So reduzieren Sie Reibung und Geräusche in schweren vertikalen Hubanlagen mit Feststoffschmier-Führungen

Ein Wartungsleiter einer Fabrik rief mich wegen eines 5-Tonnen-Vertikalhubs an, der bei jeder Bewegung zu kreischen begann. Der Lärm war so laut, dass die Bediener sich weigerten, sich dem Gerät auf weniger als 10 Meter zu nähern. Der Hub verwendete gefettete Stahl-Führungsschienen und Bronze-Gleitblöcke. Das Fett war nach drei Monaten eingetrocknet, und die Stahl-auf-Bronze-Schnittstelle entwickelte bei niedriger Geschwindigkeit Haft-Gleit-Schwingungen (Stick-Slip).

Die Lösung ist in vielen Fällen ein direkter Nachrüstsatz: Ersetzen Sie die Stahlplatten durch graphitgefüllte Bronze-Verschleißplatten derselben NAAMS-Größe.

Die kurze Antwort lautet: Reibung und Geräusche in schweren Vertikalhubs werden durch Stick-Slip verursacht – das abwechselnde Haften und Lösen zweier Metalloberflächen unter Last bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten. Die Umstellung auf selbstschmierende Bronze-Graphit-Führungsschienen und Verschleißplatten beseitigt die Fettabhängigkeit, hält über den gesamten Hub-Geschwindigkeitsbereich einen konstanten Reibungskoeffizienten von 0,06 bis 0,12 und stoppt die Stick-Slip-Schwingung, die das hörbare Geräusch erzeugt.

Warum Vertikalhubs unter Stick-Slip und Geräuschen leiden

Stick-Slip ist eine reibungsinduzierte Schwingung, die auftritt, wenn der Haftreibungskoeffizient deutlich höher ist als der Gleitreibungskoeffizient. Bei einem Vertikalhub trägt das Führungsschienensystem die Hubplattform unter einer Seitenlast, die durch eine außermittige Lastpositionierung verursacht wird. Wenn der Hubmotor eingreift, bleibt der Gleitblock an der Schiene haften, bis die Antriebskraft die statische Reibungsschwelle übersteigt, und löst sich dann schlagartig. Der Zyklus wiederholt sich mit einer Frequenz, die durch Steifigkeit und Masse des Systems bestimmt wird, und erzeugt ein hörbares Kreischen oder Rattern.

Bei gefetteten Stahlführungssystemen kann der Haftreibungskoeffizient beim Anlauf 0,20 bis 0,30 betragen und fällt auf 0,10 bis 0,15, sobald das Gleiten beginnt. Der Unterschied von 0,10 bis 0,15 reicht aus, um die Stick-Slip-Schwingung in den meisten Vertikalhubanlagen aufrechtzuerhalten. Mit der Zeit trocknet das Fett aus oder wird durch Staub verunreinigt, und die Haftreibung kann auf 0,40 oder höher ansteigen, was das Geräusch erheblich verschlimmert.

Selbstschmierende Bronze-Graphit-Führungsschienen beseitigen das Problem, weil das Graphitschmiermittel an der Gleitschnittstelle stets vorhanden ist. Der Reibungskoeffizient von graphitimprägniertem Bronze gegen polierten Stahl beträgt 0,06 bis 0,12, praktisch ohne Unterschied zwischen statischen und dynamischen Werten. Die Technische Anleitung der Gleitelemente von AMDL stellt fest, dass graphitimprägnierte Bronze-Gleitelemente über unterschiedliche Lasten und Geschwindigkeiten hinweg ein stabiles Reibungsverhalten beibehalten – das ist der Schlüssel zur Beseitigung von Stick-Slip.

Eine zweite Geräuschquelle ist die Oberflächengüte der Führungsschiene. Walzstahl-Führungsschienen, die üblicherweise in Hubanlagen verwendet werden, haben eine Oberflächenrauheit von 1,6 bis 3,2 Mikrometern Ra. In Kombination mit Bronze-Graphit-Blöcken ist die optimale Schienenbeschaffenheit 0,4 bis 0,8 Mikrometer Ra – eine polierte Oberfläche, die eine gleichmäßige Bildung des Graphitübertragungsfilms ermöglicht und hochfrequente Vibrationen auf Rauheitsebene reduziert.

 

Das richtige Gleitführungsmaterial für geräuscharmen Betrieb wählen

Die Materialwahl für den Gleitblock oder die Verschleißplatte steuert direkt das Reibungsverhalten und damit den Geräuschpegel. Für vertikale Hubführungssysteme stehen üblicherweise drei Materialoptionen zur Verfügung.

C95400-Aluminiumbronze mit Graphitstiften bietet für die meisten schweren Vertikalhubs die beste Kombination. Ihre Druckstreckgrenze von 270 MPa reicht für Hubs mit bis zu 20 Tonnen Tragfähigkeit, und der Reibungskoeffizient von 0,06 bis 0,10 gegen polierten Stahl ist niedrig genug, um Stick-Slip zu verhindern. Der Aluminiumanteil verleiht ihr eine natürliche Korrosionsbeständigkeit, die in Umgebungen mit Luftfeuchtigkeit oder Abspülbetrieb wichtig ist.

Hochfestes Messing mit Graphitstiften, wie ZCuZn25Al6Fe3Mn3, bietet eine höhere Druckfestigkeit von 480 MPa, aber einen etwas höheren Reibungskoeffizienten von 0,10 bis 0,15. Es eignet sich für Hubs mit extremen Seitenlasten über 15 Tonnen pro Gleitblock. Die Hochleistungs-Gleitblöcke von Bronzebush verwenden dieses Material für Offshore-Krane und Hafenmaschinen, bei denen die Belastungen extrem sind.

PTFE-imprägniertes Bronze, auch als DU-Lager bezeichnet, hat den niedrigsten Reibungskoeffizienten – 0,04 bis 0,08 –, aber eine geringere Tragfähigkeit. Es eignet sich für leichtere Vertikalhubs unter 3 Tonnen und für Anwendungen, die einen möglichst leisen Betrieb erfordern. Die PTFE-Schicht verschleißt unter hoher Last schneller als Graphitstifte und muss bei schweren Hubs daher häufiger ersetzt werden.

Das standardmäßige Graphitstiftmuster mit 30 bis 35 Prozent Oberflächenabdeckung, wie es von mehreren Herstellern empfohlen wird, bietet für Vertikalhubanwendungen die beste Balance zwischen Schmierlebensdauer und Tragfähigkeit.

 

Die Gleitrichtung der Graphitstifte beachten

Das ist das am häufigsten übersehene Detail. Graphitimprägnierte Bronze-Gleitelemente haben eine definierte Gleitrichtung, wie in den technischen Spezifikationen von AMDL dokumentiert. Die Graphitstifte sind in einem versetzten Muster angeordnet, das für ein- oder zweirichtungsfähiges Gleiten entlang einer Achse optimiert ist.

Wenn der Gleitblock so eingebaut wird, dass das Graphitmuster um 90 Grad relativ zur Gleitrichtung gedreht ist, erzeugen die Stifte eine sägezahnartige Störung auf der Gegenfläche. Die Folge sind erhöhte Reibung, beschleunigter Graphitabbau und Geräusche – das genaue Gegenteil dessen, was die Umrüstung erreichen sollte.

Bei vertikalen Hubführungsschienen ist die Gleitrichtung vertikal. Die Graphitstifte sollten in Reihen senkrecht zur Gleitrichtung angeordnet sein, d. h. die Reihen verlaufen horizontal über die Stirnfläche des Gleitblocks. Diese Ausrichtung ermöglicht es jeder Stiftreihe, beim Vorbeigleiten einen frischen Graphitstreifen auf der Schienenoberfläche zu hinterlassen.

Prüfen Sie auf der Produktzeichnung des Herstellers den Pfeil für die Gleitrichtung. Die meisten standardmäßigen Bronze-Graphit-Verschleißplatten und Führungsschienen tragen diesen Pfeil auf dem Produkt. Fehlt der Pfeil oder ist er mehrdeutig, bestätigen Sie die Ausrichtung vor dem Einbau.

Bei L-förmigen Führungsschienen (auch Leisten- oder L-Leisten genannt), die häufig in Werkzeugmaschinen und Vertikalhubanwendungen eingesetzt werden, muss die Gleitrichtung bereits bei der Bestellung angegeben werden. Das Produktsortiment von Bronzelube umfasst L-Leisten und V-Leisten mit Graphitstiften, deren Stiftmuster speziell für die vorgesehene Gleitrichtung ausgerichtet gefertigt wird.

 

Die Gegenfläche der Führungsschiene für einen optimalen Graphitübertragungsfilm gestalten

Die Gegenfläche – die Stahl-Führungsschiene, an der der Bronze-Graphit-Block entlanggleitet – muss für einen einwandfreien Betrieb des Selbstschmiersystems auf einen bestimmten Standard vorbereitet werden.

Die Oberflächengüte sollte 0,4 bis 0,8 Mikrometer Ra betragen. Eine zu raue Oberfläche (über 1,6 Mikrometer Ra) schleift das Bronze ab und verbraucht die Graphitstifte zu schnell. Eine zu glatte Oberfläche (unter 0,2 Mikrometer Ra) lässt den Graphitübertragungsfilm nicht haften, und die Schmierschicht bildet sich nicht.

Die wichtigste Anforderung: Die Gegenfläche sollte aus poliertem Edelstahl oder gehärtetem Kohlenstoffstahl mit einer Mindesthärte von 45 HRC bestehen. Weichere Stahlschienen verschleißen unter der Graphitwirkung und erzeugen abrasiven Abrieb, der sich in der Bronzeoberfläche festsetzt und die Reibung erhöht.

Die Schienenoberfläche muss beim Einbau sauber und trocken sein. Jedes Öl, Fett oder jede Schutzbeschichtung auf der Schienenoberfläche verhindert, dass sich der Graphit während der Einlaufphase überträgt. Die Einlaufphase erfordert in der Regel 50 bis 100 volle Hubzyklen, bis sich der Übertragungsfilm vollständig gebildet hat. Während dieser Phase ist der Reibungskoeffizient mit 0,12 bis 0,15 leicht erhöht und fällt auf den stationären Wert von 0,06 bis 0,10, sobald der Film aufgebaut ist.

Mehrere Hersteller, darunter AMDL, Bronzelube und Piping Tech, bestätigen, dass polierter Edelstahl die beste Gegenfläche für Bronze-Graphit-Gleitelemente bietet. Edelstahl rostet nicht und behält seine Oberflächengüte über Jahre im Betrieb.

 

Die Graphitstiftdichte auf die Hubzyklusfrequenz abstimmen

Die Graphitstiftdichte – der Prozentsatz der vom Graphit bedeckten Fläche des Gleitblocks – sollte auf den zu erwartenden Arbeitstakt des Vertikalhubs abgestimmt sein.

Für Hubs mit niedriger Frequenz von weniger als 50 Zyklen pro Tag ist die standardmäßige Graphitdichte von 30 Prozent ausreichend. Die Stifte halten 5 bis 8 Jahre, bevor sie ersetzt werden müssen.

Für Hubs mit mittlerer Frequenz von 50 bis 200 Zyklen pro Tag erhöhen Sie die Graphitdichte auf 35 bis 40 Prozent. Das bietet eine zusätzliche Schmierstoffreserve für die höhere Gleitstrecke.

Für Hubs mit hoher Frequenz von über 200 Zyklen pro Tag – automatische Lager- und Bereitstellungssysteme, kontinuierliche Prozesshubs – spezifizieren Sie eine Graphitdichte von 40 bis 45 Prozent. Bei dieser Dichte können die Gleitblöcke 10.000 bis 15.000 Stunden gleiten, bevor der Graphit unter 50 Prozent fällt.

Der Graphit selbst sollte in hochdichter Elektrographit-Qualität vorliegen, mit einer Mindestdichte von 1,75 g/cm³ und einem maximalen Aschegehalt von 0,5 Prozent. Graphit geringerer Qualität mit höherem Aschegehalt erzeugt abrasiven Verschleißabrieb, der Reibung und Geräusche im Laufe der Zeit erhöht.

Ein realer Fall aus einem Automobilmontagewerk: Ein vertikaler Teilehub mit 300 Zyklen pro Tag und standardmäßigen 30-Prozent-Graphitstiften benötigte nach 18 Monaten einen Gleitblockwechsel. Nach der Umstellung auf 40-Prozent-Stifte mit Graphit höherer Qualität verlängerte sich das Austauschintervall auf 54 Monate. Der an der Bedienerstation gemessene Geräuschpegel sank von 78 dB auf 62 dB.

 

FAQ

Kann ich vorhandene gefettete Führungsschienen mit Bronze-Graphit-Blöcken nachrüsten, ohne die Schienen zu wechseln?

Ja, wenn die vorhandenen Stahlschienen in gutem Zustand sind und eine Oberflächengüte von 0,8 Mikrometer Ra oder besser aufweisen. Sind die Schienen verschlissen, verrostet oder pickelig, sollten sie vor dem Einbau der Bronze-Graphit-Blöcke ersetzt oder nachgeschliffen werden. Das Nachschleifen vorhandener Schienen kostet in der Regel 30 bis 50 Prozent des Preises neuer Schienen.

Funktionieren Bronze-Graphit-Führungen in einem Vertikalhub, der im Freien bei Regen und Staub betrieben wird?

Ja. Bronze-Graphit ist toleranter gegenüber Regen und Staub als gefettete Systeme, weil Graphit nicht wie Fett abgewaschen wird und keinen Staub anzieht. Für Außenhubs spezifizieren Sie C95400-Aluminiumbronze wegen der Korrosionsbeständigkeit und erhöhen die Graphitdichte auf 40 Prozent, um den zusätzlichen abrasiven Verschleiß durch luftgetragenen Staub auszugleichen.

Woran erkenne ich, dass die Graphitstifte erschöpft sind und ersetzt werden müssen?

Zwei Indikatoren: Der Reibungskoeffizient steigt, was sich als höhere Motorstromaufnahme während des Hubbetriebs zeigt, und der Geräuschpegel nimmt zu. Die einfachste Kontrolle vor Ort ist die Sichtprüfung der Graphitstifttiefe. Wenn die Stifte weniger als 2 mm tief sind (bei einem Standardstift von 6 mm Tiefe), ist ein Ersatz fällig.

Was passiert, wenn ich die Gleitblöcke mit der falschen Gleitrichtung einbaue?

Die Blöcke verschleißen schnell, der Graphit wird innerhalb von Wochen statt Jahren ungleichmäßig abgebaut, und der Geräuschpegel steigt sofort an. Die Blöcke müssen ausgebaut und in der korrekten Ausrichtung wieder eingebaut werden. Es gibt keine Möglichkeit, die Richtung ohne Wiedereinbau zu korrigieren.

Ist bei Bronze-Graphit-Führungen für Vertikalhubs Wartung erforderlich?

Minimal. Die Schienenoberfläche sollte alle 6 Monate mit einem trockenen Tuch von abrasivem Abrieb gereinigt werden. Es ist kein Fett, Öl oder zusätzlicher Schmierstoff nötig. Ziehen Sie die Befestigungsschrauben der Gleitblöcke jährlich nach, da Vibrationen sie mit der Zeit lockern können.