Spektrumanalyse von Maschinenpressen - Wälzlagerfehler

Fehler bei Kugel- und Rollenlagern

Lagerschäden können auf verschiedene Ursachen zurückgeführt werden: fehlerhafte Montage, technologische Fehler bei der Montage der Wellenelemente, Dampfeinwirkung, Überlastung, zu hohe Drehzahl, schlechte oder fehlende Schmierung, Material- und Fertigungsfehler. Grundsätzlich führt die normale Belastung des Lagers - abhängig von der Lebensdauer des Lagers - früher oder später zu Materialermüdung und dann zu zunächst kleinen, später rapide ansteigenden Schäden. Bei einem Lagerschaden entstehen Vibrationen, deren Frequenz davon abhängt, an welchem Lagerbauteil der Ausfall aufgetreten ist. Diese Fehlerfrequenzen - oft als Lagerfrequenz oder Lagerfehlerfrequenz bezeichnet - lassen sich leicht berechnen, wenn bestimmte grundlegende geometrische Abmessungen des Lagers bekannt sind. Zur Berechnung der Fehlerfrequenzen müssen folgende Daten bekannt sein: D = Durchmesser des Mittelpunkts der Rollbahn (Laufbahn) d = Durchmesser der Rollen Q = Berührungswinkel (Übertragungsrichtung von der Innenring zum Außenring) Z = Anzahl der Rollen N = Wellendrehzahl (in Umdrehungen pro Minute)

Abbildung: Geometrische Daten des Lagers [Quelle: PIM]

Die folgenden Lagerfehlerfrequenzen (Grundfrequenzen des Lagers) existieren: FTF = Käfigfrequenz (Fundamental Train Frequency) BPFO = äußere Ringfrequenz (Ball Pass Frequency - Außenring) BPFI = innere Ringfrequenz (Ball Pass Frequency - Innenring) BSF = Rollenfrequenz (Ball Spin Frequency) Der häufigste Lagerfehler ist die Beschädigung des äußeren Rings, da in den meisten Fällen der äußere Ring feststeht und die Belastung (z. B. das Gewicht des rotierenden Teils) immer an derselben Stelle des äußeren Rings über die Rollen wirkt. Die Berechnung der Fehlerfrequenzen hängt davon ab, ob der innere oder äußere Ring des Lagers rotiert. Im Folgenden werden für beide Fälle Gleichungen aufgestellt, und die erhaltenen Größen sind jeweils in Hz zu verstehen. Gleichungen zur Berechnung der Lagerfehlerfrequenzen bei rotierendem Innenring:

Gleichungen zur Berechnung der Lagerfehlerfrequenzen bei rotierendem Außenring:

Die praktische Rolle des Berührungswinkels Θ

Aufgrund der axialen Kräfte, die in einzelnen Maschinen auftreten, erfolgt die Kraftübertragung nicht im im Lagertyp angegebenen Berührungswinkel. Der Berührungspunkt verschiebt sich minimal seitlich, wodurch der tatsächliche Berührungswinkel (bzw. Kraftübertragungswinkel) verändert wird. Dies hat gemäß den obigen Gleichungen auch Auswirkungen auf die erwarteten Fehlerfrequenzen. In der Praxis tritt dies hauptsächlich bei großen axialen Belastungen auf, bei denen die axialen Kräfte den Berührungswinkel erhöhen und dies die Entwicklung der Fehlerfrequenzen beeinflusst. Obwohl dieser Effekt sehr gering ist (führt höchstens zu einer Abweichung von 2 Prozent), bewirkt er auf jeden Fall, dass die berechneten Fehlerfrequenzen die tatsächlich gemessenen Frequenzen nicht "haargenau" abdecken. In den meisten herkömmlichen Fällen (der Innenring dreht sich, der Außenring steht) können die für Lagerfehler charakteristischen Schwingungsfrequenzen mit einer Unsicherheit von +/-20 Prozent anhand der folgenden Gleichungen abgeschätzt werden: Käfigfrequenz: FTF = 0,4 * N / 60 äußere Ringfrequenz: BPFO = 0,4 * N / 60 * Z innere Ringfrequenz: BPFI = 0,6 * N / 60 * Z Rollenfrequenz: BSP = 0,23 * N / 60 * Z (Z < 10) = 0,18 * N / 60 * Z (Z ≥ 10)

Berechnungsbeispiel Angenommen, die Wellendrehzahl beträgt 2940 U/min (entspricht 49 Hz), und nehmen wir an, dass der äußere Ring des Lagers steht und der innere Ring sich dreht. Weitere Daten des Lagers: Anzahl der Lagerrollen Z = 8 Rollendurchmesser d = 6,75 mm Laufbahndurchmesser D = 28,5 mm Berührungswinkel Q = 0 Grad

Die folgende Abbildung zeigt das spektrale Erscheinungsbild der oben genannten Lagerfehler in vereinfachter (schematischer) Form. Das Auftreten von Lagerproblemen im Frequenzspektrum variiert je nachdem, ob es sich um leichte - beginnende - oder etablierte - schwerwiegende - Fehler handelt. Entsprechend müssen bei der Auswertung weitere theoretische Aspekte berücksichtigt werden.

Abbildung: Darstellung der Fehlerfrequenzen des Lagers im Schwingungsspektrum [Quelle: PIM]

Vorkommen der Lagerfehlerfrequenzen

Die Käfigfrequenz tritt nur sehr selten dominant auf. Käfigschäden treten häufig in Form einer Modulation um die anderen Lagerfrequenzen (Wälzkörper- sowie Innen- oder Außenringfrequenz) auf. Wenn das Überrollen der Lagerschäden mit kontinuierlich wechselnder Belastung erfolgt, können gelegentlich Modulationen der Drehzahl mit Lagerfehlerfrequenzen beobachtet werden. Bei einem intakten Lager sind die Grundfrequenzen in den meisten Fällen nicht vorhanden. Ein beginnender Lagerschaden zeigt sich in Form von hochfrequenten Vielfachen der Lagerfehlerfrequenzen und im Verlauf der Verschlimmerung des Schadens verstärken sich die Grundfrequenzen des Lagers zunehmend. Periodische Anregungen bei einem Lagerschaden führen immer zu Vielfachen der Anregungsfrequenz (in unserem Fall zu den Grundfrequenzen des Lagers). Wenn jedoch eine rein sinusförmige Anregung vorliegt (zum Beispiel durch Unwuchten verursachte Kräfte), erscheint nur die Grundfrequenz der Anregung im Spektrum. Wenn beispielsweise die Lagerkomponenten aufgrund von Spannungen deformiert wurden, sind sinusförmige Kräfte zu erwarten, wenn die Wälzkörper überrollen. Dies kann nach Reparaturen häufig bei zu engen Spannhülsen oder stark belasteten, deformierten Lagergehäusen (zum Beispiel Riemenantriebe) beobachtet werden. In diesem Fall erscheint nur die Grundfrequenz der Lagerfehler im Spektrum. Bei zu geringem Lagerluftspalt wird hauptsächlich die Fehlerfrequenz des Außenrings sichtbar. Das belastete Lagerbauteil ist tatsächlich der Käfig, dessen Ursache folgende ist: Aufgrund des zu geringen Spalts muss der Käfig die Lagerkräfte aufnehmen, da er die Wälzkörper durch das engste Spaltstück drücken muss. Letztendlich sollte die Grundfrequenz des Käfigfehlers erscheinen, was jedoch in den meisten Fällen nicht der Fall ist, da der Käfig jeden Wälzkörper einzeln durch das enge Querschnittsstück drücken muss. Daher tritt die Vielfache der Käfigfrequenz auf, genauer gesagt das Produkt aus Käfigfrequenz und der Anzahl der Wälzkörper. Dies ist nichts anderes als die Fehlerfrequenz des Außenrings.

Zusammenfassung mit Anmerkungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wenn die Vielfachen der Lagerfehlerfrequenz hauptsächlich im höheren Frequenzbereich zu finden sind, dies in der Regel darauf zurückzuführen ist, dass kleine, scharfe Schäden auf der Lauffläche des Lagers vorhanden sind. Verschmutzungen können ein ähnliches Phänomen verursachen. In solchen Fällen sind die Grundfrequenzen des Lagerfehlers normalerweise nicht erkennbar. Andererseits, wenn die niedrigfrequenten Vielfachen der Grundfrequenz des Lagerfehlers (hauptsächlich die 2- bis 10-fachen Frequenzen) im Schwingungsspektrum vorhanden sind, wird dies in der Regel durch große und tiefe Lagerschäden erklärt. Bei geringer Lagerbelastung oder besonders in einem schlechten Zustand befindlichen Lagern (wenn es keine echten Überrollungen mehr gibt), treten die Lagerfehler hauptsächlich in Form von Resonanzanregungen auf. Weitere Anmerkungen: * Wälzkörperschäden sind sehr schwer zu erkennen, da diese Elemente sehr klein sind. Daher ist ihre Schädigung und die dadurch erzeugte Vibration (bzw. deren Energiegehalt) relativ gering und kann nur gemessen werden, wenn ein anderes - größeres - Maschinenelement (z. B. das Lagergehäuse) diese Schwingungen übernimmt. * Impulsartige Hochfrequenzsignale und das Auftreten von Hochfrequenzenergie deuten in der Regel auf Lagerfehler hin. Aber das Auftreten von Hochfrequenzphänomenen kann auch beispielsweise durch das Klappern von Kettenantrieben oder durch Kavitation in Pumpenanlagen verursacht werden. * Die für den Innenring und den Wälzkörper charakteristischen Schwingungsfrequenzen können bei radialbelasteten Lagern mit Seitenbändern auftreten, die Drehzahl- bzw. Käfigfehlerfrequenzen aufweisen. Dieser Fehlerort hängt von der Ein- und Austrittsbewegung in die belastete Zone ab.

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu  

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