Sensorik im IoT Vorbeugen statt reparieren

Eine Überwachung mit eingekoppelten Ultraschallwellen verhindert Stillstände.
Eine Überwachung mit eingekoppelten Ultraschallwellen verhindert Stillstände.

Wenn Maschinen ausfallen, dann sind in vielen Fällen defekte Wälzlager schuld. Eine ständige Überwachung des Zustands kann unerwartete Stillstände vermeiden. Beispielsweise liefert die Ausbreitung von eingekoppelten Ultraschallwellen Informationen über Verschleiß und Schmierzustand.

Je stärker die mechanische Belastung und je höher die Drehzahl, desto eher wird ein Kugellager verschleißen. Wenn mit der Zeit die Reibung zunimmt und die Eigenerwärmung steigt, wird der Verschleiß immer stärker. Irgendwann kann die Maschine nicht mehr betrieben werden. Weil ein erzwungener Stillstand kostspielig werden kann, tauscht man ein Lager lieber aus, bevor es seinen Geist aufgibt. Doch oft geschieht das viel zu früh.

Ein Auswechseln zum sinnvollen Zeitpunkt erfordert aber, dass der innere Zustand des Lagers bekannt ist. Grund für einen vorzeitigen Ausfall ist häufig falsche Schmierung. Dass zu wenig Öl ruinös ist, weiß jeder; zu viel ist aber auch schädlich und erhöht unnötig die Kosten. Die Menge muss optimal dosiert werden, genau angepasst an Drehzahl und mechanische Belastung. Eine vielversprechende Idee für eine geeignete Sensorik hatten die Ingenieure bei der Firma BestSens AG in Coburg mit ihrem „Bearing Monitoring System“ (BeMoS). Die Lagerkonstruktion als solche bleibt unverändert, auf den Außenring werden lediglich zwei Piezoelemente im Winkel von 30° montiert (Bild 1). Das eine arbeitet als Schwingungserreger, das andere als Sensor. Der Erreger erzeugt mechanische Wellen – sogenannte Lamb-Wellen – im Ultraschallbereich mit mehreren 100 kHz. Diese breiten sich im Ring aus und gelangen nach einer gewissen Laufzeit zum Empfänger. Dessen Signal wird dann mit einer geeigneten Software analysiert.

Akustische Kontrolle

Die Schallgeschwindigkeit im Stahl hängt von der mechanischen Spannung ab; Mit zunehmender Belastung des Lagers steigt sie, die Laufzeit wird also kürzer: dies ist die eine Größe, die hier ausgewertet wird (Bild 2). Wenn die Wellen an der Innenseite des Außenringes ankommen, tritt an der Grenzfläche zwischen Laufbahn und Schmierstoff ein Brechungseffekt auf – ein Vorgang, der am Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) an der Hochschule Coburg (Leitung Prof. Dr. Gerhard Lindner) intensiv untersucht wurde. Die Wellen werden hier teils reflektiert, teils in den Schmierstoff – der eine andere Schallgeschwindigkeit hat – eingekoppelt, je nach Benetzungsgrad unterschiedlich. Entsprechend variiert die am Empfänger ankommende Amplitude. Ein trockenes Lager ist von einem vor Öl triefenden deutlich unterscheidbar. Für eine aussagekräftige Auswertung wird außerdem die aktuelle Temperatur des Lagers benötigt. Dazu sind in den Piezoelementen Temperatursensoren eingebaut.

Auch ein Schlupf des Käfigs ist erfassbar. Theoretisch sollte dessen Drehzahl gleich der halben Wellendrehzahl sein. In der Realität liegt sie aber oft etwas darunter. Dies ist ein Schadensmechanismus, den es ebenfalls frühzeitig zu erkennen gilt. Das geschieht hier auf dem Wege, dass sich durch die Bewegung der Wälzkörper die Eigenschaften der Übertragungsstrecke periodisch verändern und dadurch die Empfangssignale entsprechend moduliert werden. Zum einen modulieren die Kontaktkräfte zwischen Kugel und Außenring die Spannungen im Material, zum anderen ändert sich die viskose Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche. Über die Analyse von Ausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfung der Wellen sind Rückschlüsse auf Überrollfrequenz der Wälzkörper, Käfigdrehzahl, Schmierung und Belastung möglich.

Die Piezoelemente werden über Kabel an den zugehörigen Controller angeschlossen. Aus den aufgenommenen Roh-Messdaten errechnet dieser mittels geeigneter Algorithmen zunächst die vier Messgrößen Schmierungszustand, Achslast, Temperatur und Käfigdrehzahl, die alle zwei Sekunden über unterschiedliche analoge und digitale Schnittstellen zur Verfügung gestellt werden. Hieraus lassen sich dann wiederum Informationen gewinnen, wie das Lager optimal geschmiert werden muss und wie lange es noch laufen kann bzw. wann es ausgetauscht werden muss. Ein Controller überwacht bis zu vier Wälzlager.

Über das Internet zum Experten

Die Messdaten werden vom Anlagenbetreiber über das Internet zu den Ingenieuren bei BestSens gesendet, die über Spezialkenntnisse über Wälzlager verfügen, die der Betreiber selbst meist nicht hat. Sie müssen jetzt nicht mehr routinemäßig zur Maschine hinfahren wie bisher, sondern können zuvor bei sich im Hause prüfen, ob eine Fahrt überhaupt notwendig ist. Noch intakte Lager werden nicht mehr verfrüht ausgetauscht. Häufig genügt schon eine Nachjustage der Schmiermittelzuführung. Im Vergleich zu herkömmlichen Condition-Monitoring-Systemen, die erst Alarm schlagen, wenn der Schadensfall bereits eingetreten ist, spart eine solche Wartung nach echtem Bedarf enorm viel Zeit und Kosten. Diese neue Technik eröffnet neue Möglichkeiten für die Beziehungen zwischen Maschinenherstellern und Kunden. Einige wandeln ihr Geschäftsmodell in Richtung einer Art Versicherung: Sie verkaufen nicht mehr eine Maschine oder Anlage, sondern stellen diese beim Kunden auf und lassen sich für bestimmte Leistung bezahlen. Beispielsweise erzeugt ein Kompressor im Jahr x m³ Druckluft zu einem Preis von y Euro mit einer Anlagenverfügbarkeit von 98 Prozent. Also wird für die Menge der Druckluft bezahlt und nicht für die Anlage selbst. Im Rahmen von Industrie 4.0 wird Derartiges immer häufiger kommen. Kalkulierbar ist das für den Lieferanten nur bei ständiger Fernüberwachung. Das zwingt den Lieferanten dazu, ständig dafür zu sorgen, dass die Anlage zuverlässig läuft.