DE102017200964A1 - Measuring device and measuring method for detecting mixed friction events and / or stick-slip events - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung von Mischreibungsereignissen und / oder Stick-Slip-Ereignissen an und / oder in einem rotatorisch beweglichen Bauteil (10), gekennzeichnet durch mindestens ein Sensorelement (1) zur Detektion von Bewegungen (B) im Material des Bauteils (10), insbesondere Verformungen und / oder Schwingungen an und / oder im Bauteil (10), wobei das mindestens eine Sensorelement (1) mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung (20) gekoppelt ist und die Datenverarbeitungsvorrichtung (20) ein Rechenmittel (21) zur Auswertung der Frequenzen der Bewegungen (B), der Amplituden der Bewegungen (B), der Änderungen der Frequenzen und / oder der Änderungen der Amplituden aufweist, wobei in Abhängigkeit von der Auswertung der Frequenzen der Bewegungen (B), der Amplituden der Bewegungen (B), der Änderungen der Frequenzen und / oder der Änderungen der Amplituden und bei Vorliegen einer vorbestimmten Bedingung, insbesondere eines Schwellenwertes automatisch ein erstes Signal (S1) über das Vorliegen eines Mischreibungsereignisses und / oder eines Slip-Stick Ereignisses im Bauteil (10), erzeugbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Messverfahren.The invention relates to a measuring device for detecting mixed friction events and / or stick-slip events on and / or in a rotationally movable component (10), characterized by at least one sensor element (1) for detecting movements (B) in the material of the component ( 10), in particular deformations and / or oscillations on and / or in the component (10), wherein the at least one sensor element (1) is coupled to a data processing device (20) and the data processing device (20) has a computing means (21) for evaluating the frequencies the movements (B), the amplitudes of the movements (B), the changes of the frequencies and / or the changes of the amplitudes, whereby in dependence of the evaluation of the frequencies of the movements (B), the amplitudes of the movements (B), the Changes in the frequencies and / or changes in the amplitudes and in the presence of a predetermined condition, in particular a threshold automatically ei n first signal (S1) on the presence of a mixed friction event and / or a slip-stick event in the component (10) can be generated. The invention also relates to a measuring method.
Description
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung von Mischreibungsereignissen und / oder Stick-Slip-Ereignissen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Messverfahren zur Erfassung von Mischreibungsereignissen und / oder Stick-Slip-Ereignissen mit den Merkmalen des Anspruchs 18.The invention relates to a measuring device for detecting mixed friction events and / or stick-slip events having the features of
Bei Mischreibungsereignissen liegt eine Koexistenz von Festkörperreibung und Fluidreibung vor, die z.B. bei unzureichender Schmierung oder zu Beginn der Bewegung zweier Reibpartner (d.h. Festkörpern) mit Schmierung auftreten können. Dabei berühren sich die Gleitflächen punktuell. Bei der Mischreibung wird ein Teil der Belastung vom Schmierfilm, der elastohydrodynamisch oder hydrodynamisch erzeugt werden kann, und ein anderer Teil von den kontaktierenden Rauheitshügeln aufgenommen.In mixed friction events, there is a coexistence of solid friction and fluid friction, e.g. inadequate lubrication or at the beginning of the movement of two friction partners (i.e., solids) with lubrication. The sliding surfaces touch at points. In mixed friction, part of the load from the lubricating film, which may be generated elastohydrodynamically or hydrodynamically, and another part from the contacting roughening hills are taken up.
Die Reibungskraft im Mischreibungsbereich ist geschwindigkeitsabhängig und lässt sich in rotatorisch beweglichen Bauteilen wie z.B. Gleitlagern beobachten. Dabei nimmt die Reibkraft oder das Reibmoment mit steigender Gleitgeschwindigkeit ab, bis reine Fluidreibung auftritt und die Reibflächen trennt.The frictional force in the mixed friction region is speed-dependent and can be used in rotationally movable components, such as, for example, Observe sliding bearings. In this case, the friction force or the friction torque decreases with increasing sliding speed until pure fluid friction occurs and separates the friction surfaces.
Bei weiter steigender Gleitgeschwindigkeit nimmt dann die Reibkraft / das Reibmoment wieder zu. Im Mischreibungsgebiet nimmt der Verschleiß ähnlich mit dem Reibmoment ab, bis die Gleitgeschwindigkeit die nahezu verschleißfreie Fluidreibung erreicht hat. Die Mischreibung ist daher im Dauerbetrieb eines rotatorisch beweglichen Bauteils stets unerwünscht.As the sliding speed increases further, the frictional force / friction torque then increases again. In the mixed friction region, the wear decreases similarly with the friction torque until the sliding speed has reached the almost wear-free fluid friction. The mixed friction is therefore always undesirable in continuous operation of a rotatable component.
Stick-Slip-Ereignisse, auch Haftgleitereignisse oder Reibschwingungen genannt, treten beim Zurückgleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern auf. Bekannte Beispiele sind knarrende Türen oder ähnliche Quietschgeräusche. Stick-Slip-Ereignisse treten auf, wenn die Haftreibung merklich größer ist als die Gleitreibung. An den Gleitflächen (d.h. Kontaktflächen) der beteiligten Festkörper liegt eine momentane Haftung und Verspannung vor, die sich erst nach einer gewissen Zeit (z.B. 0.1 s oder weniger) wieder löst. Nach dem Lösen liegt wieder eine (hydrodynamisch) Gleitreibung vor. Stick-Slip-Ereignisse sind eine Möglichkeit, um die Mischreibungsgrenze zu erfassen.Stick-slip events, also known as stick slip events or friction vibrations, occur when slipping backwards against moving solids. Known examples are creaking doors or similar squeaking noises. Stick-slip events occur when the static friction is appreciably greater than the sliding friction. At the sliding surfaces (i.e., contact surfaces) of the solids involved there is a momentary adhesion and stress that dissolves only after a certain time (e.g., 0.1 s or less). After loosening, there is again a (hydrodynamic) sliding friction. Stick-slip events are one way to capture the mixed friction limit.
Wie Mischreibungsereignisse, sind auch Stick-Slip-Ereignisse beim Betrieb von Maschinen unerwünscht.Like mixed friction events, stick-slip events are undesirable in machine operation.
Es besteht daher die Aufgabe, Mischreibungsereignisse und / oder Stick-Slip-Ereignisse zu erfassen.It is therefore the task of detecting mixed friction events and / or stick-slip events.
Die Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a measuring device with the features of
Dabei dient mindestens ein Sensorelement zur Detektion von Bewegungen im Material eines Bauteils, insbesondere Verformungen und / oder Schwingungen an und / oder im Bauteil. Das mindestens eine Sensorelement ist mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung gekoppelt, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung ein Rechenmittel zur Auswertung der Frequenzen der Bewegungen, der Amplituden der Bewegungen, der Änderungen der Frequenzen und / oder Änderungen der Amplituden aufweist. Durch das Rechenmittel ist in Abhängigkeit von der Auswertung der Frequenzen der Bewegungen, der Amplituden der Bewegungen, der Änderungen der Frequenzen und / oder der Änderungen der Amplituden und bei Vorliegen einer vorbestimmten Bedingung, insbesondere eines Schwellenwertes automatisch ein erstes Signal über das Vorliegen eines Mischreibungsereignisses und / oder eines Slip-Stick Ereignisses im Bauteil erzeugbar. Das erste Signal kann dann z.B. für eine statistische Auswertung oder für Regeleingriffe verwendet werden.In this case, at least one sensor element is used to detect movements in the material of a component, in particular deformations and / or vibrations on and / or in the component. The at least one sensor element is coupled to a data processing device, wherein the data processing device has a computing means for evaluating the frequencies of the movements, the amplitudes of the movements, the changes of the frequencies and / or changes in the amplitudes. Depending on the evaluation of the frequencies of the movements, the amplitudes of the movements, the changes of the frequencies and / or the changes of the amplitudes and in the presence of a predetermined condition, in particular a threshold value, the computing means automatically generates a first signal regarding the presence of a mixed friction event and / or a slip-stick event generated in the component. The first signal may then be e.g. used for a statistical evaluation or for control interventions.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine Sensorelement als piezoelektrischer Sensor, als piezoresistiver Sensor, Körperschallsensor oder als Dehnungsmessstreifen ausgebildet. Mit diesen Sensoren sind die Bewegungen im Material des Bauteils, insbesondere auch Körperschall zu erfassen. Für Anwendungen bei höheren Temperaturen wird in einer Ausführungsform als piezoelektrisches Sensorelement ein Langasit-Kristall verwendet. Grundsätzlich kann ein piezoresistiver Kristall oder ein anderes die Verformung messendes temperaturbeständiges Sensorelement verwendet werden.In one embodiment, the at least one sensor element is designed as a piezoelectric sensor, as a piezoresistive sensor, structure-borne noise sensor or as a strain gauge. With these sensors, the movements in the material of the component, in particular structure-borne sound to capture. For higher temperature applications, in one embodiment, a langasite crystal is used as the piezoelectric sensor element. In principle, a piezoresistive crystal or another deformation-measuring temperature-resistant sensor element can be used.
In einer Ausführungsform sind die Bewegungen im Material des Bauteils durch Körperschall aufgrund von Mischreibungsereignissen und / oder Stick-Slip-Ereignissen erzeugt.In one embodiment, the movements in the material of the component are produced by structure-borne noise due to mixed friction events and / or stick-slip events.
Zur Verarbeitung der vom mindestens einen Sensorelement erfassten Signale wird in einer Ausführungsform durch das Rechenmittel eine Filterung und / oder eine Spektralanalyse der Signale durchgeführt, die auf Grund der erfassten Bewegungen, insbesondere durch den erfassten Körperschall, an die Datenverarbeitungsvorrichtung übertragen wurden. Durch die Filterung können unerwünschte Frequenzen unterdrückt werden. Mittels der Spektralanalyse können die für die Mischreibungsereignisse und / oder Stick-Slip-Ereignisse charakteristischen Frequenzen ermittelt werden.For processing the signals detected by the at least one sensor element, filtering and / or spectral analysis of the signals which were transmitted to the data processing device on the basis of the detected movements, in particular by the detected structure-borne noise, are carried out by the computer. By filtering unwanted frequencies can be suppressed. By means of the spectral analysis, the frequencies characteristic for the mixed friction events and / or stick-slip events can be determined.
In einer weiteren Ausführungsform sind die eingehenden Daten über eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen des rotatorisch bewegten Bauteils vom Rechenmittel auswertbar. Damit werden periodische Einflüsse auf die Bewegungen im oder am Bauteil berücksichtigt.In a further embodiment, the incoming data can be evaluated by the computing means over a predetermined number of revolutions of the rotationally moved component. With that taken into account periodic influences on the movements in or on the component.
In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei Sensorelemente am oder im Bauteil angeordnet, wobei in Abhängigkeit von ermittelten Unterschieden in den von den jeweiligen Sensorelementen erfassten Bewegungen das erste Signal über das Vorliegen eines Mischreibungsereignisses und / oder eines Slip-Stick Ereignisses im Bauteil erzeugbar ist. Durch die räumliche Verteilung der Sensorelemente können Zonen (z.B. Lastbereiche) mit höheren Wahrscheinlichkeiten des Auftretens von Mischreibungsereignissen und / oder Stick-Slip-Ereignissen und Zonen mit entsprechend geringerer Wahrscheinlichkeit berücksichtigt werden. Die Zonen der geringeren Wahrscheinlichkeit können somit eine Art inhärenter Basis bilden, gegenüber der laufend das Auftreten von Mischreibungsereignissen und / oder Stick-Slip-Ereignissen beurteilt werden kann. Dies kann sinnvoll sein, wenn die Bedingung zur Auslösung des ersten Signals sich u.U. nicht analytisch bestimmen lässt.In a further embodiment, at least two sensor elements are arranged on or in the component, it being possible to generate the first signal via the presence of a mixed friction event and / or a slip-stick event in the component as a function of ascertained differences in the movements detected by the respective sensor elements. The spatial distribution of the sensor elements may account for zones (e.g., load areas) having higher probabilities of occurrence of mixed friction events and / or stick-slip events and zones of correspondingly lower likelihood. The zones of lesser probability may thus form a kind of inherent basis against which the occurrence of mixed friction events and / or stick-slip events can be assessed on an ongoing basis. This may be useful if the condition for triggering the first signal may u.U. can not be determined analytically.
Somit kann z.B. ein vorbestimmtes Profil der Frequenzen und / oder Amplituden und / oder das Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes für eine Frequenz und / oder eine Amplitude eine vorbestimmte Bedingung sein, anhand der ein erstes Signal über das Vorliegen eines Mischreibungsereignisses und / oder eines Stick-Slip-Ereignisses erzeugt wird.Thus, e.g. a predetermined profile of the frequencies and / or amplitudes and / or the exceeding of a certain threshold for a frequency and / or an amplitude is a predetermined condition, based on which generates a first signal on the existence of a mixed friction event and / or a stick-slip event becomes.
Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführungsform in dem Rechenmittel ein zuvor empirisch ermitteltes Kennfeld über die Abhängigkeit des Einsetzens der Mischreibungsereignisse und / oder der Stick-Slip-Ereignisse gespeichert sein. Dabei kann insbesondere im Kennfeld auch der Einfluss von Betriebsparametern, insbesondere der Drehzahl des rotatorisch beweglichen Bauteils und / oder der Temperatur erfasst werden.Additionally or alternatively, in one embodiment, a previously empirically determined map on the dependence of the onset of the mixed friction events and / or the stick-slip events can be stored in the computing means. In this case, the influence of operating parameters, in particular the rotational speed of the rotationally movable component and / or the temperature can be detected in particular in the map.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Sensorelement mit einem Gleitlager oder einem Wälzlager als rotatorisch bewegliches Bauteil gekoppelt. Das Gleitlager oder das Wälzlager kann dabei insbesondere Teil eines Getriebes, insbesondere eines Planetengetriebes sein. Auch ist es möglich, dass ein Signal generierbar ist, wenn bei einer Durchreibung einer elektrisch isolierenden Beschichtung durch eine angelegte Spannung ein Strom detektierbar ist.In a further embodiment, the at least one sensor element is coupled to a sliding bearing or a roller bearing as a rotatably movable component. The sliding bearing or the roller bearing may in particular be part of a transmission, in particular a planetary gear. It is also possible for a signal to be generated if a current can be detected by a voltage applied through an electrically insulating coating.
Ferner ist es möglich, in einer Ausführungsform mit dem Rechenmittel Zahneingriffsfrequenzen eines Zahnradgetriebes in Korrelation zu den Bewegungen zu verarbeiten. Auch sind mit dem Rechenmittel ferner Temperaturdaten, insbesondere von Öl, ermittelt im oder am Bauteil in Korrelation verarbeitbar. Damit können weitere Einflüsse auf die Mischreibungsereignisse und / oder Stick-Slip-Ereignisse berücksichtigt werden.It is also possible, in one embodiment, to process with the computing means meshing frequencies of a gear transmission in correlation to the movements. Furthermore, temperature data, in particular of oil, determined in or on the component can be processed in correlation with the computing means. Thus, further influences on the mixed friction events and / or stick-slip events can be taken into account.
In einer weiteren Ausführungsform ist in Abhängigkeit unter Berücksichtigung der empirischen Auswertung der Frequenzen der Bewegungen, der Amplituden der Bewegungen, den Änderungen der Frequenzen und / oder den Änderungen der Amplituden und bei Vorliegen einer vorbestimmten Bedingung, insbesondere eines Schwellenwertes automatisch ein zweites Signal über das Vorliegen eines Schadens im Bauteil erzeugbar. Dies kann z.B. zur Stilllegung des betroffenen Bauteils führen.In a further embodiment, depending on the empirical evaluation of the frequencies of the movements, the amplitudes of the movements, the changes in the frequencies and / or the changes in the amplitudes and in the presence of a predetermined condition, in particular a threshold automatically a second signal on the presence damage in the component produced. This can e.g. lead to the decommissioning of the affected component.
Auf Grund der auftretenden Belastungen kann eine Ausführungsform der Messvorrichtung mit mindestens einem Bauteil in oder an einer Gasturbine, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk gekoppelt sein.Due to the loads occurring, an embodiment of the measuring device can be coupled to at least one component in or on a gas turbine, in particular an aircraft engine.
Die Aufgabe wird auch durch ein Messverfahren mit den Ansprüchen des Anspruchs 18 gelöst.The object is also achieved by a measuring method with the claims of claim 18.
In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Messvorrichtung und eines Messverfahrens; -
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines rotatorisch beweglichen Bauteils mit einem Sensorelement; -
3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform für die Erfassung oder Vorhersage eines Mischreibungsereignisses und / oder eines Stick-Slip-Ereignisses.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a measuring device and a measuring method; -
2 a schematic representation of an embodiment of a rotatably movable component with a sensor element; -
3 a flowchart of an embodiment for the detection or prediction of a mixed friction event and / or a stick-slip event.
In
In der vorliegenden Ausführungsform soll das Bauteil
In
An dem Bauteil
Die Bewegungen
Das piezoelektrische elektrische Sensorelement
Das Sensorelement
Die Bewegungen
Die Datenverarbeitungsvorrichtung
Üblicherweise wird bei modernen Gleitlagern
Das besondere Profil der Frequenzen und / oder Amplituden oder auch nur das Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes für eine Frequenz und / oder Amplitude kann eine vorbestimmte Bedingung sein, anhand der ein erstes Signal
Das Einsetzen eines Mischreibungsereignisses und / oder das Einsetzen eines Stick-Slip-Ereignisses, d.h. der Beginn, wird hier auch bereits unter dem Erfassen des jeweiligen Ereignisses verstanden. Das Erfassen ermöglicht somit die Vorhersage von Schadereignissen mittels empirischer Erfahrungen.The onset of a mixed friction event and / or the onset of a stick-slip event, i. the beginning, is understood here already by capturing the respective event. Capturing thus enables the prediction of harmful events by means of empirical experiences.
In
Alternativ kann das Sensorelement
Typischerweise wird eine Einbauposition des Sensorelementes
Das Sensorelement
Vor dem Einsetzen, und erst recht nach dem Einsetzen des Mischreibungsereignisses und / oder des Stick-Slip-Ereignisses ändert sich der Körperschall, der in das Gleitlager 10 abgestrahlt wird. Dies ist abhängig von den Reibpartner, insbesondere von der jeweils als Reibpartner aktiven Schicht der unterschiedlichen Ebenen der Beschichtung. Diese Änderung wird durch das Sensorelement
Mit Hilfe von Sensorelementen
Es ist möglich, diese Bedingungen für ein bestimmtes Bauteil
In
Im ersten Schritt 301 werden hier im Betrieb des Bauteils
Im zweiten Schritt 302 wird eine an sich bekannte Anti-Alias Filterung durchgeführt. Dies erfolgt unter Verwendung eines Tiefpassfilters.In the
Im dritten Schritt 303 werden die Daten innerhalb eines vorgegebenen, sich zeitlich verschiebenden Fensters ausgewählt. Aus den Daten im Fenster werden dann im vierten Schritt 304 durch eine Hochpassfilterung die Körperschallsignale gewonnenIn the
Anschließend werden im fünften Schritt 305 die Frequenzen, Profile und Amplituden des Körperschalls ermittelt. Damit kann z.B. eine FFT-Analyse dienen.Subsequently, in the
Diese ermittelten Werte werden dann in einem sechsten Schritt 306 mit den zuvor empirisch ermittelten Daten für das Einsetzen von Mischreibungsereignissen und / oder Stick-Slip-Ereignissen verglichen. Bei Vorliegen einer vorbestimmten Bedingung, insbesondere eines Schwellenwertes wird in einem zehnten Schritt 310 automatisch ein erstes Signal
Durch das zählen auftretender Mischreibungseffekt durch Slip- Stick Ereignisse bis zum Versagen des Lagers, wird eine Datenbasis aufgebaut. Die Kenntnis der Anzahl von möglichen Mischreibungs- (Slip- Stick Ereignissen) wird verwendet um das verbleibend Leben durch herunterzählen von dem zuvor gelernten Betrag (auftretende Mischreibungsverhältnisse bis zum Versagen), zu bestimmen.By counting occurring mixed friction effect by slip-stick events until failure of the camp, a database is built. The knowledge of the number of possible mixed friction (slip-stick events) is used to determine the remaining life by counting down from the previously learned amount (occurring mixed friction ratios to failure).
Das erste Signal
In der Folge gibt es noch weitere Möglichkeiten. In einem siebten Schritt 307 können die ermittelten Daten für die Mischreibungsereignisse und / oder die Stick-Slip-Ereignisse mit den Körperschall bedingt durch andere periodische Vorgänge, wie z.B. bei Zahneingriffsfrequenzen bei Getriebeanwendungen korreliert werden. Durch das Vorhandensein von korrelierten Zahneingriffen ist eine Überprüfung der Funktion der Überwachungseinheit möglich. Damit kann in einem achten Schritt 308 eine Eigendiagnose des Bauteils
So kann - wie oben ausgeführt - in einem neunten Schritt 309 ein Mischreibungsereignis im Zusammenhang mit einem beschichteten Gleitlager
In einem elften Schritt 311 werden von der Datenverarbeitungsvorrichtung
Es ist möglich, an einem exemplarischen Lager Mischreibungs-Ereignisse und / oder Stick-Slip Ereignisse bis zum Ausfall des Lagers zu zählen und damit eine empirische Datenbasis aufzubauen. Bei aktuell überwachten Lagern wird von dem erreichten Wert, (der möglichen Anzahl von Mischreibungs-Ereignissen oder Stick-Slip-Ereignissen) das „Leben“ über die eintretenden Mischreibungs- Slip-Stickeffekte, heruntergezählt. Die Sammlung von exemplarischen Daten kann auch bei Lagern im Einsatz bei baugleichen oder ähnlichen Maschine erfolgen.It is possible to count mixed friction events and / or stick-slip events up to and including the failure of the warehouse at an exemplary warehouse and thus to build up an empirical database. For currently monitored warehouses, the achieved value (the possible number of mixed friction events or stick-slip events) counts down the "life" of the onset mixed friction slip sticke effects. The collection of exemplary data can also be done in warehouses in use on identical or similar machine.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensorelement sensor element
- 1010
- rotatorisch bewegliches Bauteilrotationally movable component
- 1111
- Drehachseaxis of rotation
- 1212
- Außenring GleitlagerOuter ring sliding bearing
- 1313
- Lagerspaltbearing gap
- 1414
- Drehteil turned part
- 2020
- DatenverarbeitungsvorrichtungData processing device
- 2121
- Rechenmittel computing means
- 301-312301-312
- Verfahrensschritte steps
- BB
- Bewegungenmovements
- S1S1
- erstes Signalfirst signal
- S2S2
- zweites Signalsecond signal
Claims (18)
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