Auslegung von Wälzlagern für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen

Abstract

Wälzlager erzeugen während des Betriebs durch unterschiedliche tribologische und rheologische Effekte eine Verlustleistung, welche fast vollständig in Wärme übergeht. Bei einer normgerechten Auslegung, fachgerechter Montage, geeigneter Schmierung und einem ordnungsgemäßen Betrieb ist die resultierende Temperaturentwicklung als nicht kritisch einzustufen. Kommt es jedoch zu einer Abweichung der für den Normalbetrieb vorgesehenen Auslegung oder Montage, werden Wartungsintervalle nicht eingehalten oder es treten unvorhergesehene Betriebsbedingungen auf, kann das Verlustmoment infolge erhöhter Reibarbeit deutlich ansteigen. Die daraus resultierende Temperaturerhöhung kann zu einer unzulässigen heißen Oberfläche und damit zu einer potenziellen Zündquelle führen. Die DIN EN ISO 80079-36 und -37 geben ein grundsätzliches Vorgehen zur Identifikation und Bewertung potenzieller Zündquellen für nicht-elektrische Geräte vor. Für Wälzlager beschränken sich die normativen Hinweise jedoch auf allgemeine Betrachtungen, ohne eine spezifische, generische Methodik zur systematischen Einordnung wälzlagerbezogener Zündmechanismen bereitzustellen. Zur Schließung dieser Lücke wurde in der vorliegenden Arbeit ein generischer Bewertungsansatz für nicht-elektrische Maschinenelemente entwickelt und auf fettgeschmierte Schrägkugellager angewendet. Auf Grundlage einer Funktionsstruktur nach Pahl und Beitz wurden potenzielle Zündquellen systematisch identifiziert und anhand des aktuellen Forschungsstandes bewertet und eingeordnet. Die Ergebnisse wurden in 48 standardisierte Zündquellensteckbriefe zusammengeführt. Der empirische Teil dieser Arbeit analysiert eine im Rahmen der Literatur- und Normenanalyse identifizierte Forschungslücke. Die Analyse erfolgte auf einem eigens entwickelten Wälzlagerprüfstand und untersuchte die Auswirkung von Stärkekontamination im Wälzlagerschmierfett hinsichtlich des resultierenden Verlustmoments, der daraus resultierenden Betriebstemperatur, der Veränderung des Schwingungsverhaltens sowie der Auswirkung auf die Wälzlagerlebensdauer. Das Ergebnis der empirischen Untersuchung zeigte, dass bereits 1 Vol.-% fester Verunreinigung geringer Härte unabhängig von der Partikelgröße zu einer signifikanten Erhöhung des Verlustmoments und der Betriebstemperatur führt. Gleichzeitig konnte nachgewiesen werden, dass geringe Kontaminationsgrade über das breitbandige Schwingungsniveau (aRMS) detektierbar sind. Hinsichtlich der Lebensdauer zeigte sich eine deutliche Verkürzung gegenüber der rechnerischen Nennlebensdauer nach ISO 281 sowie gegenüber der experimentell bestimmten Referenzlebensdauer. Das Ergebnis dieser Arbeit liefert somit einen strukturierten Beitrag zur explosionsschutzgerechten Auslegung fettgeschmierter Wälzlager und stellt erstmalig einen Ansatz zur generischen Bewertung nicht-elektrischer Zündgefahren bereit.

During operation, roller bearings generate power losses due to various tribological and rheological effects, which are almost entirely converted into heat. With a standard-compliant design, professional installation, suitable lubrication and proper operation, the resulting temperature development is not considered critical. However, if there is a deviation from the design or installation intended for normal operation, maintenance intervals are not adhered to, or unforeseen operating conditions arise, the loss torque can increase significantly due to increased frictional work. The resulting temperature increase can lead to an impermissible hot surface and thus to a potential ignition source. DIN EN ISO 80079-36 and -37 specify a basic procedure for identifying and evaluating potential ignition sources for non-electrical equipment. For rolling bearings, however, the normative information is limited to general considerations without providing a specific, generic methodology for the systematic classification of rolling bearing-related ignition mechanisms. To close this gap, this paper develops a generic assessment approach for non-electrical machine elements and applies it to grease-lubricated angular contact ball bearings. Based on a functional structure according to Pahl and Beitz, potential ignition sources were systematically identified, evaluated, and classified in light of the current state of research. The results were compiled into 48 standardised ignition source profiles. The empirical part of this work analyses a research gap identified in the literature and standards analysis. The analysis was carried out on a specially developed roller bearing test bench to examine the effect of starch contamination in roller bearing grease on torque loss, operating temperature, vibration behaviour, and service life. The results of the empirical investigation showed that even 1% by volume of low-hardness solid contamination leads to a significant increase in loss moment and operating temperature. At the same time, it was demonstrated that low levels of contamination can be detected via the broadband vibration level (aRMS). In terms of service life, there was a significant reduction compared to the calculated nominal service life according to ISO 281 and the experimentally determined reference service life. The results of this work thus provide a structured contribution to the explosion-proof design of grease-lubricated rolling bearings and, for the first time, provide an approach for the generic assessment of non-electrical ignition hazards.