Detektion von Zahnradschäden im Betrieb

Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart weist kleinste Grübchenschäden mit Ultraschallsonde von SONOTEC nach.

Im Rahmen der Industrie 4.0 spielt die intelligente Vernetzung von Maschinen eine entscheidende Rolle. Damit einhergehend werden viele Maschinen mit Systemen zur Zustandsüberwachung ausgestattet. Erfasste Sensordaten dienen dazu, Aussagen über den Zustand der Maschine oder einzelner kritischer Komponenten zu treffen. Die Zustandsüberwachung erkennt auftretende Schäden frühzeitig, so dass unerwartete Maschinenausfälle vollständig verhindert werden können. Für den Maschinenbetreiber ergibt sich daraus ein Mehrwert in Bezug auf die Betriebssicherheit sowie ein finanzieller Vorteil.

Zahnradgetriebe führen im Störungsfall zum Stillstand der gesamten Maschine. Aus diesem Grund bieten sie sich besonders gut für eine Zustandsüberwachung während des Betriebs an. Die Hauptversagensmechanismen von Zahnradgetrieben weisen einen allmählich fortschreitenden Schadensverlauf auf. Daher besteht die Möglichkeit, Schäden schon frühzeitig vor dem Erreichen einer kritischen Größe zu detektieren. Sobald ein Schaden messtechnisch erfasst und der Schadenszustand identifiziert ist, kann die Restlebensdauer des Getriebes abgeschätzt werden.

Der Fokus der aktuellen Forschung am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart liegt auf Grübchenschäden. In Kooperation mit dem auf Ultraschall spezialisierten Messtechnikhersteller SONOTEC wurden Grübchenschäden auf Zahnrädern untersucht. Dabei konnten Schäden bereits deutlich vor dem in der DIN 3990-5 genormten Ausfallkriterium eines Flächenanteils an einer Zahnflankenfläche von 4 % detektiert werden. Möglich ist dies mit der geeigneten Sensorik. In einer Versuchsreihe wurden synthetische Grübchenschäden mit Flächenanteilen zwischen 0,4 % und 2 % der Fläche einer Zahnflanke untersucht. Neben der Größe der Grübchenschäden wurde bei den Versuchen die Drehzahl, das Drehmoment und die Schmierölviskosität systematisch variiert. Auf diese Weise konnte die Detektionsfähigkeit der Grübchenschäden bei unterschiedlichen Randbedingungen getestet werden. Mit verschiedenen Beschleunigungsaufnehmern wurden Sensordaten im Betrieb der Zahnräder mit Grübchenschäden erfasst. Im Vergleich der Beschleunigungsaufnehmer sind die Grübchenschäden deutlich in den Messdaten der Körperschallsonde T20 vom Hersteller SONOTEC erkennbar. Insbesondere im Ultraschall-Frequenzbereich über 16 kHz sind die Grübchenschäden mit der Körperschallsonde T20 von SONOTEC deutlich feststellbar. So ist es möglich, bereits die kleinsten untersuchten Grübchenschäden mit Flächenanteilen von 0,4 % der Fläche einer Zahnflanke zuverlässig zu detektieren.

Der Körperschallaufnehmer T20 unterscheidet sich von den klassischen Beschleunigungsaufnehmern durch sein innovatives Wandlerprinzip. Herzstück ist ein im Hause SONOTEC entwickeltes und hergestelltes Piezokomposit-Material, durch dessen Einsatz ein nahezu linearer Frequenzgang mit hervorragender Sensorempfindlichkeit erzielt wird. Durch dieses Prinzip sind die Körperschallaufnehmer von SONOTEC deutlich besser für die Detektion kleinster mechanischer Impulse geeignet als konventioneller Beschleunigungsaufnehmer. Bei langsam laufenden Wälzlagern oder in Zahnradgetrieben lassen sich Schäden somit wesentlich früher erkennen, was von besonderer Bedeutung für eine erfolgreiche Zustandsüberwachung ist.

Das Anwendungsspektrum der Zustandsüberwachung mit Abschätzung der Restlebensdauer ist breit gefächert. Ein Beispiel sind Offshore-Windenergieanlagen. Durch die erschwerte Zugänglichkeit der Anlagen auf offener See und die Größe der Getriebe ist die Wartung mit hohen Kosten verbunden. Die Prognose der Restlebensdauer im Rahmen der Zustandsüberwachung bietet den Betreibern die Möglichkeit, die Windenergieanlage bis zu einem planbaren, wirtschaftlichen Wartungszeitpunkt weiter zu betreiben.

Darüber hinaus bieten auch die Getriebe von Zementmühlen, Hydraulikpumpen oder Walzwerken Potential für die Anwendung der Zustandsüberwachung. Die Wartung solcher Getriebe erfolgt meist präventiv. Dabei werden Verschleißteile unabhängig von ihrem jeweiligen Zustand zu vorgesehenen Zeitpunkten getauscht. Auf diese Weise ist jederzeit ein sicherer Betrieb gewährleistet. Die Zustandsüberwachung bietet an dieser Stelle die Möglichkeit, schadhafte Komponenten zu identifizieren und Stillstandzeiten zur Wartung nachhaltig zu planen. Dadurch können Produktionsunterbrechungen reduziert und der Ersatzteilhaushalt wirtschaftlicher organisiert werden.

Aus den aufgeführten Beispielen wird deutlich, dass die Getriebe in vielen industriellen Anlagen Erwartungen an die Betriebszuverlässigkeit erfüllen müssen. Die Zustandsüberwachung mit Abschätzung der Restlebensdauer bietet dem Betreiber Sicherheit im Betrieb und Einsparpotential bei der Wartung geschädigter Getriebekomponenten.

Über SONOTEC

SONOTEC ist ein weltweit führender Produkt- und Lösungsspezialist für Präzisionsmesstechnik. Mit über 200 Mitarbeitern entwickelt und fertigt das Technologieunternehmen am Standort Halle (Saale) innovative Ultraschallmesstechnik. Zum weltweit erfolgreichen Produktportfolio zählen kundenspezifische Ultraschallwandler und -sensoren sowie Prüfgeräte und Messtechniklösungen für eine Vielzahl verschiedener Branchen und Industrien.

Über das Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart

Das Institut für Maschinenelemente (IMA) an der Universität Stuttgart forscht mit ca. 40 Mitar-beitern in den Bereichen Dichtungstechnik, Zuverlässigkeitstechnik und Antriebstechnik. Der Fachbereich Zuverlässigkeitstechnik wird seit 2018 von Dr.-Ing. Martin Dazer geleitet. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf der statistischen Datenanalyse, der Zuverlässigkeitstestplanung, Zuverlässigkeitserprobung, Lebensdauerprognose, Versuchsmethodik, der Modellierung der Systemzuverlässigkeit reparierbarer und nicht reparierbarer Komponenten sowie dem Prognostics & Health Management. Im Rahmen von Grundlagenforschung werden bisher unbekannte oder nicht verstandene Ausfallmechanismen in Mechanik, Elektronik und Mechatronik untersucht, mit Hilfe von empirischen Modellen beschrieben und dadurch in physikalisch basierte Funktionsmodelle und Ausfallmechanismen überführt. Im Bereich der anwendungsorientierten Forschung und Dienstleistung profitieren Industriepartner von ganzheitlichen Zuverlässigkeitsanalysen und effizienten Absicherungslösungen.

SONOTEC und Institut für Maschinenelemente