DE102012015457A1

DE102012015457A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verschleißbestimmung

Info

Publication number: DE102012015457A1
Application number: DE201210015457
Authority: DE
Inventors: Wilfried Eichner; Kai Bauckhage; Matthias Goronzi
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2013-12-12

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Bestimmen eines Verschleißes einer Maschine (1), welche ein drehbares Maschinenelement (12) und eine Lagereinrichtung (14) zur Lagerung des Maschinenelements, wobei die Lagereinrichtung (14) eine Vielzahl von drehbaren Lagerelementen (16), und eine Schmierungseinrichtung (18), welche wenigstens ein Element der Lagereinrichtung (14) mit einem fließfähigen Schmiermittel beaufschlagt. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung (1) folgendes auf: – eine erste Sensoreinrichtung (2) welche geeignet und dazu bestimmt ist wenigstens einen ersten Messwert (W1) zu bestimmen, der für eine Drehung der Lagerelemete charakteristisch ist, – eine zweite Sensoreinrichtung (4), welche geeignet ist, wenigstens einen zweiten Messwert (W2) zu bestimmen, der für einen Schmierungszustand der Lagereinrichtung (14) charakteristisch ist; – bevorzugt eine Erfassungseinrichtung (6), welche geeignet ist, wenigstens einen dritten Messwert (W3) zu bestimmen, der für eine Position wenigstens eines Lagerelements und/oder einer Drehbewegung des Maschinenelements (12) charakteristisch ist, – eine Prozessoreinrichtung, welche unter Berücksichtigung des ersten Messwerts (W1) des zweiten Messwerts (W2) und des dritten Messwerts (W3) wenigstens einen Ergebniswert (E1) ausgibt, der für einen Verschleiß der Maschine charakteristisch ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verschleißbestimmung bei Maschinen. Insbesondere ist dabei die Erfindung auf solchen Maschinen gerichtet, welche wenigstens ein drehbares Maschinenelement wie etwa eine Maschinenwelle aufweisen sowie auch ein Wälzkörper aufweisendes Lager zur Lagerung dieses Maschinenelements. Die Erfindung kann dabei insbesondere an Maschinen wie Baumaschinen mit Wälzkontakten, an hydraulischen Verdrängen wie Axialkolbenmaschinen, Radialkolbenmaschinen, Getrieben und dergleichen angewandt werden.
Aus der EP 2 110 649 B2 ist ein Sensor für die Zustandsüberwachung von mechanischen Bauteilen bekannt. Dabei soll für eine Zustands- und Verschleißüberwachung von mechanischen Bauteilen sowie eine Analyse eines Schwingungsverhaltens eines zu überwachenden Bauteils Anwendung finden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verschleißprognose für Maschinen zu erstellen und dabei insbesondere eine Messung und/oder Untersuchung des adhäsiven und abrasiven Verschleißverhaltens sowie vorteilhaft auch einer Oberflächenzerrüttung von Maschinenelementen und Maschinen zu ermöglichen. Vorteilhaft soll auch eine Diagnose und Prognose über eine noch verbleibende Nutzungsdauer ermöglicht sein.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißes einer Maschine, wobei diese Maschine ein drehbares Maschinenelement und eine Lagereinrichtung zur Lagerung des Maschinenelements aufweist und wobei die Lagereinrichtung eine Vielzahl von drehbaren Lagerelementen und eine Schmierungseinrichtung aufweist, welche wenigstens ein Element der Lagereinrichtung mit einem fließfähigem Schmiermittel beaufschlagt ist durch folgendes gekennzeichnet: einerseits weist die Vorrichtung eine erste Sensoreinrichtung auf, welche geeignet und dazu bestimmt ist, wenigstens einen ersten Messwert zu bestimmen, der für eine Drehung der Lagerelemente charakteristisch ist. Weiterhin ist eine zweite Sensoreinrichtung vorgesehen, welche geeignet ist, wenigstens einen zweiten Messwert zu bestimmen, der für einen Schmierungszustand der Lagereinrichtung charakteristisch ist. Bevorzugt ist weiterhin eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, welche geeignet ist, wenigstens einen dritten Messwert zu bestimmen, der für eine Position wenigstens eines Lagerelements und/oder für eine Drehung (bzw. Drehbewegung) des Maschinenelements charakteristisch ist.
Schließlich ist auch eine Prozessoreinrichtung vorgesehen, welche unter Berücksichtigung des ersten Messwerts, des zweiten Messwerts und des dritten Messwerts wenigstens einen Ergebniswert ausgibt, der für einen Verschleiß der Maschine charakteristisch ist.
Bei der Schmierungseinrichtung kann es sich dabei um beliebige Einrichtungen handeln, welche eine Schmierung insbesondere der Lagereinrichtung bewirken wie beispielsweise ein Schmiermittelbad, Schmiermitteldüsen, oder auch andere Schmiermittelzuführungen.
Bei den Lagerelementen handelt es sich insbesondere um drehbare Wälzkörper und besonders bevorzugt um zylinderförmige Wälzkörper. Diese Lagerelemente drehen sich damit insbesondere um eine geometrische Zentralachse dieser Lagerelemente. Weiterhin laufen die Lagerelemente bevorzugt auch in ihrer Gesamtheit um eine Drehachse.
Die Lagereinrichtung kann weiterhin Halteeinrichtungen wie so genannte Lagerkäfige aufweisen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Lager einen Außenring und einen bezüglich dieses Außenrings drehbaren Innenring auf, wobei zwischen diesem Außenring und dem Innenring die Lagerelemente angeordnet sind. Vorteilhaft ist dabei der Außenring stationär angeordnet und der Innenring dreht sich gegenüber dem Außenring.
Bei vielen Maschinen wirken auf derartige drehbare Maschinenelemente auch radiale Kräfte, das heißt Kräfte, die sich quer zu einer Drehachse des Maschinenelements erstrecken. Durch diese Kräfte werden üblicherweise Verschleißerscheinungen verursacht.
Die Erfindung schlägt vor, mehrere unterschiedliche Sensoren einzusetzen, deren Ergebnisse in ihrer Gesamtheit benutzt werden, um einen Verschleißzustand des Maschinenelements bzw. der Maschine selbst zu ermitteln. Bei dem ersten Messwert, der für die Drehung der Lagerelemente charakteristisch ist, handelt es sich insbesondere um einen Messwert, der für eine Drehzahl dieser Lagerelemente um ihre jeweils eigene Achse charakteristisch ist. Dieser erste Messwert kann vorteilhaft mit einem Wälzkörperdrehzahlsensor ermittelt werden. Vorteilhaft wird dem Messwert auch in Abhängigkeit von einer Momentposition des Lagerelements bestimmt.
Bei dem von der zweiten Sensoreinrichtung aufgenommenen Messwert handelt es sich insbesondere um einen Messwert, der für das Vorhandensein eines Schmiermittels an vorbestimmten Bereichen charakteristisch ist. Dabei kann bevorzugt untersucht werden, ob zwischen den Lagerelementen und weiteren Bestandteilen der Lagereinrichtung wie beispielsweise dem Innenring oder dem Außenring ein Schmiermittel vorhanden ist.
Unter Verwendung der dritten Erfassungseinrichtung kann bevorzugt eine Zuordnung der jeweils erfassten Drehgeschwindigkeiten der Lagerelemente zu einer Position der Lagerelemente in ihrer Gesamtheit in ihrer Umfangsrichtung vorgenommen werden. So ist es denkbar, dass die einzelnen Lagerelemente wie beispielsweise Wälzkörper in Abhängigkeit von ihrer Position in Umfangsrichtung unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten (bei gleichbleibender Geschwindigkeit des drehbaren Maschinenelements aufweisen bzw. an unterschiedlichen Positionen einen unterschiedlichen Schlupf aufweisen.
Dies kann insbesondere bei auftretenden Radialkräften auf das Maschinenelement auftreten, da durch diese Kräfte ein Innenring bezüglich des Außenrings dezentriert wird und damit an bestimmten Bereichen in Umfangsrichtung ein Schlupf der einzelnen Wälzkörper bzw. Lagerelementen auftreten kann.
Vorteilhaft ist wenigstens der erste Messwert und/oder der zweite Messwert aus einer Gruppe von Messwerten ausgewählt, welche eine Frequenz, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Spannung, eine Stromstärke und dergleichen enthält.
Vorteilhaft handelt es sich bei der Erfassungseinrichtung um einen Nullimpuls-Sensor, der zur Bestimmung eines absoluten Winkels bei rotierenden Maschinen, das heißt insbesondere eines absoluten Winkels der einzelnen Wälzkörper, dient.
Derartige Positionsmessungen sind derzeit nicht möglich, da die Verwendung der Erfassungseinrichtung etwa in Form eines Nullimpuls-Sensors nicht vorgesehen ist. Es wären jedoch auch andere Maßnahmen möglich, um die Position der Wälzkörper zu bestimmen. So könnten beispielsweise ein oder mehrere Wälzkörper mit einem RFID-Element ausgestattet sein und über eine entsprechende Detektoreinrichtung könnte dieses erfasst werden. Auch wäre es möglich, dass einzelne Lagerelemente bzw. Wälzkörper mit besonderen magnetischen Eigenschaften oder auch optischen Eigenschaften ausgestattet sind, sodass deren Position erfasst werden kann.
Weiterhin hat die Anmelderin herausgefunden, dass gerade auch durch die Korrelation der ersten und zweiten Messwerte sehr sichere Aussagen über den Verschleiß einer Maschine und damit gegebenenfalls auch über die Lebenserwartung ausgegeben werden können. Insbesondere auch das oben erwähnte Auftreten eines Schlupfes zwischen den Lagerelementen und den weiteren Lagereinrichtungen wie dem Innen- und dem Außenring wird bei Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik nicht erkannt. Insbesondere wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und/oder Verfahren ein anschmierkritischer Schlupf bzw. ein entsprechendes Gleiten als solches nicht erkannt.
Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung für die Anwendung bei vollrolligen Zylinderrollenlagern. Es wäre jedoch auch eine Übertragung auf andere Lagereinrichtungen möglich, etwa bei solchen Lagern, bei denen auch axiale Kräfte auftreten und welche beispielsweise zylinderförmige Wälzkörper aufweisen.
Durch die geschickte Platzierung wenigstens einer oder mehrerer erster Sensoreinrichtungen (die zur Erfassung einer Wälzkörperdrehzahl dienen), einer oder mehrerer Sensoreinrichtungen, die zum Überprüfen der Schmierung dienen sowie bevorzugt auch der oben genannten Drehzahlerfassungseinheit kann gezielt ein Verschleiß (der adhäsiv, abrasiv oder durch eine Oberflächenzerrüttung auftreten kann) an Maschinenelementen, Maschinen und Anlagen diagnostiziert werden und anschließend bevorzugt mit intelligenten und/oder selbstlernenden Verfahren eine Prognose des Verschleißverlaufs erstellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die erste Sensoreinrichtung wenigstens ein induktives Element auf, welches durch eine Drehbewegung der Lagerelemente ausgelöste Magnetfeldänderungen erfasst.
Vorteilhaft sind bei dieser Ausführungsform auch die Lagerelemente, wie etwa die Wälzkörper selbst, magnetisch ausgestattet, wobei sich ein von den Lagerelementen verursachtes Magnetfeld durch eine Drehung dieser Lagerelemente ändert.
Durch diese ausgelösten Magnetfeldänderungen kann auch auf eine Drehgeschwindigkeit der Lagerelemente geschlossen werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Lagerelemente bezüglich eines umlaufenden Bewegungspfades beweglich und das induktive Element ist entlang dieses umlaufenden Bewegungspfads angeordnet. Vorteilhaft handelt es sich hierbei um einen kreisförmigen Bewegungspfad, der vorteilhaft bezüglich einer Drehachse des Maschinenelements konzentrisch ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das induktive Element eine Spulenanordnung auf, die sich entlang des umlaufenden Bewegungspfades erstreckt. So ist es möglich, dass das induktive Element eine Vielzahl von Spulen aufweist, die in der besagten Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Als Spulenanordnung kann dabei eine Spule mit einer vorgegebenen Anzahl an Windungen, welche zwischen 100 und 300 und bevorzugt bei ca. 200 liegt verwendet werden. Diese Spulenanordnung kann dabei in einem Dichtflansch angeordnet, beispielsweise in diesen Dichtflansch eingeklebt sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das induktive Element stationär angeordnet. Vorteilhaft ist das induktive Element in einer radialen Richtung des drehbaren Maschinenelements außerhalb der Lagerelemente angeordnet. Es wäre jedoch auch möglich, dass das induktive Element auf der gleichen Höhe wie die Lagerelemente angeordnet ist und in Richtung der Drehachse des Maschinenelements gegenüber den Lagerelementen versetzt ist.
Dabei wäre es möglich, dass auf einem oder den einzelnen Wälzkörpern Magnetelemente wie beispielsweise diametral polarisierte Scheibenmagnete aufgeklebt sind. Vorteilhaft sind auf wenigstens einer Stirnseite der Lagerelemente magnetische Pole ausgebildet. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine der Spule zugewandte Seite.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die zweite Sensoreinrichtung einen Schallemissionsaufnehmer wie z. B. eine Ultraschallaufnahmeeinrichtung auf. Es konnte ermittelt werden, dass die Lagereinrichtungen auch in Abhängigkeit von der Belastung, insbesondere aber auch in Abhängigkeit von dem Vorhandensein eines Schmiermittels unterschiedliche Geräusche im Ultraschallbereich ausgeben. Das Auftreten von Geräuschen bzw. Schallemissionen in einem bestimmten Frequenzbereich indiziert das nicht-ausreichend Vorhandensein eines Schmiermittels.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Sensoreinrichtung stationär an einer vorgegebenen Position in einer Umfangsrichtung des drehbaren Maschinenelements angeordnet. Dabei ist bevorzugt diese Position in Abhängigkeit von einer auf das Maschinenelement wirkenden Radialkraft ausgewählt. Insbesondere ist die zweite Sensoreinrichtung derart angeordnet, dass das Maschinenelement durch die Radialkraft in Richtung der Sensoreinrichtung gedrängt wird. In diesen Bereichen wirken die stärksten Kräfte zwischen den Innenring der Lagereinrichtung und den Wälzkörpern und in diesen Bereichen wird sich das Fehlen eines Schmiermittels am stärksten auswirken.
Vorteilhaft ist dabei die zweite Sensoreinrichtung in einer Lagerflansch integriert, wobei bevorzugt dieser Lagerflansch an der Lagereinrichtung anliegt.
Wie oben erwähnt weisen bevorzugt wenigstens ein oder mehrere Lagerelemente magnetische Elemente auf oder sind aus magnetischen Elementen gebildet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine weitere Erfassungseinrichtung auf, welche wenigstens einen Messwert erfasst, der für eine Drehbewegung einer Halteeinrichtung zum Halten der Lagerelemente charakteristisch ist. So kann beispielsweise über eine derartige Erfassungseinrichtung eine Drehbewegung eines Lagerkäfigs gegenüber einem (stationären) Außenring erfasst werden. Auf diese Weise kann auch ein gegebenenfalls auftretender Schlupf einer derartigen Lagereinrichtung berücksichtigt werden.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgelegt, um Verschleißerscheinungen bei Maschinenumdrehungen zu erfassen, die größer sind als 500 U/min, bevorzugt größer als 1000 U/min, bevorzugt größer als 1500 U/min.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung auf, die auf die zur Erfassung einer Temperatur insbesondere im Bereich einer Lagereinrichtung vorgesehen ist. Dabei kann beispielsweise eine Temperatur (gegebenenfalls auch eine lokale Temperatur) eines Innenrings oder auch eines Außenrings erfasst werden. Auch kann (insbesondere berührungslos) eine Temperatur der Lagerelemente erfasst werden. Genauer ist se möglich, dass eine Abschätzung der Wärmeübertragung der Lagerelemente bzw. Wälzkörper auf den Außenring und/oder Innenring des Lagers vorgenommen wird
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Ermitteln des Verschleißes einer Maschine gerichtet, welche ein drehbares Maschinenelement und eine Lagereinrichtung zur Lagerung des Maschinenelements aufweist, wobei die Lagereinrichtung eine Vielzahl von drehbaren Lagerelementen aufweist sowie eine Schmierungseinrichtung wenigstens ein Element der Lagereinrichtung mit einem fließfähigem Schmiermittel beaufschlagt.
Erfindungsgemäß bestimmt eine erste Sensoreinrichtung wenigstens einen ersten Messwert, der für eine Drehung der Lagerelemente charakteristisch ist, eine zweite Sensoreinrichtung bestimmt wenigstens einen zweiten Messwert, der für einen Schmierungszustand der Lagereinrichtung charakteristisch ist und wenigstens eine Erfassungseinrichtung erfasst bevorzugt einen dritten Messwert, der für eine Drehung des Maschinenelements und/oder für eine Position wenigstens eines Lagerelements charakteristisch ist. Insbesondere gibt eine Prozessoreinrichtung unter Berücksichtigung des ersten Messwerts, des zweiten Messwerts und des dritten Messwerts wenigstens einen Ergebniswert aus, der für einen Verschleiß der Maschine charakteristisch ist. Vorteilhaft ist der Ergebniswert, der für den Verschleiß charakteristisch ist, ausgewählt aus einer Gruppe von Werten, die für eine abrasive Abnutzung charakteristisch sind, Werten, die für eine Oberflächenzerrüttung charakteristisch sind oder Werten, die für eine adhäsive Abnutzung charakteristisch sind. Die Erfindung ist jedoch auch auf schmiermittelfreie Lagerungen anwendbar, wobei bevorzugt hier die Sensoreinrichtung einen weiteren Messwert ausgibt, der bei einer abrollenden Bewegung eines Lagerelements gegenüber einer weiteren Komponente der Lagereinrichtung, wie etwa eines Außenrings und/oder eines Innenrings charakteristisch ist.
Bei einem bevorzugten Verfahren handelt es sich bei der Drehung der Lagerelemente um eine Drehung um eine geometrische Zentralachse der Lagerelemente selbst. Dies bedeutet, dass jedes einzelne Lagerelement sich bezüglich seiner eigenen Dreh- bzw. Symmetrieachse dreht. Vorteilhaft ist eine Vielzahl von derartigen Lagerelementen vorgesehen. Insbesondere handelt es sich bei den Lagerelementen um zylinderförmige und/oder kegelförmige Lagerelemente.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine akustische Messung vorgenommen, um das Vorhandensein eines Schmiermittels festzustellen. Bevorzugt wird eine frequenzabhängige Auswertung dieser akustischen Messung vorgenommen. Dabei wird besonders bevorzugt aus dem Auftreten von Signalen in einem vorgegebenen Frequenzbereich auf einen Schmiermittelmangel geschlossen.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird aus der Drehung der Lagerelemente um ihre Achse auf ein Schlupfverhalten dieser Lagerelemente geschlossen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
Darin zeigen:
1 eine beispielhafte Anordnung zum Ermitteln von Verschleißcharakteristiken;
2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Sensoreinrichtung zum Erfassen der Wälzkörperdrehung;
3 eine schematische Darstellung eines Lagerflansches für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer Anordnung der ersten Sensoreinrichtung;
5 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Bewegung der Lagerelemente;
6 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Schlupfes der Lagerelemente;
7a, b zwei Darstellungen zur Veranschaulichung der Messergebnisse der ersten Sensoreinreichung;
8a, b zwei Darstellungen zur Veranschaulichung einer akustischen Auswertung;
9a, b zwei Darstellungen zur Veranschaulichung der akustischen Auswertung.
10 eine Darstellung einer Prozessoreinrichtung.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Bestimmen des Verschleißes eines drehbaren Maschinenelements 12. Bei diesem drehbaren Maschinenelement 12 kann es sich beispielsweise um eine angetriebene Welle handeln. Diese Welle wird dabei von einer zu überprüfenden Lagereinrichtung 14 geführt. Diese Lagereinrichtung 14 weist dabei eine Vielzahl von Lagerelementen 16 in Form von zylinderförmigen Wälzkörpern auf. Diese Wälzkörper lagern das Maschinenelement 12 drehend. Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung handelt es sich um eine Testanordnung, die Erfindung ist jedoch auch auf die oben erwähnten Maschinengattungen anwendbar und kann insbesondere auch in einem Arbeitsbetrieb dieser Maschinen funktionieren.
Das Bezugszeichen 36 kennzeichnet eine zweite Lagereinrichtung, welche hier als Lasteinleitungslager fungiert. Entlang des Pfeils F_r wird eine Radialkraft auf das Lager 36 und damit auch auf das Maschinenelement 12 aufgebracht. Die Einflüsse dieser Kraft werden mittels Sensoreinrichtungen untersucht. Dabei kennzeichnet das Bezugszeichen 2 die erste Sensoreinrichtung, welche eine Drehzahl der einzelnen Lagerelemente 16 bezüglich ihrer eigenen Achse überprüft.
Diese erste Sensoreinrichtung 2 gibt einen für die Drehzahl charakteristischen Wert W1 aus. Das Bezugszeichen 4 bezieht sich auf eine zweite Sensoreinrichtung in Gestalt eines akustischen Sensors, der das Vorhandensein eines Schmiermittels überprüft. Auch diese zweite Sensoreinrichtung 4 gibt eine für dieses Vorhandensein des Schmiermittels charakteristischen Wert W2 aus.
Das Bezugszeichen 6 bezieht sich auf eine dritte optional vorhandene Sensoreinrichtung, welche charakteristische Daten für die Drehung des Maschinenelements bestimmt. Auf Basis dieser Daten kann die Position der einzelnen Wälzkörper 16 entlang ihrer Umlaufbahn bestimmt werden. Die Umlaufbahn der Wälzkörper bzw. der Lagerelemente verläuft hier senkrecht zur Figurenebene auf einer Kreisbahn. Auf diese Weise kann eine Drehgeschwindigkeit der einzelnen Wälzkörper in Abhängigkeit von deren Position entlang ihrer Umlaufbahn bestimmt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Drehgeschwindigkeit des Maschinenelements auch auf andere Weise erfasst werden könnte, etwa aus den Antriebsdaten einer Steuerungseinrichtung ermittelt werden könnte.
2 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Funktionsweise der ersten Sensoreinreichung 2. Diese Sensoreinrichtung weist dabei hier ein induktives Element 22 auf, welches kreisförmig bezüglich der Bewegungsbahn P der Wälzkörper 16 ausgebildet ist. Das Bezugszeichen B kennzeichnet ein magnetisches Feld, welches von den einzelnen Wälzkörpern erzeugt wird.
Über eine Messeinrichtung 26 können Spannungen gemessen werden, welche durch die Bewegung der Wälzkörper um deren eigene Achse erzeugt werden. Dabei ist es möglich, lediglich einen der Wälzkörper mit einem magnetischen Element auszugestalten, es wäre jedoch auch möglich, sämtliche Wälzkörper entsprechend auszugestalten. Falls lediglich ein Wälzkörper entsprechend magnetisch ausgestaltet wird, kann ein zeitlicher Verlauf der Spannung U_ind ausgegeben werden. Diese Spannung U_ind ist dabei ein Maß für die Drehung der einzelnen Lagerelemente bzw. Wälzkörper 16 und damit, wie unten genauer erläutert wird, auch für den Schlupf. Das Bezugszeichen P kennzeichnet die Bewegungsbahn der einzelnen Lagerelemente. Genauer ist die gemessene Spannung in Abhängigkeit der Drehung der Lagerelemente um deren Drehachse D moduliert (siehe das kleine Teilbild von 2).
3 veranschaulicht einen Lagerflansch 18 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Man erkennt, dass dieser Lagerflansch 18 eine Ausnehmung 42 aufweist, in welcher die zweite Sensoreinrichtung angeordnet sein kann. Diese zweite Sensoreinrichtung ist bei dieser Ausgestaltung ein akustischer Sensor, der akustische Signale insbesondere auch im Ultraschallbereich aufnehmen kann. Das Bezugszeichen 8 kennzeichnet eine weitere Sensoreinrichtung, welche beispielsweise zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit eines Lagerkäfigs gegenüber dem (stationären) Außenring geeignet ist.
4 zeigt (grob schematisch) einen Dichtflansch 50 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veranschaulichung der ersten Sensoreinrichtung. Dabei sind zwischen einem Innenring 52 und einem Außenring 54 (nur schematisch dargestellt) eine Vielzahl von Spulen 27 dargestellt, die hier nebeneinander in Umfangsrichtung (nur einige der Spulen dargestellt) angeordnet sind. Diese Spulen bilden in ihrer Gesamtheit das induktive Element 22, in welchem durch die Drehbewegung der Lagerelemente bzw. Wälzkörper eine Spannung induziert werden kann.
5 zeigt eine Veranschaulichung zur Drehbewegung der Lagerelemente 16. Dabei ist wiederum eine Vielzahl von Lagerelementen 16 dargestellt, die hier zwischen dem Innenring 52 und dem Außenring 54 angeordnet sind. Wie bei derartigen Wälzlagern üblich, wird durch eine Drehung der Welle 12 auch eine Drehung der einzelnen Lagerelemente 16 sowie auch eine Bewegung der Lagerelemente hier im Uhrzeigersinn um die zentrale Drehachse Z bewirkt. Weiterhin wird eine Kraft F_r, wie durch den Pfeil veranschaulicht, aufgebracht.
Dies bedeutet, dass die Lagerelemente 16 in dem unteren Bereich der Abbildung, auf den der Pfeil F_r zuweist stärker zwischen die beiden Ringe 52 und 54 gepresst werden und damit die Lagerelemente 16 in diesem Bereich ihre Soll-Drehzahl D_S aufweisen. Gleichzeitig bildet diese durch die beiden Doppelpfeile angezeigte Strecke 56 auch die Lastzone der einzelnen Lagerlemente. In den durch den kleinen Winkel dargestellten Beschleunigungszone B_Z wird die Drehbewegung der Lagerelemente beschleunigt. In den übrigen Bereichen werden die Lagerelemente hinsichtlich ihrer Drehung wieder verzögert. Dies tritt dadurch auf, da in diesem Fall die Kraft Fr das Maschinenelement bzw. die Welle nach unten drückt und damit der Abstand zwischen dem Innen- und den Außenring zumindest geringfügig vergrößert wird.
Damit kann es in diesen Bereichen auch zu einem Schlupf der einzelnen Lagerelemente kommen sodass hierdurch die Verzögerung bewirkt wird. Das Bezugszeichen ⌷ kennzeichnet die Umlaufgeschwindigkeit des Maschinenelements 12.
6 zeigt eine Veranschaulichung zur Darstellung des Schlupfes. Auch hier wird wieder eine Kraft Fr aufgebracht. Die Kurve K veranschaulicht den Schlupf der Drehbewegung der einzelnen Lagerelemente in Prozent. Man erkennt, dass der Schlupf in einem Winkelbereich von etwa 210° Grad einsetzt, sich anschließend vergrößert und wieder bei einem Winkelbereich von ca. 330° Grad abnimmt. Dabei konnten diese einzelnen Kurven K durch Messungen der Drehgeschwindigkeiten der Wälzkörper bestimmt werden.
Als Stellgrößen wurden für diese Messung eine Radialkraft F_r = 45 kN und eine Drehzahl des Maschinenelements 12 von 2500 U/min verwendet.
7a zeigt ein erstes Diagramm zur Veranschaulichung der aufgenommenen Messung. Dabei wird die induzierte Spannung dargestellt. Das Bezugszeichen 62 kennzeichnet denjenigen Bereich, in dem sich die Wälzkörper mit ihrer Soll-Geschwindigkeit drehen. In dem Bereich des Bezugszeichens 66 tritt eine Verzögerung der Drehung der Lagerelemente auf, was wiederum auf einen Schlupf schließen lässt. Das Bezugszeichen 64 kennzeichnet die Zeitdauer einer Käfigumdrehung bzw. die Zeitdauer in der ein bestimmtes Lagerelement vollständig um die Zentralachse Z umläuft. Auf der Ordinate ist damit die Zeit in Sekunden aufgetragen und auf der Koordinate die induzierte Spannung in Volt.
7b zeigt eine Veranschaulichung der Wälzkörperdrehfrequenz. Dabei wurde aus den oben ermittelten Spannungen jeweils die Drehfrequenz der Wälzkörper ermittelt. Das Bezugszeichen 68 kennzeichnet die maximalen Drehzahlschwankungen die hier immerhin zwischen einer Wälzkörperdrehfrequenz von 125 hz und einer Wälzkörperdrehfrequenz von ca. 40 hz liegen. Die Wälzkörperdrehzahl ergibt sich aus der hier dargestellten Wälzkörperdrehfrequenz in Herz multipliziert mit 60 (angegeben U/min).
8a und 8b zeigen Darstellungen zur Messung mit der zweiten Sensoreinrichtung. Dabei wird hier wiederum die Schallemission in Volt gegenüber der Zeit gemessen. Bei den in 8a und 8b gezeigten Darstellungen sind die Schallemissionen bei unterschiedlichen Betriebspunkten dargestellt. Bei dem in 8a gewählten Betriebspunkt wurde von einer Radialkraft von 2 kN und einer Umdrehungszahl von 250 U/min ausgegangen. Bei dem in 8b gewählten Betriebspunkt wurde eine Radialkraft von 45 kN und eine Umdrehungszahl von 2500 U/min zugrunde gelegt. Zusätzlich wurde eine Axialkraft auf die drehende Welle von 4 kN zugrunde gelegt.
Man erkennt, dass bei der in 8b gezeigten Darstellung wesentlich höhere Schallemissionen auftreten als bei der in 8a gezeigten Darstellung.
9a und 9b zeigen eine Frequenzanalyse der auftretenden Schallemissionen. Man erkennt auch hier, dass bei 9a (bei den gleichen Betriebspunkten wie bei 8a nur vergleichsweise geringe Schallemissionen mit vereinzelten Spitzen auftreten. Bei den in 9b gezeigten Darstellung (Betriebspunkte wie bei 8b) treten hingegen erhebliche Schallemissionsspitzen in einem Frequenzbereich von ca. 25 kHz und weiterhin einen Frequenzbereich von ca. 100 kHz auf. Auf Basis dieser Frequenzanalyse kann auf das Fehlen eines Schmiermittelfilms geschlossen werden. Bei Fehlen eines Schmiermittelfilms werden insbesondere in den Frequenzbereich von ca. 180 kHz starke Schallemissionen zu erwarten sein.
Bevorzugt weist die zweite Sensoreinrichtung eine Frequenzanalyseeinrichtung auf, welche die von der Sensoreinrichtung aufgenommenen Ultraschall-Signale hinsichtlich ihrer Frequenz analysiert.
10 zeigt eine Darstellung einer Prozessoreinrichtung 20. Dieser Prozessoreinrichtung 20 werden die oben genannten Werte W1, W2, W3 zugeführt. Die Prozessoreinrichtung 20 ermittelt hieraus einen Ergebniswert, der für einen Verschleiß der Vorrichtung charakteristisch ist. Dabei könnten beispielsweise die oben genannten Frequenzbereiche ausgewertet werden oder auch die ermittelten Spannungen der ersten Sensoreinrichtung. Weiterhin weist die Prozessoreinrichtung eine Speichereinrichtung auf, in der bevorzugt Referenzwerte bzw. Vergleichsdaten gespeichert sind. So können beispielsweise Drehzahlen der Lagerelemente 16 (in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Maschinenelements) abgelegt sein. Auch können diese Drehzahlen in Abhängigkeit von einer Umlfaufposition der einzelnen Lagerelemente 16 abgelegt sein. Weiterhin weist die Prozessoreinrichtung vorteilhaft eine Vergleichseinrichtung auf, welche die von den Sensoreinrichtungen ermittelten Werte oder hieraus abgeleitete Größen mit den Referenzdaten vergleicht. Falls beispielsweise eine Abweichung dieser Werte von den Referenzdaten festgestellt wird, die außerhalb eines vorgegebenen Fensters liegt, kann ein Ergebniswert ausgegeben werden, der den Benutzer auf einen Verschleiß etwa der Lagereinrichtung hinweist.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung auch eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige von für einen Verschleiß charakteristischen Daten auf. Diese kann beispielsweise eine Darstellung wie in den 6 bis 9b gezeigt ausgeben, daneben aber z. B. auch Zeitpunkte, zu denen die Lagereinrichtung ausgewechselt oder gewartet werden sollte.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: erste Sensoreinrichtung
4: zweite Sensoreinrichtung
6: dritte optional vorhandene Sensoreinrichtung
8: weitere Sensoreinrichtung
12: drehbares Maschinenelement, Welle
14: zu überprüfende Lagereinrichtung
16: Lagerelemente, (zylinderförmige Wälzkörper)
18: Lagerflansch
20: Prozessoreinrichtung
22: induktives Element
26: Messeinreichung
27: Spulen
28: Speichereinrichtung
36: zweite Lagereinrichtung
42: Ausnehmung
50: Dichtflansch
52: Innenring
54: Außenring
56: Lastzone
62: Bereich, in dem sich die Wälzkörper mit ihrer Soll-Geschwindigkeit drehen
64: kennzeichnet die Zeitdauer einer Käfigumdrehung
68: kennzeichnet die maximalen Drehzahlschwankungen
F_r: Radialkraft
P: Bewegungsbahn
B: Magnetfeld
U_ind: indizierte Spannung
Z: zentrale Drehachse des Maschinenelements
D: Drehachse der Lagerelemente 16
D_S: Soll-Drehzahl
B_Z: Beschleunigungszone
K: Kurve
W1, W2, W3: Messwerte
E1: Ergebniswerte
: Umlaufgeschwindigkeit des Maschinenelements 12

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2110649 B2 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zum Bestimmen eines Verschleißes einer Maschine (1), welche ein drehbares Maschinenelement (12) und eine Lagereinrichtung (14) zur Lagerung des Maschinenelements, wobei die Lagereinrichtung (14) eine Vielzahl von drehbaren Lagerelementen (16), und eine Schmierungseinrichtung (18), welche wenigstens ein Element der Lagereinrichtung (14) mit einem fließfähigen Schmiermittel beaufschlagt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) aufweist: – eine erste Sensoreinrichtung (2) welche geeignet und dazu bestimmt ist wenigstens einen ersten Messwert (W1) zu bestimmen, der für eine Drehung der Lagerelemente (16) charakteristisch ist, – eine zweite Sensoreinrichtung (4), welche geeignet ist, wenigstens einen zweiten Messwert (W2) zu bestimmen, der für einen Schmierungszustand der Lagereinrichtung (14) charakteristisch ist; – bevorzugt eine Erfassungseinrichtung (6), welche geeignet ist, wenigstens einen dritten Messwert (W3) zu bestimmen, der für eine Position wenigstens eines Lagerelements und/oder eine Drehbewegung des Maschinenelements (12) charakteristisch ist, – eine Prozessoreinrichtung, welche unter Berücksichtigung des ersten Messwerts (W1) des zweiten Messwerts (W2) und des dritten Messwerts (W3) wenigstens einen Ergebniswert (E1) ausgibt, der für einen Verschleiß der Maschine charakteristisch ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (2) wenigstens ein induktives Element (22) aufweist, welches durch eine Drehbewegung der drehbaren Lagerelemente (16) ausgelöste Magnetfeldänderungen erfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (16) bezüglich eines umlaufenden Bewegungspfades (P) beweglich sind und das induktive Element (22) entlang dieses umlaufenden Bewegungspfads (P) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element eine Spulenanordnung (22) aufweist, die sich entlang des umlaufenden Bewegungspfads (P) erstreckt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element (22) in einer radialen Richtung des drehbaren Maschinenelements (12) außerhalb der Lagerelemente (16) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (4) einen Schallemissionsaufnehmer (42) aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (4) stationär an einer vorgegebenen Position in einer Umfangsrichtung des drehbaren Maschinenelements (12) angeordnet ist, und diese Position in Abhängigkeit von einer auf das Maschinenelement (12) wirkenden Radialkraft ausgewählt ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (16) magnetische Elemente aufweisen.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine weitere Erfassungseinrichtung (8) aufweist, welche wenigstens einen Messwert erfasst, der für eine Drehbewegung einer Halteeinrichtung zum Halten der Lagerelemente (14) charakteristisch ist.
Verfahren zum Ermitteln des Verschleißes einer Maschine, welche ein drehbares Maschinenelement (12) und eine Lagereinrichtung (14) zur Lagerung des Maschinenelements (12) aufweist, wobei die Lagereinrichtung (14) eine Vielzahl von drehbaren Lagerelementen (16) aufweist und eine Schmierungseinrichtung wenigstens ein Element der Lagereinrichtung (14) mit einem fließfähigen Schmiermittel beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Sensoreinrichtung (2) wenigstens einen ersten Messwert (W1) bestimmt, der für eine Drehung der Lagerelemente (16) charakteristisch ist, eine zweite Sensoreinrichtung (4) wenigstens einen zweiten Messwert (W2) bestimmt, der für einen Schmierungszustand der Lagereinrichtung (14) charakteristisch ist und bevorzugt eine Erfassungseinrichtung (6) wenigstens einen dritten Messwert (W3) erfasst, der für eine Drehung des Maschinenelements (12) und/oder für eine Position wenigstens eines Lagerelements charakteristisch ist und eine Prozessoreinrichtung unter Berücksichtigung des ersten Messwerts (W1) des zweiten Messwerts (W2) und bevorzugtes dritten Messwerts (W3) wenigstens einen Ergebniswert (E1) ausgibt, der für einen Verschleiß der Maschine charakteristisch ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Drehung der Lagerelemente (16) um ihre Achse (D) auf ein Schlupfverhalten dieser Lagerelemente (16) geschlossen wird.