ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.3 5.16 5.3 Gördülőcsapágyak kenése nagy fordulatszámok esetén Tárgyszavak: gördülőcsapágyak; szerszámgép-csapágyazások; zsírkenés; olajkenés; minimálkenés; kenéstechnika. Kenésmód és kenőanyag megválasztása A gördülőcsapágyak üzemelhetnek igen nagy fordulatszámon alapvetően nagyobb követelmények nélkül is, a kenési rendszert, a kenőanyagot azonban egyeztetni kell a csapágy típusával és a tényleges terheléssel. Speciális megoldásokat kell kidolgozni attól függően, hogy milyen egyéb követelmények vannak (hőelvezetés, üzemidő, teljesítményveszteség csökkentése stb.). Csapágytípustól függően zsírkenéssel ma már n d m = 2,5 1 6 fordulatszám is elérhető. Korszerű zsírkenés esetén el kell érni az igen rövid felfutást és a helyes zsíreloszlást a kenőanyag-mennyiség megállapításával és megfelelő kenőanyag-hozzávezetéssel. Olaj levegő rendszerben minimálkenéssel és közvetlen kenőanyag-hozzávezetéssel n d m = 3 1 6 fordulatszám is elérhető, előnye a kis súrlódás és a minimális hőfejlődés. A legnagyobb n d m = 4 1 6 érték csak olajhűtésű, befecskendezéses kenéssel érhető el, de a súrlódási veszteség jelentősre adódhat. Korszerű szerszámgépekhez ma többnyire zsírkenést, gyakran olaj/levegő kenést javasolnak. Evvel a teljesítőképesség és az üzembiztonság megfelelően alakul. A gépelemek forgó vagy haladó mozgásához mindenképpen ágyazások szükségesek. A működésen túl a súrlódási veszteség minimálisra csökkentése is alapfeladat. Mivel a súrlódási veszteség minimalizálása gazdasági szempontból fontos, ezért a legcélszerűbb gördülőcsapágyak alkalmazása. Növekvő fordulatszámnál egyre hangsúlyosabb lesz gördülőcsapágyak beépítése, a siklócsapágyazással összevetve. Gördülőcsapágyak használata nagy fordulatszám esetén jelentős kutatási feladat, különösen szerszámgépeknél. Az utolsó 1 évben a csapágygyár-
tók nagy lépést tettek előre a nagy fordulatszámú zsírkenésű csapágyak területén az elérhető maximális fordulatszám növelésében. Így például egy B76C jelű szerszámgéporsó maximális fordulatszámát 1979 1997 között már mintegy 3%-kal emelték a HS-csapágy (kis acélgolyók), HCB-csapágy (nagy kerámiagolyók) és HC-csapágy (kis kerámiagolyók) kialakításával. A legfrissebb kutatási eredmény kisméretű kerámiagolyók párosítása kopásálló Cronidur-acél golyókkal. Ezzel a fejlesztéssel az utolsó 3 évben mintegy ötszörösére növelték a jellemző fordulatszám értékét. A kenés fejlesztése Nagy fordulatszámú csapágyakhoz a kenésmód elsősorban: zsírkenés, kis mennyiségben olajköd vagy olaj/levegő kenés, befecskendezéses kenés (nagy olajmennyiség esetén). A futópályák minden pontja a nagy átgördülési frekvencia miatt növekvő hőmérsékletű lesz és nagy igénybevételnek van kitéve, a külső gyűrűt ezen kívül még a centrifugális erők is terhelik. Az érintkezési helyeken növekszik az igénybevétel és a kopás. A kosárszerkezetek vezetőfelületének terhelése nagyobb lesz, és a kenőanyag-hozzávezetés gondot okoz. A kenőanyag-vastagság egy bizonyos határsebesség-értékig növekszik, ezután azonban meredeken csökken, ezt a határsebességet a nagy fordulatszámú csapágyak átlépik (1. ábra). Zsírkenés Zsírkenésnél csak igen kevés kenőanyag vesz részt a tényleges kenésben. A felesleges zsír a forgó csapágyrészekből kinyomódik. A működő felületek között maradó zsír 7 1%-a a szabad zsírmennyiségnek és ez elegendő a kenéshez. A többi zsír tartalékot képez. A FAG kísérletei szerint a kenőzsír vastagsága az alapolaj vastagságához képest, még hosszabb idő után is stabil marad és az olajhoz képest nem sokat változik. A 7-es évek elejéig az ásványolaj-alapú nátronszappanzsírokat orsócsapágyak kenéséhez használták. A szintetikus olaj alapú kenőzsírok piaci bevezetése a fejlesztési munka eredménye volt. A zsírok teljesítménynövekedése és a gördülőcsapágyak szerkezeti részleteinek javítása a fordulatszámadatok javulásában jelentkezik. Az 1. táblázatban láthatók a nagy teljesítményű zsírokkal elérhető fordulatszámok, eszerint
lehetséges 2,5 1 6 érték elérése is. Különösen előnyös ezeknél a zsíroknál a felületek közötti gyors zsíreloszlás, lényegében igen kis hőmérséklet-emelkedéssel. A futási időt meghosszabbítja a zsírtartalék. A csapágykenéshez követelmény: egyrészt, hogy kis zsírmennyiség maradjon a felületek között, másrészt elegendő zsír maradjon tartalékban. Optimális megoldás ilyen esetben a lezárt, teljesen zsírral töltött csapágy, ez kedvező zsíreloszlást ad. h max kenőfilmvastagság, h h min határsebesség, u határ működő sebesség, u 1. ábra A fordulatszám befolyása a kenőfilm-kialakulásra Főorsócsapágy-zsír minőségének javítása 1. táblázat Zsírtípus a 7-es évek kezdetén Zsír a 9-es évek végén Jelenlegi nagy teljesítményű zsír Sűrítőanyag Na-szappan Ba-komplex polikarbamid Alapolaj ásványolaj ásványolaj/észter PAO/észter ν 4 (mm 2 /s) 32 23 22 Konzisztencia 2 2 2 3 Hőmérséklet-tartomány, C (DIN 51825) 2 1 3 1 5 13 Tartós használati hőmérséklet, C 6 6 8 Fordulatszám-tényező n d m min 1 mm (főorsócsapágy) Fordulatszám-tényező n d m min 1 mm Kúpgörgőscsapágy,6 1 6 1,5 1 6 2,5 1 6,3 1 6,15 1 6,5 1 6
Minimálkenés A ma zsírkenéssel elérhető teljesítményszint néhány évvel ezelőtt a minimális olajmennyiségű kenéssel elképzelhetetlen volt. Az olaj minimálkenés alig vezet el hőmennyiséget, a csapágyon keresztüláramló levegő mérsékelt hőhatású. Ennek a kenésnek a célja a súrlódás csökkenése és a hőmérséklet korlátozása. Az eredetileg használt olajködkenés tömítési problémák és az olajadalékok nehéz porlasztása miatt, korlátozottan jön számításba nagy fordulatszám esetén. A korszerű, nagyobb teljesítményű, exakt adagolású olaj/levegő kenés kifejlesztése jelenti az előrelépést. A pontos olajmennyiség adagolása lehetővé teszi az üzembiztosabb kenést nagy fordulatszám esetén is. Az olajösszetétel befolyásolja a kenőfilm kialakulását, továbbá a megfelelő adalékok csökkentik a kopást és az üzemzavarokat. A kenőszerkezetek fejlődését, a gördülőcsapágyak jobb minőségét és a jobb kenőanyagok kedvező hatását a csapágy jellemző fordulatszámára jól összefoglalják a német GfT-munkalapok. A kenőanyag-mennyiség mellett az olaj-hozzávezetés módja is fontos (2. ábra). A különböző olajbevezetési módokat a 3. ábra mutatja általánosságban. Minden csapágyelrendezés és gép esetére a legnagyobb fordulatszám elérése céljából optimálni kell a levegőmennyiséget, olajmennyiséget, a hozzávezetés módját és ciklusát. Az oldalirányú kenőanyag-hozzávezetéshez egy bizonyos kinetikai energia szükséges a csapágyat körülvevő áramlás áttöréséhez. 35 3 olajmennyiség, mm mm3/h 3 25 2 15 1 5 olajköd Wöerner Rebs Tecalemit GIT FAG 2. ábra Olajmennyiségek összehasonlítása minimálkenés esetén
átfutás olaj/levegő keverék kilépő levegő ideális nagyobb levegőnyomás esetén lehetséges 3. ábra Olaj-hozzávezetési javaslat Woerner szerint olaj/levegő olaj/levegő olaj/levegő hozzávezetés a gördülőtest közepére hozzávezetés a belső gyűrű közepére hozzávezetés a külső gyűrű közepére 4. ábra Fúvóka-elrendezések olaj/levegő kenés esetén A bevezetőnyílások helyes elrendezése biztosítja minden érintkezési hely kenőanyaggal való ellátását, ilyen módon elérhető 2,5 1 6 fordulatszámérték is. A 4. ábra olyan megoldást mutat, ahol a külső gyűrűn készített radiális furaton át lehet az érintkezési felületekhez közel az olaj/levegő keveréket bejuttatni. A belső gyűrű a gördülőelemek útján kap kenést. Ez a módszer igen érzékeny beállítást tesz lehetővé és az
üzembiztonságot növeli. Az oldalirányú hozzávezetéssel szemben kevesebb kenőanyag kell és kisebb a környezetszennyezés is. Evvel a megoldással a kísérletek és a gyakorlat tanúsága szerint elérhető n d m = 3 1 6 érték is. A minimál olajkenés korlátozott nagy terhelésű csapágyak és nagy csúszóelemek esetén a futópályákon és a csapágyszéleken keletkező nagy túlmelegedés következtében. Nagy csapágy-futófelületek és -vezetékek kenőanyag-ellátása az egész érintkező felületen problematikus, így a kopás nehezen akadályozható meg. Ha igen nagy fordulatszám szükséges, akkor egyedüli út az olajhűtés és -kenés. Az olaj oldalirányú befecskendezésén túl, az olajat közvetlenül az érintkező felületek közé kell bejuttatni. Minimális olajbefecsréséhez, de túl nagy sebességnél (>3 m/s) az olajsugár szétpattan. kendezési sebesség szükséges a csapágyat körülvevő levegőburok áttöfordulatszám elérése Olajbefecskendezés esetén célszerű mindkét oldalon az olaj elszívása is. A problémamentes olajelvezetés a kenési veszteségeket is csökkenti, másrészt a zavartalan olaj-hozzávezetést is elősegíti, így minden kenendő hely kenést és hűtést kap, a hőmennyiség elvezetése is megoldott. A csapágy hőmérséklete, megfelelő olajmennyiséggel, hűtéssel és viszkozitással még nagy fordulatszám esetén is, kis értéken tartható. Az olajminőségek széles választéka lehetőséget ad minden körülmények között a teherhordó olajréteg kialakulására. A helyesen kialakított befecskendezési rendszer a veszteségtelejsítményt is kedvezően befolyásolja. Kielégítő hőmérséklet-kiegyenlítődés érhető el a külső és belső gyűrű között. Így a csapágybefeszülések, különösen fordulatszámingadozás vagy gépindítás során elkerülhetők. Példaként az 5. és 6. ábrák egy befecskendezéses kenésű főorsó-csapágyazás (B72C) hőmérséklet-emelkedését és veszteségteljesítményét mutatják a fordulatszám függvényében. Természetesen a befecskendezéses kenési rendszer költségkihatásai jelentősek, az olajvisszahűtés is költséges, a nagy keringetendő olajmennyiség tömítési igénye is jelentős, de más út nincs nagy n d m > 3 1 6 érdekében. További csapágykonstrukciók A nagy fordulatszám természetes jellemzője a szerszámgépeknek, ezen belül a főorsónak. Hasonló alkalmazási területeken más megoldások is kialakultak. A golyóscsapágyaknál és az egysoros hengergörgős csapágyaknál nincs probléma nagy fordulatszámokon. Ezzel szemben a kúpgörgős és a hordógörgős csapágyak minimálkenése gondokat jelent.
hőmérséklet-emelkedés, K 5 4 3 2 1 FAG B 7216C.TPA 5 1 2 15 fordulatszám, min -1 1 1 6 n d m mm min -1 2 1 6 5. ábra Hőmérséklet-emelkedés a fordulatszám és az olajmennyiség függvényében 2 Watt 1 5 1 15 2 fordulatszám, min -1 1 1 6 mm min -1 2 1 6 n d m 6. ábra Veszteségteljesítmény a fordulatszám és az olajmennyiség függvényében
Adalékolt zsírok n d m 5 fordulatszámot is megengednek, vannak kenőzsírok, amelyek jó gyúróstabilitásúak és emellett megfelelő olajleadást biztosítanak. Ilyen csapágyak esetében az olaj minimálkenés igen nehezen megoldható, azaz üzembiztos kenést megvalósítani nem lehet minimál mennyiséggel. Több megfelelően megosztott hozzávezetéssel olyan mennyiséggel lehet kenést létrehozni, amely a keringtető kenés alsó szintjén mozog. Olaj/levegő kenéssel az optimális zsírkenéssel összehasonlítva csak mérsékelt fordulatszám-növelés érhető el. Kúpgörgős csapágyak esetében a görgők homlokfelületének kenése elengedhetetlen a görgő kis átmérőjének irányából. Az üzembiztos kenéshez szükséges olajmennyiséget így nem lehet többé minimál kenésnek nevezni. Az olajkenés, szemben az optimális zsírkenéssel, csak mérsékelt fordulatszám-növeléssel lehetséges. Ha az igényes csapágyszerkezetet ténylegesen nagy fordulatszámon kell üzemeltetni, akkor üzembiztos kenés csak olajhűtéssel lehetséges. Keringtetőszivattyús kenés túlnyomással n d m = 1 1 6 jellemző fordulatszám elérését is lehetővé teszi. Ennél nagyobb érték esetén speciális befecskendezéses kenés szükséges. Összeállította: Dr. Zsáry Árpád Bayer, O.; Karbacher, R.: Schmierung von Wälzlagern bei hohen Drehzahlen. = Tribologie + Schmierungstechnik, 48. k. 6. sz. 21. nov./dec. p. 21 25. Moderne UTTO- und STOU-Öle: Schmierstoff-Multitalente. = Schweizer Landtechnik, 23. 9. sz. p. 29.