Verschmutzungen im Schmierstoff sind eine Hauptursache für vorzeitige Wälzlagerausfälle. Die Diagnose ist bisher nur durch eine Probenentnahme möglich, was aufwendig und bei fettgeschmierten Lagern oft unmöglich ist. Ein einfaches Werkzeug zur Diagnose von Verunreinigungen im Betrieb fehlt bisher. Die Herausforderung besteht also darin, solche Verunreinigungen, insbesondere bei Fett, im Betrieb rechtzeitig zu detektieren, damit geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Eine Lösung für den industriellen Alltag muss einfach in der Handhabung und ohne Expertenwissen anwendbar sein. Die impedanzbasierte Lagerüberwachung erfüllt diese Anforderungen. Wir zeigen in diesem Beitrag, wie das elektrische Verhalten des Wälzlagers den Schmierungszustand und den Einfluss von Partikeln und Wasser anzeigt.
Die vorausschauende Wartung ist ein zentraler Bestandteil der Digitalisierung des Maschinen- und Anlagenbaus. Dabei spielen Wälzlager bzw. deren Schmierung eine Hauptrolle, da über 80 % der vorzeitigen Lagerschäden auf Schmierungsprobleme zurückzuführen sind. Neben Mangelschmierung und Schmierstoffalterung sind falsche Schmierstoffwahl und Verunreinigung die häufigsten Schadensursachen. Auf Verunreinigung konzentrieren wir uns in diesem Beitrag.
| Ursache | Anteil |
|---|---|
| Verschmutzter Schmierstoff | 24 % |
| Ungeeigneter Schmierstoff | 20 % |
| Gealterter Schmierstoff | 17 % |
| Mangel an Schmierstoff | 16 % |
| Ungeeignetes Lager | 10 % |
| Montagefehler | 7 % |
| Andere Ursachen | 6 % |
HCP Sense Technologie vs aktueller Stand der Technik
Leider lässt sich dies mit herkömmlicher Technologie nicht überwachen, wodurch keine Kenntnis über den dominant auftretenden Schmierungszustand gewonnen werden kann. Das Sensorlager von HCP Sense liefert erstmals permanent Aussagen über die Schmierung und ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung.
Mit unserer Impedanzmessung lässt sich das elektrische Verhalten des Wälzlagers live an der Maschine überwachen. Bei Flüssigkeitsreibung, wenn ein vollständig ausgebildeter Schmierfilm vorliegt und die metallischen Oberflächen getrennt sind, verhält sich das Lager elektrotechnisch gesehen wie ein Kondensator. Bei Misch- und Grenzreibung ist dies nicht der Fall, es besteht metallischer Kontakt und das Lager zeigt ein ohm’sches Verhalten wie bei einem elektrischen Widerstand.
Die kontinuierliche Überwachung des Schmierungszustands eröffnet zahlreiche Möglichkeiten, die Betriebssicherheit, Effizienz und Lebensdauer von Maschinen nachhaltig zu verbessern:
- Mangelschmierung und Schäden vermeiden
- Schmierstoffe qualifizieren
- Wirkungsgrad steigern
- Schmierstoffverteilung optimieren
- Schmierungszustand erkennen
- Überschmierung und unnötigen Energieverbrauch vermeiden
- Maschinenbetrieb im Optimum halten
Impedanzmessung zur Bestimmung des Schmierungszustandes
Der Schmierungszustand eines Lagers lässt sich über die Messung der Impedanz ermitteln. Dazu wird ein Messstrom in den Wälzlagerkontakt gegeben und das Signal ausgewertet.
Elektrotechnisch lässt sich der Wälzlagerkontakt mit Ohm’schen Widerstand und Kondensator modellieren. Im Bereich der Grenzreibung kommt es zu flächigem Metallkontakt, elektrisch entspricht das einem Kurzschluss bzw. einem Ohm’schen Widerstand. Mit zunehmender Schmierfilmbildung nimmt die Anzahl dieser Metallkontakte ab und es bilden sich Flächenelemente, die durch den isolierenden Schmierfilm getrennt werden. Diese isolierten Segmente verhalten sich wie Plattenkondensatoren.
Darstellung eines Kontaktbereiches mit direktem Kontakt der Rauhheitsspitzen und Schaltsymbol Widerstand; Mitte: Kontakbereich mit vollständiger Trennung aber sehr geringem Abstand, Schaltbild Parallelschaltung Kondensator und zwei umschaltbare parallele Widerstände; rechts: Kontaktbereich mit großem Abstand der Oberflächen, Schaltbild Parallelschaltung Widerstand und Kondensator.
In der Mischreibung liegt also eine Parallelschaltung aus wechselnden kleinen oder großen Widerständen und Kondensatoren vor. Sobald in der Hydrodynamik der Schmierfilm vollständig ausgebildet ist und keine metallischen Kontakte mehr auftreten, entspricht das Lager einer Kapazität mit parallelem großen Widerstand.
Aus den Rohsignalen von Kapazität und Widerstand werden die Indices Kmix und Khydro als Messwerte für Misch- und Flüssigkeitsreibung gebildet. Kmix liegt zwischen 0 und 100 und dient als Indikator für die Mischreibung, Khydro ist nach oben unbegrenzt und Indikator für die hydrodynamische Schmierung. Bei Kmix zwischen 0 und 90 befindet sich das System in der Grenzreibung, bei einem Kmix über900 und einem Khydro von unter 90 in der Mischreibung, und bei einem Kmix über 90 und einem Khydro von über 90 befindet sich das System sicher in der hydrodynamischen Schmierung.
Versuche
Die Versuche wurden mit Wälzlagern des Typs SKF 6205 am Lagerprüfstand LP-2 durchgeführt, der mit dem Impedanzmesssystem der Firma HCP Sense ausgestattet ist. Auf einer Welle befinden sich zwei radial belastete Lager. Eines der Lager diente als Vergleich und wurde mit dem jeweiligen frischen Fett geschmiert, das andere war das Versuchslager, in dem die Fette gewechselt wurden. Die Versuche wurden mit je 3 g Fett durchgeführt. Als Verunreinigung wurden jeweils 50 Korundpartikel des Typs WIWOX® NK 150 (63-106 µm) definiert ins Fett eingebracht bzw. 0,75 ml Wasser in 3 g Fett. Zwei Fette unterschiedlicher Viskosität kamen zum Einsatz.
| Fett | KV 40 | Versuchsparameter Partikel im Fett |
Versuchsparameter Wasser im Fett |
|---|---|---|---|
| LGLT | 17 | 3h, 2kN, 1750 U/min | |
| LGMT | 110 | 3h, 2kN, 1500 U/min | 3h, 2kN, 200 U/min |
Der Einlauf erfolgte mit frischem Fett in beiden Lagern, anschließend wurde das Testlager gereinigt und mit dem für den Versuch verunreinigten Fett neu geschmiert. Um die Dauerhaftigkeit von Oberflächenveränderungen durch Partikel zu studieren, wurde das Testlager nach dem Versuchslauf gereinigt und wieder mit frischem Fett geschmiert.
Einfluß von Partikeln
Korundpartikel im Fett machen sich unter den gewählten Versuchsbedingungen unabhängig von der Viskosität in Khydro bemerkbar, während Kmix bis auf eine kurze Einlaufphase keine Unterschiede zwischen frischem und mit Partikeln versetztem Fett zeigt und beim Maximalwert 100 liegt. Mit frischem Fett bildet sich ein deutlich stärkerer Schmierfilm mit Werten von Khydro über 50, während die Partikel lediglich ein Khydro wenig über 0 erlauben. Das System befindet sich also mit Partikeln in der Mischreibung, die Partikel verhindern eine ausreichende Ausprägung des Schmierfilms.
Sechs Meßdiagramme von Khydro über einen Zeitabschnitt von 50 s. Von oben nach unten jeweils für das Fett LGLT und daneben LGMT die Diagramme vom Einlauf, Testlauf mit Partikeln im Fett und Lauf nach Reinigung des Testlagers.
Die Schädigung der Oberfläche führt zu Furchen mit Randaufwürfen, die wiederum zu mehr Kontakten in der Reibstelle führen. Dadurch lassen sich die niedrigeren Werte von Khydro erklären. Weiterhin ist ein Einfluss auf die Struktur des Schmierfilmes denkbar. Um diese Einflüsse zu trennen, wurden die Lager nach dem Versuch gereinigt und mit frischem Fett geschmiert. Dabei zeigen sich die durch die Partikel herbeigeführten bleibenden Oberflächenveränderungen signifikant beim niedrigviskosem Fett LGLT. Bei LGMT bildet sich ein relativ stabiler Schmierfilm in beiden Lagern, der sich in Khydro nur geringfügig unterscheidet. Hier scheinen die Oberflächenänderungen durch die Partikel nur geringfügig gewesen zu sein, möglicherweise trat tatsächlich eine Wechselwirkung zwischen Fett und Partikeln auf.
Einfluß von Wasser
Wasser zeigt einen deutlichen Einfluß auf die Schmierfilmausbildung. Sowohl Kmix als auch Khydro weisen auf Grenz- und starke Mischreibung bei Anwesenheit von Wasser hin. Mit längerer Laufzeit nimmt die Schmierfilmbildung zu, wahrscheinlich wurde zuvor Wasser aus dem Kontakt verdrängt. Beim frischen Fett bildet sich schnell ein sicher schützender Schmierfilm, allerdings deuten die starken Schwankungen auf Inhomogenitäten hin.
Kmix und Khydro von 0 bis 400 s. Testlager: Kmix zeigt Einbrüche von 100 auf 50 bis 3000 s, Khydro steigt kaum über 0. Vergleichslager: Khydro steigt auf 300, starke Ausschläge.
