Hochgeschwindigkeits-Lagerdauerprüfung bis 70.000 U/min.

Lagerlebensdauerprüfung bei Ultrahochgeschwindigkeit und kombinierter Belastung

In kritischen Systemen sind Lager oft der schwächste Einzelpunkt, der eine ganze Maschine zum Ausfall bringen kann. Ein festgefressenes Lager in einem Flugtriebwerk, ein ausgefallenes Lager in einem Hochgeschwindigkeitsgetriebe oder ein thermisches Durchgehen in einem Turbolader kann Missionsabbruch, ungeplanten Stillstand oder katastrophale Schäden bedeuten. Dennoch wird die Lagerlebensdauer in den meisten Programmen noch immer weitgehend aus Katalogdaten, Sicherheitsfaktoren und Annahmen vorhergesagt. Der Hochgeschwindigkeits-Lagerdauerprüfstand soll diese Annahmen beseitigen — er bildet die reale Belastung nach, der Lager im Betrieb ausgesetzt sind, und liefert harte, instrumentierte Belege dafür, wie sich ein Lager tatsächlich verhält und versagt.

Funktionsziel & Prüffähigkeit

Der Kernzweck des Prüfstands ist die Beantwortung einer grundlegenden Frage: “Wie verhalten sich schnelllaufende Lager über ihre Lebensdauer unter meinen spezifischen Betriebsbedingungen wirklich?” Dafür ist der Prüfstand ausgelegt, um:

• Die Dauerlauf-Lebensdauer von Wälzlagern bei variabler Radiallast, variabler Axiallast (Schub), Drehzahlen von niedrigen U/min bis ~70.000 U/min, kontrolliertem Schmierstrom/-druck und kontrollierter Öltemperatur (einschließlich Hochtemperatur-Dauerlauf) zu messen
• Wichtige Leistungskennzahlen während des Versuchs zu erfassen und zu protokollieren — Entwicklung von Drehmoment/Reibung, Drehzahl und Drehzahlstabilität, Radial- und Axiallastniveaus, Öldruck/-temperatur/-durchfluss und Vibrationspegel über einen externen Analysatoreingang
• Realistische Prüfszenarien zu ermöglichen — Dauerläufe bei konstanter Last/Drehzahl, mehrstufige oder gerampte Lasten bei fester Drehzahl, temperaturbeschleunigte Lebensdauerversuche und Vergleichsversuche für Lager, Schmierstoffe oder Beschichtungen

Das System ist für Langzeitversuche mit teilweise unbeaufsichtigtem Betrieb ausgelegt, mit angemessenen Verriegelungen und Überwachung zum Schutz von Bediener und Anlage.

Systemarchitektur, Teilsystem für Teilsystem

Der Prüfstand ist um einen leistungsstarken Antriebsstrang, ein präzises Hochgeschwindigkeitsgetriebe, eine Lagerbelastungsvorrichtung und unabhängige Schmiersysteme aufgebaut, alles integriert in ein PC-basiertes Steuerungs- und Messdatenerfassungssystem auf einem Gusseisen-Grundrahmen.

Antriebssystem & Hochgeschwindigkeitsgetriebe

Der Antriebsmotor ist eine ~113 kW, 415 V 3-phasige Wechselstrommaschine mit einem industriellen Vektorregelantrieb, Nenndrehzahl ~2900 U/min mit Fähigkeit bis ~5000 U/min, Encoder-Rückführung für geschlossene Drehzahlregelung und konfigurierbaren Beschleunigungs-/Verzögerungsrampen zur Minimierung mechanischer Stöße. Um Spindeldrehzahlen bis 70.000 U/min zu erreichen, treibt der Motor ein eigenes zweistufiges, einfach schrägverzahntes Parallelwellengetriebe nach AGMA 6011 I-03 an, mit hydrodynamischen Gleitlagern (Stahlrücken, Weißmetallauskleidung) für den Dauerbetrieb bei hoher Drehzahl mit geringer Vibration.

Lagergehäuse, Spindel & mechanische Struktur

Die gesamte Baugruppe — Motor, Getriebe, Lagervorrichtung — ist auf einem Gusseisenbett montiert, für hohe Biegesteifigkeit (hält die Wellenausrichtung unter Last) und hervorragende Schwingungsdämpfung. Die Lagerbelastungsvorrichtung besteht aus einer präzisionsgeschliffenen Spindelwelle, die das Prüflager sowie Stützlager/-scheiben trägt, anpassbaren Scheiben und Distanzstücken passend zur Geometrie des Prüflagers (z. B. 20 × 47 × 14 mm) und einem zweiteiligen Gehäuse, das Abstützung (unteres Gehäuse) von Lastübertragung (oberes Gehäuse) trennt. Eine eigene Einführ- und Demontagevorrichtung vermeidet Schäden bei Montage/Demontage und beschleunigt Lagerwechsel zwischen den Versuchen.

Aufbringung von Radial- & Axiallast

Die Radiallast wird von einem pneumatischen Luftbalg erzeugt, der über einen Radiallast-Stift auf das obere Gehäuse wirkt und von einer Radiallast-Kraftmessdose gemessen wird — bis etwa 25 kN (≈2,5 Tonnen), sanft einstellbar über den Luftdruck. Die Axiallast (Schub) wird über kompakte Pneumatikzylinder aufgebracht, die für rein axiale Kraft auf die Lagerscheibe angeordnet und von Axiallast-Kraftmessdosen gemessen werden — bis etwa 2,5 kN. Filterregler, elektropneumatische (E/P) Regler und 5/2- & 3/2-Magnetventile, 24 V DC, vervollständigen die pneumatische Steuerung für klar definierte Lastprofile.

Schmierung & Wärmemanagement

Das Lagerschmieraggregat liefert Öl bei kontrolliertem Druck, Durchfluss und kontrollierter Temperatur — Behälter, Pumpe, Filtration und Rücklaufleitungen für Dauerbetrieb, eine elektrische Heizung hebt die Öltemperatur von der Umgebung (~35°C) bis etwa 200°C an, und ein Proportional-Mengenregelventil dient der elektrischen Durchflusseinstellung. Ein separates Getriebeschmieraggregat erhält bei hoher Drehzahl einen stabilen hydrodynamischen Ölfilm. Je nach Medienversorgung des Standorts können beide Systeme an einen externen Kühler oder einen Kühlwasserkreislauf zur Wärmeabfuhr bei langen Versuchen angeschlossen werden.

Messtechnik, Überwachung & Datenerfassung

Die typische Messtechnik umfasst einen berührungslosen Drehmomentsensor (0–50 N·m typisch), Drehzahlmessung mit Sensorfähigkeit 0–80.000 U/min, Radiallast-Kraftmessdose (bis ~25 kN), Axiallast-Kraftmessdosen (bis ~2,5 kN gesamt), Öldruck- und Temperaturmessumformer, Volumenstromanzeige sowie digitale Statussignale für Pumpen, Heizungen, Füllstands-/Endschalter, Not-Halt und Verriegelungen. Lokale Tafelanzeigen zeigen Drehmoment, Drehzahl, Last, Druck, Temperatur und Durchfluss in Echtzeit mit konfigurierbaren Alarmgrenzen an. Ein PC oder Industrie-PC mit eigener Erfassungshardware sammelt alle analogen und digitalen Signale, zeigt Echtzeitwerte und Trends in der HMI an und protokolliert alle relevanten Daten mit Zeitstempeln und Versuchskennungen — für statistische Lebensdaueranalysen, Schadensuntersuchungen, Lieferantenvergleiche und Berichte.

Sicherheit & Betriebsphilosophie

Aufgrund der hohen Drehzahlen und der gespeicherten Energie ist der Prüfstand mit einem mehrschichtigen Sicherheitskonzept ausgelegt:

• Mechanische Schutzeinrichtungen um alle rotierenden und beweglichen Teile
• Not-Halt-Kreise — ein Antriebs-Not-Halt zum Abschalten der Motorleistung und Abbremsen des Systems sowie ein System-Not-Halt zum sicheren Herunterfahren von Schmierung und Hilfssystemen
• Verriegelungen, die den Start eines Versuchs verhindern, wenn Schmierdruck/-durchfluss unzureichend ist, Öltemperaturen außerhalb des Bereichs liegen, der pneumatische Druck für die Belastung nicht verfügbar ist oder ein kritischer Alarm aktiv ist
• Betriebsverfahren, die verlangen, dass Schmiersysteme vor dem Aufbringen von Drehzahl/Last gestartet und stabilisiert werden, definierte Warmlaufzeiten eingehalten werden und kein manueller Eingriff erfolgt, während der Versuch läuft oder Bauteile rotieren

Das Grundprinzip: Kein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist möglich, solange nicht bestätigt ist, dass Schmierung, Belastung und Sicherheitsbedingungen in Ordnung sind.

Wichtigste Vorteile

• Realistische, hochwertige Dauerlaufdaten unter kombinierten Bedingungen von Drehzahl, Last und Temperatur
• Hohe Wiederholbarkeit durch eine steife mechanische Struktur und präzise Regelung von Schmierung und Lasten
• Tiefe Einsicht in das Lagerverhalten, die bessere Konstruktionsentscheidungen und ein besseres Lieferantenmanagement ermöglicht
• Umfassende digitale Aufzeichnungen, die Qualifizierung, Zertifizierung und Fehlersuche unterstützen
• Flexibilität zur Anpassung an unterschiedliche Lagergrößen, Lastniveaus und Prüfkonzepte