Symbolbild Großwälzlager

Am großen Rad drehen

Wie ein kompakter Handgreifer die Fertigung titanenhafter Großwälzlager vereinfacht

Riesenräder, Kräne, Bagger, Tunnelbohrmaschinen, Windräder und viele andere Großmaschinen haben eines gemeinsam: Ohne Großwälzlager würden sie sich nicht drehen. Doch der Weg zum Großwälzlager ist lang – sowohl auf die Geschichte der Technik bezogen als auch auf die Zeitdauer ihrer Herstellung. Bei einem entscheidenden Fertigungsschritt ist immer noch Handarbeit gefragt. Mit einer kleinen Montagehilfe lässt sich dieser ergonomischer und einfacher gestalten.

Eine der ältesten Arten der Drehverbindung ist das Gleitlager. Aufgrund seines einfachen Aufbaus wurde es vor Jahrtausenden erfunden. Hochkulturen im Altertum, beispielsweise die Ägypter, haben es für Bewässerungsanlagen und Streitwagen verwendet. Ein Gleitlager fixiert eine Achse oder eine Welle, wobei sich die Gleitflächen gegeneinander bewegen können. Im Allgemeinen trennt ein Schmierfilm die Oberflächen von Lager und Achse. Ohne Schmiermittel wäre der Streitwagen der Ägypter bei schneller Fahrt durch die Reibungswärme rasch in Flammen aufgegangen. Gleitlager haben jedoch einige Nachteile. Bei niedrigen Drehzahlen ist der Verschleiß hoch und beim Anlaufen muss ein großes Reibmoment überwunden werden. Diese Erkenntnis hatten bereits die Kelten vor 2.700 Jahren.

In einem ausgegrabenen Streitwagen wurden Reste eines einfachen Wälzlagers gefunden. Dieses Know-how ging irgendwann verloren. Erst im 19. Jahrhundert wurden moderne Wälzlager konstruiert und hergestellt. Im Alltag sind Wälzlager im Fahrrad und im Auto, aber auch in Handbohrmaschinen, Elektroschraubern und Nähmaschinen zu finden. Sie erleichtern die reibungsarme Bewegung von Konstruktionselementen durch die Rollbewegung der Wälzkörper, die als Kugel, Zylinder-, Nadel-, Kegel-, Tonne- und Pendelrolle ausgeführt sein können. Die verschiedenen Bauarten werden meist nach der Form des Wälzkörpers benannt. Am bekanntesten ist das Kugellager. Ein Wälzlager ist komplizierter als ein Gleitlager aufgebaut und besteht aus Wälzkörper, Innenring, Außenring mit der Laufbahn der Wälzkörper, Käfig und Dichtungen. Der Käfig hält sämtliche Wälzkörper in Taschen und sorgt für deren gleichmäßigen Abstand. In einfachen Kugellagern wird aus Kostengründen oft auf den Käfig verzichtet. Dichtungen verhindern den Austritt von Schmierstoffen und schützen das Lager vor Verschmutzungen.

Großwälzlager – der Herkules unter den Drehverbindungen

In der Sagenwelt der Antike trägt Herkules die Erde auf seiner Schulter. Für eine so hohe Belastung sind Großwälzlager natürlich nicht ausgelegt, aber in riesigen Anlagen und Großmaschinen halten sie hohe Kräfte aus – Tag für Tag und oft rund um die Uhr. Worin besteht nun der Unterschied zwischen einem Wälzlager und einem Großwälzlager? Es ist einfach die Größe – und diese kann riesig sein. Bei am Stück gefertigten Lagern sind Durchmesser bis nahezu 10 Metern möglich. Größere Lager werden in mehrere Segmente unterteilt. Durchmesser über 20 Meter sind in dieser segmentierten Bauweise realisierbar. Das universelle Großwälzlager gibt es nicht. Jede Bauart hat ihre Stärken und Schwächen. Besonders große Unterschiede liegen bei der radialen und axialen Belastbarkeit vor.

Im Hoch- und Tiefbau sind Großwälzlager vor allem in Raupenkranen, Straßentransport- und Bohrgeräten zu finden. Bei Fahrzeugkranen ist das Gewicht eine kritische Größe. Bei „Übergewicht“ erteilt die zuständige Behörde keine Straßenzulassung. Spezielle Rollenlager ermöglichen auf kleinem Bauraum sehr hohe Traglasten und erzielen damit ein perfektes Gewicht-Leistungs-Verhältnis. Maritime Anwendungen von Großwälzlagern benötigen einen speziellen Korrosionsschutz gegen Seewasser. Zum Pflichtenheft gehören auch Ozon- und UV-beständige Dichtungen und in besonders kritischen Anwendungen sogar Notdichtungen. Mining-Geräte wie Bagger bewegen hohe Lasten. Für den wirtschaftlichen Betrieb sind langlebige Großwälzlager mit langen Wartungsintervallen obligatorisch. In Windkraftanlagen werden Großwälzlager für die Rotorblatt- und Azimutverstellung verwendet. Zur Förderung, Lagerung, Reinigung und Verladung von Erdöl oder Erdgas werden spezielle Schiffe gebaut, die man als Floating Production Storage and Offloading Units (FPSO) bezeichnet. Diese sind tief auf dem Meeresboden verankert und über drehbare Verankerungen befestigt. Dank segmentierter Großwälzlager in den Verankerungen können sich die FPSO frei um die Gas- und Ölförderleitungen drehen.

Collage Großwälzlager

Radiale und axiale Belastbarkeit von Großwälzlagern

Zylinderrollenlager große radiale Belastungsfähigkeit
Kegelrollenlager in radialer und axialer Richtung hoch belastbar
Nadellager nur radial belastbar
Pendelrollenlager radial und axial belastbar

 

Überblick über Maschinen und Anlagen mit Großwälzlagern

Branche Anwendungen
Hoch- und Tiefbau Raupenkrane, Straßentransport- und Bohrgeräte
Maritim Offshore-Krane, Rohrverlegerschiffe, Öl- und Gasequipment, Schiffsantriebe
Mining Stacker, Reclaimer, Schaufelradbagger
Windenergie Windräder: Rotorblatt-, Azimutverstellung
Öl- und Gasförderung Ölförderschiffe, FPSO: drehbare Lagerung

Anspruchsvolle Fertigung – vom glühenden Stahl zum hochpräzisen Wälzlager

Großwälzlager gibt es nicht ab Lager: Zu unterschiedlich sind die Anforderungen, zu vielfältig die möglichen Abmessungen und Ausführungen. Sie werden in allen Gewichts- und Durchmesserklassen genau nach den individuellen Anforderungen der Kunden konstruiert und hergestellt. Eine gängige Bauart der Großwälzlager sind Kegelrollenlager, die radial und axial hoch belastbar sind. Die Kegelform der Wälzkörper erzielt ein optimales Abrollverhalten und gewährleistet eine ideale Kraftverteilung. Dank spielfreiem Lager punktet das Kegelrollenlager besonders bei höchsten Anforderungen an Präzision und Genauigkeit. Die Anforderungen an das Material von Großwälzlagern sind hoch:

So muss der Stahl hart sein, gleichzeitig aber auch elastisch, um bei Belastungen nicht zu brechen. Das Ausgangsmaterial für Großwälzlager sind riesige Stahlstränge. Ein Elektromagnet nimmt sie auf und bewegt sie zu gewaltigen Maschinen, die  sie auf das gewünschte Maß sägen. Ein Ofen erwärmt den Stahlblock auf rund 1.200 Grad und bringt ihn in einen formbaren Zustand. Anschließend verformt eine Presse den glühenden Block in eine Scheibe. Im Ringwalzwerk wird die Scheibe zu einem Ring geschmiedet. Computergesteuerte Werkzeugmaschinen bringen die Rohteile in die gewünschte Form: Die beiden Ringe müssen perfekt ineinander passen, damit sich im Betrieb der Ring des Großwälzlagers drehen kann. Der Antrieb erfolgt über eine Verzahnung an der Außenkante. Beim Fräsen der Zähne ist höchste Präzision erforderlich. In der Endmontage legen Werker die einzelnen Kegelrollen auf den Innenring des Großwälzlagers auf.  Die Rollen verringern die Reibung und ermöglichen, dass sich die aufeinanderliegenden Ringe gegeneinander drehen können. Die verschiedenen Verfahrensschritte nehmen mehrere Tage in Anspruch, wobei die Anforderungen an die Maßhaltigkeit von Schritt zu Schritt zunehmen.

Montage – eine Herausforderung für Mensch und Maschine

Großwälzlager müssen meist unter schwierigen Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren. Die Konstruktion muss sehr hohe Lastverhältnisse, spezielle Dreheigenschaften und lange Lebensdauer berücksichtigen. Eine lange Laufzeit minimiert die Stillstandszeiten und senkt die Instandhaltungskosten. In der Fertigung ist höchste Präzision unumgänglich. Eine weitere Herausforderung ist die Just-in-time-Produktion. Großwälzlager werden in Großgeräte eingebaut. Verzögerungen bei der Montage und Inbetriebnahme sind hier äußerst kostspielig, insbesondere wenn das Großgerät bereits in der Montagephase ist und der Abnehmer auf die Auslieferung wartet. Die Hersteller von Großwälzlagern benötigen wegen des Zeit- und Kostendrucks eine Vereinfachung der Endmontage beim Einlegen der Kegelrollen. Das Aufnehmen der Kegelrollen aus der Bevorratung und das Einsetzen der Wälzkörper in den Innenring des Lagers soll einfach und ergonomisch sein. Gefordert sind höchste Reinheit und hohe Sicherheit bei der Endmontage.

Magnetgreifer haben ein Handicap

Bislang arbeiten viele Hersteller von Großwälzlagern mit manuellen Handgreifern auf magnetischer Basis. Jedoch haften an den Magneten feinste Metallpartikel an, die auch die Kegelrollen verschmutzen und durch den verbleibenden Restmagnetismus nicht abfallen. Kegelrollen lassen sich zwar mit den Händen greifen, doch eine Hand muss dabei über die Hälfte der Rolle abdecken. Besser ist es, mit beiden  Händen zu greifen, um einen gewissen Hebel aufzubringen.

Manuelle Hebehilfe von FIPA erleichtert Einbau der Wälzkörper

FIPA setzt bei der individuell gestalteten Montagehilfe auf die Vakuumtechnik. Bei dieser Lösung verbleibt kein Restmagnetismus in der Kegelrolle. Feinste Metallpartikel werden somit nicht magnetisch angezogen. Greifer und Wälzkörper bleiben sauber. Bei einem Stromausfall bleibt das Vakuum aus Sicherheitsgründen eine Zeit lang erhalten. Ein plötzliches Lösen des Wälzkörpers vom Greifer ist somit ausgeschlossen. Einige Sekunden reichen als Zeitspanne zum sicheren Ablegen des Wälzkörpers aus.

Hohe Zuverlässigkeit durch bewährte Konstruktionselemente

Der aktuell bereits in der Praxis eingesetzte FIPA Kegelrollengreifer ist mit den Abmessungen 140 x 110 x 200 mm (HxBxT) sehr handlich. Er wiegt 1,5 kg und hat eine maximale Traglast von 10 kg. Zwei FIPA Ovalflachsauger für Blechhandling schmiegen sich eng an die zylindrische, längliche Form des Wälzkörpers an. Hochflexible Dichtlippen sorgen für das leckagefreie Halten der gewölbten Wälzkörper. Blechsauger haben entscheidende Vorteile in dieser Anwendung: Sie sind rutschfest, besonders langlebig, hoch verschleißfest und können dank Saugkörper aus ölbeständigem NBR-Gummi sowohl trockenen als auch öligen Stahl handhaben. Die FIPA Lösung ist somit auch für das Handling von Wälzkörpern geeignet, die bereits mit Ölen und Fetten geschmiert sind, beispielsweise bei Wartung und Reparatur. Auch die LABS- und Silikonfreiheit der Blechsauger ist unbedingt hervorzuheben, falls die Oberflächen der Stahlkörper mit einer verschleißbeständigen Beschichtung versehen werden. Als weiterer Vorteil gilt, dass sich der Handgreifer durch den einstellbaren Abstand zwischen den beiden Saugern in einem bestimmten Bereich an den Durchmesser der Wälzkörper anpassen lässt.

Prozesssicheres Greifen mit einer Hand

Bei der Montage des Großwälzlagers setzen Werker die Kegelrollen in einem gewissen Winkel ein, schwenken sie und bringen sie dann in den Wälzlagersitz ein.Der Greifprozess beginnt mit dem Aufsetzen der Sauger auf die Kegelrolle. Hierbei ist auf eine gleichmäßige Auflage der beiden Sauger zu achten. Ein ungenaues Auflegen der Sauger verringert die Haltekraft. Zum prozesssicheren Greifen muss die Hebehilfe ein Drittel der Fläche bedecken. Nach dem sicheren Positionieren der Last kann diese über den Taster am Handgriff gelöst werden, um die Vakuumzufuhr zu unterbrechen und den Wälzkörper abzulegen. Der Taster sollte solange betätigt bleiben, bis der Greifer von der Last komplett gelöst wurde. Anschließend kann der nächste Greifprozess beginnen. Der Greifer ist für eine maximale horizontale Auslenkung von 45° ausgelegt. Bei größeren Auslenkungen kann sich die Last vom Greifer lösen.

Überzeugende Vorteile der Lösung

Der vakuumbetriebene Handgreifer punktet durch Sauberkeit: Im Gegensatz zum Magnetgreifer haftet kein Material an. Die Wälzköper bleiben frei von feinsten magnetisierten Metallpartikeln. Auch bei eingefetteten oder öligen Wälzkörpern ist ein zuverlässiges Greifen möglich. Zudem ist der Greifer handlich und leicht. FIPA macht das Handling der Wälzkörper deutlich ergonomischer und prozesssicherer.

Lösungskompetenz für viele Branchen

Der FIPA Handgreifer punktet als große Hilfe bei der Montage von Großwälzlagern. In angepasster Ausführung ist er auch für andere Anwendungen denkbar und lässt sich auch in vielen anderen Branchen einsetzen – überall, wo Lasten zu heben sind und es auf Sauberkeit, Präzision und Ergonomie ankommt. Die beschriebene Hebehilfe ist ein Beispiel dafür, was FIPA als Systemanbieter dank langjähriger Anwendungskompetenz und umfassendem Konstruktions-Know-how in den Bereichen Greifer-, Vakuum-, Kran- und Hebetechnik leisten kann. Auf Wunsch übernimmt das Unternehmen alle Schritte bis zur fertigen Lösung – inklusive Projektierung, Montage und Inbetriebnahme vor Ort.

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KONTAKT:

Jennifer Heidbrede
Manager International
Marketing Communication

FIPA GmbH
Freisinger Straße 30
85737 Ismaning / Deutschland
Tel.: +49 89 962489-0
jheidbrede@fipa.com
http://www.fipa.com

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