DE102014200712A1 - Hydrodynamic plain bearing and method for operating state monitoring of a hydrodynamic plain bearing - Google Patents

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Abstract

Es ist ein hydrodynamisches Gleitlager (1) zur Lagerung einer Welle (9) offenbart, das mindestens ein Gleitelement (5) mit einer Gleitfläche (6) umfasst. Erfindungsgemäß ist auf mindestens einen Gleitelement (5) mindestens ein Sensor (11) aufgebracht, der aus einem funktionellen Schichtsystem (13) aufgebaut ist.. Von einem Signalabgriffselement (15) des Sensors (11) werden dann über mindestens eine elektrische Leitung (17) die Messwerte an eine Auswerteeinheit (19) geleitet. Anschließend werden in der Auswerteeinheit (19) die Messwerte ausgewertet und daraus im Betrieb des hydrodynamischen Gleitlagers (1) Aussagen über den Betriebszustand des hydrodynamischen Gleitlagers (1) mit Blick auf Lasten, Verformung und Temperatur abgeleitet.A hydrodynamic sliding bearing (1) for supporting a shaft (9) is disclosed which comprises at least one sliding element (5) with a sliding surface (6). According to the invention, at least one sensor (11), which is constructed from a functional layer system (13), is applied to at least one sliding element (5). A signal pick-off element (15) of the sensor (11) is then connected via at least one electrical line (17). the measured values are passed to an evaluation unit (19). Subsequently, in the evaluation unit (19), the measured values are evaluated and from this during operation of the hydrodynamic sliding bearing (1) statements about the operating state of the hydrodynamic sliding bearing (1) are derived with regard to loads, deformation and temperature.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Gleitlager zur Lagerung einer Welle, das mindestens ein Gleitelement mit einer Gleitfläche umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Betriebszustandsüberwachung eines hydrodynamischen Gleitlagers.The present invention relates to a hydrodynamic sliding bearing for supporting a shaft which comprises at least one sliding element with a sliding surface. Furthermore, the present invention relates to a method for operating state monitoring of a hydrodynamic sliding bearing.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Allgemeine Anwendungsgebiete der klassischen Hydrodynamik sind große Elektromotoren und Generatoren (im Mega-Watt-Bereich), Turbinen, Verbrennungsmotoren für Automobile, Nutzfahrzeuge, Trucks, Schiffe und Bahn sowie für große Industriegebiete. Soll aber in einer Lagerung eine Reibung zwischen relativ zueinander bewegten Elementen (insbesondere im An- und Auslauf) gesenkt werden, finden häufig hydrostatische Lagerungen Anwendung, wie beispielsweise bei Anfahr- und Auslaufvorgängen, beim Anfahren unter Last oder beim Auftreten von Betriebs- und Randbedingungen.General applications of classical hydrodynamics are large electric motors and generators (in the megawatt range), turbines, internal combustion engines for automobiles, commercial vehicles, trucks, ships and railways as well as for large industrial areas. However, if friction between relatively moving elements (in particular in the inlet and outlet) is to be reduced in a bearing, hydrostatic bearings are frequently used, for example during start-up and shut-down processes, when starting under load or when operating and boundary conditions occur.

Ein solches hydrostatisches Gleitlager weist einen aktiven Schmierstoffkreislauf aus, welcher mit einer externen Pumpe aufrechterhalten wird und der durch den Lagerspalt zwischen den relativ zueinander bewegten Elementen geführt wird. Im Lagerspalt baut sich ein dünner hydrostatischer Tragfilm auf, welcher die Reibung zwischen relativ zueinander bewegten Elementen senkt. Zur Schadensprävention von hydrostatischen Gleitlagern werden Systeme eingesetzt, die abnormale Lagerzustände erkennen und entsprechende sichernde Maßnahmen gegen Schäden und Lagerausfällen einleiten. Messtechnisch sind dann Sensoren für die Messung von Temperaturen im Bereich der sich verengenden Spalten bekannt. Ferner ist aus dem Bereich von Versuchseinrichtungen bekannt, dass Schmierfilmdickenhöhen mittels Hydrostatik und durch Verwendung kapazitiver Abstandsmessung eingesetzt werden.Such a hydrostatic sliding bearing has an active lubricant circuit, which is maintained by an external pump and which is guided through the bearing gap between the relatively moving elements. In the bearing gap, a thin hydrostatic support film builds up, which reduces the friction between relatively moving elements. To prevent damage to hydrostatic plain bearings, systems are used that detect abnormal bearing conditions and initiate corresponding safety measures against damage and bearing failures. Metrology then sensors for the measurement of temperatures in the narrowing columns are known. Furthermore, it is known from the field of experimental equipment that lubricant film thickness heights are used by hydrostatic and by the use of capacitive distance measurement.

Aber auch bei hydrodynamischen Gleitlagern, bei denen der Schmierfilm erst durch die Bewegung des Gleitlagers erzeugt wird, werden bereits Betriebszustandsgrößen gemessen. So erfolgt beispielswiese die Temperaturmessung in mindestens einem Gleitelement des hydrodynamischen Gleitlagers, wie z. B. in einer Lagerschale nahe einer Gleitflächenzone. Ferner ist auch die Messung einer Wellenverlagerung in verschiedene Richtungen als Indikator für das Vorherrschen der Hydrodynamik, sprich das Vorhandensein eines trennenden Schmierfilms, gängig. Allerdings ist die dafür zu verwendende Sensorik oft recht aufwendig eingebracht, wie beispielsweise in kleine Bohrungen in den Gleitelementen, wie in einer Lagerschale oder in einem Kippsegment eines Kippsegmentlagers, in denen ein Temperatursensor (z. B: ein PT100) eingesteckt ist. Die Herausforderung ist hier, nahe an die Gleitfläche zu kommen, aber nicht mit der Bohrung durchzudrücken bzw. diese Stelle nahe der Bohrung nicht zu schwächen. Bisher angewandte Wellenverlagerungssensoriken werden von außen auf die Welle gerichtet. Oft sitzen die Sensoren dann außerhalb eines Gehäuses eines hydrodynamischen Gleitlagers. Dabei schauen dann oft Kabel heraus und die verwendete Sensorik/Auswertetechnik ist zudem sehr teuer. Um Verformungen sicher messen zu können, werden Dehnmessstreifen eingesetzt, die aufwendig angeordnet und verklebt werden müssen. Dabei ist die Verklebestelle immer recht heikel (z. B. Lösen der Klebeverbindung unter Fliehkrafteinfluss). Zudem stehen diese Dehnmessstreifen immer hervor und stellen potenzielle Gefahrenstellen dar.But even with hydrodynamic plain bearings, in which the lubricating film is produced only by the movement of the plain bearing, operating state variables are already measured. Thus, for example, the temperature measurement takes place in at least one sliding element of the hydrodynamic sliding bearing, such. B. in a bearing shell near a Gleitflächenzone. Furthermore, the measurement of a wave displacement in different directions as an indicator of the prevalence of hydrodynamics, ie the presence of a separating lubricating film, is common. However, the sensor system to be used for this is often introduced quite laboriously, such as in small holes in the sliding elements, such as in a bearing shell or in a tilting segment of a tilting pad bearing, in which a temperature sensor (eg: a PT100) is inserted. The challenge here is to get close to the sliding surface, but not push through the hole or weaken this spot near the hole. Previously used Wellenverlagerungssensoriken be directed from the outside to the shaft. Often the sensors then sit outside of a housing of a hydrodynamic plain bearing. In this case, cables often look out and the sensor / evaluation technology used is also very expensive. In order to be able to reliably measure deformations, strain gauges are used which have to be arranged and glued in a complicated manner. The place of sticking is always very sensitive (eg loosening of the adhesive bond under the influence of centrifugal force). In addition, these strain gauges always stand out and represent potential danger spots.

Eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist daher, ein hydrodynamisches Gleitlager zu schaffen, das im Betrieb Messdaten zum Zustand des hydrodynamischen Gleitlagers sammelt und so in einfacher Weise die Überwachung von Lasten und Lastverteilung im hydrodynamischen Gleitlager erlaubt.An object of the present invention is therefore to provide a hydrodynamic sliding bearing which collects in operation measurement data on the state of the hydrodynamic sliding bearing and thus allows the monitoring of loads and load distribution in the hydrodynamic sliding bearing in a simple manner.

Diese Aufgabe wird durch ein hydrodynamisches Gleitlager gelöst, das die Merkmale im Anspruch 1 umfasst.This object is achieved by a hydrodynamic sliding bearing comprising the features in claim 1.

Eine weitere Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist, ein einfaches Verfahren zur Betriebszustandsüberwachung eines hydrodynamischen Gleitlagers anzugeben, das Lagerbelastungen kontinuierlich misst und somit den Gleitlagerzustand überwacht.Another object of the present invention is to provide a simple method of operating condition monitoring of a hydrodynamic journal bearing which continuously measures bearing loads and thus monitors the journal bearing condition.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Betriebszustandsüberwachung eines hydrodynamischen Gleitlagers, das die Merkmale im Anspruch 10 umfasst.This object is achieved by a method for operating state monitoring of a hydrodynamic sliding bearing comprising the features in claim 10.

Das erfindungsgemäße hydrodynamische Gleitlager zur Lagerung einer Welle umfasst mindestens ein Gleitelement mit einer GleitflächeThe hydrodynamic sliding bearing according to the invention for supporting a shaft comprises at least one sliding element with a sliding surface

Insbesondere ist das erfindungsgemäße hydrodynamische Gleitlager ein Kippsegmentlager, wie beispielsweise ein Axial-Kippsegmentlager, ein Radial-Kippsegmentlager oder eine Kombination eines Axial-Kippsegmentlagers und Radial-Kippsegmentlagers. Ebenso ist aber auch denkbar, dass das erfindungsgemäße hydrodynamische Gleitlager als ein Festsegmentlager oder ein Einflächengleitlager ausgebildet ist. Neue potenzielle und zukunftsträchtige Anwendungsfeder für derartige hydrodynamische Gleitlager sind Windkraftanlagen sowie Meereskraft- und Strömungskraftwerke, bei denen diese Lager in der Hauptrotorlagerung Anwendung finden.In particular, the hydrodynamic sliding bearing according to the invention is a tilting pad bearing, such as, for example, an axial tilting pad bearing, a radial tilting pad bearing or a combination of an axial tilting pad bearing and a radial tilting pad bearing. Likewise, however, it is also conceivable that the hydrodynamic sliding bearing according to the invention is designed as a fixed-segment bearing or a single-surface sliding bearing. New potential and promising application for such hydrodynamic bearings are wind turbines and marine power and flow power plants, where these bearings are used in the main rotor bearing.

Da bei hydrodynamischen Gleitlagern nicht wie im Falle von Wälzlagern eine Ermüdungstheorie angesetzt werden kann, bei der eine Vollschmierung oder Mischreibung angenommen wird und die Werkstoffeigenschaften, wie Festigkeit etc., der Lagerkomponenten bekannt sind, müssen diese Gleitlager mit einer minimalen Schmierfilmdicke ausgelegt werden, um somit Bearbeitungsungenauigkeiten (Rundlauf, Rundheit, ...) und Oberflächenbeschaffenheiten (Ra, Rz, Rpk, ...) vergleichen zu können. Daraus lassen sich dann erst Aussagen zum Betriebszustand eines hydrodynamischen Gleitlagers ableiten. Einflussparameter auf das sich einstellende Betriebsspiel und die Leistungsfähigkeit des hydrodynamischen Gleitlagers im Betrieb sind Temperatur, örtliche Pressungen im Kontaktbereich (Keilspalt) und die Schmierfilmhöhe. Since with hydrodynamic plain bearings not as in the case of rolling bearings a fatigue theory can be applied in which a full or mixed friction is assumed and the material properties, such as strength, etc., the bearing components are known, these plain bearings must be designed with a minimum lubricant film thickness, thus Machining inaccuracies (concentricity, roundness, ...) and surface qualities (Ra, Rz, Rpk, ...) can be compared. It is then possible to derive statements on the operating status of a hydrodynamic plain bearing. Influence parameters on the resulting operating clearance and the performance of the hydrodynamic sliding bearing in operation are temperature, local pressures in the contact area (wedge gap) and the lubricating film height.

Erfindungsgemäß ist auf dem mindestens einen Gleitelement mindestens ein Sensor aufgebracht, der aus einem funktionellen Schichtsystem aufgebaut ist. Dieses funktionelle Schichtsystem zeichnet sich dadurch aus, dass das nur mit wenigen Mikrometern beschichtete Gleitelement des hydrodynamischen Gleitlagers dann nicht nur Kräfte überträgt, sondern auch physikalische Größen wie Drehmomente, Kräfte, Dehnung oder Temperatur erfasst und überträgt. So können die Lagerbelastungen kontinuierlich gemessen und überwacht werden.According to the invention, at least one sensor, which is constructed from a functional layer system, is applied to the at least one sliding element. This functional layer system is characterized by the fact that the sliding element of the hydrodynamic plain bearing coated with only a few micrometers not only transfers forces but also detects and transmits physical quantities such as torques, forces, elongation or temperature. Thus, the bearing loads can be continuously measured and monitored.

Um Messsignale abgreifen zu können, besteht jeder Sensor neben einer verformungssensitiven Messschicht, die das funktionelle Schichtsystem ist, aus wenigstens einem Signalabgriffselement. Dabei kann die verformungssensitive Messschicht insbesondere aus einem metallischen Material oder einem Halbleitermaterial bestehen. Insbesondere kann die verformungssensitive Messschicht aus einer Nickel-Legierung oder aus Titanoxinitrid bestehen.In order to be able to pick up measuring signals, each sensor comprises, in addition to a strain-sensitive measuring layer, which is the functional layer system, at least one signal pick-off element. In this case, the deformation-sensitive measuring layer can in particular consist of a metallic material or a semiconductor material. In particular, the strain-sensitive measuring layer can consist of a nickel alloy or of titanium oxynitride.

Diese formungssensitive Messschicht verformt sich im Betrieb entsprechend einer Verformung des mindestens einen Gleitelements. D. h. eine Verformung des Gleitelements wird auf die formungssensitive Messschicht „übertragen“. Die verformungssensitive Messschicht wird somit, je nach Verformung, positiv (Streckung) oder negativ (Stauchung) gedehnt. This formation-sensitive measuring layer deforms during operation in accordance with a deformation of the at least one sliding element. Ie. a deformation of the sliding element is "transferred" to the formation-sensitive measuring layer. The strain-sensitive measuring layer is thus, depending on the deformation, positively (stretch) or negative (compression) stretched.

Auch kann das mindestens eine Gleitelement des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Gleitlagers eine Schutzschicht vorsehen. Diese Schutzschicht ist dann auf der formungssensitiven Messschicht aufgebracht und dient im Wesentlichen dem Schutz der formungssensitiven Messschicht vor Verunreinigungen, Korrosion und mechanischer Beschädigung, sowie vor ungewollten Kontakt der formungssensitiven Messschicht mit leitfähigem Material. Dabei ist aber anzumerken, dass diese formungssensitive Messschicht nicht zwangsläufig eine Schutzschicht vorsehen muss. Diese Schutzschicht ist somit in speziellen Anwendungen optional aufzutragen. Also, the at least one sliding element of the hydrodynamic sliding bearing according to the invention can provide a protective layer. This protective layer is then applied to the formation-sensitive measurement layer and essentially serves to protect the formation-sensitive measurement layer from contamination, corrosion and mechanical damage, as well as from unwanted contact of the formation-sensitive measurement layer with conductive material. However, it should be noted that this formation-sensitive measuring layer does not necessarily have to provide a protective layer. This protective layer is therefore optional to apply in special applications.

Ferner weist jedes Gleitelement mit mindestens einem Sensor eine elektrische Leitung auf, um Messdaten von dem wenigstens einen Signalabgriffselement jedes Sensors an eine Auswerteeinheit zu leiten.Furthermore, each sliding element with at least one sensor has an electrical line in order to conduct measurement data from the at least one signal pickup element of each sensor to an evaluation unit.

Insbesondere ist bei der Erfindung jeder Sensor derart ausgestaltet, dass die verformungssensitive Messschicht mindestens eine Windung aufweist. Vorzugsweise weist die verformungssensitive Messschicht aber mehrere Windungen auf.In particular, in the case of the invention, each sensor is designed such that the strain-sensitive measuring layer has at least one turn. Preferably, however, the strain-sensitive measuring layer has a plurality of turns.

Bei dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Gleitlager ist zumindest die verformungssensitive Messschicht eines Sensors auf einer Oberseite, einer Unterseite oder auf einer Stirnfläche, die mit einem Reibpartner zusammenwirkt, des Gleitelements aufgebracht. Das wenigstens eine Signalabgriffselement eines Sensors ist auf einer Oberseite, einer Unterseite oder auf wenigstens einer von vier Stirnflächen des Gleitelements aufgebacht.In the case of the hydrodynamic sliding bearing according to the invention, at least the strain-sensitive measuring layer of a sensor is applied to the sliding element on an upper side, a lower side or on an end face, which interacts with a friction partner. The at least one signal pick-up element of a sensor is applied on an upper side, a lower side or on at least one of four end faces of the sliding element.

Folglich sind diverse Ausführungsformen der aufzubringenden verformungssensitiven Messschicht und des wenigstens einem Signalabgriffselement eines Sensors denkbar. So ist in einer Ausführungsform die verformungssensitive Messschicht und das Signalabgriffselement eines Sensors auf der Oberseite, Unterseite oder der Stirnfläche aufgebracht, hingegen in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die verformungssensitive Messschicht auf der Oberseite oder der Unterseite und das Signalabgriffselement an einer der vier Stirnflächen des Gleitelements aufgebacht ist.Consequently, various embodiments of the deformation-sensitive measuring layer to be applied and of the at least one signal pick-up element of a sensor are conceivable. Thus, in one embodiment, the strain-sensitive measuring layer and the signal pick-up element of a sensor on the top, bottom or end face applied, however, gebeuteten in another embodiment of the invention, the strain-sensitive measuring layer on the top or bottom and the signal pick-off element on one of the four end faces of the sliding element is.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Gleitlagers ist das Gleitelement aus einer Mehrzahl von Kippsegmenten aufgebaut, wie beispielsweise bei einem Axial-Kippsegmentlager. Dabei umfasst das Axial-Kippsegmentlager eine Trägerscheibe mit einer Mehrzahl von Kippsegmenten mit diesem funktionellen Schichtsystem, die auf dem Radius der Trägerscheibe angeordnet sind. Dabei ist dann die Trägerscheibe ortsfest mit einem Gehäuse des hydrodynamischen Axial-Kippsegmentlagers verbunden. Ferner ist dann vorgesehen, dass eine Wellenscheibe, die mit einer Welle verdrehsteif verbunden ist (alternativ durch die Geometrie der Welle selbst bereit gestellt, so dass keine Wellenscheibe benötigt wird) und sich relativ zur Trägerscheibe und den Kippsegmenten bewegt.In a preferred embodiment of the hydrodynamic sliding bearing according to the invention, the sliding element is constructed from a plurality of tilting segments, as for example in the case of an axial tilting pad bearing. In this case, the axial tilting pad bearing comprises a carrier disk with a plurality of tilting segments with this functional layer system, which are arranged on the radius of the carrier disk. In this case, then, the support disk is fixedly connected to a housing of the hydrodynamic axial Kippsegmentlagers. Further, it is then envisaged that a wave washer which is connected to a shaft torsionally rigid (alternatively provided by the geometry of the shaft itself, so that no wave washer is needed) and moves relative to the carrier disk and the tilting segments.

Allgemein ist somit anzumerken, dass dieses funktionelle Schichtsystem so auf mindestens einem Gleitelement (Lagerschale, Kippsegment) eines hydrodynamischen Gleitlagers aufgebracht ist, dass es zwar die Vorformung des Gleitelements aufnimmt, aber nicht wie bisher bekannt und gebräuchlich, im direkten Gleitkontakt sitzt, wo es verschlissen und zerstört wird. Da Kippsegmente oder auch Bereiche von Festsegmentlagern durch eine Belastung des Gegenläufers verformt werden, muss der Sensor nicht zwangsweise im Kontakt sitzen. Aus diesem Grund ist eine bevorzugte Ausführungsform, den erfindungsgemäßen Sensor an eine Unterseite eines Kippsegments aufzubringen oder auch an den Stirnflächen (Axialflächen) eines Radiallagers. Dort kann dann die Verformung aufgenommen werden ohne im direkten Gleitkontakt zu stehen (ein direkter Gleitkontakt zwischen Gleitelement und der Wellenscheibe entsteht bspw. beim Anlauf, wenn noch kein trennender Schmierfilm vorliegt). In general, it should therefore be noted that this functional layer system is applied to at least one sliding element (bearing shell, tilting segment) of a hydrodynamic sliding bearing so that, although it is the preforming of the sliding element absorbs, but not as previously known and common, sitting in direct sliding contact, where it is worn and destroyed. Since tilting segments or even areas of fixed-segment bearings are deformed by a load on the counter-rotor, the sensor does not necessarily have to be in contact. For this reason, a preferred embodiment, the sensor according to the invention to be applied to an underside of a tilting segment or on the end faces (axial surfaces) of a radial bearing. There, the deformation can then be recorded without being in direct sliding contact (a direct sliding contact between the sliding member and the wave washer is formed, for example, during start-up, when there is no separating lubricating film).

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betriebszustandsüberwachung des zuvor beschriebenen hydrodynamischen Gleitlagers zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus. Durch mindestens einen Sensor, der aus einem funktionellen Schichtsystem aufgebaut ist und auf mindestens einen Gleitelement des hydrodynamischen Gleitlagers aufgebracht ist, werden Messwerte über den Zustand des hydrodynamischen Gleitlagers erzeugt. Von einem Signalabgriffselement des Sensors werden dann über mindestens eine elektrische Leitung die Messwerte an eine Auswerteeinheit geleitet. In der Auswerteeinheit werden die Messwerte ausgewertet und daraus im Betrieb des hydrodynamischen Gleitlagers Aussagen über den Betriebszustand des hydrodynamischen Gleitlagers mit Blick auf Lasten, Verformung und Temperatur abgeleitet.The method according to the invention for operating state monitoring of the above-described hydrodynamic sliding bearing is characterized by the following steps. By at least one sensor, which is constructed from a functional layer system and is applied to at least one sliding element of the hydrodynamic sliding bearing, measured values are generated via the state of the hydrodynamic sliding bearing. From a signal pick-off element of the sensor, the measured values are then passed to an evaluation unit via at least one electrical line. In the evaluation unit, the measured values are evaluated and derived therefrom in the operation of the hydrodynamic sliding bearing statements about the operating state of the hydrodynamic plain bearing with regard to loads, deformation and temperature.

Grundsätzlich werden mit der Erfindung zwei Messaufgaben gelöst. Zum einen ermöglicht eine 3D-Sensorierung mindestens eines Gleitelements, vorzugsweise eine Mehrzahl von Kippsegmenten, eine Bestimmung der Dehnung in verschiedenen Richtungen und an verschiedenen Stellen des Gleitelements bzw. der Kippsegmente und zum anderen ermöglicht eine Sensorierung des Auflagedrucks sowie der Auflagepressung des Gleitelements bzw. der Kippsegmente, die aus dem sich im verengenden Schmierspalt bildenden Druckaufbau resultieren, die Detektierung der Gleitelement- bzw. Kippsegmentbelastung.Basically, two measurement tasks are solved with the invention. On the one hand allows a 3D sensor at least one sliding element, preferably a plurality of tilting segments, a determination of the strain in different directions and at different points of the sliding element or the Kippsegmente and on the other allows a sensor of the contact pressure and the contact pressure of the sliding element or the Tilting segments, which result from the pressure build-up formed in the narrowing lubricating gap, the detection of Gleitelement- or Kippsegmentbelastung.

Die 3D-Sensorierung dient insbesondere dazu Rückschlüsse auf den Schmierstoffdruck und ggf. auf die Schmierspalte zu ziehen. Anzumerken ist auch, dass das funktionelle Schichtsystem keinen zusätzlichen Verschleißschutz bietet. Somit dürfen die Sensoren auf dem Gleitelement bzw. den Kippsegmenten nicht kontaktiert oder überglitten werden, wie z.B. beim Anlauf. Das Gleitelement bzw. die Kippsegmente dürfen nur Druckkräfte erfahren. Dadurch sollte das funktionelle Schichtsystem nicht an Stellen angebracht werden, die bei einem Stillstand des hydrodynamischen Gleitlagers im Kontakt mit dem Gegenlaufpartner stehen (d. h. nicht auf Rastflächen). Die Aufbringung der verformungssensitiven Messschicht, sprich des funktionellen Schichtsystems, bietet sich daher an einer Unterseite des Gleitelements bzw. Kippsegments an, wobei ein Aufbringen des funktionellen Schichtsystems auf einer Oberseite des Gleitelements bzw. Kippsegments aber mit obiger Einschränkung ebenso möglich ist.In particular, the 3D sensor serves to draw conclusions about the lubricant pressure and possibly the lubrication gaps. It should also be noted that the functional layer system offers no additional wear protection. Thus, the sensors on the slider or tipping segments must not be contacted or over-slid, e.g. at startup. The sliding element or the tilting segments may only experience compressive forces. As a result, the functional layer system should not be applied to locations which are in contact with the mating partner when the hydrodynamic sliding bearing is at a standstill (ie not on latching surfaces). The application of the strain-sensitive measuring layer, that is to say the functional layer system, therefore lends itself to an underside of the sliding element or tilting segment, wherein application of the functional layer system on an upper side of the sliding element or tilting segment is also possible with the above restriction.

Die Sensorierung zur Detektierung der Gleitelement- bzw. Kippsegmentbelastung dient dem Rückschluss auf die Belastung des hydrodynamischen Gleitlagers insgesamt sowie der Erkennung von Wellenverkippungen. Diese Messaufgabe kann mit der vorstehenden verschriebenen Messaufgabe kombiniert als auch alleinstehend die Verwendung eines piezoresistiven Schichtsystems vorsehen.The sensor for detecting Gleitelement- or Kippsegmentbelastung serves to draw conclusions about the load on the hydrodynamic slide bearing as a whole and the detection of Wellenverkippungen. This measurement task can be combined with the above prescribed measurement task as well as provide the use of a piezoresistive layer system on its own.

Durch die Erfindung ist somit ein Sensor geschaffen, der einen hohen Integrationsgrad hat, da er kein eigenes Bauteil mehr darstellt und im direkten Umfeld des Gleitkontakts sitzt. Über Verformung können somit Last und Lastverteilung gemessen werden.The invention thus provides a sensor which has a high degree of integration, since it no longer represents a separate component and sits in the immediate vicinity of the sliding contact. By deformation, load and load distribution can be measured.

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:In the following, embodiments of the invention and their advantages with reference to the accompanying figures will be explained in more detail. The proportions in the figures do not always correspond to the actual size ratios, as some shapes are simplified and other shapes are shown enlarged in relation to other elements for ease of illustration. Showing:

1 eine Perspektivansicht einer Trägerscheibe eines hydrodynamischen Gleitlagers, auf der ein Gleitelement in Form von einer Mehrzahl von Kippsegmenten angeordnet ist; 1 a perspective view of a support disk of a hydrodynamic sliding bearing on which a sliding element in the form of a plurality of tilting segments is arranged;

2 eine Perspektivansicht einer Wellenscheibe des hydrodynamischen Gleitlagers, die mit der in 1 dargestellten Trägerscheibe und den Kippsegmenten das hydrodynamische Gleitlager bildet; 2 a perspective view of a wave washer of the hydrodynamic sliding bearing, with the in 1 illustrated carrier disc and the tilting segments forms the hydrodynamic sliding bearing;

3 eine Perspektivansicht eines Kippsegments mit einem an einer Unterseite des Kippsegments ausgebildeten Kippsteg; und 3 a perspective view of a tilting segment with a formed on a bottom of the tilting segment Kippsteg; and

4 bis 10 verschiedene Ausführungsformen mindestens eines auf einem Kippsegment aufbrachten Sensors des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Gleitlagers. 4 to 10 various embodiments of at least one applied to a tilting sensor of the hydrodynamic sliding bearing according to the invention.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße hydrodynamische Gleitlager sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Betriebszustandsüberwachung eines hydrodynamischen Gleitlagers ausgestaltet sein können und stellen somit keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.For identical or equivalent elements of the invention, identical reference numerals are used. Furthermore, for the sake of clarity, only reference symbols are shown in the individual figures, which are required for the description of the respective figure. The illustrated embodiments are merely examples, such as Inventive hydrodynamic sliding bearing and the inventive method for operating state monitoring of a hydrodynamic sliding bearing can be configured and thus do not constitute a final limitation of the invention.

Obwohl sich die nachfolgende Beschreibung auf ein Gleitelement bezieht, das aus mehreren Kippsegmenten aufgebaut ist und bei einem Axial-Kippsegmentlager, Radial-Kippsegmentlager oder bei einer Kombination eines Axial-Kippsegmentlagers und Radial-Kippsegmentlagers Anwendung findet, soll dies nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden.Although the following description refers to a sliding member constructed of a plurality of tilting segments and applied to an axial tilting pad bearing, radial tilting pad bearing or a combination of an axial tilting pad bearing and radial tilting pad bearing, this should not be construed as limiting the invention ,

1 zeigt eine Perspektivansicht einer Trägerscheibe 3 eines hydrodynamischen Gleitlagers 1, auf der auf einem Radius R ein Gleitelement 5 mit einer Gleitfläche 6 in Form von einer Mehrzahl von Kippsegmenten 5 mit jeweils einer Gleitfläche 6 angeordnet ist. Dabei ist dann die Trägerscheibe 3 mit einem hier nicht dargestellten Gehäuse ortsfest verbunden. 1 shows a perspective view of a carrier disk 3 a hydrodynamic plain bearing 1 on which on a radius R a sliding element 5 with a sliding surface 6 in the form of a plurality of tilting segments 5 each with a sliding surface 6 is arranged. Here then is the carrier disk 3 connected stationarily with a housing, not shown here.

2 zeigt eine Perspektivansicht einer Wellenscheibe 7 des hydrodynamischen Gleitlagers 1. Die Wellenscheibe 7 ist dabei mit einer Welle 9 verdrehsteif verbunden. Die Wellenscheibe 7 bildet mit der in 1 dargestellten Trägerscheibe 3 und den Kippsegmenten 5 das hydrodynamische Gleitlager 1. Im Betrieb bewegt sich die Wellenscheibe 7 relativ zur Trägerscheibe 3 und den Kippsegmenten 5, wobei andere Ausführungsformen der Erfindung auch keine Wellenscheibe 7 vorsehen, nämlich dann, wenn die Welle 9 eine geeignete Geometrie für die Trägerscheibe 3 oder beispielsweise auch für eine Lagerschale aufweist. 2 shows a perspective view of a wave washer 7 of the hydrodynamic plain bearing 1 , The wave washer 7 is with a wave 9 torsionally connected. The wave washer 7 forms with the in 1 illustrated carrier disk 3 and the tilting segments 5 the hydrodynamic plain bearing 1 , During operation, the wave washer moves 7 relative to the carrier disk 3 and the tilting segments 5 Other embodiments of the invention also are not wave washer 7 Provide, namely, when the shaft 9 a suitable geometry for the carrier disk 3 or for example also for a bearing shell.

3 zeigt eine Perspektivansicht eines Kippsegments 5 mit einem an einer Unterseite 23 des Kippsegments 5 ausgebildeten Kippsteg 27, der auf der Trägerscheibe 3 beim Drehen vermittels der in 2 dargestellten Welle 9 eine Kippbewegung des Kippsegments 5 ermöglicht. 3 shows a perspective view of a tilting segment 5 with one at a bottom 23 of the tilting segment 5 trained tilting bridge 27 standing on the carrier disk 3 when turning by means of in 2 represented wave 9 a tilting movement of the tilting segment 5 allows.

4 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen mindestens eines auf einem Kippsegment 5 aufgebrachten Sensors 11 des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Gleitlagers 1. Der Sensor 11 ist erfindungsgemäß aus einem funktionellen Schichtsystem 13 aufgebaut. Dabei besteht jeder Sensor 11 aus einer verformungssensitiven Messschicht 13, die das funktionelle Schichtsystem ist, und wenigstens einem Signalabgriffselement 15. Zudem weist jedes Kippsegment 5 mit mindestens einem Sensor 11 eine elektrische Leitung 17 auf. Dies ist exemplarisch in 1 dargestellt. Diese elektrische Leitung 17 dient dazu, um Messdaten von dem wenigstens einen Signalabgriffselement 15 jedes Sensors 11 an eine Auswerteeinheit 19 (siehe ebenfalls 1) zu leiten. In der Auswerteeinheit 19 werden die Messwerte ausgewertet und daraus im Betrieb des hydrodynamischen Gleitlagers 1 Aussagen über den Betriebszustand des hydrodynamischen Gleitlagers 1 mit Blick auf von Lasten, Lastverteilung (Verkippung) Verformung und Temperatur abgeleitet. 4 to 10 show various embodiments of at least one on a tilting segment 5 applied sensor 11 the hydrodynamic sliding bearing according to the invention 1 , The sensor 11 is according to the invention of a functional layer system 13 built up. There is every sensor 11 from a strain-sensitive measuring layer 13 , which is the functional layer system, and at least one signal tapping element 15 , In addition, each tilting segment 5 with at least one sensor 11 an electrical line 17 on. This is exemplary in 1 shown. This electrical line 17 serves to provide measurement data from the at least one signal tapping element 15 every sensor 11 to an evaluation unit 19 (see also 1 ). In the evaluation unit 19 the measured values are evaluated and from this during operation of the hydrodynamic plain bearing 1 Statements about the operating condition of the hydrodynamic plain bearing 1 with regard to derived from loads, load distribution (tilting) deformation and temperature.

Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform sind auf dem Kippsegment 5 zwei Sensoren 11 aufgebracht. Wie bereits zuvor erwähnt, besteht jeder Sensor 11 aus der verformungssensitiven Messschicht 13, die das funktionelle Schichtsystem ist, und wenigstens einem Signalabgriffselement 15. Die hier gezeigten Sensoren 11 sind derart ausgestaltet, dass die verformungssensitive Messschicht 13 mehrere Windungen N aufweist. Insbesondere ist hier die verformungssensitive Messschicht 13 auf einer Unterseite 23 und zwei Signalabgriffselemente 15 jedes Sensors 11 auf einer Stirnfläche 25 des Kippsegments 5 aufgebracht.At the in 4 illustrated embodiment are on the tilting segment 5 two sensors 11 applied. As mentioned earlier, each sensor exists 11 from the strain-sensitive measuring layer 13 , which is the functional layer system, and at least one signal tapping element 15 , The sensors shown here 11 are designed such that the strain-sensitive measuring layer 13 has several turns N. In particular, here is the strain-sensitive measuring layer 13 on a bottom 23 and two signal pickup elements 15 every sensor 11 on a face 25 of the tilting segment 5 applied.

In der in 5 gezeigten Ausführungsform, sind auf dem Kippsegment 5 sechs Sensoren 11 aufgebracht. Dabei ist die verformungssensitive Messschicht 13 aller sechs Sensoren 11 auf einer Oberseite 21 des Kippsegments 5 aufgebracht, hingegen alle Signalabgriffselemente 15 auf allen vier Stirnfläche 25 des Kippsegments 5 verteilt aufgebracht sind.In the in 5 shown embodiment, are on the tilting segment 5 six sensors 11 applied. Here is the deformation-sensitive measuring layer 13 all six sensors 11 on a top 21 of the tilting segment 5 applied, however, all Signalabgriffselemente 15 on all four faces 25 of the tilting segment 5 are applied distributed.

Das Kippsegment 5 in 6 weist drei Sensoren 11 auf, bei denen jede verformungssensitive Messschicht 13 auf der Oberseite 21 und jedes Signalabgriffselement 15 auf der Stirnfläche 25 des Kippsegmentes 5 aufgebracht ist. Bei dieser Stirnfläche 25, handelt es sich um diejenige, die mit der in 2 dargestellten Wellenscheibe als Reibpartner 7 zusammenwirkt. In dieser Ausführungsform weist jede der drei verformungssensitiven Messschichten 13 im Gegensatz zu den vorherigen gezeigten verformungssensitiven Messschichten 13 nur eine Windung N auf.The tilting segment 5 in 6 has three sensors 11 on, where each strain-sensitive measuring layer 13 on the top 21 and each signal tapping element 15 on the face 25 of the tilting segment 5 is applied. At this end face 25 , it is the one with the in 2 Shaft shown as a friction partner 7 interacts. In this embodiment, each of the three strain-sensitive measurement layers 13 in contrast to the previously shown strain-sensitive measuring layers 13 only one turn N up.

In der in 7 dargestellten Ausführungsform, sind auf dem Kippsegment 5 zwei Sensoren 11 aufgebracht. Da die hier dargestellte Ausführungsform der Anbringung der verformungssensitiven Messschicht 13 und der Signalabgriffselemente 15 der 6 gleich ist, wird auf eine erneute Beschreibung an dieser Stelle verzichtet.In the in 7 illustrated embodiment, are on the tilting segment 5 two sensors 11 applied. Since the embodiment illustrated here, the attachment of the deformation-sensitive measuring layer 13 and the Signalabgriffselemente 15 of the 6 is the same, is waived on a new description at this point.

Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform sind auf dem Kippsegment 5 vier Sensoren 11 aufgebracht. Hier ist sowohl jede verformungssensitive Messschicht 13 als auch jede der zwei Signalabgriffselemente 15 jedes Sensors 11 auf der Unterseite 23 eines Kippsegments 5 aufgebracht.At the in 8th illustrated embodiment are on the tilting segment 5 four sensors 11 applied. Here is every deformation-sensitive measuring layer 13 as well as each of the two signal taps 15 every sensor 11 on the bottom 23 a tilting segment 5 applied.

Das Kippsegment 5 in 9 hat zwei Sensoren 11 aufgebracht. Die verformungssensitive Messschicht 13 jedes Sensors 11 ist auf der Oberseite 21 des Kippsegments 5 aufgebracht. Beide Signalabgriffselemente 15 jedes Sensors 11 sind auf der Stirnfläche 25 des Kippsegmentes 5 aufgebracht, die mit der Wellenscheibe 7 (s. 2) als Reibpartner zusammenwirkt.The tilting segment 5 in 9 has two sensors 11 applied. The strain-sensitive measuring layer 13 every sensor 11 is on the top 21 of the tilting segment 5 applied. Both signal pickup elements 15 every sensor 11 are on the face 25 of the tilting segment 5 Applied to the wave washer 7 (S. 2 ) interacts as a friction partner.

In der in 10 dargestellten Ausführungsform sind zwei Sensoren 11, einschließlich jede verformungssensitive Messschicht 13 als auch jedes Signalabgriffselement 15, auf der Stirnfläche 25 des Kippsegmentes 5 aufgebracht ist, die mit der Wellenscheibe 7 (s. 2) als Reibpartner zusammenwirkt.In the in 10 illustrated embodiment are two sensors 11 including any strain sensitive sensing layer 13 as well as each signal tapping element 15 , on the face 25 of the tilting segment 5 is applied, with the wave washer 7 (S. 2 ) interacts as a friction partner.

Durch die in den 4 bis 10 diversen dargestellten Ausführungsformen der auf einem Kippsegment 5 aufgebrachten Sensoren 11, ist selbstverständlich, dass noch viele weitere Ausführungsformen denkbar sind, ohne diese explizit aufführen zu müssen.By in the 4 to 10 various illustrated embodiments of the on a tilting segment 5 applied sensors 11 It goes without saying that many more embodiments are conceivable without having to explicitly list them.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
hydrodynamisches Gleitlager hydrodynamic plain bearing
33
Trägerscheibe carrier disc
55
Gleitelement, Kippsegment Sliding element, tilting segment
66
Gleitfläche sliding surface
77
Reibpartner, Wellenscheibe Friction partner, wave washer
99
Welle wave
1111
Sensor sensor
1313
Messschicht, funktionelle Schichtsystem Measuring layer, functional layer system
1515
Signalabgriffselement Signalabgriffselement
1717
elektrische Leitung electrical line
1919
Auswerteeinhei Auswerteeinhei
2121
Oberseite top
2323
Unterseite bottom
2525
Stirnfläche face
2727
Kippsteg tilting
RR
Radius der Trägerscheibe Radius of the carrier disk
NN
Windung convolution

Claims (10)

Hydrodynamisches Gleitlager (1) zur Lagerung einer Welle (9), mit mindestens einem Gleitelement (5) mit einer Gleitfläche (6), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem mindestens einen Gleitelement (5) mindestens ein Sensor (11) aufgebracht ist, der aus einem funktionellen Schichtsystem (13) aufgebaut ist.Hydrodynamic plain bearing ( 1 ) for supporting a shaft ( 9 ), with at least one sliding element ( 5 ) with a sliding surface ( 6 ), characterized in that on the at least one sliding element ( 5 ) at least one sensor ( 11 ), which consists of a functional layer system ( 13 ) is constructed. Hydrodynamisches Gleitlager (1) nach Anspruch 1, wobei jeder Sensor (11) aus einer verformungssensitiven Messschicht (13), die das funktionelle Schichtsystem ist, und wenigstens einem Signalabgriffselement (15) besteht.Hydrodynamic plain bearing ( 1 ) according to claim 1, wherein each sensor ( 11 ) from a strain-sensitive measuring layer ( 13 ), which is the functional layer system, and at least one signal pickup element ( 15 ) consists. Hydrodynamisches Gleitlager (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Gleitelement (5) mit mindestens einem Sensor (11) eine elektrische Leitung (17) aufweist, um Messdaten von dem wenigstens einen Signalabgriffselement (15) jedes Sensors (11) an eine Auswerteeinheit (19) zu leiten.Hydrodynamic plain bearing ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein each sliding element ( 5 ) with at least one sensor ( 11 ) an electrical line ( 17 ) to receive measurement data from the at least one signal tapping element ( 15 ) of each sensor ( 11 ) to an evaluation unit ( 19 ). Hydrodynamisches Gleitlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Sensor (11) derart ausgestaltet ist, dass die verformungssensitive Messschicht (13) mindestens eine Windung (N) aufweist. Hydrodynamic plain bearing ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein each sensor ( 11 ) is configured such that the strain-sensitive measuring layer ( 13 ) has at least one turn (N). Hydrodynamisches Gleitlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest die verformungssensitive Messschicht (13) eines Sensors (11) auf einer Oberseite (21), einer Unterseite (23) oder auf einer Stirnfläche (25) des Gleitelements (5) aufgebracht ist, die mit einem Reibpartner (7) zusammenwirkt.Hydrodynamic plain bearing ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein at least the strain-sensitive measuring layer ( 13 ) of a sensor ( 11 ) on a top side ( 21 ), a bottom ( 23 ) or on an end face ( 25 ) of the sliding element ( 5 ) is applied, which with a friction partner ( 7 ) cooperates. Hydrodynamisches Gleitlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Signalabgriffselement (15) eines Sensors (11) auf einer Oberseite (21), einer Unterseite (23) oder auf wenigstens einer von vier Stirnflächen (25) des Gleitelements (5) aufgebacht ist. Hydrodynamic plain bearing ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one signal tapping element ( 15 ) of a sensor ( 11 ) on a top side ( 21 ), a bottom ( 23 ) or on at least one of four end faces ( 25 ) of the sliding element ( 5 ). Hydrodynamisches Gleitlager (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die verformungssensitive Messschicht (13) und das Signalabgriffselement (15) eines Sensors (11) auf der Oberseite (23), Unterseite (23) oder der Stirnfläche (25) des Gleitelements (5) aufgebracht sind.Hydrodynamic plain bearing ( 1 ) according to claim 5 or 6, wherein the strain-sensitive measuring layer ( 13 ) and the signal pickup element ( 15 ) of a sensor ( 11 ) on the top ( 23 ), Underside ( 23 ) or the face ( 25 ) of the sliding element ( 5 ) are applied. Hydrodynamisches Gleitlage (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die verformungssensitive Messschicht (13) auf der Oberseite (21) oder der Unterseite (23) und das Signalabgriffselement (15) an einer der vier Stirnflächen (25) des Gleitelements (5) aufgebacht ist.Hydrodynamic sliding layer ( 1 ) according to claim 6 or 7, wherein the strain-sensitive measuring layer ( 13 ) on the top ( 21 ) or the underside ( 23 ) and the signal pickup element ( 15 ) on one of the four end faces ( 25 ) of the sliding element ( 5 ). Hydrodynamische Gleitlager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gleitelement aus einer Mehrzahl von Kippsegmenten (5) aufgebaut ist. Hydrodynamic bearings ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the sliding element consists of a plurality of tilting segments ( 5 ) is constructed. Verfahren zur Betriebszustandsüberwachung eines hydrodynamischen Gleitlagers (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte, dass durch mindestens einen Sensor (11), der aus einem funktionellen Schichtsystem (13) aufgebaut ist und auf mindestens einem Gleitelement (5) des hydrodynamischen Gleitlagers (1) aufgebracht ist, Messwerte über den Zustand des hydrodynamischen Gleitlagers (1) erzeugt werden; dass von einem Signalabgriffselement (15) des Sensors (11) über mindestens eine elektrische Leitung (17) die Messwerte an eine Auswerteeinheit (19) geleitet werden und dass in der Auswerteeinheit (19) die Messwerte ausgewertet und daraus im Betrieb des hydrodynamischen Gleitlagers (1) Aussagen über den Betriebszustand des hydrodynamischen Gleitlagers (1) mit Blick auf Lasten, Verformung und Temperatur abgeleitet werden.Method for operating state monitoring of a hydrodynamic sliding bearing ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized by the following steps, characterized in that at least one sensor ( 11 ), which consists of a functional layer system ( 13 ) and on at least one sliding element ( 5 ) of the hydrodynamic plain bearing ( 1 ), measurements on the state of the hydrodynamic plain bearing ( 1 ) be generated; that of a signal pickup element ( 15 ) of the sensor ( 11 ) via at least one electrical line ( 17 ) the measured values to an evaluation unit ( 19 ) and that in the evaluation unit ( 19 ) evaluated the measured values and from it in the operation of the hydrodynamic plain bearing ( 1 ) Statements about the operating condition of the hydrodynamic plain bearing ( 1 ) with regard to loads, deformation and temperature.
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