DE102015008978A1

DE102015008978A1 - Device for condition monitoring

Info

Publication number: DE102015008978A1
Application number: DE102015008978.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2016-01-14

Abstract

Die Sensoreinrichtung dient zur Überwachung von Wälzlagern in Planetenstufen von Hauptgetrieben in Windkraftanlagen. Die Sensoreinrichtung führt ein kontinuierliches Lastmonitoring durch und dient insbesondere zu einer Fehler-Früherkennung in den Wälzlagern. Es sind mindestens zwei Sensorelemente verschiedener physikalischer Messprinzipien zu einer Sensoreinheit verschaltet und auf ein gemeinsames Bauteil appliziert. Darüber hinaus werden mindestens zwei Sensorelemente gleicher physikalischer Messprinzipien und unterschiedlicher räumlicher Orientierung zu einer Sensoreinheit verschaltet und auf ein gemeinsames Bauteil appliziert. Zusätzlich werden mindestens zwei Sensorelemente verschiedener physikalischer Messprinzipien oder unterschiedlicher räumlicher Orientierung in einer gemeinsamen Trägerstruktur eingebettet oder auf einer gemeinsamen Trägerstruktur angeordnet. Diese Struktur wird auf das zu überwachende Bauelement bzw. in dessen Nähe appliziert.The sensor device is used to monitor rolling bearings in planetary stages of main gears in wind turbines. The sensor device carries out a continuous load monitoring and in particular serves for error early detection in the roller bearings. At least two sensor elements of different physical measuring principles are connected to a sensor unit and applied to a common component. In addition, at least two sensor elements of the same physical measurement principles and different spatial orientation are connected to a sensor unit and applied to a common component. In addition, at least two sensor elements of different physical measurement principles or different spatial orientation are embedded in a common carrier structure or arranged on a common carrier structure. This structure is applied to the component to be monitored or in its vicinity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zustandsüberwachung, insbesondere eine Sensoreinrichtung zur Überwachung von Wälzlagern in Planetenstufen von Hauptgetrieben in Windkraftanlagen, die eine verbesserte Früherkennung von Defekten an den Wälzlagern ermöglicht.The invention relates to a device for condition monitoring, in particular a sensor device for monitoring rolling bearings in planetary stages of main gears in wind turbines, which allows an improved early detection of defects in the rolling bearings.

Die Signale werden vorrangig in unmittelbarer Nähe der Belastung erfasst und minimal gedämpft einer Hüllkurvenordnungsanalyse zur Verfügung gestellt. Zugleich wird aus der gleichen Signalbasis die Belastung der Lager erfasst, so dass Rückschlüsse auf die Restlagerlebensdauer möglich werden und so auch ein Lastmonitoring durchgeführt wird.The signals are primarily acquired in close proximity to the load and minimally attenuated by an envelope order analysis. At the same time, the load on the bearings is recorded from the same signal basis, so that conclusions can be drawn about the remaining service life of the bearing and so load monitoring is also carried out.

Die Sensoreinrichtung wird erfindungsgemäß direkt im Inneren des Getriebes im Kraftfluss in direkter Nähe zum betrachteten Objekt appliziert. Die Applikation ist sowohl für stehende als auch drehende Objekte geeignet, wobei sich die Sensoreinrichtung zusammen mit dem Objekt bewegen kann. Das Signal wird von der inneren Sensoreinrichtung nach außen geleitet und zur weiteren Verarbeitung übergeben.The sensor device according to the invention is applied directly in the interior of the transmission in the power flow in the immediate vicinity of the object under consideration. The application is suitable for both stationary and rotating objects, whereby the sensor device can move together with the object. The signal is directed outwards by the inner sensor device and transferred for further processing.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Sensoreinrichtung zur Überwachung von Wälzlagern in Planetenstufen von Hauptgetrieben in Windkraftanlagen, die eine verbesserte Früherkennung von Defekten an den Wälzlagern ermöglicht.The invention further relates to a sensor device for monitoring rolling bearings in planetary stages of main gears in wind turbines, which allows for improved early detection of defects in the rolling bearings.

In Getrieben von Windkraftanlagen ist eine Überwachung im laufenden Betrieb gewünscht, um mögliche Defekte, z. B. Ermüdungsausbrüche (Pittings) frühzeitig zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten. Insbesondere im Bereich der Planetenstufen kommt es immer wieder zu Problemen in der Überwachung der Getriebe. Das ist darauf zurückzuführen, dass zur Wälzlagerüberwachung vorrangig Beschleunigungssensoren angewandt werden, die auf der Außenhaut des Getriebegehäuses befestigt werden. Die erfassten Körperschallsignale können nicht direkt analysiert werden, sie bedürfen einer weiteren Auswertung. Während dieser Auswertung wird der Anteil des Schadsignals, welches die Information zum Schadensfortschritt am überwachten Lager enthält, vom Gesamtsignal separiert. Insbesondere bei Schadensbeginn ist der Anteil des verwertbaren Schadensignals sehr schwach ausgebildet. Es wird auf dem Weg von der Schadstelle zum Sensor stark gedämpft. In Planetenstufen ist der Weg des Signals von der Schadstelle bis zum Sensor aufgrund vieler Bauteile, die sich zusätzlich noch zueinander bewegen, zusätzlich gedämpft. Die Diagnose wird erschwert und viele Schäden werden erst sehr spät bzw. anhand weiterer Folgeschäden erkannt.In transmissions of wind turbines monitoring during operation is desired to avoid possible defects, eg. B. early detection of fatigue (pittings) and initiate appropriate countermeasures. Especially in the field of planetary stages, there are always problems in the monitoring of the transmission. This is due to the fact that for rolling bearing monitoring primarily acceleration sensors are applied, which are mounted on the outer skin of the gear housing. The recorded structure-borne sound signals can not be analyzed directly, they require further evaluation. During this evaluation, the portion of the damage signal which contains the information on the progress of the damage at the monitored bearing is separated from the total signal. In particular, at the beginning of the damage, the proportion of the recoverable damage signal is very weak. It is strongly attenuated on the way from the damaged area to the sensor. In planetary stages, the path of the signal from the damaged area to the sensor is additionally attenuated due to many components that additionally move relative to one another. The diagnosis is made more difficult and many damages are detected very late or on the basis of further consequential damage.

Windkraftanlagen unterliegen instationären Betriebsbedingungen. Auch Verzahnungen und Lager in Getrieben für Windkraftanlagen werden aufgrund statistischer Annahmen zu den Windbedingungen und dem daraus resultierenden Drehmomenten für die nächsten 20 Jahre ausgelegt. Der reale zeitliche Verlauf der Belastungen ist unbekannt.Wind turbines are subject to transient operating conditions. Gears and bearings in wind turbine gearboxes are also designed based on statistical assumptions about wind conditions and the resulting torque for the next 20 years. The real time course of the charges is unknown.

Planetenstufen weisen eine höhere Leistungsdichte auf als Stirnradstufen. Aufgrund der Entwicklung der Windkraftanlagen hin zu höheren Leistungsklassen wird immer häufiger auf Stirnradstufen, die sich besser überwachen lassen, verzichtet. Es kommen kompaktere Getriebe mit mehreren Planetenstufen zum Einsatz.Planet stages have a higher power density than spur gears. Due to the development of wind turbines to higher power classes is increasingly on spur gears, which can be better monitored, waived. There are more compact gear with multiple planetary stages are used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung zur Überwachung der Wälzlager in der Planetenstufe anzugeben, die eine verbesserte Früherkennung von Defekten an den Wälzlagern ermöglicht. Zugleich wird die Belastung der Lager so erfasst, dass Rückschlüsse auf die Restlagerlebensdauer möglich werden.The invention has for its object to provide a sensor device for monitoring the bearings in the planetary stage, which allows an improved early detection of defects in the rolling bearings. At the same time, the load on the bearings is recorded in such a way that conclusions can be drawn about the remaining service life of the bearing.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Sensoreinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sin in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the sensor device with the features specified in claim 1. Advantageous developments of the present invention sin in the dependent claims.

Durch die Verwendung von geeigneten Sensoreinheiten in der Nähe des Schadortes bzw. im Lastfluss können Schwingungen und die Kräfte sowie weitere Messgrößen unmittelbar am betroffenen Bauteil erfasst werden, um Dämpfungseffekte zu minimieren.Through the use of suitable sensor units in the vicinity of the damaged location or in the load flow, vibrations and the forces as well as other measured variables can be detected directly on the affected component in order to minimize damping effects.

In einer Sensoreinheit können die einzelnen Elemente verschiedene Messaufgaben wahrnehmen. Diese Elemente können sowohl in einer gemeinsamen Struktur als auch einzeln stehend angeordnet werden.In a sensor unit, the individual elements can perform different measuring tasks. These elements can be arranged both in a common structure as well as stand-alone.

Durch die Verwendung von Flächensensoren, die auf gekrümmte Oberflächen platzsparend appliziert werden können, werden mit einem physikalischen Prinzip mehrere Messgrößen erfasst.By using surface sensors that can be applied to curved surfaces to save space, several physical quantities are recorded with one physical principle.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind beispielhaft in den 1 bis 7 dargestellt.Further details of the invention are exemplary in the 1 to 7 shown.

Die Sensoreinheit (1) wird direkt auf der Oberfläche des Bauteils appliziert. Der Verstärker (2), der Sender (3) und bei Bedarf auch die Sensoreinheit (1) können durch eine geeignete Stromversorgung (4) gespeist werden, die ebenfalls auf dem Bauteil angebracht ist. Sensor und Verstärker müssen hierbei möglichst eng beieinander sitzen, um Signalstörungen zu verringern. Die Stromversorgung (4) kann ausgeführt werden als aktive Selbstversorgung aus anderen Energieformen, durch eine zusätzliche Speichereinheit oder externe Zuführung. Der Sender (3) hat die Aufgabe, die Messgrößen vom drehenden Bauteil an den stillstehenden Empfänger (5) zu übertragen. Der Datalogger (6) erfasst und verwaltet die Daten. Sollte sich Verstärker (2) auf einem stillstehenden Bauteil befinden, können (3), (4) und (5) entfallen. Die Auswerteeinheit (7) wertet die Messgrößen aus. Sie kann räumlich vom Messaufbau getrennt sein.The sensor unit ( 1 ) is applied directly to the surface of the component. The amplifier ( 2 ), the transmitter ( 3 ) and, if necessary, the sensor unit ( 1 ) can be controlled by a suitable power supply ( 4 ), which is also mounted on the component. Sensor and amplifier must be as close together as possible to reduce signal interference. The power supply ( 4 ) can be executed as active self-sufficiency other forms of energy, through an additional storage unit or external supply. The transmitter ( 3 ) has the task, the measured variables from the rotating component to the stationary receiver ( 5 ) transferred to. The datalogger ( 6 ) records and manages the data. Should amplifier ( 2 ) are located on a stationary component, 3 ) 4 ) and ( 5 ) accounted for. The evaluation unit ( 7 ) evaluates the measured variables. It can be spatially separated from the measurement setup.

Durch die Verwendung eines adhäsiven Zwischenstoffes (8) kann die Sensoreinheit (1) auf das Bauteil (9) appliziert werden. Die Anordnung sollte durch ein geeignetes Abdeckmittel (10) geschützt werden.By using an adhesive precursor ( 8th ), the sensor unit ( 1 ) on the component ( 9 ) are applied. The arrangement should be protected by a suitable covering means ( 10 ) to be protected.

Gemäß der Erfindung besteht u. U. die Notwendigkeit mehrere Messstellen bzw. Sensororientierungen am gleichen Applikationsort auf einem Bauteil vorzusehen. Diese Messstellen sind mittels Brückenschaltung, z. B. über eine wheatstonesche Messbrücke, miteinander zu verschalten und ggf. durch eine Temperaturkompensation zu ergänzen.According to the invention u. U. the need to provide multiple measuring points or sensor orientations at the same application on a component. These measuring points are by means of bridge circuit, z. B. via a wheatstone bridge, to interconnect and possibly supplement by a temperature compensation.

Hierbei können auch mehrere Applikationsorte auf einem Bauteil zur Anwendung kommen und weitere Kompensationsschaltungen verkettet werden.In this case, several application locations can also be used on one component and further compensation circuits can be linked.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen gleichartige Sensorelemente (11), (12) gemäß ihrer physikalischen Wirkungsweise u. U. verschiedene Orientierungen auf.According to an advantageous development of the invention, similar sensor elements ( 11 ) 12 ) according to their physical mode of action u. U. different orientations on.

Verschiedene Orientierungen hinsichtlich ihrer Lasteinleitung in die Wälzlager sind insbesondere bei den richtungsorientierten Vektoren der Lagerreaktionskräfte in radialer (F_r) und axialer Richtung (F_a) der äquivalenten Lagerbelastung P zu erwarten. Daher ist es u. U. sinnvoll diese räumlich getrennt zu erfassen.Different orientations with regard to their load introduction into the roller bearings are to be expected in particular in the direction-oriented vectors of the bearing reaction forces in the radial (F _r ) and axial direction (F _a ) of the equivalent bearing load P. Therefore, it is u. U. meaningful to detect these spatially separated.

Die durch unterschiedliche Anordnungen von Sensorelementen und -einheiten gemäß der Erfindung getrennt voneinander aufgenommenen Messwerte werden im Datalogger (6) getrennt archiviert. Hiermit ist eine spätere separate Bearbeitung der Messwerte möglich.The measured values recorded separately from one another by different arrangements of sensor elements and units according to the invention are stored in the datalogger (FIG. 6 ) filed separately. This allows a later separate processing of the measured values.

Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit der Messkette ist eine Kalibrierung anhand einer Kalibriergeraden, die mindestens zwei bekannte Punkte aufweist, vorzunehmen. Diese Punkte sollten innerhalb der Betriebsführung ansteuerbar sein. Die Kalibrierung muss im montierten Zustand in der Anlage erfolgen.To ensure the functionality of the measuring chain, calibration must be carried out using a calibration line with at least two known points. These points should be controllable within the company management. The calibration must be done in the assembled state in the system.

Geeignete Applikationspunkte sind neben den Wälzlageraußen- und -innenringen auch die unmittelbaren Anschlussgeometrien. Geeignete Applikationspunkte können die Wälzlagerringe der Planetenlager (13), (19), die Planeten (17), (23), die Planetenträger (14), (20) und die Planetenträgerlager (15), (21) sein. Dies befinden sich im Getriebe der Windkraftanlage, zu dem weiterhin die Hohlräder (16), (22) im ortsfesten System und die Sonnen (18), (24) im nicht ortsfesten System gehören.Suitable application points are not only the rolling bearing outer and inner rings but also the immediate connection geometries. Suitable application points may be the rolling bearing rings of the planetary bearings ( 13 ) 19 ), the planets ( 17 ) 23 ), the planet carrier ( 14 ) 20 ) and the planetary carrier bearings ( 15 ) 21 ) be. These are in the gearbox of the wind turbine, to which the ring gears ( 16 ) 22 ) in the fixed system and the suns ( 18 ) 24 ) in the non-fixed system.

Die Getriebekonfiguration aus (4) kommt in Triebsträngen von Windkraftanlagen nach der aufgelösten Bauweise (5) der teilaufgelösten Bauweise (6) und der integrierten Bauweise (7) vor. In allen Bauweisen wird die Drehzahl am Getriebeausgang bzw. Generatoreingang erfasst und in den Auswertealgorithmus übergeben bzw. im Datalogger archiviert.The gearbox configuration ( 4 ) comes in drive trains of wind turbines according to the resolved design ( 5 ) of partially resolved construction ( 6 ) and the integrated construction ( 7 ) in front. In all designs, the speed is recorded at the gearbox output or generator input and transferred to the evaluation algorithm or archived in the datalogger.

Die Messapplikation kann auch für einzelne Planetenstufen in Getrieben von Windkraftanlagen angewandt werden.The measuring application can also be used for individual planetary stages in transmissions of wind turbines.

Gemäß der Erfindung werden die radiale Lagerreaktionskraft F_r und die axiale Lagerreaktionskraft F_a im Kraftfluss der Wälzlager erfasst. Daraus wird über P = F_r·X + F_a·Y die äquivalente Lagerbelastung P mit Berücksichtigung ihrer Auftretenshäufigkeit unter Einbeziehung des Verweildauerverfahrens nach DIN 45667 bestimmt und die verbleibende 90%ige Lebensdauerwahrscheinlichkeit L_10h ermittelt. Vorausgesetzt der Kenntnis der Lastannahmen zur Auslegung des Getriebes werden diese mit den Messwerten verglichen und die L_10h mittels realer Lastmonitoringwerte angepasst. Weiterhin besteht die Möglichkeit weitere Lebensdauerformen, wie die L10According to the invention, the radial bearing reaction force F _r and the axial bearing reaction force F _a are detected in the force flow of the rolling bearings. From this, the equivalent bearing load P is taken into account via P = F _r * X + F _a * Y, taking into account their frequency of occurrence, taking into account the residence time method DIN 45667 determined and the remaining 90% life _probability L _10h determined. Provided the knowledge of the load assumptions for the design of the gearbox is made, these are compared with the measured values and the L _{10h is} adjusted by means of real load monitoring values. Furthermore, there is the possibility of other life forms, such as the L10

Hierbei wird die gleiche Signalbasis sowohl zur Zustandsüberwachung als auch zum Lastmonitoring genutzt. Aus der Signalbasis werden mittels Hüllkurvenordnungsanalyse auftretende Schadsignalanteile separiert und statistisch so aufbereitet, dass eine frühzeitig Erkennung von sich entwickelnden Lagerschäden ermöglicht ist.Here, the same signal base is used both for condition monitoring and for load monitoring. From the signal base occurring by means of envelope order analysis occurring damage signal components and statistically processed so that an early detection of developing bearing damage is possible.

Gemäß der Erfindung werden durch den Einsatz der Hüllkurvenordnungsanalyse zum Aufbereiten der Signalbasis die tieffrequenten Signalanteile in den langsamdrehenden Planetenträgerlagern, die mit konventioneller Sensorik nur schwer zu erfassen und zu beurteilen sind, sichtbar und fließen mit in die Zustandsüberwachung ein.According to the invention, the use of the envelope order analysis for processing the signal base makes the low-frequency signal components in the slowly rotating planetary carrier bearings, which are difficult to detect and evaluate with conventional sensors, visible and flow into the condition monitoring.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Analyse der Daten sowohl autark erfolgen als auch in eine bestehende Betriebsführung integriert werden.According to an advantageous development of the invention, the analysis of the data can be both self-sufficient and integrated into an existing operational management.

Die Datenbasis wird neben der Hüllkurvenordnungsanalyse den im Conditon Monitoring üblichen Auswertealgorithmen zur Schwingungsüberwachung von Wälzlagern und Verzahnungen unterzogen. Es werden statistische Kennwerte gebildet, die Aufschluss über den Zustand des Getriebes geben, so dass das System sowohl die Bereiche Condition Monitoring also auch Lastmonitoring abdeckt.The data base is next to the envelope order analysis in the Conditon Monitoring subjected to usual evaluation algorithms for vibration monitoring of rolling bearings and gears. Statistical characteristic values are formed, which provide information about the state of the gearbox so that the system covers both the condition monitoring and load monitoring areas.

Gemäß der Erfindung ergänzen die in genannten Messgrößen die für das Condition Monitoring übliche Datenbasis und werden in die Zustandsbewertung mit eingebunden.According to the invention, the variables mentioned in the above-mentioned variables supplement the data base customary for condition monitoring and are included in the condition evaluation.

Bei der in der vorstehenden Beschreibung verwendeten Bezeichnung ”LRD” handelt es sich um eine Abkürzung für den Fachbegriff ”Load Revolution Distribution”. Es handelt sich hierbei um die Verteilung der Last-Überrollung.The term "LRD" used in the above description is an abbreviation for the technical term "Load Revolution Distribution". This is the distribution of the load rollover.

Erfindungsgemäß wird ein einziger Sensor für die messtechnische Erfassung der gesamten auszuwertenden Daten verwendet. Insbesondere wird hierbei die piezo rezessive Dehnung genutzt, um zum einen die zu erfassende Schwingung hieraus abzuleiten und zum anderen zusätzlich die zu erfassende Kraft zu ermitteln. Die erfasste Schwingung wird für das Condition Monitoring verwendet, die erfasste Kraft für das Lastmonitoring. Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante werden die Sensoren mehrfach miteinander verschaltet, um verschiedene Lastrichtungen abzudecken oder um die Sensoren auf großen Bauteilen mehrfach anzuordnen.According to the invention, a single sensor is used for the metrological detection of the entire data to be evaluated. In particular, in this case the piezo recessive strain is used to derive on the one hand the vibration to be detected therefrom and on the other hand additionally to determine the force to be detected. The detected vibration is used for condition monitoring, the force detected for load monitoring. According to a further embodiment variant, the sensors are interconnected several times in order to cover different load directions or to arrange the sensors several times on large components.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN 45667 [0025]

Claims

Sensor device for continuous load monitoring and early fault detection in roller bearings of planetary stages in main gears of wind turbines and stationary industrial gears by means of a common measurement setup, characterized in that - at least two sensor elements of different physical measurement principles are connected to a sensor unit and applied to a common component, - at least two Sensor elements of the same physical measurement principles and different spatial orientation are connected to a sensor unit and applied to a common component, embedded - at least two sensor elements of different physical measurement principles or different spatial orientation in a common support structure or arranged on a common support structure, said structure on the to be monitored component or is applied in the vicinity, - different physically e characteristics are detected with a sensor element, such that the separation of the parameters is carried out by a suitable signal evaluation, - temperature-sensitive sensor elements supplemented by suitable elements and thereby a compensation circuit is applied.

Sensor device according to claim 1, characterized in that - at least one sensor unit is located in the interior of the transmission housing, - at least one sensor unit is applied to a component that moves relative to a reference system or rotates or revolves around, - signals if necessary without contact the moving sensor unit are transmitted to the stationary reference system.

Sensor device according to claim 1 and 2, characterized in that - the sensor units or the sensor units supporting or surrounding support structures are applied by means of an adhesive medium to the components, such that the sensor units over the life or service life of the components to be monitored in The sensor units are arranged in the immediate vicinity of the location of the damage to be detected, the sensor units are arranged and applied in such a way that the forces absorbed by the rolling bearings or the stresses and strains resulting from these forces, can be detected, - the measured variable is calibrated at least one sensor unit in the applied state by defined stress of the component to be monitored, so that the amounts of the physical quantities can be derived.

Sensor device according to claim 1, 2 and 3, characterized in that - the equivalent bearing load P is determined from the separately recorded and archived portions of the bearing reaction forces in the radial and axial directions, - with the help of time-synchronously recorded speed and the residence time a LRD formed with the an original envelope load analysis is used, - an envelope order analysis is applied to evaluate the measured quantities, such that a detection of damage to the components of rolling bearings is made possible, - an envelope order analysis is applied to evaluate low-frequency signal components (<1 Hz), - with help the recorded measured variables are determined information on the training and the progress of the damage to the rolling bearings, such that a planning of necessary maintenance measures is made possible.