DE102010021234B4

DE102010021234B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen des Wassergehalts eines Schmiermittels

Info

Publication number: DE102010021234B4
Application number: DE102010021234.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwarz Sergej; Dr. Braun Wolfgang
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2030-05-22
Also published as: DE102010021234A1

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen des Wassergehaltes eines Schmiermittels (1), umfassend
einen Messkörper (2) mit einem Superabsorber (3), wobei der Superabsorber (3) von dem Schmiermittel (1) benetzt oder durchsetzt ist, und
einen Sensor (5), der das in dem Superabsorber (3) aufgenommene Wasser erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9, jeweils zum Erfassen des Wassergehaltes eines Schmiermittels, mit einem Superabsorber, der von dem Schmiermittel benetzt oder durchsetzt ist.
Aus der Praxis ist bekannt, dass Wassermoleküle in Schmiermitteln schädigend für das durch das Schmiermittel geschmierte Maschinenelement sein können. Die Wassermoleküle können dabei durch Feuchtigkeit oder Tau bzw. durch chemische Prozesse beim Einsatz des Schmiermittels auftreten und in das Schmiermittel gelangen.
Besonders bei hoch belasteten Maschinenelementen wie Lagern, speziell Wälzlagern, kann bereits ein geringer Anteil von 0,1 Vol.-% Wasser in dem Schmiermittel zu einer Schädigung des Lagers durch das wasserhaltige Schmiermittel führen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von mit dem Schmiermitteln geschmierten Lagern, speziell Wälzlagern näher beschrieben und erläutert; es versteht sich jedoch, dass sie auch auf andere Maschinenelemente als Lager übertragbar ist.
Als besonders problematisch erweist sich speziell für Lager, den Wassergehalt des Schmiermittels über einen weiten Bereich, von einigen ppm bis hin zu einigen Volumen-Prozent, genau bestimmen zu können; insbesondere nur geringe Wassergehalten von einigen ppm lassen sich nur schwer sicher erfassen.
Zum Erfassen des Wassergehaltes eines Schmiermittels ist es grundsätzlich bekannt, eine Probe des Schmiermittels zu entnehmen und den Wassergehalt mittels optischen Sensoren oder widerstandsbasierten, insbesondere kapazitiven Sensoren zu erfassen. Das erfordert in manchen Fällen ein Stillsetzen des Lagers, um die Probe des Schmiermittels entnehmen zu können, wobei weiter die Menge des verbliebenen Schmiermittels reduziert wird, was sich insbesondere bei einem geschlossenen Schmiermittelkreislauf bei häufiger Probenentnahme als nachteilig erweist. Weiter ist zu beachten, dass an der Stelle in dem Lager, an der die Probe entnommen wurde, das Schmiermittel einen Wassergehalt aufweisen kann, der von dem Wassergehalt an anderen Stellen abweicht, so dass der über das gesamte Lager gemittelte Wassergehalt des Schmiermittels von dem gemessenen Wassergehalt abweichen kann. Diese Probleme treten ebenfalls auf, wenn ein auf Wassermoleküle in dem Schmiermittel ansprechender Sensor unmittelbar in das Schmiermittel eingeführt wird, derart, dass der Sensorkopf des Sensors von dem Schmiermittel umgeben ist.
Aus dem Stand der Technik der Lager ist grundsätzlich bekannt, in dem Schmiermittel befindliche Wassermoleküle mittels eines Superabsorbers zu binden und aus dem Schmiermittel zu entfernen. Bei einem derartigen Superabsorber handelt es sich um einen Kunststoff, der sehr selektiv Wassermoleküle aufnehmen und einlagern kann, so dass die Wassermoleküle aus dem Schmiermittel entfernt und in dem Superabsorbermaterial aufgenommen sind. Bei einem Superabsorber kann es sich beispielsweise um ein Copolymer auf Acrylsäure und Natriumacrylat handeln, wobei sogenannte Kernvernetzer sowie Oberflächenvernetzer zugesetzt werden. Es sind auch Superabsorber bekannt, die auf Stärke-Basis hergestellt sind. Wird ein solcher Superabsorber in einem Lager eingesetzt, entzieht der Superabsorber dem Schmiermittel Wasser. Der Zeitpunkt, zu dem der Superabsorber seine maximale Aufnahmefähigkeit für Wasser erreicht hat und spätestens ausgetauscht werden muss, lässt sich nicht ohne weiteres bestimmen, so dass der Superabsorber auf Verdacht ausgetauscht wird, bevor er seine maximale Aufnahmefähigkeit für Wasser ausgeschöpft hat.
JP 2008232163 AA (Abstract) beschreibt ein als Wälzlager ausgebildetes Maschinenelement mit einem Schmiermittel. Wasser-absorbierende Körper mit einem Superabsorber sind in dem Wälzlager, an der Dichtung, angeordnet und liegen an den beiden Lagerringen des Wälzlagers an.
JP 2000027875 AA (Abstract) beschreibt ein als Wälzlager ausgebildetes Maschinenelement mit einem Schmiermittel. In einer Dichtung ist ein Wasser-absorbierendes Teil mit einem Superabsorber vorgesehen.
JP 2007120560 AA (Abstract) beschreibt ein als Wälzlager ausgebildetes Maschinenelement mit einem Schmiermittel. Eine Dichtung mit einem Dichtigkeitssensor ist vorgesehen, wobei der Dichtigkeitssensor an einem Montageteil befestigt ist, das aus einem Kunststoff hergestellt ist, der eine nur geringe Absorptionsrate für Wasser aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind weiter Hygieneartikel, insbesondere Einweg-Windeln, bekannt, die einen Superabsorber umfassen, der Körperflüssigkeiten wie Urin aufnimmt, wobei eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, die anzeigt, wann die Windel ausgetauscht werden muss.
DE 36 08 403 A1 beschreibt eine Einweg-Windel, die eine Wasser-absorbierende Schicht mit einem Superabsorber aufweist, wobei zwischen der Wasser-absorbierenden Schicht und einer Wasser-undurchlässigen äußeren Lage ein Sensor vorgesehen ist, der den Feuchtigkeitsgehalt der Wasser-absorbierenden Schicht ermittelt. Der Sensor kann auf eine mit dem Feuchtigkeitsgehalt sich ändernden elektrische Leitfähigkeit ansprechen oder einen Oszillator umfassen, so dass eine kapazitive Messung möglich wird.
DE 699 36 670 T2 beschreibt eine Windel, die einen Absorptionskern mit einem Superabsorber aufweist, der Urin aufnimmt, wobei der Feuchtigkeitsgehalt in dem Absorptionskern ein visuelles Signal, insbesondere einen Farbumschlag auslöst.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache Vorrichtung sowie ein einfach durchzuführendes Verfahren anzugeben, mit dem der Wassergehalt eines Schmiermittels erfasst werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst.
Der Sensor erfasst den in dem Superabsorber des Messkörpers aufgenommenen Wassergehalt, so dass der gesamte Gehalt des Schmiermittels, und nicht nur der einer begrenzten Probe des Schmiermittels, erfasst wird, wobei der Superabsorber den weiteren Vorteil bietet, das Wasser dauerhaft zu binden, so dass nicht nur eine räumliche, sondern auch eine sich über die gesamten Betriebsdauer des Schmiermittels erstreckende zeitliche Sammlung des Wassers auftritt. Der Superabsorber in dem Messkörper konzentriert dabei den Wassergehalt in dem Schmiermittel sowohl räumlich, nämlich auf den Bereich des Messkörpers an den Wirkungsbereich des Sensors, als auch zeitlich. Der Sensor gibt damit einen klaren Hinweis darauf, wann der Superabsorber seine maximale Aufnahmefähigkeit für Wassermoleküle erreicht hat, und wann der Superabsorber auszutauschen ist. Hierbei erweist sich als weiterer Vorteil, dass zum Entfernen des Wassers aus dem Schmiermittel nur der Superabsorber, nicht aber das Wasser-freie Schmiermittel ausgetauscht werden braucht.
Der Sensor kann dabei ein optischer Sensor sein, der beispielsweise in Abhängigkeit von dem Wassergehalt des Superabsorbers einen Farbumschlag aufweist, oder eine Wägezelle, die die Gewichtszunahme des Superabsorbers mit zunehmenden Wassergehalt erfasst.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Sensor als elektrischer Widerstandssensor, insbesondere ein kapazitiver Sensor, ausgebildet ist. Der elektrische Sensor liefert dabei ein elektrisches Signal, das für eine leichte elektronische Verarbeitung zur Verfügung steht. Insbesondere lassen sich Zeitreihen aufnehmen, die anzeigen, wie der Wassergehalt in dem Schmiermittel bzw. in dem Superabsorber zunimmt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Sensor einen Schwingquarz umfasst, dessen Eigenfrequenz durch das in dem Superabsorber aufgenommene Wasser bestimmt ist. Es versteht sich dabei allgemein, dass verschiedene Sensortypen, beispielsweise ein optischer Sensor, der Schwingquarz sowie der elektrische Widerstandssensor auf ohmscher, kapazitiver oder induktiver Basis, mit einander kombiniert sein können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass weiter ein Temperaturfühler vorgesehen ist, der die Temperatur des Schmiermittels in dem Messkörper erfasst. Der Temperaturfühler ermöglicht eine genauere Abschätzung des Wassergehaltes in dem Schmiermittel bzw. in dem Superabsorber, wobei der Wassergehalt bzw. die aufgenommene Wassermenge Temperaturabhängig ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass weiter ein Heizelement vorgesehen ist, das insbesondere in oder an dem Messkörper angeordnet ist. Das Heizelement ermöglicht ein Ausheizen des Messkörpers, so dass dieser das in dem Superabsorber aufgenommene Wasser zumindest teilweise wieder abgibt. Weiter kann das Heizelement das Schmiermittel erwärmen, so dass dieses das in dem Schmiermittel befindliche Wasser abgibt. In beiden Fällen verlängert sich die Gebrauchsdauer des Schmiermittels bzw. des Superabsorbers in dem Messkörper.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Schmiermittel in einem Lager verwendet wird, und weiter ein Antrieb vorgesehen ist, der das Lager in Abhängigkeit von der Menge des in dem Messkörper erfassten Wassers antreibt. Erfasst der Sensor einen zu hohen Wassergehalt in dem Superabsorber des Messkörpers, setzt der Antrieb das Lager in Bewegung, wobei bei dem Betrieb des Lagers Wärme erzeugt wird, so dass der Wassergehalt in dem Schmiermittel bzw. in dem Superabsorber mit zunehmender Temperatur abnimmt. Der Sensor ist damit Teil einer Steuerungskette, die das Lager in einen definierten Betriebszustand verbringt, um den Wassergehalt in dem Lager herabzusetzen. Nimmt bei einem längerem Stillstand der Wassergehalt in dem Lager zu, beispielsweise durch sich bildendes Kondenswasser, kann vor einem erstmaligen Anlaufen des Lagers der Wassergehalt des Schmiermittels reduziert werden.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Messkörpers mit einem Superabsorber, wobei der Superabsorber von dem Schmiermittel benetzt oder durchsetzt wird, und Erfassen des in dem Superabsorber aufgenommenen Wassers. Bei der Durchführung des Verfahrens kommt es dabei nicht darauf an, ob der Sensor mit dem Messkörper baulich vereinigt ist oder nicht. Es ist insbesondere möglich, den Messkörper mit dem Superabsorber zu entnehmen und den Wassergehalt des Schmiermittels durch einen Sensor zu bestimmen, der außerhalb des Lagers angeordnet ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eine beispielhafte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zu 1 abgewandelten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Vorrichtung zum Erfassen des Wassergehaltes eines Schmiermittels 1, das beispielsweise zwischen den beiden Lagerringen eines nicht dargestellten Wälzlagers als Beispiel eines von dem Schmiermittel 1 geschmierten Maschinenelementes angeordnet ist. Die dargestellte Vorrichtung kann alternativ hierzu auch an einem Ölsumpf des Wälzlagers, also neben den Lagerringen, oder in einer Zuführungsleitung für das Schmiermittel 1 angeordnet sein.
Die Vorrichtung umfasst einen Messkörper 2, der in dem Schmiermittel 1 von diesem zu mehreren Seiten umgeben angeordnet ist. Innerhalb des Messkörpers 2 ist ein Superabsorber 3 angeordnet. Der Messkörper 2 umfasst ein für das Wasser-haltige Schmiermittel 2 durchlässiges Gewebe, innerhalb dessen das als Granulat vorliegende Material des Superabsorbers 2 angeordnet ist. Der Messkörper 2 ist damit im wesentlichen formstabil so angeordnet, dass das Schmiermittel 1 den Messkörper 2 und den in dem Messkörper 2 angeordneten Superabsorber 3 durchsetzt.
Innerhalb des Superabsorbers 3 ist ein Hohlraum 4 ausgebildet, in dem sich - abhängig von dem Wassergehalt in dem Material des Superabsorbers - ein Feuchtegehalt einstellt. In dem Hohlraum 4 ist ein Messfühler eines Sensors 5 angeordnet, der den Feuchtegehalt in dem Hohlraum 4 und damit den Wassergehalt in dem Superabsorber 3 erfasst. Der Sensor 5 ist als kapazitiver Sensor ausgebildet, dessen beide Elektroden innerhalb des Hohlraums 4 angeordnet ist. Der Sensor 5 ist dabei als elektrischer Widerstandssensor, speziell als kapazitiver Sensor, ausgebildet. Es versteht sich dabei, dass der elektrische Widerstandssensor auch einen ohmschen oder einen induktiven Widerstand erfassen könnte.
Der Messkörper 2 umfasst weiter ein Heizelement 6 mit zwei einander gegenüberliegenden flächigen Heizstäben, wobei die Heizstäbe sowohl in Kontakt mit dem umgebenden Schmiermittel 1 als auch in wärmeleitender Verbindung mit dem Superabsorber 3 stehen. Die Heizstäbe des Heizelementes 6 werden durch eine nicht dargestellte elektrische Leitung versorgt.
Die Erfindung funktioniert nun derart, dass Wassermoleküle aus dem Wasser-haltigen Schmiermittel 1 in den Superabsorber 3 in dem Messkörper 2 eindringen und in dem Superabsorber 3 dauerhaft eingelagert werden. Der Wassergehalt des Superabsorbers 3 nimmt dabei zu, so dass auch der Feuchtegehalt in dem Hohlraum 4 steigt, was von dem kapazitiven Sensor 5 erfasst wird. Bei längerem Betrieb bleibt das Schmiermittel 1 im wesentlichen Wasser-frei, weil das gesamte Wasser in dem Superabsorber 3 des Messkörpers 2 aufgenommen ist.
Erreicht der Wassergehalt in dem Superabsorber 3 einen kritischen Wert, werden die Heizstäbe des Heizelementes 6 aktiviert, so dass sowohl das Schmiermittel 1 als auch der Superabsorber 3 erwärmt werden. Der Superabsorber 3 gibt dabei Wasser ab, zusätzlich verdunstet Wasser aus dem erwärmten Schmiermittel 1, wobei der Wasserdampf das Lager verlässt. Es versteht sich, dass als mögliche Reaktion auf einen hohen Wassergehalt in dem Superabsorber 3 alternativ oder ergänzend auch vorgesehen sein kann, dass ein Antrieb das Lager in definierter Weise so antreibt, dass das Schmiermittel 1 durch die Bewegung des Lagers soweit erwärmt wird, dass der Wassergehalt in dem Schmiermittel und indirekt auch in dem Superabsorber 3 abnimmt.
Der Messkörper 2 kann mit dem Superabsorber 3 und dem Heizelement 6 als Baueinheit aus dem Lager entnommen werden und erhitzt werden, so dass der Superabsorber 2 einen wesentlichen Anteil des aufgenommenen Wassers als Wasserdampf abgibt und derart regeneriert für weitere Messungen zur Verfügung steht.
Die Erfindung sieht dabei ein Verfahren zum Erfassen des Wassergehaltes des Schmiermittels 1 vor, bei dem der Messkörper 2 mit dem Superabsorber 3 derart bereitgestellt wird, dass der Superabsorber 2 von dem Wasser-haltigen Schmiermittel 1 mindestens abschnittsweise benetzt oder durchströmt wird, und dass die in dem Superabsorber 2 aufgenommene Wassermenge von dem kapazitiven Sensor 4 erfasst wird.
Die Darstellung von 2 zeigt eine Abwandlung zu dem Ausführungsbeispiel aus 1, bei dem das Heizelement 6 eine Heizwendel umfasst, wobei die Heizwendel den formstabilen Messkörper 2 umläuft, um sowohl den Messkörper 2 als auch das an den Messkörper 2 angrenzende Schmieröl erwärmen zu können. Der Messkörper 2 mit dem Superabsorber 3 und dem Sensor 5 in dem Hohlraum 4 innerhalb des Superabsorbers 3 sind in einer Zuführleitung für das Schmiermittel 1 angeordnet, bzw. in einem Ölsumpf für das bildlich nicht dargestellte, als Wälzlager ausgebildete Maschinenelement.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Sensors 5 beschrieben, der als elektrischer Widerstandssensor, speziell als kapazitiver Sensor, ausgebildet ist. Es versteht sich, dass auch andere Sensortypen, beispielsweise optische Sensoren oder ein Schwingquarz in Frage kommen, wobei der Schwingquarz eine Resonanzfrequenz aufweist, die von dem Wassergehalt in dem Superabsorber 3 bzw. von dem Feuchtegehalt in dem Hohlraum 4 abhängig ist. Es versteht sich dabei, dass abhängig von dem Messprinzip des Sensors der Sensorkopf nicht in einem Hohlraum innerhalb des Superabsorbers, sondern von dem Material des Superabsorbers direkt umgeben in dem Superabsorber angeordnet sein kann.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war das Heizelement 6 so ausgebildet und angeordnet, dass das Heizelement 6 sowohl den Superabsorber 3 als auch das an den Messkörper 2 angrenzende Schmiermittel 1 erwärmen konnte. Es versteht sich, dass das Heizelement auch so angeordnet sein kann, dass es im wesentlichen nur den Superabsorber 3 erhitzt, wobei in diesem Fall das Heizelement innerhalb des Superabsorbers 3 angeordnet ist. Weiter kann das Heizelement so angeordnet sein, dass es vor allem das Schmiermittel 1 erhitzt, so dass das Heizelement außerhalb des Messkörpers 2 angeordnet sein kann, wobei das Heizelement durch eine Steuereinheit angesprochen wird, die die Messergebnisse des Sensors 5 in dem Superabsorber 3 auswertet.
Bezugszeichenliste

1: Schmiermittel
2: Messkörper
3: Superabsorber
4: Hohlraum
5: Sensor
6: Heizelement

Claims

Vorrichtung zum Erfassen des Wassergehaltes eines Schmiermittels (1), umfassend einen Messkörper (2) mit einem Superabsorber (3), wobei der Superabsorber (3) von dem Schmiermittel (1) benetzt oder durchsetzt ist, und einen Sensor (5), der das in dem Superabsorber (3) aufgenommene Wasser erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor (5) als elektrischer Widerstandssensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Sensor ein kapazitiver Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor einen Schwingquarz umfasst, dessen Eigenfrequenz durch das in dem Superabsorber (3) aufgenommene Wasser bestimmt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend einen Temperaturfühler, der die Temperatur des Schmiermittels (1) in dem Messkörper (2) erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend ein Heizelement (6).
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Heizelement (6) in oder an dem Messkörper (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Schmiermittel in einem Lager verwendet wird, weiter umfassend einen Antrieb, der das Lager in Abhängigkeit von der Menge des in dem Messkörper erfassten Wassers antreibt.
Verfahren zum Erfassen des Wassergehaltes eines Schmiermittels, umfassend die Schritte Bereitstellen eines Messkörpers (2) mit einem Superabsorber (3), wobei der Superabsorber (3) von dem Schmiermittel (1) benetzt oder durchsetzt wird, und Erfassen des in dem Superabsorber (3) aufgenommenen Wassers.