Schmierung von Kugellagern: Schmierfett gegen Öl, Nachfüllintervalle und automatische Systeme

1. Einleitung

Untersuchungen zu Zuverlässigkeitsindikatoren industrieller Anlagen auf ukrainischen Unternehmen der Maschinenbau- und Bergbauindustrie zeigen, dass bis zu 36 % der vorzeitigen Ausfälle von Kugellagern auf Probleme mit der Schmierung zurückzuführen sind. Eine unzureichende Menge von Schmierstoff, seine Degradation, Verunreinigung durch Fremdkörper oder die Verwendung eines ungeeigneten Viskositätsklassen führen zu trockenem Reiben, Mikroschweißen der Rollenflächen und thermischem Blockieren. Die Betriebsbedingungen auf Stahlwerken oder Zementwerken erfordern von mechanischen Ingenieuren tiefes Wissen in der Tribologie, um das Zielwertindikator der Zuverlässigkeit MTBF (Mean Time Between Failures) über 50 000 Stunden zu erreichen.

Spezialisten der UNITEC-D GmbH beschäftigen sich täglich mit der Auswahl von Komponenten und der Entwicklung von Wartungsrichtlinien für komplexe Produktionsbedingungen. In dieser technischen Artikel werden wir die physikalischen Grundlagen zur Auswahl zwischen Schmierfetten und Flüssigkeiten betrachten, geben Rechenformeln zur Bestimmung der Nachfüllintervalle gemäß den geltenden Normen an und analysieren die Effizienz von automatischen Schmierungssystemen (Zentrale Schmierungssysteme).

2. Grundprinzipien der Schmierung von Lagerungen

Die Hauptfunktion der Schmierung in Kugellagern besteht darin, eine trennende Schmierschicht zwischen den Rollkörpern (Kugeln oder Rollen), den Laufbahnen der Ringwellen und dem Trennring zu schaffen. Die Dicke dieser Schicht wird durch den Parameter der spezifischen Schichtdicke $\\lambda$ bestimmt:

\\lambda = \frac{h_{min}}{\\sqrt{R_{q1}^2 + R_{q2}^2}}

Die $h_{min}$ ist die minimale Schmierfilmstärke (µm), und $R_{q1}, R_{q2}$ sind die mittlere quadratische Rauheit der Kontaktflächen (µm). Der Wert $\\lambda$ bestimmt den Reibungsmodus im Lager:

• $\\lambda > 3$: Vollständige hydrodynamische oder elastohydrodynamische (EHD) Schmierschicht. Direkter Metallkontakt ist nicht vorhanden, der Verschleiß ist praktisch null.
• $1 < \\lambda \\le 3$: Gemischtes Reiben. Teilweise Mikrokontakt der Rauhigkeiten beobachtet. Erfordert Pakete von EP (Extreme Pressure) und AW (Anti-Wear).
• $\\lambda \\le 1$: Grenzreibung. Hoher Risiko von Verklemmungen, plastischer Verformung und Ermüdungsbruch der Oberfläche (Micropitting).

Die Grundviskosität des Schmierstoffs ($\ u_1$) bei der Betriebstemperatur ist ein kritischer Parameter für die Erreichung von $\\lambda > 2$. Gemäß ISO 15312 wird sie auf der Grundlage des mittleren Kugellagerdurchmessers $d_m = (d+D)/2$ und der Drehzahl $n$ berechnet. Wenn die Betriebstemperatur des Lageres +70 °C beträgt und die berechnete kinematische Viskosität 30 mm²/s beträgt, gewährleistet die Anwendung einer Schmierpaste der Klassifizierung NLGI 2 auf mineralöler Basis ISO VG 100 eine stabile Funktion bis zu $n \\cdot d_m = 300 000$ mm·Umdrehungen/min.

3. Technische Spezifikationen und Standards

Das Entwerfen und Wartung von Reibungselementen wird durch ein Komplex aus internationalen und nationalen Standards geregelt. Die Einhaltung dieser Normen gewährleistet die Sicherheit der Betriebsführung und die Kompatibilität der gelieferten Ersatzteile von UNITEC-D GmbH:

• ISO 281: Lager mit Rollenführung. Berechnung der dynamischen Tragfähigkeit und des nominalen Lebensdauers (unter Berücksichtigung des modifizierten Ermüdungsgrenzwerts $a_{ISO}$ für Schmierbedingungen).
• DIN 51825: Schmierfette der K-Typen. Klassifizierung von Schmiermitteln nach Anwendung (z. B. KP2K-30 für hohe Lasten).
• ISO 6743-9: Schmierstoffe, industrielle Öle und verwandte Produkte (Klasse L). Klassifizierung von Systemen und Schmierstoffen (Gruppe X für Schmierstoffe).
• DSTU GOST 21150:2009: Konsistente Schmierstoffe allgemeiner Verwendung (technische Anforderungen, harmonisiert mit europäischen Normen).
• IEC 60034-9 / DIN 51818: Klassifizierung von Schmierfetten nach dem Durchdringungsgrad NLGI (National Lubricating Grease Institute) von 000 bis 6.

4. Auswahl und Berechnung: Schmierfett oder Schmieröl

Die Wahl zwischen Schmiermittel und Schmieröl hängt von der Drehzahl ($n$), dem Lastwert ($P$), der Betriebstemperatur und den konstruktiven Besonderheiten des Gehäuses ab. Unten finden Sie eine vergleichende Matrix zur Entscheidungsfindung im Ingenieurwesen.

Berechnung des Füllintervalls für Schmierfett ($t_{f}$):
Für Standardkugellager mit Radialrichtung lautet die empirische SKF-Formel zur Bestimmung des Füllintervalls (in Stunden) wie folgt:

\\log t_f = 6,54 - 2,6 \\cdot \frac{n}{N_{F}} - 0,03 \\cdot d

De:
- $n$ — werkende Drehzahl (U/min)
- $N_{F}$ — Grenzgeschwindigkeit für Schmiermittel (U/min)
- $d$ — innenmaß des Lageres (mm)

Beispiel: Für den Lagerkugel 6312 ($d = 60$ mm, $D = 130$ mm) bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 2000 U/min und einer Schmiermittelgrenzgeschwindigkeit von 6300 U/min beträgt der berechnete Nachfüllintervall unter normalen Bedingungen (Temperatur bis +70 °C, keine Vibrationen) etwa 3800 Stunden.

5. Praktische Montage- und Inbetriebnahmeempfehlungen

Falsche Anfangsbeifuellung des Lager mit Schmiermittel führt häufig zum Ausfall bereits in den ersten Wochen der Betriebszeit. Halten Sie sich an folgende ingenieurtechnischen Normen:

1. Volumen der Füllung des Gehäuses: Der Kugellager muss mit Schmiermittel gefüllt werden, das 30–50 % des freien Raums im Gehäuse ausmacht. Eine Überfüllung (mehr als 70 %) führt zu intensivem Schmiermittelvermischen, plötzlichem Anstieg der hydraulischen Verluste, Erwärmung und Ausfluss des Schmiermittels durch die Dichtung.
2. Kompatibilität von Schmiermitteln: Es ist ausdrücklich verboten, Schmiermittel unterschiedlicher Typen zu mischen. Beispielsweise kann die Mischung eines Lithiumkomplexes mit einem Sulfonat-kalcium- oder Bentonit-basierten Schmiermittels zur Zerstörung der Schmiermittelstruktur (Verdünnung und Auslaufen) führen, aufgrund von Inkompatibilität der Seifenbasen. Wenden Sie sich vor der Nachfüllung an die technischen Datenblätter der Hersteller.
3. Sauberkeit beim Montageprozess: Halten Sie Schmierstoffe in verschlossenen Kartuschen oder verschließbaren Verpackungen auf. Verwenden Sie Spritzen und Schmierpumpen, die ausschließlich für den Einsatz eines bestimmten Schmierstoffs vorgesehen sind, um das Verunreinigen durch abrasive Partikel zu vermeiden.

6. Typische Arten von Schäden und Ursachenanalyse (RCA)

Die Fehlereinwirkung, durchgeführt in den Laboratorien UNITEC-D, ermöglicht es, drei Hauptfälle der Degradation von Lagerungen durch Probleme mit der Schmierung hervorzuheben:

• Thermisches Alterungsphänomen (Verkohlung): Die Schmierung verliert die Grundöle und verwandelt sich in eine dichte, kohlenstoffähnliche oder schwarze feste Masse. Ursache ist eine Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur (z. B. über +120 °C bei Standard-Lithiumschmierstoffen) oder eine langfristige Betätigung bei hohen Lasten ohne Kühlung.
• Brinellung und Falschbrinellung (False Brinell): Auftreten von Höhlen auf den Laufbahnen durch Spuren von Kugeln oder Rollen aufgrund von Vibrationen nicht betriebener Anlagen (z. B. Reservepumpen). Die Schmierfilm wird durch Vibrationen ausgedrückt, was zu Mikroabrieb führt. Lösung: Verwendung von EP-Zusätzen zur Schmierung und periodischer Drehung des Wellen.
• Abrieb (Verunreinigungsabrieb): Eindringen von Staub, Schlacke oder technischem Schlamm durch abgenutzte Dichtungen. Die Schmierung wirkt als Schleifpaste, die die Rollenflächen abträgt und den Radialspiel des Lageres vergrößert.

7. Prognostisches Wartung und Zustandsmonitoring

Um Stillstandszeiten kritischer Komponenten (Hauptlüfter, Klinkerbrecher, Extruder) zu vermeiden, wendet die moderne Industrie komplexe Überwachungsmethoden an:

• Schwingungsanalyse (High-Frequency Acceleration / SPM - Shock Pulse Method): Die Stoßimpulsmethode ermöglicht es, Schäden an der Schmierfilm sowie den Beginn von Oberflächenmikrorissen bereits vor dem Auftreten eines erhöhten allgemeinen Schwingungsniveaus zu erkennen. Ein Anstieg des dBm-Werts weist auf trockenes Reiben hin.
• Akustische Emission und Thermografie: Das kontaktlose Messen der Temperatur des Lagergehäuses mit Infrarotpyrometern und Thermografen erkennt lokale Temperaturspitzen, die auf eine Mangel- oder Übermengung von Schmiermittel hinweisen.
• Triboanalyse des Öls (Oil Condition Monitoring): Für Flüssigkeitslagerungssysteme wird ein spektrometrischer Abriebanalysen (Bestimmung der Konzentration von Fe, Cu, Cr in ppm) sowie die Bestimmung der Viskositätsabnahme um mehr als 10 % vom Anfangswert gemäß ISO 3104.

8. Vergleichsmatrix moderner Schmierungssysteme

Für die Optimierung der Wartungskosten großer Unternehmen ist es sinnvoll, von manueller Spritzenanwendung zu automatischen Systemen zu wechseln. Das Vergleich der Hauptvarianten ist unten dargestellt:

9. Schlussfolgerung

Der richtige Wahl des Schmiermaterials und die Einhaltung der Nachfüllvorschriften sind Garantie für die zuverlässige Funktion industrieller Anlagen. Ingenieure der UNITEC-D GmbH sind bereit, Expertenunterstützung bei der Auswahl von Lagerungen, Hochtemperaturschmierstoffen und Komponenten automatisierter Schmierungssysteme zu leisten, die den strengen europäischen Qualitätsstandards entsprechen.

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10. Verweisung

• ISO 281: Lager mit Kugeln — Dynamische Lasten und Lebensdauer. Internationale Organisation für Standardisierung.
• DIN 51825: Schmierstoffe — Schmierfette K — Festlegung von Schmierfetten für Kugellager und Schublager.
• SKF Allgemeiner Katalog: Lagerlagerung und Wartungshinweise, Veröffentlichung 10000 EN.
• ISO 15312: Lager mit Rollen — Thermische Geschwindigkeitsbeurteilung — Berechnung und Koeffizienten.
• IEV (Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch) - IEC 60050: Industrielle Tribologie und Wartungsterminologie.