Ein Beitrag zur Beschreibung des Fortschrittes elektrischer Schädigung in Wälzlagern

Elektrische Schäden in Wälzlagern sind eine häufige Ausfallursache elektrischer Antriebsmaschinen. Sie entstehen infolge von Potentialdifferenzen zwischen den stehenden und rotierenden Elementen des Lagers. Diese führen zu elektrischen Entladungen im Wälzkontakt, welche die Oberflächen der Wälzelemente sowie den Schmierstoff dazwischen schädigen und somit einen frühzeitigen Lagerausfall verursachen können. Obwohl das Phänomen seit Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt ist, gibt es bisher keine ganzheitliche Beschreibung der Lebensdauer von Lagern bei elektrischer Last. Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz, einer solchen Beschreibung näher zu kommen, zielt darauf ab, eine Schädigungsskala zu definieren, die eine quantifizierbare Beschreibung des Schädigungszustandes der Lageroberfläche ermöglicht. Zunächst werden im Rahmen einer Versuchsreihe 16 Lager bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen elektrisch geschädigt und dabei wird in regelmäßigen Abständen der Zustand der Laufbahnoberfläche erfasst. Von diesen Versuchsdaten ausgehend wird im ersten Schritt die elektrische Schädigung mithilfe einer komparativen Schädigungsskala bewertet. Darauf aufbauend werden Anforderungen an eine Schädigungsskala formuliert, die nicht nur eine qualitative oder komparative, sondern vor allem eine quantitative Bewertung elektrischer Lagerschädigung ermöglicht. Anschließend werden 45 unterschiedliche standardisierte Oberflächeneigenschaften auf ihre Eignung geprüft. Davon erfüllen 12 Oberflächeneigenschaften alle Anforderungen und können somit für eine Quantifizierung der Schädigung verwendet werden. Für diese Eigenschaften wird jeweils ein kritischer Grenzwert definiert. Im zweiten Schritt wird gezeigt, dass anhand der quantitativen Schädigungsskala die zeitliche Änderung der Schädigung infolge elektrischer Last beschrieben werden kann. Damit wird der Effekt der unterschiedlichen Betriebsbedingungen sowie deren Wechselwirkungen auf die zeitliche Änderung der Schädigung untersucht. Es zeigt sich, dass der Schädigungsfortschritt mit der Schmierfilmdicke im Wälzkontakt zunimmt. Im letzten Schritt wird gezeigt, dass die Quantifizierung des Schädigungszustandes mithilfe künstlicher neuronaler Netze auf Basis von Vibrationsdaten im Betrieb möglich ist. Dazu werden aus den Daten der Vibrationsmessung charakteristische Kennwerte (Features) abgeleitet. Diese Features werden zunächst selektiert, um redundante Features zu reduzieren. Anschließend wird mit 15 der 16 Versuchsdaten das neuronale Netz trainiert und die Funktionalität mit dem übrigen Datensatz validiert. Die Genauigkeit des erstellten Vorhersagemodells liegt im Rahmen der Varianz der Schädigung auf der Laufbahnoberfläche. Basierend auf den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen lassen sich weitere Untersuchungen durchführen, mit dem Ziel, die Lebensdauer von Wälzlagern unter elektrischer Last ganzheitlich zu beschreiben. Ansätze für derlei Untersuchungen werden am Ende dieser Arbeit gegeben