Produktionstrend 2009/07-08, Technische Diagnoseabteilung

"Anstatt Feuerlöschen und Großreparaturen"

Die Aufgabe von Lagern besteht darin, die rotierenden oder schwingenden Bewegungen ausführenden Maschinenelemente zu stützen und zu führen. Je nach Ausführung unterscheiden wir grundsätzlich zwischen Wälzlagern, bei denen die Kraftübertragung durch Wälzkörper erfolgt, die sich zwischen den bewegten Oberflächen befinden, und Gleitlagern, bei denen die Tragflächen aufeinander (bzw. auf der dazwischen liegenden Schmierstoffschicht) gleiten. Dieser Abschnitt unseres Artikels befasst sich mit Gleitlagern, die mit einer Schmierstoffschicht betrieben werden, die im Wesentlichen ölgeschmiert ist.

Bei Gleitlagern streben wir danach, die aufeinander laufenden Oberflächen vollständig durch eine Schmierstoffschicht voneinander zu trennen, sodass sie nicht metallisch miteinander in Berührung kommen, sondern eine reine Flüssigkeitsreibung entsteht. Je nach Art der Schmierstoffschichtbildung unterscheiden wir zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Gleitlagern. Bei hydrostatischen Gleitlagern wird der Schmierstoff unter Druck zwischen die bewegten Oberflächen eingebracht, sodass der Druck des Schmierstoffs durch eine Pumpe erzeugt wird, bevor der Schmierstoff in das Lager gelangt.

Bei hydrodynamischen Gleitlagern bildet sich der belastbare Schmierstofffilm zwischen den sich trennenden Oberflächen während der relativen Bewegung von selbst. In dieser Variante berühren sich die gleitenden Oberflächen zu Beginn des Starts direkt, dann entsteht während der Bewegung der gemischte Reibungszustand, und erst über einer bestimmten relativen Geschwindigkeit entsteht die reine Flüssigkeitsreibung. Der Druck entsteht in den Lagern praktisch von selbst, sodass das Lager gleichzeitig als Pumpe fungiert.

Vorteile von Gleitlagern	Nachteile von Gleitlagern
- Bei reiner Flüssigkeitsreibung ist der Reibungswiderstand extrem gering	- Relativ hoher Schmierstoffverbrauch
- Ihre Konstruktion ist einfach und vielseitig einsetzbar	- Die Schmierstoffversorgung und Wartung erfordern erheblichen Aufwand
- Der Schmierstofffilm hat eine gute Vibrations- und Geräuschdämpfungswirkung	- Strenge Anforderungen an die Qualität der Gleitflächen
- Unempfindlich gegen Stöße und Vibrationen	- Bei hydrostatischen Lagern ist eine separate Ölpumpe erforderlich
- Bei guter Schmierung ist ihre Lebensdauer nahezu unbegrenzt	- Bei hydrodynamischen Lagern hoher Reibungsfaktor beim Start
- Sie sind auch bei hoher Belastung und extremen Drehzahlen gut einsetzbar

Bildung des Schmierfilms

Bei hydrostatischen Lagern hängt die Bildung des Schmierfilms nur vom richtigen Schmierstoffdruck ab, die Trennung der aufeinander laufenden Oberflächen erfolgt auch im Stillstand. Bei hydrodynamischen Lagern ist die Situation jedoch anders. Im Geschwindigkeitszustand v=0 (bei stillstehender Welle) berühren sich Welle und Lager metallisch. Wenn sich die Welle zu drehen beginnt, tritt zuerst trockene Reibung zwischen ihnen auf. Mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit tritt zunächst der Zustand gemischter Reibung auf, dann verbessert sich allmählich der Schmierzustand (die Reibungskoeffizientenkurve fällt plötzlich ab). Beim Erreichen des Minimums der Kurve beginnt der Zustand der reinen Flüssigkeitsreibung. Nach Erreichen des Minimums steigt der Reibungskoeffizient bis zu einem gewissen Grad wieder an, und zwar parabolisch, mit zunehmender Geschwindigkeit. Der Prozess der Bildung des Ölfilms wird durch die Abbildung mit der Darstellung der relativen Position von Welle und Lager zueinander dargestellt.

Die Welle ist mit einem gewissen Maß an Spiel (emax) im Lager angeordnet. Das Spiel führt zu den im Teilbild des Lagers gezeigten Positionen von n=0 bis n=∞. Im Ruhezustand befindet sich die Welle gemäß der Abbildung "a" am Boden des Lochs: Die Welle ruht am Boden des Lochs, gehorcht der Schwerkraft. Wenn sich die Welle bewegt, "klettert" sie aufgrund von Unebenheiten der Oberflächen etwas in das Lagerloch, dies ist der Zustand gemischter Reibung.

Bei steigender Drehzahl gelangt immer mehr Schmierstoff zwischen die Oberflächen, und bei einer bestimmten Drehzahl trennen sich die Oberflächen bereits, und die Welle bewegt sich in die Position gemäß der Abbildung "c". Dies markiert den Beginn der reinen Flüssigkeitsreibung, wobei der unter der Welle entstehende - sich ständig verengende - Spalt am kleinsten ist. Der Reibungskoeffizient ist zu diesem Zeitpunkt am niedrigsten, da zu diesem Zeitpunkt der geringste Ölanteil durch das Lager gezwungen werden muss. Bei höheren Drehzahlen vergrößert sich der Spalt gemäß der Abbildung "d", da immer mehr Öl hinzukommt, das die Oberflächen besser trennt. Der größte Ölspalt würde sich bei n=unendlich Drehzahl ergeben, wenn die Welle konzentrisch im Lager positioniert wäre. Der Mittelpunkt der Welle - der sich im untersten Zustand in der Abbildung "a" befindet - bewegt sich auf einer gekrümmten Bahn, wenn die Drehzahl steigt, und erreicht bei unendlicher Drehzahl die oberste Position, wenn die Welle in die Lagermitte wandert. In der Realität gibt es so viele Lager wie verschiedene Aufstiegsarten. In der Praxis kann beispielsweise die in der Abbildung gezeigte Bahn von der stillstehenden Position des Wellenmittelpunkts bis zur Betriebsdrehzahl beschrieben werden.

Die Rolle des Schmierstoffs

Es ist offensichtlich, dass das Schmiermittel ein äußerst wichtiger Bestandteil von Gleitlagern ist. Es kann seine Aufgabe nur erfüllen, wenn es über geeignete Eigenschaften verfügt und in ausreichender Menge in den Schmierbereich gelangt, insbesondere wenn auch ein Kühlmittel vorhanden ist. Die Viskosität des Schmieröls hängt stark von der Temperatur ab und nimmt mit steigender Temperatur ab. Die Belastbarkeit des Lagers, also die anwendbare durchschnittliche Oberflächenbelastung, hängt jedoch auch von der Viskosität des Öls ab. Daher verwenden wir für leicht belastete, schnell laufende Lager ein dünnflüssiges Öl, das leicht fließt. Bei hoher Belastung ist hingegen ein hochviskoses Öl erforderlich oder es muss Fett verwendet werden, wenn die Umfangsgeschwindigkeit gering ist.

Da die Viskosität des Öls im kalten Zustand des Lagers, also beim Starten, etwa sechs- bis zehnmal höher ist als bei Betriebstemperatur von schnell laufenden Lagern, kann es bereits bei niedrigeren Geschwindigkeiten, insbesondere bei 1/6 bis 1/10 der normalen Geschwindigkeit, in den Zustand reiner Flüssigkeitsreibung übergehen. Beim Anhalten kann jedoch aufgrund der geringen Viskosität des warmen Öls in Kombination mit der Abnahme der Betriebsdrehzahl schnell der Zustand gemischter Reibung auftreten, was zu Verschleiß führt. In Anwendungen mit Unterbrechungen muss daher durch die richtige Auswahl des Öls und die richtige Dimensionierung des Lagers sichergestellt werden, dass auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten der Zustand reiner Flüssigkeitsreibung erhalten bleibt.

Diagnose von Gleitlagern

Richtig dimensionierte (und geschmierte) Gleitlager sind wesentlich unempfindlicher gegenüber der Erzeugung und Weiterleitung von Vibrationen als Wälzlager. Bei ersteren bildet die Ölmenge zwischen den Oberflächen ein weich federndes, stark gedämpftes Kissen, das Vibrationen, die durch Oberflächenunebenheiten und Fehler verursacht werden, erheblich dämpft, und schwache, mit geringer Amplitude von außen kommende Vibrationen unterdrückt. Im Gegensatz dazu erzeugen Unregelmäßigkeiten an den Rollen und Laufflächen von Wälzlagern leicht Vibrationen. Aus dem Vorherigen wird deutlich, dass es sich bei Gleitlagern um vergleichsweise einfache Strukturen handelt, daher sollten nicht zu viele Fehler gesucht werden. Im Folgenden werden die charakteristischen Fehler von Gleitlagern und deren Diagnosemethoden diskutiert.

Vibrationsmessung an Lagerbuchsen

Hoher Lagerluftspalt oder Verschleiß Wenn aufgrund der Herstellung oder des Verschleißes ein großer Lagerluftspalt (Lagerluft) vorliegt, wird die Welle während des Betriebs im Lager nicht ausreichend gestützt (geklemmt) und die Position der Welle wird instabil. Praktisch wird es "schwanken" und die aufgezeichneten Vibrationsgeschwindigkeitsspektren des Lagers werden ein Bild von mechanischer Lockerheit zeigen. Die genaue Identifizierung großer Lagerluftspalte oder anderer Lagerungslockerheiten ist äußerst wichtig, da durch Lockerheiten Schwingungskomponenten auftreten können - oder verstärkt werden -, die auf eine andere ernsthafte Schwingungsproblematik hinweisen, anstatt auf einen Fehler in der Lagerung.

Fehlerhafte Einstellung Die Achse und die Lagerbuchse sind nicht parallel zueinander, sondern bilden einen Winkel. Der Fehler kann auftreten, wenn das Einstelllager aus irgendeinem Grund nicht in Richtung der Belastung bewegt werden kann (eingestellt wird) oder von Anfang an falsch hergestellt oder montiert wurde. Es kann zu sogenanntem Kantenlaufen kommen, und im schlimmsten Fall können Welle und Buchse sogar metallisch miteinander in Kontakt kommen.

Bei nicht axial belastbaren Lagern erzeugt dieser Fehler erhebliche axiale Vibrationen. Die Vibration tritt normalerweise bei der Drehfrequenz auf, aber bei Generatoren - aufgrund der Asymmetrie des Rotors - bei der doppelten Drehfrequenz. Wenn nur ein handgehaltener Schwingungsmesser zur Messung des breitbandigen Schwingungsniveaus zur Verfügung steht, sollten wir bei der Messung großer axialer Vibrationen aufgrund von Lagerfehlern immer Verdacht auf eine Lagerfehleinstellung haben.

Unzureichende Schmierung

Zwischen Welle und Buchse bildet sich kein ausreichend dicker Schmierfilm, um den Zustand reiner Flüssigkeitsreibung zu erreichen. Dies führt zu einer gemischten, im schlimmsten Fall sogar zu trockenen Reibung, und in den Schwingungsspektren zeigt sich das bereits bekannte Bild von "ausgeschmierten" höheren Frequenzen. Das Phänomen kann mit einem einfachen Handmessgerät durch breitbandige Schwingungsmessungen nachgewiesen werden, wenn das Gerät zur Messung von mindestens zwei Schwingungsparametern (Schwingungsverschiebung und -geschwindigkeit oder Schwingungsgeschwindigkeit und -beschleunigung) geeignet ist. Nach der Aufzeichnung beider Parameter berechnen wir aus dem ersten (Verschiebung oder Geschwindigkeit) unter Berücksichtigung der Drehzahl den zweiten (Geschwindigkeit oder Beschleunigung). Wenn der berechnete Wert deutlich niedriger ist als der gemessene, können wir sicher sein, dass auch höherfrequente Schwingungskomponenten vorhanden sind. Diese Methode ist jedoch nur als grobe Orientierung zu betrachten, da in den gemessenen Vibrationen auch andere (möglicherweise normale) Vibrationen der Maschine enthalten sein können.

Die Unsicherheit kann leider auch bei der Spektrumanalyse bestehen.  

Die Ölfilm-Resonanz ist mit der Spektrumanalyse sehr einfach zu entdecken, da sie bei einer sehr gut definierten (nicht mit anderen verwechselbaren) Frequenz auftritt: 0,42–0,48×n (n = Drehfrequenz). Die Vibration tritt normalerweise mit hoher Amplitude auf und muss im Spektrum nicht "gesucht" werden.

Die Erkennung mit einem Handgerät ist ebenfalls relativ einfach: Messen Sie die Breitband-Schwingungsgeschwindigkeits- und Verschiebungswerte am selben Messpunkt und berechnen Sie dann basierend auf der bekannten Beziehung (r=v/ω=v/2πf) den Verschiebungswert aus der Schwingungsgeschwindigkeit. Wenn die gemessene Verschiebung wesentlich größer ist als die berechnete, stehen wir fast sicher vor einer Ölfilm-Resonanz. Bei größeren Maschinen ist jedoch nicht einmal ein Handgerät erforderlich, da das Phänomen mit ungewöhnlich starkem "Pochen" einhergeht, was das Personal normalerweise nicht unbemerkt lässt.

Bei Gleitlagermaschinen gibt es anstelle der Lagergehäusevibration eine viel effektivere Methode zur Erkennung von Gleitlagerung und damit von Maschinenfehlern, nämlich die Messung der relativen Wellenvibration, deren Erläuterung im Folgenden deutlich machen wird, warum sie besser für die Untersuchung von Gleitlagermaschinen geeignet ist und welche zusätzlichen Informationen sie liefern kann.

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

 

Kontakt

Der Inhalt der Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (auch teilweise) Nutzung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur mit Angabe der Quelle und des Autors sowie mit vorheriger schriftlicher Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts hat rechtliche Konsequenzen.