verschleiß (siehe Bild 3). An denjenigen Lagern, die mit dem dickeren Öl betrieben wurden, waren hingegen keinerlei Abnutzungserscheinungen feststellbar (Bild 4).

Zudem ließ sich auch keine Zunahme der Verlustleistung feststellen, wie dies zunächst vom Kunden befürchtete wurde. Im Gegenteil wies das Getriebe mit dem dickeren Öl geringere Verluste und dadurch bedingt auch eine geringere Betriebstemperatur auf. Dies kann auf die bessere Trennung der metallischen Oberflächen im Betrieb zurückgeführt werden, was die geringfügig höhere Flüssigkeitsreibung mehr als ausgleicht.

Axialpendelrollenlager in einer Kraftwerks-Kühlwasserpumpe

Während des Testbetriebs einer großen Kühlwasserpumpe (genauer: einer Betonspiralpumpe, also eine Kreiselpumpe mit vertikaler Welle und einem aus Beton gegossenen Gehäuse, siehe Bild 5) wurde wiederholt die zulässige Betriebstemperatur des antriebsseitigen Axiallagers überschritten. In der Folge kam es dann stets zu einer automatischen Abschaltung. Bei näherer Betrachtung konnte als Ursache ein für diese Anwendung ungeeignetes Schmieröl festgestellt werden – zum Einsatz kam hier ein reines Hydrauliköl, welches sowohl hinsichtlich seiner Zusammensetzung (also der Additive) als auch seiner Viskosität nicht den Erfordernissen des Lagers entsprach.

Die festgestellte hohe Betriebstemperatur war eine direkte Folge des starken metallischen Kontakts speziell zwischen den Stirnflächen der Wälzkörper und dem Führungsbord der Wellenscheibe (siehe die Darstellung des Axial-Pendelrollenlagers in Bild 2). Dies führte bereits nach kurzer Zeit zu einer irreversiblen Schädigung der Funktionsflächen des Lagers; ein Tausch des Lagers mit entsprechendem Aufwand und den damit verbundenen Kosten war erforderlich.

Durch Wechsel zu einem auf die Anforderungen von Axialpendelrollenlagern abgestimmtem Öl mit entsprechend hoher Viskosität konnte eine sichere Trennung der Kontaktflächen und eine niedrige Betriebstemperatur erreicht werden – die Anlage ist nun seit 2009 störungsfrei in Betrieb.

Rillenkugellager in einer Schraubenspindelpumpe

Bei der hier vorliegenden Anwendung handelt es sich um eine Schraubenspindelpumpe, die zur Treibstoffversorgung von Schiffsdieselmotoren mit Schwer- und Leichtöl eingesetzt wird. Um das Öl leichter fördern und in den Brennraum einbringen zu können, wird es zuvor stark erwärmt. Dadurch sind auch die Lager an der Förderspindel der Pumpe hohen Temperaturen ausgesetzt.

Um das gewünschte, wartungsarme Lagerkonzept (Rillenkugellager mit integrierten Dichtungen) auch betriebssicher umsetzen zu können, wurde eine theoretische Betrachtung durchgeführt. Mit der anfänglich vom Kunden geschätzten Lagertemperatur von 150° C ließ sich jedoch keine zufriedenstellende Lösung erzielen – die auf Basis dieser Betriebstemperatur berechnete Gebrauchsdauer des Schmierstoffes und die damit verbundene Lebensdauer des Lagers lagen deutlich unterhalb der geforderten Werte.

Nach Rücksprache mit dem Kunden wurde eine Temperaturmessung an einer Versuchseinheit durchgeführt, um die tatsächlichen Betriebsverhältnisse zu erfassen. Das Ergebnis war eine maximale Lagertemperatur von „lediglich“ +130° C. Durch die Auswahl eines für diesen Temperaturbereich geeigneten Schmierfetts, die in Zusammenarbeit mit einem bekannten Schmierstoffhersteller erfolgte, sowie durch Maximierung der im Lager enthaltenen Fettmenge konnte die geforderte Gebrauchsdauer erzielt werden.

Fazit

Wie aus den oben angeführten Beispielen ersichtlich, lassen sich bereits durch geringe Anpassungen bei der Schmierung die Betriebssicherheit und die Haltbarkeit der Lagerung deutlich verbessern. Damit einher geht auch eine Reduktion der Kosten bzw. eventueller Folgekosten im Falle eines vorzeitigen Lagerversagens. Generell gilt: Je früher das Thema Schmierung betrachtet wird, desto einfacher und kostengünstiger lassen sich potenzielle Probleme vermeiden beziehungsweise umgehen.

Daniel Stöckl und Klaus Grissenberger sind Anwendungstechniker bei der NKE Austria GmbH in Steyr.