Inzicht in defecten aan wentelelementen
Walsdefecten zijn beschadigingen, gebreken of onvolkomenheden in de kogels of rollen van een rollager. Hieronder vallen afgebroken stukjes aan het oppervlak, scheuren, ingebedde verontreinigingen, materiaalsluizen, corrosie en geometrische onvolkomenheden. Wanneer een beschadigde kogel of rol door het lager draait, raakt deze zowel de binnen- als de buitenring, waardoor trillingen bij de balspinfrequentie (BSF) met kenmerkende zijbanden spaced at the kooi- of fundamentele treinfrequentie (FTF). Defecten aan rollende elementen behoren tot de vier klassieke lokale lagerdefecten, naast fouten binnen de race, buiten de race en in de kooi.
Ze komen minder vaak voor dan defecten in de loopbanen en zijn verantwoordelijk voor ongeveer 10–15% van de lagerdefecten, maar wanneer ze zich voordoen, vertonen ze een kenmerkend, soms verwarrend patroon en kunnen ze snel uitmonden in een volledig lagerdefect. Omdat de storing met het element meedraait in plaats van op zijn plaats te blijven in de belastingszone, gedraagt de trilling zich anders dan bij een loopbaandefect — een eigenaardigheid die zowel een diagnostische aanwijzing is als een bron van hoofdbrekens bij het opsporen van trends.
1. Definitie: Wat zijn defecten aan rollende elementen?
Een rolelement — de kogel in een kogellager, de cilinder, naald of conische rol in een rollager — is het onderdeel dat tijdens het rollen daadwerkelijk de belasting tussen de twee loopvlakken opvangt. Het oppervlak ervan is een nauwkeurig bewerkt, doorgehard lagerstaaloppervlak dat geometrisch perfect moet blijven om soepel te kunnen rollen. Elke beschadiging van dat oppervlak, of deze nu in de staalfabriek is ontstaan of tijdens het gebruik is ontstaan, vormt een spanningsverhogende factor en een bron van schokken.
Telkens wanneer het defect op het element in contact komt met een loopring, ontstaat er een kleine impuls. Tijdens een volledige omwenteling van de kooi raakt het element één keer de buitenring en één keer de binnenring, dus een enkel defect genereert doorgaans twee stoten per omwenteling van het element — en dat is de reden waarom de tweede harmonische, 2×BSF, zo prominent aanwezig is in het spectrum. De herhalingsfrequentie van die stoten wordt bepaald door de geometrie van het lager (kogeldiameter, steekcirkel, contacthoek en aantal elementen), waardoor de fout een berekenbare kenmerkende frequentie krijgt die onmiskenbaar verschilt van bedrijfssnelheid or its harmonischen.
2. Soorten defecten aan rollende elementen
Surface spalls
De meest voorkomende vorm van slijtage aan rollende elementen. Door vermoeidheid als gevolg van rolcontact breekt er een stukje materiaal los van het oppervlak, waardoor een kuiltje of putje ontstaat. Deze afgebroken stukjes hebben in het begin doorgaans een diameter van 0,5–3 mm, maar worden groter naarmate de scherpe randen van de holte tegen de loopvlakken stoten en zo nog meer materiaal afbreken. Elke keer dat het afgebroken stukje over een loopvlak schuift, ontstaat er een schok, die trillingen veroorzaakt bij BSF en vaak een dominante 2×BSF. (Zie afbrokkeling (voor het onderliggende vermoeidheidsmechanisme.)
Scheuren
Scheuren ontstaan door overbelasting, stootschade of materiaalmoeheid en kunnen zich aan het oppervlak of onder het oppervlak voordoen. Een scheur breidt zich uit totdat er een stuk afbreekt — op dat moment ontstaat er een afgebroken stuk. Scheuren zijn moeilijk op te sporen voordat dat gebeurt, en in ernstige gevallen kan een kogel breken en in stukken uiteenvallen, wat tot een plotseling catastrofaal falen leidt.
Materiële insluitsels
Een fabricagefout: vreemd materiaal of een luchtbel die in het lagerstaal is ingesloten. Deze insluitsels veroorzaken een spanningsconcentratie die tot vroegtijdige vermoeidheid leidt; dit is meestal pas waarneembaar wanneer er rondom het insluitsel afbrokkeling ontstaat. Schoon lagerstaal van hoge kwaliteit is de enige echte preventieve maatregel.
Ingebedde verontreiniging
Harde deeltjes — vuil, slijpkorrels, metaalspaanders — die in het oppervlak van het element worden gedrukt, vormen een oneffenheid die bij elke passage tegen de loopvlakken stoot. De inkeping fungeert bovendien als een spanningsconcentrator die een afbrokkeling kan veroorzaken. Het gevolg is trilling door stoten bij de BSF, en de hoofdoorzaak is vrijwel altijd onvoldoende afdichting of filtering, dezelfde reeks gebeurtenissen die wordt behandeld in lagersmering cleanliness.
Corrosie en vochtschade
Waterinsijpeling of condensatie veroorzaakt roestvlekken, putjes, en oppervlakteruwheid. Gecorrodeerde plekken fungeren als startpunten voor vermoeidheidsbreuken. Dit kan worden voorkomen door een goede afdichting en corrosiewerende smeermiddelen.
Brinelling en deukvorming
Schokbelasting — het laten vallen van het lager, schokken tijdens het hanteren of statische overbelasting — veroorzaakt blijvende deukjes in het oppervlak van het element. Ook bij stilstaande machines kan door trillingen valse brinelling ontstaan. Deze deukjes leiden tot schokken en spanningsconcentraties; zorgvuldige behandeling en een correcte montage bieden hier uitkomst.
3. Het trillingspatroon
Frequentiespectrum
Defecten in de rollende elementen veroorzaken een herkenbaar patroon in de trillingsspectrum:
- Hoofdfrequentie: BSF, doorgaans 2–3 keer de loopsnelheid.
- Sterke tweede harmonische: 2×BSF is vaak groter dan de fundamentele frequentie, omdat het defect bij elke elementrotatie beide banen raakt.
- Afstand tussen zijbanden: FTF (kooifrequentie) zijbanden — niet 1× zijbanden. Dit is het belangrijkste onderscheidende kenmerk ten opzichte van een fout binnen de race.
- Patroon: BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF enzovoort, waardoor een „pikethek“ van pieken ontstaat met een tussenruimte die overeenkomt met de kooifrequentie.
Omdat de impulsen kort en met hoge frequentie zijn, gaan ze meestal schuil in het ruwe spectrum en komen ze pas duidelijk naar voren na demodulatie. Envelopanalyse corrigeert en filtert het signaal met een banddoorlaatfilter om de herhalingsfrequentie bloot te leggen, en het resulterende enveloppespectrum is waar de BSF/FTF-familie het meest in het oog springt. De nauw verwante lagerfoutfrequenties voor de binnenste ring, de buitenste ring en de kooi maken het diagnostische instrumentarium compleet.
De vier soorten lagerdefecten onderscheiden
| Functie | Buitenring (BPFO) | Binnenring (BPFI) | Rolelement (BSF) |
|---|---|---|---|
| Hoofdfrequentie | BPFO (3–5×) | BPFI (5–7×) | BSF (2–3×) |
| Afstand tussen zijbanden | Geen of minimaal | ±1× (assnelheid) | ±FTF (kooisnelheid) |
| Amplitudestabiliteit | Relatief stabiel | Stabiel | Variabel (afhankelijk van de positie van de bal) |
| Voorkomen | Meest voorkomend (~40%) | Gemeenschappelijk (~35%) | Het minst vaak voorkomend (~10–15%) |
Variatie in amplitude
Een kenmerkend aspect van balafwijkingen is dat de gemeten amplitude tussen metingen door schommelt:
- Wanneer het defecte onderdeel door de belastingszone rolt, zijn de schokken krachtig en is de amplitude groot.
- Wanneer hetzelfde element zich aan de niet-belaste kant van het lager bevindt, is het contact gering en neemt de amplitude af.
- Deze modulatie wordt bepaald door de kooifrequentie (vandaar de FTF-zijbanden) en kan eenvoudige trending onregelmatig — maar juist het feit dat het niveau op en neer gaat, wijst op een storing in het rollende element.
4. Verloop en gevolgen
Ontwikkeling van defecten
- Initiatie: een kleine scheur aan het oppervlak of een insluiting onder het oppervlak.
- Micro-spall: er breekt een klein stukje materiaal af.
- Spall growth: De schokgolven aan de afgebroken randen verspreiden de schade.
- Meerdere afbrokkelingen: rondvliegend vuil schuurt het oppervlak op en veroorzaakt zo nog meer beschadigingen.
- Balfragmentatie: in ernstige gevallen barst een hele bal en valt uit elkaar.
- Volledige mislukking: het lager verliest zijn draagvermogen en loopt vaak vast.
Secundaire schade
- Schade aan loopbaan: het defecte onderdeel beschadigt zowel de binnenste als de buitenste loopring.
- Circulatie van puin: Afgebroken materiaal veroorzaakt driepuntsslijtage in het gehele lager.
- Kooischade: een opgeruwd onderdeel slijt de kooizakken.
- Snelle verslechtering: Zodra één onderdeel beschadigd raakt, volgen de andere al snel, waardoor er maar weinig tijd zit tussen het moment dat een storing wordt opgemerkt en het moment dat het systeem uitvalt.
5. Veelvoorkomende oorzaken
Productie- en materiaalfouten
- Interne insluitsels of holtes in het materiaal van het element.
- Een onjuiste warmtebehandeling die leidt tot onvoldoende of ongelijkmatige hardheid.
- Afwerkingsfouten.
- Geometrische onvolkomenheden, zoals bolvormige voorwerpen die niet rond zijn.
Schade door installatie
- Gevolgen bij het hanteren — het lager laten vallen of ertegen stoten.
- Brinelling door statische overbelasting, of valse brinelling door trillingen in stilstand.
- Verontreiniging die tijdens de montage is ontstaan, waardoor deeltjes in het oppervlak zijn terechtgekomen.
Gebruiksomstandigheden
- Onvoldoende smering leidt tot oppervlaktebeschadiging en microlassen.
- Overbelasting die vermoeidheid door rolcontact versnelt.
- Vreemde elektrische stroom die door het lager loopt, wat groeven en putjes veroorzaakt.
- Corrosieve omgevingen die de oppervlakken van de elementen aantasten.
- Verontreiniging door harde deeltjes die deukjes veroorzaakt.
6. Opsporing, diagnose en corrigerende maatregelen
Trillingsanalyse
- Bereken de BSF en FTF voor de specifieke lagergeometrie — a Calculator voor de frequentie van lagerdefecten zet het toerental van de as en de afmetingen van de lagers direct om in BPFO, BPFI, BSF en FTF.
- Zoek in het envelopspectrum naar de BSF-piek.
- Controleer het FTF-zijbandpatroon — dit is de meest betrouwbare manier om een defect aan de rollende elementen vast te stellen.
- Let op 2×BSF, waarvan de amplitude vaak groter is dan die van de grondtoon.
- Voer meerdere metingen uit; de verwachte variatie in amplitude is op zich al een bevestiging.
In de praktijk is deze hele reeks handelingen – het meten van het breedbandniveau, het vastleggen van het spectrum en het uitvoeren van een envelopanalyse – precies het soort peilingdiagnostiek waarvoor een draagbare tweekanaalsanalysator is ontworpen. De Balans-1a registreert het FFT-spectrum en de tijdgolfvorm van de lagers van de machine zelf bij bedrijfssnelheid, zodat een analist ter plaatse de BSF-familie en de bijbehorende FTF-zijbanden kan herkennen zonder de machine te demonteren, en vervolgens de schade kan classificeren met een tool zoals de Classificatiesysteem voor lagerschade (ISO 15243). Met hetzelfde instrument kunt u ook vaststellen of de peilingsfout daadwerkelijk bestaat en niet louter een meetartefact is, voordat u tot vervanging overgaat.
Visuele inspectie
- Demonteer het lager en inspecteer elke kogel of rol afzonderlijk.
- Zoek naar splinters, scheuren, ingebed materiaal en corrosie
- Voel of het oppervlak ruw is — gladde versus korrelige delen.
- Controleer de geometrische nauwkeurigheid (onrondheid).
- Maak van elk defect een foto voor het onderhoudsrapport.
Correctieve maatregelen en de onderliggende oorzaak
De eerste reactie is om de controlefrequentie te verhogen in overeenstemming met ernst van het defect, plan een lagervervanging en controleer de loopvlakken op bijkomende schade. De duurzame oplossing ligt in het achterhalen van de onderliggende oorzaak: bekijk de keuze en het draagvermogen van het lager, controleer of de smering toereikend is, spoor bronnen van verontreiniging op, evalueer de montageprocedure en overweeg een lager met betere specificaties als het lager voortijdig defect is geraakt. Deze bevindingen vervolgens verwerken in een gestructureerd conditiebewaking Het programma zorgt ervoor dat een eenmalige storing wordt voorkomen.
Hoewel defecten aan de rollende elementen minder vaak voorkomen dan defecten aan de loopvlakken, is voor een nauwkeurige diagnose een goed begrip van hun kenmerkende BSF-signatuur met FTF-zijbanden vereist. Vroegtijdige detectie door middel van envelopanalyse maakt gepland onderhoud mogelijk, lang voordat het defect uitmondt in ernstige lagerschade en mogelijk catastrofale uitval.
