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Wälzlagerdiagnostik - mfd.mw.tu-dresden.de

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TU Dres<strong>de</strong>n - Fakultät Maschinenwesen<br />

Insti<strong>tu</strong>t für Strömungsmechanik<br />

Lehrs<strong>tu</strong>hl für Magnetofluiddynamik<br />

1 Einlei<strong>tu</strong>ng<br />

Anlei<strong>tu</strong>ng zur Laborübung<br />

<strong>Wälzlagerdiagnostik</strong><br />

MU / TD<br />

Wälzlager sind hochbeanspruchte Bauteile von Maschinen und Anlagen. Aufgrund<br />

<strong>de</strong>r Dauerbeanspruchung, <strong>de</strong>r sie unterliegen, ist die Lebensdauer von Wälzlagern<br />

begrenzt. Es existieren allgemeingültige Beziehungen zur Bestimmung <strong>de</strong>r Lebensdauer<br />

solcher Lager, die jedoch nur unter I<strong>de</strong>albedingungen gelten. Sie können kleine<br />

Störgrößen, wie z.B. Verunreinigungen im Lager, Winkelfehler beim Einbau usw.<br />

berücksichtigen. Solche Einflüsse än<strong>de</strong>rn die Lebensdauer eines Wälzlagers dramatisch<br />

und führen zu nicht vorher sehbaren und unerwarteten Maschinenausfällen.<br />

Diese stören <strong>de</strong>n Produktionsprozess erheblich, in<strong>de</strong>m sie zu ungeplanten und kostspieligen<br />

Stillstandszeiten führen, ganz abgesehen von oftmals auftreten<strong>de</strong>n Folgeschä<strong>de</strong>n,<br />

z.B. durch blockierte Lager. Eine maximale Ausnutzung <strong>de</strong>r Lebensdauer<br />

bzw. <strong>de</strong>r nach einer wirken<strong>de</strong>n Schädigung noch zur Verfügung stehen<strong>de</strong>n Restlebensdauer<br />

ist dabei nur unter Anwendung von Metho<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r technischen<br />

Diagnostik erreichbar.<br />

Ziel <strong>de</strong>s Praktikums ist die Vermittlung von praktischen Kenntnissen über Metho<strong>de</strong>n<br />

<strong>de</strong>r technischen Diagnostik von Wälzlagern im Rahmen einer Grund- bzw. Tiefendiagnose.<br />

2 Hinweise zur Vorberei<strong>tu</strong>ng<br />

Für <strong>de</strong>n Versuch Wälzlagerdiagnose sollen Sie sich über theoretische Grundlagen<br />

informieren. Dazu gehören <strong>de</strong>r Aufbau von Wälzlagern, mögliche Scha<strong>de</strong>nsbil<strong>de</strong>r an<br />

Wälzlagern, Arten <strong>de</strong>r Schwingungserzeugung in <strong>de</strong>fekten Wälzlagern und Metho<strong>de</strong>n<br />

für <strong>de</strong>ren Registrierung, insbeson<strong>de</strong>re Spektralanalyse (FFT, Cepstrum) und<br />

Hüllkurvenanalyse.<br />

3 Litera<strong>tu</strong>r<br />

S<strong>tu</strong>rm, A., Förster, R., Hippmann, N., Kinsky, D.: Wälzlagerdiagnose für Maschinen<br />

und Anlagen; Verlag TÜV Rheinland, Köln 1986 / Verlag Technik, Berlin 1985<br />

Kolerus, J, Wassermann, J: Zustandsüberwachung von Maschinen; Renningen 2008<br />

S<strong>tu</strong>rm, A., Förster, R.: Maschinen- und Anlagendiagnostik für die zustandsbezogene<br />

Instandhal<strong>tu</strong>ng, Verlag Technik Berlin 1985 / B. G. Teubner, S<strong>tu</strong>ttgart 1990<br />

o<strong>de</strong>r an<strong>de</strong>re Litera<strong>tu</strong>r mit gleicher Thematik.<br />

1


4 Grundlagen<br />

4.1. Schädigungsmechanismen<br />

Wesentliche Schädigungsmechanismen bei Wälzlagern beruhen auf <strong>de</strong>m Verschleiß<br />

(tritt insbeson<strong>de</strong>re bei Schmiermittelausfall o<strong>de</strong>r Schmiermittelverschmutzung ein,<br />

führt durch abrasiven Abtrag zu einer meist gleichmäßigen Geometrieän<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r<br />

Wälzpaarung) und <strong>de</strong>r Ermüdung (tritt bei Überlas<strong>tu</strong>ng ein und führt zur Pittingbildung,<br />

d.h. zum lokalen Ausplatzen von Metallteilen aus <strong>de</strong>r Oberfläche <strong>de</strong>r<br />

Wälzelemente). Während abrasiver Verschleiß zu einer Erhöhung <strong>de</strong>r stationären<br />

breitbandigen Schwingung führt, wer<strong>de</strong>n bei lokalen Schä<strong>de</strong>n Schwingungen<br />

impulsartig angeregt. Voraussetzung für <strong>de</strong>n Einsatz unterschiedlicher Verfahren zur<br />

technischen Diagnose von Wälzlagern ist die Kenntnis <strong>de</strong>r Geometrie und Kinematik<br />

im Wälzlager. Im Rahmen dieser Arbeit wird nur insoweit auf die Geometrie eingegangen,<br />

sie für das Verständnis <strong>de</strong>r eingesetzten Verfahren notwendig ist (Bild 1).<br />

Bild 1: Geometrie ausgewählter Wälzlager<br />

a - Rillenkugellager; b - Schrägkugellager; c - Zylin<strong>de</strong>rrollenlager<br />

1 - Außenring <strong>de</strong>s Schrägkugellagers<br />

2 - Kugel <strong>de</strong>s Schrägkugellagers<br />

3 - Innenring <strong>de</strong>s Schrägkugellagers<br />

DI - Durchmesser <strong>de</strong>s Mittelpunktkreises <strong>de</strong>r Innenringwälzbahnkrümmung<br />

DA - Durchmesser <strong>de</strong>s Mittelpunktkreises <strong>de</strong>r Außenringwälzbahnkrümmung<br />

DT - Teilkreisdurchmesser<br />

DW - Wälzkörperdurchmesser<br />

αB - Druckwinkel<br />

4.2. Schwingungserzeugung im <strong>de</strong>fekten Lager (Beispiel Kugellager)<br />

Es soll ein lokaler Scha<strong>de</strong>n am Außenring vorliegen (Bild 2). Beim Überrollen <strong>de</strong>r<br />

Scha<strong>de</strong>nsstelle wird die Kugel auf <strong>de</strong>m Außenring einen Stoß erzeugen. Dieser Stoß<br />

hat einen Schwingungs- bzw. einen Schallimpuls zur Folge, <strong>de</strong>r sich zunächst im<br />

Lageraußenring und dann in <strong>de</strong>r Lagerhalterung ausbreitet (Stoßimpuls). Der Impuls<br />

ist gekennzeichnet durch einen sehr steilen Anstieg und eine sehr kurze Dauer,<br />

verglichen mit seiner Wie<strong>de</strong>rholrate, im folgen<strong>de</strong>n Scha<strong>de</strong>nsfrequenz (Überrollfrequenz)<br />

genannt. Die Ampli<strong>tu</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>s Impulses ist ein Maß für die Stärke <strong>de</strong>s<br />

2


Stoßes. Ihre Größe hängt von <strong>de</strong>r Drehzahl, <strong>de</strong>r räumlichen Aus<strong>de</strong>hnung <strong>de</strong>s<br />

Scha<strong>de</strong>ns sowie von <strong>de</strong>n Lastverhältnissen im Lager ab. Die Scha<strong>de</strong>nsfrequenz ist<br />

durch die Geometrie <strong>de</strong>s Wälzlagers, die Einbaubedingungen und die Drehzahl <strong>de</strong>r<br />

Welle festgelegt.<br />

Die allgemeinen Zusammenhänge zwischen diesen Größen, wobei n die Drehfrequenz<br />

und z die Anzahl <strong>de</strong>r Wälzkörper bezeichnet, wer<strong>de</strong>n in folgen<strong>de</strong>n Beziehungen<br />

aufgezeigt (siehe Bild 1).<br />

Bild 2: Stoßimpulserzeugung beim Überrollen einer beschädigten Stelle<br />

Rotationsfrequenz <strong>de</strong>s Käfigs<br />

1 ⎛ DW<br />

⎞<br />

f = ⋅ ⋅ ⎜ − ⋅ ⎟<br />

KÄ f n 1 cosα<br />

B<br />

2 ⎝ DT<br />

⎠<br />

Überrollfrequenz <strong>de</strong>s Außenringes<br />

1 ⎛ DW<br />

⎞<br />

f = ⋅ ⋅ ⋅ ⎜ − ⋅ ⎟<br />

A f n z 1 cosα<br />

B<br />

2 ⎝ DT<br />

⎠<br />

Überrollfrequenz <strong>de</strong>s Innenringes<br />

1 ⎛ DW<br />

⎞<br />

f = ⋅ ⋅ ⋅ ⎜ + ⋅ ⎟<br />

I f n z 1 cosα<br />

B<br />

2 ⎝ DT<br />

⎠<br />

Wälzkörperrotationsfrequenz<br />

2<br />

1 D ⎡<br />

⎤<br />

T ⎛ DW<br />

⎞<br />

f = ⋅ ⋅ ⋅ ⎢ − ⎜ ⋅ ⎟<br />

WA f n z 1 cosα<br />

B ⎥<br />

2 DW<br />

⎢⎣<br />

⎝ DT<br />

⎠ ⎥⎦<br />

Auf eine Herlei<strong>tu</strong>ng dieser Gleichungen wird hier verzichtet.<br />

I<strong>de</strong>al wäre es, wenn die Stoßimpulse direkt gemessen wer<strong>de</strong>n könnten. In <strong>de</strong>r Praxis<br />

befin<strong>de</strong>n sich zwischen Entstehungsort <strong>de</strong>s Impulses und <strong>de</strong>m Aufnehmer weitere<br />

Übertragungsstrecken (Lageraußenring, Lagergehäuse, Aufnehmerankopplung), <strong>de</strong>ren<br />

Übertragungsfunktionen das Gesamtsignal beeinflussen. Daneben erzeugt je<strong>de</strong><br />

Maschine noch zusätzliche Schwingungssignale, die sich <strong>de</strong>nen <strong>de</strong>s Wälzlagers<br />

überlagern (umlauffrequente Schwingungen und <strong>de</strong>ren Harmonische).<br />

Weiter überlagert sich bei höheren Frequenzen ein Grundrauschen, welches bereits<br />

von einem neuwertigen Lager infolge unvermeidlicher Maßtoleranzen erzeugt wird<br />

(1)<br />

(2)<br />

(3)<br />

(4)<br />

3


o<strong>de</strong>r auch die Folge eines Lagerverschleißes sein kann. In Einzelfällen können noch<br />

Getriebe, Schaufeln usw. als Schwingungserzeuger auftreten. Das am Aufnehmer<br />

ankommen<strong>de</strong> Signal stellt das Resultat aller wirken<strong>de</strong>r Schwingungsanteile dar (Bild<br />

3).<br />

Vor einem Rauschhintergrund sind, als Folge <strong>de</strong>r Stoßimpulse, die hochfrequenten<br />

Ausschwingvorgänge zu erkennen (in <strong>de</strong>r Praxis sind diese Unterschie<strong>de</strong> oft nicht so<br />

<strong>de</strong>utlich zu sehen). Es können zwei Möglichkeiten einer Wälzlagerdiagnose unterschie<strong>de</strong>n<br />

wer<strong>de</strong>n, die Grund- und die Tiefendiagnose.<br />

Bild 3: Beschleunigungssignal bei einem Außenringscha<strong>de</strong>n<br />

(fS – Scha<strong>de</strong>nsfrequenz)<br />

Die Grunddiagnose beinhaltet die Anwendung von Kennwerten, <strong>de</strong>ren Aussagekraft<br />

eine Einteilung <strong>de</strong>s technischen Zustan<strong>de</strong>s von Wälzlagern in “Gut“ und “Schlecht“<br />

(mit even<strong>tu</strong>ellen Abs<strong>tu</strong>fungen) zulässt. Mit an<strong>de</strong>ren Worten es fin<strong>de</strong>t eine globale Zustandsbewer<strong>tu</strong>ng<br />

statt. Die Tiefendiagnose ist durch die Anwendung von Signalkennfunktionen<br />

gekennzeichnet. In erster Linie kommt die Spektralanalyse zum<br />

Einsatz, bei <strong>de</strong>r durch Bewer<strong>tu</strong>ng von Frequenz und Ampli<strong>tu</strong><strong>de</strong> unter an<strong>de</strong>rem die<br />

Bestimmung von Art und Ort <strong>de</strong>r Schädigung möglich wird (siehe Gleichungen 1 bis<br />

4).<br />

Bei<strong>de</strong> Möglichkeiten sind unabhängig voneinan<strong>de</strong>r einsetzbar, können jedoch auch<br />

als Kombination begriffen wer<strong>de</strong>n.<br />

4.3. Kennwerte zur Grunddiagnose von Wälzlagern<br />

1. K(t) – Wert<br />

Der K(t)-Wert stellt einen spezifischen Körperschallkennwert dar, <strong>de</strong>r <strong>de</strong>n Zustand<br />

eines Wälzlagers möglichen Schädigungsklassen zuordnet. Der K(t)-Wert wird<br />

gebil<strong>de</strong>t aus <strong>de</strong>n Effektiv- und Spitzenwerten <strong>de</strong>r Schwingbeschleunigung a<br />

a~<br />

( 0)<br />

⋅ aˆ<br />

( 0)<br />

K(<br />

t)<br />

=<br />

a~<br />

( t)<br />

⋅ aˆ<br />

( t)<br />

~a<br />

( 0)<br />

- Effektivwert <strong>de</strong>r Schwingbeschleunigung zum Zeitpunkt t=0<br />

â ( 0)<br />

- Spitzenwert <strong>de</strong>r Schwingbeschleunigung zum Zeitpunkt t=0<br />

a ~ ( t)<br />

- Effektivwert <strong>de</strong>r Schwingbeschleunigung zum Zeitpunkt t<br />

a ˆ( t)<br />

- Spitzenwert <strong>de</strong>r Schwingbeschleunigung zum Zeitpunkt t<br />

(5)<br />

4


Als Werte zum Zeitpunkt t = 0 wer<strong>de</strong>n die über die gesamte Lebensdauer auftreten<strong>de</strong>n<br />

Minimalwerte angesehen. Die Minimalwerte liegen nach <strong>de</strong>r Einlaufphase (Beseitigung<br />

von Unebenheiten an Wälzlagerbauteilen infolge Fertigung) vor.<br />

Der Zustand <strong>de</strong>s Wälziagers wird in folgen<strong>de</strong> Klassen eingeteilt:<br />

K(t) Schädigungszustand<br />

> 1 Verbesserung <strong>de</strong>s Wälzlagerzustan<strong>de</strong>s<br />

1 …0,5 Gute Eigenschaften <strong>de</strong>r Baugruppe<br />

0,5 …0,2 Wirkung schädigungsbeschleunigen<strong>de</strong>r Einflussfaktoren<br />

0,2 … 0,02 Wirkung <strong>de</strong>s Schädigungsprozesses<br />

< 0,02 Schädigung<br />

Die Erfassung <strong>de</strong>r Beschleunigungswerte erfolgt mit einer gebräuchlichen Körperschallmesskette.<br />

Der Messort für die Beschleunigungsaufnehmer ist das Lagergehäuse.<br />

Die Ankopplung muss qualitativ gleich bleiben. Die Ankopplung <strong>de</strong>s Beschleunigungsaufnehmers<br />

mit Stiftschraube ist die beste Ankopplung. Der untersuchte<br />

Frequenzbereich erstreckt sich von 1 … 20 kHz. Das Verfahren ist anwendbar<br />

auf Rollen-, Na<strong>de</strong>l- und Kugellager.<br />

Zeittrend <strong>de</strong>s K(t)-Wert<br />

Bild 4: Zeitverläufe für unterschiedliche Schädigungsarten von Wälzlagern<br />

Die folgen<strong>de</strong>n beschriebenen Kennwerte, Spike-Energie, SPM, basieren auf <strong>de</strong>r<br />

Ausnutzung <strong>de</strong>r hochfrequenten Aufnehmerresonanzen im Bereich von 30 kHz und<br />

höher, mit <strong>de</strong>ren Hilfe es gelingt, die sehr energiearmen, aber ungestörten hochfrequenten<br />

Signalanteile zu erfassen und gegenüber <strong>de</strong>n nie<strong>de</strong>rfrequenten Signalen<br />

zu verstärken. Durch eine nachfolgen<strong>de</strong> Bandpassfilterung wer<strong>de</strong>n die nie<strong>de</strong>rfrequenten<br />

Signalanteile vollständig entfernt. Von <strong>de</strong>m verbleiben<strong>de</strong>n Signal wer<strong>de</strong>n<br />

dann die Kennwerte gebil<strong>de</strong>t, die sowohl die Signalampli<strong>tu</strong><strong>de</strong>, die Impulshäufigkeit<br />

sowie <strong>de</strong>n Energiegehalt <strong>de</strong>r Impulse berücksichtigen.<br />

2. Spike – Energie<br />

Der Spike-Energie-Wert stellt eine Größe dar, die spezifische Körperschallkennwerte<br />

miteinan<strong>de</strong>r verknüpft:<br />

5


gSE = A0(A1 . Mw + A2 . Kt+ A3 . Ha) (6)<br />

mit Mw ... Ampli<strong>tu</strong><strong>de</strong>nmittelwert<br />

Kt … Kurtosiswert<br />

Ha ... Wert <strong>de</strong>r Hüllkurve<br />

A0‚ A1, A2, A3 … Proportionalitätsfaktoren<br />

Die Proportionalitätsfaktoren sind Erfahrungswerte <strong>de</strong>s Herstellers. Die Bewer<strong>tu</strong>ng<br />

<strong>de</strong>s Lagerzustan<strong>de</strong>s erfolgt durch eine Zuordnung <strong>de</strong>s Spike-Energie-Wertes in eine<br />

<strong>de</strong>r drei Zustandsklassen<br />

• gutes Lager<br />

• Warnungsbereich<br />

• Lagerscha<strong>de</strong>n <strong>de</strong>mnächst wahrscheinlich<br />

Als Hilfsmittel für die Zustandsbeurteilung von Wälzlagern können Kurventafeln dienen,<br />

die für bestimmte Maschinengat<strong>tu</strong>ngen und Messbedingungen in einem Lernprozess<br />

gewonnen wer<strong>de</strong>n können. Die Kurventafel in Bild 5 gilt zum Beispiel als<br />

Anhaltswert für die Wälzlagerüberwachung an Pumpen, Elektromotoren o.ä.. Sie<br />

beruht auf Erfahrungswerten, die bei Messungen mittels Beschleunigungsaufnehmer<br />

Typ 970 mit Tastspitze (IRD Mechanalysis) direkt o<strong>de</strong>r nahe am Lager gewonnen<br />

wur<strong>de</strong>n.<br />

Bild 5: Kurventafel RSK 276 für Spike-Energie<br />

6


Ausgangssignal ist ein Beschleunigungssignal <strong>de</strong>s Körperschalls im kHz-Bereich.<br />

Das Verfahren ist anwendbar auf beliebige Maschinengrößen im Drehzahlbereich<br />

von 100 bis 100000 min -1 .<br />

Bild 6: Zeitlicher Verlauf <strong>de</strong>s Spike-Energie-Wertes<br />

3. SPM (Shock Pulse Method)<br />

Infolge von Schädigungen auf <strong>de</strong>r Wälzbahn- und <strong>de</strong>r Wälzkörperoberfläche entsteht<br />

beim Abrollvorgang stoßartiger Körperschall (siehe oben). Aus <strong>de</strong>m erfassten<br />

Körperschall wer<strong>de</strong>n Impulse geformt, <strong>de</strong>ren Ampli<strong>tu</strong><strong>de</strong> proportional zur Stoßgeschwindigkeit<br />

ist. Aus <strong>de</strong>m logarithmierten Maximalwert dBM und <strong>de</strong>m logarithmierten<br />

Grundgeräuschwert dBC wird <strong>de</strong>r logarithmierte Stoßimpulswert dBSV bestimmt. Aus<br />

<strong>de</strong>r Differenz zwischen diesem Wert und einem Referenzwert dBI für ein perfekt<br />

montiertes und geschmiertes Lager erhält man <strong>de</strong>n logarithmierten normierten<br />

Stoßimpulswert dBN.<br />

dBN = dBSV – dBI (7)<br />

mit dBSV = dBM – dBC (7a)<br />

Aus <strong>de</strong>m Betrag dieses Wertes kann <strong>de</strong>r Zustand <strong>de</strong>s Wälzlagers bestimmt wer<strong>de</strong>n.<br />

dBN<br />

Wälzlagerzustand<br />

0 … 20 Guter Betriebszustand<br />

20 … 35 Eingeschränkter Betriebszustand durch Schmierstoffmangel,<br />

Montagefehler o<strong>de</strong>r Anfangsschä<strong>de</strong>n<br />

35 … 60 Schlechter Betriebszustand mit Risiko eines Lagerausfalls<br />

Die Stoßgeschwindigkeit bei Abrollvorgängen wird von <strong>de</strong>r Drehzahl sowie <strong>de</strong>r Masse<br />

und <strong>de</strong>r Eindringtiefe <strong>de</strong>r Wälzkörper beeinflusst. Um diesen Einfluss zu berücksichtigen,<br />

wird in die Berechnung <strong>de</strong>s Referenzwertes dBI <strong>de</strong>r Lagerdurchmesser D<br />

und die Drehzahl n einbezogen.<br />

7


dBI = 20 . [Ig(n) + 0,6 . lg(D) - lg(2150)] (8)<br />

Erfasst wird <strong>de</strong>r Körperschall mittels Beschleunigungsaufnehmer am Lagergehäuse.<br />

Das Signal wird bei <strong>de</strong>r Resonanzfrequenz <strong>de</strong>s Aufnehmers zwischen 30 und 35 kHz<br />

bandpassgeflltert und anschließend nach <strong>de</strong>r SPM-Metho<strong>de</strong> analysiert.<br />

Das Verfahren ist anwendbar auf Wälzlager aller Typen und Größen.<br />

Zeittrend <strong>de</strong>r SPM<br />

Bild 7: Typischer Verlauf <strong>de</strong>s Zustan<strong>de</strong>s in einem Lager anhand SPM<br />

Die Schwankungen in Bild 7 sind durch unregelmäßige Scha<strong>de</strong>nsbildung, Auswalzung<br />

früherer Schä<strong>de</strong>n, etc. verursacht.<br />

4. Weitere Verfahren zur Diagnose von Wälzlagern<br />

Diese Verfahren wer<strong>de</strong>n hier nur erwähnt und nicht näher beschrieben.<br />

BCU - Wert (Bearing Condition Unit)<br />

Kurtosis<br />

SEE (Spektral Emitted Energy)<br />

4.4. Hüllkurvenanalyse zur Tiefendiagnose von Wälzlagern<br />

Zur Bildung <strong>de</strong>r Hüllkurve existiert eine Vielzahl von Verfahren. Bei <strong>de</strong>r im Praktikum<br />

verwen<strong>de</strong>ten Technik wird die Hüllkurve gemäß Bild 8 gebil<strong>de</strong>t.<br />

Entsprechend Abschnitt 2 treten im gemessenen Schwingungsspektrum außer niedrigen<br />

Frequenzen (die z. B. von Unwuchten, Zahneingriffen o. ä herrühren, siehe<br />

Bild 8 linker Teil) auch die genannten hochfrequenten Schwingungen <strong>de</strong>r Lagerringe<br />

(Eigenschwingungen) auf. Diese wer<strong>de</strong>n beim Überrollen <strong>de</strong>s Pittings durch die nach<br />

<strong>de</strong>n Gleichungen (1) bis (4) berechenbaren Überrollfrequenzen periodisch angeregt.<br />

8


Die Überrollfrequenzen stellen Modulationsfrequenzen dar, die als Seitenbän<strong>de</strong>r <strong>de</strong>r<br />

Eigenschwingungen im Grundspektrum auftreten. Wenn diese Modulation (wie in<br />

Bild 3 ersichtlich) im Zeitschrieb direkt erkennbar ist, kann die Art <strong>de</strong>s Scha<strong>de</strong>ns aus<br />

<strong>de</strong>m Abstand <strong>de</strong>r Spitzen im Zeitsignal abgelesen wer<strong>de</strong>n. Ist das nicht <strong>de</strong>r Fall (wie<br />

in <strong>de</strong>n meisten Fällen) muss eine Hüllkurvenanalyse durchgeführt wer<strong>de</strong>n.<br />

Bild 8: Hüllkurvenbildung<br />

Eine Frequenzanalyse <strong>de</strong>s Gesamtsignals lässt <strong>de</strong>n Frequenzbereich erkennen, in<br />

<strong>de</strong>m die Eigenschwingungen liegen. Dieser wird durch eine Bandpassfilterung (üblich<br />

5 … 50 kHz) <strong>de</strong>s Zeitsignals ausgefiltert (Bild 8, Mitte). Für dieses bandbegrenzte<br />

Zeitsignal erfolgt eine Gleichrich<strong>tu</strong>ng und Glät<strong>tu</strong>ng, die als Ergebnis die Hüllkurve <strong>de</strong>r<br />

Eigenschwingungen (Bild 8, rechter Teil) liefert.<br />

Genauere Informationen über Frequenz und Ampli<strong>tu</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>r Stoßfolgen liefert die<br />

Frequenzanalyse (FFT) <strong>de</strong>r Hüllkurve <strong>de</strong>s Beschleunigungssignals. Im Spektrum<br />

wer<strong>de</strong>n die Modulationsfrequenzen als Grundfrequenzen sichtbar (drehzahlabhängig<br />

im Bereich von 10 -1000 Hz). Mit Kenntnis <strong>de</strong>r inneren Lagergeometrie (siehe Bild 1)<br />

und <strong>de</strong>r Berührungsverhältnisse <strong>de</strong>s Lagers lassen sich die lagerspezifischen<br />

kinematischen Frequenzen in Abhängigkeit von <strong>de</strong>r Drehzahl berechnen (Gleichungen<br />

(1) bis (4). Die Zuordnung zu markanten Frequenzen <strong>de</strong>s Hüllkurvenspektrums<br />

lässt die Art <strong>de</strong>s Scha<strong>de</strong>ns erkennen (Bild 9).<br />

Die kinematischen Überrollfrequenzen liegen gemäß <strong>de</strong>r Berechnungsgleichungen<br />

sehr nahe <strong>de</strong>n höheren Harmonischen <strong>de</strong>r Drehfrequenz. Dies erschwert manchmal<br />

die exakte Zuordnung.<br />

9


Bild 9: Beschleunigungs-Zeitsignal, Hüllkurve und Spektrum <strong>de</strong>r Hüllkurve für ein<br />

künstlich eingebrachtes Außenring-Grübchen (Kugellager 6007,<br />

n=1000 min -1 , fAU – Überrollfrequenz <strong>de</strong>s Außenringes)<br />

10


5 Versuchsaufbau<br />

Bild 10 zeigt <strong>de</strong>n Aufbau <strong>de</strong>s Versuchsstan<strong>de</strong>s.<br />

Bild 10: Versuchsstand<br />

1 - Grundplatte 10 - Zahnradpumpe<br />

2 - E - Motor mit regelbarer Drehzahl 11 - Kupplung<br />

3 - Elastische Bolzenkupplung 12 - Wälzlager<br />

4 - Wälzlager 13 - Abtriebswelle<br />

5 - Antriebswelle 14 - Zahnrad<br />

6 - Zahnrad 15 - Zahnrad<br />

7 - Zahnrad 16 - Getriebegehäuse<br />

8 - Wälzlager mit geteiltem Lagerbock 17 - Wälzlager<br />

9 - Drosselventil 18 - Verschiebbare Platte<br />

Alle Baugruppen <strong>de</strong>s Versuchsstan<strong>de</strong>s sind auf <strong>de</strong>r Grundplatte 1 angeordnet. Der<br />

drehzahlregelbare Elektromotor 2 (Drehzahlbereich von 100 – 3000min -1 ) ist über<br />

eine elastische Kupplung 3 mit <strong>de</strong>r Antriebswelle 5 verbun<strong>de</strong>n. Zwischen <strong>de</strong>n Wälzlagern<br />

4 und 8 sind zwei Zahnrä<strong>de</strong>r 6 und 7 angeordnet. Die Abtriebswelle 13 ist in<br />

<strong>de</strong>n Wälzlagern 12 und 17 gelagert. Die über die Kupplung 11 angetriebene Zahnradpumpe<br />

10 dient als Bremse.<br />

Die Befestigung <strong>de</strong>s Motors 2 auf <strong>de</strong>r Grundplatte 1 ermöglicht sowohl seine Verschiebung<br />

senkrecht zur Wellenachse als auch Verdrehung um <strong>de</strong>n Kupplungsmittelpunkt.<br />

11


Das Lager 8 am En<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Antriebswelle ist leicht <strong>de</strong>montierbar (geteilter Lagerbock,<br />

kegelige Schnellspannung <strong>de</strong>s Innenringes), um einfach und schnell unterschiedlich<br />

geschädigte Wälzlager einbauen zu können.<br />

Die im Versuchsstand eingesetzten Lager haben folgen<strong>de</strong> Daten:<br />

Typ: Pen<strong>de</strong>lkugellager 1207<br />

DW: 8,00 mm<br />

DT: 53,50mm<br />

z: 16 zweireihig<br />

Die Lagerböcke sind zur Befestigung <strong>de</strong>r Beschleunigungsaufnehmer mir radialen<br />

Gewin<strong>de</strong>bohrungen (horizontal, vertikal) versehen.<br />

Aus- und Einbau <strong>de</strong>s Endlagers (Untersuchungslager) <strong>de</strong>r Antriebswelle:<br />

Das Radialrillenkugellager 8 mit einer Spannhülse im zweigeteilten Lagerbock ist<br />

leicht <strong>de</strong>montierbar. Der Austausch <strong>de</strong>s Lagers wird während <strong>de</strong>s Praktikums<br />

erläutert.<br />

Vorberei<strong>tu</strong>ngen zum Betrieb <strong>de</strong>s Versuchsstan<strong>de</strong>s<br />

• Diagnostische Messinstrumente zum Betrieb vorbereiten.<br />

• Hauptkippschalter (weiß) einschalten (Stellung unten)<br />

• Anlaufschalter (rot) einschalten (Stellung unten).<br />

• Drehzahl mit <strong>de</strong>m Drehknopf an <strong>de</strong>r Steuereinheit einstellen.<br />

• Belas<strong>tu</strong>ngsmoment mit <strong>de</strong>m Drosselventil und ggf. Drehzahl korrigieren.<br />

• Nach <strong>de</strong>r Durchführung <strong>de</strong>r Versuche Elektromotor ausschalten (rote<br />

Drucktaste) und Drosselventil öffnen.<br />

Ach<strong>tu</strong>ng: Anlauf unter Last und Überlas<strong>tu</strong>ng (kleine Drehzahlen, große Mo-<br />

mente) sind zu vermei<strong>de</strong>n. Bei längeren Versuchen unter Last ist die<br />

Öltempera<strong>tu</strong>r (am Ventilgehäuse) zu kontrollieren. Bei überhöhter<br />

Tempera<strong>tu</strong>r (> 60°C am Gehäuse) Versuch unterbrechen und Mo<strong>de</strong>ll<br />

abkühlen lassen.<br />

Ach<strong>tu</strong>ng: Während <strong>de</strong>r Testläufe soll Sicherheitsabstand (Hän<strong>de</strong>, Kleidung)<br />

von <strong>de</strong>n rotieren<strong>de</strong>n Elementen <strong>de</strong>s Versuchsstan<strong>de</strong>s gehalten<br />

wer<strong>de</strong>n.<br />

Die für die Versuche verwen<strong>de</strong>ten Messketten wer<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>n Bil<strong>de</strong>rn 11 und 12<br />

gezeigt.<br />

12


Bild 11: Messkette Grunddiagnose<br />

Bild 12: Messkette Tiefendiagnose<br />

Für die Praktikumsversuche wer<strong>de</strong>n piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer<br />

verwen<strong>de</strong>t. Je nach Messaufgabe än<strong>de</strong>rt sich die Befestigungsmetho<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Aufnehmer<br />

am Diagnoseobjekt (Schraubverbindung, Tastspitze). Die in Bild 11 und 12<br />

gezeigten Messgeräte dienen zur Realisierung <strong>de</strong>r verschie<strong>de</strong>nen Metho<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r<br />

Wälzlagerkennwertbestimmung.<br />

Auf die Handhabung <strong>de</strong>r einzelnen Geräte wird während <strong>de</strong>s Praktikums<br />

eingegangen.<br />

13


6 Versuchsdurchführung<br />

1. VDI - Richtlinie 2056<br />

kurze Erläuterung<br />

2. Messung von Wälzlagerkennwerten (Grunddiagnose)<br />

a) K(t) - Wert – Messung<br />

• Messgerät: M911<br />

• Aufnehmer: Beschleunigungsaufnehmer KD35 (Schraubverbindung)<br />

• ungeschädigtes Lager: a ~ ( t = 0)<br />

- Effektivwert<br />

a ˆ ( t = 0)<br />

- Spitzenwert<br />

• Schädigung: - Außenringpitting K ( t)<br />

- Innenringpitting K (t)<br />

Bemerkung:<br />

Als Effektiv- und Spitzenwert zum Zeitpunkt t = 0 wer<strong>de</strong>n die Werte <strong>de</strong>s ungeschädigten<br />

Lagers verwen<strong>de</strong>t (Minimalwerte).<br />

b) Spike Energy – Messung<br />

• Messgerät: CONDICHECK 191<br />

• Aufnehmer: Beschleunigungsaufnehmer mit Tastspitze<br />

• ungeschädigtes Lager:<br />

• Schädigung: Außenringpitting gSE =<br />

Innenringpitting gSE =<br />

c) SPM - Messung<br />

• Meßgerät: VIB 8.600<br />

• Aufnehmer: im Gerät eingebaut<br />

• ungeschädigtes Lager:<br />

• Schädigung: Außenringpitting<br />

Innenringpitting<br />

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3. Messung und Analyse von Zeitsignal und Spektrum<br />

als dritte S<strong>tu</strong>fe <strong>de</strong>r Wälzlagerüberwachung (Tiefendiagnose)<br />

a) Berechnung <strong>de</strong>r kinematischen Scha<strong>de</strong>nsfrequenzen<br />

(siehe Gleichungen (1) bis (4))<br />

Drehzahl n = 1500 min -1<br />

fA =<br />

fI =<br />

fWA =<br />

b) Zeitsignal und Spektrum<br />

• Messgerät: Schwingungsanalysator 2515<br />

Hüllkurven<strong>de</strong>tektor WB 1048<br />

• Aufnehmer: Beschleunigungsaufnehmer 4391 (Schraubverbindung, Haftmagnet)<br />

• Lagerschädigung: ungeschädigt<br />

• Lagerschädigung: Außenringpitting<br />

• Lagerschädigung: Innenringpitting<br />

- Zeitsignal a = f(t)<br />

- Spektrum a = f(f)<br />

- Hüllkurvenspektrum aHüll = f(f)<br />

- Zeitsignal a = f(t)<br />

- Spektrum a = f(f)<br />

- Hüllkurvenspektrum aHüll = f(f)<br />

- Bestimmung <strong>de</strong>r Scha<strong>de</strong>nsfrequenz fA<br />

- Zeitsignal a = f(t)<br />

- Spektrum a = f(f)<br />

- Hüllkurvenspektrum aHüll = f(f)<br />

- Bestimmung <strong>de</strong>r Scha<strong>de</strong>nsfrequenz fI<br />

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