Vetlevensduur maatstaf voor gebruik onderhoudsvrije lagers

Niet-wisselende belasting is de randvoorwaarde

Lagers laten roterende en lineaire bewegingen sneller en efficiënter verlopen, voornamelijk door de hoeveelheid wrijving te beperken. Wel zijn ze daarbij doorlopend aan belasting onderhevig wat kan leiden tot slijtage, scheurvorming en andersoortige beschadigingen. Om die reden vergen traditionele lagers smering en onderhoud. Soms is dat echter niet of zeer moeilijk uitvoerbaar en dan bieden onderhoudsvrije lagers uitkomst, op voorwaarde dat er sprake is van niet-wisselende belasting.

SPILFUNCTIE

Alles wat in de mechanische wereld lineair beweegt of roteert, is op de een of andere manier voorzien van een lager. De hoofdtaak van het lager is het overbrengen van de belasting tussen een stilstaand constructiedeel (meestal het huis) en het roterende deel (meestal de as) met een minimale weerstand. Ze vergemakkelijken de beweging (minder wrijving) en verhogen de snelheid en efficiëntie door uiteenlopende hoeveelheden druk op te vangen.

Factoren die de keuze van een lager beïnvloeden zijn:

• de beschikbare inbouwruimte;
• de vaststaande maten in de constructie waaronder de asmaat;
• de mate van belasting;
• het toerental.

De norm ISO 15243 beschrijft de belangrijkste vormen van uitval en de oorzaken daarvan.

OPBOUW

Lagers bestaan in principe uit drie delen:

• een tweetal ringen met daarin de lagerloopbanen. De ene ring is bevestigd aan het stilstaande constructiedeel, de andere aan het bewegende deel;
• rollende delen, bijvoorbeeld kogels, rollen, kegels en naalden, voor de beweegbaarheid van de ringen ten opzichte van elkaar bij een minimale wrijving;
• een kooi voor de geleiding en het scheiden van de rollende delen.

Lagers zijn veelal gemaakt van materialen zoals staal, brons en kunststof; in het hogere kwaliteitssegment zijn dat chroom, titaan of Zwitsers staal. Keramische lagers, bestaande uit siliciumnitride (Si₂N₄), zijn ronder, gladder en uniform(er) van grootte. Hierdoor ontstaat minder wrijving waardoor de beoogde beweging minder energie vergt.

Lagertypen
Veelvuldig toegepaste lagers zijn:
- enkelrijige en tweerijige groefkogellagers;
- enkelrijige en tweerijige hoekcontactkogellagers;
- tweerijige zelfinstellende kogellagers;
- cilinderlagers;
- kegellagers;
- tweerijige tonlagers;
- axiale kogellagers, ook wel druklagers genoemd.

Het meest gebruikte lager wereldwijd is het enkelrijige diepgroefkogellager, leverbaar in allerlei varianten en afmetingen.

BELASTING

Belasting van een lager kan ontstaan door de massa van de machine(onderdelen) en/of het te verplaatsen product en door overbrenging van vermogen. Deze kan radiaal (haaks op de as) of axiaal (in de lengterichting van de as) zijn; doorgaans is er sprake van een combinatie van beide.

Onderhoudsvrije lagers zijn vooral geschikt voor situaties met een niet-wisselende belasting

Daarnaast zijn er de statische en de dynamische belasting. Bij een statische belasting staat het lager stil en bewegen de lagerringen niet ten opzichte van elkaar. De meeste lagers worden dynamisch belast waarbij de lagerringen draaien ten opzichte van elkaar. Elke lager wordt aangeduid met een codering die wordt ontleend aan een ISO-norm, de Duitse DIN-norm, de Amerikaanse AFBMA-norm of de Japanse JIS-norm. Bij strikte toepassing hiervan zijn lagers met hetzelfde typenummer volledig uitwisselbaar, ongeacht het merk.

SOORTEN LAGERS

Het voert te ver om hier alle soorten lagers te behandelen, vandaar een selectie.

Een glijlager of bus is een lager waarbij de as in het lager glijdt, en heeft als taak elke willekeurige belasting op te vangen met een draaiende, lineaire of oscillerende beweging. De vorm van het lager bespaart installatieruimte, gewicht en kosten. Bovendien zijn glijlagers in de regel minder gevoelig voor verontreinigingen.

Insert lagers – ook wel aangeduid als Y- of spanlagers – worden gebruikt in combinatie met een lagerhuis, en zijn ontworpen om wrijving te verminderen en de rotatie soepel te laten verlopen. Ze worden onder meer gebruikt in transportbanden, ventilatoren en landbouwmachines.

Lineaire lagers – ook wel aangeduid als lineaire geleiders − glijden op een lineaire as in een rechte lijn, en maken het mogelijk een aanzienlijk gewicht in een lineaire beweging te verplaatsen, zonder dat dit ten koste gaat van de lineaire beweging van het object.

Wentellagers hebben een binnen- en buitenring, met daartussen de wentellichamen: kogels, cilinders, tonnen, kegels of naalden. De omringende kooi zorgt voor een gelijkmatige verdeling en voorkomt onderling contact. Bij de demonteerbare variant zorgt deze er bovendien voor dat de wentellichamen niet uit het lager vallen.

Speciale lagers
Bij vloeistoflagers bevindt zich tussen de beide lageroppervlakken een gas of een vloeistof onder druk. Dankzij deze constructie maken de lageroppervlakken geen direct contact en ligt de totale wrijving aanzienlijk lager dan bij lagers met rolelementen (minder slijtage).
Bij magnetische lagers is er sprake van magnetische levitatie: het laten 'zweven' van een object onder invloed van een magnetisch veld. Er is geen sprake van oppervlaktecontact, en dus ook geen slijtage. Magnetische lagers kennen daardoor een veel langere levensduur en kunnen van alle lagertypen de hoogste snelheden ondersteunen.

AFDICHTINGEN

Om lagers te beschermen tegen stof, vuil, vocht en/of vetverlies, kunnen ze worden voorzien van tweezijdige afdichtingen. De meest voorkomende zijn:

• de 2Z-afdichting of 'stofafdichting' − een niet-slepende afdichting – bestaat uit een dun stalen afdekplaatje dat verder niet in contact komt met de binnenring. Dit type afdichting is bijzonder geschikt voor hoge toerentallen en bij gebruik in omgevingen met hoge(re) temperaturen;
• de 2RS-afdichting − een slepende afdichting − bestaat uit een met rubber bekleed staalplaatje waarbij het rubberlipje sleept in een groef op de binnenring, wat wrijving veroorzaakt. Dit type afdichting wordt gebruikt bij matige verontreiniging of wanneer een 'spatwater afgedicht' lager een vereiste is.

ONDERHOUDSPLICHTIGE LAGERS

Het gebruik van industriële lagers kan − afhankelijk van de frequentie en de intensiteit van het gebruik − leiden tot slijtage, onder andere door corrosie, elektrische erosie, microscheurvormingen, plastische vervorming en/of andersoortige beschadigingen, alsook door verontreiniging. Traditionele lagers vergen derhalve smering en onderhoud.

Smering

Het smeren van lagers is primair bedoeld om wrijving zoveel mogelijk te beperken, wat leidt tot minder slijtage. Het helpt daarnaast bij het afvoeren van warmte en het tegengaan van verontreinigingen, en het bevordert de afdichtende werking. Normaal gesproken wordt daarvoor vet gebruikt dat in tegenstelling tot olie niet de neiging heeft uit het lager 'weg te lopen'. Standaard afgedichte lagers zijn in de fabriek al van vet voorzien (circa 30% van de vrije ruimte in het lager).

Smeermiddelen hebben een structuur die varieert van vast tot halfvloeibaar en zijn samengesteld uit oliën, een verdikker en additieven. Het standaardkogellagervet wordt gemaakt op basis van lithiumzeep, dat een bedrijfstemperatuur heeft van -30 °C tot +110 °C. Bij specifieke toepassingen is de keuze van het smeermiddel van groot belang.

Onderhoud

Het regelmatig beoordelen van de lagerconditie voorkomt defecten en stilstand van de machine door lagerschade en vergemakkelijkt het inplannen van onderhoud. De benodigde meetgegevens kunnen worden verkregen door onder meer trillingsmetingen en thermografie.

Aangezien de levensduur van lagers door trillingen en/of onnodige warmteontwikkeling aanzienlijk wordt verkort, is het zaak beide zoveel mogelijk te beperken, bijvoorbeeld door het tussentijds uitbalanceren van roterende machineonderdelen of het met behulp van laser opnieuw uitlijnen van machines en aandrijvingen.

Sommige bedrijven bieden reconditionering van lagers aan onder gebruikmaking van dezelfde normen, processen, apparatuur en competenties als bij de productie van nieuwe lagers. Deze aanvankelijke investering levert uiteindelijk een besparing op ten aanzien van de kosten voor onderhoud en vervanging.

ONDERHOUDSVRIJE LAGERS

Het onderhouden en smeren van lagers kost tijd en geld, en bovendien bestaat bij smering het gevaar op contaminatie. Onderhoudsvrije lagers zijn ontworpen om lang mee te gaan, zijn bestand tegen zware belastingen, schokken en trillingen, en lenen zich met name voor die situaties waarin sprake is van niet-wisselende belasting. Ze worden gemaakt van speciale materialen en zijn voorzien van coatings, innovatieve glijmaterialen op basis van polytetrafluorethyleen (PTFE) en zijn al dan niet uitgerust met zogeheten smeerstiften.

Voordelen

Dat een onderhoudsvrij kogellager niet gesmeerd hoeft te worden, heeft diverse voordelen:

• lagere onderhoudskosten;
• verhoogde betrouwbaarheid en levensduur;
• minder onderhoudsinterventies en derhalve minder stilstand en/of productverlies;
• Een aanzienlijke besparing op smeermiddelen en reinigingsproducten gaat gepaard met een lagere milieubelasting (minder warm water nodig, minder vetrijk afvalwater).

Vetlevensduur

Om te kunnen beoordelen of een onderhoudsvrije oplossing mogelijk is, wordt de vetlevensduur ingeschat, doorgaans aan de hand van empirische modellen. Bepalend voor de vetlevensduur zijn met name het soort lager en de afmetingen, de snelheid, de bedrijfstemperatuur, de vetsoort en de lageromgeving. Aan het eind van de vetlevensduur is vervanging van de lagers noodzakelijk.

Soorten onderhoudsvrije lagers

Net als bij de 'gewone' lagers zijn er ook diverse soorten onderhoudsvrije lagers. Ook hier een selectie.

Drooglooplagers

Deze hebben een vertinde stalen buitenmantel – wanneer extra chemische bestendigheid of corrosiewerende eigenschappen gevraagd worden, is deze van brons of rvs – een sinterbronzen middenlaag en een inwendige coating van PTFE. Deze opbouw garandeert een zelfsmerende werking gekoppeld aan een bijzonder lage wrijvingscoëfficiënt.

Gewrichtslagers

Deze hebben een speciale glijlaag op basis van PTFE tussen de binnen- en buitenring. Dit kan een PTFE-compound, -folie of -weefsel zijn. Ze zijn geschikt voor toepassingen waarbij een lange levensduur zonder onderhoud of smering gewenst is, bijvoorbeeld wanneer het gaat om moeilijk bereikbare plaatsen.

De levensduur van afgedichte lagers wordt bepaald door de vetlevensduur

Zelfsmerende bussen

Hierin wordt gedurende de eerste inloopperiode van het lager een smeerlaag gecreëerd door de overdracht van een kleine hoeveelheid oppervlaktemateriaal. Deze laag staat in contact met alle bewegende onderdelen en smeert en beschermt deze. Zelfsmerende bussen zijn bestand tegen hoge belastingen en beschikken over een uitstekende slijtageweerstand.

Elastomeerlagers

Deze lagers − ook wel bekend als rubberlagers of trillingsdempers – zijn gemaakt van elastomeren, een elastisch polymeer dat na vervorming onder druk terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de druk wordt weggenomen. Dit type lagers heeft als doel trillingen te dempen en schokken te absorberen. Ze kunnen meestal zonder complexe aanpassingen op de machine worden gemonteerd. Een apart smeersysteem is vaak niet nodig.

Kegelrollagers met massieve smeermiddelen

Hierin heeft het smeermiddel de vorm van een vaste stof, zoals bijvoorbeeld grafiet of molybdeen. Deze verzorgt de smering tijdens gebruik, dus zonder externe toevoeging. De keuze voor het type smeermiddel hangt samen met de toepassing van het lager en de werkingsomstandigheden (onder meer snelheid, temperatuur, belasting), daar waar traditionele smeermiddelen doorgaans tekortschieten.

Luchtlagers

Deze maken gebruik van een dunne film van perslucht tussen het lageroppervlak en de bewegende delen, waardoor een nagenoeg wrijvingsloze omgeving ontstaat. Ze worden vaak gebruikt waar minimale wrijving, hoge precisie en stabiele en trillingsvrije positionering van cruciaal belang zijn.

Membraanlagers

Dit zijn mechanische componenten die gebruikmaken van een elastisch membraan – meestal gemaakt van rubber of een daaraan verwant materiaal – om beweging tussen twee delen te vergemakkelijken. Het membraan vervormt tijdens belasting en keert zodra deze vermindert terug naar de oorspronkelijke vorm.

Toepassingen

Onderhoudsvrije lagers worden onder meer toegepast in de zware industrieën, waaronder de mijnbouw, de bouw en bij de energieopwekking (zie het betreffende kader). Verder worden ze veelvuldig toegepast in de voedingsmiddelenindustrie en de daaraan verwante dranken- en verpakkingsindustrie, waar met het oog op contaminatie smeermiddelen moeilijk toe te passen zijn.

De levensduur van afgedichte lagers wordt bepaald door de vetlevensduur. Omstandigheden waarvoor dit type lagers per definitie niet geschikt is, zijn die situaties waarin sprake is van een relatief kort nasmeerinterval − de frequentie waarmee smeermiddelen opnieuw moeten worden aangebracht − en die waarin vetlevensduur in negatieve zin wordt beïnvloed: verticale opstellingen, hoge temperaturen, hoge snelheden, een hoge vervuilingsgraad en hoge trillingsniveaus, dan wel een combinatie daarvan.

Lagers in windturbinegeneratoren
In windturbines vindt de aandrijving plaats via een frequentieomvormer. De (rol)lagers staan daarbij constant bloot aan hoogfrequente elektrische stromen. Daardoor bestaat de kans op elektrische erosie die kan leiden tot beschadiging en degradatie van de lagers. Derhalve wordt gewerkt met geïsoleerde lagers waarvan de buitenkant van de binnen- of buitenring is voorzien van een speciale enkellaags aluminiumoxide-coating. Deze extra bescherming draagt bij aan een langere levensduur van de lagers en voorkomt stilstand. Een alternatief is het gebruik van hybride lagers. Deze beschikken over een stalen binnen- en buitenring en bevatten keramische kogels.

Met medewerking van ERIKS en SKF