Die gestiegene Nachfrage nach verbesserter Zuverlässigkeit in der gesamten Branche bedeutet, dass Ingenieure alle Komponenten ihrer Geräte berücksichtigen müssen.Lagersysteme sind kritische Teile in einer Maschine und ihr Ausfall kann katastrophale und kostspielige Folgen haben.Das Lagerdesign hat einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit, insbesondere unter extremen Betriebsbedingungen wie hohen oder niedrigen Temperaturen, Vakuum und korrosiven Atmosphären.Dieser Artikel skizziert Überlegungen, die bei der Spezifikation von Lagern für anspruchsvolle Umgebungen zu berücksichtigen sind, damit Ingenieure eine hohe Zuverlässigkeit und eine hervorragende Langlebigkeit ihrer Geräte gewährleisten können.

Ein Lagersystem besteht aus vielen Elementen, darunter beispielsweise Kugeln, Ringe, Käfige und Schmierung.Standardlager halten normalerweise den Strapazen rauer Umgebungen nicht stand, daher müssen die einzelnen Teile besonders berücksichtigt werden.Die wichtigsten Elemente sind Schmierung, Materialien und spezielle Wärmebehandlung oder Beschichtungen, und durch die Betrachtung jedes Faktors können die Lager am besten für die Anwendung konfiguriert werden.

Betrieb bei hoher Temperatur

Hochtemperaturanwendungen, wie sie beispielsweise in Antriebssystemen in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, können Standardlager vor Herausforderungen stellen.Darüber hinaus steigen die Temperaturen in den Geräten, da die Einheiten immer kleiner werden und eine höhere Leistungsdichte haben, und dies stellt ein Problem für das durchschnittliche Lager dar.

Schmierung

Schmierung ist hier ein wichtiger Aspekt.Öle und Fette haben maximale Betriebstemperaturen, an denen sie beginnen, sich zu zersetzen und schnell zu verdampfen, was zu einem Lagerausfall führt.Standardfette sind oft auf eine maximale Temperatur von etwa 120 °C begrenzt, und einige herkömmliche Hochtemperaturfette können Temperaturen von bis zu 180 °C standhalten.

Für Anwendungen, die noch höhere Temperaturen erfordern, sind jedoch spezielle fluorierte Schmierfette erhältlich und Temperaturen über 250 °C sind erreichbar.Wo eine Flüssigkeitsschmierung nicht möglich ist, ist eine Feststoffschmierung eine Option, die einen zuverlässigen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen bei noch höheren Temperaturen ermöglicht.Als Festschmierstoffe empfehlen sich in diesem Fall Molybdändisulfid (MOS2), Wolframdisulfid (WS2), Graphit oder Polytetrafluorethylen (PTFE), da sie sehr hohe Temperaturen über längere Zeit vertragen.

Materialien

Bei Temperaturen über 300°C sind spezielle Ring- und Kugelwerkstoffe erforderlich.AISI M50 ist ein Hochtemperaturstahl, der normalerweise empfohlen wird, da er bei hohen Temperaturen eine hohe Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit aufweist.BG42 ist ein weiterer Hochtemperaturstahl, der eine gute Warmhärte bei 300 °C aufweist und häufig spezifiziert wird, da er eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und auch weniger anfällig für Ermüdung und Verschleiß bei extremen Temperaturen ist.

Hochtemperaturkäfige sind ebenfalls erforderlich und können in speziellen Polymermaterialien geliefert werden, einschließlich PTFE, Polyimid, Polyamidimid (PAI) und Polyetheretherketon (PEEK).Für ölgeschmierte Hochtemperatursysteme können Lagerkäfige auch aus Bronze, Messing oder versilbertem Stahl gefertigt werden.

Beschichtungen und Wärmebehandlung

Fortschrittliche Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen können auf Lager aufgebracht werden, um Reibung zu bekämpfen, Korrosion zu verhindern und Verschleiß zu reduzieren, wodurch die Lagerleistung bei hohen Temperaturen verbessert wird.Beispielsweise können Stahlkäfige mit Silber beschichtet werden, um die Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern.Im Falle eines Schmiermittelausfalls/-mangels wirkt die Versilberung wie ein Festschmierstoff, der es dem Lager ermöglicht, für kurze Zeit oder in einer Notsituation weiterzulaufen.

Zuverlässigkeit bei niedriger Temperatur

Am anderen Ende der Skala können niedrige Temperaturen für Standardlager problematisch sein.

Schmierung

Bei Tieftemperaturanwendungen, beispielsweise kryogenen Pumpanwendungen mit Temperaturen im Bereich von –190°C, werden Ölschmierungen wachsartig, was zu einem Lagerausfall führt.Festschmierstoffe wie MOS2 oder WS2 sind ideal zur Verbesserung der Zuverlässigkeit.Darüber hinaus können bei diesen Anwendungen die gepumpten Medien als Schmiermittel fungieren, sodass die Lager speziell für den Betrieb bei diesen niedrigen Temperaturen konfiguriert werden müssen, wobei Materialien verwendet werden müssen, die gut mit den Medien zusammenarbeiten.

Materialien

Ein Material, das zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer und Verschleißfestigkeit eines Lagers verwendet werden kann, ist SV30® – ein martensitischer, durchgehärteter, korrosionsbeständiger Stahl mit hohem Stickstoffgehalt.Keramikkugeln werden ebenfalls empfohlen, da sie eine hervorragende Leistung erbringen.Aufgrund der inhärenten mechanischen Eigenschaften des Materials bieten sie einen hervorragenden Betrieb bei schlechten Schmierbedingungen und sind weitaus besser geeignet, um bei niedrigen Temperaturen zuverlässig zu arbeiten.

Das Käfigmaterial sollte auch so gewählt werden, dass es möglichst verschleißfest ist, und gute Optionen sind hier PEEK, Polychlortrifluorethylen (PCTFE) und PAI-Kunststoffe.

Wärmebehandlung

Ringe sollten speziell wärmebehandelt werden, um die Dimensionsstabilität bei niedrigen Temperaturen zu verbessern.

Internes Design

Eine weitere Überlegung für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen ist die Innenkonstruktion des Lagers.Lager sind mit einem gewissen Radialspiel konstruiert, aber wenn die Temperatur sinkt, unterliegen die Lagerkomponenten einer thermischen Kontraktion und das Radialspiel wird daher reduziert.Wenn das Radialspiel während des Betriebs auf Null absinkt, führt dies zum Ausfall des Lagers.Lager, die für Tieftemperaturanwendungen vorgesehen sind, sollten bei Raumtemperatur mit mehr radialem Spiel konstruiert werden, um ein akzeptables radiales Betriebsspiel bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen.

Umgang mit Vakuumdruck

In Ultrahochvakuumumgebungen, wie sie bei der Herstellung von Elektronik, Halbleitern und LCDs vorhanden sind, kann der Druck niedriger als 10 –7 mbar sein.Ultrahochvakuumlager werden typischerweise in Betätigungsgeräten in der Fertigungsumgebung verwendet.Eine weitere typische Vakuumanwendung sind Turbomolekularpumpen (TMP), die das Vakuum für Fertigungsumgebungen erzeugen.Bei dieser letzteren Anwendung müssen die Lager oft mit hoher Geschwindigkeit arbeiten.

Schmierung

Schmierung ist unter diesen Bedingungen der Schlüssel.Bei einem so hohen Vakuum verdampfen Standard-Schmierfette und gasen ebenfalls aus, und das Fehlen einer wirksamen Schmierung kann zum Ausfall des Lagers führen.Daher muss eine spezielle Schmierung verwendet werden.Für Hochvakuumumgebungen (bis ca. 10-7 mbar) können PFPE-Fette verwendet werden, da sie eine viel höhere Verdampfungsbeständigkeit aufweisen.Für Ultrahochvakuumumgebungen (10–9 mbar und darunter) müssen Festschmierstoffe und Beschichtungen verwendet werden.

Für Umgebungen mit mittlerem Vakuum (ca. 10-2 mbar) können bei sorgfältiger Konstruktion und Auswahl von speziellem Vakuumfett Lagersysteme mit einer langen Lebensdauer von mehr als 40.000 Stunden (ca. 5 Jahre) Dauerbetrieb und Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten verwendet werden erreicht.

Korrosionsbeständigkeit

Lager, die für den Einsatz in einer korrosiven Umgebung vorgesehen sind, müssen speziell konfiguriert werden, da sie neben anderen korrosiven Chemikalien möglicherweise Säuren, Laugen und Salzwasser ausgesetzt sein können.

Materialien

Materialien sind ein entscheidender Faktor für korrosive Umgebungen.Standardlagerstähle korrodieren leicht, was zu einem frühen Lagerausfall führt.In diesem Fall sollte das Ringmaterial SV30 mit Keramikkugeln in Betracht gezogen werden, da diese sehr korrosionsbeständig sind.Tatsächlich haben Studien gezeigt, dass SV30-Material in einer Salzsprühumgebung um ein Vielfaches länger halten kann als andere korrosionsbeständige Stähle.In kontrollierten Salzsprühtests zeigt SV30-Stahl nach 1.000 Stunden Salzsprühtest nur leichte Anzeichen von Korrosion (siehe Grafik 1) und die hohe Korrosionsbeständigkeit von SV30 ist an den Testringen deutlich zu erkennen.Spezielle Keramikkugelmaterialien wie Zirkonoxid und Siliziumkarbid können ebenfalls verwendet werden, um die Beständigkeit eines Lagers gegenüber korrosiven Substanzen weiter zu erhöhen.

Mehr aus der Medienschmierung herausholen

Die letzte herausfordernde Umgebung sind Anwendungen, bei denen das Medium als Schmiermittel fungiert, beispielsweise Kältemittel, Wasser oder Hydraulikflüssigkeiten.Bei all diesen Anwendungen ist das Material die wichtigste Überlegung, und SV30-Keramik-Hybridlager haben sich oft als die praktischste und zuverlässigste Lösung erwiesen.

Fazit

Extreme Umgebungen stellen Standardlager vor viele betriebliche Herausforderungen und führen daher zu vorzeitigem Ausfall.In diesen Anwendungen sollten Lager sorgfältig konfiguriert werden, damit sie für ihren Zweck geeignet sind und eine hervorragende, langlebige Leistung erbringen.Um eine hohe Zuverlässigkeit der Lager zu gewährleisten, sollte der Schmierung, den Materialien, der Oberflächenbeschichtung und der Wärmebehandlung besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.