Experimentelle und analytische Methoden zur Berechnung der LAGERLEISTUNG bei kontaminiertem Schmiermittel

 

von Harvey Nixon, Thomas Springer, Michael Hoeprich und Douglas Clouse, The TIMKEN COMPANY

Durch Fremdkörper verunreinigtes Schmiermittel ist eine der Hauptursachen für den vorzeitigen Ausfall von Lagern und Zahnrädern, begleitet von Kosten aus  Anlagenstillstand, Garantieabwicklung und verlorener Produktivität. Verschiedene experimentelle und voraussagende Methoden wurden entwickelt, um Konstrukteure bei der Analyse und Entwicklung von Anlagen zu unterstützen, welche für solche Verunreinigungen weniger anfällig sind. In diesem Beitrag werden die Lagerlebensdauer-Testergebnisse und vorausschauende Analysemethoden für unterschiedliche Kegelrollenlager unter Kontaminationsbedingungen dargestellt. Die Weiterentwicklung einer analytischen Methode (unter Einsatz einer Oberflächenanalysetechnik) und deren Bezug zu Lebensdauertests zeigten, dass durch Änderungen bei Bauform und Produktion der Lager eine längere Lagerlebensdauer auch in verunreinigten Umgebungen erreicht werden kann.

Fremdkörperanalyse

Konstrukteuren stehen zahlreiche Analysewerkzeuge zur Verfügung, um den Einfluss von Abriebpartikeln auf den Verschleiß von Maschinenanlagen und den daraus resultierenden Leistungsverlust zu ermitteln [1, 2, 3, 4]. Sie alle zielen darauf ab, die Zusammensetzung und Charakteristika einer Schmiermittelverunreinigung zu verstehen. Andere Methoden untersuchen die Größenverteilung und Konzentration der Partikel [5]. Die Ergebnisse dieser Verfahren werden meist im Rahmen der vorausschauenden und vorbeugenden Wartung genutzt. Jedoch sind die Verfahren ungeeignet, um den Einfluss von Kontamination auf Zahnrad- und Lageroberflächen auf die Ermüdungslebensdauer ihrer Materialien zu beurteilen.

Oberflächenanalyse

Nixon und Cogdell entwickelten eine unter dem Namen Debris Sig­nature AnalysisSM bekannte Methode [6], um anhand von Oberflächenschäden den negativen Einfluss verunreinigter Schmiermittel zu bewerten. Die folgende Feldstudie mit Stichproben von Schmierungssystemen, durchgeführt in Kooperation mit einem Anlagenhersteller, zeigt die Vorteile einer solchen Methode. Um den Kontaminationsgrad in einer tatsächlichen Anwendung festzustellen, wurde die Standardmethode zur Ermittlung der Partikelgrößenverteilung und -konzentration eingesetzt. Lager aus diesem Feldversuch wurden dann nach einer verlängerten Prüfzeit demontiert und sowohl visuell als auch mit der Oberflächenanalysemethode auf Fremdkörperbeschädigungen untersucht. Tabelle 1 zeigt einige typische Partikelgrößenverteilungen und -konzentrationen während des Anlagenbetriebs, Abb. 1 das Erscheinungsbild der belasteten Lageroberfläche nach derselben Betriebsdauer.

Abb. 1: Mikrobild einer typischen lasttragenden Lageroberfläche mit extrem langer Einkerbung.

Allein der visuelle Vergleich zeigt deutlich, dass die Schmiermittelanalyse nicht den zu erwartenden Beschädigungsgrad abbildet. Beim Vergleich der Messwerte aus Tabelle 1 mit dem visuell sichtbaren Schaden steht fest, dass der Schmiermitteltest keine Fremdkörper deutlich größer als 300 µm prognostiziert. Trotzdem weist der visuelle Vergleich der Kerben – einige davon im Bereich von 6 mm Durchmesser – auf das Vorhandensein von großen Fremdkörpern hin, die um das 100fache größer sind als die 300 µm Partikel aus der Schmiermittelprobe. Zur exakteren Darstellung der Oberflächenschäden wurde die Debris Signature AnalysisSM-Methode verwendet. Sie weist auf eine 42%ige Lebensdauerreduzierung hin. Dieses Beispiel zeigt, wie wichtig die Oberflächenanalyse ist, um eine Verbindung zwischen Leistung und aus Kontamination resultierendem Schaden herzustellen.

Leistungsvergleiche

Als Teil des Verfahrens zur Berechnung und Vorhersage der Lagerleistung unter Kontaminationsbedingungen wurden zahlreiche Lebensdauertests durchgeführt und für die Vergleiche eine standardisierte Methode zur Berechnung des Kontaminationsschadens verwendet [7]. Die getesteten Lager waren mit Kerben versehen, weitere Fremdkörper wurden nicht zugesetzt.

Abb. 2 zeigt den (kürzlich veröffentlichen [8]) Leistungsvergleich für Kegelrollenlager von fünf großen Herstellern. Zum Einsatz kamen Produkte, welche als Standardprodukte  anzusehen sind, gefertigt nach einem herkömmlichen, bei all diesen Herstellern gleichen Verfahren. Die Ergebnisse innerhalb dieser Gruppe variierten um den Faktor 3, wobei Lager A die höchste relative Leistung hatte. Für die Lager B und E kam durchgehärtetes Material und die entsprechende Bearbeitung zum Einsatz, während die anderen Lager teilweise oder vollständig aus einsatzgehärteten Elementen gefertigt wurden.

Abb. 2: Lebensdauer-Testvergleiche, Lageraußendurchmesser 73 mm

Zu statistischen Vergleichszwecken wurden die Lebensdauer-Testergebnisse mit 65%igen Konfidenzbändern belegt. Die Breite dieser Bänder basiert auf der Stichprobengröße und Streuung der Testfehler, berechnet aus einer Funktion der Weibull-Steigung. Wenn solche Bänder zwischen den Testgruppen überlappen, kann beim 90%igen Konfidenzniveau keine statistisch bedeutsame Leistungsdifferenz festgestellt werden.

Test Standard- vs. Speziallager

Es wurden auch Vergleichstests mit einem Standardlager eines Herstellers (Lager A) und speziellen „fremdkörperresistenten“ Produkten zweier anderer Hersteller durchgeführt, welche eine bis zu zehnfach höhere Lebensdauer gegenüber den konventionellen Lagern für sich in Anspruch nehmen.

Abb. 3 zeigt die normalisierten Ergebnisse des Fremdkörperschadentests mit denselben Bedingungen wie bei Abb. 2. Darin übersteigt die Lebensdauer des konventionellen Lagers A geringfügig die Resultate eines der Speziallager.

Abb. 3: Lebensdauervergleichstest Standard- vs. Speziallager (Lageraußendurchmesser 68 mm).

Abb. 4 stellt die normalisierten Testergebnisse unter Konditionen wie bei Abb. 2 dar, allerdings mit anderen Fremdkörpern, was in einem nur geringen Schaden resultierte. Die auf Lager A angewandte Debris Signature Analysis-Methode prognostizierte eine grenzwertige Lebensdauerreduzierung. Unter diesen Bedingungen zeigte das konventionelle Lager A die gleiche Leistung wie eines der Speziallager.

Abb. 4:  Lebensdauervergleichstest Standard- vs. Speziallager (Lageraußendurchmesser 68 mm).

Die normalisierten Testergebnisse mit einem großen Lager (Außendurchmesser 318 mm) zeigt Abb. 5. Bei diesem Test wurden (teilweise bedingt durch das größere Lager) sowohl die Bedingungen als auch die Fremdkörperart geändert und eine neue Methode zu deren Aufbringung eingesetzt. Das Ergebnis ist ein mäßiger bis schwerer fremdkörperbedingter Schaden. Die auf Lager A angewandte Debris Signature Analysis-Methode prognostizierte für diesen Fall eine bis zu dreifache Lebensdauerreduzierung. Unter diesen Bedingungen waren die Lebensdauertestergebnisse von Lager A deutlich höher als jene der Speziallager.

Abb. 5: Lebensdauervergleichstest konventionelles vs. Speziallager (Lageraußendurchmesser 318 mm).

Ein Ergebnis dieser Tests ist: Unterschiedliche Fertigungs- und metallurgische Verfahren sowie Materialien bei der Lagerproduktion verschiedener Hersteller beeinflussen die Ermüdungslebensdauer von Lagern in hochkontaminierten Umgebungen.

Steigerung des Leistungsniveaus

Durch Betrachtung der zur Produktion von Lager A verwendeten einzigartigen metallurgischen Strukturen und Verfahrensparameter wurde ein Ansatz zur Verbesserung bezüglich Fremdkörperresistenz entwickelt. Das Ziel: eine Optimierung der mechanischen Lagereigenschaften bei Belastbarkeit, Duktilität und Festigkeit, besonders an den funktionellen Kontakt-(Laufbahn-)Oberflächen. Dieser Ansatz umfasste die Änderung der wichtigsten Konstruktionsspezifikationen und die Straffung der Verfahrenskontrollgrenzen für ausgewählte Parameter während der Wärmebehandlung. Die proprietäre Spezifikation betrifft ausgewählte Parameter wie Materialstoffchemie, Restaustentit, Mikrostruktur und Steuerung der Wärmebehandlung von oberflächennahen Bestandteilen. Schlussendlich wurde eine statistisch bedeutsame Leistungssteigerung erzielt (Abb. 6). Die Lebensdauer von zwei, durch Fremdkörper eingekerbten konventionellen Basisgruppen, war um das Zwei- bis Dreifache kürzer als die vorausberechnete Lebensdauer ohne Kerbschäden. Die eingesetzte Debris Signature Analysis schätzte den fremdkörperbedingten Lebensdauer-Reduktionsfaktor für diese Basisgruppe auf 0,4 bis 0,5.

Abb. 6: Lebensdauer-Vergleichstest Speziallager vs. konventionelles Lager (Lageraußendurchmesser 248 mm).

Die Leistung fremdkörperresistenter Lager erwies sich als deutlich höher als die der Basisgruppen, welche mit ihrem oberen 65%igen Konfidenzband die vorhergesagte Lebensdauerlinie ohne Fremdkörperschädigung kreuzten. Folglich verhinderte das neue fremdkörperresistente Lager die Wirkungen der gegebenen Schädigung und steigerte den Mittelwert der Lagerlebensdauer um das 2,3fache gegenüber den nach konventionellen Verfahren hergestellten Lagern. Angeboten wird das optimierte Lager momentan mit einer 2fachen Lebensdauersteigerung in fremdkörperkontaminierten Umgebungen.

Modell zur Lebensdauervorhersage

Die theoretische Basis, das Werkzeug zur Lebensdauervorhersage, wurde von Xiaolan Ai vorgestellt [12]. Darin sind die Auswirkungen fremdkörperbedingter Einkerbungen auf Laufbahnkontaktspannungen und Ermüdungslebensdauer festgestellt. Dieses Modell wurde durch kontrollierte Tests mit beschädigten Lagern bestätigt, wobei die Leistungscharakteristika denen von Lager A entsprechen.

Da Fremdkörper ganz unterschiedliche Größen haben, wurde ein Programm mit einer realistischen Größenverteilung entwickelt, um die Wirkung von Schmiermittelkontamination zu untersuchen. Dabei wurden zwei Ansätze verfolgt. Der erste simulierte eine Partikelgrößenverteilung nach ISO 4406. Stahlpartikel (52100) nach ISO 13/10, 15/12, 17/14, 18/16 und 21/18 wurden mit Schmiermittel vermischt und zur Einkerbung von Lagern verwendet, wie von Nixon beschrieben [7]. Abb. 7 zeigt z.B. die für die ISO 4406 21/18 und 15/12 Reinheitsgrade verwendete Partikelverteilung. Diese Verteilung wurde aus den Analysen und der ISO 4406-Beschreibung von fremdkörperkontaminiertem Altöl entwickelt. Die gekerbten Lageroberflächen wurden dann mit optischen Verfahren vermessen, um die Verteilung der Kerbgrößen und Oberflächendichte zu bestimmen. So erhielt man eine Debris Signature AnalysisSM für jede dieser Fremdkörperbedingungen. Datensätze mit den Kerbgrößen und Oberflächendichten wurden gespeichert, damit Anwendungstechniker sie zur Lebensdaueranalyse von Lagern verwenden können.

Abb. 7: Partikelgrößenverteilung für zwei spezifische ISO-Codes

Der zweite Ansatz verfolgte das Ziel, bei Lagern aus tatsächlichen Anwendungen die Größe und Oberflächendichte von Einkerbungen für künftige Lebensdaueruntersuchungen optisch festzustellen. Dabei handelte es sich um größere Lager, die normalerweise unter stark kontaminierten Bedingungen arbeiten und mit ISO 4406 nicht adäquat beschrieben werden können. Fotos dieser eingekerbten Oberflächen  können dann von Ingenieuren verwendet werden, um den Grad der Laufbahnoberflächenbeschädigung zu bestimmen, welcher üblicherweise in ihren Anwendungen zu beobachten ist.

Die Untersuchung eines typischen Lebensdauertest-Schmiermittels, welches einer Standardprüfmaschine entnommen wurde, zeigt, dass der Basisreinheitsgrad ISO 15/12 entspricht. Der Ermüdungslebensdauerfaktor hat dabei einen Wert von 1,0. Ein saubereres Schmiermittel würde eine höhere Lebensdauer ermöglichen, ein stärker kontaminiertes eine geringere.

Um den Faktor der Lebensdauerreduktion zu bestimmen, wurden die Debris Signature AnalysisSM-Daten auf folgende Weise angewandt: Die Kontaktbelastungen des Wälzkörpers wurden für Anwendungsbedingungen festgelegt, um damit Kontaktspannungen und Kontaktbereich zu definieren. Anschließend kann die Wirkung der Einkerbungsgröße und -anzahl auf die Lagerlebensdauer in dieser Umgebung bestimmt werden. Abb. 8 ist eine grafische Darstellung der Ermüdungslebensdauerfaktoren (a3D) eines Kegelrollenlagers mit 33 mm Bohrung für verschiedene Schmiermittelreinheitsgrade und Radiallasten in Form von C90-Prozentberechnungen. Es zeigt sich, dass bei hoher Last die Wirkung verschiedener Kontaminationsgrade reduziert wird, da der Nettoeffekt auf die Grundbelastung im Gegensatz zur größeren Wirkung der Modifizierung der Grundbelastung bei leichten Lasten verringert ist. Abb. 2 zeigt, dass Lager aus durchgehärtetem Stahl anfälliger für Fremdkörpereinkerbungen sind als Lager aus einsatzgehärtetem Stahl. Abb. 6 zeigt, dass Lager aus einsatzgehärtetem Stahl noch fremdkörperresistenter gemacht werden können. Abb. 9 stellt die Unterschiede der Modelllebensdauerfaktoren für Lager aus solchen Materialien im Vergleich zu einsatzgehärteten Lagern für eine schwach kontaminierte Umgebung dar. Lager aus durchgehärtetem Stahl haben eine etwas geringere Lebensdauer als einsatzgehärtete Lager. Erwartungsgemäß ist die fremdkörperresistente Mikrostruktur des Lagers besser zur Lebensdauersteigerung in stärker kontaminierten Umgebungen geeignet.

Abb. 8: Ermüdungslebensdauer in Abhängigkeit von Last und verschiedenen ISO-Codes.

Abb. 9: Relativer Ermüdungslebensdauerfaktor für Lagermaterialien.

Eine große Anzahl von Lagern mit fremdkörperbedingten Einkerbungen wurde in der Lebensdauerprüfmaschine der Autoren getestet. Das Verhältnis zwischen der experimentell bestimmten Lebensdauer und der mit Hilfe des dargestellten Ansatzes vorhergesagten Lebensdauerreduzierung zeigt Abb. 10 [15]. Für die Wälzlager der Autoren erwies sich dieses Modell als geeignet, um eine Verknüpfung zwischen den gegenwärtigen Fremdkörpereinkerbungen und einem späteren Ermüdungsschaden zu ermöglichen.

Abb. 10: Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellvorhersagen.

Zusammenfassung

Aus den Analysen und experimentellen Tests lassen sich diese Schlussfolgerungen ziehen:

1. In stark kontaminierten Systemen ist die Schmiermittelanalyse allein keine zuverlässige Methode, um Lagerschäden und daraus folgende Servicemaßnahmen abzuleiten.
2. Der Ermüdungslebensdauertest von Lagern zur Bestimmung der Anfälligkeit auf fremdkörperbedingte Schäden kann ein nützliches Instrument zur Unterscheidung der Produktleistungen sein.
3. Standardisierte Lebensdauertests mit Fremdkörpern zeigen, dass herkömmliche und fremdkörperresistente Lager verschiedener Hersteller deutlich unterschiedliche Leistungsniveaus haben. Diese Unterschiede sollten berücksichtigt werden, wenn ein Vergleich zwischen der relativen Hierarchie der Fremdkörperresistenz von Produkten gezogen und Leistungsvorhersagewerkzeuge eingesetzt werden.
4. Die direkte Schadensmessung mit Hilfe der Debris Signature AnalysisSM, welche die Analyse der Schmiermittelkontamination zur Quantifizierung der Schadensunterschiede umfasst, liefert voraussichtlich präzisere Ergebnisse als andere Ansätze.
5. Debris Signature AnalysisSM sollte ein Werkzeug zum quantifizierbaren Leistungsvergleich erfolgreicher Anlagen in kontaminierten Umgebungen mit nicht erfolgreichen sein.
6. Das neue Lebensdauervorhersagemodell liefert einen praktischen Bezug zwischen tatsächlichen fremdkörperbedingten Einkerbungen und nachfolgendem Ermüdungsschaden.

Referenzen

1] Anderson, D. P., “Wear Particle Atlas (Revised)”, Predict/DLI, Cleveland, OH, 1995.

2] Anonymous, “Standard Test Method for Insoluble Contamination of Hydraulic Fluids by Gravimetric Anal­ysis”, ASTM D4898-90, ASTM, W. Conshohocken, PA, 1996

3] Glaeser, W. A., “Use of Surface Analysis Techniques in the Study of Wear”, Wear, Vol. 100, No. 1-3, pp. 477-487, December 1984

4] Ives, L. K., “Electron Microscopy”, ASM Handbook, Vol. 18, Friction, Lubrication and Wear Technology, ASM International, 1995

5] Poley, J., “Oil Analysis for Monitoring Hydraulic Oil Systems, A Step-Stage Approach”, Lubrication Engineer­ing, Vol. 46, No. 1, 1990 pp 41-47

6] Nixon, H.P., Cogdell, J. D., “Debris Signature Anal­ysisSM: A Method for Assessing the Detrimental Effect of Specific Debris Contaminated Lubrication Environments,, SAE Paper 9814781998

7] Nixon, H.P., Zantopulos, H., Cogdell,J.D., “A Stan­dardized Method for Evaluating Debris Resistance of Roll­ing Element Bearings”, SAE Tech. Paper Series 940728, (1994)

8] Nixon, H.P., Ai, X., Cogdell, J.D. , Fox, G.P., “Assessing and Predicting the Performance of Bearings in Debris Contaminated Lubrication Environment”, SAE Pa­per 1999-01-2791

9] Ai, X. and Nixon, Harvey P., “Fatigue Life Re­duction of Roller Bearings Due to Debris Denting: Part I – Theortical Modeling”, Tribology Transactions, Vol. 43 (2000),2, pp. 197-204

10] Ai, X., “Effects of Debris Contamination on the Fa­tigue Life of Roller Bearings”, 2001

 

Alle Abbildungen: The Timken Company

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