Brückenkran-Getriebe Fehlerdiagnose: Schwingungsmessung & Ölanalyse

Das Getriebe ist das teuerste Antriebsbauteil an einem Brückenkran. Das Hubgetriebe eines 30-t-Brückenkrans kostet zwischen 30.000 und 80.000 EUR. Bei einem Zahnbruch muss das gesamte Getriebe ausgebaut und ersetzt werden – inklusive Produktionsausfall und Arbeitsaufwand entstehen Kosten von mindestens 100.000 EUR. Dabei arbeitet das Getriebe unter den härtesten Bedingungen: häufige Schwerlaststarts, hohe Schlaglasten, extreme Hitze und Staubbelastung. Anders als ein Motor lässt sich ein Getriebe nicht einfach tauschen – der Aus- und Einbau des Getriebegehäuses dauert eine Woche.

Die Fehlerdiagnose an Getrieben ist deutlich komplexer als bei Motoren. Die charakteristischen Fehlerfrequenzen eines Motors sind fest definiert (Drehfrequenz × Polzahl / Konstante) – ein Modell deckt alle Motoren ab. Bei Getrieben hingegen hat jedes Exemplar ein anderes Übersetzungsverhältnis, andere Zahnräder und Lagertypen. Die charakteristischen Frequenzen müssen anhand der tatsächlichen Parameter berechnet werden, bevor das Frequenzspektrum gezielt analysiert werden kann. Dieser Beitrag kombiniert zwei Signalpfade – Schwingungsüberwachung und Ölanalyse – und deckt damit die drei Hauptschadensbilder Lagerermüdung, Zahnverschleiß und Zahnbruch ab, mit einem Vorlauf von 2 bis 6 Wochen.

Die Investition beträgt 30.000 bis 80.000 EUR pro Getriebe (inkl. Sensor, Erfassungskarte, KI-Software sowie Montage & Inbetriebnahme). Rechnet man mit einem vermiedenen Zahnbruch pro Getriebe, ergibt sich ein Kosten-Nutzen-Verhältnis von mindestens 1:5.

Zweistufige Diagnosearchitektur für Brückenkran-Getriebe

Schwingungsüberwachung: Messpunktanordnung

Bei der Auswahl des Sensors sowie der Motordiagnose gilt: Ein IEPE-Beschleunigungssensor mit 100 mV/g ist die erste Wahl. Die charakteristischen Frequenzen des Getriebes liegen üblicherweise unter 2 kHz (die Verzahnungsfrequenz berechnet sich aus Zähnezahl × Eingangsdrehzahl / 60 und liegt meist zwischen 500 und 2.000 Hz). Eine Abtastrate von 10 kHz ist daher völlig ausreichend.

Berechnung der charakteristischen Frequenzen

Dies ist der zentrale und zugleich am häufigsten übersehene Schritt bei der Getriebediagnose. Wer die Leistungsschilddaten des Getriebes ignoriert, wird im Spektrum nicht erkennen können, welcher Peak auf einen Fehler hinweist.

def calc_gearbox_frequencies(z1, z2, n_input): \\\\"\\\\"\\\\"Berechnung der charakteristischen Frequenzen des Getriebes z1: Zähnezahl des Antriebsrades z2: Zähnezahl des Laufrades n_input: Drehzahl der Antriebswelle(rpm) \\\\"\\\\"\\\\" fi = n_input / 60.0 # Rotationsfrequenz der Antriebswelle(Hz) n_output = n_input * z1 / z2 fo = n_output / 60.0 # Rotationsfrequenz der Abtriebswelle(Hz) gmf = fi * z1 # Zahnfrequenz (Verzahnungsfrequenz)(Hz) return { 'input_shaft': fi, 'output_shaft': fo, 'mesh_freq': gmf, 'sideband': fi }

Beispiel: z1=23, z2=87, Eingangsdrehzahl 980 U/min. Die Verzahnungsfrequenz ergibt sich zu 23 × 980 / 60 = 375,7 Hz. Ein defekter Zahn erzeugt Seitenbänder um 375,7 Hz mit einem Abstand von 16,3 Hz – genau dieses Frequenzfenster wird vom KI-System gezielt überwacht.

Fehlermuster und Vibrationscharakteristik

Ölanalyse als Diagnoseunterstützung

Die optimale Frequenz für die Ölanalyse liegt bei einmal monatlich. Nach einer Generalüberholung oder einem Ölwechsel ist eine zusätzliche Messung empfehlenswert. Steigt die Eisenkonzentration drei Monate in Folge um mehr als 50 %, sollte auch ohne vorherigen Schwingungsalarm eine frühzeitige Öffnung des Getriebes zur Inspektion eingeplant werden.

Wichtige Punkte zur technischen Umsetzung

1. Die richtige Sensorposition ist zehnmal wichtiger als der Sensor selbst. Ein Sensor, der auf einer Versteifungsrippe des Gehäuses montiert ist, liefert im Vergleich zu einer Montage direkt über dem Lagergehäuse ein um den Faktor 10 schwächeres Signal. Vor der ersten Positionierung sollte die Getriebezeichnung herangezogen werden, um die Projektionsposition der Lagergehäuse auf dem Gehäuse zu ermitteln. Nach der Montage ist die Position durch einen Abklopftest zu verifizieren.

2. Unterschiedliche Betriebszustände erfordern separate Modelle. Das Brückenkran-Getriebe wird in drei Betriebsmodi unterteilt: Heben, Senken und Leerlauf. Beim Heben ist die Last hoch, die Drehzahl stabil und das Signal am saubersten. Beim Senken treten mitunter andere Schwingungscharakteristiken durch Rückspeise-Bremsung auf. Ein separater AI-Klassifikator für jeden Modus erreicht eine um 5 bis 8 Prozentpunkte höhere Genauigkeit als ein einziges allgemeines Modell.

3. Die Basisdatenerfassung sollte mindestens zwei Wochen laufen. In den ersten zwei Wochen nach der Installation wird nur gemessen, ohne Alarme auszulösen – so wird die Schwingungsbasislinie für den Normalbetrieb der Anlage erstellt. Da die absoluten Schwingungsamplituden jedes Getriebes unterschiedlich sind, führen absolute Schwellenwerte zwangsläufig zu Fehlalarmen. Nach zwei Wochen wird ein dynamischer Schwellenwert aus dem Mittelwert der Basislinie ± 3σ gebildet.

4. Die Prognose von Zahnbruch basiert auf Trends, nicht auf Einzelwerten. Ein einzelner Messwert mit erhöhter Seitenbandenergie kann auf Lastschwankungen zurückzuführen sein. Erst wenn drei aufeinanderfolgende Messungen (im Abstand von mindestens einem Tag) einen steigenden Trend zeigen, handelt es sich um einen echten Alarm. Durch einen nachgeschalteten Trendfilter nach der AI-Modellausgabe sinkt die Fehlalarmrate von 15 % auf unter 2 %.

Häufig gestellte Fragen

Fazit

Die Fehlerdiagnose an Getrieben ist anspruchsvoller als bei Motoren, aber der Nutzen ist entsprechend größer – bei einem Anschaffungswert von rund 80.000 EUR pro Getriebe entstehen bei frühzeitiger Zahnbruchprognose und Austausch lediglich Materialkosten. Kommt es dagegen erst nach einem Zahnbruch zum Stillstand, können umherfliegende Zahnradfragmente das Gehäuse beschädigen und die Wartungskosten verdoppeln. Nach der Implementierung in drei Fabriken konnte die Anzahl ungeplanter Stillstände durch Getriebeschäden um über 80 % reduziert werden.