Validierung der Simulationswerkzeuge an hydrodynamischen Gleitlagern

Da das Lagersystem in den meisten Fällen zu den kritischsten Komponenten für die Funktion einer Anwendung gehört und die Methoden zur Erkennung bzw. Vorhersage einer Fehlfunktion innerhalb eines angemessenen Zeitfensters vor dem Ausfall begrenzt sind, werden in weiterer Folge grundlegende Entwicklungen zur Verbesserung des Systemverständnisses dargestellt, um die Anlagenzuverlässigkeit weiter zu erhöhen und Stillstands Zeiten sowie Reparaturkosten zu vermeiden. In weiterer Folge sollen im Zuge der anstehenden VDI-Konferenz auch Möglichkeiten zur Zustandsüberwachung vorgestellt und diskutiert werden.

Abbildung 1: hydrodynamisches Funktionsprinzip [1]

Funktionsprinzip hydrodynamisches Gleitlager

Basierend auf dem hydrodynamischen Prinzip wird durch die Effekte Rotation und / oder Pulsation bzw. Verdrängung mit Hilfe einer Flüssigkeit (meistens Öl) ein Schmierfilm aufgebaut, welcher die beiden Körper voneinander trennt. Je nach verwendetem Fluid lässt sich die Reibung in Bewegungsrichtung signifikant reduzieren. Darüber hinaus bewirkt das vollständige Trennen der Oberflächen (durch den Schmierfilm) eine extreme Reduktion von Verschleiß an den Gleitflächen der beteiligten Körper.


Gleitlagerprüfstand Validierung 

In der Praxis hängt die dauerhafte Funktionsfähigkeit eines Gleitlagers von multiplen Parametern ab und wird, von nicht zur Gänze vorhersehbaren „Umwelteinflüssen“, mitbestimmt. Entsprechende Wichtigkeit kommt dem grundsätzlichen, detaillierten Wissen um die Funktionsgrenzen dieser Maschinenelemente unter extremen Bedingungen zu. Ein entsprechender Ansatz zur Analyse ist die Verwendung von Gleitlagerprüfständen, welche in der Lage sind, die in realen Anwendungen auftretenden Gegebenheiten näherungsweise darzustellen, wobei das Gleitlager dabei aber isoliert betrachtet werden kann. In Kombination mit entsprechender Messtechnik und begleitet von Simulationsmodellen des entsprechenden Prüfstands können kritische Zustände provoziert und Einsatzgrenzen mit guter Genauigkeit abgeschätzt werden. 

Abbildung 2: Gleitlager Prüfstand

Im Folgenden soll dies anhand eines Beispiels erklärt werden. In diesem Fall (auch andere Konfigurationen sind möglich) handelt es sich um einen Gleitlagerprüfstand mit rotierender Welle und einem (stehenden) Gehäuse, in welchem die Gleitlagerhalbschalen per Presssitz assembliert werden. Die Wellenrotation wird über einen elektrischen Antrieb, die Krafteinleitung über einen Hydraulikzylinder gewährleistet (siehe Abb. 2). Zur Lastabstützung sind neben dem Prüflager zwei Stützlager notwendig. Das vorkonditionierte Schmieröl wird über entsprechende Nuten an den unbelasteten Seiten der Gleitlager zugeführt. Die Prüfstandsteuerung lässt eine große Flexibilität in der Wahl des Gleitlagerbetriebszustandes zu.

Für die Untersuchungen wurde eine Lastpunkt von 100MPa spezifischer Last (Kraft auf projizierter Lagerfläche) bei 3000upm ausgewählt. Schmierstoff der Spezifikation SAE 10 wurde verwendet. Standard Mess- und Regelungstechnik (Temperatur, Drehmoment, Drehzahl usw.) wird eingesetzt, um den Zustand des tribologischen Systems bestmöglich zu überwachen.

Begleitet werden diese Prüfstands Untersuchungen von einem Mehrkörper-Simulationsmodell mit allen relevanten Komponenten des Prüfstandes. Kern dabei ist die EHD-Kopplung (Elasto-Hydrodynamik) welche entsprechend den Steifigkeiten, Lasten und Randbedingungen die Zustände im Lager (hydrodynamischer Druck, Schmierspalthöhe, Kontaktdruck, Reibleistungsverluste usw.) numerisch errechnet. Eine entsprechende Validierung der Simulationsmodelle ist Voraussetzung für das detaillierte Verständnis der Vorgänge während des Betriebs der Lagerung und soll anhand des Beispiels für Einlaufverhalten / Mischreibungsverschleiß gezeigt werden.

Dargestellt sind die Ergebnisse der Verschleiß Berechnung nach 0, 20, 60, 100, 140 Iterationen, wobei die farbliche Abstufung die Verschleißtiefe zeigt. (Blau, kleiner Verschleiß, grün, gelb mittlerer Verschleiß, rot, magenta große Verschleißtiefe).

Abbildung: Lagereinlauf Verschleiß Berechnung

In den meisten Gleitlageranwendungen, in welchen festsitzenden Lagerschalen angeordnet sind, kommt es in den ersten Betriebsstunden steifigkeitsinduziert durch Mischreibung zu einem sogenannten Einlaufverschleiß des weicheren Lagermaterials oder der Lagerbeschichtung. Diese lokalen Anpassungen werden durch Festkörper-Kontakt zwischen der Welle und dem Lager verursacht. Im Anschluss dazu läuft das Lagersystem im überwiegenden Teil des Betriebsbereichs rein hydrodynamisch bei minimaler Reibleistung und Verschleiß.

Wie in den Berechnungsergebnissen in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt, kommt es beim gewählten Prüfstands-Setup aufgrund der Wellen-Durchbiegung zu deutlich erkennbaren Mischreibungseffekten (Einlaufverschleiß) an den Kanten. Diese nehmen in weiterer Folge im Konstant-Lastbereich nach ca. 1h ab. Ab diesem Zeitpunkt herrscht reine Hydrodynamik. Der durch 140 Verschleißiterationen numerisch dargestellte Verlauf visualisiert die Entwicklung des Kontaktdrucks und des Kantenverschleißes.

Darstellung wie in Abbildung 3, jedoch wird statt der Verschleißtiefe der Kontaktdruck bei maximaler Belastung im Betrieb dargestellt. Farbe blau steht für kleiner Kontaktdruck, grün, gelb für mittleren Kontaktdruck, rot, magenta großer Kontaktdruck

Abbildung: Lagereinlauf Kontaktdruck Berechnung

Zusätzlich wird in Abbildung 5 noch die Veränderung des hydrodynamischen Drucks während dieses Einlaufs dargestellt. Wie ersichtlich, nimmt trotz der (Zyklus-für-Zyklus) konstanten Belastung der hydrodynamische Druck zu. In gleichem Ausmaß nimmt der Kontaktdruck ab (Abb. 4). In Summe herrscht zu jedem Zeitpunkt (in jedem Zeitinkrement jedes Iterationspunkts) Gleichgewicht (actio = reactio).

Darstellung vergleichbar mit den Abbildungen 3 & 4 es wird jedoch die Verteilung des hydrodynamischen Drucks im Lager bei maximaler Belastung dargestellt. Blau steht dabei für geringen Druck, bis magenta gleich hoher Druck

Abbildung: Lagereinlauf hydrodynamischer Druck

Als Standard-Validierungsgrößen zum Abgleich mit dem Prüfstand werden sowohl die Aufzeichnungen (z.B. Drehmoment des Antriebsmotors) als auch Vermessungen der Lagerschalen nach Testende herangezogen. 

Abbildung 6 zeigt einerseits den Verlauf der errechneten Parameter Verschleiß (an der Kante) andererseits auch den Kontaktdruck und den Reibleistungsverlust (für den gesamten Aufbau mit drei Lagern) über die Verschleißiterationen 0 bis 140. Das gemessene, gemittelte Drehmoment an der Prüfwelle (aller drei Lager) wird ebenfalls dargestellt, wobei die reale Zeit des Einlaufs den Verschleißiterationen angepasst wurde. Wie ersichtlich, stimmen mit fortschreitenden Iterationen die Drehmomente von Messung und Rechnung sehr gut überein.

In einem Diagramm werden über die Anzahl der Verschleißiterationen die folgenden Rechenergebnisse dargestellt: max. Verschleiß in orange, Verlauf von Kontaktdruck (blau) und Reibleistung (grün). Zusätzlich (strichliert) ist der Drehmomentverlauf an der Prüfwelle über die Einlaufzeit dargestellt. Diese wurde an die Verschleißiterationen angepasst.

Abbildung: Reibleistung, Drehmoment & Verschleiß Prüfmaschine

Noch aufschlussreicher als die Auswertungen über die Verschleißiteration ist der Vergleich der finalen Verschleißkontur im eingelaufenen Zustand zwischen Simulation und Messung. Dies kann nur nach Lagerausbau verifiziert werden. Abbildung 7 zeigt eine Auswertung der Messpunkte im Vergleich zur Auswertung der Simulationsergebnisse an jeweils gleicher Position.

Es sind, links die finale errechnete Verschleißkontur des Lagers (blau – geringer Verschleiß, rot – grosser Verschleiß) und rechts ein Foto des eingelaufenen Lagers dargestellt. Darunter sind die Rechen und Messwerte in einem Raster über die Lageroberfläche ausgewiesen und farblich hinterlegt. Grüne Farbe entspricht dabei geringem Verschleiß, gelb mittleren Verschleiß und rot grossem Verschleiß. Die Werte und farbliche Abstufungen sind zwischen links (Simulation) und rechts Vermessung der Lagerschale nach dem Ausbau, sehr gut vergleichbar.

Abbildung: Rechnung-Messungsvergleich Verschleiß

Wie ersichtlich, stimmen sowohl die Verschleißhöhen als auch die Positionen sehr gut überein. Der Vergleich zwischen numerischer Simulation und Experiment ist aus Sicht der Miba damit hinreichend erbracht. Unter Ausschluss von Start – Stop Bedingungen trägt der Einlaufverschleiß maßgeblich zum Gesamtverschleiß des Lagers bei.
 

Zusammenfassung

Basierend auf den vorgestellten Untersuchungen kann, gestützt durch Prüfstands Ergebnisse und Berechnungen, das Verhalten eines hydrodynamischen Gleitlagers hinreichend genau beschrieben werden. Dies lässt sich mit weithin verfügbarer Prüfstands Technik und gängigen Messmethoden nachweisen. Dieses Basiswissen um das Verhalten von Gleitlagern stellt die Voraussetzung für weiterführende Untersuchungen mit Fokus auf Zustandsüberwachung und Schadensfrüherkennung dar.
 

Ausblick

Weiterführende Untersuchungen unter Verwendung weiterentwickelter Messtechnik / Sensorik werden einen noch detaillierten Einblick in das Verhalten von Gleitlagern im Betrieb liefern. In Kombination mit den entsprechenden Simulationsmodellen wird das Verständnis des physikalischen Systems ‚Gleitlager‘ weiter verbessert. In weiterer Folge können kritische Betriebszustände besser beschrieben und mittels Simulationen vorausgesagt werden

Im Rahmen der VDI-Konferenz 2026 Schadensmechanismen an Lagern, werden weiterführende Messystem zur online Zustandserkennung / Überwachung vorgestellt. Weiters soll die Umsetzung der Erkenntnisse auf reale Anwendungen anhand von 1-2 Beispielen gezeigt werden.
 

Quellen

[1] Miba 2008. Miba bearing manual Ver. 2008.
 

Über die Autoren:

DI Gunther Hager
Head of system engineering core applications / Front office
Miba Gleitlager Austria Gmbh
A-4663 Laakirchen

M.Sc. Michael Kobler
Berechnungsingen-
ieur / Technology competence center
Miba Gleitlager Austria Gmbh
A-4663 Laakirchen

DI (FH) Christian Schweyda
Sen. Berechnungsingenieur / Technology competence center
Miba Industrial Bearings Germany Osterode GmbH
D-37520 Osterode am Harz

Unser Weiterbildungstipp:

Zurück zum Anfang der Seite springen