Lagerüberwachung

Lager zählen zu den am häufigsten geschädigten Maschinenkomponenten. Ihre korrekte Zustandsüberwachung ist daher von großer Bedeutung. Es wird zwischen zwei Lagerarten unterschieden:

Wälzlager sind Lager, bei denen die Lagerkräfte über den Wälzkörper vom Rotor auf das Maschinengehäuse übertragen werden. Unabhängig davon, ob es sich bei den Wälzkörpern um Kugeln, Rollen oder Nadeln handelt, wird der Wälzlagerzustand mit Hilfe von radial am Lager-gehäuse angebrachten Beschleunigungssensoren überwacht. Das erfasste Signal wird mit speziellen Messtechniken aufbereitet. Hier sei die Hüllkurvenanalyse als die wichtigste Methode genannt. An Axial- bzw. Radiallagern ist auch in axialer Richtung zu messen.

Örtliche Fehler auf den Laufbahnen oder den Wälzkörpern von Wälzlagern erzeugen periodische Stöße. Diese treten mit einer Frequenz oder Wiederholrate auf, die vom Ort des Schadens, z. B. dem Außenring, Innenring oder Wälzkörper abhängt.

Zu Beginn einer noch mikroskopisch kleinen Schädigung erzeugen die beim Überrollen entstehenden kurzen Impulse Frequenzen bis 300 kHz. Dabei werden eine Reihe von Strukturresonanzen und die Resonanz des Schwing-beschleunigungssensors angeregt. Im Frequenzspektrum heben sich diese durch die Resonanzen verstärkten Frequenzbereiche deutlich von den weiteren durch diese Schädigung verursachten Frequenzen ab.

Das vom defekten Wälzlager erzeugte Spektrum wird in der Regel von anderen  Maschinenschwingungen überlagert und teilweise verdeckt. Die Kunst bei der Wälzlagerzustandsdiagnose besteht darin, einen Frequenzbereich zu finden, in dem das Signal des defekten Wälzlagers diese Schwingungen überragt.

Die Wiederholrate oder auch Schadenspassierfrequenz kann am besten durch Bildung der Einhüllenden (Enveloping) des vom Wälzlager ausgehenden Signals herausgefiltert und in einer Art Spektrum dargestellt werden. Die theoretische  Schadenspassierfrequenz kann auf Basis der geometrischen Wälzlagerdaten und der Drehfrequenz des Rotors rechnerisch ermittelt werden, wobei dabei reines Rollen im Lager unterstellt wird. In der Realität ist der Schlupf der Wälzkörper zu berücksichtigen, so dass die errechneten Schadensfrequenzen nur als Anhaltspunkt für die Beurteilung herangezogen werden sollten. Amplitudenmodulationen können darüber hinaus Seitenbänder erzeugen.

Moderne Softwarepakete zur zustandsorientierten Instandhaltung enthalten Wälzlagerdatenbanken mit Lagern  verschiedener Hersteller, um die Berechnung der Schadensüberrollfrequenzen zu erleichtern und die errechneten Frequenzen als zusätzliche Analysehilfe in die gemessenen Spektren einzublenden.

Lesen Sie mehr über typische Schäden an Wälzlagern.

Bei Gleitlagern handelt es sich im Allgemeinen um zylindrische Buchsen, in denen ein Wellenzapfen auf einem Ölfilm rotiert. Die Überwachung des Gleitlagerzustandes erfolgt durch Messen der Lagertemperatur und des Öldruckes. Bei größeren Radiallagern wird die Bewegung und die Position der Welle im Lager mit Hilfe zweier, um 90° versetzt angeordneter Wirbelstromsensoren überwacht. Die Auswertung der Signale erfolgt in der Regel durch Darstellung bzw. Überwachung der Wellenbahn, der statischen Wellenlage oder auch durch Analyse von Frequenzspektren.

Ölgeschmierte Gleitlager finden weite Verbreitung in speziellen Anwendungen. Ihre Vorteile gegenüber Wälzlagern sind:

  • Relativ preiswert
  • Geringere Gleitreibung
  • Höhere Tragzahl
  • Kleinere Bauform
  • Hohe Dämpfungseigenschaften
  • Bessere Wärmeabfuhr

Aufgrund des Spaltes zwischen Lageroberfläche und Wellenbund werden bei Gleitlagern berührungslose Schwingungssensoren zur Erfassung von Informationen über das hydrostatische und hydrodynamische Verhalten der Welle eingesetzt.

Ungleichmäßiger Öldruck im Lagerspalt kann Schwingungen (Oil-whip und Oil-whirl) erzeugen. Unzählige Varianten von Gleitlagern stehen zur Verfügung, um diese Effekte zu reduzieren.

Aufgrund richtungsabhängiger Lagersteifigkeiten werden pro Lager jeweils zwei Sensoren rechtwinklig zueinander in radialer Richtung angebracht. Sie dienen der Erfassung der statischen Wellenlage und der Bewegung der rotierenden Welle.

Insbesondere erlaubt diese Anordnung die Analyse der Wellenbahn (Orbit) der rotierenden Welle zur Ermittlung der Ursache von Problemen. Aus der Form der Wellenbahn können Informationen über Lastrichtung, Unwucht, Verkrümmungen, Ausrichtfehler, Anstreifen, Oil-whip oder -whirl gewonnen werden.