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Lebensdauer und Tragfähigkeiten der verschiedenen Lagertypen wurden in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter gesteigert Dafür sorgten stark verbesserte Materialqualität, optimierte Fertigungsverfahren und lückenlose Qualitätskontrollen Lebensdauer und Tragfähigkeiten der verschiedenen Lagertypen wurden in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter gesteigert. Dafür sorgten stark verbesserte Materialqualität, optimierte Fertigungsverfahren und lückenlose Qualitätskontrollen.

Wichtig und zahlreich: Wälzlager bestimmen die Zuverlässigkeit vieler Maschinen und Anlagen entscheidend mit.

Dennoch kommt es infolge externer Einflüsse immer wieder zu Beschädigungen von Lagern.
Je früher diese Defekte erkannt werden, desto geringer sind der Folgeschaden und damit die Folgekosten. Idealerweise werden Schäden schon im Frühstadium detektiert. Das bietet die Möglichkeit, die Bauteile bereits zu ersetzten, bevor die Funktionalität beeinträchtigt ist.

Insbesondere an schwer zugänglichen Standorten, etwa im Off-Shore Bereich, erfordert ein Service-Einsatz zudem immensen Aufwand an logistischer Planung und Vorbereitung. Aus diesen Gründen gehören Zustandsüberwachungen von Wälzlagern und anderen wichtigen Bauteilen bereits heute bei einer Reihe von Industrieanwendungen zum Standard. In einigen Branchen, etwa bei Windkraftanlagen, wird eine Zustandsüberwachung der Anlage von Versicherungen bzw. Zertifizierungsgesellschaften sogar verpflichtend gefordert.

Oberflächenschäden, wie sie etwa durch Misch- oder Grenzreibungsbedingungen, aber auch durch Eindrückungen von überrollten Partikeln bei externe verunreinigtem Schmierstoff entstehen können, führen zu verändertem Laufverhalten des Lagers. Bereits im Frühstadium können so sich anbahnende Schäden im geänderten Eigenschwingungsspektrum der Lager nachgewiesen und somit durch Überwachung des Laufverhaltens Lagerschäden erkannt werden. Da sich die Schadensfrequenzen der einzelnen Komponenten wie Lagerringe, Käfig oder Wälzkörper aufgrund unterschiedlicher Drehgeschwindigkeiten und Eigenschwingungen unterscheiden, lässt sich mithilfe einer Analyse der gemessenen Frequenzen der Schaden einzelnen Komponenten zuzuordnen. So wird eine Beschädigung am Außenring eine andere Frequenz generieren als ein Käfigschaden oder ein nicht intakter Wälzkörper.
Durch Überwachung verschiedener Betriebsparameter wie Drehzahl, Temperatur und Schwingungen können mit geeigneten Analysemethoden die angeregten Eigenschwingungen nachgewiesen werden. Verformungen an den Laufflächen, wie sie durch den Einfluss von Schwingungen in Stillstandsphasen entstehen, führen ebenso zu einem veränderten Laufverhalten wie die typischen Riffelungen quer zur Laufrichtung die infolge von Stromdurchgang entstehen können.

Brennkrater infolge von Stromdurchgang

Hier nun ein Beispiel eines Schadens, der durch hochfrequenten Stromdurchgang hervorgerufen wurde. Beim Stromfluss durch die metallischen Bauteile entstehen, lokal begrenzt, sehr hohe Temperaturen. Sie reichen in der Regel aus, um lokale Brennkrater in den Laufbahnen der Ringe und auf den Wälzkörperoberflächen entstehen zu lassen. Durch diese Brennkrater, die typischerweise lediglich eine Ausdehnung von einigen wenigen Mikrometern haben, werden die Laufflächen aufgeraut. Das Erscheinungsbild einer durch Stromdurchgang geschädigten Lauffläche ist vergleichbar mit dem Aussehen einer, durch feinste, harte Partikel abrasiv verschlissenen Lauffläche. Mit bloßen optischen Hilfsmitteln lässt sich der Unterschied gar nicht feststellen. Im weiteren Betrieb kann es aufgrund der durch Rauhigkeiten veränderten inneren Geometrien und, begünstigt durch äußere Einflüsse, zu Schwingungen kommen.

Diese erzeugen dann auf den Laufbahnen ein typisches, periodische Laufbild in Form fühlbarer, waschbrettartiger Strukturen. Die daraus resultierenden Schwingungen lassen sich durch Zustandsüberwachung nachweisen. Darüber hinaus kommt es aufgrund der Temperaturentwicklung zu Neuhärtungen des ursprünglichen Gefüges und zu einer deutlich beschleunigten Alterung des Schmierstoffes.
Zur Überwachung einer kompletten Anlage werden an unterschiedlichen Stellen wie Motor, Wellen, Getriebe oder Kupplungen verschiedenartige Sensoren montiert. Diese zeichnen Parameter wie Temperaturen oder Schwingungen kontinuierlich auf und werten sie aus. Werden die Messwerte fortlaufend ausgewertet und verglichen, so lässt sich frühzeitig eine Veränderung aufgrund eines sich anbahnenden Lagerschadens erkennen.

Kolloquium

AKIDA 2012
Seit 16 Jahren ist es das Ziel des Aachener Kolloquium für Instandhaltung, Diagnose und Anlagenüberwachung AKIDA, alle zwei Jahre eine Plattform für den regen und konstruktiven Austausch zwischen Industrie und Forschung anzubieten. AKIDA hat sich dabei zum bedeutendsten Kolloquium im Bereich der Anlagenüberwachung und Instandhaltung im deutschsprachigen Raum entwickelt.
Auch 2012 treffen sich Fachleute aus den Industriezweigen Montanindustrie, Hütten- und Walzwerkstechnik, der Windenergie sowie Vertreter der Universitäten auf dem AKIDA, um sich über Trends und Neuentwicklungen zu informieren, aber auch um über aktuelle Problemstellungen zu diskutieren und Anstöße zu neuartigen Lösungskonzepten zu geben.  Das 9. Aachener Kolloquium für Instandhaltung, Diagnose und Anlagenüberwachung (AKIDA)  findet am 14. und 15.11.2012 in Aachen statt.

Ein Anstieg der Werte deutet dabei auf eine Veränderung am System hin. Dies kann zu einer intensiveren Beobachtung, etwa durch Verkürzung der Messintervalle, führen. Übersteigen die Messwerte letztendlich einen vorher definierten Grenzwert, kann dies zu einer außerplanmäßigen Wartung führen, bei der schadhafte Lager getauscht werden, um so Folgeschäden und somit unnötig lange Stillstände zu vermeiden.
Überschreitet das Summensignal den festgelegten Grenzwert, so erlaubt erst eine detaillierte Analyse der einzelnen beteiligten Frequenzen einen exakten Aufschluss über die Art des Schadens. Je nach Lagergeometrie (Lagertype, Größe, Anzahl der Wälzkörper, Käfigausführung, etc.) und beschädigten Wälzlagerbauteilen (Innenring, Käfig, Wälzkörper, etc.) werden unterschiedliche Frequenzen zum Signal beitragen. Aufgrund der aufgerauten Oberfläche entstanden während des Betriebs Schwingungen, die in der Messung detektiert und analysiert wurden. Nach der Demontage des Lagers wegen der Auffälligkeit bei der Zustandsüberwachung erfolgte die Zerlegung und Untersuchung des Lagers. Ursächlich für die Veränderung der Lageroberfläche war hier ein andauernder hochfrequenter Stromdurchgang durch das Wälzlager.

Die durch hohe Temperaturen hervorgerufenen Materialveränderungen sowie die beschleunigte Alterung des Schmierstoffs hätten bei weiterem Betrieb unweigerlich zu einem stärker ausgeprägtem Lagerschaden geführt. Durch frühzeitige Detektion war es jedoch möglich, den Motor außer Betrieb zu nehmen und das schadhafte Lager zu ersetzen – noch bevor es durch eine komplette Zerstörung des Lagers zu weiteren Schäden gekommen wäre.

Dr. Ralph Werner

Kontakt:
Solution Factory Schweinfurt, SKF
Tel.: 09721562843