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Seilrolle

Dieses Beispiel zeigt den Lagerauswahlprozess für einen Anwendungsfall, bei dem Lager für die Seilrollen an einer neuen Papiermaschine ausgewählt werden sollen.

Ein Papiermaschinenhersteller will eine neue Maschine bauen, bei der seine Standard-Seilrollen zum Einsatz kommen sollen. Laut Vorgabe des Endkunden sollen die Seilrollen fünf Jahre lang wartungsfrei sein.

Jeder Schritt des Beispielprozesses wird in einem erweiterbaren/Drop-down-Abschnitt beschrieben. Die im Beispiel gelisteten Schritte entsprechen der Abfolge im Lagerauswahlprozess. Einige Schritte, wie die Wahl der Lagergröße, erfordern mehr als eine Iteration, wenn die Berechnung von einem nachfolgenden Schritt im Prozess abhängig ist. Dies wird in der Überschrift angegeben, beispielsweise mit „Lagergröße (Schritt 2)“. Im Lagerauswahlprozess ist jeder einzelne Schritt ausführlich beschrieben.

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

Die Seilrollen (Bild 1) befinden sich zwischen den Rollen/Zylindern der Papiermaschine und drehen sich kontinuierlich, wenn die Maschine in Betrieb ist. In dieser Anwendung dreht sich der Außenring jeder Seilrolle kontinuierlich.

Es gelten folgende Betriebsbedingungen:
  • Drehzahl: 2 450 min-1
  • Radialbelastung: 1,1 kN, erzeugt durch das Gewicht der Seilrolle und die Seilspannung, aufgeteilt zwischen den Lagern
  • Axialbelastung: keine; aufgrund der Ausrichtung der Seilrollen erzeugt das Seil keine axiale Belastung
  • Umgebung: heiß und feucht, bei einer Umgebungstemperatur von 80 °C
Lagerart und -anordnung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Aufgrund der geringen Belastungen und mittleren Drehzahlen verwenden Seilrollen zwei Rillenkugellager. Für einen langen wartungsfreien Zeitraum werden abgedichtete Lager benötigt. SKF Rillenkugellager sind mit verschiedenen Dichtungsausführungen erhältlich.

Es kommt eine schwimmende Lagerung zum Einsatz, bei der jedes Lager die Seilrolle axial in einer Richtung führt. Die gesamte Anordnung kann sich axial über eine kleine Distanz zwischen den beiden Endpositionen bewegen.
Lagergröße
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Die vorhandene Seilrollenkonstruktion des Herstellers nutzt zwei Lager 6207-2RS1. SKF hat die RS1 Dichtung durch die RSH Dichtung ersetzt. In diesem Beispiel prüfen wir die Eignung von Lagern der Ausführung 6207-2RSH (→ Produktdetails).

Der nächste Schritt ist die Bestimmung der Methode für die Lagerauswahl. Da die Lager unter typischen Betriebsbedingungen laufen, ist die Wälzermüdung die wahrscheinliche Ausfallursache. Für die Lagerauswahl ist daher die Lagerlebensdauer maßgeblich.

Nominelle Lebensdauer




Da keine axiale Belastung vorliegt, entspricht die äquivalente dynamische Belastung P jedes Lagers der radialen Belastung, geteilt durch 2.
  • P = 0,55 kN
  • Belastungsverhältnis C/P = 49
Die nominelle Lebensdauer L10h beträgt 804 800 h. Dies ist wesentlich länger als die geforderten wartungsfreien 5 Jahre (43 800 h).

Fazit

  • Es empfiehlt sich, bei einer derart hohen nominellen Lebensdauer von 2 450 min-1 sicherzustellen, dass das Lager ausreichend belastet wird, damit die Kugeln rollen und nicht gleiten. Dies erfolgt nach Kontrolle der Schmierung, da sich die Schmierstoffviskosität auf die erforderliche Mindestbelastung auswirkt.
  • Eine Überprüfung der Schmierfettlebensdauer gibt Auskunft darüber, ob das Lager die Vorgabe des Endkunden erfüllt.

Die erweiterte SKF Lebensdauer L10mhwird nach Kontrolle der Schmierung und der Prüfung von Temperatur und Drehzahl berechnet, da die Schmierstoffviskosität Auswirkungen auf das Ergebnis hat. Dies erfolgt im nachstehenden Abschnitt Lagergröße (Schritt 2).

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

Das Lager 6207-2RSH ist gefüllt mit MT33-Schmierfett (Tabelle 1).

Vor weiteren Schritten ist die Betriebstemperatur zu bestimmen.
Betriebstemperaturbereich und Drehzahl
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Bei einem Belastungsverhältnis C/P von über 10, einer Betriebstemperatur von unter 100 °C, einer Betriebsdrehzahl von weniger als 50% der Grenzdrehzahl und keiner ausgeprägten externen Wärmezufuhr ist keine detaillierte thermische Analyse erforderlich.

In diesem Beispiel:
  • Belastungsverhältnis: C/P = 49 > 10
  • Betriebsdrehzahl: 2 450 min-1 < 0,5 x 6300 (Grenzdrehzahl)
  • Erfahrungen mit Seilrollen bei ähnlichen Betriebsbedingungen zeigen, dass die Betriebstemperatur der Lager bei etwa 90 °C liegt.
Eine detaillierte thermische Analyse ist daher nicht erforderlich.
Schmierung (Schritt 2)
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

1. Fettgebrauchsdauer MT33

Die Fettgebrauchsdauer kann mithilfe von Diagramm 1 unter Schmierfette für abgedichtete Lager bei Einreihige Rillenkugellager angenähert ermittelt werden. Da sich der Lageraußenring dreht, ist für die Ermittlung der Fettgebrauchsdauer nD anstelle von ndm zu verwenden (Tabelle 2).

Dann, mithilfe der Eingangswerte:
  • nD = 2 450 x 72 = 176 400
  • MT33-Schmierfett mit einem Fettleistungsfaktor GPF = 1
  • Betriebstemperatur von ca. 90 °C
Die Fettgebrauchsdauer L10hbeträgt etwa 12 500 h und liegt damit unterhalb der geforderten wartungsfreien 5 Jahre.

2. Fettgebrauchsdauer WT

Das SKF Lager 6207-2RSH ist mit WT-Schmierfett erhältlich, das einen GPF von 4 aufweist. Dieses Polyharnstofffett basiert auf Esteröl. (Tabelle 3).

Gemäß Diagramm 1 liegt die Fettgebrauchsdauer L10h bei 50 000 h und damit über den geforderten 5 Jahren.

Fazit

Das SKF Lager 6207-2RSH mit WT-Fett erfüllt die Anforderung hinsichtlich der Fettgebrauchsdauer.
Lagergröße (Schritt 2)
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Aus den Schlussfolgerungen im obigen Abschnitt Lagergröße ergibt sich, dass die Mindestbelastung zu kontrollieren ist und dass nun nach Auswahl der Schmierung die erweiterte SKF Lebensdauer überprüft werden kann.

Mindestbelastung


Bei Verwendung der Mindestbelastungsgleichung unter Belastungen ist die Mindestbelastung Frm gegeben durch:
wobei:
  • kr = 0,025
  • v = 210 mm2/s
    Um alle kritischen Bedingungen mit einzubeziehen, ist bei Ermittlung der Mindestbelastung die höchste Ölviskosität anzuwenden, die im Betrieb auftreten kann. Dies wird bei der niedrigsten Temperatur der Fall sein, d. h. bei 20 °C. Die Grundölviskosität des WT-Fetts bei 40 °C beträgt 70 mm2/s ≈ ISO VG 68. Angenähert ermittelt anhand Diagramm 2 oder berechnet mithilfe des SKF Bearing Calculator, gilt für WT-Fett v = 210 mm2/s bei 20 °C.
  • dm = (d+D)/2 = (35+72)/2 = 53,5 mm
Daher:
Frm = 0,44 kN < 0,55 kN, daher ist das Lager 6207-2RSH/WT geeignet.

Erweiterte SKF Lebensdauer


 

Da P < Pu, ist Ermüdung kein Faktor (Ermüdungsgrenzbelastung, Pu). Es ist jedoch sinnvoll, die Schmierbedingungen (Viskositätsverhältnis) und den Lebensdauerbeiwert zu überprüfen.

1. Schmierbedingungen – das Viskositätsverhältnis κ

κ = ν/ν1

Folgendes wird verwendet:
  • ν1 wird ermittelt anhand Diagramm 3
  • mit dm = 53,5 und n = 2450 min-1, ν1 ist nah an 12 mm2/s
Für WT kann die Grundölviskosität bei 90 °C anhand von Diagramm 2 angenähert ermittelt oder mithilfe des SKF Bearing Calculator berechnet werden; sie beträgt 12 mm2/s.

Viskositätsverhältnis κ = 12/12 = 1

2. Lebensdauerbeiwert, aSKF

Zur Bestimmung des Lebensdauerbeiwerts für Radialkugellager wird Diagramm 4 herangezogen, mit:
  • P = 0,55 kN
  • κ = 1
  • Pu = 0.655 kN
  • ηc = 0,6
    Der Verunreinigungsbeiwert wird anhand von Tabelle 4 gewählt (Verunreinigungsbeiwert ηc).
  • SKF 6207-2RSH/WT ist ein SKF Explorer Lager.
Bei ηc Pu/P = 0,7 und mithilfe von Diagramm 4 ist der Wert aSKF von etwa 50 wesentlich größer als 1, sodass die erweiterte SKF Lebensdauer weit über der erforderlichen Lebensdauer liegt.

Fazit

Das Lager SKF 6207-2RSH/WT ist hinsichtlich der Ermüdungslebensdauer geeignet.

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

Die Lagerinnenringe haben eine stationäre Lastbedingung und keinen Abstandhalter zwischen den Innenringen in der Verspannung. Für einen einfacheren Einbau werden sie mit loser Passung montiert. Die empfohlene Passung für Standardbedingungen ist g6Ⓔ (Tabelle 5).

Die Außenringe haben eine rotierende Lastbedingung und werden mit Übermaß montiert. Die empfohlene Passung für Standardbedingungen ist M7Ⓔ (Tabelle 6), was einen wahrscheinlichen Passungsbereich von –25 bis +8 bedeutet (Tabelle 7).

Lager in Seilrollen von Papiermaschinen sollten am Außenring stets ein Übermaß aufweisen (Anwendungshandbuch Wälzlager in Papiermaschinen). Hierfür ist N6Ⓔ zu wählen, was einen wahrscheinlichen Passungsbereich von –29 bis –5 bedeutet (Tabelle 8). Für geometrische Toleranzen und Oberflächenrauheit können Standardempfehlungen angewandt werden.

Die Toleranzen für die Lagersitze sind:
 Maßtoleranz
Gesamtrundlauf-
Toleranz
Gesamtplanlauf
-Toleranz
Ra
Innenringg6ⒺIT5/2IT51,6 µm
AußenringN6ⒺIT6/2IT63,2 µm
Lagerausführung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Anfangslagerluft

Bei der aktuellen Konstruktion kommen Lager mit normaler Anfangslagerluft zum Einsatz. Die feste Passung am Innenring reduziert die Lagerluft. Um die am besten geeignete Lagerausführung zu wählen, wird das Betriebsspiel für sowohl die Anfangslagerluft Normal als auch C3 ermittelt.

1. Anfangslagerluft

NormalC3
Min./Durchschn./Max.6 / 13 / 20 μm15 / 24 / 33 μm
  Lagerdaten. Werte ermittelt aus Tabelle 9


2. Passungsbedingte Lagerluftverminderung

Da am Innenring kein Übermaß vorliegt, ist Folgendes zu verwenden:

Δrfit = Δ2 f2Passungsbedingte Lagerluftverminderung

Werte ermitteln für:
Ergebnisse:
d/D
0,49 
f2

0,87 
Δ2Min./Durchschn./Max.–29/–17/–5 μm 
ΔrfitMin./Durchschn./Max.-25-15-4 μm 


3. Lagerluft nach dem Einbau

NormalC3
Min./Durchschn./Max.-19 / -2 / 16 μm-10 / 9 / 29 μm

Es ist mindestens eine Lagerluft C3 erforderlich. Die Analyse mit eigenentwickelter SKF Software, unter Berücksichtigung der Effekte infolge einer Glättung der Passflächen und der Wahrscheinlichkeit, dass die maximale Passungsreduktion mit der minimalen Lagerluft übereinstimmt, liefert die folgenden Werte für ein Lager mit Lagerluft C3:
Min./Durchschn./Max.
-2 / 16 / 32 μm


Eine kleine negative Lagerluft ist für Kugellager unkritisch. Für diese Anwendung eignet sich eine Lagerluft C3.

Dichtungen

Für diese Anwendung ist es nicht empfehlenswert, Deckscheiben (Nachsetzzeichen 2Z) anstelle von Reibungsdichtungen (Nachsetzzeichen 2RSH) zu verwenden, da bei der Drehung des Außenrings Schmierfett austreten kann. Die Dichtungsbauform 2RSH hat den Vorteil, dass sie beständiger gegen das bei Papiermaschinen übliche Auswaschen ist (Hochdruckspritzwasser), wodurch die Gebrauchsdauer verlängert wird.

Hybridlager erwägen

Je nach Papiermaschinenmodell und der Position der Seilrolle, kann die Rolle höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt sein, was die Fettgebrauchsdauer verkürzt. Mithilfe von Hybridlagern (mit Keramik- anstelle von Stahlkugeln) der gleichen Größe kann die Fettgebrauchsdauer um mindestens den Faktor 2 verlängert werden.

Konstruktionsänderung erwägen

Wird die Nabenkonstruktion der Seilrolle dahingehend geändert, dass sich der Lagerinnenring anstelle des Außenrings dreht, lässt sich die Fettgebrauchsdauer verlängern. Der Drehzahlkennwert ist dann ndm = 131 000 anstelle von nD = 176 400.

Die Fettgebrauchsdauer L10hdes Lagers 6207-2RSH/C3WT verlängert sich von 50 000 h auf 61 000 h.

SKF hat eine Seilrollennabe entwickelt, welche die obige Überlegung berücksichtigt. Die Lager sind mit Keramikkugeln und WT-Fett versehen, und ihre Innenringe drehen sich (Bild 2). Eine optimierte Ausführung wurde mithilfe von Speziallagern entwickelt. Weiterführende Informationen enthält das Handbuch Wälzlager in Papiermaschinen.
Abdichtung, Ein- und Ausbau
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

In einigen Fällen werden ergänzend einfache Labyrinthdichtungen verwendet, um die Dichtungen im Lager zusätzlich zu schützen.

Es gelten die normalen Ein- und Ausbauverfahren.
Allgemeine Schlussfolgerungen
Das Lager, das die Anforderungen erfüllt, ist ein abgedichtetes und geschmiertes SKF Explorer Lager 6207-2RSH/C3WT.

Für anspruchsvollere Betriebsbedingungen oder wenn ein noch längeres wartungsfreies Intervall erzielt werden soll, bietet SKF andere Lösungen an.
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