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Wälzlagerdiagnose
Rotierende Elemente in Maschinen werden oft durch Wälzlager befestigt. Weil Lager den rotierenden vom feststehenden Teil der Maschine trennen, gehören sie zu den am meisten belasteten Bauteilen. Unter diesen Lasten führen unsachgemäße Montage, Wellenfehlausrichtung oder ungünstige Schmierverhältnisse entsprechend zu Schäden an den Komponenten des Wälzlagers.
Im Praxisbeispiel wird gezeigt, wie sich mithilfe von VibroMatrix Lagerschäden frühzeitig erkennen und den einzelnen Lagerkomponenten zuordnen lassen. Dabei werden die Softwaremodule InnoMeter, InnoAnalyzer und InnoScope benutzt.
Wälzlagerdefekte äußern sich in Stößen im kHz Bereich. Daher wird bei der Analyse der Bereich von 1000 Hz aufwärts betrachtet. Dies geschieht um drehzahlproportionale Anteile herauszufiltern. Gemessen wird üblicherweise im linearen Bereich des Schwingungsaufnehmers.
Hinweise auf Schäden in Lagern liefert die Messung von breitbandigen Schwingungskennwerten. Steigen diese Werte bei turnusmäßigen Messungen an, zeichnet sich ein Schaden ab. Welche Lagerkomponente (also Außenring, Innenring, Käfig oder Wälzkörper) betroffen ist, wird durch die sogenannte Hüllkurvenanalyse festgestellt.
Bei Wellenrotation drehen sich die Lagerkomponenten unterschiedlich schnell. Am gezeigten Lager ist die Stillstandsposition markiert.
Bei Drehung sieht man deutlich die verschieden schnellen Bewegungen der einzelnen Komponenten. Bei bekannter Drehfrequenz lassen sich so die spezifischen Bauteilfrequenzen aus den Abmessungen des Lagers errechnen.
Diese Frequenzen werden wie folgt benannt:
- Überrollfrequenz des Außenrings
- Überrollfrequenz des Innenrings
- Überrollfrequenz des Wälzkörpers
- Ringkontakt des Wälzkörpers
- Käfigfrequenz
Sind bei der Hüllkurvenanalyse Linien bei einer dieser Frequenzen vorhanden, kann die defekte Komponente identifiziert werden.
Praxisbeispiel
Die Lagerdiagnose wird hier mit aufgezeichneten Rohdaten durchgeführt. Diese wurden an einer Modellmaschine mit wechselbaren, schon vorgeschädigten Lagern aufgenommen. Dabei wurde die Maschine mit Schäden an Außenring, Innenring, Wälzkörper und auch einem ungeschädigten Lager vermessen.
Rohdaten werden mit dem InnoMaster Replay wiedergegeben. Die aufgezeichneten Daten werden eingelesen. Im Vorschaufenster ist die Messung in der Übersicht dargestellt. Die Kommentare lassen sich im Messbetrieb in den Rohdatenstrom integrieren.
Wir öffnen zunächst das InnoMeter. Es wird die Schwingbeschleunigung im Bereich von 1 – 20 kHz gemessen. Dabei wird der Mittelwert des Effektiv- und absoluten Spitzenwertes dargestellt. Parallel lassen wir uns noch die Drehfrequenz in Hz ausgeben. Weiterhin benötigen wir das InnoScope. Dieses Instrument ist ein Speicher-Oszilloskop und stellt hochaufgelöst das Sensorsignal dar. Die Filtereinstellungen werden übernommen. Im InnoAnalyzer wählen wir die Betriebsart "Hüllkurvenanalyse zur Wälzlagerdiagnose", passen den Bandpass der Hüllkurve an und setzen als Drehzahlquelle den Digitaleingang des InnoBeamers.
Diagnose: ungeschädigtes Lager
Der breitbandige Effektiv- als auch der Spitzenwert weisen relativ niedrige Werte auf. Das Zeitsignal besteht aus zufälligen Signalen. Es sind keine dominanten Stoßsignale sichtbar. Auch in der Hüllkurvenanalyse sind keine starken Linien vorhanden. Dies sind typische Merkmale für ein intaktes Lager.
Diagnose: Innenringschaden
Die Kennwerte und Spektren unterscheiden sich deutlich. Die Effektiv- und Spitzenwerte sind um ein Vielfaches erhöht, d.h. es liegt definitiv ein Schaden vor.
Im Zeitsignal sehen wir starke Ausschläge in Form einer Doppel-Stoßimpulsfolge. Diese Abfolge entsteht, weil sowohl bei Bewegungen des Innenrings als auch bei Bewegungen der Wälzkörper der Defekt überlaufen wird. Schon aus diesem Zeitsignal lassen sich Informationen zum defekten Bauteil gewinnen: Dazu vermessen wir die Abstände zwischen den Stößen mit dem Cursorwerkzeug. Es ergeben sich 4,082 ms bzw. 19,955 ms. Umgerechnet sind dies 245 Hz bzw. 50,1 Hz. Dies sind ziemlich genau die Überrollfrequenz des Innenrings von 244,6 Hz bzw.
die Drehfrequenz von 49 Hz. Es liegt also tatsächlich ein Innenringschaden vor. Die Hüllkurvenanalyse zeigt den Sachverhalt noch deutlicher. Wir öffnen die Lagerdatenbank und suchen nach dem verwendeten Lagertyp. Im InnoAnalyzer werden die einzelnen Schadfrequenzen automatisch berechnet, daher braucht nur noch die Markierung für den Innenringschaden aktiviert zu werden. Zusätzlich wird die 1. Harmonische und Seitenbänder im Abstand der Drehfrequenz ausgewählt. Die starken Linien im Spektrum liegen genau auf den Schadfrequenzen des Innenrings. Der Lagerschaden ist eindeutig identifiziert. Die Seitenbänder stammen aus der Modulation der Schadfrequenz durch die Drehfrequenz und spiegeln die Doppelstöße im Zeitsignal wider.
Diagnose: Außenringschaden
Es sind ebenfalls erhöhte Kennwerte zu beobachten. Im Zeitsignal finden sich periodische Stöße und die Hüllkurvenanalyse erbringt Peaks bei der Überrollfrequenz des Außenrings und deren Vielfachen.
Diagnose: Wälzkörperschaden
Die breitbandigen Kennwerte sind erhöht und im Zeitsignal treten Doppelstoßimpulse auf, hier moduliert die Käfigumlauffrequenz die Wälzkörperüberrollfrequenz. Merkmale in der Hüllkurvenanalyse sind Peaks bei Wälzkörperschadfrequenz mit Seitenbändern im Abstand der Käfigfrequenz sowie höhere Ordnungen davon.
Diagnose: Käfigschaden
Wiederum erhöhte Kennwerte, das Zeitsignal zeigt periodische Stöße. In der Hüllkurvenanalyse treten Linien bei der Käfigfrequenz und deren Vielfachen auf.
Schäden an Wälzlagern lassen sich durch Messung von breitbandigen Kennwerten feststellen. In VibroMatrix kann dazu das Softwaremodul InnoMeter oder InnoPlotter genutzt werden. Für Dauerüberwachungen bietet sich auch der InnoLogger an.
Mithilfe des Zeitsignals und einer Hüllkurvenanalyse kann der Schaden einer Lagerkomponente zugeordnet werden. Der InnoScope und der InnoAnalyzer sind dafür unverzichtbare Softwaremodule.
Wälzlagerdiagnose: Komfortabel und sicher analysieren mit VibroMatrix.
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