DE102005003983A1 - Planetengetriebe mit Mitteln zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager - Google Patents
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Abstract
Planetengetriebe, insbesondere für eine Windenergieanlage, mit einem Hohlrad (1), in welchem mehrere über je zugeordnete Wälzlager (4) an einem Planetenträger gelagerte Planetenräder (2a-2c) eingreifen, die auf der einander zugewandten Seite mit einem koaxial zum Hohlrad (1) angeordneten Sonnenrad (3) in Eingriff stehen, wobei Mittel zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager (4) vorgesehen sind, die mindestens einen Dehnungsmesssensor (6) an einem der Wälzlager (4) umfassen, der zur Messung von Dehnungsänderungen auf der Oberfläche des Hohlrades (1) angeordnet ist und aus dessen Messsignal eine nachgeschaltete Auswerteeinheit (7) einen den Lagerschadenszustand entsprechenden Wert ermittelt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Planetengetriebe, insbesondere für eine Windenergieanlage, mit einem Hohlrad in welchem mehrere über je zugeordnete Wälzlager an einem Planetenträger gelagerten Planetenräder eingreifen, die auf der einander zugewandten Seite mit einem koaxial zum Hohlrad angeordneten Sonnenrad im Eingriff stehen, wobei Mittel zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager vorgesehen sind.
- Aus dem "Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau" (20. Auflage, 2001, Seite G 149; Kapitel 8.9 "Umlaufgetriebe") geht ein solches Planetengetriebe hervor. Das Planetengetriebe der hier interessierenden Art besitzt ein Hohlrad, auf dessen Innenverzahnung mehrere äquidistant zueinander beabstandet angeordnete und mit dem Hohlrad in Eingriff stehende Planetenräder angeordnet sind. Die Planetenräder stehen wiederum mit einem zentralen Sonnenrad im Eingriff. Zur Bestimmung der relativen Lage der Planetenräder sind diese drehbar an einem Planetenträger gehalten. Der Planetenträger oder das Sonnenrad bilden – je nach gewünschtem Übersetzungsverhältnis – hier den Antrieb bzw. den Abtrieb des Planetengetriebes. Die einzelnen Planetenräder sind über Wälzlager drehbar am Planetenträger gelagert, damit diese sich möglichst reibungsarm in Folge des Zahneingriffes um ihre Achse drehen können. Die hierbei eingesetzten Wälzlager werden entsprechend hinlänglich bekannter Dimensionierungsvorschriften ausgewählt.
- Ein Planetengetriebe der vorstehend beschriebenen Art wird beispielsweise im Rahmen einer Windenergieanlage eingesetzt. Hierbei wird die vom Rotor der Windenergieanlage erzeugte Drehbewegung eingangsseitig dem Planetengetriebe zugeführt, welches eine Übersetzung ins Schnelle vollführt, um die ausgangsseitig zur Verfügung gestellte schnellere Drehzahl einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom zuzuführen. Bei diesen oder ähnlichen Einsatzfällen ist es von besonderer Bedeutung, die Betriebsfähigkeit des Planetengetriebes über einen möglichst großen Zeitraum ohne Wartung sicherzustellen. Eine Schwachstelle von Getrieben bilden neben der Verzahnung insbesondere die hierin zum Einsatz kommenden Lager. Denn Schadensfälle an Getrieben werden häufig durch einen Lagerschaden verursacht. Lagerschäden bilden sich hauptsächlich im Bereich der Belastungszone aus. Die Belastungszone des Lagers bei stehendem Lagerring ergibt sich aus der Richtung der äußeren auf das Lager einwirkenden Kräfte sowie der Lagerkinematik. Wenn ein Wälzlager unter einer Belastung stillsteht oder nur kleine Pendelbewegungen ausführt, wird es statisch beansprucht. Diese statische Beanspruchung führt je nach Belastung nicht nur zu einer elastischen Verformung der Wälzkörper und Laufbahnen sondern auch zu einer plastischen Verformung derselben. An den Berührungsflächen entstehen Abplattungen bei Wälzkörpern und Eindrückungen auf den Laufbahnen. Diese Art von Schädigungen am Wälzlager führt zu einem unruhigen Lauf, womit die Funktionsfähigkeit des Lagers eingeschränkt ist. In Folge fortschreitenden Lagerverschleißes kommt es schließlich zum Totalausfall des Wälzlagers.
- Die Diagnose von Schäden an Wälzlagern basiert bekanntermaßen auf einer Erkennung von stoßförmigen Anregungen, die beim Überrollen der Schadstelle hervorgerufen werden. In der Regel werden diese Anregungen vereinfacht als Kraftimpulse behandelt, die durch eine unendlich kurze Dauer (Dirac-Stoß) gleichmäßig Amplituden aller Frequenzen anregen. Tatsächlich jedoch haben diese Impulse eine endlich kurze Anstiegszeit. Dadurch werden im Gegensatz zum Dirac-Stoß nicht alle Frequenzen gleichermaßen angeregt.
- Üblich ist das Messen der Beschleunigung im Rahmen einer Körperschallanalyse zur Erkennung von Lagerschäden. Dabei werden energiereiche Stöße detektiert. Das heißt, je schneller die Schadstelle überrollt wird und je steiler der Stoß ist, desto besser ist dieser mit Hilfe der Beschleunigungsmessung erkennbar. Bei langsam laufenden Lagern ist der Stoß aufgrund der langsamen Überrollgeschwindigkeit nicht so steil. Daraus ergeben sich geringere Amplituden für das Beschleunigungssignal und die Erkennung von Lagerschäden ist nicht mehr zuverlässig möglich. Ein besonders schwieriger Fall ist die Schadenserkennung bei Planetenradlagern. Denn hierbei treten in der Regel nicht nur sehr geringe Frequenzen auf, sondern das Störsignal ist umlaufend und ändert somit ständig seinen Ort Ob nun die Schadstelle langsam oder schnell überrollt wird, der Stoß ist letztendlich auf eine Wegänderung zurückzuführen. Im Allgemeinen sind die langsamlaufenden Lager wesentlich größer als die schnelllaufenden, wodurch sich in der Regel auch eine größere Wegänderung beim Überrollen der Schadstelle ergibt. Da die Frequenz auf das Beschleunigungssignal größeren Einfluss – nämlich quadratischen – hat als die Wegänderung, ist bei langsamlaufenden Lagern mit einem sehr stark verringerten Nutzsignal des Störimpulses zu rechnen. Es bietet sich daher an, in diesem Fall die Wegamplitude beim Überrollen der Schadstelle zu betrachten. Naheliegend wäre es, das gemessene Beschleunigungssignal zweimal zu integrieren. Jedoch ist mit vertretbarem Aufwand nur die absolute Beschleunigung im Raum zu messen, d.h. alle Bewegungen – beispielsweise vom Gehäuse oder vom Fundament – werden mit gemessen. Diese Bewegungen überdecken dann das Nutzsignal, so dass keine zuverlässige Aussage über den Zustand des Lagers gemacht werden kann. Es hat sich daher gezeigt, dass die Körperschallanalyse zur Erkennung von Lagerschäden, insbesondere an Planetenradlagern, ihre Grenzen hat.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Planetengetriebe der vorstehend beschriebenen Art möglichst frühzeitig anstehende Lagerschäden an Planetenradlagern zuverlässig erkennen zu können.
- Die Aufgabe wird ausgehend von einem Planetengetriebe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnische wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
- Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass Mittel zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager des Planetengetriebes mindestens einen Dehnungssensor umfassen, der zur Messung von Dehnungsänderungen auf der Oberfläche des Hohlrades angeordnet ist und aus dessen Messsignal eine nachgeschaltete Auswerteeinheit einen den Lagerschadenszustand entsprechenden Wert ermittelt.
- Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass es nunmehr möglich ist, Schäden an Planetenradlagern sehr früh zu erkennen und damit Folgeschäden am gesamten Planetengetriebe zu vermeiden. Denn sollte die Lagerschadenfrüherkennung ein schadhaftes Wälzlager identifizieren, so besteht noch genügend Zeit, um eine planmäßige Reparatur des Planetengetriebes zu organisieren. Insbesondere im Einsatzbereich der Windenergieanlagentechnik ist dies von Bedeutung, da ungeplante Stillstandszeiten einer Windenergieanlage recht hohe wirtschaftliche Schäden für den Betreiber verursachen. Wird die Reparatur eines schadhaften Wälzlagers in einem besonders frühen Schadensstadium vorgenommen, so ist der Reparaturaufwand in den meisten Fällen im Vergleich zu einem Totalschaden eines Planetengetriebes recht gering. Meist reicht es aus, wenn das betroffene Wälzlager ausgetauscht wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass jede Fehlstelle in einem Wälzlager eine – wenn auch nur geringfügige – Wegänderung in der Kraftübertragungskette bedeutet. Diese Wegänderung äußert sich auch durch eine ungewöhnliche Dehnungsänderung auf der Oberfläche des Hohlrades. Denn eine Wegänderung in einem Wälzlager eines Planetenlagers beim Überrollen der Fehlstelle führt direkt zu einer Störung in der Kraftübertragung zum Hohlrad und macht sich durch die besagte Dehnungsänderung auf der Oberfläche des Hohlrades bemerkbar.
- Für den erfindungsgemäßen Zweck eignet sich als Dehnungsmesssensor vorzugsweise ein herkömmlicher Dehnungsmessstreifen, der in im Wesentlichen Umfangsrichtung auf der Außenseite des Hohlrades aufgebracht ist. Das Aufbringen des Dehnungsmessstreifens kann dabei durch eine einfach herzustellende Klebeverbindung erfolgen. Hierbei ist darauf zu achten, dass die metallische Klebestelle seitens des Hohlrades sauber und fettfrei ist.
- Die Auswerteeinheit ermittelt durch Frequenzanalyse eine im Frequenzspektrum ungewöhnliche Lagerfehlfrequenz, welche den Lagerschadenzustand kennzeichnet. Hervorgerufen wird diese Lagerfehlfrequenz durch die periodische Überrollung der Schadstelle.
- Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Lösung für Wälzlager, die nach Art eines ein- oder mehrreihigen Rollenlagers oder Kugellagers ausgebildet sind. Diese Art von Wälzlagern kommen auch gewöhnlich bei Planetengetrieben der hier interessierenden Art zum Einsatz. Darüber hinaus lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auch bei anders gearteten Wälzlagern einsetzen. Es ist auch denkbar, diese zur Lagerschadenfrüherkennung bei Gleitlagern zum Einsatz zu bringen.
- Verfahrenstechnisch ausgedrückt beinhaltet die vorliegenden Erfindung die technische Lehre, dass die während des Betriebs des Planetengetriebes aufgrund eines sich anbahnenden Lagerschaden im Wesentlichen in Umfangsrichtung auftretenden charakteristischen Dehnungsänderungen auf der Oberfläche des Hohlrades ermittelt werden, woraus der Lagerschadenzustand festgestellt wird.
- Um eine besonders zuverlässige Detektion eines sich anbahnenden Lageschadens zu erzielen, wird entsprechend einer die Erfindung weiterbildenden Maßnahme vorgeschlagen, dass die innerhalb der die Länge des Dehnungsmessstreifens entsprechenden Messstrecke die Schadensstelle des Wälzlagers mindestens zweimal überrollt wird. Die Länge des Dehnungsmessstreifens ist also bedeutsam für die Qualität des hiermit gewonnen Messwertes.
- Es hat sich gezeigt, dass sich die Messstrecke 1DMS, also die Messgitterlänge, vorzugsweise berechnen lässt aus der Formel: wobei in diese Formel der Umfang des verwendeten Hohlrades UHo, die Anzahl der Planetenräder p, die Planetenpassierfrequenz fPH und die Fehlfrequenz f1 als gegebene Werte einzusetzen sind. Aus vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, dass der Faktor n mit ≥ zu wählen ist.
- Weitere die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
-
1 eine Seitenansicht eines Planetengetriebes mit hieran angeordneten Mitteln zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager, und -
2 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Lagerschadenfrüherkennung. - Gemäß
1 weist ein Planetengetriebe ein Hohlrad1 auf, dessen Verzahnung mit drei Planetenrädern2a -2c im Eingriff steht. Die Planetenräder2a -2c stehen wiederum mit einem zentralen Sonnenrad3 in Eingriff. Die Planetenräder2a -2c sind je über ein zugeordnetes Wälzlager4 (hier exemplarisch) drehbar an einem Planetenträger5 gelagert. - Zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager
4 ist auf der Außenfläche des Hohlrades1 ein Dehnungsmesssensor6 in Form eines Dehnungsmessstreifens aufgebracht. Die Aufbringung des Dehnungsmesssensors6 erfolgt durch Kleben. Der Dehnungsmesssensor6 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Hohlrades1 und ist elektrisch an einer Auswerteeinheit7 angeschlossen. - Gemäß
2 basiert das erfindungsgemäße Messprinzip darauf, dass die während des Betriebes aufgrund eines sich anbahnenden Lagerschadens8 am Wälzlager4 auftretende charakteristische Dehnungsänderung in Umfangsrichtung des Hohlrades1 durch den Dehnungsmesssensor6 ermittelt wird. Aus dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Frequenzspektrums (FFT-Spektrum) lassen sich charakteristische Dehnungsänderungen, welche auf den Lagerschaden8 hindeuten, identifizieren. Damit ohne eine Referenzmessung eine eindeutige Erkennung eines Lagerschadens8 möglich ist, ist die hier am Hohlrad1 durch Punktlinien dargestellte Gittermesslänge des Dehnungsmesssensors6 an die Getriebegeometrie anzupassen. Denn innerhalb der Messstrecke soll der Lagerschaden8 mindestens zweimal überrollt werden, damit eine Störung im Zeitverlauf des Messsignals aufgrund des Lagerschadens8 deutlich erkennbar wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Wälzlager4 immer dann, wenn dessen Wälzkörper die Stelle des Lagerschadens8 passiert, eine Positionsänderung (1-2-3) erfährt. Diese Positionsänderung ist ein Maß für die Tiefe des Lagerschadens8 . In Folge der besagten Positionsänderung ist die Kraftübertragung zum Hohlrad1 gestört und macht sich in Form einer Dehnungsänderung auf der Oberfläche des Hohlrades1 bemerkbar, welche durch den Dehnungsmesssensor6 erfasst wird. - Für die Auswertung des gemessenen Dehnungssignals ist das an sich bekannte Analyseverfahren FFT einsetzbar. Aufgrund von Gleichgewichtsbedingungen und der Auswirkung des Lagerschadens
8 auf die anderen Planetenräder, ist die Amplitude der Schadensfrequenz im FFT-Spektrum des gesamten Zeitsignals sehr gering. Daher nutzt die Auswerteeinheit7 Software-Programme, die aus dem gesamten Dehnungssignal Zeitanteile den Planetenrädern2a -2c zu ordnen und diese dann in entsprechende Kanäle speichern, um so für jedes Planetenrad2a -2c die FFT-Berechnungen getrennt durchzuführen. -
- 1
- Hohlrad
- 2
- Planetenrad
- 3
- Sonnenrad
- 4
- Wälzlager
- 5
- Planetenträger
- 6
- Dehnungsmesssensor
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Lagerschaden
Claims (8)
- Planetengetriebe, insbesondere für eine Windenergieanlage, mit einem Hohlrad (
1 ) in welchem mehrere über je zugeordnete Wälzlager (4 ) an einem Planetenträger (5 ) gelagerte Planetenräder (2a -2c ) eingreifen, die auf der einander zugewandten Seite mit einem koaxial zum Hohlrad (1 ) angeordneten Sonnenrad (3 ) im Eingriff stehen, wobei Mittel zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager (4 ) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager (4 ) mindestens einen Dehnungsmesssensor (6 ) umfassen, der zur Messung von Dehnungsänderungen auf der Oberfläche des Hohlrades (1 ) angeordnet ist, und aus dessen Messsignal eine nachgeschaltete Auswerteeinheit (7 ) einen den Lagerschadenszustand entsprechenden Wert ermittelt. - Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmesssensor (
6 ) als Dehnungsmessstreifen ausgeführt ist, der in im wesentlichen Umfangsrichtung auf der Außenfläche des Hohlrades (1 ) aufgebracht ist. - Planetengetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmessstreifen durch eine Klebeverbindung am Hohlrad (
1 ) befestigt ist. - Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Lagerschadenszustand entsprechenden Wert die aus einem FFT-Spektrum ermittelbare Lagerfehlfrequenz ist.
- Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (
4 ) nach Art eines ein- oder mehrreihigen Rollenlagers oder Kugellagers ausgebildet ist. - Verfahren zur Früherkennung von Schäden an einem der Wälzlager (
4 ) eines Planetengetriebes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Betriebs aufgrund eines sich anbahnenden Lagerschadens (8 ) im Wesentlichen in Umfangsrichtung auftretenden charakteristischen Dehnungsänderungen auf der Außenfläche des Hohlrades (1 ) ermittelt werden, woraus der Lagerschadenszustand festgestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der die Länge des Dehnungsmessstreifens entsprechenden Messstrecke die Schadensstelle des Wälzlagers (
4 ) mindestens zweimal überrollt wird.
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