Wartung und Fehlerdiagnose von Drehkranzlagern: Leitfaden für Servicetechniker

Ein Drehkranzlager ist ein Ringlager mit großem Durchmesser, das die Drehbewegung des Oberwagens eines Krans oder Baggers beziehungsweise des Maschinenhauses einer Turbine unter kombinierter Belastung ermöglicht. Auch ein korrekt ausgelegtes Lager kann bereits im dritten Jahr ausfallen, obwohl es fünfzehn Jahre halten sollte – fast immer aufgrund der Art des Einbaus, der Schmierung und der Frage, ob Warnzeichen rechtzeitig erkannt wurden. Dieser Praxisleitfaden begleitet den gesamten Lebenszyklus eines Drehkranzlagers: vom Einbau des Rings über die planmäßige Schmierung und die Beurteilung von Verschleißmerkmalen bis zur Entscheidung zwischen Reparatur und Austausch.

Warum Drehkranzlager vorzeitig ausfallen (und es meist nicht am Stahl liegt)

Die richtige Auswahl des Drehkranzlagers löst Probleme mit der Tragfähigkeit, gewährleistet jedoch nicht automatisch eine lange Lebensdauer. Die Einbau- und Wartungsempfehlungen der Lagerhersteller nennen eine bemerkenswert kurze Liste grundlegender Ausfallursachen: eine unebene Montagefläche, ungleichmäßige Schraubenanzugsmomente, ein versäumter Nachschmierzyklus oder Staub und Feuchtigkeit, die durch eine defekte Dichtung eindringen.

• Einbaufehler – Montagefläche nicht eben oder Schrauben nicht gleichmäßig angezogen
• Schmierfehler – versäumte Nachschmierung oder ungeeignetes Fett
• Verunreinigung – Schmutz oder Wasser dringt durch eine beschädigte Dichtung ein
• Überlastung – Betrieb oberhalb des zulässigen Kippmoments

Keine dieser Ursachen ist auf Werkstofffehler zurückzuführen. Es handelt sich ausschließlich um Entscheidungen im laufenden Betrieb, durch die sich zwei Lager aus derselben Charge auf Maschinen mit unterschiedlichen Wartungsroutinen völlig verschieden verhalten. Das gilt gleichermaßen für einreihige Vierpunkt-Kugeldrehverbindungen, Achtpunkt-Kugeldrehverbindungen, Kreuzrollenlager und dreireihige Rollendrehverbindungen (dreireihig) – unverzahnt, außenverzahnt oder innenverzahnt – sowie für Drehkranzlager und Drehtischlager.

💡 Praxistipp

Ermüdungsbedingte Abplatzungen an der Laufbahn gelten als normaler Verschleiß, nachdem ein Lager seine gesamte nominelle Lebensdauer erreicht hat. Andere Ausfallzeichen treten lange vorher auf und werden nachstehend unter „Warnzeichen richtig deuten“ erläutert.

Dieser Leitfaden folgt ab hier dem Lebenszyklus des Lagers: Er erläutert den korrekten Einbau und die richtige Schmierung, die frühzeitige Erkennung möglicher Probleme sowie den richtigen Zeitpunkt für die Entscheidung zwischen Reparatur und Austausch. Aubriks Leitfaden zur Spezifikation und Auswahl von Drehkranzlagern erklärt, wie die richtige Ringbauart, die passenden Abmessungen und die erforderliche Momentberechnung gewählt werden.

Einbau: Prüfung des Kraftflusses

Die Befestigungsschrauben nehmen die Belastung des Rings auf und leiten sie in die Tragstruktur der Maschine ein, bevor sie überhaupt die Laufbahn erreicht – sowohl der Innen- als auch der Außenring ist auf diese Klemmkraft angewiesen, damit der Kraftfluss bei der Drehbewegung korrekt ausgerichtet bleibt. Ist dieser Kraftfluss ungleichmäßig – weil die Montagefläche nicht eben ist oder die Schrauben nicht in der richtigen Reihenfolge angezogen wurden –, gerät der Ring in einen Spannungszustand, für den er nie ausgelegt wurde.

Anziehen der Schrauben: Die Reihenfolge ist ebenso wichtig wie das Anzugsmoment

Der Zahlenwert allein ist nur die halbe Lösung. Die Empfehlungen der National Academies zur Schraubenvorspannung sehen ein stufenweises Anziehen vor, um eine Schraubenverbindung gleichmäßig zu verspannen: zunächst handfest, dann auf ungefähr 25 % des Soll-Anzugsmoments und anschließend auf etwa 50 %, 75 % und schließlich 100 %, jeweils über Kreuz oder sternförmig statt der Reihe nach entlang des Umfangs. Eine häufige Abkürzung besteht darin, die Schrauben nacheinander rund um den Ring vorzuspannen; dadurch werden die zuletzt angezogenen Schrauben im Vergleich zu den zuvor angezogenen fast zwangsläufig einer übermäßigen Druckbelastung ausgesetzt.

• ✔ Reinigen Sie unbedingt die Anlagefläche des Lagers und vergewissern Sie sich, dass keine Verunreinigungen unter dem Ring eingeschlossen sind. Diese verursachen selbst bei einer präzisionsbearbeiteten Fläche dieselben Auswirkungen wie ein Ebenheitsfehler.
• ✔ Stellen Sie sicher, dass Ihre Schrauben der vom Hersteller vorgeschriebenen Festigkeitsklasse entsprechen (in der Regel einer Festigkeitsklasse nach ISO 898-1); eine Schraube mit niedrigerer Festigkeitsklasse erzeugt selbst beim richtigen Anzugsmoment keine ausreichende Klemmkraft.
• ✔ Ziehen Sie die Schrauben weiter versetzt und sternförmig an und prüfen Sie anschließend erneut die zuerst angezogenen Schrauben, um sicherzustellen, dass sie sich durch die beim Anziehen benachbarter Schrauben eingebrachten Spannungen nicht gelockert haben. Durch elastische Wechselwirkungen lässt die Vorspannung zuvor angezogener Schrauben häufig nach, wenn benachbarte Schrauben festgezogen werden.

Servicetechniker weisen immer wieder darauf hin, wie großen Schaden eine lose montierte Schraube anrichten kann, bevor jemand das Problem bemerkt. In einem sehr beliebten Demontagebeitrag über den Austausch eines Drehkranzlagers schrieb jemand:

“wenn Sie die Schrauben nicht vollständig einsetzen, können sie sich verbiegen oder abbrechen, oder Sie können die Gewinde aus dem Bauteil reißen.”

r/EngineeringPorn, Servicethread zu Drehkranzlagern

Wenn der Lagerring ordnungsgemäß an der Welle und der Montagekonstruktion befestigt ist, ist die Prüfung des Kraftflusses abgeschlossen – das Lager wird nun genau so belastet, wie es seine Tragfähigkeitsangaben vorsehen. Wenn Sie ein Lager auswählen, statt ein bereits vorhandenes einzubauen, sollten Sie die belastungsbezogene Seite dieser Entscheidung mit einem Werkzeug wie Aubriks Kippmomentrechner prüfen.

Schmierung und Nachschmierintervalle nach Einschaltdauer

Die veröffentlichten Herstellerangaben dazu, wie häufig ein Drehkranzlager nachgeschmiert werden muss, sind bemerkenswert uneinheitlich – einige Dokumente nennen ein Zeitfenster von 50 bis 500 Stunden, andere pauschal 100 Stunden, wieder andere staffeln das Intervall nach der Maschinengeschwindigkeit, und eine im MIT-Archiv verfügbare SKF-Referenz zur Lagerwartung weist darauf hin, dass sich das Fett selbst während der Lagerung mit der Zeit zersetzt, noch bevor das Lager eine einzige Stunde gelaufen ist. Lassen Sie sich von diesen Unterschieden nicht irritieren: Der Schmierbedarf eines Lagers hängt stärker von seiner Betriebsumgebung als vom Lager selbst ab – ein fettgeschmiertes Drehkranzlager in einem Bergbaugerät wie einem Absetzer, Rücklader oder Lader benötigt ein kürzeres Intervall als dieselbe Bauart in einem Reinraum-Drehturm oder einer Walzwerksanlage, und keiner dieser Schmierpläne gilt für kleine selbstschmierende Gleitlager, die gelegentlich in leicht belasteten Drehtischen eingesetzt werden. Viele dieser Ringe sind für Anwendungen mit intermittierender Drehbewegung ausgelegt, bei denen gleichzeitig hohe Radial-, Axial- und Momentbelastungen aufgenommen werden müssen; genau deshalb behandelt die nachstehende Tabelle zur Einschaltdauer die Umgebung und nicht die Lagerbauart als entscheidenden Faktor.

Die Verträglichkeit des Schmierstoffs kann ebenso wichtig sein wie die Schmierhäufigkeit. Wird ein Fett mit einem anderen Verdicker als dem bereits im Lager verwendeten eingesetzt, beeinträchtigt dies die Struktur beider Schmierstoffe, anstatt den vorhandenen Schmierstoff einfach zu ergänzen – deshalb sind die vom Hersteller vorgeschriebenen Schmierstoffarten grundsätzlich als verbindlich und nicht nur als erste Empfehlung anzusehen.

Verschleiß- und Ausfallzeichen: Praxisschlüssel mit 9 Verschleißsignalen

Die meisten Probleme mit Drehkranzlagern kündigen sich vor dem vollständigen Ausfall oder Festfressen durch erste Symptome an – etwa leichte Geräusche oder einen geringfügig höheren Energieverbrauch –, wobei die eigentliche Schwierigkeit darin besteht, die Bedeutung dieser unterschiedlichen Symptome in ihrer Gesamtheit zu erkennen. Eine wissenschaftlich begutachtete Studie zur Zustandsbewertung von Lagern spricht genau für diese Art der intervallbasierten Signalverfolgung, anstatt auf ein einzelnes schwerwiegendes Ausfallereignis zu warten. Die Bauteile eines Drehkranzlagers sind für ein optimales Verhältnis von Wirtschaftlichkeit und Tragfähigkeit bei einer gegebenen Belastung in zahlreichen Anwendungen mit intermittierender Drehbewegung ausgelegt, vom Schalttisch bis zum Getriebeantrieb eines Absetzers; Kugeldrehverbindungen, die gelegentlich als Drehkranz-Kugellager angeboten werden, sind die einfachsten auf dem Markt verfügbaren Drehkranzlagerlösungen, und das Verständnis des Querschnitts und der Funktionsweise eines Drehkranzlagers erleichtert das Lesen der nachstehenden Diagnosetabelle.

Wie lange hält ein Drehkranzlager?

Für die Lebensdauer gibt es keinen allgemeingültigen Einzelwert – sie hängt wesentlich stärker von der Einschaltdauer und der Wartungsqualität als von den Tragfähigkeitsangaben des Lagers ab. Ein Krandrehkranz, der regelmäßig geschmiert und dessen Schrauben planmäßig geprüft werden, erreicht im Baustelleneinsatz üblicherweise eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren; ein Azimut- oder Blattlager einer Windenergieanlage wird häufig für eine Projektlebensdauer der Anlage von 20 Jahren ausgelegt. Beides setzt voraus, dass die Wartungsvorgaben dieses Leitfadens tatsächlich befolgt wurden – werden sie vernachlässigt, fällt jedes der beiden Lager deutlich vor Ablauf dieses Zeitraums aus.

“Bei einer Schwenkanwendung kann die am stärksten belastete Kugel ein Mehrfaches der durchschnittlichen Last aufnehmen, daher muss die Diagnose vor Ort bereits die frühesten Anzeichen erkennen — und darf nicht warten, bis das Lager durch Blockieren um ‘Hilfe’ ruft.”

Aubrik Engineering Team, Abteilung für Drehkranzlager und Antriebe

Die gut dokumentierte Demontage eines Technikers zeigt, wann ein Drehlager repariert und wann es ausgesondert werden sollte: Bei einem verunreinigten, aber nicht physisch verformten Lager sind häufig eine gründliche Reinigung und neue Kugeln sinnvoll. Wie diese Entscheidung getroffen wird, folgt im nächsten Abschnitt.

Kreuzrollen-, Kugel- oder Dreireihenlager: Unterschiede im Verschleißverhalten

Aubriks Entscheidungsbaum von der Bauart zur Belastung erläutert, welche Bauart – Vierpunkt-Kugellager, Kreuzrollenlager oder dreireihiges Rollenlager – für einen bestimmten Lastfall zu beschaffen ist; außerdem behandelt er Werkstoffe, von herkömmlichem Wälzlagerstahl bis zu korrosionsbeständigen Varianten für Anwendungen, bei denen die Korrosionsbeständigkeit wichtiger als die reine Tragfähigkeit ist. Nach dem Einbau eines Drehlagers sorgen die unterschiedlichen Alterungseigenschaften der Bauarten jedoch dafür, dass ihre tägliche Wartung keineswegs identisch ist.

Präzisionsstufen bei Kreuzrollenlagern: Wartungsaufwand nach Bauart

Die optimale Bauart lässt sich nach dem Einbau eines Lagers nicht mehr ändern, doch ihr individuelles Alterungsverhalten beeinflusst die erforderliche Wartung. Ein Kreuzrollenlager, das für präzise Bewegungen in einem Roboterkopf eingebaut ist, erfordert beispielsweise kürzere Intervalle für die Ebenheitsprüfung der Montagefläche als ein Vierpunkt-Kugellager in einer Kranschwenkanwendung; unter vergleichbaren Bedingungen können für beide jedoch ähnliche Prüfintervalle gelten.

Reparieren, aufarbeiten oder austauschen? Das Kippmoment-Arbeitsblatt

Nur weil ein Drehlager noch nicht physisch ausgefallen ist, muss sein Betrieb nicht sicher sein. Folgende Faktoren entscheiden, ob der Verschleiß ein Ausschlusskriterium darstellt:

Berechnungsbeispiel: Der Bediener eines Krans stellt an einem Lager ein Axialspiel von 1.4mm fest, während die OEM-Spezifikation 1.0mm vorgibt und der bei der Inbetriebnahme ermittelte Ausgangswert 0.3mm betrug. Dieser Zustand liegt außerhalb der schriftlich festgelegten Grenzwerte; nach der oben beschriebenen Logik muss das Lager daher von einer qualifizierten Person geprüft werden, statt sich auf eine Einschätzung in der Werkhalle zu verlassen – die Prüfung entscheidet, ob das Lager ausgetauscht wird.

Prüfung eines Ersatzrings: Checkliste für die Beschaffung aus China

Nachdem die Entscheidung zum Austausch des Lagers gefallen ist, kann die Beschaffung des Bauteils ebenso entscheidend wie das Lager selbst sein. Aubriks direkt über den Hersteller abgewickelter Ersatzprozess für die ursprüngliche Lagerproduktlinie – der Kundenanforderungen von kleinen Drehkranzlagern mit wenigen hundert Millimetern Durchmesser bis hin zu Ringen mit mehreren Metern Durchmesser sowie Varianten aus Standardstahl oder korrosionsbeständigem Stahl abdeckt – wird auf der Seite zu Drehkranzlagern erläutert; die nachstehende Checkliste gilt sowohl bei einer Nachbestellung beim ursprünglichen Hersteller als auch bei der Wahl eines neuen Lieferanten.

• Prüfen Sie, ob die Teilenummer mit dem ursprünglichen Bezeichnungscode übereinstimmt – dieser umfasst neben dem Außendurchmesser auch Lagerbohrung, Verzahnungsart und Lochbild; bei kleinen Ringen im Bereich von 80 mm bis 310 mm kann die Verzahnungsart ebenso leicht verwechselt werden wie bei großen.
• Verlangen Sie einen Nachweis über die Härte der Lagerlaufbahn einschließlich der Tiefe der gehärteten Randschicht – eine Lagerlaufbahn kann eine Oberflächenprüfung bestehen und dennoch nicht über eine ausreichende Einsatzhärtetiefe verfügen, um die Nennlast aufzunehmen.
• Fordern Sie für die spezielle, für das Originalbauteil vorgesehene Legierung Rückverfolgbarkeitsunterlagen in Form eines Werkszeugnisses an.
• Vergleichen Sie die angegebene Lieferzeit mit der Fertigungskapazität und nicht nur mit einer Vertriebsschätzung; lassen Sie sich das konkrete Werk und den für das Lager vorgesehenen Platz im Produktionsplan nennen.

Zustandsüberwachung und der Wandel zur vorausschauenden Instandhaltung

Drehkranzlager befinden sich üblicherweise innerhalb der Maschinenstruktur – unter einer drehbaren Plattform oder im Schwenkrahmen eines Krans – und sind daher weniger leicht zugänglich als ein außen montiertes Wellenlager; zudem birgt der Ausfall eines Drehkranzlagers, wie bereits erläutert, Kipp- und Stahlbaurisiken, die ihn sicherheitskritisch machen und nicht nur die Produktivität beeinträchtigen. Zusammengenommen sprechen diese beiden bekannten Tatsachen bei dieser speziellen Lagerbauart stärker für eine integrierte Zustandsüberwachung als eine allgemeine Argumentation zur digitalen Transformation – diese Einschätzung leitet der Leitfaden aus den bereits dargelegten Zugänglichkeits- und Sicherheitsaspekten ab und nicht aus den Aussagen einer einzelnen Studie.

Patentaktivitäten bestätigen den aktuellen technischen Entwicklungsschwerpunkt

Die jüngsten Patentaktivitäten bestätigen dies: Das 2024 angemeldete US-Patent US20240068908A1 behandelt ein auf Schallemissionen basierendes System, das Schäden an der Laufbahn erkennt, bevor sie physisch erkennbar sind. Ein älteres deutsches Gebrauchsmuster, DE20316544U1, geht noch weiter und beschreibt ein Überwachungssystem, das speziell für Großwälzlager entwickelt wurde. Dies deutet auf einen anhaltenden technischen Schwerpunkt und nicht auf eine nicht weiterverfolgte Idee hin.

Obwohl der Markt für vorausschauende Instandhaltung insgesamt Berichten zufolge einen zweistelligen Milliardenumfang erreichen und bis weit in die frühen 2030er-Jahre wachsen dürfte, ist die Größe dieses Marktes nicht die eigentliche Begründung für Investitionen in die Überwachung eines bestimmten Lagers. Ist das Lager nur schwer visuell zu prüfen und wäre eine mögliche Ausfallart sicherheitskritisch, stellt die Messtechnik vielmehr angemessene Versicherungskosten vor der nächsten planmäßigen Demontage dar – nicht danach.

• Wenn der Strom des Antriebsmotors bereits protokolliert wird, sollte dieser Parameter im Zeitverlauf mit den bei der Inbetriebnahme erfassten Ausgangswerten verglichen werden.
• Mit einem tragbaren Schwingungsanalysegerät bei jeder Inspektion lassen sich viele der Probleme erkennen, die auch ein fest installiertes System aufdecken könnte, jedoch zu wesentlich geringeren Kosten; der weiter oben in diesem Leitfaden aufgeführte Praxisschlüssel für Verschleißsignale erläutert, wie die erkannten Abweichungen zu interpretieren sind.
• Diese Überlegung zur erschwerten Zugänglichkeit gilt für ein Großwälzlager in einem Bagger ebenso wie für eines in einem Kran – bei einem Bagger mit Drehkranz ist die Laufbahn genauso vollständig verdeckt wie bei einem Kran, weshalb sich die Überwachung gerade bei dieser Großwälzlageranwendung am schnellsten amortisiert.

Häufig gestellte Fragen