Diagnose von Lagerdefekten

1. Die Art der Lagerdefekte

Wälzlager sind grundlegende Komponenten in den meisten rotierenden Maschinen, stellen aber auch eine häufige Fehlerquelle dar. Ein typisches Lager besteht aus einem Außenring, einem Innenring, einem Satz Kugeln oder Rollen und einem Käfig, der den Abstand zwischen den Lagern aufrechterhält. Ein „Defekt“ ist ein mikroskopischer oder makroskopischer Fehler, wie beispielsweise ein Riss, ein Abplatzer oder ein Loch, auf einer dieser Oberflächen.

Wenn ein Wälzkörper über einen Defekt fährt, erzeugt er einen kleinen, hochfrequenten Aufprall oder „Klick“. Ein einzelner Aufprall hat zwar nur eine geringe Energie, diese Aufpralle treten jedoch wiederholt auf. Schwingungsanalyse ist außergewöhnlich effektiv bei der Erkennung dieser wiederholten, periodischen Stöße, lange bevor das Lager zu überhitzen beginnt oder hörbare Geräusche erzeugt.

2. Die vier grundlegenden Fehlerfrequenzen

Der Schlüssel zur Diagnose von Lagerdefekten liegt in der Kenntnis, dass die Stöße bei einer gegebenen Lagergeometrie und Drehzahl mit ganz bestimmten, vorhersehbaren Frequenzen auftreten. Diese werden als Grundfehlerfrequenzen bezeichnet:

• BPFO (Kugeldurchlauffrequenz, Außenring): Die Geschwindigkeit, mit der die Wälzkörper einen einzelnen Punkt auf dem Außenring passieren. Dies ist die häufigste Lagerdefektfrequenz.
• BPFI (Kugeldurchlauffrequenz, Innenring): Die Geschwindigkeit, mit der die Wälzkörper einen einzelnen Punkt auf dem Innenring passieren. Da sich der Innenring dreht, ist diese Frequenz höher als die BPFO.
• BSF (Ballspinfrequenz): Die Frequenz, mit der sich ein Wälzkörper um seine eigene Achse dreht.
• FTF (Grundfrequenz des Zuges): Die Rotationsfrequenz des Lagerkäfigs. Dies ist eine sehr niedrige Frequenz, typischerweise weniger als 0,5X die Laufgeschwindigkeit.

Diese Frequenzen lassen sich anhand der Lagerabmessungen (z. B. Teilkreisdurchmesser und Kugeldurchmesser) und der Drehzahl der Welle berechnen. Schwingungsanalysesoftware verfügt in der Regel über eine umfangreiche Lagerdatenbank und kann diese Frequenzen automatisch berechnen.

3. Wie Lagerdefekte im Spektrum erscheinen

Bei einem Lagerdefekt erscheint die Fehlerhäufigkeit in der FFT-Spektrum in einem charakteristischen Muster:

• Hochfrequenzspitzen: Die Fehlerfrequenz selbst (z. B. BPFO) erscheint als Spitze im Hochfrequenzbereich des Spektrums.
• Obertöne: Oftmals treten mehrere Harmonische (Vielfache) der Fehlerfrequenz auf.
• Seitenbänder: Dies ist ein wichtiges diagnostisches Merkmal. Die Frequenzspitze eines Lagerfehlers weist häufig Seitenbänder auf, die im Abstand von der einfachen Laufgeschwindigkeit liegen. Beispielsweise ist eine BPFO-Spitze mit einfachen Seitenbändern ein klassisches Anzeichen für einen Defekt am Außenring. Ein Defekt am Innenring (BPFI) weist fast immer einfache Seitenbänder auf, da der Defekt in die Lastzone der Maschine hinein und wieder heraus rotiert.

In den frühen Stadien können diese Spitzen im Grundrauschen des Spektrums verborgen sein. Aus diesem Grund werden zur Erkennung häufig spezielle Techniken verwendet.

4. Hüllkurvenanalyse zur Früherkennung

Hüllkurvenanalyse (auch Demodulation genannt) ist die wirksamste Technik zur Früherkennung von Lagerdefekten. Es handelt sich um eine Signalverarbeitungsmethode, die niederfrequente, energiereiche Schwingungen (durch Unwucht usw.) herausfiltert und sich nur auf die hochfrequenten, niederenergetischen Stöße konzentriert, die durch den Lagerfehler verursacht werden.

Das Hüllkurvenspektrum ist sehr „sauber“ und zeigt deutlich die Lagerfehlerfrequenzen und ihre Harmonischen, sodass eine Erkennung Monate oder sogar Jahre vor dem Lagerausfall möglich ist.

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