Wat zijn zelfsmerende lagers? Typen, gebruik en selectie

Wat zelfsmerende lagers zijn en hoe ze werken

Het bepalende kenmerk van een zelfsmerend lager is het vermogen om een continue smeerfilm te genereren vanuit het lagermateriaal zelf, zonder enige externe toevoer. Dit gebeurt via een van de drie belangrijkste mechanismen:

Zijn glijlagers zelfsmerend?

Glijlagers (ook wel glijlagers of glijlagers genoemd) kunnen afhankelijk van hun constructiemateriaal conventioneel of zelfsmerend zijn. Het onderscheid is van belang bij de keuze voor onderhoudsvrije toepassingen.

Gesinterde bronzen glijlagers zijn het meest gebruikte zelfsmerende glijlagertype. De ISO 2795 en MPIF Standaard 35 definiëren vereisten voor het oliegehalte voor deze componenten – een standaardkwaliteit bevat minimaal 19% olie per volume . Ze worden aangetroffen in elektromotoren, huishoudelijke apparaten, kantoorapparatuur en hulpaandrijvingen voor auto's waar de toegang tot lagers afgesloten of moeilijk is.

Massieve polymeer glijlagers gemaakt van acetaal (POM), nylon (PA6/PA66) of PEEK met interne smeermiddeladditieven zijn een ander zelfsmerend hoesformaat. Deze werken helemaal zonder olie, waardoor ze geschikt zijn voor voedselverwerking, medische apparatuur en onderwatertoepassingen waar olieverontreiniging verboden is.

Hydrodynamische glijlagers met stalen achterkant – zoals die worden gebruikt in grote krukassen en turbinetappen – zijn niet zelfsmerend. Ze vereisen te allen tijde een olietoevoer onder druk om de hydrodynamische wig die de as van het lager scheidt, in stand te houden. Het falen van de olietoevoer veroorzaakt bij deze ontwerpen onmiddellijk lagerfalen.

Zijn keramische lagers zelfsmerend?

Keramische lagers worden vaak op de markt gebracht met de uitdrukking "drooglopen" - wat verwarring schept over de vraag of ze echt zelfsmerend zijn. Het precieze antwoord is: nee, keramische lagers zijn niet zelfsmerend , maar hun materiaaleigenschappen verminderen de smeringsvereisten aanzienlijk in vergelijking met staal.

Siliciumnitride (Si3N4), het meest voorkomende keramische lagermateriaal, heeft verschillende eigenschappen die de afhankelijkheid van smeermiddelen verminderen:

• Oppervlaktehardheid van 1.400–1.600 hoogspanning versus 700–800 HV voor lagerstaal, waardoor de slijtage van de lijm bij marginale smeringsomstandigheden wordt verminderd
• Dichtheid van 3,2 g/cm³ versus 7,8 g/cm³ voor staal – waardoor bij hoge snelheid lagere centrifugaalkrachten op de loopbaan worden gegenereerd, waardoor dunnere smeerfilms de scheiding kunnen behouden
• Lage thermische uitzettingscoëfficiënt ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) - vermindering van de variatie in de interne speling bij temperatuurschommelingen die smeermiddel uit een stalen lager zouden persen
• Niet-magnetisch en elektrisch niet-geleidend - voorkomt de afbraak van smeermiddel door elektrostatische ontlading die optreedt in stalen lagers die worden gebruikt in toepassingen met variabele frequentieaandrijving

In de praktijk kunnen volledig keramische lagers korte perioden zonder smering overleven in schone omstandigheden met lage belasting - vooral bij zeer hoge snelheden waarbij de contacttijd per omwenteling extreem kort is. Maar voor langdurig gebruik is nog steeds een smeermiddel – zelfs een minimale droge film – nodig om progressieve oppervlaktevermoeidheid te voorkomen. Hybride keramische lagers (keramische kogels, stalen ringen) vereisen vrijwel altijd conventionele smering.

Hebben conventionele lagers smering nodig?

Ja – alle conventionele wentellagers (kogellagers, cilindrische rollagers, kegellagers, naaldlagers) hebben gedurende hun hele levensduur smering nodig. Het smeermiddel vervult vier functies die geen enkele lagergeometrie alleen kan nabootsen:

• Elastohydrodynamische filmvorming: Een film onder druk van 0,1 tot 1,0 micron scheidt de rollende elementen van de loopbaan onder belasting, waardoor metaal-op-metaal contact wordt voorkomen
• Warmteafvoer: Circulerende olie in grote lagers verwijdert de warmte die wordt gegenereerd door rolcontact en weerstand van de kooi – cruciaal bij werking boven 50% van de nominale dynamische belasting van het lager
• Corrosiebescherming: Vet en olie verdrijven vocht van contactoppervlakken; zonder smering corrodeert lagerstaal binnen enkele uren in vochtige omgevingen
• Uitsluiting van verontreinigende stoffen: Vet dat in de lagerholte zit, vormt een fysieke barrière tegen stof en schurende deeltjes die anders slijtage aan de drie lichamen zouden veroorzaken

Het gevolg van onvoldoende smering is ernstig: onderzoeken van SKF en NSK geven dat aan meer dan 36% van de voortijdige defecten aan wentellagers zijn te wijten aan smeerproblemen, waaronder onvoldoende hoeveelheid, verkeerd smeermiddeltype, vervuild smeermiddel of onjuiste nasmeerintervallen. Ter vergelijking: vermoeiingsstoringen bij correcte smering zijn slechts verantwoordelijk voor 14% van de veldstoringen.

Zelfsmerende lagertypen vergeleken

Het selecteren van het juiste zelfsmerende lagertype vereist het afstemmen van de bedrijfsomstandigheden op de specifieke mogelijkheden van het materiaal. De onderstaande tabel vat de belangrijkste prestatieparameters samen:

Waar zelfsmerende lagers beter presteren dan gesmeerde alternatieven

Er zijn specifieke besturingsomgevingen waarnaar wordt overgeschakeld zelfsmerende lagers levert meetbare voordelen ten opzichte van conventioneel gesmeerde lagers:

• Oscillerende en langzaam roterende toepassingen: Vetgesmeerde lagers die langzaam oscilleren (minder dan 1 tpm) genereren nooit een hydrodynamische film; ze lopen op zijn best grensgesmeerd. Lagers met vast smeermiddel kunnen deze omstandigheden aan met wrijvingscoëfficiënten van 0,05 tot 0,15, zonder dat het slijtagemechanisme bij lage snelheden verandert.
• Afspoel- en ondergedompelde omgevingen: Voedselverwerkingslijnen, autowasapparatuur en maritieme hardware stellen lagers bloot aan het binnendringen van water waardoor het vet verdunt. Gesinterde polymeerlagers en met grafiet verstopt brons elimineren deze storingsmodus volledig.
• Zones met hoge temperaturen: Conventionele vetten worden afgebroken boven 180°C; synthetische vetten verlengen dit tot ongeveer 260°C. Bronzen lagers met grafietplug werken continu tot 400°C in ovenwagenwielen, transportrollen en glasgloeiovenapparatuur.
• Vacuüm- en cleanroomomgevingen: Vetgassen komen vrij in vacuüm en vervuilen optische instrumenten en halfgeleiderapparatuur. Op PTFE gebaseerde drogefilmlagers zijn standaard in satellietmechanismen en elektronenmicroscooptrappen waar de dampdruk lager is 10⁻⁸ Pa is vereist.
• Verlaging van de levenscycluskosten: Uit een onderzoek naar lagervervangingsprogramma's van gemeentelijke waterzuiveringsinstallaties bleek dat het vervangen van schuifafsluiterbussen van ingevet brons naar met grafiet geïmpregneerde lagers de arbeidskosten voor onderhoud verlaagde met 62% over een periode van tien jaar door het elimineren van driemaandelijkse hersmeerrondes.

Sleutelselectieparameters en veelvoorkomende maatfouten

De PV-waarde – het product van lagerdruk (P, in MPa) en glijsnelheid (V, in m/s) – is de primaire selectieparameter voor zelfsmerende glijlagers. Elk lagermateriaal heeft een maximale PV-waarde waarboven de smeerfilm niet kan worden gehandhaafd en de temperatuur van het lageroppervlak tot destructieve niveaus stijgt.

Drie maatfouten zijn verantwoordelijk voor het merendeel van de voortijdige defecten aan zelfsmerende lagers in het veld:

• Negeren van de PV-limiet onder piekbelastingsomstandigheden: Een lager met een waarde van PV = 0,10 MPa·m/s kan de juiste maat hebben voor normaal bedrijf, maar kan defect raken tijdens het opstarten of bij schokbelasting als de momentane PV op die momenten niet wordt gecontroleerd. Piek-PV-waarden kunnen 3 tot 5 maal de steady-state-waarde bedragen in zuigermachines.
• Onjuiste specificatie van de asoppervlakafwerking: Zelfsmerende lagers require a shaft roughness of Ra 0,4 tot 0,8 micron voor optimale transferfilmvorming. Assen die onder Ra 0,2 micron zijn gepolijst, bieden niet voldoende oneffenheidtextuur om het PTFE of grafiet te laten verankeren, waardoor filmvorming wordt vertraagd en vroegtijdige slijtage toeneemt. Assen die ruwer zijn dan Ra 1,6 micron schuren het lageroppervlak af voordat de film zich kan opbouwen.
• Onderschatting van de effecten van thermische uitzetting op de speling: Polymeerlagers hebben thermische uitzettingscoëfficiënten die 5 tot 10 keer hoger zijn dan stalen behuizingen. Een PEEK-lager met een diametrale speling van 0,05 mm bij 20 °C kan bij 150 °C geen speling (of interferentie) hebben als de verhouding tussen de behuizing en de lagerdiameter en de materiaalcombinatie niet correct zijn berekend in de ontwerpfase.