Glijlagerbussen zorgen voor onderhoudsvrije kettingen

In het kader van een sluizenrenovatieproject werd K&W Transmissies benaderd door Rijkswaterstaat met de vraag een onderhoudsvrije ketting te ontwikkelen. Deze kettingen worden ingezet voor het verticaal hijsen van de betreffende sluisdeuren. Gekozen werd voor een Gallse ketting, die is uitgevoerd met speciale glijlagerbussen voorzien van geïmpregneerde smeermiddelreservoirs. Zowel de constructie, de gekozen materialen als deze speciaal geproduceerde glijlagerbussen hebben bijgedragen aan het onderhoudsvrije karakter van de kettingen.

Tijdens de renovatie van een tweetal Nederlandse sluizen, waarvan de sluisdeuren verticaal met behulp van kettingen worden gehesen, liep Rijkswaterstaat tegen een onderhoudsprobleem aan. Door strengere milieueisen is het in deze tijd niet meer wenselijk dat het gebruikte smeermiddel, ook wanneer het biologisch afbreekbare vetten betreft, in het milieu terechtkomt. Bij de sluiskettingen kan smeren leiden tot een oliefilm van het oppervlaktewater, hetgeen als zeer onwenselijk wordt beschouwd, ook al heeft dit geen negatieve invloed op het milieu. Tevens speelde het kostenaspect van het onderhoud voor Rijkswaterstaat een rol. De continue smering van de ketting en de controle hierop kost relatief veel geld; eliminatie van de smering zou derhalve leiden tot een belangrijke kostenbesparing.

Gallse ketting

K&W Transmissies ontwikkelde daarom speciaal voor deze sluizen een onderhoudsvrije ketting, uitgevoerd met speciale glijlagerbussen die voorzien zijn van geïmpregneerde smeermiddelreservoirs. Verder is gekozen voor een zogenoemde Gallse ketting. Een Gallse ketting is specifiek geschikt voor het hijsen van een last, en niet, zoals een rollenketting van een fiets, voor het overbrengen van een vermogen. Een standaard Gallse ketting bestaat uit identieke binnen- en buitenplaten, die door middel van afgeklonken pennen wordt samengehouden. Hiermee zijn deze kettingen enigszins te vergelijken met een fleyerketting van een heftruck. Het voordeel van een Gallse ketting ten opzicht van een fleyerketting is echter, dat de hijskracht in het eerste geval door middel van kettingwielen kan worden aangeleverd; de benodigde pennen hiervoor zijn immers in het hart van de ketting beschikbaar. De fleyerketting wordt doorgaans door middel van bevestigingsvorken gemonteerd aan een frame of hijsunit.

De door K&W Transmissies speciaal ontwikkelde onderhoudsvrije Gallse ketting bestaat uit 15 mm dikke buitenplaten en binnenplaten met een dubbele dikte van 30 mm en een hoogte van 90 mm. Door de platen galvanisch te verzinken en te chromatiseren  verkrijgen zij corrosievertragende eigenschappen en wordt het ontstaan van corrosiewater in de scharnierdelen voorkomen. De cilindrische pennen scharnieren in de speciale lagerbussen. De steek (penafstand) van de ketting is 110 mm.

Pennen

In ons voorbeeld worden de pennen met een diameter van 50 mm hoofdzakelijk belast op buiging en afschuiving. Deze belasting in combinatie met de omgevingscondities heeft de constructeur doen kiezen voor 1.4122V. Dit materiaal heeft een goede corrosiebestendigheid en is bovendien bij uitstek geschikt voor veredeling (verhogen trekvastheid) en inductief harden (bereiken van een goede hardingsdiepte). Het toepassen van deze technieken heeft geleid tot een trekvastheid van ongeveer 950N/mm2 en een weerstand tegen buigen van ongeveer 500N/mm. Inductief harden resulteerde in een hardheid van ongeveer 48 – 50 HRC. De pennen zijn na het harden centerloos geslepen.

Schakelplaten

De schakelplaten zijn vervaardigd van C60V en hebben door middel van verdelen een verhoogde trekvastheid van ongeveer 1100 N/mm2 verkregen.

Zij worden op hun plaats gehouden met behulp van verzinkte bouten en verzinkte afstandbussen. Het platenpakket wordt tenslotte op de bouten gepositioneerd door middel van een roestvast stalen borgingsring. Tussen de binnenplaten en de  buitenplaten zijn speciale messing schijven gemonteerd om eventueel aanloopvreten tussen de platen onderling te voorkomen. De schakelplaten worden in de platen belast op trekkracht en op de geprojecteerde oppervlakte van de lagerhuizen belast op de drukkracht. De weerstand tegen de trekkracht in de platen laat zich berekenen door uit te gaan van de geprojecteerde oppervlakte bij doorsnede bij de lagerhuizen; dit betreft immers de zwakste plek. De weestand tegen drukkracht in de lagerhuizen ligt bij C60V op ongeveer 140 N/mm2.

Dn ander interessant aspect van de kettingen betreft de koper-zink gietlegering lagerbussen die zijn geïmpregneerd met een speciale smeerstof.

Glijlagerbussen

In feite gaat het om een soort zelfsmerend materiaal, dat wordt vervaardigd op basis van processen uit de walsgieterij en processen die een rol spelen bij de vervaardiging van smeerstoffen. Beide disciplines zijn dermate specifiek, dat het materiaal alleen kan worden vervaardigd door gespecialiseerde bedrijven. CuZn34Al2 heeft een elasticiteitsgrens van 300 N/mm2 en een trekvastheid van maximaal 620N/mm2 met een hardheid van 150 Brinell. Deze waarden evenaren de maximaal toelaatbare geprojecteerde oppervlaktedruk van normaal staal. In deze speciale koper-zink gietlegering worden echter door middel van een speciaal procédé specifieke smeerstoffen geïmpregneerd, die een continue smering tussen pen en lagerbus realiseren. Het materiaal wordt in een soort kneed-gietproces vervaardigd, waardoor de smeerstoffen als reservoirs in het materiaal worden opgesloten. Aan de oppervlakte van het materiaal zijn de reservoirs zichtbaar als minuscuul klein, ronde, zwarte puntjes. Ze bestaan voor 80 procent uit grafiet en voor de rest uit elektrolytkoper met een hardheid tussen de 63 en 85 Shore D. De juiste smering wordt gewaarborgd, doordat het relatief harde smeermiddel continu aanwezig is in de reservoirs en zich aan de oppervlakte bevindt; op de plek dus waar de vlakken elkaar raken.

Oplossing voor smeerprobleem

Deze speciale zelfsmerende lagerbussen bieden een oplossing voor het probleem, dat bij een Gallse ketting een normale hydrodynamische smering met een zeer lage glijlagersnelheid niet aannemelijk is. De ketting maakt immers geen doorlopende beweging, maar een bepaalde (en steeds identieke) repeterende hoekverdraaiing van ongeveer 30°. In tegenstelling tot de situatie bij kogellagers ontstaat er door deze oscillerende beweging geen reservoir van vetten of oliën, die voor een geleidelijke continue aanvoer van het smeermiddel zorgt en zich tussen de contactvlakken penetreert. De beweging bij de Gallse ketting resulteert juist in het wegdrukken van het smeermiddel. De speciale lagerbussen ondervangen dit probleem.

Inloopfase

Speciale aandacht verdient de inloopfase. Zo is het in eerste instantie belangrijk om de bussen, tijdens montage in de ketting met een biologisch vet te behandelen waardoor de inloopfase na inbedrijfstelling goed verloopt. Daarnaast zijn de koper-zink lagerbussen voorzien van een speciale glijlak, die een prima smering biedt tijdens de inloopfase. Deze glijlak wordt als een spray op de bussen aangebracht met een dikte tussen de 10 en 20 micron en is bij een kamertemperatuur in ongeveer twintig minuten uitgehard. De glijlak zorgt tevens voor een zeer glad oppervlak van de lagerbussen. Het uitspoeleffect van de smeerstoffen uit het lagermateriaal in water is nihil, waardoor deze speciale bussen bij uitstek geschikt zijn voor toepassing in een waterrijke omgeving. Verder handhaaft het toegepaste materiaal  CuZn34Al2 zich goed in zoetwater en heeft het een werktemperatuur bereik van min 100 tot 250 °C. Beide eigenschappen zijn ruim voldoende voor toepassing in de sluis. Voor eventuele zoutwater toepassingen heeft K&W Transmissies goede ervaringen met CuAI10NI.

Offshore applicatie

K&W Transmissies heeft vergelijkbare glijlagerbussen toegepast in een offshore applicatie. In deze ketting ontstaan extreem hoge belastingen terwijl deze zich tevens in een agressieve omgeving (zeewaterrijk) bevindt. Zowel in de toepassing van de sluisketting als in de offshore zijn goede resultaten geboekt, waarbij de slijtage van de lagerbussen opvallend gering was. Het verdient aanbeveling bij eventuele preventieve nasmering de juiste smeerolie te gebruiken en teflon hierin te vermijden. Gezien de steeds strenger wordende milieueisen en het streven te besparen op onderhoud, voorzien wij een goede toekomst voor deze zelfsmerende koper-zink lagerbussen.

De breekbelasting van de buitenplaten is als volgt te berekenen :

F=S x σ (I)

Waarbij :

F  = breekbelasting in [N]

S  = kleinste oppervlakte in [mm2]

σ  = gemiddelde trekvastheid in [N/mm2]; bedraagt in dit geval 1100N/mm2

en

S  = (g1-d1) x t1 x n (II)

Waarbij :

S  = kleinste oppervlakte in [mm2]

n   = aantal platen = 4

t    = 15

g1 = 90

d1 = 60

Uit formule II volgt : S= 900mm2 waarmee de breekbelasting uit formule

IF = 1800 x 1100 = 1.980.000 N

De breekbelasting van de binnenplaten volgt opnieuw uit het invullen van de formules I en II.

Waarbij :

Aantal platen = 2

S  = kleinste oppervlakte = 1800 mm2

σ  = gemiddelde trekvastheid = 1100 N/mm2

Hieruit volgt dat de breekbelasting F = 1800 x 1100 = 1.980.000 N

Omdat de binnenplaat een dubbele dikte heeft in vergelijking met de buitenplaten, staat één binnenplaat gelijk aan twee buitenplaten.