A076

Entwicklung eines Verfahrens zur Ermittlung der Lebensdauer von Lukendeckellagern unter Berücksichtigung der Schiffsverformungen

(A076 S 24/16/1995)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 1995 – 30. Juni 1998

Die Lebensdauer von Lukendeckellagern hängt nicht nur von der Konstruktion des Lagers selbst und von der Beladung des Deckels ab, sondern auch davon, wie sich die Schiffskonstruktion unter dem Lukendeckel verformt. Besonders bei Containerschiffen spielen die Lukenverformungen im Seegang eine große Rolle, weil diese Schiffe eine niedrige Torsionssteifigkeit haben. Die gesamten Reibwege in den Lukendeckelgleitlagern von ca. 10 km im Jahr in Kombination mit einer Last von ca. 100 t führen zum Verschleiß der Lager. Das Problem wird durch die Forderung erschwert, daß die Lager möglichst klein sein müssen, denn die Schiffshauptabmessungen werden davon beeinflußt.
Bisher gab es keine Methode zur Auslegung der Lukendeckellager in bezug auf den Verschleiß. Andererseits verursacht übermäßiger Verschleiß hohe Reparaturkosten. Die Abnutzung eines Lagers über ein bestimmtes Maß hinaus ist aus folgenden Gründen unerwünscht:

Dafür nicht vorgesehene Teile des Deckels, der Dichtung und des Schiffskörpers können miteinander in Kontakt treten und während der Relativbewegung beschädigt werden.
Die Reibkräfte können sich über das vorgesehene Maß hinaus erhöhen und damit die an das Lager angrenzenden Bauteile überlasten. Daher muß eine sichere Auslegungsprozedur in bezug auf Verschleiß geschaffen werden, welche einen reparaturfreien Betrieb der Lukendeckellager während einer festgelegten Periode gewährleistet.

Es ist üblich, den Verschleiß eines Gleitlagers durch seine Höhenabnahme H in der Form H = h  P  W mit dem spezifischen Verschleiß h, dem zurückgelegten Reibweg W und dem Druck P anzugeben. Ist der Druck P konstant, so werden zur Bestimmung des Verschleißes nur die beiden Parameter h und W benötigt. Das Verfahren zur Ermittlung dieser Parameter ist Gegenstand des durchgeführten Forschungsvorhabens.
Der Reibweg wurde mit Hilfe der Spektralmethode berechnet. Die Berechnung nach dieser Methode ermöglicht es, nicht nur den Gesamtweg und die maximale Relativverschiebung, sondern auch deren statistische Verteilungen zur ermitteln. Dann können die oben genannten Parameter rein rechnerisch bestimmt werden, denn die Abmessungen und die konstruktiven Besonderheiten des Schiffes werden in der Berechnungsmethode unmittelbar eingesetzt. Sogar die Fahrtroute kann berücksichtigt werden.
Zur Validierung der Reibwegberechnung wurden Bordmessungen durchgeführt, die folgende Daten über einen 2,5 Jahre dauernden Abschnitt des Schiffsbetriebes geliefert haben:

den Reibweg und dessen Verteilung über die Reisetage,

die statistische Verteilung der Relativverschiebungen von Lukendeckeln über die Reisetage und deren Integralparameter (Standardabweichung, Mittelwert, Maximum, Minimum),
die statistische Verteilung des Schiffsrollwinkels,

Sequenzen der gemessenen Signale in realer Zeit.

Diese Daten können auch zur Einschätzung der allgemeinen Transformationen des Schiffskörpers im Seegang benutzt werden.
Die Auswahl der Werkstoffe für die Lukendeckellager erfolgte anhand von Reibversuchen. Für die ausgewählten Werkstoffe wurde bei unterschiedlichen schiffsüblichen Parametern der spezifische Verschleiß gemessen. Die Parameter Druck, Amplitude und Frequenz der oszillierenden Bewegung, Rauheit und Umgebungsmedium wurden variiert. Besonders detailliert wurden PTFE-Compounds in Form von in Bohrungen befestigten und gestauchten Stäben untersucht. Diese Befestigungsart eignet sich besonders gut für Lukendeckellager, weil lokale Schäden die Funktionsfähigkeit der Kunststoffschicht nicht beeinträchtigen. Die wichtigsten Ergebnisse der Reibversuche sind:
Der spezifische Verschleiß der Stahl/Stahl-Reibpaarungen hängt proportional von der Amplitude der oszillierenden Bewegung ab.

Nach dem Einsetzen des Verschleißes in einer Stahl/Stahl-Reibpaarung beträgt der Reibwert bis zu 0,9.

Die Anwesenheit von Wasser erhöht den Verschleiß von PTFE-Compounds um den Faktor 10 bis 100.

Die Bearbeitungsrillen in der Oberfläche der süllseitigen Gegenlager von PTFE-Compounds sollen längsschiffs verlaufen, sonst kann der Verschleiß um den Faktor 10 bis 100 höher sein.

Die Verschleißrate eines gut konstruierten Lukendeckellagers mit PTFE-Compound gegen einen harten Edelstahl mit niedriger Rauheit im Trockenlauf ist so gering, daß von einem wartungsfreien Lager gesprochen werden kann.
Auf der Grundlage der Ergebnisse von Reibwegmessung und -berechnung sowie der Ergebnisse der Reibversuche konnte eine Näherungsformel zur Berechnung der Lebensdauer von Lukendeckel-Gleitlagern aufgestellt werden.
Als Alternative zu Gleitlagern wurden Verformungslager in Form von bewehrten Elastomerlagern untersucht. Anhand einer FE-Berechnung und von Dauerschwingversuchen wurde gezeigt, daß gut konstruierte Gummilager ausreichende Betriebsfestigkeit besitzen, um an Bord von Containerschiffen eingesetzt werden zu können.

Forschungsstelle 1:
Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut M-10 für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen (TUHH)
www.tu-harburg.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Eike Lehmann
(vorgelegt vom Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V. für Forschungszentrum des Deutschen Schiffbaus e.V./Hamburg)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF