Fällt ein Wälzlager aus, liegt es meistens am Schmierstoff: Dreiviertel aller Ausfälle sind auf ein Mangel an Schmierfett, auf verschmutztes oder altes Schmierfett zurückzuführen. Um Schäden an den Lagern und teure Stillstände von Maschinen und Anlagen zu vermeiden, werden Fette deshalb üblicherweise lange vor dem Ende ihrer Gebrauchsdauer ausgetauscht. Die Schaeffler Gruppe Industrie entwickelt einen Schmierstoffsensor, der das jetzt ändern soll, denn er analysiert den Zustand des Fettes im laufenden Betrieb.

Viele Lagerausfälle lassen sich auf verbrauchtes Fett zurückführen. Durch Zustandsüberwachung, wie z. B. Überwachung von Körperschallspektren, können heute Fehler in Maschinen in einem frühen Stadium detektiert werden. Dadurch lassen sich Folgeschäden an Lagern und Getriebekomponenten vermeiden. Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass schon eine Schädigung an der Maschine vorliegen muss, damit ein Signal erfasst werden kann. Somit muss zumindest ein Bauteil bei der nächsten Wartung ausgetauscht werden. Je nach gemessenem Signal variiert dabei die Vorwarnzeit bis zum tatsächlichen Ausfall der Maschine (siehe Abb. 2). Deshalb entwickelte die Schaeffler Gruppe Industrie in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik und dem Schmierstoffexperten Klüber Lubrication München einen Schmierfettsensor inkl. Auswerteelektronik. Der analysiert bei laufendem Betrieb den Zustand des Schmierfettes in Wälzlagern. Hierdurch ist es nun möglich, den Schmierfettaustausch genau zu planen und Zustandsänderungen des Fettes zu detektieren, lange bevor es zu Schädigungen im Wälzlager kommt. Der Fettwechsel wird sich somit zukünftig am tatsächlichen Bedarf orientieren und nicht mehr einfach zeitgesteuert sein. Das reduziert Aufwand und Kosten und schont gleichzeitig Umwelt und Ressourcen. Ausfallzeiten durch Betriebsstörungen werden ebenso reduziert wie Schmierstoff-, Instandhaltungs- und Ersatzteilkosten. Gleichzeitig steigen Nutzungs- und Wirkungsgrad der Anlagen.

Bisher: Zustand des Fettes ­unbekannt

Die Fettgebrauchsdauer wird im Rahmen der vorbeugenden Instandhaltung zur bestimmenden Größe, wenn sie kleiner ist als die Lagerlebensdauer. In diesem Fall werden Lager in der Regel nachgeschmiert, wenn die Hälfte der sogenannten Fettgebrauchsdauer erreicht wird. Der große Nachteil bei diesem gängigen Verfahren ist, dass absolut nichts über den tatsächlichen Zustand des Fettes bekannt ist. Wollte der Anwender Angaben über das Fett im Lager haben, standen ihm bisher nur die Probeentnahme und die anschließende teure und zeitaufwändige Analyse im Labor zur Verfügung.

Nahinfrarot-Reflexionsverfahren

Der Schmierfettsensor ermöglicht nun eine unmittelbare Analyse des Schmierstoffzustands im laufenden Betrieb des Wälzlagers. Hierzu wird das optische Nahinfrarot-Reflexionsverfahren eingesetzt. Das in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) in Chemnitz entwickelte Verfahren lehnt sich an das im Labor eingesetzte Infrarotverfahren zur Messung der Fettqualität an, wurde aber für die Online-Messung im Wälzlager angepasst. Das Know-how liegt dabei nicht nur im Aufbau des Sensors, sondern insbesondere in der Auswertung der gemessenen Signale. Unter Einsatz bestimmter Wellenlängen erfolgt die rotationssymmetrische Anstrahlung des Schmierfetts durch den Sensor. Der Sensorkopf ist hierzu in den Schmierstoff eingebettet, der Aufbau ist in Abbildung 3 dargestellt. Das reflektierte Licht wird dann senkrecht zum Fett gemessen. Hierdurch werden Schatteneffekte und Oberflächen-Inhomogenitäten vollständig ausgeschlossen. Das reflektierte Licht wird anschließend bezüglich der Qualität des Fettes ausgewertet. Die Strom- und Signalübertragung erfolgt dabei derzeit vom Sensor zur Auswerteinheit über Kabel. Bei Bedarf kann aber auch eine Funklösung realisiert werden.

Parameter des Schmierstoffes

Mit dem Sensor können vier Parameter des Schmierstoffes detektiert werden: Wassergehalt, Trübung, Verschleiß (thermischer oder mechanischer Verschleiß) und Temperatur. Aus diesen Parametern wird in der Auswerteelektronik ein analoges Signal (4-20 mA) generiert, aus dem für den Anwender der Zustand des Fettes schnell und einfach ersichtlich wird (siehe Abb. 4). Durch Setzen einer Triggerschwelle ist es möglich, ein Digitalsignal zu erzeugen, das die Zustände Fettqualität „gut" oder „schlecht" ausgibt.
Das Messverfahren kann bei ca. 95 % der auf dem Markt verfügbaren Fette angewendet werden. Die Firmen Schaeffler, Freudenberg und Klüber validieren das Verfahren dabei für eine Vielzahl von Fetten. Durch die online stattfindende Auswertung des Schmierfettzustandes kann man bei plötzlich auftretenden Veränderungen auch Rückschlüsse auf deren Ursachen treffen bzw. über den Digitalausgang schnell darauf reagieren. Auch Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Auslegung und Auswahl des Wälzlagers werden mit Hilfe des Verfahrens schnell ersichtlich. (sn)