Was sind Lagerfehlerfrequenzen? Fehlererkennung • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was sind Lagerfehlerfrequenzen? Fehlererkennung • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was sind Lagerfehlerhäufigkeiten? Fehlererkennung

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Verständnis der Lagerfehlerhäufigkeiten

Definition: Was sind Lagerfehlerhäufigkeiten?

Lagerfehlerhäufigkeiten (auch Lagerdefektfrequenzen oder charakteristische Frequenzen genannt) sind spezifische Vibration Frequenzen, die entstehen, wenn Wälzkörper (Kugeln oder Rollen) in einem Lager über Defekte wie Risse, Absplitterungen oder Vertiefungen an den Laufbahnen oder den Wälzkörpern selbst laufen. Diese Frequenzen sind mathematisch vorhersagbar, basierend auf der Lagergeometrie und der Drehzahl der Welle, und sind daher wertvolle Diagnoseindikatoren für die Früherkennung von Lagerdefekte.

Verstehen und Identifizieren dieser Frequenzen durch Schwingungsanalyse ermöglicht es dem Wartungspersonal, Lagerprobleme Monate vor dem Auftreten von Temperaturanstieg, Geräuschen oder katastrophalen Ausfällen zu erkennen. Dies ermöglicht eine geplante Wartung und verhindert kostspielige ungeplante Ausfallzeiten.

Die vier grundlegenden Fehlerfrequenzen

Jedes Wälzlager weist vier charakteristische Fehlerhäufigkeiten auf, die jeweils einer anderen Art von Defekt entsprechen:

1. BPFO – Kugeldurchgangsfrequenz, Außenring

Die Geschwindigkeit, mit der Wälzkörper einen festen Punkt auf dem Außenring passieren:

  • Physikalische Bedeutung: Wenn ein Defekt am Außenring vorliegt, stößt jedes Wälzelement beim Vorbeilaufen daran und erzeugt einen wiederholten Aufprall
  • Typischer Wert: 3-5× Wellengeschwindigkeit für die meisten Lager
  • Formel: BPFO = (N × n / 2) × (1 + (Bd/Pd) × cos β)
  • Am häufigsten: Außenringdefekte sind die häufigste Lagerausfallursache
  • Lastzoneneffekt: Stationärer Außenring bedeutet, dass sich der Defekt in konstanter Position im Verhältnis zur Last befindet

2. BPFI – Kugeldurchgangsfrequenz, Innenring

Die Geschwindigkeit, mit der Wälzkörper einen festen Punkt auf dem Innenring passieren:

  • Physikalische Bedeutung: Der Innenring dreht sich mit der Welle, so dass jedes Wälzelement beim Passieren einen Defekt am Innenring trifft.
  • Typischer Wert: 5-7× Wellengeschwindigkeit für die meisten Lager
  • Formel: BPFI = (N × n / 2) × (1 – (Bd/Pd) × cos β)
  • Höher als BPFO: Immer höhere Frequenz als BPFO für dasselbe Lager
  • Seitenbänder: Zeigt fast immer 1× Seitenbänder durch Lastzonenmodulation

3. BSF – Ballspinfrequenz

Die Rotationsfrequenz eines Wälzkörpers, der sich um seine eigene Achse dreht:

  • Physikalische Bedeutung: Wenn ein Wälzkörper defekt ist, wirkt sich dies auf beide Laufringe mit dieser Frequenz aus
  • Typischer Wert: 1,5-3× Wellengeschwindigkeit
  • Formel: BSF = (Pd / Bd) × (n / 2) × [1 – (Bd/Pd)² × cos² β]
  • Am wenigsten verbreitet: Wälzkörperdefekte sind seltener als Laufringdefekte
  • Komplexes Muster: Der Defekt berührt beide Laufbahnen und erzeugt eine komplexe Vibrationssignatur

4. FTF – Fundamentale Zugfrequenz

Die Rotationsfrequenz des Lagerkäfigs (Käfig):

  • Physikalische Bedeutung: Geschwindigkeit, mit der sich der Käfig dreht und dabei Wälzkörper um das Lager trägt
  • Typischer Wert: 0,35–0,45 × Wellendrehzahl (subsynchron)
  • Formel: FTF = (n / 2) × (1 – (Bd/Pd) × cos β)
  • Käfigdefekte: Abgenutzte oder beschädigte Käfige erregen diese Frequenz
  • Instabilitätsanzeige: Kann auch bei lagerbedingten Rotorinstabilitäten auftreten

Erläuterung der Formelvariablen

Die Formeln für die Fehlerhäufigkeit verwenden die folgenden geometrischen Lagerparameter:

  • N = Anzahl der Wälzkörper (Kugeln oder Rollen)
  • n = Wellendrehfrequenz (Hz) oder Geschwindigkeit (U/min)
  • Bd = Kugel- bzw. Rollendurchmesser
  • Pd = Teilkreisdurchmesser (Durchmesser des Kreises durch die Mittelpunkte der Wälzkörper)
  • β = Kontaktwinkel (Winkel zwischen Lastrichtung und Lagerachse, typischerweise 0–40°)

Die meisten Schwingungsanalyseprogramme enthalten Lagerdatenbanken mit diesen Parametern, die für Tausende von Lagermodellen vorberechnet sind.

Wie Fehlerfrequenzen in Schwingungsspektren erscheinen

Grundlegendes Erscheinungsbild

Wenn ein Lager einen Defekt entwickelt:

  • Primärer Peak: Die Fehlerfrequenz erscheint als deutliche Spitze in der Frequenzspektrum
  • Obertöne: Mehrere Harmonische (2×, 3×, 4×) der Fehlerfrequenz erscheinen, wenn sich der Defekt verschlimmert
  • Seitenbänder: Bei Innenring- und Wälzkörperdefekten sind 1× Seitenbänder um die Fehlerfrequenz üblich
  • Amplitudenwachstum: Die Amplitude der Fehlerfrequenz nimmt mit fortschreitendem Defekt zu

Seitenbandmuster

Seitenbänder liefern wichtige diagnostische Informationen:

  • Defekte im Innenring: BPFI mit ±1×, ±2× Seitenbändern (Defekt rotiert in/aus der Lastzone)
  • Defekte am Außenring: BPFO kann 1× Seitenbänder haben, wenn sich der Außenring leicht drehen kann
  • Wälzkörperdefekte: BSF mit Seitenbändern im FTF-Abstand (Käfigfrequenzmodulation)
  • Seitenbandabstand: Identifiziert, welche Komponente defekt ist

Frühes vs. spätes Stadium

  • Frühes Stadium: Kleine Spitzen knapp über dem Grundrauschen, erfordern möglicherweise Hüllkurvenanalyse erkennen
  • Mittleres Stadium: Klare Spitzen mit Harmonischen und Seitenbändern in der Standard-FFT
  • Fortgeschrittenes Stadium: Sehr hohe Amplitude, zahlreiche Harmonische, breitbandige Rauschzunahme
  • Spätes Stadium: Das Spektrum wird chaotisch mit erhöhtem Grundrauschen und zahlreichen Spitzen

Erkennungstechniken

Standard-FFT-Analyse

  • Berechnen Sie FFT des Vibrationssignals
  • Suchen Sie nach Spitzen bei berechneten Lagerfrequenzen
  • Wirksam bei mittelschweren bis fortgeschrittenen Defekten
  • Möglicherweise werden im Rauschen verborgene Defekte im Frühstadium übersehen

Hüllkurvenanalyse (am effektivsten)

Hüllkurvenanalyse (Demodulation) ist der Goldstandard für die Lagerdefekterkennung:

  • Filtert niederfrequente, energiereiche Vibrationen heraus (durch Unwucht usw.)
  • Konzentriert sich auf hochfrequente Stöße durch Lagerdefekte
  • Kann Fehler 6–12 Monate früher erkennen als Standard-FFT
  • Das Hüllkurvenspektrum zeigt deutlich Fehlerfrequenzen und -muster

Zeitbereichstechniken

  • Stoßimpulsmethode (SPM): Erkennt Aufprallenergie von Defekten
  • Crest-Faktor: Verhältnis von Spitze zu Effektivwert, steigt mit der Einwirkung
  • Kurtosis: Statistisches Maß für Impulsivität, empfindlich gegenüber frühzeitigen Lagerschäden

Praktische Anwendung

Diagnoseverfahren

  1. Lager identifizieren: Lagermodell und -standort bestimmen
  2. Frequenzen berechnen: Verwenden Sie die Lagergeometrie, um BPFO, BPFI, BSF, FTF zu berechnen (oder suchen Sie in der Datenbank nach).
  3. Erfassen von Vibrationsdaten: Messen Sie am Lagergehäuse mit Beschleunigungsmesser
  4. Spektrum analysieren: Suchen Sie nach berechneten Frequenzen im FFT- oder Hüllkurvenspektrum
  5. Diagnose bestätigen: Prüfen Sie auf Harmonische und Seitenbänder, die mit dem Defekttyp übereinstimmen
  6. Schweregrad einschätzen: Amplitude und Oberwellengehalt zeigen das Stadium des Defektverlaufs an
  7. Aktion planen: Planen Sie den Lageraustausch je nach Schweregrad und Gerätekritikalität

Beispieldiagnose

Motor mit SKF 6308-Lager, läuft mit 1800 U/min (30 Hz):

  • Berechnete Frequenzen: BPFO = 107 Hz, BPFI = 173 Hz, BSF = 71 Hz, FTF = 12 Hz
  • Im Hüllkurvenspektrum beobachtet: Spitze bei 173 Hz mit Obertönen bei 346 Hz, 519 Hz
  • Seitenbänder: ±30 Hz Seitenbänder um 173 Hz Spitze
  • Diagnose: Innenringdefekt bestätigt (BPFI mit 1× Seitenbändern)
  • Aktion: Planen Sie den Lageraustausch je nach Amplitude innerhalb von 2–4 Wochen ein

Bedeutung für die vorausschauende Wartung

  • Vorwarnung: Erkennen Sie Defekte 6–24 Monate vor dem Ausfall
  • Spezifische Diagnose: Identifizieren Sie, welche Lagerkomponente beschädigt ist
  • Trendüberwachung: Verfolgen Sie die Fehlerfrequenzamplituden, um die verbleibende Lebensdauer vorherzusagen
  • Geplante Wartungsarbeiten: Planen Sie den Austausch während einer geeigneten Ausfallzeit
  • Sekundärschäden verhindern: Ersetzen Sie das Lager, bevor ein katastrophaler Ausfall die Welle, das Gehäuse oder andere Komponenten beschädigt
  • Kosteneinsparungen: Vermeiden Sie Notreparaturen, Produktionsausfälle und Kollateralschäden

Lagerfehlerfrequenzen gehören zu den leistungsstärksten Diagnosewerkzeugen in der Schwingungsanalyse. Ihre mathematische Vorhersagbarkeit in Kombination mit modernen Hüllkurvenanalysetechniken ermöglicht die zuverlässige Früherkennung von Lagerdefekten und bildet den Grundstein für effektive prädiktive Wartungsprogramme für rotierende Maschinen.

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