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Schmierstoffverunreinigungen sind mit etwa 25% eine der häufigsten Ursachen für den vorzeitigen Ausfall von Wälzlagern [Tec00, S. 11]. Gleichzeitig ist die Erkennung von Verunreinigungen sehr aufwändig und insbesondere bei Fettschmierung häufig nicht möglich. Um Folgekosten durch Stillstand von Maschinen vorzubeugen, muss dann entweder das Lager lange vor seinem tatsächlichen Laufzeitende ausgetauscht werden, oder der Schmierstoff präventiv gewechselt werden. Beides geht oft mit hohen ökonomischen sowie ökologischen Kosten einher (Ressourcenverbrauch, Energieverbrauch der Lagerherstellung). Durch diese Maßnahmen kann die Gefahr eines Lagerausfalls jedoch allenfalls gesenkt werden. Bei außergewöhnlicher Verunreinigung kann es trotzdem zu einem Lagerschaden kommen, der dann zum Stillstand der Maschine und damit einhergehenden Folgekosten führt.
Was sind übliche Kontaminationen?
Kontaminationen stammen oft aus der Umgebung des Lagers und gelangen an der Dichtung vorbei in das Lager. Aber auch Abrieb innerhalb der Maschine oder direkt im Lager kann eine Quelle für Kontaminationen sein. Insbesondere bei Ölschmierung können sich derartige Verunreinigungen verteilen und in beteiligte Lager gelangen.
Der Einfluss fester Kontaminationen bzw. Partikeln ist abhängig von deren Größe, Härte und Konzentration. Partikel mit einer höheren Härte als das Lager verkürzen die Lebensdauer besonders drastisch. Sie führen zu Pittings und Ausbrüchen in der Lageroberfläche. Weichere Partikel können das Lager ebenfalls schädigen. Durch sie kann es in der Kontaktzone zu einem Abriss des hydrodynamischen Schmierfilms kommen und folglich zu erhöhtem Verschleiß. Sie können außerdem an der Lauffläche anhaften und dann durch die erhöhte Flächenpressung zu beschleunigter Ermüdung führen [Kou14].
Harte Partikel, die größer sind als die Schmierfilmdicke werden zermahlen, weichere Partikel abgeflacht. Solche Partikel deren Durchmesser in der Größenordnung des Schmierfilms liegt (10^-6m) führen ebenfalls zu lokalem Schmierstoffmangel durch Störung des hydrodynamischen Schmierfilms [Dwy9].
Die Geschwindigkeit der Lagerschädigung nimmt linear mit steigender Konzentration der Verunreinigungen zu. Gleichzeitig ist die Schädigung, gemessen am Abrieb, in den ersten 10h nach Eintritt der Verunreinigung am stärksten [Cel77].
Eine weitere sehr übliche Kontamination in Lagern ist Wasser. Es findet sich in der Umgebung der meisten Anwendungen, sei es in flüssiger Form oder durch die Feuchtigkeit in der Luft. Auch Wasser beeinträchtigt die Wirkung der Schmierstoffe mitunter erheblich und lässt sich nur sehr schwer erkennen.
Ungelöstes Wasser innerhalb des Lagers kann darüber hinaus durch den hohen Druck in der Kontaktzone der Wälzkörper aufgespalten werden. Der dann vorliegende atomare Wasserstoff kann zur sogenannten Wasserstoffversprödung des Wälzlagerstahls führen und infolgedessen zu Pittings. Gleichzeitig führt der entstandene Sauerstoff zu einer beschleunigten Alterung des Schmierstoffs durch Oxidation [Car10, S. 2].
Die Erkennung von Wasserkontaminationen gestaltet sich oft noch schwieriger als die von Partikeln. Die konventionelle Schwingungsüberwachung würde nur auf Schäden reagieren, welche dann aber in ihrer Ursache nicht zuordenbar sind. In Öl-umlaufgeschmierten Lagern lässt sich beispielsweise mit einer H20 – Spektroskopie der Wassergehalt im Öl erfassen, bedeutet aber zusätzlichen Aufwand und erlaubt keine Live-Überwachung [Lei18].
Ist es möglich Kontaminationen mithilfe der Sensortechnologie von HCP Sense zu identifizieren?
Die Technologie von HCP Sense basiert auf dem elektrischen Verhalten des Lagers beim Anlegen einer Wechselspannung. Aus der gemessenen Impedanz kann über den elektrischen Widerstand und die Kapazität, auf die Schmierfilmdicke geschlossen werden. Das Verhalten ist ähnlich dem eines Plattenkondensators, für welchen folgender Zusammenhang zwischen Kapazität, Kondensatorfläche und Abstand der beiden Elektroden gilt:
Maßgeblich für die Kapazität ist im Wälzlager jener Wälzkontakt, der zu diesem Zeitpunkt die größte Last erfährt. Durch die Abflachung der Wälzkörper (größer werdende Fläche A) und der sinkenden Schmierfilmdicke d, steigt die Kapazität C.
Die Messung gewährt auf diese Weise direkten Einblick in den Schmierungszustand, bei den am höchsten belasteten Wälzkörpern. Also genau an der Stelle an der eine etwaige Lagerschädigung stattfinden würde. Da die Messungen mit hohen Abtastraten durchgeführt werden, kann das exakte Verhalten während einer Rotation analysiert werden.
Kommt es zum Eintritt eines Partikels in die Kontaktzone zwischen den Wälzkörpern, zeigt sich dies zum Beispiel durch einen Abriss des Schmierfilms und folglich einem Anstieg der Kapazität bei gleichzeitigem Absinken des Widerstands. Zu beobachten ist dies in dem hier abgebildeten Ausschnitt der Rohmessdaten. Diese Ereignisse finden zufällig statt und lassen sich von schon entstandenen Schäden oder Unregelmäßigkeiten in der Lageroberfläche abgrenzen. Darüber hinaus kann aufgrund unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften, etwa von mineralischen Verunreinigungen wie Sand und metallischen Verunreinigungen differenziert werden.
Auf diese Weise lassen sich schon einzelnen Partikel, die in das Lager eingetreten sind erkennen, identifizieren und über die Anzahl der auftretenden Ereignisse auf die Konzentration dieser schließen. Dies ist wichtig, da der Eintritt geringer Mengen oder besonders weicher Materialien nicht automatisch den Austausch des Schmierstoffs oder gar des Lagers rechtfertigt bzw. notwendig macht. Es lassen sich dann evtl. noch frühzeitig Maßnahmen ergreifen, um weiterer Kontamination entgegen zu wirken oder die Ursache dieser zu suchen und zu eliminieren. So lassen sich nicht nur Schäden verhindern, sondern auch Wartungsintervalle und damit verbundene Kosten effizient minimieren. HCP Sense unterstützt sie hierbei umfänglich, mit langjähriger Erfahrung in Wälzlagertechnik aus Forschung und Industrie.
Vorteile mit HCP Sense
- Vermeidung von Schäden durch Schmierstoffkontaminationen
- Identifizierung geringster Kontaminationsmengen bis hin zu einzelnen Partikeln
- Erkenntnisgewinn über die Herkunft der Kontaminationen als Basis zur Ursachen, statt Symptombekämpfung
- Handlungsempfehlung für Gegenmaßnahmen und Schmierstoffwechsel, maßgeschneidert auf die Bedürfnisse in Ihrem speziellen Anwendungsfall
- Unterstützung mit Erfahrung und Fachwissen aus Forschung und Industrie
Quellen
[Car10] Carlos Goncalves und L.R. Padovese. „Vibration and oil analysis for monitoring problems related to water contamination in rolling“. In: International Brazilian Conference on Tribology (2010).
[Cel77] B. CeleFitzsimmons und H. D. Clevenger. „Contaminated Lubricants and Tapered Roller Bearing Wear“. In: A S L E Transactions 20.2 (1977), S. 97–107.
[Dwy99] R.S Dwyer-Joyce et al. Surface damage effects caused by debris in rolling bearing lubricants, with an emphasis on friable materials. 1999.
[Kou14] D. Koulocheris et al. „Experimental study of the impact of grease particle contaminants on wear and fatigue life of ball bearings“. In: Engineering Failure Analysis 39 (2014), S. 164–180.
[Lei18] Dirk Leimann, Gerhard Gajewski und Dirk Arnold. „Wassergehalt in Ölen: Einfluss unterschiedlicher Wassergehalte in Ölen auf die Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern und die Grübchentragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder“. In: FVA 1299 (2018).
[Tec00] Schaeffler Technologies. Wälzlagerschäden, Schadenserkennung und Begutachtung gelaufener Wälzlager. 2000. url: https://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_sharedmedia/ 08_media_library/01_publications/schaeffler_2/tpi/downloads_8/tpi_176_de_de.pdf (23. Juli 2023)
