DE102015208296A1 - Mechanisches System mit aktiven Mikrokapseln für Zustandsüberwachung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mechanisches System, das mindestens eine bewegte Komponente (2; 3; 4) und ein Schmiermittel (8) umfasst. Weiterhin umfasst es mehrere mindestens einer Art von Mikrokapseln (9), die aus einer Hülle (91) bestehen, welche unter Wirkung einer Abweichung eines gegebenen charakteristischen physischen Parameters des mechanischen Systems (1) Partikel (92) freisetzen kann, deren Dispersion durch sich außerhalb des mechanischen Systems (1) befindende Mittel identifiziert werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der mechanischen Systeme mit bewegten Komponenten, zum Beispiel Lagern, und für alle solche Systeme erfordernde Anwendungsarten, wie zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Brennkraftmaschinen, Elektromotoren und Drehmomentübertragungselemente usw.
  • Die Betriebslebensdauer eines mechanischen Systems mit bewegten Komponenten ist im Wesentlichen mit der Schmierung der Komponenten verbunden. Eine fehlerhafte Schmierung führt im Allgemeinen zu einer schnellen Beeinträchtigung und zu dem Versagen der Komponenten und somit des Systems. Mechanische Systeme umfassen in der Regel in mechanischem Kontakt stehende Oberflächen, die durch ein anfangs innerhalb des mechanischen Systems platziertes Schmiermittel, beispielsweise Fett oder Öl, geschmiert werden können. Im Laufe der Zeit verursacht das Vermischen des Schmiermittels in Kombination mit seiner Alterung und den Erwärmungszyklen, denen die Komponenten ausgesetzt sind, eine Beeinträchtigung des Fetts. Es können regelmäßige Instandhaltungsarbeiten in Betracht gezogen werden, die Nachfetten oder Austausch mindestens einer Komponente des mechanischen Systems umfassen.
  • Diese Instandhaltungsarbeiten müssen jedoch im Falle einer anormalen Verschlechterung oder eines Versagens einer Komponente des mechanischen Systems oder ihrer Schmierung manchmal antizipiert werden. Es ist somit erforderlich, den Zustand des mechanischen Systems zu überwachen, während es im Betrieb ist, auch als "Zustandsüberwachung" bekannt.
  • Allgemein ausgedrückt, ist ein Verfahren bekannt, bei dem das mechanische System mit Sensoren zum Messen und Überwachen von physischen Parametern des mechanischen Systems und/oder seiner Umgebung zum gegebenenfalls Melden der Detektion von anormalen Abweichungen der Parameter, die aus anormaler Verschlechterung oder Versagen einer Systemkomponente herrühren, ausgestattet wird.
  • Solche Zustandsüberwachungsmittel sind jedoch zusätzliche Systemmittel, deren Integration vorgesehen werden muss, ohne die normale Tätigkeit der Komponenten des mechanischen Systems zu stören. Mittel für Kommunikation, Analyse und/oder Sichtbarmachung von durch das Zustandsüberwachungsmittel übertragenen Daten müssen auch vorgesehen werden, bei denen es sich im Falle eines Sensors um elektronische Einrichtungen handelt. Alle diese Elemente führen zu zusätzlichen Systemkosten, und ihre Zustandsüberwachung ist schwer zu implementieren.
  • Die Erfindung möchte sich insbesondere mit diesen Problemen befassen, indem sie ein mechanisches System mit Zustandsüberwachungsmitteln vorschlägt, die einfach herzustellen und zu installieren sind, eine reduzierte Anzahl von Elementen aufweisen und eine effiziente Zustandsüberwachung gewährleisten.
  • Diesbezüglich betrifft die Erfindung ein mechanisches System, das mindestens eine bewegte Komponente und ein Schmiermittel umfasst.
  • Gemäß der Erfindung umfasst das mechanische System weiterhin Mikrokapseln, die eine Hülle bilden, welche aufgrund von Abweichungen eines gegebenen charakteristischen physischen Parameters des mechanischen Systems Partikel freisetzen kann, deren Dispersion durch sich außerhalb des mechanischen Systems befindende Mittel identifiziert werden kann. Das mechanische System umfasst mehrere Mikrokapselarten, wobei jede Mikrokapselart für die Abweichung eines verschiedenen physischen Parameters, der für das mechanische System spezifisch ist, empfindlich ist, wodurch das Freisetzen von Partikeln für die Abweichungen verschiedener Parameter ermöglicht wird.
  • Durch Anpassung der Hülle der Mikrokapseln an den physischen Parameter, für den die Abweichung detektiert werden soll, und durch Anpassen der Partikel an die Art der gewünschten Identifizierung ist es dank der Erfindung möglich, den Zustand des mechanischen Systems bezüglich eines gegebenen physischen Parameters zu überwachen. Die Parametrisierung der Hülle bezüglich eines Schwellenwerts einer Abweichung des physischen Parameters ermöglicht somit das Freisetzen von Partikeln bei diesem Wert, zum Beispiel einem Wert, der ein Versagen anzeigt.
  • Da diese freigesetzten Partikel mittels sich außerhalb des mechanischen Systems befindender Mittel identifizierbar sind, kann es somit möglich sein, das Auftreten eines Systemversagens in Echtzeit während des Betriebs zu detektieren, ohne auf mögliche Instandhaltungsarbeiten warten zu müssen.
  • Weiterhin ist es möglich, Änderungen eines Parameters des Systems im Laufe der Zeit zu überwachen und somit das Ausmaß von Verschleiß oder den Wirkungsgrad während des Systembetriebs zu bewerten, wodurch mögliche Instandhaltungsarbeiten antizipiert oder verschoben werden können.
  • Dank der Erfindung ist die Kenntnis über die Ursache eines Versagens durch die Art der in das System freigesetzten Partikel möglich.
  • Die Mikrokapseln sind in dem System integriert und erfordern weder eine Anpassung der inneren Komponenten des Systems noch zusätzlichen Bauraum. Die Mikrokapseln beeinflussen nicht den Betrieb der Komponenten.
  • Darüber hinaus kann die in das mechanische System integrierte Mikrokapselart gemäß der Anwendung, Zuständen, Materialien, Funktionen und Komponenten, die das System bilden, angepasst werden.
  • Die technische Wirkung besteht darin, parallel die Änderung mehrerer Parameter unabhängig zu überwachen, während das mechanische System in Betrieb ist.
  • Gemäß vorteilhaften, aber nicht zwangsweise erforderlichen Aspekten der Erfindung kann solch ein mechanisches System eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten, die in allen technisch zulässigen Kombinationen betrachtet werden:
    • – Das mechanische System ist ein Lager, das einen ersten Ring, einen zweiten Ring, wobei die Ringe bezüglich einander drehbeweglich sind, mindestens eine Reihe Wälzkörper zwischen den beiden Ringen und Schmiermittel in einer zwischen den beiden Ringen definierten Lagerkammer umfasst.
    • – Die Mikrokapseln sind mit dem Schmiermittel des mechanischen Systems vermischt.
    • – Die Mikrokapseln werden in einer Schicht auf der Oberfläche mindestens eines Teils einer inneren Komponente des mechanischen Systems, zum Beispiel bei einer die Komponenten vor Oxidation schützenden Oberflächenbehandlung, abgelagert.
    • – Die Mikrokapseln werden in das mindestens eine innere Komponente des mechanischen Systems bildende Material integriert.
    • – Die Mikrokapseln werden bei einem Aufspritzen eines polymeren oder synthetischen Teils mindestens einer inneren Komponente des mechanischen Systems integriert.
    • – Die Mikrokapseln weisen eine Größe von zwischen 1 nm (Nanometer) und 10 µm (Mikrometer) auf.
    • – Die Hülle einer Mikrokapsel besteht aus einer massiven Außenschicht, in der die Partikel eingebettet sind. Aufgrund einer Abweichung eines gegebenen physischen Parameters des mechanischen Systems bricht die Hülle und setzt die Partikel frei.
    • – Die Hülle einer Mikrokapsel besteht aus einem porösen Element, das mit Hohlräumen versehen ist, in denen die Partikel enthalten sind. Infolge einer Abweichung eines gegebenen physischen Parameters des mechanischen Systems wandelt sich die Struktur der Hülle durch zum Beispiel Brechen, Reißen, Auflösen usw. und setzt dann die Partikel frei.
    • – Als nicht einschränkendes Beispiel ist der charakteristische physische Parameter des mechanischen Systems mechanischer Art, wie zum Beispiel die Bewegungsgeschwindigkeit einer Komponente, die Temperatur, der Druck und Schwingungen.
    • – Als nicht einschränkendes Beispiel ist der charakteristische physische Parameter des mechanischen Systems chemischer Art, wie zum Beispiel Säuregehalt, Viskosität und Oxidationsgrad.
    • – Das mechanische System umfasst eine Mikrokapselart, die für eine einzige Art eines physischen Parameters des mechanischen Systems empfindlich ist, aber die Mikrokapseln davon sind jeweils für einen anderen Wert des Parameters empfindlich, wodurch ermöglicht wird, dass Partikel bei verschiedenen Werten freigesetzt werden.
    • – Die Hülle der Mikrokapseln ist für die Abweichung eines physischen Parameters des mechanischen Systems empfindlich und besteht aus einem polymeren, synthetischen oder organischen Material, das auf eine Abweichung des Parameters reagieren kann.
    • – Die Mikrokapseln anderer Art, das heißt deren Hüllen für andere Parameter und/oder andere Schwellenwerte empfindlich sind, umfassen jeweils Partikel von anderer Art.
    • – Das sich außerhalb des mechanischen Systems befindende Identifizierungsmittel ist direkt, das heißt, die Identifizierung des Freisetzens der Partikel aus den Mikrokapseln in das mechanische System kann durch einen der Sinne des Bedieners erfolgen.
    • – Das sich außerhalb des mechanischen Systems befindende Identifizierungsmittel ist indirekt, das heißt die Identifizierung des Freisetzens der Partikel aus den Mikrokapseln in das mechanische System erfordert einen zusätzlichen Sensor.
    • – Die Partikel der Mikrokapseln sind elektrisch geladen und ändern nach dem Freisetzen in das mechanische System das elektrische Potenzial des Systems, zumindest lokal. Zum Beispiel kann das sich außerhalb des mechanischen Systems befindende Identifizierungsmittel aus einem Sensor für elektrisches Potenzial bestehen.
    • – Die Partikel der Mikrokapseln sind chemische Reaktionsmittel, die mit einem der Bestandteile des mechanischen Systems reagieren können. Neue chemische Spezies können aus chemischen Reaktionen zwischen dem Element des mechanischen Systems und den freigesetzten Partikeln resultieren. Zum Beispiel kann das sich außerhalb des mechanischen Systems befindende Identifizierungsmittel aus einem Sensor für eine der neuen chemischen Spezies bestehen. Die neuen chemischen Spezies können auch einen Einfluss auf die mechanischen (Temperatur, Druck usw.) oder chemischen (Säuregehalt, Viskosität usw.) Parameter des Systems haben; das sich außerhalb des mechanischen Systems befindende Identifizierungsmittel kann somit aus einem Sensor für den beeinflussten Parameter bestehen.
    • – Die Partikel der Mikrokapseln sind Färbemittel. Das sich außerhalb des mechanischen Systems befindende Identifizierungsmittel besteht darin, dass ein Bediener eine Farbänderung des mechanischen Systems, zumindest lokal, beobachtet.
  • Bei Lektüre der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform, die ein aus einem Lager bestehendes mechanisches System gemäß dem erfindungsgemäßen Prinzip darstellt, das lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten nicht einschränkenden Zeichnungen gegeben wird, wird die Erfindung besser verständlich und werden andere Vorteile davon ersichtlicher; in den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht eines Lagers; und
  • 2 eine Mikrokapsel.
  • Ein Lager 1 mit einer mittleren Achse X1 umfasst einen Außenring 2, einen Innenring 3, eine Reihe Wälzkörper 4, hier Kugeln, die in jeweils durch einen Käfig 5 gehaltenen parallelen Ebenen angeordnet sind, und zwei Dichtungen 6 und 7.
  • Die Ringe 2, 3 sind im normalen Betriebsmodus koaxial zu der mittleren Achse X1.
  • Der Außenring 2 umfasst eine zylindrische Außenfläche 21, eine Bohrung 22, in der eine Laufbahn für die Wälzkörper 4 ausgebildet ist, und die Nuten, in denen die Dichtungen 6 angeordnet sind und wobei die Dichtungen eine statische Dichtung mit dem sich drehenden Außenring 2 bilden.
  • Der Innenring 3 umfasst eine zylindrische Außenfläche 31, in der eine Laufbahn für die Wälzkörper 4 ausgebildet ist, und Nuten zur Herstellung von Kontaktdichtungen mit den Dichtungen 6 und 7, wobei die Dichtung eine dynamische Dichtung mit dem sich nicht drehenden Innenring 3 bildet.
  • Als Alternative dazu kann sich der Innenring 3 drehen und der Außenring 2 nicht drehen, oder beide Ringe können sich bezüglich einander drehen.
  • Der Außenring 2 ist axial durch zwei radiale Vorderränder 23 und 24 definiert, und der Innenring 3 ist axial durch zwei radiale Vorderränder 33 und 34 definiert, so dass die Ränder jeweils axial ausgerichtet sind.
  • Der Innenring 3 umfasst auch eine zylindrische Bohrung 32 dort hindurch. Zum Beispiel kann ein Stift oder ein Träger in die Bohrung 32 eingesetzt werden.
  • Die zylindrische Außenfläche 31 des Innenrings 3, die Bohrung 22 des Innenrings 2 und die Dichtungen 6, 7 definieren eine Lagerkammer 8, wobei sich die Wälzkörper 4 zwischen den Ringen 2, 3 in Bewegung befinden. Die Lagerkammer 8 ist mit einem Schmiermittel, zum Beispiel Fett oder Öl, gefüllt, um Reibung zwischen den Kontaktflächen sich bewegender Komponenten, hier der Wälzkörper 4, der an der zylindrischen Außenfläche 21 vorgesehenen Laufbahn und der an der Bohrung 22 des Innenrings 2 vorgesehenen Laufbahn zu reduzieren.
  • Gemäß der Erfindung umfasst das Schmiermittel in der Lagerkammer 8 mehrere Mikrokapseln 9.
  • Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform können die Mikrokapseln 9 durch eine Schicht auf der Oberfläche mindestens eines Teils eines Elements in der Lagerkammer 8 des Lagers 1, zum Beispiel auf der zylindrischen Außenfläche 31 des Innenrings 3, an der Bohrung 22 des Innenrings 2, an der Innenfläche der Dichtungen 6, 7, an der Außenfläche des Käfigs 5 und/oder an der Außenfläche der Wälzkörper 4 abgelagert sein. Als Alternative dazu können die Mikrokapseln in dem Material integriert sein, das mindestens ein Element des Lagers 3 bildet, zum Beispiel im Innenring 3, im Außenring 2, im Käfig 5 und/oder in den Dichtungen 6, 7. Diese Integration kann durch Aufspritzen erfolgen.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst eine Mikrokapsel eine Hülle 91, die aus einer massiven Außenschicht besteht, welche durch einen Kunststoff, ein Polymer oder ein organisches Material gebildet ist, und sie weist eine Größe zwischen 1 nm und 1 µm auf. Die Hülle 91 umfasst mindestens einen, aber allgemeiner mehrere Partikel 92 darin.
  • Die Hülle 91 der Mikrokapseln 9 ist für eine physische Abweichung des Lagers 1 empfindlich und kann dabei auf eine Abweichung des Parameters reagieren. Als nicht einschränkendes Beispiel kann dieser Parameter mechanisch sein, wie zum Beispiel die relative Drehgeschwindigkeit der Ringe 2 und 3, die Temperatur, der Druck, Schwingungen, oder kann chemischer Art sein, als nicht einschränkendes Beispiel die Feuchtigkeit, der Säuregehalt, die Viskosität und der Oxidationsgrad eines Materials, das ein Element des Lagers 1 oder des Schmiermittels in der Lagerkammer 8 bildet. Die Wahl des zu überwachenden Parameters wird durch die Anwendungsart, die Umgebung, Zwänge und die identifizierten Risiken des Lagers 1 bestimmt. Es ist möglich, das Lager 1 mit mehreren Mikrokapselarten zu versehen, wobei jede Art für einen verschiedenen Parameter empfindlich ist.
  • Die Wahl des Materials und der Abmessungen, die die Hülle 91 einer Mikrokapsel bilden, wird in Abhängigkeit von einem Schwellenwert eines Parameters des Lagers definiert, so dass die Hülle 91 zerbricht, falls dieser Schwellenwert durch den Parameter überschritten wird. Die Partikel 92 werden dann in das Schmiermittel in der Lagerkammer 8 des Lagers 1 freigesetzt. Es möglich, das Lager 1 mit mehreren Mikrokapselarten zu versehen, die alle für den gleichen Parameter, aber bei verschiedenen Schwellenwerten, empfindlich sind. Somit ist es möglich, verschiedene Mikrokapselarten mit verschiedenen Schwellenwerten für jeden Parameter zu kombinieren.
  • Die durch die Mikrokapseln 9 freigesetzten Partikel 92 können in Abhängigkeit von dem zur Verfügung gestellten und/oder gewünschten Identifizierungsmittel verschiedener Art sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform können die Partikel 92 chemische Reaktionsmittel sein, die mit einer der Komponenten des Schmiermittels oder einem der Materialien der Bestandteile des Lagers 1 reagieren können, wobei dann aus den chemischen Reaktionen mit den freigesetzten Partikeln neue chemische Spezies resultieren. In diesem Fall kann ein Mittel zum Identifizieren der Gegenwart der Partikel aus einem Sensor für eine der neuen chemischen Spezies bestehen.
  • Die neuen chemischen Spezies können auch einen Einfluss auf die mechanischen (Temperatur, Druck usw.) oder chemischen (Säuregehalt, Viskosität usw.) Parameter des Lagers haben; die Identifizierungsmittel können somit aus einem Sensor für den beeinflussten Parameter bestehen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Partikel 92 der Mikrokapseln 9 Färbemittel sein. Somit bestehen die Identifizierungsmittel darin, dass der Bediener eine Farbänderung des Schmiermittels und/oder des Lagers, zumindest lokal, beobachtet. In dem Fall, in dem das Lager 1 Partikel 92 umfasst, die aus verschiedenen Färbemitteln bestehen, gestattet das Freisetzen einer oder mehrerer Arten von Färbemitteln in den Hüllen 91, die für physische Parameter und/oder Schwellenwerte der verschiedenen Parameter empfindlich sind, die alleinige Bestimmung der Parameter und/oder Abweichungsgrade der Parameter mittels der Farbe des Schmiermittels und/oder des Lagers, zumindest lokal. Die Identifizierung kann somit unter Verwendung einer zuvor erstellten Farbkarte erfolgen.
  • Um dies zu veranschaulichen, kann in einem Beispiel das Schmiermittel in der Lagerkammer 8 eine erste Art von Mikrokapsel 9, deren Hüllen 91 für die Temperaturabweichung des Lagers 1 empfindlich sind, und eine zweite Art von Mikrokapsel 9, deren Hüllen 91 für die Abweichung des Säuregehalts des Schmiermittels des Lagers 1 empfindlich sind, umfassen. Die erste Art von Mikrokapsel 9 kann Partikel 92 enthalten, bei denen es sich um gelbe Substanzen handelt, während die zweite Art Partikel 92 enthalten kann, bei denen es sich um blaue Substanzen handelt.
  • In dem Fall, in dem nur die Temperatur über einen vorbestimmten Schwellenwert ansteigt, setzen die Hüllen 91 der temperaturempfindlichen Mikrokapseln 9 die gelben Partikel 92 frei. Ein Bediener kann somit von außen die Farbänderung direkt beobachten. Wenn nur der Säuregehalt des Schmiermittels über einen Schwellenwert ansteigt, beobachtet der Bediener analog dazu eine Farbänderung zu Blau.
  • Wenn jedoch die Schwellenwerte sowohl für die Temperatur als auch für den Säuregehalt überschritten werden, werden gelbe und blaue Partikel 92 in das Lager 1 freigesetzt, was eine vornehmlich grüne Farbe ergibt. Ein Bediener kann dann die Farbänderung sowie die Tatsache, dass die Schwellenwerte beider Parameter überschritten worden sind, feststellen.
  • Ähnliche Beispiele können für einen einzigen Parameter, aber mit Hüllen 91, die für verschiedene Schwellenwerte empfindlich sind, beschrieben werden, wobei die Hüllen jeweils Partikel 92 verschiedener Farbe einschließen.
  • Bei mehreren Parametern und/oder Schwellenwerten kann die Identifizierung mit einer zuvor erstellten Farbkarte analysiert werden.
  • Ähnliche Beispiele können für Mikrokapseln 9 beschrieben werden, die Partikel 92 enthalten, welche aus chemisch reaktiven Substanzen bestehen; somit kann die Identifizierung unter Verwendung einer zuvor durch Kalibrieren erstellten Zusammensetzungstabelle erfolgen.
  • Die technischen Merkmale der oben besprochenen Ausführungsformen und Variationen können kombiniert werden.

Claims (9)

  1. Mechanisches System, umfassend mindestens eine bewegte Komponente (2; 3; 4) und ein Schmiermittel (8) und Mikrokapseln (9), die aus einer Hülle (91) bestehen, welche unter der Wirkung einer Abweichung eines gegebenen charakteristischen physischen Parameters des mechanischen Systems (1) Partikel (92) freisetzen kann, deren Dispersion durch sich außerhalb des mechanischen Systems (1) befindende Mittel identifiziert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische System (1) mehrere Arten von Mikrokapseln (9) umfasst, wobei jede Art von Mikrokapsel (9) für die Abweichung eines verschiedenen physischen Parameters, der für das mechanische System (1) spezifisch ist, empfindlich ist, wodurch das Freisetzen von Partikeln (92) für die Abweichungen verschiedener Parameter ermöglicht wird.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Lager (1) besteht, das einen ersten Ring (2), einen zweiten Ring (3), wobei die Ringe (2, 3) bezüglich einander drehbeweglich sind, mindestens eine Reihe Wälzkörper (4) und Schmiermittel in einer zwischen den beiden Ringen (2, 3) definierten Lagerkammer (8) umfasst.
  3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln (9) mit dem Schmiermittel (8) des mechanischen Systems (1) vermischt sind.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln (9) als eine Schicht auf der Oberfläche mindestens eines Teils einer inneren Komponente des mechanischen Systems (1) abgelagert sind.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische System (1) eine Art von Mikrokapsel (9) umfasst, die für die Abweichung eines einzigen physischen Parameters des mechanischen Systems (1) empfindlich ist, wobei aber die Mikrokapseln (9) davon jeweils für einen anderen Schwellenwert des Parameters empfindlich sind, wodurch ermöglicht wird, dass die Partikel (92) bei verschiedenen Werten freigesetzt werden.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln (9) einer anderen Art, das heißt deren Hüllen (91) für andere Parameter und/oder andere Schwellenwerte empfindlich sind, jeweils Partikel (92) von anderer Art umfassen.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (92) der Mikrokapseln (9) elektrisch geladen sind.
  8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (92) der Mikrokapseln (9) chemische Reaktionsmittel sind, die mit einer der Komponenten des mechanischen Systems (1) reagieren können.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (92) der Mikrokapseln (9) Färbemittel sind.
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