TOEKOMST AAN SMERINGSVRIJE KUNSTSTOF GLIJLAGERS

Smeren van glijlagers

Een glijlagersysteem bestaat in de basis uit niks meer dan twee vlakken die over elkaar glijden. Het is dan ook zaak om de frictiewarmte die daaruit ontstaat, te beheersen. Smeren dus. Maar het voorbije decennium staken ook smeringsvrije en smeringsarme glijlagers hun neus aan het venster in de industrie. We onderzochten voor u of ze wel degelijk hun naam kunnen waarmaken en waar de belangrijkste toepassingen liggen.

WAT IS EEN GLIJLAGER?

Een glijlagerbus is een gladde bus waarbij de oppervlaktespanning en de oppervlaktesnelheid de keuze zullen dicteren. Daartoe moet men een warmtebalanscalculatie uitvoeren (zie kaderstuk warmtebalanscalculatie). Glijlagers waken erover dat industriële toepassingen soepel kunnen lopen. In tegenstelling tot rollagers, waarbij er tussen de as en de boring rollende elementen zitten, zal de as in het lager glijden. Door hun relatief eenvoudige opbouw geven ze in de meeste gevallen een prijsvoordeel ten opzichte van andere types lagers. Ze blijken ook technisch de meest interessante keuze wanneer er sprake is van dynamische schommelingen in de belasting van het lager. Bij stotende, hoge belastingen zal er een te hoge contactspanning optreden bij rollagers.

Glijlagers geven door hun opbouw een vlak contact, waardoor de piekspanning zwaar gereduceerd zal worden. In die toepassingen zullen ze technisch altijd de beste keuze zijn. Toch kunnen ze niet zomaar overal ingezet worden. Door de frictie die ontstaat uit het over elkaar schuiven van de twee loopvlakken, dreigt de temperatuur te hoog op te lopen, zeker in toepassingen met een hoge oppervlaktesnelheid en een hoge vlaktedruk. Een juiste materiaalkeuze en smering kunnen dan een oplossing bieden. Er wordt daarom een onderscheid gemaakt tussen drooglopende, vetgesmeerde en vloeistofgesmeerde glijlagers.

HYDRAULISCHE GRAAFMACHINE HEEFT BAAT BIJ CORRECTE MATERIAALSELECTIE

Een backhoe dredger is een grote hydraulische graafmachine voor baggerwerkzaamheden in havens. Op de draaipunten van de arm worden geharde stalen glijlagers toegepast. Door te kiezen voor oplossingen met speciale oppervlaktebehandelingen en -topografie, zijn er twee zaken opgelost. Ten eerste hoeft het systeem minder vaak gestopt te worden voor smeerwerkzaamheden. Dit wordt gerealiseerd door de oppervlaktetopografie die het vet beter verdeelt en vasthoudt ter plaatse van de belasting. Ten tweede is de levensduur ten opzichte van bronzen lagers met meer dan factor vijf verlengd. Dit laat zien dat de juiste materiaalcombinatie veel voordelen biedt voor de gebruiker van het lagersysteem.

TYPES VAN GLIJLAGERS

Drooglopende glijlagers

Hieronder verstaat men glijlagers die zonder een druppel smering opereren. Een lage wrijving wordt verkregen door de juiste materialen voor de loopvlakken te combineren. Bij toepassingen waarbij de oppervlaktesnelheid meer dan 10 m/s bedraagt, zijn ze sowieso uit den boze. De temperatuur die ontstaat wanneer de twee vlakken van het glijlager over elkaar schuiven, zal dan immers niet meer onder controle te houden zijn door een juiste materiaalcombinatie alleen. Oppervlaktesnelheden tussen 2 m/s en 10 m/s vormen zowat het grensgebied. Hiervoor komen enkel nog bronsgesinterde lagers met geïmpregneerde olie (geen directe droogloop, maar wel onderhoudsvrij doordat de lagers af fabriek geïmpregneerd zijn) in aanmerking. Het gros van de toepassingen bevindt zich dus onder die grens. Het materiaal bij uitstek voor drooglopende glijlagers is kunststof.

Vetgesmeerde glijlagers

In de meeste omstandigheden zal vet de voorkeur krijgen, omdat het makkelijker op zijn plaats blijft dan olie en omdat het ook een betere bescherming biedt tegen de indringing van vuil en corrosie. Bij scharnierende bewegingen zal vloeistofsmering sowieso geen alternatief bieden en moet er voor vet gekozen worden. Ook lineaire bewegingen zijn meer gediend met vet. Welk vet er dan precies op zijn plaats is, hangt af van de eigenschappen van het vet en hun compatibiliteit met de toepassing. De ontwikkelde temperaturen, bijvoorbeeld, zullen al een aantal opties voor u elimineren. Fabrikanten van glijlagers waarschuwen verder voor smeermiddelen met te veel additieven. Een basisvet zal veelal volstaan voor het smeren. Er zit immers vaak al smeermiddel in het glijlager verwerkt, waardoor de gebruikte additieven (harde partikels) als schuurmiddel kunnen fungeren en een soepele werking verhinderen.

Vloeistofgesmeerde glijlagers

Vloeistofsmering heeft dan weer het onmiskenbare voordeel dat er bij een hogere oppervlaktesnelheid (vanaf 0,5 m/s) een hydrodynamische film ontstaat. Deze zal de optredende frictie enorm reduceren. Standaardglijlagers hebben een frictiewaarde tussen 0,04 en 0,18. Een hydrodynamische film brengt de frictiewaarde terug tot 0,01 à 0,02. Dat betekent dus veel minder warmteontwikkeling en veel minder benodigd vermogen. Olie is van oudsher de keuze voor een vloeibaar smeermiddel. Hou er wel rekening mee dat wanneer de vlaktedruk stijgt, de viscositeit van olie kan veranderen. Daarnaast biedt water een technisch interessant alternatief, zeker bij toepassingen waarbij het vrij beschikbaar is en dus niks kost. Dat maakt dat water terrein wint op olie. Daarenboven heeft het een veel milieuvriendelijker karakter, wat met de verhoogde focus op duurzaamheid een niet te onderschatten troef is.

BELANG VAN SMERING BIJ GLIJLAGERS

Aangezien er bij een glijlager twee vlakken over elkaar glijden, zal het van belang zijn om de temperatuur onder controle te houden in functie van de toepassing. Daar speelt de frictiewaarde of de wrijvingscoëfficiënt (zie kaderstuk) een belangrijke rol. In de eerste plaats zal men daarvoor een keuze moeten maken uit materialen, eventueel vergezeld van een oppervlaktebehandeling, die weinig frictie opleveren. Daarna zal bekeken worden of de frictie voldoende onder controle is of dat er nog nood is aan een smeermiddel. Smering speelt dus een cruciale rol in een lange levensduur van het glijlager. Toch is er de laatste jaren een duidelijke trend naar smeringsvrije of smeringsarme glijlagers, voornamelijk om machines zo weinig mogelijk tot stilstand te moeten brengen. Smeringsvrije glijlagers zijn realiteit geworden dankzij evoluties in kunststoffen. Door de ontwikkeling van specifieke materialen die weinig tot geen frictie veroorzaken, behoeven deze glijlagers immers geen druppel smeermiddel meer. Daarnaast werkten fabrikanten hard aan het optrekken van de smeringsintervallen om tot smeringsarme glijlagers te komen. Dat wordt in de eerste plaats bewerkstelligd door alweer de juiste materiaalkeuze. Verder kan men ook patronen aanbrengen in het materiaal om het smeermiddel zo lang en zo goed mogelijk op de juiste plaats te houden, waardoor het onderhoudsinterval sterk verlengd wordt.

FRICTIEWAARDE OF WRIJVINGSCOËFFICIËNT

De frictiewaarde of wrijvingscoëfficiënt is een dimensieloos getal dat de mate van wrijving tussen twee oppervlakken aangeeft. Men maakt een onderscheid tussen de statische en de dynamische wrijvingscoëfficiënt. De statische wrijvingscoëfficiënt is de verhouding tussen de maximaal opterende wrijvingskracht en de normaalkracht voordat de oppervlakken ten opzichte van elkaar gaan bewegen. De dynamische wrijvingscoëfficiënt is de verhouding tussen de wrijvingskracht en de normaalkracht als de oppervlakken ten opzichte van elkaar bewegen. De waarde hangt steeds af van de gebruikte materiaalcombinaties (as en lager).

FACTOREN DIE MATERIAALKEUZE EN NOOD AAN SMERING BEINVLOEDEN

Het materiaal zal dus een eerste graadmeter vormen om te zien of het glijlager smering vereist. Het vraagt om de nodige expertise om te bepalen welke materialen geschikt zijn voor de toepassing. Twee parameters in de fysische eigenschappen van het materiaal en de specifieke toepassing kunnen daar meer over vertellen. Allereerst wordt er gekeken naar de frictiewaarde of de wrijvingscoëfficiënt: hoeveel warmte zal er ontstaan als het materiaal over elkaar schuift? Ten tweede speelt de warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal een rol. Hoe snel zal de warmte die tijdens de toepassing ontstaat, ook afgevoerd kunnen worden van het lager en de as? Deze elementen moeten in balans zijn, zodat het lager niet warmloopt en het bijgevolg maar een kort leven beschoren is (zie kaderstuk warmtebalanscalculatie).

SMERINGSVRIJE KUNSTSTOFFEN EERSTE KEUZE

Als de toepassing het toelaat, zou kunststof waarin het smeermiddel al verwerkt zit, altijd de voorkeur moeten genieten op staal of brons. Deze vergen gedurende hun volledige levensduur immers geen druppel olie of vet. Hoewel dergelijke smeringsvrije glijlagers al meer dan veertig jaar hun nut bewijzen, voelen bepaalde bedrijven nog een drempel om ze in te zetten in hun productie. Nochtans kan het een heuse kostenbesparing met zich meebrengen, als u geen smeermiddel meer nodig heeft en uw productieproces niet stilgelegd moet worden voor een smeerbeurt. Bovendien zijn kunststoffen de goedkopere oplossing ten opzichte van de klassieke materialen voor glijlagers (brons en staal). Het nadeel van kunststoffen is dat ze meestal een minder goede warmteafvoer kennen. In functie van de toepassing kan het dan ook nodig zijn om naar andere oplossingen te kijken. Kunststoffen zijn duidelijk in opmars. Door technologische ontwikkelingen zullen ze ook de komende jaren nog hun speelveld vergroten.

KUNSTSTOFFEN MET SMERING

Wanneer uit de toepassing blijkt dat de eigenschappen van de gebruikte kunststof niet volstaan om een lange, soepele werking te garanderen, dan is de volgende optie kunststof in combinatie met een smeermiddel. Als het berekeningsplaatje voor de toepassing dan volledig klopt, zal dit de goedkoopste optie bieden. Hou bij de keuze voor smering steeds rekening met de omgevingsfactoren. Stof kan bijvoorbeeld van een smeermiddel een schuurpasta maken, maar ook de aanwezigheid van water kan de werking van het vet beïnvloeden. Als smering niet mogelijk is of kunststof zelfs met smering niet volstaat om voldoende warmteafvoer te krijgen, dan moeten er andere materialen in overweging genomen worden.

BRONS EN STAAL

De volgende optie blijkt brons, dat tegen een hogere belasting bestand is dan kunststof en op staal nog het streepje voor heeft dat het minder vatbaar is voor corrosie. Stalen glijlagers vragen in de meeste gevallen om een oppervlaktebehandeling (harden en coaten) om slijtage geen vrij spel te geven. Zowel brons als staal zal in het gros van de toepassingen smering nodig hebben om het glijlager voldoende te beschermen. Ook hier zijn er oplossingen mogelijk om de smeringsintervallen te verlengen, zodat er sprake kan zijn van een smeringsarm glijlager. Bijkomend nadeel: bij deze opties moet vaak ook de as gehard worden om inloop te voorkomen.

WARMTEBALANSCALCULATIE (PV-WAARDE)

De warmtebalanscalculatie is de eerste stap in de keuze van het juiste glijlager voor uw toepassing. Er zal telkens een berekening moeten gemaakt worden om tot de actuele en de toelaatbare PV-waarde te komen. De P staat voor de vlaktedruk, uitgedrukt in MPa of N/mm².

Deze zal een berekening maken om te zien of de geprojecteerde oppervlakte van het glijlager (de diameter x de lengte) bestand is tegen de belasting. De V staat dan weer voor de oppervlaktesnelheid, uitgedrukt in m/s. Deze kan eenvoudig berekend worden voor een roterende beweging: de binnenomtrek van het lager x het toerental. Bij een scharnierende beweging daarentegen moet men alle oscillaties bij elkaar optellen.

Opgelet, de PV-waarde zal niks vertellen over de slijtage van het lager. In feite wordt hier enkel de materiaalcombinatie mee getest en ook of het glijlager na twintig minuten zal stuklopen. Fabrikanten beschikken over bijkomende referentietesten om de gebruiker een idee te geven over de levensduur van het glijlager in een specifieke applicatie.

HOE HET SMEERMIDDEL AANBRENGEN IN HET GLIJLAGER?

Als uit de berekeningen van de toepassingen in combinatie met het materiaal blijkt dat er nood is aan smering, heeft de gebruiker nog tal van mogelijkheden. Het uitgangspunt moet steeds zijn dat elk belast deel van de as voldoende smering krijgt. Daarbij wordt er gekeken op welke manier men het best het smeermiddel aan de binnenkant van het lager krijgt om het dan via patronen in de loopvlakken of een ingewerkte structuur zo dicht mogelijk bij de belaste vlakken aan te bieden. In functie daarvan wordt er een topografie uitgewerkt, om het smeermiddel tussen de vlakken te houden, net daar waar het echt nodig is. Drie parameters spelen een rol in het opzetten van een optimale structuur: het gewenste smeringsinterval, het bewegingspatroon van de toepassing en de oppervlaktebelasting. Deze zullen bepalen welke optie voor uw glijlager de beste is: groeven, putstructuur, grafietsmering …

SMERINGSINTERVAL

Wanneer men naar een langer smeringsinterval wil gaan voor een glijlager, zal er meestal voor een structuur in combinatie met een reservoir gekozen worden. Een putstructuur bijvoorbeeld waarlangs de belaste delen dan passeren, kan een smeringsinterval gaan verdubbelen. Enerzijds omdat men meer smeermiddel ter plaatse kan aanbrengen, anderzijds omdat staaldeeltjes of andere partikels die vrijkomen, erin kunnen bezinken. Hierdoor zal het glijlager niet sneller dan berekend warmlopen of inslijten.

BEWEGINGSPATROON

Wanneer er sprake is van een mooie rotatiebeweging die altijd langs dezelfde groef passeert, zal er een minder fijne structuur nodig zijn. Het omgekeerde geldt voor scharnierende bewegingen, zij zullen net vragen om een fijnmazige structuur om elk belast deel voldoende te kunnen smeren. Met andere woorden: hoe kleiner de oscillatiehoek, hoe fijner de structuur zal moeten zijn voor een optimale smering.

BELASTBAAR OPPERVLAK

De derde cruciale parameter is de oppervlaktebelasting. Er wordt niet alleen gekeken naar welke waarde deze haalt, maar ook naar hoe groot de belastbare oppervlakte precies is en hoe de belasting gebeurt. Is ze bijvoorbeeld statisch of dynamisch?

CONCLUSIE

Smeringsvrije glijlagers hebben duidelijk de toekomst. Een van de belangrijkste oorzaken van het falen van glijlagers is een tekort aan smeermiddel. Dat zal immers de slijtage exponentieel doen versnellen. Door voor smeringsarme oplossingen te kiezen, zal het smeren al een stuk beheersbaarder worden. Maar wie echt gemoedsrust wil, kiest het best, wanneer de toepassing het toelaat, voor smeringsvrije oplossingen. Zeker in sectoren zoals de voedingsindustrie waar men zo weinig mogelijk risico op contaminatie in het productieproces wil lopen. Een ander domein waar er nieuwe toepassingen liggen, zijn machines voor de agrarische industrie, die vaak voor een langere periode stilliggen. Smeermiddelen dreigen dan op te drogen, dus zijn smeringsvrije glijlagers in kunststoffen zeker het overwegen waard. Staal en brons zullen zeker hun bestaansrecht hebben, maar dat zal beperkt blijven tot nichetoepassingen waarin de vlaktedruk enorm stijgt. Om pompen en schroefassen mooi lopend te houden, zal olie of water als smeermiddel zeker nodig blijven.