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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.
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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.
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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.
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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.
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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 langsam laufenden Lagern mit einem sehr starken verringerten
Nutzsignal des Störimpulses
zu rechnen. Es bietet sich daher an, in diesem Fall die Wegamplitude
beim Überrollen
der Schadstelle zu betrachten. Nahe liegend 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.
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Aus
der
DE 29 47 937 C2 geht
eine Lösung zur
Bestimmung von Wälzlagerschienen
hervor, bei welcher außerhalb
des Lageraußenrings
und innerhalb des Lagerinnenrings Messfühler angebracht sind, die die örtliche
Beanspruchung mittels eines Verstärkers in ein elektrisches Signal
umwandelt, welches mit Hilfe einer elektronischen Schaltung nach
Schadensort und Schadensgröße ausgewertet wird.
Dies setzt voraus, dass an jedem Wälzlager direkt derartige Messfühler anzubringen
sind, was im Verbund eines Getriebes bei entsprechend vielen einzelnen
Wälzlagern
einen sehr hohen technischen Aufwand erfordern würde. Auch bei der
DE 101 36 438 A1 werden
Sensoranordnungen offenbart, welche in einem Wälzlager integriert sind. Es
werden die auf Lagerinnen- und
Außenring
einwirkenden Kräfte und
Momente sensorisch erfasst, um die mechanischen Spannungen oder
sonstige physikalische Beeinflussungen zu detektieren. Hierbei können beispielsweise
Dehnungsmessstreifen oder piezoresistive Widerstände zum Einsatz kommen. Diese
technische Lösung
ist mit denselben Nachteilen wie die vorstehend diskutierte Lösung behaftet.
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Die
DE 103 03 877 A1 widmet
sich eines Verfahrens zur Feststellung von Körperschallereignissen in einem
Wälzlager,
bei welchem ein Spektrum von Körperschallwellen
oder Körperschallereignissen ausgewertet
wird. Dazu wird aus Digitalwerten eines Frequenzfilterausgangssignals
ein erster Varianzwert und aus weiteren Digitalwerten wenigstens
ein zweiter Varianzwert errechnet, um mit Hilfe einer Rekursivrechnung
das gewonnene arithmetische Mittel zu ermitteln. Ein Überschreiten
desselben über
einen definierten Schwellwert kann als Körperschallereignis gewertet
werden, das durch einen mechanischen Schaden an dem Wälzlager
verursacht wird. Das entsprechend zu analysierende Körperschallspektrum setzt
einen hohen rechentechnischen Aufwand voraus.
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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.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Planetengetriebe gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst. Die
jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben
vorteilhafte Weiterbildungen wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass Mittel zur Früherkennung von Schäden an einem
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.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass es nunmehr möglich ist, Schäden an Planetenradlagern
sehr früh
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.
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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.
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Die
Auswerteeinheit ermittelt durch Frequenzanalyse eine im Frequenzspektrum
ungewöhnliche Lagerfehlfrequenz,
welche den Lagerschadenzustand kennzeichnet. Hervorgerufen wird
diese Lagerfehlfrequenz durch die periodische Überrollung der Schadstelle.
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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.
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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.
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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.
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Es
hat sich gezeigt, dass sich die Messstrecke l
DMS,
also die Messgitterlänge,
vorzugsweise berechnen lässt
aus der Formel:
wobei in diese Formel der
Umfang des verwendeten Hohlrades U
Ho, die
Anzahl der Planetenräder
p, die Planetenpassierfrequenz f
PH und die
Fehlfrequenz f
1 als gegebene Werte einzusetzen
sind. Aus vorstehenden Erläuterungen
ergibt sich, dass der Faktor n mit ≥ 2 zu wählen ist.
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Weitere
die Erfindung verbessernden Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Planetengetriebes mit hieran angeordneten Mitteln
zur Früherkennung
von Schäden
an einem der Wälzlager,
und
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2 eine
Prinzipdarstellung zur Erläuterung
der Lagerschadenfrüherkennung.
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Gemäß 1 weist
ein Planetengetriebe ein Hohlrad 1 auf, dessen Verzahnung
mit drei Planetenrädern 2a–2c im
Eingriff steht. Die Planetenräder 2a–2c stehen
wiederum mit einem zentralen Sonnenrad 3 in Eingriff. Die
Planetenräder 2a–2c sind
je über
ein zugeordnetes Wälzlager 4 (hier
exemplarisch) drehbar an einem Planetenträger 5 gelagert.
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Zur
Früherkennung
von Schäden
an einem der Wälzlager 4 ist
auf der Außenfläche des
Hohlrades 1 ein Dehnungsmesssensor 6 in Form eines Dehnungsmessstreifens
aufgebracht. Die Aufbringung des Dehnungsmesssensors 6 erfolgt
durch Kleben. Der Dehnungsmesssensor 6 erstreckt sich in Umfangsrichtung
des Hohlrades 1 und ist elektrisch an einer Auswerteeinheit 7 angeschlossen.
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Gemäß 2 basiert
das erfindungsgemäße Messprinzip
darauf, dass die während
des Betriebes aufgrund eines sich anbahnenden Lagerschadens 8 am
Wälzlager 4 auftretende
charakteristische Dehnungsänderung
in Umfangsrichtung des Hohlrades 1 durch den Dehnungsmesssensor 6 ermittelt wird.
Aus dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Frequenzspektrums (FFT-Spektrum)
lassen sich charakteristische Dehnungsänderungen, welche auf den Lagerschaden 8 hindeuten,
identifizieren. Damit ohne eine Referenzmessung eine eindeutige
Erkennung eines Lagerschadens 8 möglich ist, ist die hier am
Hohlrad 1 durch Punktlinien dargestellte Gittermesslänge des
Dehnungsmesssensors 6 an die Getriebegeometrie anzupassen.
Denn innerhalb der Messstrecke soll der Lagerschaden 8 mindestens zweimal überrollt
werden, damit eine Störung
im Zeitverlauf des Messsignals aufgrund des Lagerschadens 8 deutlich
erkennbar wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Wälzlager 4 immer
dann, wenn dessen Wälzkörper die
Stelle des Lagerschadens 8 passiert, eine Positionsänderung
(1-2-3) erfährt.
Diese Positionsänderung
ist ein Maß für die Tiefe
des Lagerschadens 8. In Folge der besagten Positionsänderung
ist die Kraftübertragung
zum Hohlrad 1 gestört
und macht sich in Form einer Dehnungsänderung auf der Oberfläche des
Hohlrades 1 bemerkbar, welche durch den Dehnungsmesssensor 6 erfasst wird.
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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 Auswerteeinheit 7 Software-Programme,
die aus dem gesamten Dehnungssignal Zeitanteile den Planetenrädern 2a–2c zu
ordnen und diese dann in entsprechende Kanäle speichern, um so für jedes
Planetenrad 2a–2c die
FFT-Berechnungen getrennt durchzuführen.
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- 1
- Hohlrad
- 2
- Planetenrad
- 3
- Sonnenrad
- 4
- Wälzlager
- 5
- Planetenträger
- 6
- Dehnungsmesssensor
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Lagerschaden
