Simulationstool für passgenaue und langlebige hydrodynamische Gleitlager

Grafing b. München, 24. November 2021 – Wichtige Qualitätsmerkmale von hydrodynamischen Gleitlagern sind ihre Belastbarkeit und ihre Lebensdauer. Diese hängen wiederum ab von einem möglichst perfekten Zusammenspiel von Welle, Lager und Lagergehäuse. Angesichts unterschiedlichster Einbauszenarien und der Komplexität der Tribologie in Gleitlagersystemen ist die Dimensionierung der Komponenten kein einfaches Unterfangen. Entsprechend hoch ist der Entwicklungsaufwand. Ein großer Zeitfresser sind dabei Prüfstanduntersuchungen, denn es kann Tage dauern, bis sich im Trial-and-Error-Verfahren eine akzeptable Konfiguration der Baugruppe ergibt.

Die Firma Hammelmann aus Oelde hat sich schon früh durch die typische Innovations­freude eines klassischen mittelständischen Unternehmens eine welt­weite Spitzen­position im Segment Hochdruckpumpen und -systeme erarbeitet. Hydro­dynamische Gleitlager nehmen eine Schlüsselfunktion bei vielen Hammelmann-Produkten ein. „Die Gleitlager sind als kraftübertragende Teile eine Kernkomponente der Hochdruckpumpe. Da kommt es auf wenige Mikrometer an. Hier geht’s um echte Tribologie“, erklärt Felix Hartmann, Teamkoordinator Konstruktion Pumpen bei Hammelmann.

Präzision ist also gefragt. Und um keine Potenziale zu verschenken, geht man bei Hammelmann auch bei der Auslegung der Gleitlager zeitgemäße digitale Wege. Mit der Spezialsoftware Tribo-X inside Ansys erfolgt die Dimensionierung der Bauteile und ihres Zusammenwirkens am Computer. Die Applikation ist eine gemeinsame Entwicklung der Tribologie-Experten von Tribo Technologies und den Ansys- und Simulationsspezialisten von CADFEM. Erst wenn mit Tribo-X inside Ansys eine perfekte Lösung gefunden wurde, wird sie einmalig am Prüfstand verifiziert. Felix Hartmann fasst zusammen: „Der Simulationseinsatz ermöglicht den einfachen Vergleich von unterschiedlichen Designvarianten und das bei verhältnismäßig kurzen Antwortzeiten“.

Anwendungsbeispiel: Redesign der Lagerschale einer Plungerpumpe

Reinigung, Schichtabtrag oder Wasserstrahlschneiden sind typische Einsatzgebiete für Plungerpumpen. Die Produkte von Hammelmann sind sowohl für hohe Drücke, bis 4500bar, als auch für hohe Fördermengen, bis zu 3000 l/min ausgelegt. Solche Geräte unterliegen strengen Vorschriften, die sich immer wieder ändern können. Hersteller wie die Fa. Hammelmann müssen darauf reagieren. Ein typisches Beispiel ist die EU-Verordnung REACH zur Vermeidung von Blei in der Legierung der Gleitlagerschalen.

Die Vorteile der Simulation liegen auf der Hand: Die Lagerschale konnte unmittelbar im Simulationsmodell mit der neuen, vorschriftskonformen Legierung versehen und das elasto-hydrodynamische Verhalten mit Tribo-X inside Ansys untersucht werden. Schnell fiel auf, dass das neue, bleifreie Material – bei ansonsten unveränderten Parametern – zu mehr Reibung und Verschleiß und damit zu einer signifikant verschlechterten Tragfähigkeit der Gleitlagerung führt. Am Simulationsmodell haben die Hammelmann-Ingenieure anschließend verschiedene Strategien zur Kompensation des Leistungsverlustes analysiert. Als besonders effektiv kristallisierten sich dabei die Neupositionierung der beiden Schmierstofftaschen und eine Modifikation des Lagerdesigns heraus. Diese Konfiguration hat sich dann auf Anhieb am Prüfstand bestätigt. Felix Hartmann: „Ein weiterer Vorteil der Simulation ist, dass im Vergleich zu den Prototypen bei der Simula­tion die kritischen Bereiche und die erforderlichen Toleranzgrenzen genauer analysier­bar sind. Ferner können die Belastungsgrenzen exakt ermittelt werden und das gesamte Maschinenverhalten ist besser steuerbar.“ Das wurde auch bei diesem Projekt aus­genutzt: Denn die Optimierung der Lagerschale hat sogar dazu geführt, dass Reibungs­verluste und demzufolge auch der Energieverbrauch der Pumpe signifikant verringert und Einsatzzeiten verlängert werden konnten.

Präsentation auf dem 23. International Colloquium Tribology 2022

Vom 25. – 27. Januar 2022 treffen sich in Ostfildern bei Stuttgart Tribologie-Experten aus der ganzen Welt anlässlich des 23. International Colloquium Tribology der Technischen Akademie Esslingen. Die Veranstaltung findet im Hybrid-Modus statt. Vincent Hofmann von Tribo Technologies wird dem Fachpublikum am 26. Januar im Rahmen der Session „Digitalization in Tribology“ die skizzierte Anwendung bei Hammelmann in einem ausführlichen Vortrag „Designing a REACH Conform Small Conrod Bearing of a Plunger Pump with the Help of EHD Simulation“ unter tribologischen Gesichtspunkten vorstellen. Informationen zum Colloquium: www.tae.de/go/tribology.

Über Hammelmann
Die Hammelmann GmbH wurde 1949 gegründet und ist seit über 70 Jahren der marktführende Anbieter von leistungsstarken Hochdruckpumpen und technischen Systemen für industrielle Anwendungen. Im Mittelpunkt stehen kundenspezifische Lösungen für den Einsatz von Hochdruckwasser in den verschiedensten Branchen und Industrien. Auch im Bereich des Korrosionsschutzes, in der Betonsanierung oder beim Wasserstrahlschneiden kommen Hammelmann-Systeme zum Einsatz. Ein weiteres Standbein sind Prozesspumpen für sehr spezielle Anwendungen. Als mittelständisches Unternehmen besitzt Hammelmann die Flexibilität um "Hochdrucksysteme nach Maß" zu fertigen. Hammelmann-Produkte findet man auf der ganzen Welt und in jeder Industrie. Über 380 Mitarbeiter am Firmensitz in Oelde, NRW, sowie Tochtergesellschaften und Vertretungen garantieren weltweiten Service und Kundennähe. www.hammelmann.com

Über Tribo Technologies
Die Tribo Technologies GmbH ist ein Ingenieurdienstleister mit Kompetenzen in der numerischen Simulation, der Software- und Prüfstandsentwicklung sowie bei Prüfdienstleistungen, Schadensanalysen und in der Beratung. Durch die Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg verfolgt Tribo Technologies das Ziel, die jeweils neuesten Erkenntnisse und Entwicklungen aus der Tribologieforschung in die Praxis zu überführen. Die von Tribo Technologies eingesetzten Technologien, deren bedarfsgerechte Kombination und die Flexibilität eines agilen Unternehmens garantieren erstklassige Lösungen, getreu dem Slogan „Applications for higher Efficiency“. www.tribo-technologies.com