Tribologie in der Industrie: Reibung, Verschleiss und Schmierung

Reibung entsteht überall dort, wo sich zwei Oberflächen relativ zueinander bewegen. In Industrieanlagen kann sie zu Energieverlusten, steigenden Temperaturen und fortschreitendem Verschleiss der Komponenten führen. Eine korrekte Schmierung reduziert diese Belastungen und trägt entscheidend zur Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Maschinen und Anlagen bei.

Genau mit diesen Wechselwirkungen beschäftigt sich die Tribologie. Diese Disziplin untersucht das Zusammenspiel von Reibung, Verschleiss und Schmierung bei Oberflächen, die sich relativ zueinander bewegen.

Für Produktions- und Instandhaltungsverantwortliche ist Tribologie deshalb weit mehr als ein theoretisches Konzept: Ein richtig ausgelegtes und überwachtes tribologisches System kann dazu beitragen, Verschleiss zu reduzieren, ungeplante Maschinenstillstände zu vermeiden und die Instandhaltungskosten langfristig zu optimieren.

Was ist Tribologie?

Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von Oberflächen, die in relativer Bewegung miteinander interagieren. Im Mittelpunkt stehen drei eng miteinander verbundene Phänomene:

• Reibung: Widerstand, der zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen entsteht.
• Verschleiss: fortschreitender Materialverlust oder Veränderung einer Oberfläche infolge mechanischer Beanspruchung.
• Schmierung: Einsatz eines Schmierstoffs, um den direkten Kontakt zwischen Oberflächen zu reduzieren und Reibung und Verschleiss zu kontrollieren.

Ein tribologisches System besteht jedoch nicht nur aus zwei Komponenten und einem Schmierstoff. Auch Belastung, Geschwindigkeit, Temperatur, Werkstoffe, Oberflächenbeschaffenheit und Verunreinigungen beeinflussen das Verhalten des gesamten Systems.

Deshalb kann ein Schmierstoff, der in einer bestimmten Anwendung zuverlässig funktioniert, unter anderen Betriebsbedingungen ungeeignet sein.

Warum sind Reibung und Verschleiss in Industrieanlagen entscheidend?

Reibung lässt sich in mechanischen Systemen nicht vollständig vermeiden und ist in bestimmten Anwendungen sogar für deren Funktion erforderlich. Entscheidend ist, sie dort zu kontrollieren, wo sie Energieverluste oder Schäden verursachen kann.

Eine unzureichende Schmierung kann unter anderem folgende Auswirkungen haben:

• steigende Betriebstemperaturen;
• höherer Energieverbrauch;
• beschleunigter Verschleiss von Komponenten;
• Schäden an Lagern, Zahnrädern, Pumpen oder Ventilen;
• kürzere Wartungsintervalle;
• ungeplante Produktionsstillstände.

Für ein Unternehmen bedeutet Verschleiss deshalb nicht nur den Austausch einer Komponente. Stillstandszeiten, Wartungsarbeiten und Produktionsausfälle können die Gesamtkosten erheblich erhöhen.

Der Schmierfilm: die entscheidende Trennschicht

Eine der wichtigsten Aufgaben eines Schmierstoffs besteht darin, zwischen zwei bewegten Oberflächen einen ausreichend tragfähigen Schmierfilm aufzubauen.

Dieser Schmierfilm verhindert oder reduziert den direkten Kontakt zwischen den Oberflächen.

Je nach Betriebsbedingungen können unterschiedliche Schmierungszustände entstehen. Ist der Schmierfilm ausreichend ausgeprägt, bleiben die Oberflächen weitgehend voneinander getrennt. Wird der Film dagegen aufgrund hoher Belastungen, niedriger Geschwindigkeiten, ungeeigneter Viskosität oder hoher Temperaturen zu dünn, nimmt der direkte Kontakt zwischen den Oberflächen zu.

Die Folge sind erhöhte Reibung und stärkerer Verschleiss.

Welche Rolle spielt die Viskosität?

Die Viskosität gehört zu den wichtigsten Eigenschaften eines Schmierstoffs. Sie beeinflusst direkt, ob sich unter den jeweiligen Betriebsbedingungen ein stabiler Schmierfilm bilden kann.

Ist die Viskosität zu niedrig, kann der Schmierfilm bei hohen Belastungen unzureichend werden. Ist sie dagegen zu hoch, können der Strömungswiderstand des Fluids, Energieverluste und Schwierigkeiten beim Kaltstart zunehmen.

Die optimale Viskosität hängt deshalb von mehreren Faktoren ab:

• Betriebstemperatur;
• Belastung;
• Geschwindigkeit;
• Systemkonfiguration;
• Vorgaben des Maschinenherstellers.

Dieser Zusammenhang wird besonders bei Hydrauliksystemen deutlich, in denen die Viskosität gleichzeitig die Schmierung der Komponenten und das Strömungsverhalten des Fluids im Kreislauf beeinflusst.

Industriegetriebe: hohe Belastungen erfordern besonderen Schutz

In Industriegetrieben entstehen hohe Kontaktpressungen zwischen den Zahnflanken. Der Schmierstoff muss einen belastbaren Schmierfilm aufbauen und die Oberflächen auch unter hohen Belastungen zuverlässig schützen.

Neben der Viskosität spielen dabei auch Additive eine wichtige Rolle. AW- und EP-Additive unterstützen den Verschleissschutz unter besonders anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Auch Temperatur und Beanspruchung müssen berücksichtigt werden: Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität des Öls in der Regel ab. Dadurch kann der Schmierfilm dünner werden.

Die Auswahl des geeigneten Industriegetriebeöls sollte deshalb unter Berücksichtigung der Systemkonstruktion, Belastung, Geschwindigkeit, Betriebstemperatur und Herstellervorgaben erfolgen.

Kontamination: wenn Verunreinigungen das tribologische System verändern

Auch ein korrekt ausgewählter Schmierstoff kann seine Aufgabe nicht optimal erfüllen, wenn er stark verunreinigt ist.

Feststoffpartikel, Wasser oder Prozessrückstände können das tribologische System erheblich beeinflussen. Harte Partikel zwischen bewegten Oberflächen können beispielsweise abrasiven Verschleiss verursachen. Wasser kann wiederum die Eigenschaften des Schmierstoffs verändern und Korrosion begünstigen.

Die Ölreinheit in Hydrauliksystemen ist besonders wichtig bei Pumpen, Ventilen und Komponenten mit engen Toleranzen.

Die Kontrolle des Schmierstoffzustands ist deshalb ein wichtiger Bestandteil einer wirksamen vorbeugenden Instandhaltungsstrategie.

Ein konkretes Beispiel dafür zeigt unser Anwendungsfall zur Beseitigung der Hydrauliköl-Kontamination in CNC-Anlagen mit hoher Betriebsfrequenz.

Welche Verschleissarten treten in der Industrie auf?

Verschleiss kann unterschiedliche Ursachen und Erscheinungsformen haben. Zu den wichtigsten gehören:

Abrasiver Verschleiss

Harte Partikel oder raue Oberflächen tragen Material mechanisch ab. Eine wirksame Filtration und die Kontrolle der Ölreinheit sind deshalb besonders wichtig.

Adhäsiver Verschleiss

Bei unzureichender Trennung können die Oberflächen lokal miteinander in Kontakt kommen. Unter hohen Belastungen kann es zu Materialübertragungen und Beschädigungen kommen.

Ermüdungsverschleiss

Wiederholte Belastungen können zu Materialermüdung führen, insbesondere bei Wälzlagern und an den Zahnflanken von Getrieben.

Korrosiver Verschleiss

Chemische Reaktionen, Feuchtigkeit oder aggressive Verunreinigungen greifen die Oberflächen an und können den mechanischen Verschleiss zusätzlich beschleunigen.

Der sichtbare Schaden an einer Komponente ist daher häufig nur das Endergebnis. Um wiederkehrende Schäden zu vermeiden, muss die eigentliche Ursache innerhalb des tribologischen Systems identifiziert werden.

Der richtige Schmierstoff ist Teil des Systems

Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht einfach:

Welcher Schmierstoff ist der beste?

Die richtige Frage lautet:

Welcher Schmierstoff passt zu diesem tribologischen System und seinen Betriebsbedingungen?

Bei der Auswahl sollten unter anderem folgende Kriterien berücksichtigt werden:

• erforderliche Viskosität;
• Temperaturbereich;
• Belastung und Geschwindigkeit;
• Werkstoffpaarungen;
• erforderliche Verschleissschutz- und EP-Eigenschaften;
• Risiko durch Wasser und Verunreinigungen;
• Freigaben und Normen des Herstellers;
• gewünschte Wartungs- und Wechselintervalle.

Auch die Wahl zwischen mineralischen und synthetischen Schmierstoffen sollte auf Grundlage der konkreten Anwendung erfolgen. Ein hochwertigerer Schmierstoff bietet nur dann einen wirtschaftlichen Vorteil, wenn seine Eigenschaften tatsächlich zu den jeweiligen Betriebsbedingungen passen.

Tribologie und Instandhaltung: Verschleiss erkennen, bevor Schäden entstehen

Eine wirksame Schmierungsstrategie endet nicht mit der Auswahl des richtigen Produkts.

Der Zustand des Schmierstoffs verändert sich während des Betriebs. Temperatur, Oxidation, Wasser, Partikel und mechanische Beanspruchung können seine Eigenschaften zunehmend beeinträchtigen.

Regelmässige Ölanalysen können deshalb wichtige Hinweise sowohl auf den Zustand des Schmierstoffs als auch auf den Zustand der Maschine liefern. Je nach Anwendung lassen sich Parameter wie Viskosität, Wassergehalt, Partikelkontamination oder Verschleissmetalle überwachen.

Besonders aussagekräftig ist nicht nur ein einzelner Messwert, sondern dessen Entwicklung über einen längeren Zeitraum. Das Trendmonitoring ermöglicht es, Veränderungen frühzeitig zu erkennen und eine zustandsorientierte Instandhaltung auf Basis der tatsächlichen Anlagenbedingungen zu unterstützen.

ECSA Maintenance: Schmierung als Bestandteil der Anlagenzuverlässigkeit

Die Tribologie zeigt, warum die Auswahl eines Industrieschmierstoffs nicht isoliert betrachtet werden sollte. Reibung, Verschleiss, Schmierfilm, Temperatur, Belastung und Kontamination beeinflussen sich gegenseitig und müssen entsprechend den tatsächlichen Betriebsbedingungen der Anlage beurteilt werden.

ECSA Maintenance unterstützt Schweizer Industrieunternehmen bei der Auswahl geeigneter Industrieschmierstoffe unter Berücksichtigung von Anwendung, Belastung, Temperatur, Viskosität und technischen Anforderungen. Von Hydraulikölen über Industriegetriebeöle bis hin zu Spezialschmierstoffen: Die korrekte Analyse der Anwendung ist der erste Schritt, um die Anlagenzuverlässigkeit zu verbessern und die Instandhaltung effizient zu planen.

FAQ: Häufige Fragen zur Tribologie