Lager (mechanisch)

Viele Lager müssen regelmäßig gewartet werden, um einen vorzeitigen Ausfall zu verhindern, aber viele andere benötigen nur wenig Wartung. Zu letzteren gehören verschiedene Arten von Polymer-, Flüssigkeits- und Magnetlagern sowie Wälzlager, die mit Begriffen wie „sealed bearing“ und „sealed for life“ beschrieben werden. Diese Lager enthalten Dichtungen, die den Schmutz draußen und das Schmierfett drinnen halten. Sie werden in vielen Anwendungen erfolgreich eingesetzt und ermöglichen einen wartungsfreien Betrieb. Bei einigen Anwendungen können sie nicht effektiv eingesetzt werden.

Nicht abgedichtete Lager haben oft einen Schmiernippel für die regelmäßige Schmierung mit einer Fettpresse oder einen Ölbehälter für die regelmäßige Befüllung mit Öl. Vor den 1970er Jahren waren abgedichtete Lager in den meisten Maschinen nicht anzutreffen, und das Ölen und Fetten war eine üblichere Tätigkeit als heute. So mussten beispielsweise die Fahrgestelle von Kraftfahrzeugen früher fast genauso oft geölt werden wie das Motoröl, aber die heutigen Fahrgestelle sind meist lebenslang abgedichtet. Von Ende des 17. Jahrhunderts bis Mitte des 19. Jahrhunderts waren in der Industrie viele Arbeiter, die so genannten Öler, damit beschäftigt, die Maschinen häufig mit Ölkannen zu schmieren.

Heute sind die Maschinen in der Regel mit Schmiersystemen ausgestattet, bei denen eine zentrale Pumpe in regelmäßigen Abständen Öl oder Fett aus einem Vorratsbehälter durch Schmierleitungen zu den verschiedenen Schmierstellen an den Lagerflächen, Lagerzapfen, Stehlagern usw. der Maschine fördert. Der Zeitpunkt und die Anzahl dieser Schmierzyklen werden von der computergesteuerten Steuerung der Maschine, z. B. SPS oder CNC, sowie von manuellen Übersteuerungsfunktionen bei Bedarf gesteuert. Dieser automatisierte Prozess ist die Art und Weise, wie alle modernen CNC-Werkzeugmaschinen und viele andere moderne Fabrikmaschinen geschmiert werden. Ähnliche Schmiersysteme werden auch bei nicht automatisierten Maschinen verwendet. In diesem Fall gibt es eine Handpumpe, die der Maschinenbediener einmal täglich (bei Maschinen im Dauereinsatz) oder einmal wöchentlich aufpumpen muss. Diese Systeme werden als One-Shot-Systeme bezeichnet, da ihr wichtigstes Verkaufsargument darin besteht, dass ein einziger Zug an einem Griff genügt, um die gesamte Maschine zu schmieren, anstatt ein Dutzend Pumpen einer Alemit-Pistole oder eines Ölkanisters an einem Dutzend verschiedener Stellen um die Maschine herum.

Das Ölsystem in einem modernen Automobil- oder LKW-Motor ähnelt vom Konzept her den oben erwähnten Schmiersystemen, außer dass das Öl kontinuierlich gepumpt wird. Ein Großteil des Öls fließt durch Kanäle, die in den Motorblock und die Zylinderköpfe gebohrt oder gegossen sind, und tritt durch Öffnungen direkt an den Lagern aus, während es an anderer Stelle ein Ölbad bildet. Die Ölpumpe pumpt einfach ständig, und überschüssiges Öl entweicht kontinuierlich durch ein Überdruckventil zurück in die Ölwanne.

Viele Lager in industriellen Hochgeschwindigkeitsanwendungen müssen regelmäßig geschmiert und gereinigt werden, und viele müssen gelegentlich nachgestellt werden, z. B. durch Nachstellen der Vorspannung, um die Auswirkungen des Verschleißes zu minimieren.

Die Lebensdauer der Lager ist oft viel besser, wenn sie sauber und gut geschmiert sind. Viele Anwendungen erschweren jedoch eine gute Wartung. Ein Beispiel sind die Lager im Förderband eines Steinbrechers, die ständig harten abrasiven Partikeln ausgesetzt sind. Eine Reinigung ist wenig sinnvoll, da sie teuer ist, aber das Lager ist wieder verschmutzt, sobald das Förderband wieder in Betrieb genommen wird. Daher könnte ein gutes Wartungsprogramm die Lager häufig schmieren, aber keine Demontage zur Reinigung vorsehen. Die häufige Schmierung bietet naturgemäß nur eine begrenzte Art der Reinigung, indem sie älteres (mit Sand gefülltes) Öl oder Fett durch eine frische Charge ersetzt, die ihrerseits den Sand sammelt, bevor sie beim nächsten Zyklus verdrängt wird. Ein weiteres Beispiel sind die Lager in Windkraftanlagen, deren Wartung sich schwierig gestaltet, da die Gondel in starken Windgebieten hoch oben in der Luft angebracht ist. Außerdem läuft die Turbine nicht immer und ist bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen einem unterschiedlichen Betriebsverhalten ausgesetzt, was eine ordnungsgemäße Schmierung zu einer Herausforderung macht.

Wälzlager-Außenring-FehlererkennungBearbeiten

Wälzlager sind heute in der Industrie weit verbreitet, und daher ist die Wartung dieser Lager eine wichtige Aufgabe für die Wartungsfachleute. Die Wälzlager verschleißen leicht durch Metall-zu-Metall-Kontakt, was zu Fehlern im Außenring, Innenring und der Kugel führt. Außerdem sind sie die empfindlichsten Komponenten einer Maschine, da sie häufig hohen Belastungen und hohen Laufgeschwindigkeiten ausgesetzt sind. Die regelmäßige Diagnose von Wälzlagerfehlern ist entscheidend für die industrielle Sicherheit und den Betrieb der Maschinen sowie für die Senkung der Wartungskosten und die Vermeidung von Stillstandszeiten. Von Außenring, Innenring und Kugel ist der Außenring tendenziell anfälliger für Fehler und Defekte.

Die Frage, ob der Wälzkörper die Eigenfrequenzen der Lagerkomponente anregt, wenn er den Fehler am Außenring passiert, ist noch nicht geklärt. Daher müssen wir die Eigenfrequenz des Lageraußenrings und ihre Oberschwingungen ermitteln. Die Lagerfehler erzeugen Impulse und führen zu starken Oberwellen der Fehlerfrequenzen im Spektrum der Schwingungssignale. Diese Fehlerfrequenzen werden aufgrund ihrer geringen Energie manchmal von benachbarten Frequenzen im Spektrum überdeckt. Daher ist oft eine sehr hohe spektrale Auflösung erforderlich, um diese Frequenzen bei einer FFT-Analyse zu identifizieren. Die Eigenfrequenzen eines Wälzlagers mit freien Randbedingungen liegen bei 3 kHz. Um die Methode der Lagerkomponenten-Resonanzbandbreite zur Erkennung eines Lagerfehlers in der Anfangsphase zu nutzen, sollte daher ein Beschleunigungsaufnehmer mit hohem Frequenzbereich verwendet werden, und es müssen Daten über einen langen Zeitraum erfasst werden. Die charakteristische Frequenz eines Fehlers kann nur erkannt werden, wenn der Fehler schwerwiegend ist, z. B. bei einem Loch im Außenring. Die Oberschwingungen der Fehlerfrequenz sind ein empfindlicherer Indikator für einen Fehler am Außenring des Lagers. Für eine ernsthaftere Erkennung von defekten Lagerfehlern helfen Wellenform-, Spektrum- und Hüllkurventechniken, diese Fehler aufzudecken. Wird jedoch eine Hochfrequenz-Demodulation in der Hüllkurvenanalyse verwendet, um charakteristische Frequenzen von Lagerfehlern zu erkennen, müssen die Wartungsfachleute bei der Analyse wegen der Resonanz vorsichtiger sein, da sie möglicherweise Fehlerfrequenzkomponenten enthält.

Die Verwendung der Spektralanalyse als Werkzeug zur Identifizierung von Lagerfehlern ist aufgrund von Problemen wie geringer Energie, Signalverschmierung, Zyklostationarität usw. problematisch. Oft ist eine hohe Auflösung erforderlich, um die Fehlerfrequenzkomponenten von den anderen benachbarten Frequenzen mit hoher Amplitude zu unterscheiden. Wenn das Signal für die FFT-Analyse abgetastet wird, sollte die Abtastlänge daher groß genug sein, um eine angemessene Frequenzauflösung im Spektrum zu erreichen. Auch die Begrenzung der Berechnungszeit und des Speichers sowie die Vermeidung unerwünschter Aliasing-Effekte können eine Herausforderung darstellen. Eine minimale erforderliche Frequenzauflösung kann jedoch durch Schätzung der Lagerfehlerfrequenzen und anderer Schwingungsfrequenzkomponenten und ihrer Oberwellen aufgrund von Wellendrehzahl, Fehlausrichtung, Netzfrequenz, Getriebe usw. erreicht werden.

PackungBearbeiten

Einige Lager verwenden ein dickes Fett zur Schmierung, das in die Spalten zwischen den Lageroberflächen gedrückt wird, auch als Packung bezeichnet. Das Fett wird durch eine Kunststoff-, Leder- oder Gummidichtung (auch Stopfbuchse genannt) an Ort und Stelle gehalten, die die Innen- und Außenkanten des Lagerlaufrings abdeckt, um ein Austreten des Fetts zu verhindern.

Lager können auch mit anderen Materialien gepackt werden. Früher wurden für die Räder von Eisenbahnwaggons Gleitlager verwendet, die mit Abfällen oder losen Baumwoll- oder Wollfasern, die in Öl getränkt waren, gepackt waren, später dann mit festen Baumwollpolstern.

RingölerEdit

Lager können durch einen Metallring geschmiert werden, der lose auf der zentralen rotierenden Welle des Lagers sitzt. Der Ring hängt nach unten in eine Kammer, die Schmieröl enthält. Wenn sich das Lager dreht, zieht die viskose Adhäsion das Öl den Ring hinauf und auf die Welle, wo das Öl in das Lager wandert und es schmiert. Überschüssiges Öl wird abgeschleudert und sammelt sich wieder im Becken.

TauchschmierungBearbeiten

Eine rudimentäre Form der Schmierung ist die Tauchschmierung. Bei manchen Maschinen befindet sich im Boden ein Schmiermittelbecken, in das die Zahnräder teilweise eintauchen, oder es gibt Kurbelstangen, die beim Betrieb des Geräts in das Becken hinunterschwingen können. Die sich drehenden Räder schleudern das Öl in die Luft, während die Kurbelstangen auf die Oberfläche des Öls klatschen und es unkontrolliert auf die Innenflächen des Motors spritzen. Einige kleine Verbrennungsmotoren enthalten spezielle Schleuderräder aus Kunststoff, die das Öl wahllos im Inneren des Mechanismus verteilen.

DruckschmierungBearbeiten

Bei Maschinen mit hohen Drehzahlen und hoher Leistung kann ein Verlust an Schmiermittel zu einer schnellen Erhitzung der Lager und zu Reibungsschäden führen. Auch in schmutzigen Umgebungen kann das Öl durch Staub oder Ablagerungen verunreinigt werden, was die Reibung erhöht. Bei diesen Anwendungen kann dem Lager und allen anderen Kontaktflächen kontinuierlich frischer Schmierstoff zugeführt werden, und der Überschuss kann zur Filtration, Kühlung und möglichen Wiederverwendung aufgefangen werden. Die Druckschmierung wird häufig in großen und komplexen Verbrennungsmotoren in Teilen des Motors eingesetzt, die direktes Spritzöl nicht erreichen kann, wie z. B. in den obenliegenden Ventilbaugruppen. Hochgeschwindigkeits-Turbolader benötigen in der Regel auch ein Druckölsystem, um die Lager zu kühlen und zu verhindern, dass sie durch die Hitze der Turbine verbrennen.

VerbundlagerBearbeiten

Verbundlager sind mit einer selbstschmierenden PTFE-Auskleidung mit einem laminierten Metallrücken ausgestattet. Die PTFE-Auskleidung bietet eine gleichmäßige, kontrollierte Reibung sowie eine lange Lebensdauer, während der Metallrücken dafür sorgt, dass das Verbundlager robust ist und während seiner langen Lebensdauer hohen Belastungen standhält. Seine Konstruktion macht es außerdem leicht – es wiegt nur ein Zehntel eines herkömmlichen Wälzlagers.