Diagnose von Lagerdefekten
Lagerdefekte sind mikroskopische oder makroskopische Fehler – Risse, Abplatzungen oder Vertiefungen – an den Laufflächen eines Wälzlagers. Da Wälzlager für die meisten rotierenden Maschinen von grundlegender Bedeutung sind und häufig eine Fehlerquelle darstellen, ist die frühzeitige Erkennung dieser Fehler eine der wichtigsten Aufgaben in Schwingungsanalyse. Ein Defekt verursacht bei jedem Überrollen durch einen Wälzkörper einen sich wiederholenden, periodischen Aufprall, und genau diese Periodizität macht den Fehler im Spektrum lange bevor das Lager überhitzt oder Geräusche macht.
1. Die Art der Lagerdefekte
Ein typisches Wälzlager besteht aus vier Teilen: einem Außenring, einem Innenring, einem Satz Kugeln oder Rollen sowie einem Käfig, der die Elemente in gleichmäßigen Abständen hält. Ein Defekt ist ein Fehler an einer dieser Oberflächen. Wenn ein Wälzkörper darüber rollt, erzeugt der Kontakt einen kleinen, scharfen, hochfrequenten Schlag – ein „Klicken“. Ein einzelnes Klicken enthält nur sehr wenig Energie, doch die Stöße wiederholen sich bei jedem Durchlauf und erzeugen so ein stark periodisches Signal. Die Schwingungsanalyse eignet sich hervorragend, um diese Art von wiederholten Stößen zu erkennen, weshalb ein verschleißendes Lager bereits Monate im Voraus erkannt werden kann und nicht erst im Moment des Festfressens.
2. Die vier grundlegenden Fehlerfrequenzen
Das Grundprinzip der Lagerdiagnostik besteht darin, dass bei einer bestimmten Lagergeometrie und Wellendrehzahl die Stöße mit ganz bestimmten, vorhersehbaren Frequenzen auftreten. Diese Lagerfehlerfrequenzen sind:
- BPFO (Kugelpassfrequenz, Außenring): die Frequenz, mit der Wälzkörper einen einzelnen Punkt auf dem feststehenden Außenring passieren. Dies ist die am häufigsten beobachtete Lagerdefektfrequenz.
- BPFI (Kugelpassfrequenz, Innenring): die Frequenz, mit der Elemente einen Punkt auf dem Innenring passieren. Da sich der Innenring mit der Welle dreht, ist der BPFI höher als der BPFO.
- BSF (Kugelrotationsfrequenz): die Frequenz, mit der sich ein Wälzkörper um seine eigene Achse dreht. Ein BSF-Defekt zeigt oft Energie beim Doppelten dieser Frequenz, da der Fehler bei jeder Umdrehung des Wälzkörpers beide Laufringe berührt.
- FTF (Käfigfrequenz): die Drehfrequenz des Käfigs oder „Käfigsatzes“. Es handelt sich um eine sehr niedrige Frequenz, typischerweise weniger als das 0,5-Fache der Betriebsdrehzahl.
Diese Werte hängen von der Geometrie des Lagers – Teilkreisdurchmesser, Rollkörperdurchmesser, Kontaktwinkel und Anzahl der Elemente – sowie von der Wellendrehzahl ab. Schwingungsanalysesoftware verfügt in der Regel über eine umfangreiche Lagerdatenbank und berechnet diese Werte automatisch; sie können auch direkt mit einer Rechner für Lagerdefektfrequenzen wenn die Artikelnummer oder die Abmessungen des Lagers bekannt sind.
3. Wie Lagerdefekte im Spektrum erscheinen
Ein sich entwickelnder Defekt hinterlässt ein charakteristisches Muster in der FFT-Spektrum:
- Hochfrequenzspitzen: Die Störfrequenz selbst (zum Beispiel BPFO) zeigt sich als Spitze weit oben im Frequenzbereich, abseits der Rotationsspitzen niedrigerer Ordnung.
- Obertöne: Die scharfe, impulsartige Art der Schläge erzeugt in der Regel mehrere Oberwellen – exakte Vielfache – der Fehlfrequenz, und eine lange Reihe davon deutet auf einen gut ausgeprägten Defekt hin.
- Seitenbänder: Dies ist der entscheidende diagnostische Marker. Der Spitzenwert der Fehlerfrequenz wird typischerweise von Seitenbändern flankiert, deren Abstand dem 1-fachen der Laufgeschwindigkeit entspricht. Ein BPFO-Spitzenwert mit 1-fachen Seitenbändern ist ein klassisches Anzeichen für einen Außenringdefekt, während ein Innenringdefekt (BPFI) fast immer 1-fache Seitenbänder aufweist, da sich der rotierende Fehler einmal pro Umdrehung in die Belastungszone des Lagers hinein- und wieder herausbewegt und so die Aufprallkraft moduliert.
In den frühesten Stadien sind diese Spitzen klein und gehen leicht im Rauschpegel des Spektrums unter, weshalb in der Regel eine spezielle Erkennungstechnik zum Einsatz kommt.
4. Envelope-Analyse zur Früherkennung
Hüllkurvenanalyse, auch Demodulation genannt, ist die leistungsfähigste Methode zur Erkennung von Lagerschäden im Frühstadium. Es handelt sich um ein Verfahren der Signalverarbeitung, bei dem die niederfrequenten, energiereichen Schwingungen aus Quellen wie Unwucht und Fehlausrichtungund konzentriert sich dann ausschließlich auf die hochfrequenten, energiearmen Stöße, die der Fehler erzeugt. Die sich wiederholenden Stöße versetzen die Struktur in Schwingung mit ihren Eigenfrequenzen, und durch Hüllkurvenverarbeitung wird die Wiederholungsrate dieser Schwingungen extrahiert.
Das Ergebnis Hüllkurvenspektrum ist bemerkenswert „übersichtlich“ und zeigt die Frequenzen der Lagerfehler sowie deren Oberschwingungen deutlich vor einem ruhigen Hintergrund an. Dies ermöglicht eine Erkennung Monate – manchmal sogar Jahre – bevor das Lager andernfalls ausfallen würde, wodurch genügend Vorlaufzeit entsteht, um einen planmäßigen Austausch anstelle eines Notausfalls zu ermöglichen.
5. Bestätigung der Diagnose vor Ort
Eine fundierte Lagerbeurteilung beruht darauf, die gemessenen Spitzenwerte mit den berechneten Fehlerfrequenzen abzugleichen und das erwartete Seitenbandmuster zu bestätigen, idealerweise untermauert durch ein Hüllkurvenspektrum und einen deutlichen Aufwärtstrend bei aufeinanderfolgenden Messungen. Ein tragbares Zweikanal-Messgerät wie das Balanset-1A ermöglicht es einem Ingenieur, das Spektrum der Maschine bei Betriebsdrehzahl an den jeweiligen Lagern zu erfassen, sodass ein vermuteter Lagerschaden vor Ort anhand der vorhergesagten Frequenzen überprüft werden kann. Es lohnt sich auch, ähnliche Störgeräusche auszuschließen: strukturelle Lockerheit Sowohl Rollkörperfehler als auch andere Fehler können Breitbandenergie verursachen, doch nur ein echter Lagerdefekt lässt sich den Fehlerfamilien BPFO, BPFI, BSF oder FTF zuordnen.
