Warum werden bei den meisten Bergbaumaschinen Wälzlager anstelle von Gleitlagern verwendet?

Als unverzichtbare und wichtige Komponente in mechanischen Produkten spielen Lager eine entscheidende Rolle bei der Lagerung rotierender Wellen. Je nach ihren Reibungseigenschaften werden Lager in Wälzlager (kurz: Wälzlager) und Gleitlager (kurz: Gleitlager) unterteilt. Beide Lagertypen weisen spezifische Strukturmerkmale sowie spezifische Vor- und Nachteile in der Leistung auf.

Vergleich von Wälz- und Gleitlagern

1. Vergleich von Struktur und Bewegungsmodus

Der offensichtlichste Unterschied zwischen Wälzlagern undGleitlagerist das Vorhandensein oder Fehlen von Wälzkörpern.

Wälzlager verfügen über Wälzkörper (Kugeln, Zylinderrollen, Kegelrollen, Nadelrollen), die durch ihre Rotation die rotierende Welle stützen. Der Kontaktbereich ist daher punktförmig, und je mehr Wälzkörper vorhanden sind, desto mehr Kontaktpunkte gibt es.

GleitlagerSie besitzen keine Wälzkörper und stützen die rotierende Welle auf glatte Oberflächen, sodass der Kontaktbereich eine Oberfläche ist.

 

Der Unterschied in der Struktur der beiden Lagerarten bedingt, dass sich das Wälzlager rollend und das Gleitlager gleitend bewegt, wodurch sich völlig unterschiedliche Reibungsverhältnisse ergeben.

 

2. Vergleich der Tragfähigkeit

Im Allgemeinen ist die Tragfähigkeit von Gleitlagern aufgrund ihrer großen Lagerfläche höher als die von Wälzlagern. Wälzlager weisen eine geringere Stoßfestigkeit auf, während vollflüssig flüssigkeitsgeschmierte Lager dank der dämpfenden und vibrationsdämpfenden Wirkung des Schmierölfilms hohe Stoßbelastungen aufnehmen können. Bei hohen Drehzahlen steigt die Zentrifugalkraft der Wälzkörper im Wälzlager, wodurch sich die Tragfähigkeit verringert (und Geräusche bei hohen Drehzahlen auftreten können). Dynamische Gleitlager hingegen zeigen eine mit steigender Drehzahl zunehmende Tragfähigkeit.

 

3. Vergleich des Reibungskoeffizienten und des Anlaufreibungswiderstands

Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Reibungskoeffizient von Wälzlagern niedriger als der von Gleitlagern und zudem stabiler. Die Schmierung von Gleitlagern wird hingegen leicht durch äußere Faktoren wie Drehzahl und Vibration beeinflusst, wodurch der Reibungskoeffizient stark schwankt.

 

Beim Anlauf ist der Widerstand größer als bei einem Wälzlager, da sich im Gleitlager noch kein stabiler Ölfilm gebildet hat. Der Anlaufreibungswiderstand und der Betriebsreibungskoeffizient des hydrostatischen Gleitlagers sind jedoch sehr gering.

 

4. Vergleich der anwendbaren Arbeitsgeschwindigkeiten

Aufgrund der begrenzten Zentrifugalkraft der Wälzkörper und der Erwärmung des Lagers darf die Drehzahl von Wälzlagern nicht zu hoch sein; sie eignen sich daher im Allgemeinen für mittlere und niedrige Drehzahlen. Bei unvollständig flüssigkeitsgeschmierten Lagern sollte die Drehzahl aufgrund von Erwärmung und Verschleiß ebenfalls nicht zu hoch sein. Vollständig flüssigkeitsgeschmierte Lager weisen hingegen ein sehr gutes Hochgeschwindigkeitsverhalten auf, insbesondere hydrostatische Gleitlager mit Luftschmierung, deren Drehzahlen bis zu 100.000 U/min erreichen können.

 

5. Vergleich des Leistungsverlusts

Aufgrund des geringen Reibungskoeffizienten von Wälzlagern ist ihr Leistungsverlust im Allgemeinen gering und niedriger als der von unvollständig flüssigkeitsgeschmierten Lagern. Er steigt jedoch bei ordnungsgemäßer Schmierung und Montage drastisch an. Der Reibungsleistungsverlust vollständig flüssigkeitsgeschmierter Lager ist gering, bei hydrostatischen Gleitlagern kann der Gesamtleistungsverlust jedoch aufgrund des Leistungsverlusts der Ölpumpe höher sein als bei vollständig flüssigkeitsgeschmierten Lagern.

 

6. Vergleich der Nutzungsdauer

Aufgrund von Materialermüdung und Lochfraß sind Wälzlager in der Regel auf eine Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren ausgelegt oder werden im Rahmen einer Generalüberholung ausgetauscht. Die Gleitflächen unvollständig flüssigkeitsgeschmierter Lager verschleißen stark und müssen regelmäßig ersetzt werden. Die Lebensdauer vollständig flüssigkeitsgeschmierter Lager ist theoretisch unbegrenzt, in der Praxis kann es jedoch, insbesondere bei dynamischen Gleitlagern, durch wechselseitige Belastung zu Materialermüdung kommen.

 

7. Vergleich der Rotationsgenauigkeit

Wälzlager weisen aufgrund des geringen Radialspiels im Allgemeinen eine hohe Rotationsgenauigkeit auf. Unvollständig flüssigkeitsgeschmierte Lager befinden sich im Zustand der Grenz- oder Mischreibung, was zu instabilem Lauf, hohem Verschleiß und geringer Genauigkeit führt. Vollständig flüssigkeitsgeschmierte Lager dämpfen und absorbieren Vibrationen dank des vorhandenen Ölfilms mit hoher Genauigkeit. Hydrostatische Gleitlager bieten eine noch höhere Rotationsgenauigkeit.

 

8. Vergleich anderer Aspekte

Wälzlager verwenden Öl, Fett oder Festschmierstoff. Die benötigte Menge ist sehr gering, steigt jedoch bei hohen Drehzahlen an. Die Anforderungen an die Ölreinheit sind hoch, weshalb eine Abdichtung erforderlich ist. Die Lager selbst sind leicht austauschbar und benötigen in der Regel keine Reparatur der Zapfen. Gleitlager hingegen, mit Ausnahme von Lagern mit unvollständiger Flüssigkeitsschmierung, verwenden meist flüssige oder gasförmige Schmierstoffe. Die benötigte Menge ist sehr groß, die Anforderungen an die Ölreinheit sind ebenfalls sehr hoch. Die Lagerscheiben müssen häufig gewechselt und die Zapfen gegebenenfalls repariert werden.

 

Auswahl von Wälzlagern und Gleitlagern

Aufgrund der komplexen und vielfältigen tatsächlichen Betriebsbedingungen existiert kein einheitlicher Standard für die Auswahl von Wälz- und Gleitlagern. Wälzlager zeichnen sich durch ihren geringen Reibungskoeffizienten, niedrigen Anlaufwiderstand, ihre Empfindlichkeit, ihren hohen Wirkungsgrad und ihre Standardisierung aus und bieten daher eine ausgezeichnete Austauschbarkeit und Vielseitigkeit. Sie sind zudem einfach zu handhaben, zu schmieren und zu warten und werden daher bei der Auswahl in der Regel bevorzugt eingesetzt. Gleitlager hingegen weisen einige einzigartige Vorteile auf und kommen in Anwendungen zum Einsatz, in denen Wälzlager nicht geeignet, unpraktisch oder nicht vorteilhaft sind, wie beispielsweise in den folgenden Fällen:

 

1. Der radiale Raum ist begrenzt, oder die Installation muss aufgeteilt werden.

Aufgrund des Aufbaus mit Innenring, Außenring, Wälzkörper und Käfig ist der radiale Durchmesser von Wälzlagern groß, was ihren Einsatzbereich einschränkt. Nadellager eignen sich für Anwendungen mit engen radialen Abmessungen; gegebenenfalls werden Gleitlager benötigt. Für Bauteile, die schwer zu lagern sind, nicht axial montiert werden können oder geteilt werden müssen, kommen geteilte Gleitlager zum Einsatz.

 

2. Hochpräzisionsanwendungen

Bei Lagern mit hohen Präzisionsanforderungen werden in der Regel Gleitlager eingesetzt, da der Schmierfilm des Gleitlagers Vibrationen dämpft. Bei extrem hohen Genauigkeitsanforderungen kommen hydrostatische Gleitlager zum Einsatz. Gleitlager finden breite Anwendung in Präzisions- und Hochpräzisionsschleifmaschinen, verschiedenen Präzisionsinstrumenten usw.

 

3. Anlässe mit hoher Belastung

Wälzlager, ob Kugel- oder Rollenlager, neigen bei hoher Belastung zu Hitzeentwicklung und Materialermüdung. Daher werden bei großen Lasten meist Gleitlager eingesetzt, beispielsweise in Walzwerken, Dampfturbinen, Triebwerkskomponenten und Bergbaumaschinen.

 

4. Andere Anlässe

Beispielsweise können Gleitlager sinnvoll gewählt werden, wenn die Arbeitsgeschwindigkeit besonders hoch ist, die Stöße und Vibrationen außerordentlich groß sind und die Arbeit in Wasser oder korrosiven Medien erforderlich ist.

 

Bei bestimmten Maschinen und Anlagen haben Wälz- und Gleitlager jeweils ihre Vor- und Nachteile und müssen je nach Projekt sorgfältig ausgewählt werden. Früher wurden in großen und mittelgroßen Brechern meist Gleitlager aus Weißmetallguss verwendet, da diese hohen Stoßbelastungen standhielten und verschleißfester und stabiler waren. Kleine Backenbrecher hingegen kamen meist mit Wälzlagern zum Einsatz, die einen hohen Wirkungsgrad, eine höhere Empfindlichkeit und eine einfachere Wartung ermöglichten. Dank der verbesserten Fertigungstechnik für Wälzlager werden heute auch die meisten großen Backenbrecher mit Wälzlagern ausgestattet.