Analyse von Versagen von Kugellagern: visuelle Identifizierung von Schälung, Brinelling, Fretting und Elektroerosion

1. Einführung

Kugellager sind kritische Elemente fast jedes industriellen Geräts in den Werken der ukrainischen Schwerindustrie, Maschinenbau und Energieversorgung. Laut den Daten des technischen Audits von UNITEC-D GmbH sind etwa 35 % der unplanmäßigen Stilllegungen rotierender Anlagen auf eine vorzeitige Ausfall von Lagerkästen zurückzuführen. Der berechnete Lebenszyklus eines Lageres (gemäß Standard ISO 281 ($L_{10h}$)) wird selten in der Praxis erreicht, da die Betriebsbedingungen, Montage oder Schmierung verletzt werden. Das Hauptziel des Zuverlässigkeitsingenieurs besteht nicht nur darin, den defekten Komponenten zu ersetzen, sondern die Ursachen (Root Cause Analysis) präzise zu bestimmen. Ein visueller und mikroskopischer Analyse der Laufbahnen und der Kugeln ermöglicht es, die Mechanismen des Metallverschleißes bereits vor einer katastrophalen Stilllegung des Aggregats zu erkennen.

2. Grundlegende Prinzipien

Der Betriebsmechanismus von Kugellagern basiert auf der Übertragung radialer und axialer Lasten durch elastische Deformation der Kontaktflächen der Kugeln und Ringe. Die Kontaktspannungen nach Hertz in den Kontaktzonen erreichen 1500–2500 MPa für Stähle der Marke 100Cr6 (SHX15 gemäß GOST / EN ISO 683-17). Unter dem Einfluss von zyklischen Lasten entstehen in den unteren Schichten des Metalls Scherspannungen. Durch $10^6 - 10^9$ Zyklen führt dies zu einer Ansammlung von Ermüdungserschöpfungen, zur Bildung von Mikrorissen und zum weiteren Materialabtrag (Spalling).

Verstoß gegen die Bedingungen der Trennung der Oberflächen durch eine Schmierfilm (berechnete Viskosität der Schmierung unter der minimalen nach ISO/TR 28168) führt zu metallischem Kontakt, reibungsbedingtem Verschleiß, Mikroschweißen und Zerstörung der kristallinen Gitterstruktur der Oberflächenlage. Jede Abweichung von den berechneten Betriebsparametern ändert den Spannungs-Deformationszustand des Knotens und hinterlässt spezifische visuelle Merkmalsspuren auf dem Metall.

3. Technische Spezifikationen und Standards

Klassifizierung von Fehlern, Methoden ihrer Messung und Bewertung sind in internationalen und nationalen Normen geregelt, die in der Ukraine harmonisiert sind:

• ISO 15243:2017 — Lager mit Rollenführung. Wörterbuch, Terminologie und Klassifizierung von Schäden und Ausfällen an Lagerungen. Dieser Standard ist die Grundlage zur Bestimmung der sechs grundlegenden Ausfallgruppen.
• ISO 281:2007/Amd 2:2019 — Lager mit Radlauf. Dynamische Tragfähigkeit und Berechnungswert des Lebensdauers.
• ISO 10816 / ISO 14819 — Schwingungsanalyse zur Zustandsüberwachung industrieller Maschinen.
• DSTU GOST 520:2014 — Lager mit Rollenführung. Allgemeine technische Lieferbedingungen.
• DIN 51825 — Schmierstoffe. Klassifizierung und Anforderungen.

4. Auswahl und Auslegung von Lagerungen

Der korrekte Wahl des Lager mit statischer ($C_0$) und dynamischer ($C$) Lasttragfähigkeit verhindert Überlastung. Das äquivalente dynamische Last $P$ wird nach der Formel berechnet:

P = X * F_r + Y * F_a

Die $F_r$ ist das radiale Last, $F_a$ die axiale Last, und $X$ sowie $Y$ sind die Koeffizienten für radiale und axiale Last entsprechend dem Katalog des Herstellers.

5. Best Practices für Montage und Inbetriebnahme

Etwa 16 % der vorzeitigen Ausfälle entstehen durch Fehler während der Installation. Einhaltung der Montagevorschriften ist obligatorisch:

• Zugspannungsmontage: Die Übertragung von Presskraft über die Rollen (Vermeidung von Brinelling) ist nicht erlaubt. Die Montage erfolgt ausschließlich am inneren Ring mit Induktionsheizern (Temperatur nicht höher als +110°C gemäß den Empfehlungen von SKF/FAG) oder hydraulischen Schrauben.
• Reinheit der Umgebung: Die Montage durchzuführen in Umgebungen ohne Staub und Feuchtigkeit. Die Verwendung von verunreinigtem Schmiermittel führt zu abrasivem Verschleiß in den ersten Stunden der Betriebszeit.
• Spaltkontrolle: Der radiale innere Spalt nach der Montage wird mit einem Feile oder Mikrometern gemäß den Normen ISO 5753. überprüft.

6. Ausfallmodi und Ursachenanalyse (Root Cause Analysis)

Gemäß ISO 15243 werden Mängel anhand visueller Merkmale klassifiziert. Unten finden Sie einen detaillierten Beschreibung der vier kritischen Typen von Ausfällen, die der Ingenieur UNITEC-D am häufigsten auf ukrainischen Werken beobachtet.

6.1. Automatisches Lüften (Spalling / Fatigue)

Definition: Abblättern des Werkstoffes der Ringoberfläche oder der Rollenoberfläche mit anschließender Bildung von Kavernen (Korrosionslöchern).

Visuelle Indikatoren: Schärfen Kavernen, rauhe Boden der Ausnehmung, matte graue Farbe in der Zerstörungszone. Mikrorisse sind in der Umgebung vorhanden.

Ursache: Erreichen des berechneten Lebensdauers des Lager ($L_{10h}$), chronisches Überlasten, zu hoher Sitzsitzungsspannung oder zu niedrige Viskosität des Schmierstoffs (Faktor EXD-Schmiermittel $\kappa < 1$).

6.2. Echtes und falsches Brinellieren (Brinelling)

Echter Brinell-Schaden: Entsteht unter statischen Lasten, die die Fließgrenze des Materials überschreiten, oder durch stoßartige Lasten während der Stillstand. Visuell: Einpreschungen auf der Rollenlaufbahn, die den Abstand der Rollen exakt wiederholen. Auf dem Boden der Einpreschungen sind Spuren plastischer Verformung und Metallverdrängung sichtbar.

Falsches Brinelling (Frettingkorrosion / Falsches Brinelling): Entsteht durch Mikrovibrations von nicht in Betrieb befindlichem Equipment (z. B. Reservepumpen oder Equipment während des Schienenverkehrs). Visuell: Muldenartige Verformungen mit Bildung von Oxidationsprodukten (rötlich-brauner Eisenoxidpulver $ ext{Fe}_2 ext{O}_3$, „blutiger Sediment“). Metallischer Glanz am Boden der Mulden bleibt teilweise erhalten, im Gegensatz zum echten Brinelling.

6.3. Fretting (Fretting / Axiales Gleiten)

Definition: Zerstörung der Sitzflächen durch minimale relative Mikroverformungen der Bauteile unter der Wirkung von Vibrationen.

Visuelle Indikatoren: Auf den Anschlagflächen des Wellen oder Gehäuses treten Rostflecken, Materialabtrag (Zwischenraum vergrößert sich), Zerstörung der Oxidschicht auf.

Ursache: Unzureichender Sitzfestigkeit des Lageres im Wellen- oder Gehäusebereich, Lockerung der Fixiermutter, Schwingungslasten im Stillstand.

6.4. Elektro-Erosion (Electrical Erosion / Stray Currents)

Definition: Durchgang elektrischen Stroms durch die inneren Elemente des Lageres, der mit Mikrofunken entsteht.

Visuelle Indikatoren: Mattes Laufbahngewinde, stark mit Mikrokratern (Durchmesser von 10 bis 100 Mikrometern) bedeckt. In fortgeschrittenen Fällen tritt der Effekt „Rillenbildung“ oder „Prägung“ (fluting) auf – parallele dunkle Rillen mit einem Schritt, der dem Durchgang der Laufkörper entspricht. Der Metall in den Kratzerbereichen weist Zeichen von Glührostanfälligkeit (Martensitumwandlung in Mikrovolumina) auf.

Ursache: Wirbelströme aus Schweißarbeiten auf der Aggregate-Rahmen, Asymmetrie des Magnetfeldes des Elektromotors, Betrieb des Motors mit Frequenzumrichter (Inverter) ohne Verwendung isolierter Lager (z. B. mit keramischem Beschichtung der Ringen hybrid bearings) oder Bürsten zur Potentialabnahme des Wellen.

7. Prognose des technischen Zustands und Monitoring

Um plötzliche Störungen auf ukrainischen Produktionsstätten zu verhindern, werden komplexe Diagnosemethoden angewendet:

• Schwingungsanalyse: Messung des Schwingungsspektrums (FFT) sowie hochfrequente Methoden (Demodulation, Schockpulsverfahren - SPM). Die Auftreten von Harmonischen der Frequenzen der Defekte am äußeren Ring ($BPFO$), am inneren Ring ($BPFI$), der Kugeln ($BSF$) und des Trennringes ($FTF$) weist auf den Ausbreitung lokaler Defekte hin.
• Ölanalyse (Oil Analysis / Ferrographie): Bestimmung der Konzentration von Verschleißprodukten im Öl (Spektrometrie), Anwesenheit von metallischen Partikeln mit einer Größe über 20 µm weist auf aktives Schaden an den Gleitbahnen hin.
• Thermometrie: Temperaturkontrolle des Lagergehäuses. Überschreitung des Schwellwerts +75°C... +95°C (je nach Schmiermittel) weist auf Probleme mit der Schmierung oder Überlastung hin.

8. Vergleichsmatrix von Defekten an Lagerungen

9. Schlussfolgerung

Genaue Identifizierung von Defekten in Kugellagern ist der Schlüssel zur Reduktion der Wartungskosten industrieller Anlagen. Das Vermeiden der ersten visuellen Anzeichen elektrischer Erosion, Fretting oder Ermüdungsbruch ist unumgänglich, um katastrophale Schäden an Baugruppen zu verhindern. Ingenieure der UNITEC-D GmbH gewährleisten die Lieferung zertifizierter Lager (gemäß europäischen Qualitätsstandards) sowie Expertenunterstützung bei der Auswahl von Komponenten für ukrainische industrielle Unternehmen.

Für die Auswahl zuverlässiger Lagermodule, industrieller Schmierstoffe und Montageinstrumente wenden Sie sich an unser elektronisches Katalog: UNITEC-D E-Katalog.

10. Verweisung

1. ISO 15243:2017. Lager — Vokabular, und Klassifizierung von Schäden und Versagen in Lagern.
2. ISO 281:2007. Lager — Dynamische Lasten und Laufleben.
3. SKF Allgemeiner Katalog. Leitfaden zur Analyse von Schadensursachen und Versagensursachen bei Lageren. Veröffentlichung 10000 EN.
4. DIN 51825: Schmierfette K — Klassifizierung und Anforderungen.
5. GOST 520-2014 / DSTU GOST 520:2014. Lager mit Rollen. Allgemeine technische Bedingungen.