Rissen auf der Spur

Lager - Das vorzeitige Versagen eines Lagers wird häufig auf ›weiß anätzende Risse‹ zurückgeführt. Tatsächlich sind solche Risse aber eher eine Folge als der Auslöser von Schäden – wie SKF bei der Fahndung nach den wahren Ausfallursachen herausgefunden hat.

11. September 2019
Rissen auf der Spur
Brünierte Lager von SKF, wie sie etwa in Getrieben von Windenergieanlagen zu Einsatz kommen, haben ihre Robustheit einer Kombination vieler vorteilhafter Eigenschaften zu verdanken. (Quelle: SKF)

Manche Lager erreichen ihre berechnete Lebensdauer noch nicht mal annähernd und quittieren schon nach fünf bis zehn Prozent ihrer angepeilten Haltbarkeit den Dienst. Viele vorzeitige Ausfälle wiesen ein gemeinsames Schadensbild auf: ein Netzwerk von winzigen, weiß dekorierten Rissen unterhalb der Lageroberfläche, sogenannte ›weiß anätzende Risse‹ (White Etching Cracks, WECs). Außerdem wurden häufig kleine Axialrisse an der Laufbahnoberfläche beobachtet. Insofern lag der Verdacht nahe, dass diese die Ursache des Problems sein können.

Ein umfangreiches Forschungsprojekt von SKF hat jedoch gezeigt, dass die meisten Risse (insbesondere in den Lagern aus der Anwendung) in der Versagenskette ganz am Ende stehen: In Wirklichkeit sind sie also lediglich ein »Nebenprodukt« von vorzeitiger Wälzlagerermüdung – ein sichtbares Symptom des Versagens, aber nicht dessen Auslöser.

Sieben Mechanismen

Als wahre Ursachen für einen vorzeitigen Lagerausfall mit WEC-Phänomenen haben die Spezialisten von SKF insgesamt sieben Mechanismen identifiziert. Deren Wechselwirkungen lassen sich aus einem Schema zur Klassifizierung von vorzeitigen Lagerausfällen ablesen.

Dieses Schema hilft den Ingenieuren, gemeinsam mit den Kunden die tatsächlichen Auslöser für die verkürzte Lebensdauer zu ermitteln und die am besten geeigneten Gegenmaßnahmen zu identifizieren. Denn wer ein vorzeitig ausgefallenes Lager einfach durch ein identisches ersetzt, behebt das entscheidende Problem in der Anwendung nicht – sodass das neue Lager eigentlich auch schon wieder zum vorzeitigen Scheitern verurteilt ist.

Im Rahmen des WEC-Projekts hat SKF mögliche Anwendungsbedingungen von Lagern, die im Feld versagten, nachgeahmt. Dabei wurden die Lager umfangreichen Labortests unterzogen (unter anderem optische und rasterelektronische Mikroskopie, Ultraschall-Untersuchungen). Die genau geplante und überwachte Zerstörung der Lager half den SKF-Ingenieuren, die Versagensmechanismen nachzuvollziehen, sodass für jedes Problem letztlich auch eine maßgeschneiderte Lösung gefunden werden konnte.

Zu diesem Zweck haben die Forscher diverse kritische Betriebsbedingungen auf einem Prüfstand systematisch reproduziert. Dadurch kreisten sie diejenigen Bedingungen immer weiter ein, die die WECs hervorriefen. Zum Beispiel konnten sie (je nach Anwendung) einen Zusammenhang zwischen den Rissen und beispielsweise strukturellen Spannungen nachweisen.

Das Projekt hat es SKF ermöglicht, die Rolle der WECs sowohl in Bezug auf die klassische Wälzlagerermüdung als auch auf die beschleunigte Ermüdung (vorzeitige Ausbrüche) zu klären: Bei einer »normalen« Wälzlagerermüdung (ohne vorzeitige Ausfälle) können unter anderem auch WECs durch zyklische Spannungen und Belastungen mitverursacht werden (insbesondere bei größeren Lagern). Viel häufiger zeigen sich WECs bei einer beschleunigten Ermüdung, die unter anderem aus höheren Spannungen, geringerer Materialfestigkeit und/oder einer Mischung aus Reibungs- und Schmierungsfaktoren resultiert

Hilfreiches Schema

Das aus der Untersuchung hervorgegangene Klassifizierungsschema kann den Beteiligten nun als eine Art »Wegweiser« zu einer maßgeschneiderten Lösung dienen, die auf einer genaueren Diagnose basiert. Wenn ein Fehler beispielsweise durch Schmierungsprobleme oder tribochemische Effekte verursacht wurde, könnte eine wirksame Gegenmaßnahme darin bestehen, auf ein brüniertes Lager umzusteigen. Werden andere Ausfallursachen identifiziert, kommen auch wieder andere Lösungen in Betracht – und die reichen eventuell von hochfestem Edelstahl bis hin zu Hybridlagern.

So hilfreich das bisherige Klassifizierungsschema auch sein mag: Es ist noch nicht vollumfänglich. Zwar dürfte kein Zweifel mehr daran bestehen, dass WECs durch verschiedene Versagensarten entstehen, jedoch hat SKF beispielsweise die exakten Fehlermechanismen, unter denen Lager durch eine vorzeitig reduzierte Materialfestigkeit ausfallen, noch nicht komplett abbilden können. Einige in der Literatur aufgeführte Hypothesen (Kleinstströme, Schmierstoffe etc.) müssen noch auf ihre Relevanz in der realen Anwendung überprüft werden. Aus diesem Grund laufen derzeit zusätzliche Forschungsarbeiten im Unternehmen.

Blick nach vorn

Parallel arbeiten die Forscher und Entwickler von SKF auch schon an optimierten Lösungen; beispielsweise auf Basis verbesserter Materialien oder Wärmebehandlungskombinationen, die gegenüber diversen Fehlerursachen unempfindlicher sind. Außerdem hat das Unternehmen einige allgemeine Empfehlungen zusammengetragen, die sich an den maßgeblichen Schadenstreibern »Höhere Spannungen« und »Geringere Materialfestigkeit« orientieren.

Diese Empfehlungen gelten zum einen für die Lagerung als solche (also das Lagersystem beziehungsweise dessen Entwurfsprozess) und umfassen zum anderen auch weitere Möglichkeiten zur Robustheitssteigerung der Lagerung. Welche Option genau einem vorzeitigen Ausfall am wirksamsten vorbeugt, hängt von den spezifischen Gegebenheiten der jeweiligen Anwendung ab.

In Windgetrieben beispielsweise haben sich brünierte Lager von SKF bereits als robuste Lösung erwiesen: Ihre Ausfallquote ist äußerst gering (

Erschienen in Ausgabe: 02/2019
Seite: 26 bis 27