Grundlagen der Instandhaltung - fahto solutionfahto.com/files/diagnostikwtd.pdf · Kennen von Beurteilungs-, Mass-, und Prüfmethoden und sind in der Lage, diese in der Praxis anzuwenden

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

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Inhaltsverzeichnis Fach 3 Diagnostik

2.1 Schadenskunde Zusammenfassung

2.2 Zustandsüberwachung

2.3 Mess- und Prüfgrössen

2.4 Mess- und Prüfmethoden, Geräte

2.5 Schmiertechnik

2.6 Beilagen

Kapitel Seite

2.1 Schadenskunde

2.1.1 Zustands-Qualität Inspektion, Diagnose, Zustand, Abnutzungsvorrat, untere

Grenze 4

2.1.2 Schadens-Ursachen Konstruktionsfehler, Bedienungsfehler, IH-Fehler,

Werkstofffehler, Wartungsfehler, Naturgewalt, Schäden 5

2.1.3 Verschleiss Trockenreibung, Mischreibung, Hydrodynamische Schmierung,

Verschleissverlauf 6

2.1.4 Ermüdung dynamische Beanspruchung, Wechsel-Biegung,

Schadensverlauf 7


2.2.1 Definitionen Massnahme zur Feststellung des IST-Zustandes 9

2.2.2 Zustandsüberwachung wann und wie Inspektionen, Messwerte 9

2.2.3 Zustandsüberwachung womit Nutzungsvorrat, Zustandsbwertung, subjektiv / objektiv 10

2.2.4 Zustandsabhängige Aktivitäten Zustandsgrenze, Auslösung Instandstzung 11


2.3.2 Messwerte für Zustandsänderungen Zeit, Länge, Temperatur, Drehmoment, Viskosität 12

2.3.2 Physikalische Grundlagen Basisgrössen, Einheitssystem 12

2.3.2.1 Einleitung Länge, Masse, Zeit, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge,

Lichtstärke 12

2.3.2.2 Zeit t periodisch wiederholende Prozesse 13

2.3.2.3 Frequenz f, Drehzahl n periodischer Vorgang 14

2.3.2.4 Länge l Licht im Vakuum (1/299 792 458s) 14

2.3.2.5 Temperatur T PT-100 14

Abgeleitete SI - Einheiten spez. 16

2.3.2.6 Geschwindigkeit v Weg pro Zeiteinheit 17

2.3.2.7 Beschleunigung a Geschwindigkeit pro Zeiteinheit 17

2.3.2.8 Kraft F Reibkraft: Haftreibung, Gleitreibung 17

2.3.2.9 Druck p Normalkraft auf eine Fläche, Gasdruck, Luftdruck, 18

2.3.2.10 Drehmoment M Kraft und Länge 20

2.3.2.11 Energie, Arbeit W gespeicherte Arbeit, Potentielle Energie, Kinetisch Energie,

Wärmeenergie 20

2.3.2.12 Leistung P Arbeit pro Zeiteinheit 21

2.3.2.13 Das Ohmsche Gesetz U = R x I 21

2.3.2.14 Dichte p Pascal (100 000Pa = 1 bar) 21

2.3.2.15 Viskosität Dynamische-, Kinematische Viskosität, Fluidität 22

2.3.2.16 Gehalt, Konzentration Stoffmenge, Konzentrationsmenge 24

2.4 Mess- und Prüfmethoden, Geräte

2.4.1 Schwingungstechnik periodische Schwingbewegung 25

2.4.1.1 Maschinenschwingungen Schwingfrequenz, 25

2.4.1.2 Messgrössen für die Schwingstärke Halbwellen 25

2.4.2 Schwingungs-Messtechnik 26


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2.4.2.1

Beschleunigungs-Sensor (Piezoeffekt) Geschwindigkeits-Sensor (Magnet / Spule) Weg-Sensor (Wirbelverlust)

Beschleunigungssensor

Geschwindigkeitssensor

Weg-Sensor 26

2.4.2.2 Die 3 Typen von Schwingungs-Sensoren Schwing-Beschleunigung Schwing-Geschwindigkeit

Schwing-Weg 26/27

2.4.2.3 Messvorgang x = Horizontal y = Vertikal z = Axial 27

2.4.2.4

Beurteilung der Schwingstärke Diverse Normen

I = Kleinmaschinen < 15kW / II = mittlere Maschinen 15-75kW

III = Grossmaschien 75-300kW 28

2.4.3 Auswuchten 29

2.4.3.1 Unwucht Vibrationen, rasche Zerstörung der Lager, Ermüdungsbrüche 29

2.4.3.2 Statisches Auswuchten Es ist nur ein Notbehelf Scheiben,

schwungräder, Zahn- und Kettenräder 29

2.4.3.3 Dynamisches Auswuchten Lngere Elemente, Walzen, Gelenkwellen, Riemenscheiben,

Rotoren 29

2.4.3.4 Auswucht-Gütegrad G ISO 1940 (Normen) 30

2.4.4 Frequenzanalyse 31

2.4.4.1 Spektrumanalysator Maaschinenschwingungen haben ein Frequenzgemisch 31

2.4.4.2 Ordnungsanalyse Zusätzliche Info über Phasenwinkel 31

2.4.5 Stossimpulsmessungen (SPM) Überrollschwingungen bei Pittings und Grübchenbildung 32

2.4.5.1 Messprinzip hohe Frequenzen 30 - 50000Hz Piezo 32

2.4.5.2 Beurteilung des Stossimpulswertes 10 guter Wert / 10-40 kleine Schäden / über 40

Lagerschaden 32

2.4.5.3 Sensor-Anschluss Tastfühler oder Kuppeln 33

2.4.5.4 Messstellen-Anordnung Stosswelle soll möglichst keine Energie verlieren 33

2.4.5.5 Messnippel-Montage A-Seite / B-Seite 33

2.4.6 Endoskopie Optische Innenkontrolle 33

2.4.6.1 Prinzip Getrieben, Brennkammern, Pumpen, Gefässen, Druckbehälter,

Rohre 34

2.4.6.2 Bauarten und -Grössen von Boreskopen Optische Linsen (starr) 34

2.4.6.3 Bauarten und -Grössen von Fiberskopen Glasfaserübertragung (Flexibel) 34

2.4.7 Verschleiss-Messungen 34

2.4.7.1 Methoden Dickenmessung, Profiltiefe, Spielmessung, Kompressionsdruck 35

2.4.7.2 Ultraschall-Wanddickenmessung Impuls-Ech-Verfahren 35

2.4.7.3 Kompressionskontrolle an Verbr. Motoren Kompressionsdruck-Messer (Motor-Meter an Zündkerze) 35

2.4.7.4 Verschleissmessung an Ketten min. 17 Doppelglieder mit Lineal 36

2.4.8 Thermographie Infrarotmessung ist Berührungslos 36

2.4.8.1 Grundlagen Strahlungszahlen C 36

2.4.8.2 Die Infrarotkamera Kosten 120000.- 37

2.5 Schmiertechnik

2.5.1 Grundlagen Schmieröle 38

2.5.1.1 Einfache Theorie, komplizierte Praxis Fliessverhalten durch die Viskosität, Temperatur, Druck 38

2.5.1.2 Weitere Viskositäts-Masse kinematische Viskosität Normen Viskositätsklassen 39

2.5.1.3 DerViskositätsindex Vl Temperaturverhalten 42

2.5.1.4 Stockpunkt, Pour-Point (+ 3°C) nicht mehr fliessfähig ist 42

2.5.1.5 Flammpunkt, Brennpunkt (+3°C) Flammpunkt: löscht ohne Zündquelle Brennpunkt: brennt

weiter ohne ZQ 42

2.5.2 Schmierfette 43

2.5.2.1 Herstellung von Schmierfetten Grundöl / Wirkstoff, Eindicker 43

2.5.2.2 Kenngrössen der Schmierfette Farbe, Strucktur, Tropfpunkt, Penetration, Grundöl, Eindicker,

Ölanteil, Tep. Bereich 43

2.5.2.2.1 Die Penetration / Konsistenz mechanischer Wiederstand gegen das Eindringen eines Körpers 43

2.5.2.2.2. Konsistenzklassen nach NL Gl 44

2.5.2.2.3 Der Tropfpunkt Nach Eindickertyp des Fettes. (erster Tropf nach

Prüfbedingungen) 44


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2.5.2.2.4 Der Eindicker Seifenhaltige Eindicker

Seifenfreie Eindicker 44

2.5.3 Schmierstoff-Analyse 45

2.5.3.1 Warum Schmierstoff-Untersuchungen2 Prüfen grosser Ölfüllungen Suchen nach Verschleissstellen

Prüfen von filtriertem Öl 45

2.5.3.2 Probenahme muss represantiv sein 46

2.5.3.3 Subjektive Beurteilung 30 Min. in Glas stehen lassen 46

2.5.3.4 Objektive Beurteilung Partikelgehalt (Milipor) 46

2.6 Beilagen

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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2.1. Schadenskunde Zustands-Qualität

Bester Zustand

Funktionsfähigkeit gewährleistet. Nutzungs-

Maschine i.O., sie bringt Nutzen. Zone

Zustandsgrenze

Funktionsfähigkeit unzulässig beeinträchtigt, Maschine:

liefert schlechtes Produkt Schadens-

Zone

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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2.1.2 Schadens-Ursachen

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über mögliche Schadens-Ursachen:

Im Produktionsmittel ent- Fehler während der Produktion (ca. 50%)

haltene Fehler (ca. 50%)

Betriebsfehler Fremdeinflüsse

Konstruktionsfehler Bedienungsfehler Naturgewalten

• Planung • Fehlmanipulationen • Sturm

• Berechnung • Verzögerter Ersatz • Blitzschlag

• Bemessung von Verbrauchsmate- • Feuer

• Formgebung rial (Messer, Siebe • Erdbeben

• Passungen etc.)

• Werkstoffauswahl • Ueberbean- Personen-Einflüsse

• Hilfsstoffauswahl spruchungen (mecha- • Sabotage

• Wahl von Halbzeug fisch, thermisch • Mutwilligkeit Bedie-

• und Zukaufelementen chemisch) nungspersonal

• Herstellvorschrift • Nachlässigkeit • Eingriffe Unbefugter

• SPS-Programmierung Wartungs- und Inspekti- Produkt-Einflüsse

Werkstoff-Fehler onsfehler • Falsche Zusammenset

• Lunker, Poren • Verwechslung von zung

• Seigerungen Hilfstoffen • Chem. Fehlreaktion

• Wärmebehandlung • Unordnung und Un- • Gehalt an Schmutz-

• Eigenspannungen sauberkeit oder Fremdkörpern

• Beschichtungen • Termine verpasst

• Fremdeinschlüsse • Unzuverlässige Arbeit Sonstiges

Herstellfehler Schäden durch • Stromausfall

• Spanabhebende Bear- • Verschleiss • Ausfälle von Hufs-

beitung • Alterung Energien wie Kühlwas-

• Spanlose Verformung • Korrosion ser, Pressluft

• Toleranzen und Spiele • Ermüdung • Absturz SPS oder Pro-

• Verbindungstechnik • Reibkorrosion zessrechner

• Zusammenbau • Lockerungen

• Justierungen • Setzungen

• Wahl Hilfsstoffe • Dejustierung

• Wahl Werkzeug und • Verharzen

Messmittel • Fressen

Unvollkommenheit bzw. lH-Fehler

Stand der Technik • Beschädiugung beim

Demontieren

• Montage-Fehler

• Verschmutzungen

• Fremdkörper-Einbau


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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 Oberflächen-

Spitzen 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: Mittels Filter oder Spänefang-Magneten im Oelsumpf für fortlaufende Entfernung des

Ausbruch-Materials sorgen.


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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 1 W 1 Woche 2 W 2 Wochen 1 M l Monat 4 M 4 Monate 2 J 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 Anlage-Störungen und Schäden liefern. Fallweise wird dann eine Inspektion bzw. Fehlersuche an das lH-Personal 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) (objektiv) mit unseren Sinnen: mit Messgeräten: - sehen Messen von definierten physikalischen - hören Grössen - riechen - Länge, Dicke - tasten - 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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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 10-24 y Deka 101 da

Zepto 10-21 z Hekto 102 h

Atto 10-16 a Kilo 103 k

Femto 10-15 f Mega 106 M

Piko 10-12 p Giga 109 G

Nano 10-9 n Tera 1012 T

Mikro 10-6 u Peta 1015 P

Milli 10-3 m Exa 1018 E

Zenti 10-2 c Zetta 1021 Z

Dezi 10-1 d Yotta 1024 Y

Beispiele: 1kg = 1’000g

1 MQ = 1‘000‘000 Ω 1 Pf = 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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Internationales Eiheitensystem (SI-System): Basisgrössen

Basisgrösse Symbol Name Zeichen

Länge l Meter m

Masse m Kilogramm kg

Zeit t Sekunden s

Elektrische Stromstärke I Ampäe A

Temperatur T Kelvin K

Stoffmenge n Mol mol

Lichtstärke J Candela 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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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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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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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 gera- 1 Volt ist gleich der Spannung oder elektrischen Potential-

der Kreiskegel mit der Spitze im Mittelpunkt einer Kugel vom differenz zwischen zwei Punkten eines fadenförmigen homo-

Halbmesser 1 m aus der Kugeloberfläche eine Kalotte der genen und gleichmäßig temperierten metallischen Leiters, in

Fläche im2 ausschneidet. dem bei einem zeitlich unveränderlichen Strom der Stärke 1 A

zwischen den beiden Punkten die Leistung 1 W umgesetzt

wird.

Druck in Pascal, Pa 1 Pascal ist gleich dem auf eine Fläche gleichmäßig wirken- Elektrizitätsmenge (elektrische Ladung) in Coulomb, C den Druck, bei dem senkrecht auf die Fläche 1 m2 die Kraft 1 Couiomb ist gleich der Elektrizitätsmenge, die während der

1 N ausgeübt wird. Zeit 1 s bei einem zeitlich unveränderten elektrischen Strom

der Stärke 1 A durch den Querschnitt eines Leiters fließt.

Kraft in Newton, N 1 Newton ist gleich der Kraft, die einem Körper der Masse lnduktivität (magnetischer Leitwert) in Henry, H 1 kg die Beschleunigung 1 m/s2 erteilt. 1 Henry ist gleich der lnduktivität einer geschlossenen Win-

dung, die, von einem elektrischen Strom der Stärke 1A Energie, Arbeit, Wärmemenge in Joule, durchflossen, im Vakuum den magentischen Fluss 1 Wb um- 1 Joule ist gleich der Arbeit, die verbraucht wird, wenn der schlingt.

Angriffspunkt der Kraft 1 N in Richtung der Kraft um 1 m ver-

schoben wird. Elektrischer Widerstand in Ohm, Ω 1 Qhm ist gleich dem elektrischen Widerstand zwischen zwei

Punkten eines fadenförmigen, homogenen und gleichmäßig

Geschwindigkeit in m/s temperierten elektrischen Leiters, durch den bei der elektri-

Legt ein Körper in 1 s die Wegstrecke von 1 m zurück, so be- schen Spannung 1 V zwischen den beiden Punkten ein zeit-

trägt seine Geschwindigkeit 1 m/s. lich 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-

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 Dezimale Teile

101 10 Deka da zehnfach 10-18 0,000000000000000001 Atto a Trillionstel

102 100 Hekto h hundertfach 10-15 0,000000000000001 Femto f Billiardstel

103 1 000 Kilo k tausendfach 10-12 0.000 000 000 001 Piko p Billionstel

106 1 00000 Mega M rnillionenfach 10-9 0,000 000 001 Nano n Milliardstel

109 1 000000000 Giga G milliardenfach 10-6 0,000 001 Mikro u Millionstel

1012 1 000000000000 Tera T billionenfach 10-3 0.001 Mifli m Tausendstel

1015 1 000000000000000 Peta P billiardenfach 10-2 0,01 Centi c Hundertstel

1018 1 000000000000000000 Exa E trillionenfach 10-1 0,1 Dezi d Zehntel


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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

2.3.2.7 Beschleunigung a

Definition der Beschleunigung:

Beschleunigung ist die Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit

(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 Haftreibung Gleitreibung

Stahl/Stah l0,15 - 0,2 0,1 - 0,15

Stahl/Bronze 0,18 - 0,25 0,15 - 0,2

Metall/Holz 0,5 - 0,6 0,2 - 0,5

Stahl/Eis 0,027 0,014

Stahl/Teflon 0,04

s m

v = ---- ---

t s

V m

a = ---- ----

t s2


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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.

Anmerkung: Nach neueren Normen (SNV 012100) ist der Begriff “Unterdruck“ zu ersetzen durch

“negativer Überdruck“.

Druckarten:

1. Überdruck Pe

2. Unterdruck p

3. Luftdruck Pamb

4. Absolutdruck Pabs

1 2 3 4


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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 [cm2] 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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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 v2/2a, resultiert:

Diese kinetische Energie steckt noch im Körper, wenn die Beschleunigungskraft nicht mehr wirkt —> bei

betätigter Kupplung rollt das Auto noch weiter.

M x v2 kg x m2

W = --------- J = -------------- N x m 2 S2


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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 = R x I 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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Dichte ist also: Masse pro Volumen. Sie wird wie folgt berechnet:

Masse m

Dichte p = -------- = ----

Volumen v

Das Volumen eines Körpers kann berechnet werden, aber dessen Masse müssen auf einer Waage mit Masse-

Steinen (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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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 10C 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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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:

% Teile pro 100 Teile

%0 Teile pro 1000 Teile

ppm Parts per Million, Teile pro Million Teile

ppb Parts per Billion, Teile pro Billionen Teile

w 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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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 Piezo-Quarz

g = 9,81 m/s2

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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2.4.2 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 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 ml=m2=m4

R1 =R2=R3=R4 R1=R2=R3=R4 R1=R2=R4 R1 < R3

Ausgewuchtet, Massen Nicht ausgewuchtet, Massen oder

gleichmässig (symmetrisch). Radien ungleichmässig.

An der abweichenden Masse m3

greift die umlaufende Fliehkraft

F= (m3-m1).R~o2 an.

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

Qualitäts- e x ω Rotortypen, allgemeine Beispiele

grad G mm/s

G 4000 4000 Kurbelwellen von starr montierten langsamen Marine-

Dieselmotoren mit ungerader Anzahl von Zylindern.

G 1600 1600 Kurbelwellen von starr montierten grossen Zweitakt-Dieselmotoren.

G 630 630 Kurbelwellen von starr montierten grossen Viertakt-Motoren,

sowie von elastisch montierten Marine-Dieselmotoren.

G 250 250 Kurbelwellen von starr montierten schnellen 4-Zylinder-

Dieselmotoren (Kolbengeschwindigkeit grösser 9m/s)

G 100 100 Kurbelwellen von schnellen Dieselmotoren mit 6 und mehr Zylindern.

Komplette Benzin- oder Diesel-Motoren für Autos, Lastwagen

und Lokomotiven.

G 40 40

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 16 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.

G 6,3 6,3 Teile von Maschinen der Verfahrenstechnik, von Zentrifu-

gen, Ventilator- und Pumpen-Laufrädern. Marine-Turbinen

Turbokompressoren

Werkzeugmaschinen-Spindeln

mittlere und grosse Elektromaschinen mit speziellen Anforderungen

kleine Elektromaschinen turbogetriebene Pumpen

G 1 1 Teile von Schleifmaschinen

kleine Elektromaschinen mit höheren Anforderungen

Antriebe von Plattenspielern und Tonbändern

G 0,4 0,4 Spindeln, Schleifmaschinen und Armaturen von Präzisions-

Schleifmaschinen Kreisel


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2.4.4 Frequenzanalyse

2.4.4.1 Spektrumanalysator

Die Messanordnung:

(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 Winkel-

Lage 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 900.

Die zusätzliche Phaseninformation kann auch wertvolle Hinweise auf Maschinenschäden liefern:

Ursache Phasenwinkelwert

Wälzlagerschaden instabil

Zahneingriff instabil

Unwucht stabil

Lockerungen mech.

Verbindungen instabil

Fluchtungsfehler stabil, Phasendifferenz der axialen Schwingungen an

beiden Wellenenden ca. 1800

Elektrisch 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 !!!!

Lager


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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).


15.10.14 33/48

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 zwi- Es können auch Verlängerungen eingebaut

schen Lagergehäuse und Messnip- werden. Solche dürfen aber nur an der

pel wird durch einen konischen Sitz Messstelle metallischen Kontakt haben.

erzielt (900 -Winkel).

A-Seite B-Seite

Stossimpulsaufnehmer mit Tast- Stossimpulsaufnehmer mit Tastsonde

sonde

Um an den Lagerschild zu kommen, muss

Kann im allgemeinen benutzt werden, man ein Loch durch die Lüfterhaube bohren. Der

Messpunkt wird auf dem Lager- Unpraktisch und nicht zu empfehlen.

schild gewählt, so dicht wie möglich

am Lager. Stossimpulsaufnehmer mit Schnellkupplung

Stossimpulsaufnehmer mit Schnell- Ein langer Messnippel wird am Aussenrand

kupplung des Schildes installiert, mit einem Durch-

Der Messnippel soll dicht am Lager gangsloch in der Lüfterhaube. Der Nippel

oder am Aussenrand des Schildes an- darf keinen Kontakt mit der Haube haben

gebracht werden. Vergewissern Sie weil sonst Störstösse Messfehler verursa

sich, dass die Materialstärke für das chen können. Angaben über Längen und Ge-

Anbringen des Nippels ausreicht und windestärken von Messnippein finden Sie in

dass für den Anschluss des Aufneh- der Montageanleitung des Messgeräteliefe-

mers genügend Platz ist. ranten.

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 etwa500. 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 Kompressionsdruck-

Schreiber 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 00K, 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 C

W/m2 x K4

absolut schwarzer Körper 5,77* höchstmöglicher Wert

Dachpappe ca.4,52

Kupfer gewalzt ca. 3,70

Kupfer poliert ca. 0,28

Silber poliert ca. 0,12

Aluminium poliert ca. 0,19

Glas ca. 5,52

Wasser ca 3,7 - 4,75


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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


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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 200C 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 Temperatur-

Bereich 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:

η m2 (Bewegungsenrgie)

v = --------- -----------

p s

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 ISO-

Klassifikation enthält keine Qualitätsbewertung, sondern liefert nur eine Aussage über die kinematische

Viskosität bei der Temperatur 400C.


15.10.14 39/48

Viskositätsklassen nach IS0

Viskositätsklasse Mittelpunktsviskosität Grenzen der kinematischen Viskosität

ISO bei 40,00C bei 40,00C

mm2/s mm2/s

min. max.

lSO-VG 2 2,2 1,98 2,42

lSO-VG 3 3,2 2,88 3,52

ISO-VG 5 4,6 4,14 5,06

ISO-VG 7 6,8 6,12 7,48

ISO-VG 10 10,0 9,00 11,00

lSO-VG 15 15,0 13,50 16,50

lSO-VG 22 22,0 19,80 24,20

ISO-VG 32 32,0 28,80 35,20

lSO-VG 46 46,0 41,40 50,60

ISO-VG 68 68,0 61,20 74,80

lSO-VG 100 100,0 90,00 110,00

ISO-VG 150 150,0 135,00 165,00

lSO-VG 220 220,0 198,00 242,00

ISO-VG 320 320,0 288,00 352,00

lSO-VG 460 460,0 414,00 506,00

lSO-VG 680 680,0 612,00 748,00

ISO-VG 1000 1000,0 900,00 1100,00

ISO-VG 1500 1500,0 1350,00 1650,00

Die bereits international eingeführte SAE-Klassifikation für Motoren- und Getriebeöle wird durch die ISO-

Norm nicht berührt oder ersetzt.

In der folgenden Tabelle sind die Viskositätswerte einiger Schmieröle einander gegenübergestellt.


15.10.14 40/48

Schmiertechnik

Daten Schmieröle

Schmieröl

Dichte dyn. Viskosität kinematische Viskosität VI

bei bei 400C bei 400C

150C

kg/m3 Ns/m2 m2/s 0E

Mobilgear 626 897 583,0 x 10-4 65,0 x 10-6 8,58 96

629 905 1294,0 x 10-4 143,0 x 10-6 18,82 92

630 909 1900,0 x 10-4 209,0 x 10-6 27,50 92

632 911 2769,0 x 10-4 304,0 x 10-6 40,00 91

634 914 3994,0 x 10-4 437,0 x 10-6 57,50 91

636 918 5930,0 x 10-4 646,0 x 10-6 84,90 90

Glygoyle 11 1005 854,0 x 10-4 85,0 x 10-6 11,20 133

22 1005 1618,0 x 10-4 161,0 x 10-6 21,19 166

30 1005 2251,0 x 10-4 224,0 x 10-6 29,50 175

80 1044 4886,0 x 10-4 468,0 x 10-6 88,10 244

Velocite Oil Nr.3 808 17,8 x 10-4 2,2 x 10-6 1,14 81

Velocite Oil Nr. 6 854 81,1 x 10-4 9,5 x 10-6 1,78 90

Velocite Oil Nr. 10 868 181,4 x 10-4 20,9 x 10-6 2,97 100

DTE Oil light 871 261,3 x 10-4 30,0 x 10-6 4,07 95

DTE Oil Medium 876 385,4 x 10-4 44,0 x 10-6 5,85 95

Vactra Oil Nr.2 889 586,7 x 10-4 66,0 x 10-6 8,71 100

Vactra Oil Heavy 884 839,8 x 10-4 95,0 x 10-6 12,51 100

Extra Hecla Zyl. Oil 924 6283,0 x 10-4 680,0 x 10-6 89,50 100

S 124 1047 1382,O x 10-4 132,0 x 10-6 17,38 210

Vacuum Pump Oil 879 624,0 x 10-4 71,0 x 10-6 9,37 97

Rarus 427 872 732,5 x 10-4 84,0 x 10-6 11,07 95

GargoyleArctic 833 516,5 x 10-4 62,0 x 10-6 8,19 148

SHC 226

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 ‚50E, 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).


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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)

S A E Maximale scheinbare Maximale Stable Kinematische

Viskosität 1) Grenzpump- Pourpoint 4) Viskosität 3)

in mPa s bei temperatur 2) bei 10000 mm2ls

Viskositätsklasse Temperautr in 0C in 0C 0C max.

min. max.

0 W 3250 bei -30 -35 -- 3.8 --

5 W 3500 bei -25 -30 -35 3.8 --

10 W 3500 bei -20 -25 -30 4.1 --

15 W 3500 bei -15 -20 -- 5.6 --

20 W 4500 bei -10 -15 -- 5.6 --

25 W 6000 bei -5 -10 -- 9.3 --

20 -- -- -- 5.6 unter

30 -- -- - 9.3 unter

40 -- -- -- 12.5 unter

50 -- -- -- 16.3 unter

60 -- -- -- 21.9 unter

1) Prüfung nach DIN 51377 (CCS-Methode)

2) Prüfung nach ASTM D 3829 und CEC L-32-T-82 (Brookfield-Methode)

3) Prüfung nach DIN 51550 in Verbindung mit DIN 51561 bzw. DIN 51562 Teil 1 (Kapillarviskosimeter)

4) 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)

S A E Höchsttemperatur für eine Kinematische Viskosität

scheinbare Viskosität von bei 100 00 nach DIN 51 550

1500 000 mPa s nach DIN 51398 mm2ls

Viskositätsklasse

min. max.

70W -55 4.1 --

75W -40 4.1 --

80W -26 7.0 --

85W -12 11.0 --

90 -- 13.5 < 24.0

140 -- 24.0 < 41.0

250 -- 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.


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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 30C über dem Stockpunkt.

Massangabe: 0C 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 3000C.

- Brennpunkt = Flammpunkt + ca. 30C


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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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2.5.2.2.2 Konsistenzklassen nach NLGI

Konsistenz- Walkpenetr. Struktur Typische Anwendung

klasse NLGI 0.1 mm DIN 51 804

000 445 - 475 fliessend Hauptsächlich für Getriebe-

00 400 - 430 fast fliessend schmierun

0 355 - 385 äusserst Zentralschmieranlage

weich

1 310 - 340 sehr weich Vor allem für WäIz- und Gleit-

2 265 - 295 weich Iagerschmierung

3 220-250 mittel

4 175 - 205 fest Dichtfette für Labyrinthe,

5 130-160 sehrfest Armaturen, usw.

6 85-115 ausserstfest Blockfette.

(NLGI National 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 Seifenhaltige Eindicker: - Lithiumseife - 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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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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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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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.

Documents

Grundlagen der Instandhaltung - fahto solutionfahto.com/files/diagnostikwtd.pdf · Kennen von Beurteilungs-, Mass-, und Prüfmethoden und sind in der Lage, diese in der Praxis anzuwenden