効果的なグリース潤滑によるベアリング寿命の延長

SKFの研究開発の取り組みは、ほとんどのベアリングの故障は不適切な潤滑が原因であるため、グリースの潤滑を理解することが重要なベアリングとシールの製品開発をサポートすることを目的としています。

SKFは、さまざまな高度な化学、測定、およびテスト機器を使用して、潤滑剤および潤滑がベアリング性能に与える影響を分析する社内の能力を備えています。

潤滑剤および潤滑システムは、多くの場合、アプリケーション専用の特定のグリースが選択されるベアリングシステムに統合されています。 SKFはグリースを製造していませんが、優先サプライヤーと協力して、初期充填用とアフターマーケット用の両方でさまざまなグリースを開発しました。

潤滑に関する知識は、自動潤滑装置、マルチポイントおよびシングルポイント潤滑装置、集中型潤滑システム、全損および循環集中型潤滑システムにも及びます。

SKFは、潤滑油の選択、潤滑油の取り扱い、検査、廃棄、信頼性の維持に関するトレーニングも提供しています。別のSKFビジネスユニットであるエンジニアリングおよびコンサルティングサービスは、回転シャフトまたはベアリングアプリケーションに関連する製品の開発を支援します。明らかに、ここでは潤滑（特にグリース潤滑）が非常に重要です。アプリケーションエンジニアリング、コンサルティングサービス、トレーニング、潤滑管理、状態監視、信頼性メンテナンス、技術サポート、ツール、製品、およびシステムが一体となって、完全なSKF潤滑ソリューションを形成します。

ベアリング用途のグリース潤滑
完璧なベアリングは無潤滑です。ただし、（マイクロ）スリップによる損傷を防ぐために、転動体を軌道面から分離するために潤滑剤が必要です。理想的な分離媒体は液体であり、摩擦損失の少ないせん断に対応でき、ベアリング表面を補充することができます（自己修復作用）。

潤滑グリースは、その一貫性のために広く使用されており、使いやすくなっています。簡単に漏れることはなく、ある程度のシール作用があります。グリースは、高品質で充填率の高いグリースを塗布すれば、オイル潤滑と比較して腐食を防ぎ、摩擦値を低くします。

潤滑グリースの寿命は有限であり[2,3]、一般にベアリングの疲労寿命よりも短くなります[1]。高度なベアリング寿命モデルが存在し、グリース寿命がベアリングの耐用年数を支配することが多いため、グリース寿命モデルが非常に望ましいです。残念ながら、グリース潤滑の複雑さ[2]は、グリースの寿命を予測するための物理モデルが現在利用できないことを意味します。 SKFは、「高品質のグリース」のグリース寿命（または再給脂間隔）を計算できる経験的モデルを開発しました。

図1。

深溝玉軸受の場合、SKFは、データが入手可能な有名なグリースの寿命を予測するために、グリース性能係数（GPF）の概念[3]（図1）を開発しました。 GPF =1は、「高品質グリース」の性能に対応します。多くの種類のグリースは、標準の「高品質」を上回り、GPFは1を超えます。図1は、温度、速度（n dm）、およびグリース品質の関数としてのグリース寿命を示しています[3]。

SKFは、標準化された温度制限内の温度性能制限を推奨しています（図2）。推奨される性能限界であるSKF信号機コンセプトの「グリーンゾーン」の間で、グリースは確実に機能し、グリースの寿命（および再潤滑間隔）を決定できます[8]。

図2。

グリーンゾーンの両側にある琥珀色のゾーンの温度は、非常に短い期間だけ発生するはずです。時間、温度、機械的動作、経年劣化、および汚染物質の侵入の可能性により、ベアリング内のグリースは劣化し、潤滑特性を失います。取り付け中の最初のグリース充填後、追加のグリース再潤滑により、望ましい耐用年数を実現できます。信頼性を実現するには、再給脂の3つの要素が重要です。グリースの種類、グリースの量、および塗布の頻度です。給油の量と頻度は、運転条件と給油方法によって異なります。手動、または自動給油器または潤滑システムによるものです。この知識は、インターネットを通じて入手可能なエキスパートシステム（LubeSelect、LuBase、DialSet）に組み込まれています。

グリース潤滑物理学
グリース潤滑の物理学と化学的性質を理解することは、ベアリングのグリース性能を予測する上で非常に重要です。アプリケーションは非常に長い耐久性を考慮して設計されているため、アプリケーション条件下でのグリース寿命テストは通常​​不可能です。これにより、テスト時間が許容できないほど長くなります。実際には、テスト条件は、アプリケーションよりも厳しい（たとえば、より高い温度および/またはより高い速度）ように選択されます。さらに、グリース寿命テストリグは、アプリケーションとは異なる標準化されたベアリングで動作する場合があります。

潤滑グリースの性能は、グリースの特性だけでなく、特定のベアリングタイプの内部形状にも依存します。ベアリングタイプ内でも、性能は内部形状に依存します。内部寸法、シーリングソリューション、ケージ構成、およびケージ材料が最も重要です。

潤滑グリースの物理的性質と化学的性質を知ることにより、試験結果を試験データが入手できない条件に「外挿」することができます。さらに、グリース寿命試験データは、グリース潤滑用に開発された物理モデルを検証するために使用されます。 SKFのエンジニアリング＆リサーチセンターは、グリース潤滑の理解をサポートする、トライボロジー/潤滑および物理学/化学の最先端の知識とモデルを開発しました。グリース予測モデルの開発をサポートする科学分野には、レオロジー、流体力学、化学、弾性流体潤滑、および統計が含まれます。

軸受の初期段階ではグリースが流れます。グリースの大部分は最終的にレースウェイに隣接し、一部は「スイープエリア」内に残ります。このフェーズ中およびフェーズ後のベアリング内部のグリースの内部分布には、流体力学とグリースのレオロジー特性を理解する必要があります。流体力学理論をグリースの流れに適用することは簡単ではありません。結局のところ、潤滑グリースは実際には液体ではありません。グリースは機械的および熱的作業によって経年劣化しますが、これはベアリングでは深刻であり、問​​題を複雑にします。流体力学/レオロジー理論は、グリースのオイルブリード特性を予測するためにも使用されます。基油と増粘剤の酸化を予測するには、グリース潤滑の化学的性質を理解することが重要です[4]。さらに、グリースの化学的性質が境界の潤滑特性を決定します。

潤滑グリースは、境界膜であるか、または流体力学的作用によって形成され得る分離膜を発達させると考えられている。転がり軸受では、接触している物体の弾性変形により、フィルムの堆積に適した入口形状が生成されます。この現象は「弾性流体潤滑」（EHL）と呼ばれます。この理論は、オイル潤滑については十分に開発されていますが、グリース潤滑についてはまだ開発されていません。グリース潤滑では、フィルムの厚さは、ランニングトラックでの潤滑剤の利用可能性（一般に「飢餓EHL」[5]と呼ばれます）と増粘剤「粒子」によって支配されます。図3は、グリース潤滑接点の干渉計の写真を示しています。増粘剤の粒子が接点に入るため、フィルムは滑らかではありません。

最後に、グリースの潤滑プロセスは決定論的ではありません。障害には統計的な分布があり、予測がさらに複雑になります。 SKFは、ベアリングの寿命とグリースの寿命のテストデータを評価するために使用されるWeibull統計の確かな知識を開発しました[6]。

グリーステスト
ベアリングの潤滑グリースの寿命を予測するために、SKFは業界全体で使用される試験機を開発しました。従来、これらはR0F（ボールベアリング）およびR2F（球面ローラーベアリング）テストリグでした。 R0Fテストリグはアップグレードされ（R0F +）、速度、負荷、温度の点で非常に柔軟になっています。 SKF Engineering＆ResearchCenterには多数のR0FとR0F +があり、140のテストを同時に実行できます（図4）。

図4。

グリース寿命試験に加えて、始動トルク、摩擦、耐食性、振動（V2F）、グリースノイズ（BeQuiet +）などの機能試験が行われます。設備の整った化学実験室が試験結果の評価をサポートします。

製品開発とグリース潤滑
いくつかの例は、新世代のSKF Energy Efficientベアリングなど、グリース潤滑の理解が新製品開発にどのように影響したかを示しています。図5は、SKFエネルギー効率の高い（E2）深溝玉軸受を示しています。 SKF E2深溝玉軸受は、同じサイズの標準SKF軸受と比較して、摩擦損失が少なくとも30％低くなっています。グリース潤滑用途向けに開発されたSKFE2ベアリングは、潤滑剤の消費量も少なくて済みます。

図5。

標準とSKFE2深溝玉軸受のグリース寿命を比較すると（図6）、グリース寿命が2倍になり、ベアリングの耐用年数が実質的に2倍になります。摩擦の減少は、グリースの潤滑性の向上、つまり、内部形状の改善と新しいケージ設計と組み合わせた独自のグリースに起因する可能性があります。これは、グリース開発がベアリング設計にどのように統合されたかを示す良い例です。

図6。

SKFが独自のテストリグと偽ブラインリングの方法を開発したときに、風力タービンブレードとヨーベアリング用の優れた偽造防止ブラインリング特性を備えた新しいグリースが生まれました。図7は、標準グリースと新しいブレードおよびヨーベアリンググリースを使用したテスト結果をプロットしたものです。ここで、摩擦は振動数の関数として監視されています。摩擦が時間の経過とともに継続的に増加する場合、障害が発生しそうです。青い線は市販のグリースの測定値を表しています。緑の線は、SKF LGBB 2グリースを使用した測定値です。これは、保護摩擦層を形成し、多くのサイクルで非常に低い摩擦値を示し、ベアリングの長寿命につながります。

図7。

図8は、ブレードベアリングのような状態でのさまざまなグリースの動作ウィンドウを示しています。部分的な滑りの場合、振動は非常に小さいため、ヘルツ接点の中心がくっつき、滑りは接点の端でのみ発生します。グロススリップは、振動が非常に激しく、接点の中心さえもスライドするときに発生します。フレッチングは通常、固定することを目的とした表面間で発生しますが、小さな振動が発生し、接触領域内に閉じ込められたままの摩耗粉が生成されることを特徴としています。 SKF LGBB 2グリースは、優れた耐フレッチング性を備えており、大きな振動にも使用できます。グリースは低温で良好に機能し、優れた耐食性を備えているため、風力タービンのブレードやヨーベアリングの用途に非常に適しています。

図8。

製紙工場の用途向けに、SKFは「SKFポリマー増粘潤滑剤」またはポリマーグリースを開発し、従来の石鹸増粘剤をポリマーに置き換えました[7]。ポリマーは無極性です。つまり、石鹸は金属表面と競合して添加剤を引き付けません。従来のグリースには、添加剤パッケージを含めて、10〜20パーセントの金属ベースの石鹸増粘剤（極性）と80〜90パーセントの基油が含まれています。ポリマーで増粘された潤滑剤には、非極性材料である10〜13パーセントのポリプロピレン（PP）と、添加剤パッケージを含む87〜90パーセントのオイルが含まれています。ポリマーで増粘されたグリースを形成するための独自のプロセスは、オイルに溶解したポリマーの革新的な加熱および急冷操作です。これにより、「通常の」金属石鹸で厚くしたグリースのように機能する3次元のネット構造が得られます。グリースは、添加剤がなくてもR0Fテストリグの寿命を延ばし、再潤滑間隔を長くして環境にやさしいものにします。これにより、グリースの消費量が削減されます。新しいポリマーグリースは、優れた低温性能を備えており、製造に必要なエネルギーが少なくて済みます。

風力タービンのメインシャフトベアリングのグリース要件は、グリースが重い接触荷重、低速、振動および停止状態で高い信頼性を達成する必要がある過酷な環境に関連しています。オフショアおよび寒冷気候に設置された風力タービンには、追加の課題が発生します。 SKFは、風力タービンの主軸用途向けに3種類のグリースを開発しました。表1にグリースの特性を示します。 3つのグリースはすべて、さまざまな風力タービンOEMによって広く使用され、承認されています。グリースの選択は、シーリングのタイプ、動作条件、および環境によって異なります。

表1。

SKFは、グリース、ハウジング、シール、ベアリング構成、潤滑システム、ロックナット、取り付けサービス、潤滑剤、分析、状態監視など、メインシャフトアプリケーション向けの完全なカスタマーソリューションを提供しています。

結論
SKFは、グリース潤滑に関する知識のさらなる開発と応用を通じて、持続可能性に貢献し、環境に優しいソリューションをサポートしています。これにより、ベアリングシステムの寿命を延ばし、摩擦を減らし、エネルギー消費を削減します。耐用年数と再給油間隔の延長により、メンテナンスの必要性が減り、廃棄物が削減されます。これは、基本的な研究開発とモデル開発から得られた知識を製品開発と組み合わせて使用​​することによって達成されます。

参考資料

[1] E. Ioannides、G。Bergling、およびA.Gabelli。転がり軸受の寿命の分析定式化。 Acta Polytechnica Scandinavia、機械工学シリーズ、フィンランド工科大学、（137）、1999年。

[2] P.M. Lugt。転がり軸受のグリース潤滑に関するレビュー。 Tribology Transactions、52（4）：470-480、2009年。

[3] B。ホイスカンプ。潤滑された寿命の深溝玉軸受のグリース寿命。進化論、2：26–28、2004年。

[4] A. van denKommerおよびJ.Ameye。残留グリース寿命の予測-線形掃引ボルタンメトリーによる新しいアプローチと方法。 Proceedings Esslingen Conference、891〜896ページ、2001年。

[5] M.T. van Zoelen、C.H。ヴェンナー、およびP.M. Lugt。薄膜層モデルを使用した、飢餓状態の弾性流体力学的に潤滑された接触における膜厚減衰の予測。機械技術者協会の議事録。パートJ、Journal of Engineering Tribology、223（3）：541-552、2009年。

[6] T。アンダーソン。理論上の耐久性テスト。 Ball Bearing Journal、217：14–23、1983。

[7] D. Meijer、D。ポリマー増粘潤滑グリース。欧州特許出願（EP 0 700 986 A3）、1996年。

[8] SKF総合カタログ、6000 / I（2008）