Väsimatud töömesilased
Ülo Vaher
18.11.2007

Kuullaagrid on tagasihoidlikud ja silma alla mitte trügivad usinad töömesilased, ilma milleta ei liigu tänapäeval peaaegu ükski masin. Laagrite erakordsest tähtsusest annab tunnistust ka fakt, et Teise maailmasõja ajal pommitasid liitlasväed Saksamaal eeskätt kuullaagritehaseid.

Mõnegi loo sünniks on vaja ajendit. See lugu sündis suuresti tänu sellele, et sel aastal tähistas suur rahvusvaheline kontsern SKF (Svenska Kullagerfabriken) oma sajandat sünnipäeva. Koos selle sünnipäevaga võib samasugust juubelit tähistada ka kogu tänapäevane kuullaagritööstus, sest sellele pandi alus 1907. aastal, kui Rootsi insener Sven Wingquist leiutas iseseaduva kuullaagri ja asutas selliste tootmiseks tehase Göteborgis. Ja olgu kohe ka ära öeldud, et sellest vabrikust välja kasvanud kontsern on siiani juhtivaid kuullaagrite tootjaid maailmas.

Võitlus hõõrdumisega
Inimtegevus seisneb suures osas liikumises ja asjade liigutamises, need tegevused aga nõuavad energia kulutamist, kusjuures füüsikaseaduste tõttu kulub suur osa energiat hõõrdumise ületamiseks. Hõõrdumise liike on kaks: liuge- ja veerehõõrdumine. Neist suurem energiaröövel on just liugehõõrdumine, millega puutume kokku, kui püüame midagi lohistada. Sellest sai inimkond lahti tänu ratta leiutamisele, liugehõõrdumine asendati veerehõõrdumisega. Siiski säilis liugehõõrdumine telje ja rummu vahel.
Suureks murranguks masinaehituses, isegi revolutsiooniks oli kuullaagrite (üldisemalt veerelaagrite) leiutamine, mis võimaldas ka ratta rummus asendada liugehõõrdumise veerehõõrdumisega. Ilma kuullaagriteta poleks meil näiteks jalgrattaid, sest ükski inimene ei vaevuks sellega rassima, higi ojadena voolamas ja metall vastu metalli kiunumas. Kuid poleks ka enamikku teisi liiklusvahendeid.
Rootslased on välja arvutanud, et nende keskmises majapidamises on kokku umbes 150 kuullaagrit, üldarv maailmas aga küünib miljarditesse. Kuullaagrite arengu ja massilise tootmise käivitas peamiselt autotööstuse tormiline areng 20. sajandi algul. Enne S. Wingquisti püüdis iga masinatehas ise kuullaagreid toota, kuid ei suutnud seejuures tagada vajalikku kvaliteeti. Kuulide tootmine on väga keerukas ja nõuab erakordselt suurt täpsust. Kuulide valmistamine algab paraja läbimõõduga raudvarbast tooriku tükkide lõikamisega, mis võimsa stantsi abil pressitakse kahe õõnsa sfäärilise pinna vahel keraks, mille ümber jääb Saturni rõngast meenutav vööriba. See viilitakse maha ja kuulid lihvitakse hoolikalt suure täpsusega. Tänapäeva täppislaagrite tarbeks toodetakse kuule, mille ebatasasused ei ületa 0,01 µm (s.o 5000 korda väiksem kui juuksekarva läbimõõt!). Kosmoseajastu võib tuua siingi pöörde. Nimelt on õnnestunud kosmoselaevas valitsevas kaalutuses saada kuule vahetult sulametalli pritsmetest.
19. sajandil toodetud laagrid ei talunud kuigivõrd lööke, raputusi ja eriti ebatsentreeritust. Need puudused kõrvaldaski S. Wingquisti leiutatud iseseaduv kuullaager.
Leidur töötas Göteborgis jõe kaldale rajatud tekstiilivabrikus. Vabrikus kasutatud masinaid käitasid pikad ja keerulised jõuülekandeseadmed, aga nende kepsud-võllid purunesid sageli, sest purunesid nende algelised üherealised laagrid. Omajagu aitas sellele kaasa ka jõe kaldapinnase lihkumine (nihkumine) – masin vajus või liikus algsest kohast eemale ning jõuülekanne purunes jälle. Nuputas siis insener ja nuputas, kuni välja nuputas. Ja taipas sedagi, et taolisi laagreid vajavad ka teised ettevõtted – tulemuseks loodi iseseaduvaid laagreid tootev tehas, millest kasvas välja SKF. Esimene S. Wingquisti laager on nüüd leidnud koha New Yorgi moodsa kunsti muuseumis.

Kuullaagrite aja- ja edulugu
Kirjalikud allikad näitavad, et juba Leonardo da Vinci (ikka tema, kes siis muu!) on sellekohase idee välja pakkunud umbes 1500. aastal. Algsete kuullaagrite puuduseks oli ka see, et kuulid puutusid kokku ja veeresid siis vastassuundades, põhjustades ikkagi mingi hõõrdumise. Selle vältimiseks võeti kasutusele separaatorid, mille abil igale kuulikesele eraldati oma pesa, et tal ei tekiks naabritega hõõrdumisi nagu halvas perekonnas või kollektiivis. Separaatori ideed on esmakordselt kirjeldanud Galilei 17. sajandil.
Viimase saja aasta jooksul on kuullaagritööstus arenenud jõudsalt. Juba 1911. aastal varustati Wingquisti uudsete iseseaduvate kuullaagritega Stockholmi–Berliini rong. Huvipakkuv fakt on seegi, et kuulus autotootja Volvo sai alguse SKF-ist – autotehas loodi, et oleks, kuhu laagreid tarvitada. Esimene autodele mõeldud laager kandis Volvo nime ja nii see läks.
Tähtsamateks verstapostideks laagritööstuses said sfääriliste rull-laagrite läbimurre 1930ndatel ja kooniliste rull-laagrite tulek 1970ndatel. Siis võeti kasutusele veel lubrikandiga (määrdeainega) varustatud ehk nn määrimist mittevajavad laagrid. Üks moodsamaid laagreid on kompaktne kooniliste rullidega laagrisõlm CBTU SKFilt. Viimaste uuenduste hulka kuuluvad ka selle firma poolt Hispaania kiirrongi veduri tarvis valmistatud laagrid, mis võimaldavad rongil sõita erineva rööpalaiusega teedel kiirusega kuni 300 km/h ning taluda teljekoormust kuni 40 tonni.
Eraldi peaks nimetama ka eriti efektiivseid Explorer-klassi laagreid, mis on oluliselt paremad senistest standarditest. Nad taluvad standardist suuremat dünaamilist koormust, on väiksema müra ja vibratsiooniga ning pikema kasutuseaga.
SKF kõrval, millel on tütarfirmasid ja tootmisüksusi ligi 100 riigis, jagavad kuullaagrite turgu veel sellised suurfirmad nagu Timken, mille asutajale Henry Timkenile kuulub ka patent koonilisele rull-laagrile, Schaeffler, NSK ja NTN. Pidev võitlus koha eest päikese all on muutnud tänapäevased kuullaagrid üpris täiuslikeks, kuid leiutamist jätkub ikkagi.

Mis määrab laagrite pensioniea?
Erinevaid laagritüüpe on palju. Veerelaagrite mõõtmed ulatuvad mõnest millimeetrist mitme meetrini. Nad peavad hästi taluma nii radiaalset kui ka aksiaalset koormust, suuri pöörlemiskiirusi ja kõrgeid temperatuure.
Suuremat radiaalkoormust taluvad rull-laagrid, kuid suurema pöörlemiskiiruse korral on eelistatakse kuullaagreid. Suurte aksiaalkoormuste korral tuleb kasutada tugilaagreid. Koonusrull-laagrid taluvad hästi nii radiaalset kui ka aksiaalset koormust. Sfäärilise välisvõru sisepinnaga iseseaduvaid laagreid kasutatakse siis, kui laager peab töötama ka mõningase nurkkõrvalekaldega telje ja rummu vahel. Jne jne…
Laagrite kvaliteeti ja tööiga mõjutavatest teguritest on kõrvalseisjal sageli raske aru saada. Laagrid töötavad üldiselt ka mitteideaalsetes tingimustes, kuid mõnikord nad ütlevad kiiresti ja lausa müstiliselt kiiresti üles isegi minimaalsete probleemide tõttu päris ideaalsetes tingimustes. Näiteks statsionaarse koormuse korral võivad väikesedki vibratsioonid pressida järk-järgult välja määrdeaine kuulide/rullide ja laagri võrude vahelt, aga ilma määrdeta langevad laagrid rivist välja isegi seistes. Samas võib laager üles öelda ka liigse määrimise korral. Või vee sattumise puhul määrdeainesse. Siiski saab välja tuua kolm peamist põhjust, mis limiteerivad laagri tööiga ja koormustaluvust. Nendeks on abrasioon, metalli väsimus ja survest põhjustatud keevitus.
Abrasiooni tekitab kõva saasteaine, näiteks liiv, mis satub laagrisse.
Metall väsib, kui teda on korduvalt koormatud ja seejärel vabastatud surve alt. Kui kuul või rull puudutab võru pinda, siis leiab alati aset mingi deformatsioon ja lõpuks ka väsimine. Väiksemad kuulikesed deformeeruvad enam ja kalduvad seepärast ka kiiremini väsima.
Survekeevitus esineb siis, kui kaks metallitükki viiakse kokku väga suure surve all. Piisab mikroskoopilistest konarustest (füüsikaseaduste kohaselt on rõhk/surve pöördvõrdeline pinna suurusega, millele jõud mõjub!). Suur surve pressib nendes kohtades määrdeaine eemale ja imeväikesed metalli pinnad puutuvad üksteise vastu ning ühinevad. Veeremise jätkudes rebitakse enamasti need ühendused lahti, kuid mõnikord võivad kuulid/rullid jäädagi nagu keevitatult võru külge.
Laagrite vastupidavus sõltub ka nende disainist ja mõõtmetest. Väiksemad veerevad elemendid on kergemad, mistõttu nad tekitavad väiksemat pöördemomenti, mis on laagrites surve kõrval teine olulisem koormusfaktor, kuid samal ajal väiksemad kuulid/rullid deformeeruvad kergemini.
Loomulikult määrab palju materjali kvaliteet. See peab olema homogeenne ja hästi kõva, et ta ei kriimustuks ega kuluks abrasiooni tõttu. Kuid kõvad materjalid on üldiselt ka rabedamad ja pragunevad kergemini. Enamasti kasutatakse laagrite valmistamiseks rahvusvahelise standardi järgi terasesorti 52100, mis sisaldab 1% kroomi ja 1% süsinikku, ning mida muudetakse väga kõvaks karastamisega (kuumutamine 843 °C juures ja jahutamine õlivannis) ning seejärel ka tugevaks temperdamisega (kuumutamine 150 °C juures ja jahutamine õhus).
Surve, mida kiiresti pöörlevad kuulid avaldavad laagri välimisele võrule, tuleneb ka tsentrifugaaljõust, see aga omakorda sõltub kuulide kaalust. Teraskuulid on rasked, aga kust leida neile kergemat asendajat? Selleks on keraamilised kuulid, mis on kuni 40% kergemad ja võimaldavad seetõttu suurendada laagrite pöörlemiskiirust 20–40%. Nende valmistamiseks kasutatakse räninitriidi (Si3N4), mis on väga kõva ja suhteliselt vähe rabe.
Laagrite valmistamisel tuleb lähtuda seadme eripärast ja seal valitsevatest tingimustest. Näiteks USA kosmosesüstiku vedela hapniku paagi pumbas ei tohi kasutada mingit määrdeainet, sest see süttiks kokkupuutel hapnikuga. Et aga paagid koos nende pumpadega heidetakse pärast starti nagunii minema, siis selle lühikese aja peavad laagrid vastu ka ilma määrdeta (seda asendab mingil määral ka sinna imbuv vedel hapnik ise).
Laagrite arengus on jõutud ka täiesti uute lahendusteni. Nendeks on fluidumlaagrid, kus üksteise suhtes liikuvad pinnad ei puutu üldse kokku, sest nende vahel on surve all olev vedelik või gaas. Seetõttu on nad märksa sujuvamad ja vaiksemad kui mehaanilised laagrid. Tänu sellistele laagritele võib meie töölaual arvuti kõvaketas teha 7000 pööret sekundis peaaegu kuulmatult.
Kõige moodsamateks laagriteks tuleks vast pidada magnetlaagreid, milles sise- ja välisvõru vahel indutseeritakse elektrivoolu abil võlli toetav magnetväljapadi, mille põhimõte on analoogne magnethõljukites kasutatavaga. Nende puhul on hõõrdumisest juba peaaegu täielikult vabanetud.

Energiat saab lihtsalt säästa
Seoses üha enam pingestuva olukorraga energeetikasfääris ja vajadusega pidurdada atmosfääri saastumist on viimaste arendustööde tulemusena jõutud uute, juba tänavu turule jõudvate eriti energiasäästlike süvasoonega kuul- ja koonusrull-laagriteni. Need suudavad säästa kuni 30% energiast, mis tavaliselt kulub hõõrdumise ületamiseks ning muundub tülikaks soojuseks. Kuidas seda saavutati? Peamiselt tänu laagri sisegeomeetria muutmisele. Süvendati kuulide jooksusoone sügavust, võeti kasutusele kergemad polümeerist separaatorid ning libedam määrdeaine. Samas säilitati laagrite asendatavuse huvides ISO-standardile vastavad välis- ja siseava diameetrid.
Mootoritega käivitatavad seadmed, nagu pumbad, kompressorid, ventilaatorid jms, kulutavad 16% kogu tööstuses tarbitavast energiast. See moodustab ainuüksi USAs ja ELis kokku 1,36 triljonit kWh aastas. Samas näiteks elektrimootorite efektiivsuse tõstmise otseseim tee oleks vähendada neis hõõrdumist, mis praegu põhjustavad energiakadusid 8,2 miljardit kWh aastas. Valdavas osas nendest seadmetest on kasutusel vanatüübilised laagrid, mida saaks lihtsalt asendada süvasoonega kuullaagritega. Tehes seda ainuüksi USAs ja ELis, oleks võimalik aastas säästa kuni 2,45 miljardit kWh.
Uutes energiasäästu koonusrull-laagris on modifitseeritud jooksurenni kõrval vähendatud ka rullide arvu, mille tõttu on vähenenud ka veerevate osade kaal 10% võrra. Väiksem veerevate rullide mass tähendab loomulikult ka väiksemat energiakulu. Need laagrid on oma efektiivsust juba tõestanud tuuleelektrijaamade reduktorisõlmedes. Kui nende sõlmede kõik viis paari laagreid asendada uudse konstruktsiooniga kaherealiste koonusrull-laagritega, võib see tähendada täiendavat 20 000 kWh aastas ühe tuulegeneraatori kohta.
SKF energiasäästlike tehniliste lahenduste seas seisavad tähtsal kohal ka uudsed elektromehaanilised aktuaatorid, mis võivad edukalt asendada seniseid laialt levinud pneumaatilisi ja hüdraulilisi aktuaatoreid (TM, 10/2006). Need võivad säästa kuni 90% nende töökohal kulutatavast energiast ja parandada ühtlasi ka teisi olulisi efektiivsusnäitajaid nagu jõud, kiirus, kiirendus ja positsioneerimise täpsus. Ainuüksi autotööstuses keevitusrobotite asendamisel aktuaatoritega säästetaks 13,5 miljonit kWh energiat aastas. Elektromehaaniliste aktuaatoritega lennuk säästab kogu lennuki tööea jooksul kuni miljon liitrit kütust, aga nendega juhitav päikesekiirguse tõkestusseadmete süsteem Euroopa Komisjoni hoonel Brüsselis vähendab hoone ventilatsioonisüsteemi energiakulutusi 50% suvel ja küttekulutusi 30–35% talvel.
Põhimõttelisi veerelaagreid on kasutatud ka väljaspool pöörlevate osadega masinaid. Näiteks uus maavärisemiskindel lennujaamahoone San Franciscos, mis toetub oma 267 tugisambaga 1,5 m läbimõõduga kuulidele. Maavärisemise korral võivad need kuulid nõgusal tugipinnal nihkuda suvalises suunas kuni 50 cm ja sellega isoleerida maa liikumise hoone liikumisest.

Sarnased artiklid