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11.09.2017

Qualitätssicherung von Wälzlagern mit Ultraschallprüfsystemen von Vogt

Wälzlagerprüfung mit Ultraschall

An Wälzlagern sind Vormaterial, Zylinderlagerringe, Kegellager, Pendelrollenlager, Kugellagerringe, Wälzkörper, Zylinderrollen, Kegelrollen und Tonnenrollen zu prüfen. Die Ultraschalltechnik bietet für all diese Prüfaufgaben eine wirtschaftliche und zuverlässige Lösung.

Ultraschallprüfsystem zur Prüfung von Stangenmaterial (© Vogt Ultrasonics)

Vor der Bauteilfertigung wird das Vormaterial (Flach- oder Stangenmaterial) einer makroskopischen Reinheitsgradmessung unterzogen. Die Prüfung erfolgt nach SEP 1927. Typische Fehlerklassen für den verwendeten Stahl liegen bei 0,3 bis 0,5 mm Kreisscheibenreflektor (KSR).

Gemessen wird das Stangenmaterial mit dem Ultraschallprüfsystem Proline der in Burgwedel ansässigen Firma Vogt Ultrasonics. Die Ultraschallprüfung erfolgt mit drei Prüfköpfen als Spiralscan (Bild 1). Die Prüfköpfe bewegen sich während der Prüfung auf einer gemeinsamen Achse am Bauteil entlang und erfassen so das gesamte Volumen des Stangenmaterials.

Hoch belastete Lagerbauteile, wie zum Beispiel Eisenbahn- oder Windkraftanlagen-Lagerringe und -Wälzkörper, werden hinsichtlich Fehlerfreiheit produktionsbegleitend ultraschallgeprüft. Dabei kommen konventionelle Ultraschallprüfverfahren, wie z. B. die Phased-Array-Technologie, zum Einsatz. Im Prüflabor werden ebenfalls begleitend zu Langzeitbelastungsuntersuchungen Ultraschallprüfungen frequenziell an Bauteilen durchgeführt. Diese Prüfdaten werden mit den Ergebnissen der Belastungen zur Bauteiloptimierung korreliert.

Beliebige Bauteil-Geometrien automatisiert prüfen

Die Ultraschallprüfung erfolgt quasi berührungslos in Tauchtechnik. Die Prüfanlagen haben mehrere Linearachsen, die den Prüfkopf im Raum bewegen. Ein Drehteller zentriert das Bauteil und dreht es mit hoher Rotationsgeschwindigkeit. Das Bauteil wird an einem oder mehreren Prüfköpfen über 360° vorbeigeführt (Bild 2). Dabei verfolgt der Prüfkopf die Geometrie des Bauteils so, dass der Einschallwinkel in das Material oder der Auftreffwinkel auf den Funktionsbereich (Laufflächennähe) über die Höhe des Lagerrings gleich bleibt.

Auf diese Weise können Scanpläne für nahezu beliebige Geometrien automatisiert abgefahren werden. Die Ergebnisse lassen sich in Form bildgebender Abwicklungen und Anzeigenlisten auswerten. Eventuell vorhandene Fehler werden hinsichtlich Größe und Tiefenlage bewertbar.

Um auch schräg liegende Fehler, die den Ultraschall nicht reflektieren, detektieren zu können, arbeitet man parallel mit der Rückwandabschattung. In der Fertigung wird überwiegend senkrecht zur Einschallfläche oder senkrecht zur Funktionsfläche geprüft und zusätzlich die Rückwandabschattung überwacht. So sind hohe Prüfempfindlichkeiten von KSR 0,3 bis 0,5 mm realisierbar. Die Fehlerauflösung ist durch die Gefügeanzeigen des Materials (Grundrauschen) begrenzt. Intelligente Online-Auswertungen machen Fehler im Funktionsbereich bis 0,5 mm zur Oberfläche bei beliebigen Einschallwinkeln sichtbar.

Wälzlagerüberwachung durch wiederkehrende Ultraschallprüfung

Stillstände, bedingt durch vorzeitige Bauteilmängel, führen zu erheblichen Kosten. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Wälzlagern hat so einen entscheidenden Einfluss auf die Anlagen-Wirtschaftlichkeit.

Qualitätssicherung von Wälzlagern mit Ultraschallprüfsystemen (© Vogt Ultrasonics)

Insbesondere bei Windkraftturbinen besteht das Problem der vorzeitigen Ermüdung der verbauten Lagerringe. Schuld daran ist das Phänomen der White Etching Cracks (WEC). Das sind unregelmäßig mikrostrukturierte Veränderungen unterhalb der Materialoberfläche, die sich erst nach Einbau und andauernder hoher Belastung zeigen. Durch diese Gefügeveränderungen entwickeln sich Risse und Abplatzungen unterhalb sowie an der Oberfläche der Bauteile. Ein vorzeitiger Lagerausfall ist die Konsequenz. Durch wiederkehrende Ultraschallprüfungen an im Einsatz befindlichen, vorübergehend ausgebauten Windkraftanlagen-Lagern und Wälzkörpern lassen sich WEC-Schädigungen frühzeitig erkennen und kostenintensive Stillstände reduzieren.

Individuell einstellbare Prüfprogramme bieten die Möglichkeit der Fehlerprüfung unter verschiedenen Winkeln, wie zum Beispiel 0°, 45°, 60° und 70° zur Lauffläche. Je nach den zu erwartenden Fehlern erfolgt eine optimierte Einschallung, sodass die zu erwartenden Materialschädigungen möglichst unter 90° zu ihrer Ausdehnung beschallt werden. Neben Prüffrequenzen von 5 bis 10 MHz werden auch hochfrequente Ultraschallprüfungen von 25 bis 50 MHz oberflächennah von der Lauffläche des Lagerrings aus durchgeführt.

Alternativ zur konventionellen Prüftechnik ist in einigen Fällen auch der Einsatz von Phased-Array-Ultraschallprüfsystemen sinnvoll. Hierbei werden Prüfköpfe mit einer hohen Anzahl an Schwingerelementen (z. B. 32, 64 oder 128) eingesetzt und elektronisch parallel sowie mittels Multiplexer angesteuert. Dadurch sind unterschiedliche Schallfelder ohne Hardwareänderung sowie die Prüfung größerer Flächen zur gleichen Zeit möglich. Zugleich sind auch Fokussierungen in unterschiedlichen Tiefenlagen und/oder veränderliche Einschallwinkel während der Prüfung machbar. Das eröffnet neue Möglichkeiten in der Prüftechnik, erhöht jedoch auch die Kosten.

Göran Vogt

Vogt Ultrasonics GmbH
www.vogt-ultrasonics.de

Unternehmensinformation

Vogt Ultrasonics GmbH

Ehlbeek 15
DE 30938 Burgwedel
Tel.: 05139 9815-0
Fax: 05139 9815-99

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