Wälzlagerdiagnose und ISO10816 in einem – geht das?

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Fachbeitrag von Dipl.-Ing. Frank Ringsdorf

Als Basis für die Beurteilung des Schwingungsveraltens von Maschinen und Anlagen wird häufig die DIN ISO 10816 herangezogen, die das Vibrationsniveau mit der Höhe der Schwinggeschwindigkeit in mm/s bewertet. Die Schwinggeschwindigkeit ist ein Maß für den Energieinhalt von Schwingungen. Die Schwinggeschwindigkeit bietet jedoch nur in seltenen Fällen eine zuverlässige Grundlage für eine Wälzlagerdiagnose, zumal sich Wälzlagerschäden gerade am Anfang nur durch sehr kleine Energiemengen in der Gesamtschwingung bemerkbar machen.

Im Rahmen von CMS-Konzepten ist es überaus wichtig Wälzlagerschäden zu erkennen, bevor die durch sie erzeugte Schwingungsenergie zu gravierenden Schäden führt. Zumal das Verhalten von der ersten Schädigung bis zum Totalausfall in der Regel nicht linear verläuft und damit sehr schwer vorhersehbar wird. Neben der Wälzlagerdiagnose sind die Lager-Temperaturüberwachung, Ölpartikelanalyse und Motorstromanalyse weitere Bausteine eines umfänglichen CMS-Konzeptes. Nachfolgend werden die technischen Möglichkeiten mit Ihren produkttechnischen Lösungen kurz erläutert und deren Vor- und Nachteile dargestellt.

Transmitter

Die reine Überwachung von Schwingungen nach DIN ISO 10816 unterscheidet die Bewertungszonen A, B, C und D:

  • A = neue Maschine,
  • B = geeignet für Dauerbetrieb,
  • C = nur noch begrenzte Zeit lauffähig,
  • D = Schäden an der Maschine können entstehen.

Für viele Maschinenklassen und Leistungsbereiche hält die Norm Vorgabewerte für die zulässigen Schwinggeschwindigkeitswerte pro Bereich bereit. Viele Maschinenbauunternehmen, die wälzgelagerte Maschinen, wie Pumpen, Lüfter oder Verdichter herstellen, wollen wiederum Ihren Endkunden eine normgerechte Schwingungsüberwachung bieten und suchen nach preiswerten Realisierungsmöglichkeiten. Die preiswerteste Lösung die Schwinggeschwindigkeit zu messen sind Transmitter. Transmitter erfassen alle Schwingungsanteile in festen Frequenzbereichen (typisch 10…1.000Hz) und bilden den gemessen Schwingungspegel als RMS Wert auf einem 4…20 mA Signal ab. Transmitter sind aus Kostengründen typischerweise mit MEMs aufgebaut. MEMs sind für diese Anwendung gut geeignet. Vor allem sind sie preiswerter als Sensoren mit Piezo-Elementen.

Nachteilig an Transmittern ist deren Eigenschaft nur einen sehr begrenzten Frequenzbereich zu betrachten. Der Bereich unterhalb von 10 Hz (je nach Bauart tiefer) bleibt unberücksichtigt, was im Fall sehr langsam drehender Maschinen zu gravierenden Auswirkungen führen kann. Entstehen Unwuchten – die sich in der ersten harmonischen der Drehfrequenz auswirken – bleiben diese unter Umständen unberücksichtigt, da unterhalb 10Hz. Die Maschine kann bereits bedrohlich schwingen, der 4 bis 20 mA Messwert zeigt jedoch noch keine Auffälligkeiten.

Abb. 1 Der Transmitter

Um diesen Effekt zu berücksichtigen, bietet die Firma Avibia Transmitter mit einem breiteren Frequenzbereich an (Abb. 1). Wälzlagerschäden verursachen im Anfangsstadium eher hochfrequente Signalanteile (Stossimpulse). Selbst wenn diese Frequenzen im Messbereich des Transmitters liegen, fallen kurze Stossimpulse im Gesamtpegel kaum auf und bleiben solange unberücksichtigt, bis eine Lagerschädigung genug Schwingungsenergie erzeugt. Das kann jedoch erst der Fall sein, wenn der Schaden ein weit fortgeschrittenes Stadium erreicht hat.

Messgeräte zur Messung von Stossimpulskennwerten

Lagerschäden verursachen typischerweise Stossimpulse. Ist zum Beispiel der Außenring eins Lagers durch Materialverschleiß geschädigt, muss die Kugel im Lager über diese Beschädigung „hinwegrumpeln“ und erzeugt dabei jeweils einen mit Beschleunigungssensoren messbaren Stossimpuls. Die Wiederholfrequenz dieses Stossimpulses ist dabei sowohl von der Drehzahl als auch der Lagergeometrie abhängig, was die Auswertung komplizierter und teurer als mit Transmittern macht.

Stossimpulse beinhalten hohe Frequenzanteile. Um diese sicher zu erfassen und zu bewerten muss das Messignal gefiltert werden. Aus dem gefilterten Zeitsignal werden Kennwerte gebildet. Bedeutungsvoll sind in diesem Zusammenhang Lagerschadenskennwerte wie Curtosis, BCU- oder der k(t)-Wert, sogenannte Stossimpulskennwerte. Diese Kennwerte liefern, über die Zeit betrachtet, einen Trend, der dem Gesundheitszustand eines Wälzlagers verdeutlicht.

Wälzlager können mit Handmessgeräten in regelmäßigen Abständen geprüft oder mit fest installierten Systemen überwacht werden.  Der Nachteil von Handmessungen ist der zeitliche Abstand der Einzelmessungen und der damit verbundene Personalaufwand. Routengänge an fest definierten Messtellen und automatischer Messtellenerkennung vereinfachen diese Methode, ein permanentes Monitoring ersetzen sie jedoch nicht.

Abb. 2 Messgeräte zur Messung von Stossimpulskennwerten

Für die stationäre Wälzlagerdiagnose mit Stossimpulsmessung und kombinierter Schwinggeschwindigkeitsmessung sind modular aufgebaute Komplettlösungen verfügbar. Zum Einsatz kommen industrietaugliche, galvanisch entkoppelte Piezo-Beschleunigungssensoren in Verbindung mit Auswertungsgeräten. Mit diesen Lösungen ist mit einem Sensor parallel die normgerechte Messung der Schwinggeschwindigkeit und die Stossimpulsüberwachung möglich. Avibia bietet ein modulares System von 1 bis 8 Kanälen als Gesamtlösung mit passenden Beschleunigungssensoren.

Hüllkurvenfrequenzspektrum

In der nächsten Stufe der Wälzlagerdiagnose wird das Zeitsignal in den Frequenzbereich überführt und in Form eines Hüllkurvenfrequenzspektrum ausgewertet. Diese Methode ermöglicht eine sehr genaue Bestimmung, nicht nur der grundsätzlichen Lagerschädigung, sondern auch deren Ursache im Lager. Jedem Bauteil eines Wälzlagers, dem Außen- und Innenring, dem Käfig und den Wälzkörpern sind direkt vom Lagerhersteller Schadenssymptomfrequenzen zugeordnet, die sich im Hüllkurvenfrequenzspektrum je nach Ausprägung des Schadens abbilden. Das Verfahren ermöglicht fundierte Aussagen über die Ursache und Höhe einer Lagerschädigung und kann zu einer Restlaufzeitberechnung herangezogen werden. Avibia bietet das webbasierte System AVT8 an, mit dem eine Hüllkurvenanalyse und Ankopplung an eine firmenübergreifende Instandhaltungs-Software möglich ist.

 

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