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Kreiselpumpe

Dieses Beispiel zeigt den Lagerauswahlprozess für einen Anwendungsfall, bei dem eine Kreiselpumpe modifiziert werden soll.

Der Pumpenhersteller will die Effizienz einer vorhandenen Kreiselpumpe durch Modifizierung des Laufrads verbessern. Dies wird höhere Lagerbelastungen zur Folge haben, weshalb zu prüfen ist, ob sich die aktuelle Lagerauswahl auch für die geänderte Konstruktion eignet. Bild 1 zeigt die Anwendungszeichnung.

Jeder Schritt des Beispielprozesses wird in einem erweiterbaren/Drop-down-Abschnitt beschrieben. Die im Beispiel gelisteten Schritte entsprechen der Abfolge im Lagerauswahlprozess. Im Lagerauswahlprozess ist jeder einzelne Schritt ausführlich beschrieben.

Leistung und Betriebsbedingungen
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting


Es gelten folgende Betriebsbedingungen:
  • Drehzahl: n = 3 000 min-1
  • Schmierung:
    • Verfahren: Ölbad
    • Ölviskositätsklasse: ISO VG 68
  • auf der Loslagerseite ein Zylinderrollenlager NU 311 ECP:
    • max. Radialbelastung: Fr = 3,29 kN
    • geschätzte Betriebstemperatur: T = 70 °C
  • auf der Festlagerseite ein Paar in O-Anordnung eingebaute, universell kombinierbare einreihige Schrägkugellager 7312 BECBP:
    • max. Radialbelastung: Fr = 1,45kN
    • max. Axialbelastung: Fa = 11,5 kN
    • geschätzte Betriebstemperatur: T = 85 °C
Gemäß den Standards der Pumpenbranche sollte die nominelle Lebensdauer L10h mindestens 16 000 h bei maximaler Belastung betragen.

Gestaltung der Lagerungen
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Ein Zylinderrollenlager wird als Loslager verwendet, zwei universell kombinierbare einreihige Schrägkugellager dienen als Festlager.

Das Zylinderrollenlager der Bauform NU wird aus folgenden Gründen verwendet:
  • Es kann die Wärmeausdehnung der Welle aufnehmen.
  • Der Innenring lässt sich vom Außenring mit Rollen und Käfig trennen, was die Montage der Pumpe und die Verwendung von festen Passungen an Innen- und Außenring vereinfacht.
Für die beiden universell kombinierbaren einreihigen Schrägkugellager:
  • Kugellager mit einem Winkel von 40° sind bestens geeignet, um hohe axiale Belastungen und mittlere bis hohe Drehzahlen aufzunehmen.
  • Die Lager werden in O-Anordnung und mit verspannten Innenringen und mit fester Passung auf der Welle eingebaut. Da das Betriebsspiel des Lagerpaars durch die Verspannung der Innenringe kontrolliert wird, können die Außenringe im Gehäuse zwischen einer Schulter und einem Deckel ohne präzises Verspannen positioniert werden.
Beide Lagersitze im Gehäuse werden in einer Spannposition bearbeitet, was eine gute Ausrichtung gewährleistet. Die Schiefstellung beträgt weniger als 2 Winkelminuten, was innerhalb der zulässigen Schiefstellungsgrenzen für das Schrägkugellagerpaar und das Zylinderrollenlager liegt.

Fazit

Die aktuelle Wahl von Lagerbauform und Anordnung ist für diesen Anwendungsfall geeignet.

Lagergröße, Loslagerung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Die gegebenen Betriebsbedingungen und die Auswirkungen der Wälzermüdung weisen darauf hin, dass die Lagergröße anhand der nominellen Lebensdauer und der erweiterten SKF Lebensdauer ermittelt werden sollte.

Produktdaten für NU 311 ECP → Produktdetails.

Nominelle Lebensdauer




Aus Belastungen, P = Fr. Daher ist das Belastungsverhältnis C/P = 156 / 3,29 = 47.



Das Lager ist überdimensioniert. 

Erweiterte SKF Lebensdauer


 

1Schmierbedingungen – das Viskositätsverhältnis κ

κ = ν/ν1

Gegeben:
  • Ölviskositätsklasse = ISO VG 68
  • Betriebstemperatur = 70 °C
dann, mithilfe von Diagramm 1, ν = 20 mm2/s

Gegeben:
  • n = 3 000 min-1
  • dm = 0,5 (55 + 120) = 87,5 mm

dann, mithilfe von Diagramm 2, ν1 = 7 mm2/s

Daher ist κ = 20/7 = 2,8


2. Verunreinigungsbeiwert ηc

Gegeben:

  • typische Verunreinigungen (d. h. offene Lager, keine Filterung, Verschleißpartikel und Eindringen von Schmutz aus der Umgebung)
  • dm = 87,5 mm
dann, mithilfe von Tabelle 1, ηc = 0,2

Gegeben: dann ηc Pu/P = 0,2 x 18,6 / 3,29 = 1,13

3. Lebensdauerbeiwert, aSKF

Gegeben:
  • κ = 2,8
  • ηc Pu/P = 1,13
  • NU 311 ECP ist ein SKF Explorer Lager.
dann, mithilfe von Diagramm 3, aSKF = 50

Gegeben:
  • L10h > 1 000 000 h
dann L10mh > 50 x 1 000 000 h

dann L10mh >> 1 000 000 h, was darauf hinweist, dass das Lager für die Betriebsbedingungen überdimensioniert ist.

Mindestbelastung

Die Tatsache, dass sowohl die nominelle Lebensdauer als auch die erweiterte SKF Lebensdauer sehr hoch sind und über der erforderlichen Lagerlebensdauer liegen, weist darauf hin, dass das Lager zu leicht belastet sein könnte.

Bei Verwendung der Mindestbelastungsgleichung unter Belastungen ist die radiale Mindestbelastung (Frm), die zur Vermeidung von Gleitbewegungen und Schlupf bei Zylinderrollenlagern erforderlich ist, gegeben durch:

Gegeben:
  • dm = 87,5 mm
  • kr = 0,15 
  • n = 3 000 min-1
  • nr = 6 000 min-1
dann:

Frm = 0,94 kN < Fr = 3,29 kN

Fazit

Das Lager ist überdimensioniert bzw. zu leicht belastet. Optionen:

  • Das aktuelle Lager wird weiterverwendet. Es besteht keine Gefahr, dass das Lager aufgrund der zu geringen Belastung beschädigt wird.
  • Das Lager wird verkleinert, wodurch die Kosten sinken. Folgendes ist in Erwägung zu ziehen:
    • Der Wellendurchmesser wird beibehalten, aber das kleinere Lager NU 211 ECP der Reihe NU 2 verwendet ( → Produktdetails).
    • Der Wellendurchmesser wird beibehalten, aber das kleinere Lager NU 210 ECP der Reihe NU 2 verwendet ( → Produktdetails).
    Beide Verkleinerungsmaßnahmen erfordern allerdings eine Konstruktionsänderung der benachbarten Komponenten.
Lagergröße, Loslagerung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Die gegebenen Betriebsbedingungen und die Auswirkungen der Wälzermüdung weisen darauf hin, dass die Lagergröße anhand der nominellen Lebensdauer und der erweiterten SKF Lebensdauer ermittelt werden sollte.

Produktdaten für 7312 BECBP → Produktdetails.

Nominelle Lebensdauer




Aus BelastungenTragfähigkeit von Lagersätzen:

C = 1,62 CEinzellager = 1,62 x 104 = 168,5 kN

Aus Belastungen, für Lagersätze in O-Anordnung:

Fa/Fr = 11,5/1,45 > 1,14

Also ist zu verwenden:

P = 0,57 Fr + 0,93 Fa = (0,57 x 1,45) + (0,93 x 11,5) = 11,52 kN

. Daher ist das Belastungsverhältnis C/P = 168,5 / 11,52 = 14,6.



Erweiterte SKF Lebensdauer




1Schmierbedingungen – das Viskositätsverhältnis κ

κ = ν/ν1

Gegeben:
  • Ölviskositätsklasse = ISO VG 68
  • Betriebstemperatur = 85 °C
dann, mithilfe von Diagramm 1, ν = 13 mm2/s

Gegeben:
  • n = 3 000 min-1
  • dm = 0,5 (60 + 130) = 95 mm

dann, mithilfe von Diagramm 2, ν1 = 7 mm2/s

Daher ist κ = 13/7 = 1,8

Die nächsthöhere Viskositätsklasse ISO VG 100 würde κ = 2,5 ergeben. Doch dies würde beim Lager NU 311 ECP zu einem Wert von κ > 4 führen, was besonders bei Kaltstarts unerwünscht hohe κ-Werte ergeben würde.


2. Verunreinigungsbeiwert ηc

Gegeben:

  • typische Verunreinigungen (d. h. offene Lager, keine Filterung, Verschleißpartikel und Eindringen von Schmutz aus der Umgebung)
  • dm = 95 mm
dann, mithilfe von Tabelle 1, ηc = 0,2

Gegeben:
  • Pu = 2 x 3,2 = 6,4 kN
  • P = 11,52 kN (→ Nominelle Lebensdauer, oben) 
dann ηcPu/P = 0,2 x 6,4/11,52 = 0,11 


3. Lebensdauerbeiwert, aSKF

Gegeben:
  • κ = 1,8
  • ηcPu/P = 0,11 
  • 7312 BECBP sind SKF Explorer Lager. 
dann, mithilfe von Diagramm 4, aSKF = 5 

Gegeben:
  • L10h = 17 400 h
dann L10mh = 5 x 17 400 = 87 000 h


Schlussfolgerung:

Die beiden 7312 BECBP SKF Explorer Lager haben eine geeignete Größe.

Schmierung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Die Pumpe hat ein Ölbad. Dies ist typisch für Prozesspumpen, da sie lange Wartungsintervalle erfordern. In dieser Pumpe werden aus Gründen der Einfachheit die Fest- und die Loslagerung vom selben Ölbad geschmiert.

Wie in den vorherigen Schritten ermittelt, ist κ = 1,8 für das Paar Schrägkugellager und 2,8 für das Zylinderrollenlager; die Viskositätsklasse des gewählten Öls ist daher angemessen.

Betriebstemperaturbereich und Drehzahl
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Ob eine detaillierte thermische Analyse erforderlich ist (→ Beharrungstemperatur), wird ermittelt per Kontrolle, dass:
  • die Drehzahl weniger als 50 % der Grenzdrehzahl des Lagers beträgt:
    • Dies gilt für die Loslagerposition.
    • Für die Festlagerung gelten 56 %, was nur knapp über dem Grenzwert liegt. Für ein Paar einreihiger Schrägkugellager wird die Grenzdrehzahl demnach um 20 % reduziert (→ Zulässige Drehzahlen), und so ergibt sich 3 000 / (0,8 x 6 700) = 0,56.
  • das Belastungsverhältnis C/P größer als 10 ist:
    • Dies gilt für die Fest- und für die Loslagerposition.
  • keine ausgeprägte externe Wärmezufuhr vorliegt:
    • Die Pumpe befindet sich in einem Bereich mit einer Umgebungstemperatur von 20 bis 30 °C.
    • Das Pumpenmedium hat Umgebungstemperatur, sodass keine zusätzliche Wärme auf die Lager einwirkt.
Daher ist keine weitere thermische Analyse erforderlich.

Gestaltung der Lagerumbauteile
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Infolge der Modifizierung der Pumpe werden die Lager stärker belastet, weshalb die Toleranzen der Lagersitze zu prüfen sind, um sicherzustellen, dass die Lager mit geeigneten Passungen eingebaut werden.

Da eine Standard-Stahlwelle und ein Graugussgehäuse verwendet werden und Lagerbelastungen, Drehzahlen und Temperaturen im normalen Bereich liegen, können die Toleranzen der Lagersitze für Standardbedingungen angewandt werden.

Wellentoleranzen 
Wellentoleranzen für die Sitze von Radialkugellagern sind in Tabelle 3 angegeben, jene für die Sitze von Radialrollenlagern in Tabelle 4 (aus Toleranzen der Lagersitze für Standardbedingungen).

Gegeben:

NU 311 ECP7312 BECBP
UmlaufverhältnisUmfangslast am InnenringUmfangslast am Innenring
P/C-Verhältnis0,020,07
Bohrungsdurchmesser 55 mm60 mm


Ergebnisse:
LagerMaßtoleranz
Gesamtrundlauf-Toleranz
Gesamtplanlauf-Toleranz
Ra
NU 311 ECPk6ⒺIT5/2IT50,8 µm
7312 BECBPk5ⒺIT4/2IT40,8 µm


Gehäusetoleranzen
Jeder im Betrieb entstehende Verschleiß kann zur Unwucht des Laufrads führen, was an den Außenringen beider Lager eine unbestimmte Lastrichtung zur Folge hat.

Toleranzen für die Sitze von Grauguss- und Stahlgehäusen für Radialkugellager sind in Tabelle 5 angegeben (aus Passungen für Standardbedingungen).

Gegeben:

NU 311 ECP7312 BECBP
UmlaufverhältnisUnbestimmte LastrichtungUnbestimmte Lastrichtung
P/C-Verhältnis0,020,07
Außendurchmesser 120 mm130 mm


Ergebnisse:
LagerMaßtoleranz
Gesamtrundlauf-Toleranz
Gesamtplanlauf-Toleranz
Ra
NU 311 ECP
K7ⒺIT6/2IT63,2 µm
7312 BECBPK7ⒺIT6/2IT63,2 µm


Axiale Befestigung 
Die aktuelle Konstruktion hat eine geeignete axiale Befestigung. Die Wellenmutter, welche die Innenringe der Schrägkugellager festsetzt, muss ausreichend festgezogen werden. Die Klemmkraft ist gleichmäßig auf den Umfang anzuwenden, außerdem sind die Anschlussmaße (→ Produktdetails) zu beachten. Um eine Verformung der Innenringe zu vermeiden und die gewünschte axiale Lagerluft im Lagerpaar zu erzielen, ist die Klemmkraft zu beschränken. Für Kreiselpumpen wird eine Klemmkraft von C0/4 (19 kN) empfohlen.

Wahl der Lagerausführung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Überprüfung der Anfangslagerluft

Bei der aktuellen Konstruktion kommen Lager mit normaler Anfangslagerluft zum Einsatz. Die Passungen für die Innen- und Außenringe und ein Temperaturunterschied von 10 °C zwischen den Innen- und Außenringen verringern die Lagerluft. Andere Einflüsse auf die Lagerluft sind vernachlässigbar.

1. Anfangslagerluft

NU 311 ECPEin Paar 7312 BECBP
Min./Durchschn./Max.40 / 55 / 70 μm22 / 32 / 27 μm
 → Lagerdaten. Werte ermittelt aus Tabelle 6.→ Lagerdaten. Axiale Werte ermittelt aus Tabelle 7, umgewandelt in radiale (axial x tan 40°).


2. Passungsbedingte Lagerluftverminderung

Verwenden Sie: 

Δrfit = Δ1 f1 + Δ2 f2Passungsbedingte Lagerluftverminderung

Werte ermitteln für:
  • Beiwerte, f1 und f2 → Diagramm 6
  • wahrscheinliche Passungen für Wellen, Δ1 → Tabelle 8
  • wahrscheinliche Passungen für Gehäuse, Δ2 → Tabelle 9

Ergebnisse:



NU 311 ECP Ein Paar 7312 BECBP
d/D
0,46 0,46
f1

0,78 0,78
f2

0,86 0,86
Δ1Min./Durchschn./Max.-32/-19/-6 μm -26/-16/-6 μm
Δ2Min./Durchschn./Max.-20/0/20 μm -21/1/23 μm
ΔrfitMin./Durchschn./Max.-42 / -15 / -5 μm -38 / -12 / -5 μm


3. Temperaturdifferenzbedingte Lagerluftverringerung

Verwenden Sie: 

ΔrTemp = ΔT dm x 12 x 10–6 → Lagerluftverringerung durch Temperaturunterschiede zwischen Welle, Lagerringen und Gehäuse

Ergebnisse:

NU 311 ECP Ein Paar 7312 BECBP
dm87,5 mm 95 mm
ΔrTemp -11 μm -11 μm


4. Betriebsspiel 

NU 311 ECP Ein Paar 7312 BECBP
Min./Durchschn./Max.
-13 / 30 / 55 μm
 -27 / 17 / 4 μm


Bei Zylinderrollenlagern wird eine negative Lagerluft (d. h. eine Vorspannung) im Allgemeinen nicht empfohlen.

Paare mit Schrägkugellagern sollten ein durchschnittliches Betriebsspiel nahe null haben (im Bereich zwischen geringem Spiel und leichter Vorspannung), besonders, wenn die Paare vorwiegend axial belastet sind. Ein kleiner Bereich ist erforderlich für:
  • eine Begrenzung der Vorspannung – um die Reibung zu reduzieren (verstärkte Reibung führt zu höheren Temperaturen und somit zu reduzierter Viskosität und einer verkürzten Lagergebrauchsdauer)
  • eine Begrenzung der Lagerluft – um Gleitbewegungen der Kugeln zu vermeiden
Diese manuelle Berechnung berücksichtigt weder die Glättung der Passflächen noch die elastische Verformung unter Last oder die Wahrscheinlichkeit gleichzeitig auftretender Extremwerte.

Eine Analyse mithilfe intelligenter SKF Software liefert Ergebnisse für das Betriebsspiel:


NU 311 ECP Ein Paar 7312 BECBP
Min./Durchschn./Max. 
3 / 34 / 59 μm 
 -10 / 11 / 24 μm 


Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine normale Lagerluft geeignet ist.

Käfigauswahl

Da die angenähert ermittelte Betriebstemperatur 85 °C beträgt (d. h., die höhere Temperatur der beiden Lagerungen) und die Drehzahl weit unter der Grenzdrehzahl liegt, werden – auch im Hinblick auf Verfügbarkeit und Preis – von Standard-Wälzkörpern geführte Polyamidkäfige als geeignet angesehen.

In einigen Regionen werden aus historischen Gründen Messingkäfige für Schrägkugellager bevorzugt. Sie sind serienmäßig von SKF verfügbar. Dies gilt ebenfalls für die Zylinderrollenlager.

Fazit


Loslagerung:

Das Lager NU 311 ECP, das gegenwärtig in der Kreiselpumpe zum Einsatz kommt, ist geeignet. Als Alternative kann das Lager NU 311 ECM verwendet werden. Die Verwendung eines kleineren Lagers ist möglich. 

Die Lagerausführung wird durch Nachsetzzeichen in der Lagerbezeichnung beschrieben (→ Bezeichnungsschema).

Nachsetzzeichen:

NachsetzzeichenBeschreibung
Innere KonstruktionECoptimierte innere Konstruktion mit mehr und/oder größeren Rollen sowie modifizierten Rolle/Bord-Berührungsverhältnissen, zur Verringerung der Reibung
KäfigausführungPFensterkäfig aus glasfaserverstärktem Polyamid 66, rollengeführt

Ezweiteiliger Kammdeckelkäfig aus Messing, rollengeführt
LagerluftklasseNormal


Festlagerung: 

Das Paar universell kombinierbarer Lager 7312 BECBP, das gegenwärtig in der Kreiselpumpe zum Einsatz kommt, ist geeignet. Als Alternative kann 7312 BECBM verwendet werden.

Die Lagerausführung wird durch Nachsetzzeichen in der Lagerbezeichnung beschrieben (→ Bezeichnungsschema).

Nachsetzzeichen:

NachsetzzeichenBeschreibung
Innere KonstruktionBBerührungswinkel 40°

Eoptimierte innere Konstruktion – verstärkter Wälzkörpersatz
Äußere Konstruktion/LagerluftklasseCBLager für den satzweisen Einbau; normale axiale Lagerluft bei O- oder X-Anordnung
KäfigausführungPglasfaserverstärkter Käfig aus Polyamid 66, kugelgeführt

EMassivkäfig aus Messing, kugelgeführt


Abdichtung, Ein- und Ausbau
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Dichtung

Bei der aktuellen Pumpenkonstruktion kommen Radial-Wellendichtringe zum Einsatz, um den Schmierstoff aus dem Ölbad in der Pumpe zu halten und die Lager vor Verunreinigungen zu schützen (Bild 1).

Die SKF HMS5 (Bild 2) und HMSA10 (Bild 3) Dichtungen können verwendet werden (→ HMS5 und HMSA10 Dichtungen). Sie lassen sich sowohl in fett- als auch in ölgeschmierten Anwendungen einsetzen. Der Temperaturbereich und die Drehzahlfestigkeit des für diese Dichtungen verwendeten Nitril-Verbundstoffs sind für die Betriebsbedingungen der Pumpe geeignet.

Weiterführende Informationen zu den Spezifikationen für Welle und Gehäusebohrung finden Sie unter Gestaltung der Welle und Gestaltung der Aufnahmebohrung.

Wenn die Gegenlauffläche verschlissen wird, kann die Welle mit einer Reparaturhülse wie SKF Speedi-Sleeve repariert werden.

Einbau der Lager im angewärmten Zustand

Die Lager sind mit fester Passung auf der Welle und mit Übergangspassung in ihren Gehäusen montiert. Die Lager lassen sich mühelos durch Erwärmen der Innenringe auf 100 °C und der Gehäusesitze auf 50 °C einbauen. Zum Anwärmen der Innenringe eignet sich ein SKF Induktions-Anwärmgerät oder eine elektrische Anwärmplatte (→ Anwärmgeräte für Wälzlager). 

Wellenausrichtung

Zur Maximierung der Pumpenlebensdauer müssen die Pumpe und ihr Elektromotor korrekt ausgerichtet sein (→ Ausrichtsysteme).

Allgemeine Schlussfolgerungen
Die vorhandenen Lager können in Kombination mit der neuen Laufradkonstruktion verwendet werden.

Eine Verkleinerung des Zylinderrollenlagers wird empfohlen.

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