12.06.2019

Wälzlagerdiagnose und ISO10816 in einem - geht das?

Hieb- und stoßfest

Als Basis für die Beurteilung des Schwingungsverhaltens von Maschinen und Anlagen wird häufig die DIN ISO10816 heran gezogen, die das Vibrationsniveau mit dem Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in mm/s bewertet. Der Effektivwert, auch RMS (Root Mean Square) genannt, 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.


Geräte zur Messung von Stoßimpulskennwerten erkennen den Gesundheitszustand des Wälzlagers.
Bild: Avibia GmbH

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.

Bewertungszonen und Transmitter

Die reine Überwachung von Schwingungen nach DIN ISO10816 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 Schwingungsübe rwachung 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…20mA Ausgangssignal 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 10Hz (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...20 mA Messwert zeigt jedoch noch keine Auffälligkeiten. Um diesen Effekt zu berücksichtigen, bietet Avibia Transmitter mit einem breiteren Frequenzbereich an. 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.

Messung von Stoßimpulskennwerten

Lagerschäden verursachen typischerweise Stoßimpulse. Ist z.B. der Außenring eines Lager 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 Messsignal 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 Messstellenerkennung vereinfachen diese Methode, ein permanentes Monitoring ersetzen sie jedoch nicht. 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 mit der Serie Avibialine eine modulares System von 1 bis 8 Kanälen als Gesamtlösung mit passenden Beschleunigungssensoren.

Hüllkurvenfrequenzspektrum und -analyse

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 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 heran gezogen werden. Avibia bietet das webbasierte System AVT8 an, mit dem eine Hüllkurvenanalyse und Ankopplung an eine firmenübergreifende Instandhaltungssoftware möglich ist.

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