Grundlagen der Instandhaltung

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Kennen von Beurteilungs-, Mass-, und Prüfmethoden und sind in der Lage, diese in der Praxis
anzuwenden oder deren Anwendung zu veranlassen.
Die beste Instandhaltung ist die Schadensverhinderung !!
Diagnostik
m. fahrni
Inhaltsverzeichnis Fach 3
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Schadenskunde
Zustandsüberwachung
Mess- und Prüfgrössen
Mess- und Prüfmethoden, Geräte
Schmiertechnik
Beilagen
Diagnostik
Zusammenfassung
Seite
Kapitel
Schadenskunde
2.1
2.1.1
Zustands-Qualität
2.1.2
Schadens-Ursachen
2.1.3
Verschleiss
2.1.4
Ermüdung
2.2.2
2.2.3
2.2.4
Definitionen
Zustandsüberwachung wann und wie
Zustandsüberwachung womit
Zustandsabhängige Aktivitäten
2.3.2
2.3.2.1
2.3.2.2
2.3.2.3
2.3.2.4
2.3.2.5
2.3.2.6
2.3.2.7
2.3.2.8
2.3.2.9
2.3.2.10
2.3.2.11
2.3.2.12
2.3.2.13
2.3.2.14
2.3.2.15
2.3.2.16
2.4
2.4.1
2.4.1.1
2.4.1.2
2.4.2
5
6
7
Massnahme zur Feststellung des
IST-Zustandes
Inspektionen, Messwerte
Nutzungsvorrat, Zustandsbwertung, subjektiv / objektiv
Zustandsgrenze, Auslösung Instandstzung
9
9
10
11
Messwerte für Zustandsänderungen
Physikalische Grundlagen
Zeit, Länge, Temperatur, Drehmoment, Viskosität
Basisgrössen, Einheitssystem
12
12
Einleitung
Zeit t
Frequenz f, Drehzahl n
Länge l
Temperatur T
Abgeleitete SI - Einheiten
Länge, Masse, Zeit, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge,
Lichtstärke
periodisch wiederholende Prozesse
periodischer Vorgang
Licht im Vakuum (1/299 792 458s)
PT-100
spez.
12
13
14
14
14
16
Geschwindigkeit v
Beschleunigung a
Kraft F
Druck p
Drehmoment M
Weg pro Zeiteinheit
Geschwindigkeit pro Zeiteinheit
Reibkraft: Haftreibung, Gleitreibung
Normalkraft auf eine Fläche, Gasdruck, Luftdruck,
Kraft und Länge
17
17
17
18
20
Energie, Arbeit W
Leistung P
Das Ohmsche Gesetz
Dichte p
Viskosität
Gehalt, Konzentration
gespeicherte Arbeit, Potentielle Energie, Kinetisch Energie,
Wärmeenergie
Arbeit pro Zeiteinheit
U=RxI
Pascal (100 000Pa = 1 bar)
Dynamische-, Kinematische Viskosität, Fluidität
Stoffmenge, Konzentrationsmenge
20
21
21
21
22
24
Mess- und Prüfgrössen
2.3
2.3.2
Trockenreibung, Mischreibung, Hydrodynamische Schmierung,
Verschleissverlauf
dynamische Beanspruchung, Wechsel-Biegung,
Schadensverlauf
4
Zustandsüberwachung
2.2
2.2.1
Inspektion, Diagnose, Zustand, Abnutzungsvorrat, untere
Grenze
Konstruktionsfehler, Bedienungsfehler, IH-Fehler,
Werkstofffehler, Wartungsfehler, Naturgewalt, Schäden
Mess- und Prüfmethoden, Geräte
Schwingungstechnik
Maschinenschwingungen
Messgrössen für die Schwingstärke
Schwingungs-Messtechnik
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periodische Schwingbewegung
Schwingfrequenz,
Halbwellen
25
25
25
26
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Diagnostik
2.4.2.1
2.4.2.2
2.4.2.3
m. fahrni
Beschleunigungs-Sensor (Piezoeffekt)
Geschwindigkeits-Sensor (Magnet /
Spule)
Weg-Sensor (Wirbelverlust)
Beschleunigungssensor
Geschwindigkeitssensor
Weg-Sensor
Die 3 Typen von Schwingungs-Sensoren
Messvorgang
Schwing-Beschleunigung
Schwing-Geschwindigkeit
Schwing-Weg
x = Horizontal
y = Vertikal
z = Axial
2.4.3.1
Beurteilung der Schwingstärke
Diverse Normen
Auswuchten
Unwucht
2.4.3.2
Statisches Auswuchten
2.4.3.3
Dynamisches Auswuchten
Auswucht-Gütegrad G
Frequenzanalyse
Spektrumanalysator
Ordnungsanalyse
Stossimpulsmessungen (SPM)
Messprinzip
2.4.2.4
2.4.3
2.4.3.4
2.4.4
2.4.4.1
2.4.4.2
2.4.5
2.4.5.1
Beurteilung des Stossimpulswertes
Sensor-Anschluss
Messstellen-Anordnung
Messnippel-Montage
Endoskopie
2.4.5.2
2.4.5.3
2.4.5.4
2.4.5.5
2.4.6
Prinzip
Bauarten und -Grössen von Boreskopen
Bauarten und -Grössen von Fiberskopen
Verschleiss-Messungen
Methoden
Ultraschall-Wanddickenmessung
Kompressionskontrolle an Verbr. Motoren
Verschleissmessung an Ketten
Thermographie
Grundlagen
Die Infrarotkamera
2.4.6.1
2.4.6.2
2.4.6.3
2.4.7
2.4.7.1
2.4.7.2
2.4.7.3
2.4.7.4
2.4.8
2.4.8.1
2.4.8.2
26
I = Kleinmaschinen < 15kW / II = mittlere Maschinen 15-75kW
III = Grossmaschien 75-300kW
26/27
27
Vibrationen, rasche Zerstörung der Lager, Ermüdungsbrüche
28
29
29
Es ist nur ein Notbehelf
schwungräder, Zahn- und Kettenräder
29
Scheiben,
Lngere Elemente, Walzen, Gelenkwellen, Riemenscheiben,
Rotoren
ISO 1940 (Normen)
Maaschinenschwingungen haben ein Frequenzgemisch
Zusätzliche Info über Phasenwinkel
Überrollschwingungen bei Pittings und Grübchenbildung
hohe Frequenzen 30 - 50000Hz
Piezo
10 guter Wert / 10-40 kleine Schäden / über 40
Lagerschaden
Tastfühler oder Kuppeln
Stosswelle soll möglichst keine Energie verlieren
A-Seite / B-Seite
Optische Innenkontrolle
Getrieben, Brennkammern, Pumpen, Gefässen, Druckbehälter,
Rohre
Optische Linsen (starr)
Glasfaserübertragung (Flexibel)
29
30
31
31
31
32
32
32
33
33
33
33
Dickenmessung, Profiltiefe, Spielmessung, Kompressionsdruck
Impuls-Ech-Verfahren
Kompressionsdruck-Messer
(Motor-Meter an Zündkerze)
min. 17 Doppelglieder mit Lineal
Infrarotmessung ist Berührungslos
Strahlungszahlen C
Kosten 120000.-
34
34
34
34
35
35
35
36
36
36
37
Fliessverhalten durch die Viskosität, Temperatur, Druck
kinematische Viskosität
Normen Viskositätsklassen
Temperaturverhalten
nicht mehr fliessfähig ist
38
38
39
42
42
Schmiertechnik
2.5
Grundlagen Schmieröle
Einfache Theorie, komplizierte Praxis
Weitere Viskositäts-Masse
DerViskositätsindex Vl
Stockpunkt, Pour-Point (+ 3°C)
2.5.1
2.5.1.1
2.5.1.2
2.5.1.3
2.5.1.4
Flammpunkt, Brennpunkt (+3°C)
Schmierfette
Herstellung von Schmierfetten
2.5.1.5
2.5.2
2.5.2.1
Kenngrössen der Schmierfette
2.5.2.2.1 Die Penetration / Konsistenz
2.5.2.2.2. Konsistenzklassen nach NL Gl
2.5.2.2
2.5.2.2.3
Der Tropfpunkt
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Flammpunkt: löscht ohne Zündquelle Brennpunkt: brennt
weiter ohne ZQ
Grundöl / Wirkstoff, Eindicker
Farbe, Strucktur, Tropfpunkt, Penetration, Grundöl, Eindicker,
Ölanteil, Tep. Bereich
mechanischer Wiederstand gegen das Eindringen eines Körpers
Nach Eindickertyp des Fettes. (erster Tropf nach
Prüfbedingungen)
42
43
43
43
43
44
44
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Diagnostik
2.5.2.2.4
2.5.3
2.5.3.1
2.5.3.2
2.5.3.3
2.5.3.4
m. fahrni
Der Eindicker
Schmierstoff-Analyse
Warum Schmierstoff-Untersuchungen2
Probenahme
Subjektive Beurteilung
Objektive Beurteilung
Seifenhaltige Eindicker
Seifenfreie Eindicker
Prüfen grosser Ölfüllungen
Suchen nach Verschleissstellen
Prüfen von filtriertem Öl
muss represantiv sein
30 Min. in Glas stehen lassen
Partikelgehalt (Milipor)
44
45
45
46
46
46
Beilagen
2.6
Inspektion wann und wie
Inspektion womit
Messwerte für Zustandsänderungen:
Physikalische Grössen
Grössen, Formelzeichen, Einheiten
Schwinggeschwindigkeit (Grenzwerte)
Schadensbilder wichtiger Maschinenschäden
Schadensbilder bei Wälzlagerschäden
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Diagnostik
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2.1. Schadenskunde
Zustands-Qualität
Bester Zustand
Funktionsfähigkeit gewährleistet.
Maschine i.O., sie bringt Nutzen.
Zustandsgrenze
NutzungsZone
Funktionsfähigkeit unzulässig beeinträchtigt, Maschine:
liefert schlechtes Produkt
SchadensZone
kmmt nicht auf Leistung
ist gefährlich
verschleisst übermässig
Unbrauchbar, zerstört
Schaden:
Unterschreiten der unteren Zustandsgrenze einer Betrachtungseinheit, die zu einer unzulässigen
Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit führt. (SN 113001/1) Der Zustand - oder auch der
Abnutzungsvorrat - wird mittels Inspektion festgestellt. Ergibt die Diagnose, dass sich der
Zustand der unteren festgelegten Grenze nähert, so wird man Massnahmen zur Instandsetzung
zwecks Wiederherstellung des SoIIzustandes
 Planen
 vorbereiten
 ausführen
Die beste Instandhaltung ist die Schadensverhinderung
Dazu muss man die Schadens-Ursachen kennen, um geeignete Gegenmassnahmen
zu treffen, wie z.B.:
- Verschleiss-Schutzschicht
- besseres Schmiermittel
- öfters Reinigen
- usw.
Aber: Es ist technisch und kostenmässig unmöglich, alle Schadensursachen vollständig zu
beseitigen, denn Alterung ist naturgegeben.
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Diagnostik
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2.1.2 Schadens-Ursachen
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über mögliche Schadens-Ursachen:
Im Produktionsmittel enthaltene Fehler (ca. 50%)
Konstruktionsfehler
• Planung
• Berechnung
• Bemessung
• Formgebung
• Passungen
• Werkstoffauswahl
• Hilfsstoffauswahl
• Wahl von Halbzeug
• und Zukaufelementen
• Herstellvorschrift
• SPS-Programmierung
Werkstoff-Fehler
• Lunker, Poren
• Seigerungen
• Wärmebehandlung
• Eigenspannungen
• Beschichtungen
• Fremdeinschlüsse
Herstellfehler
• Spanabhebende Bearbeitung
• Spanlose Verformung
• Toleranzen und Spiele
• Verbindungstechnik
• Zusammenbau
• Justierungen
• Wahl Hilfsstoffe
• Wahl Werkzeug und
Messmittel
Unvollkommenheit bzw.
Stand der Technik
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Fehler während der Produktion (ca. 50%)
Betriebsfehler
Bedienungsfehler
• Fehlmanipulationen
• Verzögerter Ersatz
von Verbrauchsmaterial (Messer, Siebe
etc.)
• Ueberbeanspruchungen (mechafisch, thermisch
chemisch)
• Nachlässigkeit
Wartungs- und Inspektionsfehler
• Verwechslung von
Hilfstoffen
• Unordnung und Unsauberkeit
• Termine verpasst
• Unzuverlässige Arbeit
Schäden durch
• Verschleiss
• Alterung
• Korrosion
• Ermüdung
• Reibkorrosion
• Lockerungen
• Setzungen
• Dejustierung
• Verharzen
• Fressen
lH-Fehler
• Beschädiugung beim
Demontieren
• Montage-Fehler
• Verschmutzungen
• Fremdkörper-Einbau
Fremdeinflüsse
Naturgewalten
• Sturm
• Blitzschlag
• Feuer
• Erdbeben
Personen-Einflüsse
• Sabotage
• Mutwilligkeit Bedienungspersonal
• Eingriffe Unbefugter
Produkt-Einflüsse
• Falsche Zusammenset
zung
• Chem. Fehlreaktion
• Gehalt an Schmutzoder Fremdkörpern
Sonstiges
• Stromausfall
• Ausfälle von HufsEnergien wie Kühlwasser, Pressluft
• Absturz SPS oder Prozessrechner
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Die Verschlechterung des Zustandes kann eine Vielzahl von Ursachen haben. Mit geeigneten
Messmethoden - oder auch nur durch Sichtkontrollen - kann häufig die Annäherung an die zulässige
Zustandsgrenze festgestellt werden.
Im folgenden betrachten wir die beiden Vorgänge Verschleiss und Ermüdung, welche sich völlig
unterschiedlich verhalten bezüglich
- zeitlichem Verlauf
- Messbarkeit
- Auswirkungen
Verschleiss
Verschleiss ist Materialverlust, der durch Reibung hervorgerufen wird.
Er tritt auf beim
- Gleiten
- Rollen
- Aufprallen (Schlagen)
Wir betrachten nur den Gleit-Reibverschleiss als Beispiel. Drei verschiedene Zustände sind zu unterscheiden:
A) Trocken-Reibung,
ohne Zwischenstoff, d.h. direkte Berührung der beiden Reibpartner. Starke Erhitzung an den OberflächenSpitzen führt zum Verschweissen und Abreissen
hoher Verschleiss: Gelenke, Bremsen, Kupplungen
B) Misch-Reibung,
mit etwas Zwischenstoff, wie Fett oder OeI. Nur vereinzelte Oberflächenspitzen berühren sich mässiger
Verschleiss.
- Gleitlager beim Anlauf
- Führungsbahnen
- Kolben im Totpunkt
- Rollen-Ketten und Zahnketten
C) Hydrodynamische Schmierung
Unter geeigneten Bedingungen, wie
- Keilspalt
- hohe Gleitgeschwindigkeit
- passende Viskosität der Flüssigkeit baut sich ein tragender Schmierfilm auf. Die Teile haben dann keine
direkte Berührung mehr:
kein Verschleiss = ldealzustand.
- Gleitlager bei Turbokompressoren
- Kurbelwellenlager bei Verbrennungsmotoren
- Gleitlager bei grossen Elektromotoren
VerschIeissverIauf
C
B
A
Zustandsgrenze
Laufzeit
A) Dauerverschleiss, konstant, z.B. Bremsbelag, Trockenreibung
B) Einlauf-Verschleiss mit anschliessendem geringem Dauerverschleiss. Typisch bei Misch-Reibung
C) Progressiver Verschleiss, z.B. Riefen, Fressen.
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In allen 3 Fällen ist der Verschleissfortschrittt messbar. Als Zustandsgrenzen z.B. zu wählen;
- Bremsbelag-Dicke min. 2 mm
- vor Beginn progressiver Verschleiss (schwierig feststellbar)
- Kettenlängung > 2 %
Ermüdung
Material-Ermüdung infolge dynamischer Beanspruchung durch Kräfte. Dynamisch heisst “schnell
variierend“. Der innere Zusammenhalt des Werkstoff-Gefüges wird im Verlaufe der Zeit gelockert ~
Risse, Ausbrechungen.
Material-Ermüdung tritt auf bei;
- umlaufenden Wellen
- schwingenden bzw. schnell hin- und hergehenden Teilen
- Überrollungen (Wälzlager), Abwälzungen an Zahnflanken usw.
- schlagenden Teilen.
Umlaufende Welle (Wechsel-Biegung)
In einem Punkt P wird bei einer Umdrehung der Werkstoff auf maximale Zug-Kraft und maximale
Druck-Kraft beansprucht.
Bei zu grosser Materialbeanspruchung erfolgt Rissbildung - von einer Mikro-Kerbe ausgehend - die
sich über Wochen oder Monate langsam fortsetzt, bis die Restfläche der Beanspruchung nicht mehr
standhält -Gewaltbruch.
Zähne von Getrieberädern
Zähne von Getrieberädern haben 2 Arten dynamischer Beanspruchung:
A) Schwellende Biegung: maximal am Zahnfuss im Punkt 1 Schwellend heisst zwischen 0 und
Maximum
variierend.
B) HERTZ‘sche Pressung (Punkt-oder Linien-Pressung); auf der Berührungslinie 2, ebenfalls
schwellend.
Die Materialermüdung beginnt 0,1 ÷ 0,3 mm unter der Oberfläche. Risse pflanzen sich zur
Oberfläche fort
Ausbröckeln des Materials - Grübchen, Pittings.
Schadensverlauf:
Ermüdungsbrüche und Grübchen treten nur auf, wenn der Werkstoff überbeansprucht ist wegen;
- Fehl-Konstruktion bzw. -Berechnung
- Überbelastung der Maschine
Wird die Beanspruchung bei C (max) nicht überschritten, dann tritt auch nach beliebig vielen
Lastwechseln keine Ermüdung, kein Bruch bzw. keine Grübchenbildung auf.
Diese Beanspruchung bei C wird auf die DAUER ertragen. Man redet daher von
- Dauerbeanspruchung
- Dauerfestigkeit.
Die Dauerfestigkeit ist abhängig von:
- Werkstoff
- Oberflächengüte
- Kerbe, bzw. Kerbform
- Abmessung (dicke Wellen oder Schrauben sind verhältnismässig ungünstig)
- Oberflächenbehandlung z.B.;
• Nitrierung:
günstig
• Hartverchromt:
ungünstig
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Heute liegen genügend Erfahrungswerte vor, sodass jedes Element ermüdungssicher berechnet und
konstruiert werden kann. Die praktisch auftretende relativ grosse Anzahl solcher Schadensfälle lässt
vermuten: viele Konstrukteure sind über den Ermüdungs-Prozess und die Berechnungs-Methodik
nicht informiert.
Schadensverlauf:
Ermüdungsbrüche führen häufig zu schweren Havarien. Sie ziehen Folgeschäden nach sich. Im
Gegensatz zu den Verschleiss-Vorgängen ist der Ermüdungs-Fortschritt
- nicht sichtbar
- nicht messbar.
Die früher praktizierte aufwendige periodische Totalzerlegung mit Rissprüfung, z.B. von Flugmotoren,
ist auch nicht 100%ig sicher (Kontrolle kurz vor Rissbeginn).
Eine Welle mit fortgeschrittenem Ermüdungsbruch wird aber gewisse Deformationen erleiden und
einen unruhigen Lauf der Maschine verursachen. Bei teuren Maschinen wie
- Turbokompressoren
- Dampfturbinen
- Flugzeugmotoren
werden Schwingungs-Sensoren eingebaut, die eine kontinuierliche Ueberwachung gewährleisten.
Kontinuierliche Zustandsüberwachung mit Alarmierung bzw. Notabschaltung. Dadurch können
Ausfälle mit evtl. schweren Folgeschäden vermieden werden.
Grübchenbildung ist im Anfangsstadium in der Regel noch tolerierbar. Sie ist bei Wälzlagern gut
messbar und damit kontrollierbar. (Stossimpulsmessung, siehe Kapitel Mess- und Prüfmethoden)
Im fortgeschrittenen Stadium wird die tragende Fläche zu stark reduziert, die Pressung wird zu gross.
Es kommt zum Fressen. Die Zustandsgrenze ist je nach Umständen erreicht, wenn 5 ÷ 20 % der
Zahnflankenfläche von Pittings “gelöchert“ ist.
Achtung:
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Mittels Filter oder Spänefang-Magneten im Oelsumpf für fortlaufende Entfernung des
Ausbruch-Materials sorgen.
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2.2 Zustandsüberwachung
Definitionen
Unter Zustandsüberwachung versteht man:
Massnahmen zur Feststellung und Beurteilung des IST-Zustandes, d.h. der
Zustandsqualität
Die Zustandsüberwachung dient dem Zweck, notwendig werdende Instandsetzungsarbeiten frühzeitig
zu erkennen, um ihre Durchführung
Die Zustandsüberwachung wird auch als Inspektion bezeichnet.
Zustandsüberwachung kann verlangt sein wegen:
Zustandsqualität: Die Maschine soll dauernd möglichst viele Produkte von guter Qualität liefern.
- Keine Störung, kein Ausfall, kein Schaden. Sicherheit für Mensch und Umwelt.
- behördlichen Vorschriften
- Image der Firma (Aussehen, Ordnung und Sauberkeit)
Zustandsüberwachung wann und wie?
Inspektionen richten sich danach, wann und wie diese zweckmässig durchgeführt werden können.
- im Lauf der Anlage
- im Stillstand der Anlage (Ruhe)
Messwerte von
- Schwingungen
- Temperaturen
- Drücken
- usw.
sind nur bei laufender Anlage während
•
normaler Produktion
•
Probelauf (in
Ausnahmefällen)
messbar.
Viele Inspektionen sind nur bei ruhender Anlage möglich. Je nach dem erforderlichen Eingriff sind
dabei verschiedene Situationen zu unterscheiden:
- ohne Eingriff
- mit kleinem Eingriff oder Teilzerlegung
(Schutzhaube entfernen - Getriebedeckel demontieren - Zündkerze ausschrauben)
- Totalzerlegung, ausmessen und Kontrolle der Einzelteile
- Aggregat ausbauen und auf Prüfstand testen.
Die Zeitpunkte für Inspektionen richten sich ebenfalls nach verschiedenen Möglichkeiten:
- Zeitabhängige Auslösung, also nach Kalender und Uhrzeit, Zeitplan.
- Leistungsabhängige Auslösung.
Beispiele:
•
nach jeweils 4‘000 Betriebsstunden
•
nach jeweils 10‘000 Werkstücken
•
nach jeweils 10‘000 km Fahrstrecke
- Betriebsabhängige Auslösung während betrieblich gegebenen Produktionsunterbrüchen, z. B.
Produktions-Umstellungen, Reinigungs-Arbeiten, Wochenende, nachts.
- Dauer-Inspektion durch fest installierte Überwachungsgeräte: Kontinuierliche Inspektion.
In der Praxis wird man nur in seltenen Fällen stur nach Datum und Uhrzeit inspizieren können.
Bei Anlagen, die rund um die Uhr im Dauerbetrieb laufen, ist es besonders schwierig, Termine für
Zustandsüberwachung in Ruhe zu erhalten. Der Instandhalter muss dann kooperativ mit dem
Produktionspersonal Termine vereinbaren.
Häufig kommt eine flexible Mischung von Zeit- (Leistungs-)/Betriebsabhängiger Auslösung zur
Anwendung:
Der Instandhalter nutzt immer betriebsbedingte Stillstände für seine Aktivitäten. Er verlangt nur in
äussersten Notfällen Produktionsunterbruch.
IH hält die Produktion aufrecht, verlangt nicht Stillstand.
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Bei Anlagen, die nur werktags und tagsüber produzieren ist das Wochenende und die Nacht die ideale
Wirkungszeit für Inspektionen und Instandsetzung. Idealfall: Die Maschinen produzieren automatisch
während der Nacht. IH wirkt tagsüber.
Termingerechte Erfüllung der Produktionspläne bei hoher Produkte-Qualität und Sicherheit für Mensch
und Umwelt unter minimalem Aufwand ist das Gebot für Produktionsbetriebe. Die lH ist diesem Gebot
ebenfalls unterstellt.
Die Inspektions-Intervalle sind Grundlage für die Inspektions-Zeitpunkte. Diese werden aufgrund von
Erfahrungswerten festgelegt, z.B. inspizieren ein Mal pro
1W
2W
1M
4M
2J
1 Woche
2 Wochen
l Monat
4 Monate
2 Jahre
Bei EDV-unterstützten Terminüberwachungssystemen wird man diese Erfahrungswerte flexibel den
reellen Verhältnissen anpassen. Man könnte z.B. folgende Regel einprogrammieren:
Ist der Zustand während 3 Inspektionen i.O., so wird der Intervall verdoppelt. Wird bei jeder
Inspektion ein Zustand nahe der Schadens-Zone vorgefunden, so wird nach dem 3. maI der
Intervall halbiert. Ebenso wenn zwischen denInspektionen ein Schaden eintritt.
Die automatische Dauerinspektion mit geeigneten Messgeräten wird zukünftig mehr Bedeutung
erlangen. Aber:
- Man kann (noch) nicht jede Zustandsänderung mit Sensoren messen.
- Sehr teure Installationen
- Solche technischen Einrichtungen erfordern selbst auch wieder Inspektionen, können selbst zu
Störungen Anlass geben.
Der Einsatz beschränkt sich daher z.Zt. noch auf
- sehr teure und wichtige Maschinen (Turbo-Kompressoren, Dampf-Turbinen, Atomkraftwerke,
Flugzeuge usw.)
- Teure Massenprodukte (Luxus-Autos)
Bei Anlagen mit Betriebsdatenkontrolle, wo Temperatur, Druck, Stoffkonzentrationen usw. laufend
vom Bedienungspersonal überwacht werden, können Abweichungen ebenfalls Hinweise auf AnlageStörungen und Schäden liefern. Fallweise wird dann eine Inspektion bzw. Fehlersuche an das lHPersonal delegiert.
Zustandsüberwachung womit?
Die Zustandsqualität sollte idealerweise mit Zahlenwerten gemessen und mit einer Zustandsgrenze
verglichen werden.
(Tabelle Nutungsvorrat im Ordner 2.2.4)
Die Differenz entspricht dem Nutzungs-Vorrat. Diesem Ideal-Zustand kann nur teilweise entsprochen
werden:
- nicht alle Zustände sind mit Messgeräten erfassbar: Keine Messwerte.
- Auch wenn uns Geräte exakte Messwerte liefern, so bleibt häufig die Zustandsbewertung uns
überlassen.
Beispiele:
- An der Oberfläche eines Stehlagers mit Pendelrollenlager 76,7 0C gemessen. Ist das noch normal?
- Bremsscheibe taumelt um 0,04 mm. Ist das tolerierbar?
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INSPEKTION
(subjektiv)
mit unseren Sinnen:
- sehen
- hören
- riechen
- tasten
(objektiv)
mit Messgeräten:
Messen von definierten physikalischen
Grössen
- Länge, Dicke
- Temperatur
- Kraft
- el. Spannung
- Schwingung
Zustandsabhängige Aktivitäten
Die Beurteilung der Zustands-Qualität, im Vergleich mit einer Zustandsgrenze, muss weitere
Aktivitäten zur Folge haben:
- Rückmeldung an zentrale Kontrollstelle
• Inspektion durchgeführt
• Gesamtbeurteilung Anlagezustand
• Intervallanpassung
- Instandsetzung durch Inspekteur. Kleine Instandsetzungen (Aufwand bis ca. ½ h) werden durch
den Inspekteur direkt erledigt. Es wäre unwirtschaftlich, mit kleinen Problemen
• andere Mitarbeiter
• Papiere
• EDV
in Bewegung zu bringen.
- Auslösung Instandsetzung:
• Erteilen Aufträge an Instandsetzungsgruppe
• Liefern Informationen
Anlageteil
Dringlichkeit
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Diagnostik
2.3
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Mess- und Prüfgrössen
Messwerte für Zustandsänderungen
Wir können nur physikalische Grössen messen wie z.B.:
- Zeit
- Länge (Dicke, Höhe, Niveau, Wellenschlag, Schwingweg, etc.)
- Temperatur
- Drehmoment
- Viskosität
- usw.
Messen heisst vergleichen mit einem exakt definierten Normwert einer physikalischen Grösse
unbekannter Wert
Ausgehend von den Masseinheiten (nach internationalem Einheitssystem SI) sind in den Beilagen B
2.3.la bis B 2.3.le die für uns wichtigsten physikalischen Grössen zusammengestellt. Geben Sie in der
4. Kolonne Anwendungsbeispiele aus der IH-Praxis an.
Die Grund - Masseinheiten können Vorsatzzeichen haben für Unter- und Übereinheiten:
Vorastz
Wert
Abkürzung
Vorsatz
Wert
Abkürzung
Yocto
Zepto
Atto
Femto
Piko
Nano
Mikro
Milli
Zenti
Dezi
10-24
10-21
10-16
10-15
10-12
10-9
10-6
10-3
10-2
10-1
y
z
a
f
p
n
u
m
c
d
Deka
Hekto
Kilo
Mega
Giga
Tera
Peta
Exa
Zetta
Yotta
101
102
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024
da
h
k
M
G
T
P
E
Z
Y
Beispiele:
1kg
=
1 MQ
=
1 Pf
=
1’000g
1‘000‘000 Ω
l x l0-12 F
2.3.2 Physikalische Grundlagen
Einleitung
Alle technischen Überlegungen, Entscheide und Handlungen müssen - um von Erfolg gekrönt zu
werden - einwandfrei auf den Grundgesetzen der Physik beruhen. Es sind das Naturgesetze, die der
Mensch im Laufe der letzten Jahrhunderte als
- immer und überall gültig
- unüberlistbar und unbetrügbar
- von Hokuspokus und Geistern unbeeinflussbar erforscht, erkannt und formuliert hat.
Auch in der Instandhaltung sind diese Naturgesetze strikte zu beachten. Auf diesen beruht die
Diagnose. Zur Beschreibung dieser Gesetze müssen klare, für alle und jeden gültige Grundbegriffe
definiert sein. Im folgenden werden wir die wichtigsten Grundbegriffe (physikalische Grössen)
kennenlernen.
Unter diesen sind die Basisgrössen besonders hervorzuheben, da das Einheitensystern darauf
aufgebaut ist. Jeder physikalischen Grösse ist eine Masseinheit (Dimension) zugeordnet.
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Diagnostik
m. fahrni
Internationales Eiheitensystem (SI-System):
Basisgrössen
Basisgrösse
Länge
Masse
Zeit
Elektrische Stromstärke
Temperatur
Stoffmenge
Lichtstärke
Symbol
l
m
t
I
T
n
J
Name
Zeichen
Meter
Kilogramm
Sekunden
Ampäe
Kelvin
Mol
Candela
m
kg
s
A
K
mol
cd
Wie zu jedem Menschen ein Name gehört, so gehört zu jeder physikalischen Grösse die Masseinheit.
Auf den Masseinheiten der Grundgrössen ist das Massystem aufgebaut. Die übrigen Einheiten (z.B.
Fläche, Druck etc.) sind aus den Grundeinheiten abgeleitet und werden als abgeleitete Einheiten
bezeichnet. Leider wurden im Laufe der Entwicklung verschiedenste Massysteme aufgestellt und
benützt. Wir werden uns an das gesetzlich verankerte, international gültige Internationale Massystem
halten, auch Sl-System
(Systeme Internationale d‘Unites) genannt.
Zeit t (s)
Der Zeitbegriff:
Der Zeitbegriff ergibt sich aus Veränderungen, die wir im Laufe unseres Lebens bemerken:
- Tag/Nacht
- Sommer/Winter
- Bewegungsabläufe aller Art
- Älter werden
- usw.
Die Zeit ist völlig unabhängig von Raum und Materie. Sie wird als gleichförmig ablaufend betrachtet.
Für die Definition eines Zeitmasses könnte jeder absolut gleichmässige, periodisch sich
wiederholende Prozess gewählt werden, wie z.B.:
- Pendelschlag
- Quarzschwingung
- Erdrotation
Das Zeitmass:
Bereits im Altertum wurde die Erdrotation als Zeitmass gewählt: Der Sonnentag, der einer
Erdumdrehung entspricht.
Definition:
Die Masseinheit der Zeit ist die Sekunde. Sie ist das 9‘192‘631‘770fache der Periodendauer der dem
Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des
Nukleids 133Cs entsprechenden Strahlung.
Zeitmessgeräte (Uhren):
Zeitmessgeräte benützen einen exakt periodisch ablaufenden Vorgang als Zeitmass:
a) Schwingungsperioden von
- Pendel
- Unruhe
- Stimmgabel
- Schwingquarz
- Wechselstrom Pendel
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Diagnostik
m. fahrni
Frequenz f (l/s), Drehzahl n (l/s) (abgeleitete Grössen)
Wird immer wieder in gleichen Zeitabständen T
- gleicher Zustand
- gleiche Lage
- gleiche Bewegung
erreicht (= periodischer Vorgang), so können diese Vorgänge gezählt werden. Man stellt fest, wieviele
periodische Vorgänge pro Zeiteinheit ablaufen.
Definition:
Unter der Frequenz f eines periodischen Vorganges versteht man die Anzahl gleicher Durchgänge pro
Zeiteinheit. Die Frequenz einer Drehbewegung (Rotation) bezeichnet man als Drehzahl n (1/s).
Frequenz f = Anzahl Perioden
Zeit
Drehzahl = Anzahl Umdrehungen
Zeit
Die Frequenz (Drehzahl) ist der Kehrwert der Periodendauer T.
Länge l (m)
Der Begriff der Länge
Die geometrische Form eines Körpers oder eines Raumes ist durch Längen, d.h. durch Abstände
zweier Punkte festgelegt. Die Längenmessung erfolgt durch den Vergleich mit einem Längenprototyp.
Der Langenprototyp
Der Längenprototyp besteht aus einer Legierung von 90% Platin und 10%
lridium in der Form des nebenan gezeigten Profils. Auf dem Grund der Rinne
sind 2 feine Striche eingerissen deren Abstand der 40‘000‘000 Teil des
Erdumfanges betragen sollte. Die internationale Meterkonvention legte 1875
diesen Längenprototyp, das Meter, als einheitliches Längenmass fest. (bei 0°
C).
Seit 1983 existiert eine neue gültige Meterdefinition:
Die Grundeinheit Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von
1/299‘792‘458 Sekunden durchläuft.
Temperatur T (K); t (°C)
Unterschied Wärme/Temperatur
Wärme und Temperatur sind nicht dasselbe!.
- Es seien 2 gleiche Kochplatten und 2 gleiche Pfannen und sie werden zur gleichen Zeit aufgeheizt.
- Die erste Pfanne enthält 1 l Wasser, die zweite 3 l Wasser.
- Die Temperatur in der 1. Pfanne steigt rascher.
- 3 l Wasser brauchen mehr Wärme um auf dieselbe Temperatur zu kommen wie 1 l damit die
Temperatur eines Körpers steigt, muss Wärme zugeführt werden. Wärme ist eine Form von Energie.
In unserem Beispiel geschieht dies über die Kochplatte. Man kann nicht einige °C in das Wasser
hineinschütten, damit es warm wird!
Quecksilberthermometer:
- Stockthermometer: Das bei Erwärmung sich ausdehnende Quecksilber steigt in einer Glaskapillare
hoch
Skala hinter Glasröhrchen.
- Zeigerthermometer: Das sich ausdehnende Quecksilber drückt eine Bourdonfeder auf, welche
ihrerseits über
Hebel und Zahnrad einen Zeiger dreht (wie Manometer).
Die Ampulle, das Röhrchen und die Bourdonfeder sind ganz mit Quecksilber gefüllt.
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Diagnostik
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Bimetallthermometer:
Zwei Metalle, welche sich bei Erwärmung verschieden ausdehnen, werden zu dünnen Blechen
zusammengewalzt. Aus diesem zweischichtigen Blech werden schmale Streifen geschnitten, welche
wie eine Schraubfeder aufgewunden werden. Aufgrund der verschiedenen Längenausdehnung der
beiden Metallschichten hat die Feder die Tendenz, sich bei ändernder Temperatur aufzurollen oder
einzuwinden.
Diese Drehbewegung wird auf einen Zeiger übertragen.
Temperaturkreide und -Papier:
Dies sind Hilfsmittel zur groben Bestimmung von Oberflächentemperaturen. Beim
Überschreiten einer bestimmten Temperatur erfolgt ein Farbumschlag.
Widerstandstemperaturfühler:
Ein Widerstandselement besteht aus einem Platindraht-Wendel, der in ein Glasstäbchen
eingeschmolzen ist. Der elektrische Widerstand des Pt-Drahtes ist von der Temperatur abhängig.
PT-100 Element
Das Element wird bei der Herstellung so abgeglichen, dass der Widerstand bei 0°C 100 Ω beträgt.
Daher die Bezeichnung Pt-100-Element.
Die Widerstandsmessung erfolgt nach dem Ohm‘schen Gesetz U = R x I bzw.
R = U/I Man lässt eine konstante Stromstärke I fliessen und misst die Spannung U. Oder umgekehrt:
Konstante Spannung U, Stromstärke 1 messen.
Der durch das Element fliessende Strom ist dann ein Mass für seine Temperatur. Es genügt nun, den
Strom zu messen, d.h. ein Amperemeter in den Stromkreis einzubauen. Auf das Zifferblatt dieses
Amperemeters kann direkt eine Temperaturskala aufgezeichnet werden.
Es können auch andere Werkstoffe statt Pt verwendet werden: Nickel, Halbleiter.
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Diagnostik
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Spez.
Abgeleitete Sl-Einheiten und ihr Zusammenhang mit den Basisgrössen
Ebener Winkel in Radiant rad
Magnetische Flussdichte in Tesla, T
1 Radiant ist gleich dem ebenen Winkel, der als Zentralwinkel
1 Tesla ist gleich der Flächendichte des homogenen magneti-
eines Kreises vom Halbmesser 1 m aus dem Kreis einen Bo-
schen Flusses 1 Wb, der die Fläche 1 m2 senkrecht durch-
gen von 1 m Länge ausschneidet.
setzt.
Räumlicher Winkel in Steradiant, sr
Elektrische Spannung in Volt, V
1 Steradiant ist gleich dem räumlichen Winkel, der als gerader Kreiskegel mit der Spitze im Mittelpunkt einer Kugel vom
Halbmesser 1 m aus der Kugeloberfläche eine Kalotte der
Fläche im2 ausschneidet.
1 Volt ist gleich der Spannung oder elektrischen Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten eines fadenförmigen homogenen und gleichmäßig temperierten metallischen Leiters, in
dem bei einem zeitlich unveränderlichen Strom der Stärke 1 A
zwischen den beiden Punkten die Leistung 1 W umgesetzt
wird.
Druck in Pascal, Pa
Elektrizitätsmenge (elektrische Ladung) in Coulomb, C
1 Pascal ist gleich dem auf eine Fläche gleichmäßig wirkenden Druck, bei dem senkrecht auf die Fläche 1 m2 die Kraft
1 N ausgeübt wird.
1 Couiomb ist gleich der Elektrizitätsmenge, die während der
Zeit 1 s bei einem zeitlich unveränderten elektrischen Strom
der Stärke 1 A durch den Querschnitt eines Leiters fließt.
Kraft in Newton, N
lnduktivität (magnetischer Leitwert) in Henry, H
1 Newton ist gleich der Kraft, die einem Körper der Masse
1 kg die Beschleunigung 1 m/s2 erteilt.
Energie, Arbeit, Wärmemenge in Joule,
1 Joule ist gleich der Arbeit, die verbraucht wird, wenn der
Angriffspunkt der Kraft 1 N in Richtung der Kraft um 1 m verschoben wird.
1 Henry ist gleich der lnduktivität einer geschlossenen Windung, die, von einem elektrischen Strom der Stärke 1A
durchflossen, im Vakuum den magentischen Fluss 1 Wb umschlingt.
Elektrischer Widerstand in Ohm, Ω
Legt ein Körper in 1 s die Wegstrecke von 1 m zurück, so beträgt seine Geschwindigkeit 1 m/s.
1 Qhm ist gleich dem elektrischen Widerstand zwischen zwei
Punkten eines fadenförmigen, homogenen und gleichmäßig
temperierten elektrischen Leiters, durch den bei der elektrischen Spannung 1 V zwischen den beiden Punkten ein zeitlich unveränderlicher elektrischer Strom der Stärke 1 A fließt.
Beschleunigung in m/s2
Elektrischer Leitwert in Siemens, S
Ändert ein Körper seine Geschwindigkeit pro Sekunde um
1 Siemens ist gleich dem elektrischen Leitwert eines Leiters
1 m/s, so beträgt die Beschleunigung 1 m/s2
vom elektrischen Widerstand 1 Ω.
Leistung in Watt, W
Elektrische Kapazität in Farad, F
1 Watt ist gleich der Leistung, bei der wahrend der Zeit 1 s die
1 Farad ist gleich der elektrischen Kapazität eines Konden-
Energie 1 J umgesetzt wird.
sators, der durch die Elektrizitätsmenge 1 C auf die elektri-
Geschwindigkeit in m/s
sche Spannung 1 V aufgeladen wird.
Frequenz in Hertz, Hz
Lichtstrom in Lumen, Im
1 Hertz ist gleich der Frequenz eines periodischen Vorgangs
1 Lumen ist gleich dem Lichtstrom, den eine punktförmige
der Periodendauer 1 s
Lichtquelle mit der Lichtstärke 1 cd gleichmäßig nach allen
Richtungen in den Raumwinkel 1 sr aussendet.
Magnetischer Fluss in Weber, Wb
1 Weber ist gleich dem magnetischen Fluss, bei dessen
Beleuchtungsstärke in Lux, lx
gleichmäßiger Abnahme während der Zeit 1 s auf Null in ei-
1 Lux ist gleich der Beleuchtungsstärke, die auf einer Fläche
ner ihn umschlingenden Windung die elektrische Spannung
herrscht, wenn auf 1 m2 der Fläche gleichmäßig verteilt der
1 V induziert wird.
Lichtstrom 1 Im fällt.
Dezimale Vielfache und Teile
Dezimale Vielfache
101
102
103
106
109
1012
1015
1018
14.05.16
10
100
1 000
1 00000
1 000000000
1 000000000000
1 000000000000000
1 000000000000000000
Dezimale Teile
Deka
Hekto
Kilo
Mega
Giga
Tera
Peta
Exa
da
h
k
M
G
T
P
E
zehnfach
hundertfach
tausendfach
rnillionenfach
milliardenfach
billionenfach
billiardenfach
trillionenfach
10-180,000000000000000001
10-150,000000000000001
10-12
0.000 000 000 001
10-9 0,000 000 001
-6
10 0,000 001
10-3
0.001
10-2 0,01
-1
10
0,1
Atto
Femto
Piko
Nano
Mikro
Mifli
Centi
Dezi
a
f
p
n
u
m
c
d
Trillionstel
Billiardstel
Billionstel
Milliardstel
Millionstel
Tausendstel
Hundertstel
Zehntel
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Diagnostik
m. fahrni
2.3.2.6 Geschwindigkeit v (m/s) (abgeleitete Grösse)
Definition der Geschwindigkeit:
Geschwindigkeit ist der pro Zeiteinheit zurückgelegte Weg.
Gleichförmige Geschwindigkeit:
Ein Auto legt (bei konstanter Geschwindigkeit) in der Zeit t den Weg s zurück. Es hat also die Geschwindigkeit
s
v = ---t
m
--s
2.3.2.7 Beschleunigung a
Definition der Beschleunigung:
Beschleunigung ist die Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit
V
a = ---t
m
---s2
(gilt nur bei konstanter Beschleunigung)
2.3.2.8 Kraft F [1 kg • m/s2 = 1 Newton = 1 N]
Reibkraft:
Für gleitendes oder rollendes Fortbewegen eines Körpers auf einer Unterlage ist Kraft erforderlich.
Fs
FS
FR
FG
FG
FN
Für Gleichgewicht am Körper gilt: FN = FG
FR = FS
Nach Coulomb gilt zwischen der Reibkraft FR und der Auflagerkraft FN folgender Zusammenhang:
FR = µ x FN [N]
µ = Reibzahl, abhängig von der Werkstoffpaarung, Oberflächenrauheit usw. Reibzahl für trockene Reibung
Werkstoffe
Stahl/Stah
Stahl/Bronze
Metall/Holz
Stahl/Eis
Stahl/Teflon
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Haftreibung
l0,15 - 0,2
0,18 - 0,25
0,5 - 0,6
0,027
0,04
Gleitreibung
0,1 - 0,15
0,15 - 0,2
0,2 - 0,5
0,014
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Diagnostik
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Bruchkraft, Reisskraft:
Durch Kräfte beanspruchte feste Körper brechen oder zerreissen, wenn diese Beanspruchung zu gross wird.
Diejenige Kraft, die zum Zerreissen oder zum Bruch führt, wird als Reiss- bzw. als Bruchkraft bezeichnet. Sie ist
abhängig vom Materialquerschnitt und von der Materialfestigkeit.
Das Kräftegleichgewicht:
Jeder Körper, der sich nicht bewegt oder der seinen ursprünglichen Bewegungszustand nicht ändert, befindet
sich im Kräftegleichgewicht.
a
b
Fa
Fb
Fu
Hebelgesetz:
Last x Lastarm = Kraft x Kraftarm
2.3.2.9 Druck p [N/m2]
Grundbegriff des Druckes:
Als Druck bezeichnet man das Verhältnis einer Normalkraft F [N], die gleichmässig auf eine Fläche wirkt, zum
Inhalt dieser Fläche A [m2].
F
P
Weil 1 Pascal eine sehr kleine Druckeinheit ist, ist es üblich, die Einheit bar zu verwenden.
Es gilt: 1 bar = 105 Pa = 10 N/cm2 = 1 daN/cm2
100 000 Pascal = 1 bar
In DIN 1314 sind einige Begriffsbestimmungen über Druck, Ueberdruck und Unterdruck festgelegt.
Nach neueren Normen (SNV 012100) ist der Begriff “Unterdruck“ zu ersetzen durch
“negativer Überdruck“.
Anmerkung:
Druckarten:
1. Überdruck
2. Unterdruck
3. Luftdruck
4. Absolutdruck
1
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2
3
Pe
p
Pamb
Pabs
4
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Diagnostik
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Gasdruck
Ein Raum mit Vakuum enthält weniger Gasmoleküle als normal. Bei Normaldruck (p = 1 bar, 200C) befinden
sich in einem Kubikmeter ca. 2,5 x 1025 Gasmoleküle. Diese winzigen, elastischen Kügelchen (ein
Stickstoffmolekül wiegt etwa 4 x 10-23 g) schwirren wild durcheinander, stossen sich gegenseitig und prallen an
die Behälter-wände (ca. 1024 Stösse pro cm2 und sek. bei p = 1 bar).
Dieses “gleichzeitige“ elastische Aufprallen von Millionen von Gasmolekülen auf eine Behälterwand erzeugt
den Druck eines Gases. Erwärmt man eingeschlossenes Gas, so wird die Molekülbewegung intensiver, die
Moleküle prallen kräftiger gegen die Wand, d.h. der Druck steigt.
Entfernt man Gasmoleküle aus einem Raum, z.B. durch Absaugen, so stossen relativ weniger Moleküle an die
Wand. Der Druck sinkt. Ist er tiefer als der normale Luftdruck, so spricht man von Vakuum.
Der normale Luftdruck - von der Höhenlage und vom Wetter abhängig - beträgt im
Durchschnitt:
Auf Meereshöhe
p
= 1,033 bar
Auf 600 m Höhe
p
= 0,964 bar
Der atmosphärische Luftdruck:
Da die Erde von einer Lufthülle umgeben ist, deren Höhe mehrere hundert km beträgt, lastet auf der Erde ein
durch das Gewicht dieser Lufthülle bedingter Druck: Der atmosphärische Luftdruck.
Um seine Grösse zu bestimmen, füllen wir eine etwa 90 cm lange an einem Ende zugeschmolzene Glasröhre mit
Quecksilber . Das offene Ende bringen wir unter Quecksilber, das sich in einer flachen Schale befindet, und
richten die Röhre auf. Dann beobachten wir, dass ein Teil des Quecksilbers aus der Röhre ausfliesst und eine
Quecksilbersäule von ca. 76 cm Höhe darin stehen bleibt. Diese Quecksilbersäule wird von dem
atmosphärischen Luftdruck getragen, der senkrecht von oben auf die freie Quecksilberoberfläche in der Schale
drückt.
Hydrostatisches Paradoxon:
Der Bodendruck ist unabhängig von der Gestalt und dem Querschnitt des Gefässes. Die Bodenkraft FK [N] ist
nur von der Flüssigkeitshöhe [cm] über dem Boden und der Bodenfläche A [cm 2] abhängig.
Druckmessgeräte mit Rohrfeder:
Das Messprinzip beruht darauf, dass sich unter dem Einfluss des Druckes ein elastisches Messgtied verformt.
Die Verformung wird durch einen Übertragungsmechanismus in eine drehende Bewegung des Zeigers
umgewandelt. Anzeigebereich: 0/0,6 bis 0/1 0000 bar. Bezugsdruck ist der Luftdruck, ca. 1 bar. Es wird
Überdruck gemessen.
Druckmessgerät mit Plattenfeder:
Zwischen 2 Flaschen ist eine konzentrisch gewellte Plattenfeder gespannt. Die Durchbiegung der Plattenfeder
ist ein Mass für den zu messenden Druck. Anzeigebereich: 0/0,004 bis 0/0,25 bar
Bezugsdruck ist der Luftdruck, ca. 1 bar. Es wird Überdruck gemessen.
Druckmessgeräte mit Kapselfeder:
Auf der inneren Gehäuserückseite ist eine Kapselfeder angeordnet. Bei Druckanstieg wölbt sich die Kapselfeder
beidseitig auf. Die Grösse dieser Wölbung ist das Mass für den zu messenden Druck.
Anzeigebereich: 0/2,5 bis 0/600 mbar
Bezugsdruck ist der Luftdruck, ca. 1 bar. Es wird Überdruck gemessen. Die Kapselfeder kann aber auch in ein
Gehäuse eingebaut werden. Aus diesem werden dann praktisch alle Gasmoleküle entfernt
—> Druck = 0 = Bezugsdruck —> Absolutdruckmesser.
U-Rohr Ueberdruck-Unterdruck Messgeräte:
sind für niedrige Drücke geeignet, dienen auch zur Ermittlung von niedrigen Differenzdrücken bei hohem
statischem Vordruck.
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Diagnostik
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2.3.2.10 Drehmoment M [N • m]
Unter einem Drehmoment versteht man das Produkt aus Kraft F und Länge r des Hebelarmes.
M=F x r
[Nm= N x m]
F
Das Drehmoment wirkt im Drehzentrum.
r
2.3.2.11 Energie, Arbeit W (1 J = 1 Nm)
Der Mann zieht den Esel mit Last mit der Kraft F über den Weg s. Er leistet dabei die Arbeit W.
W=F x s
Es darf nur diejenige Kraftkomponente verwendet werden, die längs des Weges wirkt!
Energie:
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Somit kann ohne weiteres gesagt werden:
Energie = gespeicherte Arbeit
Mechanische Arbeit und Energie sind völlig gleichwertig. Energie kann weder aus dem Nichts gewonnen
werden (kein Perpetuum mobile) noch verloren gehen. Man unterscheidet verschiedene (gleichwertige)
Energiearten.
Potentielle Energie (Energie der Lage)
Der Schmiedehammer wird in eine erhöhte Lage gebracht. (Speichern von potentieller Energie). Diese Energie
wird ausgenützt, indem der herunterfallende Hammer das Werkstück verformt.
Kinetische Energie (Bewegungsenergie)
Das fahrende Auto besitzt Bewegungsenergie (Eine mögliche Wirkung ist beim Autozusammenstoss ersichtlich,
die kinetische Energie wird in “Verformungsarbeit“ umgesetzt).
Um den bewegten Körper (Auto) auf seine Geschwindigkeit zu bringen, muss Energie hineingesteckt werden.
Diese Energie ist die Beschleunigungsarbeit.
W = F • s F = Kraft (zum Beschleunigen)
s =Beschleunigungsstrecke für konst. Beschleunigung, dh. Geschwindigkeitserhöhung von 0 auf v, wobei v die
Endgeschwindigkeit ist.
Nach Ersatz von F durch m . a (Gesetz von NEWTON) und von s durch v 2/2a, resultiert:
M x v2
W=
--------2
kg x m2
J = -------------S2
N x m
Diese kinetische Energie steckt noch im Körper, wenn die Beschleunigungskraft nicht mehr wirkt —> bei
betätigter Kupplung rollt das Auto noch weiter.
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Diagnostik
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Wärmeenergie
Wie schon bei der Temperatur erwähnt wurde sind die Atome in ständiger Bewegung. Dabei ist die
Geschwindigkeit der Atome umso grösser je höher die Temperatur ist. Die Wärmeenergie ist nun nichts anderes
als die Bewegungsenergie aller dieser Teilchen.
Weitere Energieformen:
- el. Energie
- Federenergie
- chemische Energie
- Strahlungsenergie
- Muskelenergie etc.
Beispiele:
Pendeluhr - Die Masse des Uhrenpendels hat in den Umkehrpunkten die maximale potenielle und im Punkt m
die maximale kinetische Energje. Es findet also eine ständige Umwandlung von potentieller in kinetische
Energie und umgekehrt statt. (Die Uhr würde infolge Reibung stehen bleiben, wenn die Reibungskraft nicht
durch die gespannte Uhrenfeder ersetzt würde.)
Kochplatte - Elektrische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt.
Wirkungsgrad:
z.B. Gummiball
Lässt man einen Ball auf den Boden fallen, so stellt man fest, dass seine Steighöhe nicht der Fallhöhe entspricht.
Es hat sich also nur ein Teil der potentiellen Energie wieder zurück in potentielle Energie verwandelt. Die der
Höhendifferenz Ah entsprechende Energie wurde jedoch nicht vernichtet, sondern sie hat sich in Wärme
umgewandelt.
Ein Wirkungsgrad von η = 1 entspricht einer perfekt (verlustfrei) arbeitenden Maschine. Aufgrund des Satzes
von der Energieerhaltung und der unvermeidbaren Verluste ist der Wirkungsgrad stets kleiner als Eins.
Gesamtwirkungsgrad mehrerer hintereinander geschalteter Maschinen, ergibt sich durch Multiplikation der
Einzelwirkungsgrade:
Der Gesamtwirkungsgrad liegt daher immer zwischen Null und Eins, er kann nicht grösser sein als der
Wirkungsgrad einer einzelnen Maschine.
2.3.2.12 Leistung P (Watt J/s=W)
Unter Leistung versteht man die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit (oder Energie)
2.3.2.13 Das Ohmsche Gesetz
Zwischen Spannung, Widerstand und Strom besteht folgender Zusammenhang:
U=RxI
Dies bedeutet: Wird an einen Widerstand R von 1 Q (Ohm) eine Spannung U von 1 V (Volt) gelegt, so fliesst
durch diesen Widerstand ein Strom 1 von 1 A (Ampere).
2.3.2.14 Dichte (kg/m3)
für gasförmige Stoffe (p sprich Rho) p (kg/dm3) für feste und flüssige Stoffe
Zuerst eine Frage: Was ist schwerer
1 kg Blei oder 1 kg Heu
Bevor wir dem Mann auf unserer Zeichnung eine Antwort geben, wollen wir einige Ueberlegungen machen: Wir
legen ein Stück Eisen und ein gleichgrosses Stück Holz vor uns hin und sagen, dass dies gleichviel Eisen wie
Holz sei:
Nun legen wir über das Eisenstück ein gleich schweres Stück Holz und behaupten wieder, es liege gleichviel
Eisen wie Holz vor uns.
Und es stimmt beides:
Nur: Im ersten Fall haben wir gleichviel Volumen (cm3) und im zweiten Fall gleichviel Masse (kg).
Dann hat offenbar ein Stück Eisen mehr Masse als ein Stück Holz gleicher Abmessung! Wir sagen: Die Dichte
des Eisens ist grösser als diejenige des Holzes.
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Diagnostik
m. fahrni
Dichte ist also: Masse pro Volumen. Sie wird wie folgt berechnet:
Masse
Dichte p = -------Volumen
=
m
---v
Das Volumen eines Körpers kann berechnet werden, aber dessen Masse müssen auf einer Waage mit MasseSteinen (früher sagte man Gewichtssteine) verglichen werden.
Nun können wir unserem Mann die Antwort geben: Die Massen von Heu und Blei sind gleich gross, es ist je 1
kg vorhanden. Sie werden deshalb auch mit derselben Gewichtskraft von der Erde angezogen.
Das heisst, sie sind gleich schwer. Der Unterschied zwischen Blei und Heu liegt in der Dichte.
Statischer Druck einer Flüssigkeit:
Werden einem hochstehenden Wassertank seitlich Löcher gebohrt, so ergibt sich nebenstehendes Bild.
Aus dem untersten Loch springt der Strahl fast waagrecht und sehr weit heraus, während er oben rasch abbiegt
und herunterplätschert.
Der Druck im Tank nimmt nach unten zu, weil das darüberliegende Wasser durch seine Schwerkraft auf die
tieferen Wasserschichten drückt. Der Druck am Boden des Tanks hängt also zum einen von der Standhöhe h ab.
Er hängt aber auch von der Dichte p ab, denn z.B. Benzin würde nicht so stark nach unten drücken, weil es eine
geringere Dichte als Wasser hat. Schliesslich hängt der Druck noch von der Anziehungskraft der Erde ab, d.h.
von der Erdbeschleunigung g.
Mit Hilfe dieser Grössen lässt sich der Druck berechnen:
P = h x p(Dichte) x g
Die Grundeinheit für den Druck ist das Pascal [Pa] . 1 Pa = 1 N/m2 . N/m2 ist eine sehr kleine und daher
unpraktische Einheit, weshalb man in der Technik oft mit der Einheit bar arbeitet. 1 Pa = 105 bar.
100 000 Pascal = 1 bar
Der Auftrieb:
Versucht man, einen Stein aus dem Wasser zu heben, wird man merken, dass er unter Wasser “leichter“ ist als in
der Luft! Diese Erscheinung hat mit dem Auftrieb zu tun. Archimedes, ein Grieche, hat vor mehr als 2000 Jahren
folgende Feststellung gemacht:
Auf einen in eine Flüssigkeit getauchten Körper wirkt eine Kraft nach oben, welche man Auftrieb nennt. Der
Auftrieb ist gleich der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit.
Der Auftrieb ist abhängig vom Volumen des eingetauchten Körpers und von der Dichte der Flüssigkeit. Er ist
aber weder abhängig von der Gewichtskraft des Körpers, noch von der Eintauchtiefe.
Auftrieb = Volumen des Körpers • Dichte der Flüssigkeit • Erdbeschleunigung
Der Stein scheint im Wasser leichter, weil der Auftrieb FA der Gewichtskraft entgegenwirkt. Ist der Auftrieb
grösser als die Gewichtskraft des Körpers, dann schwimmt der Körper. Dies ist der Fall sobald die Dichte des
Körpers gleich oder kleiner als diejenige der Flüssigkeit ist.
Stahl versinkt im Wasser, schwimmt aber in Quecksilber!
Wird ein ÖI/Wasser-Gemisch einige Zeit stehen gelassen, trennen sich die beiden Flüssigkeiten, weil Oel eine
geringere Dichte hat und durch den Auftrieb nach oben strebt.
2.3.2.15 Viskosität
- Dynamische Viskosität η = (Pa x s) (sprich Eta)
1
- FIuidität φ = — (sprich Fi)
η
η
- Kinematische Viskosität v = — (sprich Nü)
p
Die Viskosität (Zähigkeit) ist eine wichtige physikalische Grösse, ein Stoffwert von Gasen und Flüssigkeiten.
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Diagnostik
m. fahrni
Um Fliessvorgänge beurteilen zu können, muss die Viskosität - oder allgemeiner, das Fliessverhalten - gemessen
werden. In der Diagnose geht es insbesondere um das Fliessverhalten von Schmieröl.
Während die dynamische Viskosität die Kraft angibt, die auf eine Flüssigkeitsschicht wirkt, berücksichtigt die
kinematische Viskosität die Dichte der Flüssigkeit und damit die Masse der Flüssigkeitsschicht.
Definition:
Werden Flüssigkeitsschichten gegeneinander verschoben, so reiben die Moleküle aneinander. Die Viskosität ist
ein Mass für diese innere Reibung in einer Flüssigkeit. Um diese zu erfassen, wird eine messbare Kraft auf die
Flüssigkeit ausgeübt und gleichzeitig die Verformungsgeschwindigkeit gemessen.
Betrachten wir die Flüssigkeit zwischen zwei ebenen, parallelen Platten. Die untere Platte sei fest, die obere
werde mit konstanter Geschwindigkeit v nach rechts verschoben. Die bewegte Platte bringt nun das benachbarte
Flüssigkeitsgebiet ebenfalls in Bewegung. Die an ihr unmittelbar haftende Flüssigkeitsschicht wird mit der
Geschwindigkeit v mitgezogen. Zu ihr benachbarte Schichten erhalten umso kleinere Geschwindigkeiten, je
weiter sie von der Platte entfernt sind, zufolge der inneren Reibung.
Diese von Schicht zu Schicht in den Grenzflächen übertragene Schubkraft F entspricht dem Reibgesetz von
Newton für Gase und Flüssigkeit:
Schubkraft F =
Die Kraft F ist umso grösser:
- je grösser die Plattenfläche A
- je grösser die Geschwindigkeit v
- je kleiner der Plattenabstand h
Der Stoffwert η ist ein Mass für die innere Reibung der Moleküle.
Er ist abhängig von:
- Art des Stoffes
- Temperatur
- Druck
Bei Flüssigkeiten nimmt die Viskosität η mit steigender Temperatur stark ab, bei Gasen nimmt sie zu (mehr
Zusammenstösse der Moleküle).
Ausflussbecher:
Die Flüssigkeit wird in den Becher gefüllt und die Ausflusszeit gemessen. Die Temperatur muss für eine genaue
Messung in sehr engen Grenzen gehalten werden. Ein OeI kann z.B. bei 1 0C Temperaturerhöhung 10%
Viskositätserniedrigung erleiden.
Beispiele:
DIN Becher ENGELER-Viskosimeter (DIN 53016)
Kapillar-Viskosimeter:
Die Flüssigkeit wird durch die Öffnung A eingefüllt und im Wasserbad auf exakte Temperatur, z.B. 400C
gebracht. Dann wird sie durch die Kapillare K bis an den oberen Rand der Kugel D gesaugt, wobei die Öffnung
C geschlossen ist.
Darauf werden A, B und C geöffnet und es wird die Laufzeit gemessen, während der Flüssigkeitsspiegel von der
Marke m1 auf m2 absinkt. Die Laufzeit ist ein Mass für die Viskosität.
Beispiele:
Ostwald Ubbelohde, Cannon Fenske. DIN 51562
Kugelfall-Viskosimeter:
Die Flüssigkeit befindet sich in einem schräggestellten, temperierten Glasrohr, das zwei Messmarken aufweist.
Eine Kugel sinkt durch die Flüssigkeit. Die Fallzeit zwischen zwei Messmarkierungen ist ein Mass für die
Viskosität.
Undurchsichtige Substanzen können damit nicht gemessen werden. Wie bei den Durchflussbechern und
Kapillar- Viskosimetern geht hier die Dichte der Flüssigkeit in die Messung ein.
Beispiel: Höppler- Viskosimeter. DIN 53015
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Diagnostik
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Rotations- Viskosimeter: (Dinamische Messung)
Ein zylindrischer Messkörper dreht sich in einem konzentrisch angeordneten Messbecher, in dem sich das
Messgut befindet.
Dieses Prinzip realisiert annähernd die 2 parallelen Platten (Ringspalt). Das Antriebsdrehmoment, bei einer
bestimmten Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit, entspricht der Schubkraft F. Damit kann rj errechnet
werden.
2.3.2.16 Gehalt, Konzentration
Eine Stoffmenge kann aus 2 oder mehreren verschiedenen Reinstoffen zusammengemischt sein.
Die Stoffkonzentration gibt an, welchen Anteil ein Reinstoff in der Gesamtmenge hat. Die saubere und
eindeutige Konzentrationsangabe verwendet die Substanzmenge, die Masse.
Häufig wird w angegeben in:
%
%0
ppm
ppb
w
Teile pro 100 Teile
Teile pro 1000 Teile
Parts per Million, Teile pro Million Teile
Parts per Billion, Teile pro Billionen Teile
versteht sich als Mass/Masse-Konzentration. Leider werden in der Praxis noch viele weitere
Konzentrationsangaben verwendet.
Beispiele:
- Volumen/Volumen-Konzentration: cm3/m3, ppm
- Masse/Volumen-Konzentration: gr/m3
- usw.
Auch bezieht man sich nicht immer auf die Gesamtmenge des Stoffes, sondern auf eine andere Teilmenge, eine
andere Reinstoffmenge.
Konzentrationsangaben erfordern viel Vorsicht bei der Interpretation.
Konzentrationsmessungen:
Je nach der Stoffbeschaffenheit gibt es sehr viele verschiedene Messmethoden. Für
uns von Bedeutung sind folgende Messprobleme:
- Wassergehalt in Schmieröl
- Sauerstoffgehalt in Luft
- Schadstoff in Luft und Wasser
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Diagnostik
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2.4. Mess- und Prüfmethoden, Geräte
2.4.1 Schwingungs-Technik
2.4.1.1 Maschinenschwingungen
Unter dem Zeitbegriff (siehe Kapitel Mess- und Prüfgrössen, Zeit) haben wir bereits die periodischen
Schwingbewegungen erwähnt. Unwuchten, Verzahnungsfehler, Störungseffekte etc. können ganze Gebäude
Maschinen oder Teile davon zu Schwingbewegungen anregen. Solche haben ungünstige Folgen für
- die Beanspruchung der Maschine selbst
• Lockerung von Schraubenverbindungen
• Ermüdung von Werkstoffen (siehe Kapitel Schadenskunde, Ermüdung)
• Zerstörung von Wälzlagern
- Produktequalität
- Körperliche und psychische Belastung des Menschen
Maschinenschwingungen erlauben auch Rückschlüsse auf den Maschinen-Zustand.
2.4.1.2 Messgrössen für die Schwingstärke
Schwingungssensoren können fix installiert sein oder man setzt solche an bezeichneten Messpunkten bei der
Inspektion an. Dabei können je nach Sensor-Typ 3 verschiedene Grössen gemessen werden:
Messgrosse:
Masseinheit:
Sensor-Typ:
Beschleunigung a
m/s2
g = 9,81 m/s2
Piezo-Quarz
Geschwindigkeit v
mm/s
Elektrodynamischer Sensor
Weg s
Dehnungs- Messstreifen
Kennt man die Schwingfrequenz f, dann lassen sich die 3 Grössen leicht ineinander umrechnen. Moderne
Schwingungsmessgeräte enthalten einen Computer. Man kann dann nach Belieben von einer Messgrösse auf die
andere umschalten, egal welchen Sensortyp das Gerät verwendet.
Zur Beurteilung der Schwingstärke verwendet man meistens die Schwinggeschwindigkeit Veff in mm/s. Das ist die
mittlere Geschwindigkeit, mit der ein Punkt an der Maschine hin und her schwingt. Sensoren wandeln die
Messwerte in proportionale elektrische Signale (Spannung), die leicht weiter verarbeitet werden können.
Veff
Vmax
Messwert Veff
=
-----------
2
Negative Halbwelle hochklappen und einebnen liefert das Niveau Veff
Vmax = 1.414 x Veff
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Diagnostik
2.4.2
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Schwingungs-Messtechnik
2.4.2.1
Grundlagen
Die theoretischen Grundlagen wurden bereits unter 2.4.1 dargestellt. Ergänzend noch einige Hinweise für den
richtigen Einsatz der Sensoren sowie Anwendungen der Schwingungs-Messtechnik.
2.4.2.2 Die 3 Typen von Schwingungs-Sensoren
Es können die 3 Grössen
- Schwing-Beschleunigung a
- Schwing-Geschwindigkeit v
- Schwing-Weg s
gemessen werden. Die entsprechenden Sensoren (Aufnehmer) haben aber bestimmte Eigenschaften, die man zur
richtigen Anwendung kennen muss.
Beschleunigungs-Sensoren
Messprinzip:
Piezoquarz-Effekt: Kristalle, die elektrisch isolierend sind, wie z.B. Quarz (Si02) geben eine
Spannung ab, wenn sie einer Kraft ausgesetzt werden.
Sensor:
Die Masse m über der Quarzscheibe widersetzt sich infolge der Trägheit den Bewegungsänderungen, sie will in
Ruhe bleiben. Die Maschinen-Schwingungen wirken über den Fühler auf die untere Seite der Quarzscheibe. Dies
bewirkt eine mehr oder weniger grosse Presskraft auf den Piezoquarz, welcher die wechselnde Presskraft in
proportionale Spannungen umwandelt.
Eigenschaften:
- Robust und genau
- Frequenzbereich ca. 5 bis 5000 Hz
- Hochisolierende TEFLON-Kabel notwendig
- Schwaches Ausgangssignal
- Ladungsverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand erforderlich
- Tiefe Frequenz bei kleiner Ausgangspannung
- Starre Befestigung erforderlich
- Universell anwendbar
Neuere Typen in ICP-Technik haben den Verstärker direkt im Sensor eingebaut.
Geschwindigkeits-Sensoren
Messprinzip:
Permanent-Magnet bewegt sich in Spule (Prinzip Velo-Dynamo). Die erzeugte elektrische
Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit des Magneten.
U
V
PS: Man kann auch umgekehrt die Spule bewegen.
Eigenschaften:
- Hohe Ausgangsspannung, kein Verstärker nötig
- Frequenzbereich ca. 20 ÷ 2000 Hz mit Frequenz-Linearisierung auch tiefer, bis 1 Hz
- Weniger robust als Piezo-Quarz-Sensoren
- Universell anwendbar
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Weg-Sensoren
Messprinzip: Wirbelverluste
Der Sensor enthält eine Drahtspule, die von einem Wechselstromgenerator
(z.B. f = 50 kHz) gespiesen wird.
Nähert man elektrisch leitendes - oder noch besser weichmagnetisches - Material (z.B. eine Stahlwelle) der
Spule, so bewirkt deren rasch wechselndes Magnetfeld darin Wirbelströme. Das belastet den Generator und zwar
umso mehr, je kleiner der Abstand s zur Spule ist. Die Wechselspannung des Generators wird kleiner, etwa
proportional zu s im Bereich von 0,3 bis 2 mm (z.B. 8mV/μm).
Achtung: Das Verbindungskabel Generator/Spule ist abgestimmt. Seine Länge darf nicht verändert werden.
Eigenschaften:
- Berührungslose Messung
- Unrundheit der Welle und Unregelmässigkeiten der elektrischen Eigenschaften im Wellenmaterial
beeinflussen die Messung
- Frequenzbereich = bis 10kHz
- Robust
Dehnungsmessstreifen (DMS)
Auf einem Papierchen sind aus einer dünnen Metallfolie mäanderförmige Leitschleifen herausgeätzt.
Deren elektrischer Widerstand beträgt 100 ÷ 600 Q. Solche DM8 werden mittels Spezialklebern an einem
Maschinenteil aufgeklebt. Verformt sich der Maschinenteil elastisch, z.B. unter einer Zugkraft, so wird auch der
Leiter des DM8 länger und dünner. Sein elektrischer Widerstand erhöht sich. Solche Widerstandsänderungen
sind proportional zur mechanischen Spannung und damit über das HOOKE‘sche Gesetz
Diese Widerstandsänderungen sind allerdings sehr klein. Man benötigt Messverstärker. Professionelle Geräte
zeigen direkt die relative Dehnung ε an.
2.4.2.3 Messvorgang
Die Messpunkte werden fixiert (Körner und Klebezeichen).
Normalerweise wird bei den Maschinenlagern gemessen in mindestens 2 senkrecht aufeinander stehenden
Richtungen.
y
x = Horizontal
y = Vertikal
z = Axial
x
z
Die Messungen mit dem Schwingungsmessgerät müssen immer an der gleiche Stelle erfolgen. Ebenso müssen
die Betriebsbedingungen gleich sein, insbesondere
- Drehzahl
- Belastung der Maschine
Messpunkte fortlaufend nummerieren
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1-2-3-4-5-6-7-8-9- usw.
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2.4.2.4 Beurteilung der Schwingstärke
Die bisher zur Beurteilung der Schwingstärken-Grenzwerte verwendeten Normen VDI 2056 und 180 2372 sind
von der Norm ISO/DIS 10816-3 abgelöst worden. In der unteren Abbildung sind die Beurteilungskriterien der
Schwingstärkewerte in beiden Normen gegenübergestellt. Zur Überwachung der Maschinenlaufruhe müssen Sie
die Alarm- und Warngrenzen gemäss der Maschinenklassifikation einstellen. Die Einteilung richtet sich im
wesentlichen nach der Leistung und der Aufstellung der Maschine.
Unsere Maschinen sollen bezüglich dem Schwingverhalten mindestens im Bereich “brauchbar“ liegen. Fallweise
müssen die Grenzwerte individuell beurteilt werden.
VDI 2056:
ISO 2372:
Gruppe K:
Gruppe 1:
Kleinmaschinen (< 15 kW)
Gruppe M:
Gruppe II:
mittlere Maschinen (15-75 kW)
Gruppe G:
Gruppe III:
Grossmaschinen (75 - 300 kW) mit starrem Fundament
Gruppe T:
Gruppe IV:
Turbomaschinen (>75 kW) mit elastischem Fundament
ISO 10816-3:
Siehe Beilage 2.4.2.4 Schwinggeschwindigkeit (Grenzwerte)
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2.4.3 Auswuchten
2.4.3.1 Unwucht
Unwucht an rotierenden Elementen führt zu Vibration, rascher Zerstörung der Lager, Ermüdungsbrüchen etc.
Unwucht bedeutet ungleichlässige Verteilung der rotierenden Massen rund um die
Rotationsachse.
ω = Winkelgeschwindigkeit
m1
R1
M2
m4
m3
ml=m2=m3=m4
R1 =R2=R3=R4
ml=m2=m4
R1=R2=R3=R4
Ausgewuchtet, Massen
gleichmässig (symmetrisch).
Nicht ausgewuchtet, Massen oder
Radien ungleichmässig.
An der abweichenden Masse m3
greift die umlaufende Fliehkraft
F= (m3-m1).R~o2 an.
R1=R2=R4
R1 < R3
2.4.3.2 Statisches Auswuchten
Statisches Auswuchten bringt nur bei kurzachsigen, schmalen Elementen, wie
- Scheiben
- Schwungrädern
- Zahn- und Kettenrädern
den gewünschten Erfolg. Es ist nur ein Notbehelf.
Man benützt Scheibenböcke oder exakt horizontierte Schienen.
Scheibenbock
horizontierte Schiene
2.4.3.3 Dynamisches Auswuchten
Längere Elemente, wie
- Walzen
- Gelenkwellen
- Galetten
- Breite Riemenscheiben
- Rotoren aller Art
können zwar statisch exakt ausgewuchtet sein, führen aber im Betrieb trotzdem zu
Vibrationen. Bereits Autoräder müssen dynamisch ausgewuchtet sein.
F1
F2
- statisch ausgewuchtet
- dynamisch nicht ausgewuchtet (umlaufendes Drehmoment)
M=F1 x h = m1 x r1 x ω2 x h (h=Hebelarm)
Dynamisches Auswuchten erfolgt auf elektrischen Auswuchtmaschinen.
Jedes dynamisch ausgewuchtete Element ist auch statisch ausgewuchtet.
Beispiel:
Autoräder
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2.4.3.4 Auswucht-Gütegrad G
Je nach der Art des Rotors werden gemäss den 150-Empfehlungen Nr. 1940 verschiedene Auswucht-Gütegrade
G verlangt.
Auswuchten
Auswucht-Gütegrad G nach ISO-Empfehlung 1940
Qualitätsgrad G
exω
mm/s
Rotortypen, allgemeine Beispiele
G 4000
4000
Kurbelwellen von starr montierten langsamen MarineDieselmotoren mit ungerader Anzahl von Zylindern.
G 1600
1600
Kurbelwellen von starr montierten grossen Zweitakt-Dieselmotoren.
G 630
630
G 250
250
Kurbelwellen von starr montierten grossen Viertakt-Motoren,
sowie von elastisch montierten Marine-Dieselmotoren.
Kurbelwellen von starr montierten schnellen 4-ZylinderDieselmotoren (Kolbengeschwindigkeit grösser 9m/s)
G 100
100
G 40
40
Kurbelwellen von schnellen Dieselmotoren mit 6 und mehr Zylindern.
Komplette Benzin- oder Diesel-Motoren für Autos, Lastwagen
und Lokomotiven.
Autoräder, Kardanwellen Kurbelwellen von elastisch montierten schnellen
Benzin- oder Diesel Motoren mit 6 und mehr Zylindern.
Kurbelwellen für Motoren von Autos, Lastwagen und Lokomotiven.
G 16
G 6,3
G1
G 0,4
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16
6,3
Antriebswellen mit speziellen Anforderungen (Propellerwellen, Kardan)
Rotierende Teile von Brechmaschinen und Landmaschinen.
Einzelne Komponenten von Fahrzeugmotoren.
Kurbelwellen von Motoren mit 6 und mehr Zylindern mit speziellen
Anforderungen.
Kurbelwellen verstehen sich als komplette Montageeinheiten
mit Pleueln, Schwung rad, Schwingungsdämpfer etc.
Teile von Maschinen der Verfahrenstechnik, von Zentrifugen, Ventilator- und Pumpen-Laufrädern. Marine-Turbinen
Turbokompressoren
Werkzeugmaschinen-Spindeln
mittlere und grosse Elektromaschinen mit speziellen Anforderungen
kleine Elektromaschinen turbogetriebene Pumpen
1
0,4
Teile von Schleifmaschinen
kleine Elektromaschinen mit höheren Anforderungen
Antriebe von Plattenspielern und Tonbändern
Spindeln, Schleifmaschinen und Armaturen von PräzisionsSchleifmaschinen Kreisel
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2.4.4 Frequenzanalyse
2.4.4.1 Spektrumanalysator
Die Messanordnung:
Lager
(Sensor)
Bei Maschinenschwingungen haben wir es immer mit einem Frequenzgemisch zu tun. Der Spektrumanalysator
“zerlegt“ diese Schwingungen und zeigt auf, welche Anteile wie stark auftreten. Die Interpretation dieses
Frequenz-Spektrums erfordert eine grosse Erfahrung. Es empfiehlt sich, für diese Art der Diagnose einen
Spezialisten beizuziehen.
2.4.4.2 Ordnungsanalyse
Die Ordnungsanalyse ist eine erweiterte Frequenzanalyse mit zusätzlichen Informationen über den
Phasenwinkel.
Der Phasenwinkel ist eine zeitliche Verschiebung At zwischen den Nulldurchgängen von 2 verschiedenen
Schwingkurven A und B.
Der Phasenwinkel ф errechnet sich aus der Frequenz f und der Zeitverschiebung ▲t im natürlichen Winkelmass
Für die Phasenlage benötigen wir einen Referenz-Punkt: Mit einem zweiten Sensor z.B. mit einer Fotozelle, wird
ein Markierungspunkt an der Welle abgetastet.
Eine solche Messanordnung ist erforderlich beim Auswuchten. Wir müssen angeben können, in welcher WinkelLage die Überschussmasse - gemessen zum Referenzpunkt - sich befindet. bzw. wo wir eine Ausgleichsmasse
anzubringen haben.
Dabei ist wiederum wesentlich, ob wir
- Schwingweg
- Schwinggeschwindigkeit
- Schwingbeschleunigung
messen. Diese haben ja eine Phasenverschiebung zueinander von jeweils 90 0.
Die zusätzliche Phaseninformation kann auch wertvolle Hinweise auf Maschinenschäden liefern:
Ursache
Wälzlagerschaden
Zahneingriff
Unwucht
Lockerungen mech.
Verbindungen
Fluchtungsfehler
Elektrisch
Phasenwinkelwert
instabil
instabil
stabil
instabil
stabil, Phasendifferenz der axialen Schwingungen an
beiden Wellenenden ca. 1800
instabil, ausser bei Synchronmaschinen
Siehe Beilage 2.4.4.2a - 2.4.4.2g Schadensbilder wichtiger Maschinenschäden. Siehe Beilage 2.4.4.2h - 2.4.4.2k
Schadensbilder bei Wälzlagerschäden.
Blätter im Ordner !!!!
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2.4.5 Stossimpulsmessungen (SPM)
2.4.5.1
Messprinzip
Mit der SPM-Methode lässt sich die Zustandsqualität von Wälzlagern feststellen.
Lager
Prinzip:
Wie bereits im Abschnitt Ermüdung dargestellt, kann bei Punkt- oder Linienpressung,
die bei Wälzlagern typisch ist, unter den vielen fortlaufenden Überrollungen der
Werkstoff ermüden. Das Material bricht aus, es bilden sich Grübchen, Pittings. Beim
Überrollen solcher Grübchen entstehen Schläge, Stösse, die sich im Material als
Schwingungen hoher Frequenz (30‘OOO bis 50000 Hz) fortpflanzen. Mit geeigneten
Sensoren kann die Schwingungsbeschleunigung (siehe Abschnitt Maschinenschwingungen) gemessen werden.
Die Beschleunigung ist abhängig von:
- Grösse, Tiefe des Grübchens
- Wälzlager-Abmessung
- Wellendrehzaht
Die SPM-Methode erfordert Eingabe von:
Wellendurchmesser d, als Anhaltspunkt für die Lagerabmessung
Wellendrehzahl n
Das Messgerät korrigiert die gemessene Beschleunigung anhand d und n und liefert einen Skalawert z.B. von 0
bis 100, den Schockwert oder Stossimpuls-Wert.
2.4.5.2 Beurteilung des Stossimpulswertes
Die Ablesewerte bedeuten etwa:
kleiner 10:
Guter Zustand
10 bis 40:
kleine Schäden eventuell vorhanden. Kontrollintervall erhöhen.
grösser 40:
Lagerschaden sehr wahrscheinlich. Entwicklung täglich verfolgen. Lager bei nächster
Gelegenheit wechseln.
Die SPM-Methode ist im allgemeinen recht zuverlässig. Problematisch können Lager sein
mit geringer Drehzahl (unter 50 Ulmin).
mit falsch angeordneter oder schwer zugänglicher Messstelle, bzw. langem Uebertragungsweg zwischen
Lager und Messstelle.
an Getrieben mit vielen Zahnrädern und Lagern, die sich gegenseitig stören. Ideal sind Einzellagerstellen,
z.B. Stehlager, Rührwerkslager usw.
mit grossem Laufspiel (03-, C4-Lager) und hoher Drehzahl. Die Welle “schlottert“ im Lager und bewirkt
Schläge.
Es ist ferner zu beachten, dass auch andere Ursachen als Grübchen einen SPMMesswert erzeugen können wie:
mangelhafte Schmierung
Schmutzteilchen im Schmiermittel
falsche Montage z.B. durch Montagekräfte über die Wälzkörper - mit dem grossen Hammer - wurden
bleibende Eindrücke hinterlassen.
SPM-Messwerte sind ein Frequenzgemisch. Mit dem Spektrumanalysator kann dieses Gemisch zerlegt und dem
entsprechenden Maschinenelement (z.B. Aussenring, etc.) zugeordnet werden. (Kapitel 2.4.4 und Beilagen
2.4.4.2h und ff).
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2.4.5.3 Sensor-Anschluss
Der SPM - Beschleunigungsaufnehmer kann ausgebildet sein
-
als Tastfühler
mit Kupplung
Die erste Methode verlangt einen bezeichneten Messpunkt. Sie ist unzuverlässig, weil die Ankopplung nicht
exakt definiert ist: Wie hält der Inspekteur den Taster auf die Messstelle? Die zweite Anschlussart setzt voraus,
dass an der Maschine ein Anschluss-Nippel fix montiert ist. An diesen ist der Sensor anzukuppeln.
2.4.5.4 Messstellen-Anordnung
Die Messstellen - Fühlerpunkte oder Messnippel - sind nach folgenden Regeln anzuordnen:
-
Möglichst nahe an der Belastungszone
-
Signalweg
• kurz
• geradlinig
• nicht unterbrochen
 Die Stosswelle soll möglichst wenig Energie verlieren.
-
Für die Tastsonde muss eine saubere Auflage des Tasters vorhanden sein.
Anpresskraft 20 ÷ 50 N
Damit immer an derselben Stelle gemessen wird, werden die Messpunkte mit Klebern markiert.
2.4.5.5 Messnippel-Montage
Die einwandfreie Verbindung zwischen Lagergehäuse und Messnippel wird durch einen konischen Sitz
erzielt (900 -Winkel).
Es können auch Verlängerungen eingebaut
werden. Solche dürfen aber nur an der
Messstelle metallischen Kontakt haben.
A-Seite
B-Seite
Stossimpulsaufnehmer mit Tast- Stossimpulsaufnehmer mit Tastsonde
sonde
Kann im allgemeinen benutzt werden,
Messpunkt wird auf dem Lagerschild gewählt, so dicht wie möglich
am Lager.
Stossimpulsaufnehmer mit Schnellkupplung
Der Messnippel soll dicht am Lager
oder am Aussenrand des Schildes angebracht werden. Vergewissern Sie
sich, dass die Materialstärke für das
Anbringen des Nippels ausreicht und
dass für den Anschluss des Aufnehmers genügend Platz ist.
Um an den Lagerschild zu kommen, muss
man ein Loch durch die Lüfterhaube bohren. Der
Unpraktisch und nicht zu empfehlen.
Stossimpulsaufnehmer mit Schnellkupplung
Ein langer Messnippel wird am Aussenrand
des Schildes installiert, mit einem Durchgangsloch in der Lüfterhaube. Der Nippel
darf keinen Kontakt mit der Haube haben
weil sonst Störstösse Messfehler verursa
chen können. Angaben über Längen und Gewindestärken von Messnippein finden Sie in
der Montageanleitung des Messgerätelieferanten.
Kennzeichen
Die Lüfterhaube verdeckt den Motorschild der B-Seite.
Der kurze Messnippel kann jedoch in diesem Fall nicht
verwendet werden.
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2.4.6 Endoskopie
2.4.6.1 Prinzip
Endoskope sind optische Geräte, mit denen durch eine kleine Oeffnung ein innerer
Raum besichtigt werden kann. Solche inneren Räume können sein in:
- Getrieben
- Verbrennungsräumen, Brennkammern
- Pumpen, Turbinen
- Gefässen‚ Druckbehältern, chem. Reaktoren
- Rohren, Wärmeaustauschern
- Magen/Darm-Trakt (Medizin)
Endoskope müssen auch das erforderliche Licht in die Dunkelheit des Raumes bringen.
Es gibt 2 verschiedene Typen:
starre (=Boreskop)
flexible (=Fiberskop)
Das starre Endoskop arbeitet mit optischen Linsen zur Bildübertragung. Das flexible hingegen mit einem
Glasfaserbündel. Die Bildübertragung über Glasfasern, Durchmesser 0,01 mm, hat den Nachteil, dass das Bild in
einzelne Punkte zerlegt wird. Immer nur ein Punkt pro Faser.
Ähnlich wie bei einem Fernsehbild sind sehr feine Details nicht mehr zu erkennen, obwohl ein Bündel aus ca.
100‘000 Einzelfasern besteht.
Die Lichtzufuhr erfolgt zweckmässig auch bei den starren Endoskopen mittels Glasfasern. Das erlaubt die
Anwendung sehr intensiver Lichtquellen (Halogen-Lampen) und am Betrachtungsort wird keine Wärme
entwickelt. Neuerdings werden auch Flüssigkeits-Lichtleiter verwendet (Schlauch mit Flüssigkeit gefüllt), die
eine noch höhere Lichtintensität übertragen lassen.
2.4.6.2 Bauarten und -Grössen von Boreskopen
Die starren Endoskope bestehen aus:
- Objektiv (Linsenkombination beim Objekt)
- Bildübertragungsoptik im Spiegelrohr
- Okularteil (Linsensystem beim Auge) mit Fokus-Einstellung
- Einblicktrichter, kann auch ersetzt werden durch
• Vergrösserungs - Okular
• TV-Kamera oder Foto-Kamera
• Seitenblick-Okular
- Glasfaser-Lichtleiter rund um das Spiegelrohr verteilt - mit Licht - Austritt beim Objektiv, Licht-Eintritt
beim Schraubanschluss für Lichtleit-Verbindungskabel von Halogenlicht-Quelle.
Aufwendigere Modelle können enthalten:
- Zoomoptik zur Veränderung des Bildwinkels bzw. der Vergrösserung z.B. im Verhältnis 1:5
- Schwenkoptik: Die Blickrichtung des Objektivs kann stufenlos variiert werden.
Die normalen Boreskope haben eine fixe Blickrichtung. Der Bildwinkel beträgt etwa50 0. Erhältlich ab
Durchmesser 1,7 mm bei nur ca. 2 cm nutzbarer Länge. Längere Instrumente (bis 3 m, sind dicker, z.B. 15 mm).
2.4.6.3 Bauarten und -Grössen von Fiberskopen
Fiberskope haben denselben Aufbau wie Boreskope, nur erfolgt die Bildübertragung durch ein Glasfaserbündel,
wodurch das “Spiegelrohr“ flexibel wird. An einem Dreh-griff kann die Sondenspitze mit dem Objektiv
geschwenkt werden. Sonden-Durchmesser ab 1,5 mm, wobei aber nur noch ca. 5000 Bildpunkte übertragbar
sind. Längere bis 6 m bei etwa 10 bis 12 mm Durchmesser. Blickwinkel 50 bis 700
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2.4.7 Verschleiss-Messungen
2.4.7.1 Methoden
Bei Verschleiss geht es um Materialabtrag. Es wäre naheliegend, den Materialverlust durch Wägung zu
verfolgen. Dies ist aber nur in seltenen Fällen möglich und würde eine Demontage des Verschleissteils erfordern.
Man wendet daher indirekte Messmethoden an:
- Dickenmessung an
- Profiltiefe an
•
Brems- und Kupplungsbelägen
• Reifen
•
Wänden von Rohrleitungen und
- Profilform an
Lagertanks
• Keilriemenscheiben
•
Verschleiss-Schutzschichten
- Spielmessung an
- Kompressionsdruck an
•Zahnrädern
• Verbrennungsmotoren
• Achsbolzen/RolIen
- Auf Sicht (subjektiv), ev. mit Endoskop
• Gleitlagern
• Pumpenlaufräder
• Kolben/Zylinder
• Turbinenschaufeln
• Leitspindel/Mutter
- Längungsmessung an
•Rollen- und Zahn-Ketten
2.4.7.2 Ultraschall-Wanddickenmessung
Grundlagen:
Ultraschall-Prüfgeräte arbeiten nach dem Impuls-Echo-Verfahren. Der Messkopf wird auf die zu messende
Wand aufgesetzt. Er sendet einen kurzen Ultraschall-Impuls, indem ein Piezo-Quarzkristall-Element mit
Wechselspannung erregt wird.
- Impulsfrequenz: 0,5 bis 25 MHz,
- für Stahl, normal: 2 bis 10 MHz
- Impulsdauer: z.B. 3 μs
- Impulsfolge: z.B. alle 500 μs
Die Schallimpulse werden an der gegenüberliegenden Wand reflekiert. Es entsteht ein Echo. Der Messkopf ist
zugleich auch Empfänger, der das Echo-Signal erfasst.
Im Messsgerät ist die Schallgeschwindigkeit vs des Werkstoffes eingestellt, z.B.:
- Stahl
5900 m/s
- Aluminium
6300 m/s
- Grauguss
4600 m/s
- Kupfer
4700 m/s
- Eis
3980 m/s
- Plexiglas
2670 m/s
- Luft (Vergleich)
331 m/s bei 00C
Nach der Formel s = vs • t kann anhand der Laufzeit t des Signals die Wanddicke berechnet werden. Das Gerät
macht das automatisch und zeigt die Wandstärke mit einer Genauigkeit von ± 0,1 mm an. Für diese hohe
Genauigkeit muss aber das Gerät mit einem Probestück gleichen Werkstoffes und bekannter Dicke geeicht
werden. Je feinkörniger der Stahl ist, umso höher liegt die Schallgeschwindigkeit.
Bei korrosivem Angriff auf der inneren Wandseite von Lagertanks oder Rohrleitungen, kann diese sehr uneben
sein (Lochfrass).
Das D-Meter (Lochfrass-Detektor) der Firma KRAUTKRAEMER vermag auch das schwache Echo des
Kratergrundes zu erfassen und auszuwerten.
2.4.7.3 Kompressionskontrolle an Verbrennungsmotoren
Verschleiss an Kolbenringen und Ventilen führt zu Undichtheiten. Diese sind mit einem KompressionsdruckSchreiber überprüfbar. (MOTO-METER) Das Gerät wird an Stelle der Zündkerze bzw. der Einspritzdüse
angeschlossen.
Beim Drehen der Kurbelwelle von Hand muss ein bestimmter Wert des Druckes beim Kompressions-Takt
erreicht werden. Andernfalls ist es an der Zeit, den Motor zu revidieren.
Anwendung:
Dieselmotoren von Hubstaplern, Baumaschinen, LKW‘s etc.
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2.4.7.4 Verschleissmessung an Ketten
Verschleisslineals für Fleyer- und Rollenketten:
Dieses Lineal dient der Prüfung von Fleyer- und Rollenketten von Flurförderzeugen. Die Prüfung ist nach der
UW in den Grundsätzen ZH 1/306 vorgeschrieben. Im einzelnen ist unter Punkt B (Hubwerk) Absatz 3b)
(Lamellenketten) folgendes gesagt:
Die Messung soll sich auf mindestens 17 Doppelglieder = 34 Teilungen im Arbeitsbereich der Kette erstrecken.
Handhabungen des Lineals:
Mit Hilfe der Teilmarkierungen auf dem Lineal wird die Teilung (p) der Kette bestimmt.
Danach werden 34 Teilungen der zu prüfenden Kette gekennzeichnet. Das Stichmass / Ausgangsmass ist vom
Lineal für —jede Teilung vorgegeben. Hat sich die im Betrieb befindliche Kette um mehr als 1 Teilung über das
Ausgangsmass gelängt, Pf so muss die Kette ausgewechselt werden, d.h. das Stichmass / Ausgangsmass umfasst
nur noch 33 oder weniger Teilungen; das entspricht einer Kettenlängung von ca. 3 %.
2.4.8 Thermographie
2.4.8.1 Grundlagen
Die lnfrarot-Thermographie ist ein Verfahren zur berührungslosen Messung der
Temperatur:
Temperaturmessung auf Distanz
Und zwar nicht an einzelnen Punkten, sondern über grössere Flächen
—>
GRAPHIE = Zeichnung erstellen, Temperaturbild.
In der Diagnostik findet es Anwendung für die Kontrolle von:
- Wärme- und Kälte-Isolationen
- Ofenausmauerungen
- Elektrischen Anlageteilen (bei schlechtem Kontakt erhöhte Temperatur)
- Lecksuche an warmgehenden Leitungen im Erdreich
- Lecksuche unter Isolationen
- Infektionsherde oder mangelhafte Durchblutung im menschlichen Körper (Medizin).
Das gleiche Prinzip wird auch bei Nachtsichtgeräten für militärische Zwecke angewendet.
Die Atome bzw. Moleküle von jedem Körper schwingen um eine Mittellage

Temperaturbewegung. Beim absoluten Nullpunkt, bei 0 0K, d.h. ~273oC, verschwindet diese Bewegung.
Von der Energie dieser Atombewegung strahlt immer etwas an die Umgebung ab, sofern in der Umgebung die
Bewegungen weniger intensiv sind, wenn also dort die Temperatur tiefer ist. Wir bezeichnen diese
Energieabstrahlung als Wärmestrahlung oder Infrarot-Strahlung. Die Wellenlänge der Infrarot-Strahlen ist länger
als die des sichtbaren Lichtes. Unser Auge sieht diese Strahlung nicht.
Die abgestrahlte Wärmeenergie ist abhängig von:
- Temperatur-Differenz
- Farbe und Oberflächenbeschaffenheit des Körpers
Strahlungszahl C
Oberfläche
absolut schwarzer Körper
Dachpappe
Kupfer
gewalzt
Kupfer
poliert
Silber
poliert
Aluminium
poliert
Glas
Wasser
14.05.16
C
W/m2 x K4
5,77*
ca.4,52
ca. 3,70
ca. 0,28
ca. 0,12
ca. 0,19
ca. 5,52
ca 3,7 - 4,75
höchstmöglicher Wert
36/48
Diagnostik
m. fahrni
Aus den grossen Unterschieden der Strahlungszahl erkennt man:
Die Thermographie muss die Oberflächenart des Körpers berücksichtigen, an dem die Temperatur gemessen
werden soll.
2.4.8.2 Die Infrarot-Kamera
Die Messeinrichtung besteht aus:
-
-
Aufnahmeeinheit
• Optik (Sammellinse)
• Rotierendes Ablenkprisma-System zur Bildzerlegung (z.B. 25 Bilder pro s)
• Detektor (tiefgekühlt, z.B. auf ~1960C mit flüssigem Stickstoff.)
Elektronik
Bildschirm
-
Anschaffung teuer
Spezialkenntnisse und Erfahrung erforderlich.
Kosten für Kamera und Auswertung liegen bei Fr. 120 000.00
14.05.16
37/48
Diagnostik
m. fahrni
2.5 Schmiertechnik
2.5.1 Grundlagen Schmieröle
2.5.1.1
Einfache Theorie, komplizierte Praxis
Nach den Grundlagen wird die innere Reibung bzw. das Fliessverhalten von Schmieröl einzig und allein durch
die Viskosität i1 (eta) charakterisiert. Die Theorie ist einfach und klar. Aus geschichtlichen und messtechnischen
Gründen sind in der Praxis noch weitere Messwerte für die Viskosität in Gebrauch. Zudem ist die starke
Abhängigkeit der Viskosität von
-
der Temperatur (z.B. Abfall auf 1/3 bei 20 0C Temperatur-Anstieg)
dem Druck (z.B. 12‘000 bar im Keilspalt bei Wälzlagern)
zu beachten und wird mit Kennwerten angegeben. Der Praktiker muss ferner wissen, in welchem TemperaturBereich ein Schmieröl anwendbar ist (Stockpunkt). Der Schmiermitteleinsatz verlangt auch Kenntnisse über
viele weitere Eigenschaften wie:
-
Schmutzlöse-Vermögen
Benetzbarkeit von Metallen
Schäumungsverhalten
Alterung
Emulgierbarkeit bzw. Ausscheidesvermögen von Wasser
Korrosionsverhalten
Verschleiss - Schutz im Mischreibungs-Bereich
Neutralisationsvermögen von Säuren
Verhalten gegenüber Elastomeren (Dichtungen) und Farbanstrichen
usw.
Wir können nur einige für die Diagnostik wesentliche Probleme herausgreifen.
2.5.1.2 Weitere Viskositäts-Masse
Bei Ausfluss-Viskosimetern spielt auch die Dichte p des Oels eine Rolle. Die kinematische Viskosität v (nü) ist
daher definiert als:
v =
η
--------p
m2
----------s
(Bewegungsenrgie)
Folgende alte Masseinheiten für v sind noch in Gebrauch:
1 m2/s
=
1 000 000
mm2/s
=
1 000 000
Centi-Stokes
=
1 000 000
cSt.
Die kinematische Viskosität ist auch den Viskositätsklassen nach ISO 3448 bzw. DIN 51519 zu Grunde gelegt.
Die neue lSO-Viskositätsklassifikation definiert 18 Viskositätsklassen im Bereich von 2 bis 1500 mm2/s bei
40,00C. Sie lauten ISO VG (Viscosity Grade) 2, 3, 5, 7,10,15, 22, 32, 46, 68, 100, 150, 220, 320, 460, 680, 1000
und 1500. Der Zahlenwert stellt die Mittelpunktviskosität dar. Die zulässigen Grenzen sind ± 10%. Die ISOKlassifikation enthält keine Qualitätsbewertung, sondern liefert nur eine Aussage über die kinematische
Viskosität bei der Temperatur 400C.
14.05.16
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Diagnostik
m. fahrni
Viskositätsklassen nach IS0
Viskositätsklasse
ISO
Mittelpunktsviskosität
bei 40,00C
mm2/s
Grenzen der kinematischen Viskosität
bei 40,00C
mm2/s
min.
max.
1,98
2,88
4,14
6,12
2,42
3,52
5,06
7,48
lSO-VG
lSO-VG
ISO-VG
ISO-VG
2
3
5
7
2,2
3,2
4,6
6,8
ISO-VG
lSO-VG
lSO-VG
ISO-VG
lSO-VG
ISO-VG
10
15
22
32
46
68
10,0
15,0
22,0
32,0
46,0
68,0
9,00
13,50
19,80
28,80
41,40
61,20
11,00
16,50
24,20
35,20
50,60
74,80
lSO-VG
ISO-VG
lSO-VG
ISO-VG
lSO-VG
lSO-VG
100
150
220
320
460
680
100,0
150,0
220,0
320,0
460,0
680,0
90,00
135,00
198,00
288,00
414,00
612,00
110,00
165,00
242,00
352,00
506,00
748,00
ISO-VG
ISO-VG
1000
1500
1000,0
1500,0
900,00
1350,00
1100,00
1650,00
Die bereits international eingeführte SAE-Klassifikation für Motoren- und Getriebeöle wird durch die ISONorm nicht berührt oder ersetzt.
In der folgenden Tabelle sind die Viskositätswerte einiger Schmieröle einander gegenübergestellt.
14.05.16
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Diagnostik
m. fahrni
Schmiertechnik
Daten Schmieröle
Schmieröl
Dichte
bei
150C
kg/m3
Mobilgear
Glygoyle
626
629
630
632
634
636
11
22
30
80
Velocite Oil Nr.3
Velocite Oil Nr. 6
Velocite Oil Nr. 10
DTE Oil light
DTE Oil Medium
Vactra Oil Nr.2
Vactra Oil Heavy
Extra Hecla Zyl. Oil
S 124
Vacuum Pump Oil
Rarus 427
GargoyleArctic
SHC 226
897
905
909
911
914
918
1005
1005
1005
1044
808
854
868
871
876
889
884
924
1047
879
872
833
dyn. Viskosität
bei 400C
Ns/m2
583,0 x 10-4
1294,0 x 10-4
1900,0 x 10-4
2769,0 x 10-4
3994,0 x 10-4
5930,0 x 10-4
854,0 x 10-4
1618,0 x 10-4
2251,0 x 10-4
4886,0 x 10-4
17,8 x 10-4
81,1 x 10-4
181,4 x 10-4
261,3 x 10-4
385,4 x 10-4
586,7 x 10-4
839,8 x 10-4
6283,0 x 10-4
1382,O x 10-4
624,0 x 10-4
732,5 x 10-4
516,5 x 10-4
kinematische Viskosität
bei 400C
m2/s
65,0 x 10-6
143,0 x 10-6
209,0 x 10-6
304,0 x 10-6
437,0 x 10-6
646,0 x 10-6
85,0 x 10-6
161,0 x 10-6
224,0 x 10-6
468,0 x 10-6
2,2 x 10-6
9,5 x 10-6
20,9 x 10-6
30,0 x 10-6
44,0 x 10-6
66,0 x 10-6
95,0 x 10-6
680,0 x 10-6
132,0 x 10-6
71,0 x 10-6
84,0 x 10-6
62,0 x 10-6
VI
0
E
8,58
18,82
27,50
40,00
57,50
84,90
11,20
21,19
29,50
88,10
1,14
1,78
2,97
4,07
5,85
8,71
12,51
89,50
17,38
9,37
11,07
8,19
96
92
92
91
91
90
133
166
175
244
81
90
100
95
95
100
100
100
210
97
95
148
Mit dem ENGELER - Ausfluss - Viskosimeter stellt man fest, wie lange es dauert, bis
Wasser ausgeflossen ist, z.B. 10 s. Dauert es dann 215 s, bis das gleiche Volumen
an Oel ausgeflossen ist, dann hat das Oel eine Viskosität von 21 ‚5 0E, es dauert beim
Oel 21,5 mal länger.
Auch dieses Viskositätsmass in ENGELER-Graden ist noch häufig in Gebrauch. Für Motoren-Schmieröl
existieren ferner noch die SAE-Viskositätsklassen (Society of Automotive Engineers).
14.05.16
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Diagnostik
m. fahrni
SAE Viskositätsklassen (Motorenöle)
Die Norm SAE J 300 Jun. 87 beschreibt die Viskositätsklassen der Motorenöle. Motorenöle werden in
11 Klassen von SAE OW bis SAE 60 eingeteilt.
Motorenöle (Norm SAE J 300 Jun. 87)
SAE
Viskositätsklasse
Maximale scheinbare
Viskosität 1)
in mPa s bei
Temperautr in 0C
Maximale
Grenzpumptemperatur 2)
in 0C
Stable
Pourpoint 4)
Kinematische
Viskosität 3)
bei 10000 mm2ls
0
C max.
min.
0W
5W
10 W
15 W
20 W
25 W
20
30
40
50
60
1)
2)
3)
4)
3250 bei -30
3500 bei -25
3500 bei -20
3500 bei -15
4500 bei -10
6000 bei -5
------
-35
-30
-25
-20
-15
-10
------
--35
-30
--------
3.8
3.8
4.1
5.6
5.6
9.3
5.6
9.3
12.5
16.3
21.9
max.
------unter
unter
unter
unter
unter
Prüfung nach DIN 51377 (CCS-Methode)
Prüfung nach ASTM D 3829 und CEC L-32-T-82 (Brookfield-Methode)
Prüfung nach DIN 51550 in Verbindung mit DIN 51561 bzw. DIN 51562 Teil 1 (Kapillarviskosimeter)
FMT 7916 Methode 203, modifiziert
SAE Viskositätsklassen (Getriebeöle)
Die Norm SAE J 306 Mai 81 steht für die Einteilung der Fahrzeug-Getriebeöle. Sie umfasst 7 Klassen von SAE
70W bis SAE 250.
Fahrzeug-Getriebeöle (Norm SAE J 306 Mai 81)
SAE
Höchsttemperatur für eine
scheinbare Viskosität von
1500 000 mPa s nach DIN 51398
Kinematische Viskosität
bei 100 00 nach DIN 51 550
mm2ls
Viskositätsklasse
70W
75W
80W
85W
-55
-40
-26
-12
90
140
250
----
min.
4.1
4.1
7.0
11.0
max.
-----
13.5
24.0
41.0
< 24.0
< 41.0
--
In beiden SAE-Normen wird nach ‘Winterölen“ (mit dem Zusatzbuchstaben ‘W“ gekennzeichnet) und nach
‘Sommerölen“ ohne spezielle Bezeichnung unterschieden.
SAE 10W oder SAE 80W bezeichnen demnach “Winter“ - Motorenöle resp. Getriebeöle,
SAE 30 oder SAE 90 stehen für “Sommer“ - Motoren- resp. Getriebeöle.
14.05.16
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Diagnostik
m. fahrni
2.5.1.3 Der Viskositätsindex VI (DIN 51564)
Der VI-Index beschreibt das Temperatur-Verhalten (VT-Verhalten) der Viskosität eines Oeles. Die Skala ist
willkürlich. Dem im Jahre 1928 bekannten Oel mit der stärksten VT-Abhängigkeit wurde der Skala-Wert VI = 0
zugeordnet. Demjenigen mit der geringsten der Wert VI = 100.
Bei hochraffinierten Mineralölen und bei synthetischen Ölen wird die obere Grenze heute deutlich überschritten.
(Siehe vorhergehende Tabelle Schmiertechnik). Erwünscht sind in der Regel Öle mit hohem Vl-lndex, also mit
geringer Viskositätsänderung bei Temperaturvariationen.
2.5.1.4 Stockpunkt, Pour-Point (DIN 51597)
Als Stockpunkt wird die Temperatur bezeichnet, bei welcher eine Oelprobe, die unter genau vorgeschriebenen
Bedingungen abkühlt, fest wird (nicht mehr fliessfähig ist).
Der Pourpoint gibt im Gegensatz zum Stockpunkt die Temperatur an, bei der die abgekühlte Oelprobe
gerade noch fliessfähig ist.
Der Pourpoint eines Oeles ist daher immer ungefähr 3 0C über dem Stockpunkt.
Massangabe:
0
C oder 0K
2.5.1.5 Flammpunkt, Brennpunkt
Der Flammpunkt entspricht der Temperatur, bei der nach der Erwärmung einer OeIprobe unter genau
festgelegten Bedingungen, die ersten zündfähigen (Fremdzündung) Dämpfe entweichen. Beim Entfernen der
Zündquetle erlischt die Flamme sofort wieder. Bei weiterer Erwärmung der Oelprobe wird die Temperatur
erreicht, bei der die entweichenden Gase gleichmässig weiter brennen, auch wenn die Zündquelle enffernt wird.
Dies ist der Brennpunkt.
- Flammpunkt je nach Oeltyp zwischen 90 bis 300 0C.
- Brennpunkt = Flammpunkt + ca. 30C
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Diagnostik
m. fahrni
2.5.2 Schmierfette
2.5.2.1 Herstellung von Schmierfetten
Schmierfette sind konsistente, halbfeste oder halbflüssige Schmierstoffe, die durch Eindickung eines
Schmieröles mineralischer oder synthetischer Basis entstanden sind. Schmierfette werden besonders bei
Konstruktionen eingesetzt, bei denen nur eine einfache, für Flüssigkeiten ungenügende Abdichtung vorhanden
oder möglich ist und deshalb eine Oelschmierung nicht angewendet werden kann.
Schmierfette bestehen aus den drei Grundkomponenten:
Grundöl + Wirkstoffe + Eindicker
Das Grundöl ist mit ca. 70 - 95 % Gewichtsanteilen mengenässig der Hauptbestandteil des Schmierfettes.
Die Grundöle können Mineralölraffinate oder synthetische Oele sein. In letzterem Fall spricht man von
synthetischen Schmierfetten. Je nach Einsatzzweck werden verschiedene Grundölviskositäten und verschiedene
Eindicker verwendet. Die Grundölviskosität ist nicht identisch mit der Fettkonsistenz. In konsistenten Fetten
(feste Struktur) können durchaus dünnflüssige Grundöle eingearbeitet sein, andererseits können auch
halbflüssige Getriebefette auf hochviskosen Grundölen aufgebaut sein.
Die Konsistenz eines Schmierfettes gibt im wesentlichen Auskunft über die Applikationsart /Zentralschmierung,
Presse, Fettfüllung).
2.5.2.2 Kenngrössen der Schmierfette
Typische Kenngrössen von Schmierfetten sind:
- Farbe
- Struktur
- Tropfpunkt
- Penetration / Konsistenz
- Grundölviskosität
- Art des Eindickers
- Oelanteil
- Temperatureinsatzbereich
- Pumpbarkeit, Fliesswiderstand
- usw.
2.5.2.2.1 Die Penetration / Konsistenz
Die Penetration ist das Mass für den mechanischen Widerstand, den ein Fett dem Eindringen eines definierten
Körpers entgegensetzt. Die Messmethode ist genau festgelegt in der DIN-Norm 51 804. Ein Prüfkegel wird unter
bestimmten Bedingungen in eine vorbereitete Fettprobe eingetaucht. Die eindringtiefe des Körpers in die
Fettprobe in Zehntelsmillimeter ergibt die Penetration.
Die Penetration eines längere Zeit gelagerten Schmierfettes ist unterschiedlich zu derjenigen des mechanisch
bearbeiteten Fettes.
Man unterscheidet deshalb die sogenannte ‘Ruhepenetration‘ (unworked Penetration) und die “Walkpenetration‘
(worked Penetration). In der Regel wird, wenn nicht speziell erwähnt, immer die Walkpenetration angenommen.
Ein weiteres Mass-System für die Umschreibung der Struktur eines Schmierfettes ist
das Klassierungssystem nach NLGI. Eine NLGI-Konsistenzklasse fasst einen
Bereich von 30/10 mm der Penetration zusammen, wobei zwischen den einzelnen
Konsistenzklassen jeweils eine Lücke von nochmals 15/10 mm zu liegen kommen.
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Diagnostik
m. fahrni
2.5.2.2.2 Konsistenzklassen nach NLGI
Konsistenzklasse NLGI
Walkpenetr.
0.1 mm DIN 51 804
000
00
0
445 - 475
400 - 430
355 - 385
1
2
3
4
5
6
310 - 340
265 - 295
220-250
175 - 205
130-160
85-115
(NLGI National
Struktur
Typische Anwendung
fliessend
fast fliessend
äusserst
weich
sehr weich
weich
mittel
fest
sehrfest
ausserstfest
Hauptsächlich für Getriebeschmierun
Zentralschmieranlage
Vor allem für WäIz- und GleitIagerschmierung
Dichtfette für Labyrinthe,
Armaturen, usw.
Blockfette.
Lubricating Grease Institute)
2.5.2.2.3 Der Tropfpunkt
Der Tropfpunkt ist jene Temperatur, bei welcher aus der Probe, unter festgelegten Prüfbedingungen (DIN 51
801), der erste Oeltropfen abtropft. Der Tropfpunkt hängt direkt vom Eindickertyp des Fettes und der
Grundölviskosität ab. Die höchste Einsatztemperatur eines Fettes entspricht NICHT der Temperatur des
Tropfpunktes.
2.5.2.2.4 Der Eindicker
Als Eindicker werden verschiedene Stoffe verwendet. Sie verleihen dem Schmierfett typische Eigenschaften, die
vor allem bei der Schmierfettauswahl berücksichtigt werden müssen. Der Eindicker ist auch ein Kriterium, nach
dem Schmierfette eingeteilt, resp. benannt werden.
Seifenhaltiger Eindicker
- Lithiumseife
==> Lithiumseifenfette
- Lithium-Komplexseife ==> Lithium-Komplexseifenfette
- Natron- oder Sodaseife
- Calciumseife
- Calcium-Komplexseife
- Kalkseife
- Aluminium-Komplexseife
Daneben gibt es auch sogenannte seifenfreie Schmierfette. Diese Fette werden mit organischen Stoffen
eingedickt.
Seifenfreie Eindicker:
- Bentonit
- Polyharnstoffe
- etc.
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Diagnostik
m. fahrni
2.5.3 Schmierstoff-Analyse
2.5.3.1 Warum Schmierstoff-Untersuchungen?
Für Schmierstoff-Untersuchungen gibt es drei Hauptgründe:
-
Prüfen grosser Ölfüllungen
Suchen nach Verschleiss- Stellen (Materialabrieb).
Prüfen von filtriertem (aufbereitetem) AItöI.
Grundsatz:
Die Schmierölfüllung bleibt - wie ein Verschleissteil - solange im Einsatz, als sie in Ordnung ist. Aus
oekologischen Gründen ist ein vorbeugender Ölwechsel nicht mehr praktizierbar.
Eine Schmierölfüllung kann nicht mehr OK sein wegen:
- Alterung (= Bildung von Stoffen unter Betriebseinfluss, die im Frischöl nicht vorhanden waren) zufolge:
• hoher Temperatur *
• Oxidation —> Verbindungen der Ölmoleküle mit Luftsauerstoff: Wirken sauer, korrosiv, erhöhen
Viskosität, machen dunkler.
• Fremdstoffe
• Metalle (Cu, Pb und Ag fördern Oxidation katalytisch).
• Licht
• mechan. Beanspruchung, *
- Flüssigen Fremdstoffen
• Kondens- oder Leck-Wasser
• Fremdöl
• Verbrennungsprodukte bzw. Benzin bei Automotoren
- Feste Fremdstoffe
• Staub
• Russ (Verbrennungs-Motoren)
• Rost
• Späne, Abrieb
* Die grossen Ölmoleküle können zerbrechen (kracken):
Ölverdünnung + Schlamm.
Die Analyse erstreckt sich auf:
- Farbe
- Fremdstoffgehalt
• Wasser
• Partikel
• Säure
- Viskosität:
• Zu hoch, wenn OeI gealtert
• Zu tief mit Beimischungen z.B. von Wasch – Petrol.
Messung zweckmassig nach einer Auslauf-Methode:
DIN- oder ENGELER - Becher.
DIN 51550 Bestimmung der Viskosität. Allgemeine Grundlagen.
Die Ölfüllung bleibt im Einsatz, wenn sie
- wasserfrei ist
- wenig Partikel enthält
- weder sauer noch alkalisch ist
- bezüglich Viskosität im Toleranzbereich liegt.
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Diagnostik
m. fahrni
Verschleisspartikel - unter dem Mikroskop betrachtet - liefern Hinweise auf Verschleiss - Stellen, die bei einem
nächsten Betriebsunterbruch eventuell genauer zu untersuchen sind. In Fällen, wo grosse Werte auf dem Spiel
stehen, kann die Spektralanalyse der Verschleisspartikel möglicherweise noch mehr Informationen liefern.
Abgangöl der gängigsten Sorte wird zur Wiederaufbereitung gesammelt, jede Sorte in einem separaten Fass. Die
Filtration durch ein Putzfadenfilter erlaubt in der Regel eine weitgehende Entfernung von Schmutzteilchen und
Wasser. Besteht das Filtrat eine Schmierstoff-Analyse auf
- Wassergehalt
- Schmutzteilchengehalt
- Viskosität
so kann es wieder wie Frischöl eingesetzt werden.
Fremdstoff-Gehalt
Auch bei Wälzlagern ist der Aufbau eines trennenden Schmierfilms möglich. Im Vergleich zu den
Gleitlagern aber:
- viel höhere Drücke im trag. Film (bis 12000 bar)
- wesentlich dünnerer Schmierfilm (ca. 0,5 μm).
Die Trennung der beiden Metallflächen ist aber nur bei sehr reinem Schmieröl möglich:
- Wassertröpfchen im OeI lassen den Film zusammenb rechen.
- Hartstoffpartikel werden eingeklemmt und beschädigen die Oberflächen.
2.5.3.2 Probenahme
Für die Probenahme zur Prüfung von Mineralölen gilt die Norm DIN 51750 (Umfang:
11 Seiten). Die ganze Problematik ist dort eingehend erörtert.
Grundsatz:
Die Ölprobe muss für die Ölfüllung representativ sein
2.5.3.3 Subjektive Beurteilung
Probe 30 Minuten in einem Reagenzglas stehen lassen.
Beurteilen:
- Farbe (Vergleich mit Frischöl oder letzter Probe)
• Dunkel heisst: Fortgeschrittene Alterung wahrscheinlich
• Trüb heisst: Wasser wahrscheinlich über 0,01 %.
- Bodensatz
• Späne (ev. mit Magnet Eisenspäne hochziehen).
• Flocken, Schwebestoff —> erst nach Tagen im Bodensatz.
2.5.3.4 Objektive Beurteilung
Partikel-Gehalt:
Verschleissmetall und Betriebsverunreinigung im Öl, können Ursache für weiteren Verschleiss sein. Solche
Partikel geben aber auch darüber Hinweise, woher sie kommen, wo Verschleiss aufgetreten ist (Klassifizierung
ISO 4406).
Die MILIPOR - Probe erlaubt die Beurteilung solcher Feststoff-Anteile:
10 cm3 der Oelprobe werden mit Vakuum über eine Filter-Rondelle mit definierter Porenweite gesaugt.
Durchmesser der Filterrondelle = 25 mm
Porenweite: 5 μm (normal)
0,8 μm für Hydrauliköl
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Diagnostik
m. fahrni
Mit einem Lösungsmittel wird dann sorgfältig nachgespült und die Ronde zum Trocknen gelegt. Unter dem
Stereomikroskop beurteilt man die Partikel:
- Menge pro 10 cm3 Oel durch Auszählen auf definierter Fläche des Filters z.B. auf 1 cm
- Herkunft und Entstehung
Die Ölproben sind während dem Betrieb aus der OeI-Zirkulation zu entnehmen.
Ablassen unten aus dem Ölsumpf ergäbe zu hohen Feststoffanteil. Vor dem MILIPOR-Test ist die Probeflasche
gut zu schütteln.
Eine weitere Entwicklung der Untersuchung solcher Verschleiss-Partikel ist die Spektral-Analyse.
Lässt man die Teilchen in einem Lichtbogen verdampfen, so sendet jede Atomart Licht mit charakteristischer
Wellenlänge aus. Durch optische Zerlegung dieser Lichtstrahlen in ihr Frequenz-Spektrum kann man
Rückschlüsse auf die in der Probe enthaltenen Atomsorten bzw. Metalle und sogar auf deren Konzentration
ziehen. Damit erhält man Hinweise auf die Herkunft solcher Verschleisspartikel.
Sind z.B. an einem Turbokompressor mehrere Gleitlager mit unterschiedlichen Lagermetallen eingebaut, so wäre
mittels Spektralanalyse herauszufinden, von welchem Lager die Verschleisspartikel stammen.
Solche Spektral-Analysatoren sind aber sehr teure Geräte und nur bei grösseren Firmen vorhanden, wie Gebr.
Sulzer, Swissair, EMPA.
Bereits ein H2O-Gehalt über 0,1% kann die Lebensdauer von Wälzlagern erheblich reduzieren.
In Ölproben ist daher der H20-Gehalt zu bestimmen.
Eine gute, einfache Methode ist:
Zugabe von Chemikalien die mit dem H20 reagieren und dabei Gase (Wasserstoff) entwickeln. Die entstehende
Gasmenge - man misst deren Volumen oder den Druck, den sie aufbaut - ist ein Mass für den H2O-Gehalt im
Oel.
Entsteht kein Gas, dann ist die Probe wasserfrei.
14.05.16
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