von Andy Page, GP Allied
Der Zustand der Lager ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtzustand der Maschinen und der gesamten Anlage. Lager könnten als die „Opferlämmer“ einer rotierenden Maschine betrachtet werden. Bei vielen Maschinen ähnelt ihre Beziehung zu den Lagern in etwa der von Batterien zu einer Fernbedienung. Solange sie ausgetauscht werden, bevor sie ausfallen und/oder Schäden an anderen Bauteilen verursachen, sollte die Maschine eine angemessene Lebensdauer aufweisen. Natürlich sind Lager nicht die einzigen Bauteile, die Verschleiß, Ermüdung und Ausfälle aufweisen, doch sie machen den Löwenanteil der Hauptursachen für Ausfälle bei vielen rotierenden Maschinen aus.
Allerdings führen viele weit verbreitete Irrtümer – insbesondere falsche Annahmen darüber, wie lange ein Lager halten sollte und was als „angemessener“ Verschleiß gilt – dazu, dass Lager zu schnell verschleißen (oder umgekehrt ausgetauscht werden, obwohl dies nicht erforderlich wäre). Beispielsweise halten sich manche Wartungsmitarbeiter an einen festgelegten Zeitplan, nach dem Lager alle 1 oder 2 Jahre ausgetauscht werden, oder sie sind der Ansicht, dass Lager, die nur 1–2 Jahre halten, „ihren Dienst getan haben“.
Es gibt jedoch weitaus bessere Methoden, um festzustellen, wann ein Lager ausgetauscht werden muss, und eine der zuverlässigsten Methoden besteht darin, das Vorhandensein von unter der Oberfläche liegenden Ermüdungserscheinungen zu erkennen.
Durch das Verständnis der Faktoren, die diesen Prozess begünstigen und beschleunigen, werden die Mitarbeiter im Betrieb realistischere Erwartungen hinsichtlich des Zustands und der Lebensdauer der Lager entwickeln und gut darauf vorbereitet sein, von der reaktiven Instandhaltung zur zustandsorientierten Instandhaltung überzugehen und damit eine höhere Zuverlässigkeit zu erreichen.
Die Rolle der Schmierung
Um zu verstehen, wie Ermüdungserscheinungen im Untergrund zu Lagerfehlern führen, müssen wir zunächst die Rolle der Schmierung verstehen. Wird das richtige Schmiermittel oder Schmierfett verwendet? Wird es ordnungsgemäß gelagert? Ist das Schmiermittel frei von Verunreinigungen? Sollte die Antwort auf eine dieser Fragen „nein“ lauten, wird das Lager Probleme bekommen.
Wenn die richtige Art und Menge an Schmiermittel verwendet wird, berührt die Rolle die Laufbahn zu keinem Zeitpunkt. Wird jedoch die falsche Art oder Menge verwendet, führt dies zu einer Beschädigung des Lagers. Und so funktioniert es.
Schmierstoffe und Fette sind zwar nicht komprimierbar, doch führt ein Anstieg des Drucks zu einer Veränderung einer der physikalischen Eigenschaften des Schmierstoffs … nämlich seiner Viskosität. Bei jedem Schmierstoff steigt also mit zunehmendem Druck auch die Viskosität: nicht nur geringfügig, sondern exponentiell. Erreicht der Druck 200.000 psi, wird das Schmiermittel tatsächlich härter als das Metall im Lager. Wenn das Schmiermolekül in die Belastungszone eindringt, baut sich dort Druck auf. Da es der Kompression widersteht, bildet sich ein Ölkeil.
Während der Ölkeil die Belastungszone durchläuft, wird die Oberfläche der Laufbahn, die sich unter der Rolle und unterhalb des Ölkeils befindet, zusammengedrückt. Wenn der Keil diese Stelle passiert, wird die Oberfläche der Laufbahn wieder entlastet. Die Kraft unterhalb der Kugel oder Rolle lässt sich anhand des Hertzschen Spannungsmodells darstellen. (Abbildungen 1, 2) Die Kraft direkt unterhalb der Rolle ist am größten, während die Kraft links und rechts von der Rolle geringer ist. Infolgedessen zieht jede Rolle einen „Spannungskegel“ hinter sich her, während sie sich um den Innenring und innerhalb des Außenrings dreht, insbesondere beim Durchlaufen der Belastungszone.
Während sich die Walzen weiter durch die Belastungszone bewegen, nehmen sie diese Spannungskonzentration mit, und der Zyklus aus Kompression und Entlastung setzt sich fort, bis das Material seine Ermüdungsgrenzen erreicht. Stellen Sie sich vor, Sie würden einen Kleiderbügel oder einen „unzerbrechlichen“ Kamm wiederholt biegen. Schließlich wird der Zyklus aus Kompression und Entlastung die Festigkeit des Materials beeinträchtigen, und es wird brechen.
Betrachten Sie anhand der nachstehenden Berechnungen, wie oft sich dieser Zyklus aus Kompression und Entspannung an einem Tag wiederholt.
- Nehmen Sie eine Welle mit 1.775 U/min, die mit etwa 29,6 Umdrehungen pro Sekunde läuft.
- Beispielsweise passieren bei einem bestimmten Lager während einer Umdrehung des Innenrings 8,193 Kugeln oder Rollen eine bestimmte Stelle.
Daher wird diese Stelle in der Belastungszone innerhalb eines Zeitraums von 24 Stunden 21 Millionen Mal zusammengedrückt und wieder entlastet; im Laufe eines Jahres geschieht dies 7,6 Milliarden Mal.
Bedenken Sie nun, dass Lager eine Lebensdauer von 8 bis 12 Jahren haben sollten, und multiplizieren Sie 7,6 Milliarden mit 8 (eine konservative Schätzung der Lagerlebensdauer) – die Anzahl der Druck- und Entlastungszyklen erreicht dabei astronomische Ausmaße. Schließlich erreicht das Lager seine Ermüdungsbelastungsgrenze. Das erste Anzeichen dieses allmählichen Verschleißes wird als „unter der Oberfläche liegende Ermüdung“ bezeichnet.
Das erste Anzeichen für Probleme
Unteroberflächenermüdung ist genau das, wonach es klingt: kleine Risse, in der Regel etwa 5–6 Mikrometer tief, die mit bloßem Auge erkennbar sind, sobald das Lager ausgebaut, zerlegt und gereinigt wurde. Ein Anzeichen für diese Unteroberflächenermüdung ist die Verfärbung, die an der Außen- und Innenlaufbahn zu erkennen ist. Unterhautermüdung ist das erste Anzeichen dafür, dass ein Lager kurz vor einem Ermüdungsbruch steht.
Im Laufe der Zeit werden sich diese mikroskopisch kleinen Risse schließlich miteinander verbinden, was zu einer „fortgeschrittenen“ unter der Oberfläche liegenden Ermüdung führt.
Auch wenn dieser Verschleiß noch nicht sichtbar oder spürbar ist, liegt die von der Materialermüdung abgegebene Energie im Ultrahochfrequenzbereich, sodass sie von Ultraschallmessgeräten sehr gut erfasst wird. Auch die Schwingungsanalyse ist bei der Erkennung dieses Phänomens hilfreich, wie aus dieser Analyse hervorgeht, die zeigt, wie sich die Materialermüdung über einen Zeitraum von drei Monaten weiter verschlimmert.
Mit fortschreitender Ermüdung im Inneren verbinden sich die mikroskopisch kleinen Risse schließlich miteinander, und breite, dünne Metallstücke beginnen, aus der Laufbahn herauszubrechen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schaden spürbar und hörbar. Dies wird als Abplatzung bezeichnet.
Sobald es zu Abplatzungen kommt, schreitet dieser Prozess sehr schnell voran. Die Kontaktfläche vergrößert sich erheblich, und der Druck schwankt stärker. Infolgedessen ist es für den Schmiermittelkeil schwierig, seine Form beizubehalten, und die Oberflächen können nicht mehr voneinander getrennt bleiben. Die Abplatzungen nehmen dann recht schnell zu.
Alles, was die radiale und axiale Belastung des Antriebsstrangs beeinflusst, beschleunigt diesen Prozess, darunter insbesondere Folgendes:
- Ungleichgewicht
- Fehlausrichtung
- Zu fest gespannte Keilriemen
- Gebrochene Schrauben
- Lose Schrauben
- Gebrochene Schweißnähte
- Überlastung von Maschinen
- Maschinen mit überhöhter Drehzahl
- Stoßbelastungsprüfmaschinen
Angesichts all der Probleme, die durch Ermüdungserscheinungen im Inneren verursacht werden, liegt der wirtschaftliche Nutzen der Umsetzung eines Plans zu deren Erkennung und Vermeidung auf der Hand. Ultraschall, Ölanalyse, Schwingungsanalyse, Infrarotuntersuchung und die Analyse der Motorstromkreise sind bei diesem Vorhaben allesamt hilfreich. Keine einzelne Prüfmethode kann alles erkennen, doch im Zusammenspiel sind diese Technologien sehr effektiv bei der Erkennung der ersten Anzeichen eines Lagerausfalls.
Schlussfolgerung
Lager sind nicht für eine unbegrenzte Lebensdauer ausgelegt, und Ermüdungserscheinungen im Inneren sowie andere Ausfallmechanismen sind unvermeidlich. Durch den Einsatz einer geeigneten Kombination von Technologien zur Erkennung solcher Ausfallmechanismen – und, was noch wichtiger ist, durch das Verständnis, wie wichtig es ist, Defekte frühzeitig zu erkennen – können Anlagen jedoch von einem zuverlässigeren und besser planbaren Wartungsplan profitieren und kostspielige vorzeitige Lagerwechsel vermeiden.
Weitere Informationen, Ressourcen und Lösungen zum Thema Ermüdung im Untergrund sowie zu anderen Arten von Lagerausfällen finden Sie unter www.uesystems.com und www.gpallied.com.
Wie lange sollten Lager also halten?
Wie bereits zu Beginn dieses Artikels erwähnt, werden Lager manchmal ausgetauscht, obwohl sie noch einwandfrei funktionieren. Dies liegt zum Teil daran, dass viele Wartungsmitarbeiter nicht wissen, welche Lebensdauer bei einem Lager realistischerweise zu erwarten ist, was ein erhebliches Hindernis für die Zuverlässigkeit und Optimierung darstellt. Würden Sie eine Gruppe von Fachleuten fragen: „Wie lange halten Lager?“, würden Sie eine Vielzahl unterschiedlicher Antworten erhalten, die von einigen Jahren bis hin zu „unbegrenzt“ reichen.
Bei ordnungsgemäßer Wartung sollten die meisten Lager eine Lebensdauer von etwa 8 bis 12 Jahren aufweisen. Die Lebensdauer von Lagern wird anhand eines Konzepts dargestellt, das alsL10-Lebensdauer bezeichnet wird.
DieL10-Lebensdauer ist die Betriebsdauer, bis zu der etwa 90 Prozent der Lager einer ausreichend großen Stichprobe unter ähnlichen Bedingungen durchhalten. Die „10“ inL10 bezieht sich auf die 10 Prozent der Lager, die dieL10-Lebensdauer nicht erreichen werden. Die Lebensdauer eines Lagers sollte etwa das Fünffache der berechnetenL10-Lebensdauer betragen (als verlässliche Faustregel gilt hier in der Regel ein Zeitraum von etwa 8 bis 12 Jahren). Bitte überprüfen Sie die Angaben des Herstellers, um weitere Informationen zu erhalten und sich ein besseres Bild davon zu machen, wie lange Ihre Lager realistischerweise halten sollten.