Wälzlager-Fehlerfrequenzen: BPFO, BPFI, BSF und FTF sind die vier charakteristischen Schwingungsfrequenzen, die ein Wälzlager erzeugt, sobald sich ein lokaler Fehler auf einer seiner Arbeitsflächen entwickelt. Jede Fehlerfrequenz weist auf eine bestimmte Komponente hin, und da sie aus der inneren Geometrie des Lagers und nicht aus einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenumdrehungen abgeleitet werden, treten sie bei nicht-ganzzahligen Vielfachen der Drehzahl auf. Sie im Spektrum zu erkennen ist die Kernkompetenz der Wälzlager-Diagnostik.
Ein Defekt erzeugt bei jedem Vorbeilaufen eines Wälzkörpers oder jedes Mal, wenn der Defekt die Belastungszone passiert, einen wiederkehrenden Impakt. Die Wiederholrate wird durch die Kugelanzahl, Kugel- und Teilkreisdurchmesser, Kontaktwinkel und Drehzahl bestimmt. Die vier Frequenzen sind:
Mit N Wälzkörpern, Kugeldurchmesser d, Teilkreisdurchmesser D, Kontaktwinkel theta und Wellenrotationsfrequenz fr (in Hz) sind die vier Frequenzen:
Eine nützliche Plausibilitätsprüfung: BPFO + BPFI = N x fr genau, und BPFO = N x FTF. Wenn die Geometrie unbekannt ist, können die Verhältnisse geschätzt werden (BPFO liegt grob bei 0,4 x N x RPM und BPFI bei etwa 0,6 x N x RPM), aber veröffentlichte Lagertabellen oder die Hersteller-Teilenummer liefern exakte Werte.
Ein 6205 hat N = 9 Kugeln, d = 7,94 mm, D = 39,04 mm und einen Kontaktwinkel von 0 Grad. Bei 1800 RPM (fr = 30 Hz) sind die berechneten Frequenzen und ihre Vielfachen der Drehzahl unten dargestellt. Diese Multiplikatoren sind konstant für das Lager; nur die absoluten Hz-Werte ändern sich mit der Drehzahl.
| Frequenz | Angezeigtes Bauteil | Vielfaches der Drehzahl (6205) | Wert bei 1800 U/min (Hz) |
|---|---|---|---|
| BPFO | Außenringdefekt | 3,585 x | 107,5 |
| BPFI | Innenringdefekt | 5,415 x | 162,5 |
| BSF | Wälzkörperdefekt | 2,357 x | 70,7 |
| FTF | Käfig | 0,398 x | 11,9 |
Beachten Sie, dass keiner dieser Werte auf 1x, 2x oder 3x der Drehzahl liegt. Dieses nicht-synchrone Verhalten ist genau das, was einen Lagerfehler von Unwucht, Fluchtungsfehlern oder Spiel trennt, die auf ganzzahligen Harmonischen liegen.
Weil jede Gleichung das Verhältnis d/D enthält, sind die Multiplikatoren nicht-ganzzahlige Werte statt ganzer Zahlen. Das hat zwei praktische Konsequenzen. Erstens fallen Defektlinien niemals exakt mit der 1x-Drehzahlfamilie zusammen, sodass sie isoliert werden können, selbst wenn die Maschine gleichzeitig Unwucht hat.
Zweitens verschiebt ein geringes Maß an Rutschen unter leichter Last die realen Frequenzen etwas unter die berechneten Werte, weshalb Analysten bei der Zuordnung einer Spitze eine Toleranz von ein paar Prozent zulassen. Seitenbänder im Abstand der Drehzahl (um BPFI) oder bei FTF (um BSF) bestätigen, dass sich ein Defekt durch die Belastungszone bewegt.
Frühe Lagerimpakte haben wenig Energie, regen aber das Lager und die Struktur bei ihren hohen Eigenfrequenzen an und lassen sie im Bereich von 1 bis 20 kHz nachschwingen. In einem rohen Geschwindigkeitsspektrum liegt diese Energie im Rauschboden, sodass die Fehlerfrequenzen anfangs praktisch unsichtbar sind. Die Hüllkurvenanalyse (auch Demodulation bzw. Hüllkurvenspektrum genannt) löst dieses Problem.
Das Signal wird um die resonante Nachschwingzone bandpassgefiltert, dann gleichgerichtet und tiefpassgefiltert, um die Hüllkurve der Impulsbursts zu gewinnen. Eine FFT dieser Hüllkurve zeigt BPFO, BPFI, BSF oder FTF und ihre Harmonischen lange bevor sie im normalen Spektrum erscheinen.
Die Hüllkurvenanalyse ist ein Standardbestandteil der Schwingungsspektrumanalyse und ergänzt hochfrequente Techniken wie das Schockimpulsverfahren für die allerfrüheste Erkennung.
Der Lagerabbau verläuft in einer anerkannten Vier-Stufen-Abfolge, und die Kenntnis der Stufe sagt Ihnen, wie viel Vorwarnzeit verbleibt:
Die Identifikation eines Außenringdefekts in Stufe 2 ist nur dann nützlich, wenn sie einen Arbeitsauftrag auslöst, bevor das Lager Stufe 4 erreicht. Teams, die Fabrico nutzen, hängen die gemessene Fehlerfrequenz, die Stufe und den Trend an den Anlagenstamm, sodass die Condition-Monitoring-Messung automatisch eine geplante Austauschaufgabe mit der korrekten Lager-Teilenummer und dem Drehmomentwert erstellt.
Das schließt den Kreis zwischen Diagnose und Werkstatt. Das Verständnis der berechneten Restlebensdauer über die L10-Lebensdauer hilft, nach Bestätigung eines Defekts sinnvolle Nachinspektionsintervalle festzulegen. Um den Workflow von Anfang bis Ende zu sehen, vereinbaren Sie eine Fabrico-Demo .
Ein Innenringdefekt rotiert einmal pro Wellenumdrehung in und aus der Belastungszone, sodass seine Impakte durch die Drehzahl moduliert werden und Energie in Seitenbänder verteilen. Außerdem liegt er tiefer im Kraftweg. Das macht Innenringfehler oft schwerer früh zu erkennen, erzeugt aber die charakteristischen Laufgeschwindigkeits-Seitenbänder um BPFI, sobald der Defekt etabliert ist.
Ein einzelner Defekt an einem Wälzkörper berührt pro Wälzkörperumdrehung sowohl Innen- als auch Außenring und erzeugt somit zwei Impakte pro Umdrehung. Deshalb zeigt sich der Kugelspin-Fehler häufig am stärksten bei dem doppelten BSF anstatt beim Grundton und ist meist von FTF-Seitenbändern flankiert.
Ja, näherungsweise. BPFO liegt nahe bei 0,4 x N x RPM und BPFI nahe bei 0,6 x N x RPM, sodass Sie selbst mit nur der Kugelzahl das richtige Spektralgebiet durchsuchen können. Zur Bestätigung schlagen Sie die genauen Defekt-Multiplikatoren beim Hersteller oder in einer Lagerdatenbank nach, da ein Fehler von ein paar Prozent zu einer Fehldeutung einer Spitze führen kann.
Das variiert mit Drehzahl, Last und Schmierung, aber die Hüllkurvendetektion meldet typischerweise einen Defekt in Stufe 2, deutlich bevor der Fehler im normalen Geschwindigkeitsspektrum sichtbar ist. Das entspricht üblicherweise Wochen bis Monaten Planungszeit, was den gesamten Wert des frühzeitigen Erkennens von Lagern gegenüber dem Reagieren in Stufe 4 ausmacht.
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