Rolle des Lagerschutzes bei der Pumpenzuverlässigkeit

Wählen Sie zwischen berührungslosen und berührenden Dichtungen für eine lange Lebensdauer

Von Neil Hoehle

Autos der 1970er Jahre hatten Kilometerzähler, die sich bei 100.000 Meilen (160.934 km) überschlugen. Der Grund war einfach: 100.000 Meilen waren in den späten 1970er Jahren eine große Leistung, und es bestand kaum die Notwendigkeit, den Meilenstand über diesen Punkt hinaus aufzuzeichnen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fahrzeug länger als 100.000 Meilen halten würde, war im Vergleich zu heute gering. Eine typische Neuwagengarantie betrug damals nur 12 Monate oder 12.000 Meilen. Heute sind 100.000 Meilen keine Leistung mehr, sondern eine Erwartung, und viele Fahrzeuge haben sogar Garantien, die so weit reichen.

Industrielle rotierende Maschinen, insbesondere Industriepumpen, haben einen ähnlichen, wenn auch noch dramatischeren Wandel durchlaufen. Wo früher 90-Tage-Garantien und jährliche Überholungen von Pumpen üblich waren, erwarten die Anwender heute einen ununterbrochenen Betrieb von fünf Jahren oder länger. Die praktische Anwendung der Zuverlässigkeitswissenschaft hat dies möglich gemacht, und die Aufmerksamkeit insbesondere auf der Lebensdauer der Lager hat wesentlich zu dieser neuen Realität beigetragen.

Lagerisolator für Pumpe

In Anbetracht der Tatsache, dass Lagerausfall einem Anlagenausfall gleichkommt, ist der Lagerschutz ein wesentliches Thema bei jedem Gespräch über die Zuverlässigkeit industrieller rotierender Anlagen. Lagergehäusedichtungen bieten in erster Linie Schutz vor zwei Hauptausfallursachen: Eindringen von Verunreinigungen und Schmierverlust. Die richtige Auswahl und Konstruktion von Lagergehäusedichtungen hat einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Pumpe. Grundkenntnisse und Verständnis der Lagergehäuse-Dichtungen sind daher ein absolutes „Muss“ für jeden praktizierenden Fachmann, der für die Zuverlässigkeit rotierender Anlagen zuständig ist.

Mit Kontakt oder ohne Kontakt?

Im Wesentlichen gibt es zwei große Kategorien für Lagergehäuseabdichtungen: mit Kontakt und kontaktlos. Kontaktdichtungen verlassen sich ausschließlich auf den Kontakt, um ihre Dichtungsfunktion zu erfüllen. Ohne Kontakt gibt es keine Dichtung.

Kontaktlose Dichtungen hingegen sind nicht auf Kontakt angewiesen, um ihre Dichtungsfunktion zu erfüllen. Dies soll nicht heißen, dass die Konstruktion kontaktloser Dichtungen niemals eine Berührung der Komponenten zulässt (wie z. B. bei der Montage oder Einstellung), sondern vielmehr, dass der Kontakt keine Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion ist. Bei kontaktlosen Dichtungen ist der Kontakt nicht der Mechanismus, der das Funktionieren der Dichtung gewährleistet.

Kontaktdichtung

Kontaktdichtungen sind üblicherweise weiter unterteilt in Lippendichtungen und Magnetdichtungen. Lippendichtungen sind generell Konstruktionen, bei denen ein elastomeres, in der Regel umlaufendes Kontaktelement verwendet wird. Dieses statische Kontaktelement wird oft mit Hilfe einer Feder gegen die Welle gedrückt, um einen positiven Kontakt zu gewährleisten. Das elastomere Kontaktelement wird oft von einem Metallgehäuse gehalten, das um die Welle mit der Presspassungstechnik in das Lagergehäuse gepresst wird. Der Hauptvorteil von Lippendichtungen sind die geringen Kosten. Außerdem sind sie in fast jeder gewünschten Größe leicht erhältlich. Wesentliche Nachteile sind die kurze Lebensdauer aufgrund von Verschleiß, und der dynamische Kontakt mit der Welle kann zu Wellenverschleiß und Schäden führen.

Magnetische Dichtungen sind optisch flach und im Wesentlichen einfache, nicht entlastete Gleitringdichtungen, die im Gegensatz zu mechanischen Federn eine magnetische Anziehung auf die Belastungsflächen ausüben. Die Flächen bestehen in der Regel aus verschiedenen Materialien wie Kohlenstoff und Edelstahl oder anderen Metallen. Der Hauptvorteil von Magnetdichtungen gegenüber Lippendichtungen besteht darin, dass sie die Welle nicht beschädigen, da der gesamte dynamische Kontakt innerhalb der Dichtung und zwischen den beiden Flächen stattfindet. Magnetdichtungen sind wesentlich teurer als Lippendichtungen.

Beide Arten von berührenden Dichtungen haben den Vorteil, dass sie in der Lage sind, positive Drücke oder statische Schmiermittelniveaus abdichten zu können. Allgemeiner Nachteil ist, dass Kontaktdichtungen Reibungsvorrichtungen sind, die sich abnutzen und irgendwann versagen. Es ist nicht vorhersehbar, wann Kontaktdichtungen versagen werden oder welche Dichtungslebensdauer von einer bestimmten Dichtungsinstallation erwartet werden kann. Es wird zwar davon ausgegangen, dass magnetische Gleitringdichtungen eine höhere Lebenserwartung als Lippendichtungen haben, doch die tatsächliche Lebensdauer beider Arten von Kontaktdichtungen ist größtenteils noch unbekannt.

Kontaktlose Dichtungen

Kontaktlose Dichtungen lassen sich in drei verschiedene Kategorien unterteilen: Spaltdichtungen, traditionelle Labyrinthdichtungen oder Verbundlabyrinthdichtungen, die oft als Lagerisolator (Lagerschutzdichtungen) bezeichnet werden. Spaltdichtungen bieten bestenfalls minimalen Schutz, da sie sich ausschließlich auf einen Spalt oder ein enges Spiel als Dichtungsmechanismus verlassen, um alles zu blockieren, was größer als der Spalt ist.

Traditionelle Labyrinthdichtungen führen die Spaltdichtungskonstruktion noch weiter, um alles, was durch die Dichtung hindurchgeht, zu behindern. Herkömmliche Labyrinthdichtungen sind meist einseitig ausgerichtet und daher unpraktische Optionen für Lagergehäuseabdichtungen, die den Ausschluss von Verunreinigungen und die Rückhaltung von Schmiermitteln erfordern. Spalt- und Labyrinthdichtungen sind kostengünstig.

Bearing Isolators

In den späten 1970er Jahren wurde die Verbundlabyrinthdichtung in die Industrie eingeführt. Verbundlabyrinthdichtungen verwenden statische und dynamisch Komponenten, um Schmiermittel zurückzuhalten und Verunreinigungen auszuschließen. Der Erfinder dieser Verbundlabyrinthdichtungen prägte den Ausdruck „Lagerisolator“, um sie von traditionelleren Labyrinthdichtungen zu unterscheiden. Der Begriff ist seither allgemein gebräuchlich.

Lagerisolatoren sind kontaktlose Dichtungen und haben daher eine unbegrenzte Lebenserwartung. Da sie unter normalen Umständen nicht ausfallen, sind sie selten die Ursache für Ausfallzeiten von Anlagen. Als kontaktlose Dichtung sind Lagerisolatoren nicht die richtige Wahl, wenn Druck, wie z. B. ein statischer Schmierstoffpegel, abgedichtet werden muss oder wenn ein Lagergehäuse eingetaucht wird. Sie sind jedoch fast immer die bevorzugte Wahl gegen Spritzschmiermittel und Verunreinigungen. Lagerisolatoren sind teurer als Lippendichtungen, Spaltdichtungen oder einfache Labyrinthdichtungen, aber gleich teuer oder günstiger als magnetische Kontaktdichtungen.

Inpro/Seal VB45-S Bearing Isolator

Zu sagen, dass die übliche Anwendung von Lagerisolatoren an Pumpenlagergehäusen gewaltig sei, wäre eine Untertreibung. Pumpen arbeiten innerhalb von Systemen verwandter Komponenten, und der Ausfall einiger weniger wichtiger Elementen kann ein ganzes System zum Stillstand bringen. Ausfälle der Lagergehäusedichtungen können zu Ausfällen von Pumpensystemen führen und tun dies auch. Da die Nachfrage nach erhöhter Zuverlässigkeit und Lebensdauer in den letzten Jahrzehnten sprunghaft angestiegen ist, konnten Lippendichtungen mit den Kundenerwartungen einfach nicht mithalten. Die Verwendung kontaktloser, verschleißfreier Lagerisolatoren war grundlegend für das Erreichen der heute in der Industrie geforderten MTBR.

Auswahl der Dichtungen

Die Auswahl der Dichtungen ist, wie die meisten technischen Entscheidungen, ein Kompromiss. Während Kontaktdichtungen, wie ihr Name schon sagt, einen positiven Kontakt und damit eine wirksame Abdichtung gegen die Druckhöhe bieten, ist ihre Lebensdauer nur begrenzt. Sie werden irgendwann versagen, wobei der Zeitpunkt des Versagens nicht bekannt ist, und es gibt unzählig viele Faktoren, die zur Lebensdauer von Kontaktdichtungen beitragen können. Wenn sie versagen, ist die Reparatur der Anlage nicht mehr weit.

Kontaktlose Bearing Isolators hingegen versagen nicht und tragen nur selten zu einer Verringerung der Gesamtzuverlässigkeit der Anlage bei. Tatsächlich erhöhen sie die Zuverlässigkeit, indem sie die Lagergehäusedichtung als Punkt des Versagens eliminieren. Deshalb sind Bearing Isolators die gängige Standardwahl für rotierende Industrieanlagen, insbesondere für Industriepumpen. In den Jahrzehnten, seit Fahrzeuge die 100.000-Meilengrenze feierten, haben die Verfügbarkeit und der weit verbreitete Einsatz von Bearing Isolators einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit rotierender Anlagen gehabt. Ohne die Bearing Isolator-Technologie, so könnte man argumentieren, wäre die derzeitige Erwartung von fünf oder mehr Jahren ohne Unterbrechung nicht möglich.