DE102016214942A1

DE102016214942A1 - Lippendichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Lippendichtung oder einer von der Lippendichtung abgedichteten Einheit

Info

Publication number: DE102016214942A1
Application number: DE102016214942.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Karlsson
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2017-02-16
Also published as: CN106523710B; CN106523710A

Abstract

Ausführungsbeispiele betreffen eine Lippendichtung (100). Die Lippendichtung (100) umfasst einen Dichtlippenteil (105), einen Körperteil (115) und einen Magneten (110), der mit einem von dem Dichtlippenteil (105) und dem Körperteil (115) verbunden ist. Ein anderer des Dichtlippenteils (105) und des Körperteils (115) umfasst einen Magnetfeldsensor (120), um einen Abstand zwischen dem Magneten (110) und dem Magnetfeldsensor (120) während des Betriebs der Lippendichtung (100) zu bestimmen.

Description

Ausführungsbeispiele betreffen eine Lippendichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands der Lippendichtung oder einer Einheit, die von der Lippendichtung abgedichtet ist.
Dichtungen oder Dichtungssysteme werden weitverbreitet in einer Vielzahl von technischen Bereichen verwendet und liegen in vielen verschiedenen Formen vor. Ein Beispiel für eine Anwendung, bei der Dichtungen oft verwendet werden, sind Rotationsanwendungen, bei denen sich eine Welle gegen ein Gegenstück dreht, und bei der Komponenten, wie beispielsweise mechanische, elektrische oder elektronische Komponenten, vor einer Leckage, Schmutz oder anderen möglicherweise schädlichen Substanzen geschützt werden sollen. In diesen Anwendungen kann die Dichtung Reibkräften ausgesetzt sein, die abrasive Wirkungen verursachen, die letztendlich zu einem Ausfall der Dichtung führen können. Konventionelle Überwachungssysteme können einen Benutzer über eine Leckage, die bereits stattgefunden hat, informieren. Dies kann jedoch eine Ersatzlösung für die ausgefallene Dichtung erfordern oder der Benutzer kann andererseits die Gefahr eines Ausfalls von weiteren Komponenten der Anwendung auf sich nehmen. Demzufolge können möglicherweise Reparaturprozesse nicht stattfinden, bis ein Schaden bereits aufgetreten ist. Diese Probleme können auch in anderen Anwendungen relevant sein, bei denen die Dichtungen dynamischen Kräften ausgesetzt sind.
Es ist deshalb wünschenswert, ein verbessertes Konzept zum Überwachen eines Betriebszustands der Dichtung bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt betreffen die Ausführungsbeispiele eine Lippendichtung. Die Lippendichtung umfasst einen Dichtlippenteil, einen Körperteil, und einen Magneten, der entweder an dem Dichtlippenteil oder an dem Körperteil angebracht ist. Der jeweils andere des Dichtlippenteils und des Körperteils umfasst einen Magnetfeldsensor, um einen Abstand zwischen dem Magnet und dem Magnetfeldsensor während des Betriebs der Lippendichtung zu detektieren. Mit anderen Worten ist, falls in einem Ausführungsbeispiel der Magnet mit dem Lippenteil verbunden ist, istder Magnetfeldsensor mit dem Körperteil verbunden. Vice versa ist, falls in einem anderen Ausführungsbeispiel der Magnetfeldsensor mit dem Lippenteil verbunden ist, der Magnet mit dem Körperteil verbunden. Es wird demnach möglich, einen Verschleiß der Lippendichtung oder überhaupt Betriebszustände eines beweglichen Teils, das eine Lauffläche für die Lippendichtung bereitstellt, zu überwachen.
In manchen Ausführungsbeispielen hat der Dichtlippenteil eine Symmetrieachse, oder, in anderen Worten, eine ringförmige Form. Der Dichtlippenteil ist dazu ausgelegt, den Abstand zwischen dem Magneten und dem magnetischen Feldsensor durch eine Bewegung des Dichtlippenteils relativ zu dem Körperteil in einer radialen Richtung senkrecht zu der Symmetrieachse während des Betriebs zu ändern. Demnach können Fehlstellungen oder eine Unwucht einer Welle, die mit der Lippendichtung abgedichtet ist, detektiert werden. Weiterhin kann es möglich sein, eine Rotationsgeschwindigkeit der Welle zu messen.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Lippendichtung weiterhin ein Federelement, das dazu ausgelegt ist, teilweise einer Bewegung des Dichtlippenteils entgegenzustehen, wobei die Bewegung nach radial außen gerichtet ist. Mit anderen Worten kann das Federelement eine radial nach innen gerichtete Gegenkraft ausüben, die geringer ist als eine Kraft, die den Dichtungslippenteil nach radial außen bewegt. Der Magnet ist an dem Federelement befestigt. Dies kann ein Mittel bereitstellen, um eine Kraft, die verwendet wird, um die Anwendung oder Teile davon abzudichten, zu vergrößern, wodurch die Lippendichtung verlässlicher gemacht wird.
In manchen Ausführungsbeispielen hat das Federelement einen ersten Teil oder einen ersten Schenkel, der in Kontakt mit dem Körperteil ist, oder einen zweiten Teil oder einen zweiten Schenkel, der in Kontakt mit dem Dichtlippenteil ist. Der zweite Teil ist radial relativ zu dem ersten Teil bewegbar. Der Magnet ist an dem zweiten Teil angebracht und der Magnetfeldsensor ist an dem ersten Teil angebracht. Es kann deshalb möglich sein, eine Ausgestaltung der Überwachungsmittel für die ein Federelement verwendende Lippendichtung durch ein Vormontieren des Magneten und des Magnetfeldsensors auf das Federelement bevor das Federelement an der Lippendichtung angebracht wird, zu vereinfachen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das Federelement eine Zugfeder, die in Umfangsrichtung verläuft und zumindest teilweise ein toroidales Volumen aufweist. Der Magnet ist innerhalb des toroidalen Volumens angeordnet. Dies kann möglicherweise zu einem besseren Schutz des Magneten vor einer Beschädigung führen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Magnet über einen Schaft, der in radialer Richtung verläuft, mit dem Federelement verbunden. Der Schaft kann alternativ ein Zapfen, ein Stift oder ein Stecker sein. Ein Ende des Schafts, der dem Magnetfeldsensor zugewandt ist, trägt den Magneten. Dies kann eine Option bereitstellen, den Magneten näher an dem Sensor zu positionieren, was möglicherweise zu einer genaueren Messung führt.
In manchen Ausführungsbeispielen weist der Körperteil ein Sackloch auf. Der magnetische Feldsensor ist an einem geschlossenen Ende des Sacklochs befestigt, und das Sackloch ist dazu ausgelegt, zumindest teilweise ein Ende des Schafts, der den Magneten trägt, aufzunehmen. Dadurch kann vielleicht eine größere Stabilität für eine Ausgestaltung, bei der der Magnet auf einem Schaft angebracht ist, erreicht werden.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Magnetfeldsensor einen Hallsensor. Der Magnetfeldsensor kann im Allgemeinen ein absolutes Magnetometer sein, das eine absolute Stärke des Magnetfelds misst, oder ein relatives Magnetometer, das eine Variation eines Magnetfelds misst. Alternativ kann der Magnetfeldsensor beispielsweise einen magnetisch abhängigen Resistor, einen XMR-Sensor, ein Halbleiterquanteninterferenzgerät, eine induktive Aufnehmspule, ein Schwingungsprobenmagnetometer, oder ein Bose-Einstein-Kondensat-Magnetometer sein. Dies kann ermöglichen, dass Signale bereitgestellt sind, auch wenn das von dem Sensor gemessene Magnetfeld konstant ist, oder in anderen Worten, eine absolute Stärke eines Magnetfelds zu messen.
In manchen Ausführungsformen umfasst der Magnetfeldsensor eine Schnittstelle, um ein Signal, das Informationen über den Abstand zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor aufweist, an einem Datenspeichergerät bereitzustellen. Demnach kann ein zeitlicher Verlauf des Verschleißes an der Lippendichtung oder eine zeitliche Änderung in den Betriebszuständen berechnet werden.
In manchen Ausführungsformen umfasst der Magnetfeldsensor ein Transmittermodul, um ein Signal mit Informationen über den Abstand zwischen dem Magneten und Magnetfeldsensor, bereitzustellen. Demnach kann möglicherweise eine Implementierung von Kabeln und Verwicklungen, die mit diesen einhergehen, verhindert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betreffen Ausführungsbeispiele ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Lippendichtung oder einer Einheit, die mit der Lippendichtung abgedichtet ist. Zustände oder Betriebszustände können eine dynamische Unwucht (DRO = dynamic run-out) der mit der Lippendichtung abgedichteten Welle, eine Winkelfehlstellung der Welle oder eine Welle-zu-Bohrungs-Fehlstellung (STBM) aufweisen. Weiterhin kann es möglich sein, eine Rotationsgeschwindigkeit, eine Positionierung der Welle oder des Verschleißes und demnach eine abgeschätzte Lebensdauer der Lippendichtung zu bestimmen. Das Verfahren umfasst ein Messen eines Magnetfelds durch einen Magnetfeldsensors eines von einem Körperteil oder einem Dichtlippenteil der Lippendichtung, wobei das Magnetfeld von einem Magneten, der an dem anderen von dem Körperteil oder dem Dichtlippenteil der Lippendichtung angebracht ist, stammt. Dadurch kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das eine kontinuierliche Überwachung des Verschleißes oder von Betriebszuständen ermöglicht.
Manche Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen und/oder der Verfahren werden im Folgenden nur beispielhaft und mit Bezug auf die anhängigen Figuren beschrieben, bei welchen:
1a eine Lippendichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
1b eine Anordnung eines Magneten und eines Magnetfeldsensors auf einer Lippendichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
2a–e verschiedene Messungen von verschiedenen Betriebszuständen einer Lippendichtung oder einer Einheit, die mit der Lippendichtung abgedichtet ist, zeigen, wobei ein Magnet und ein Magnetfeldsensor gemäß Ausführungsbeispielen verwendet wird, und
3a–d verschiedene Ausführungsformen der Lippendichtung mit einem Magnet und einem Magnetfeldsensor zeigen.
Verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele werden nun vollständiger mit Bezug auf die anhängigen Zeichnungen beschrieben, in denen einige beispielhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren kann die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit wegen übertrieben sein.
Dementsprechend werden, während weitere Ausführungsbeispiele verschiedene Modifikationen und alternative Formen zeigen können, einige beispielhafte Ausführungsbeispiele davon beispielhaft in den Figuren gezeigt und werden hierin im Detail beschrieben. Es sollte dennoch verstanden werden, dass es nicht beabsichtigt ist, die beispielhaften Ausführungsformen auf die offenbarten speziellen Ausbildungen einzuschränken, sondern im Gegenteil die beispielhaften Ausführungsformen gedacht sind, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die in den Rahmen der Offenbarung fallen, zu umfassen. Ähnliche Bezugszeichen beziehen sich durch die Beschreibung der Figuren hindurch auf ähnliche oder ähnelnde Elemente.
Es sollte verstanden werden, dass, wenn auf ein Element Bezug genommen wird, als „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element, dieses direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder das dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz gibt es, wenn auf ein Element Bezug genommen wird, als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ mit einem anderen Element, keine dazwischen liegenden Elemente. Andere Ausdrücke, die verwendet werden, um eine Beziehung zwischen den Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (beispielsweise „zwischen“, versus „direkt dazwischen“, „neben“, versus „direkt neben“, etc.).
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zweck des Beschreibens spezieller beispielhafter Ausführungsbeispiele und ist nicht dazu gedacht, limitierend für weitere beispielhafte Ausführungsbeispiele zu sein. Wie hierin verwendet, wird beabsichtigt, dass die Singularformen „ein“ und „die“, genauso die Pluralformen umfassen, sofern nicht eindeutig anderweitig angegeben. Es ist weiterhin zu verstehen, dass die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ wenn sie hierin verwendet werden, das Vorhandensein der gekennzeichneten Merkmale, Ziffern, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von ein oder mehreren Merkmalen, Ziffern, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Soweit nicht anders definiert haben alle Begriffe (inklusive technischer und wissenschaftlicher Begriffe), wie hierin verwendet, die gleiche Bedeutung wie gemeinhin von einem Fachmann für die beispielhaften Ausführungsbeispiele verstanden wird. Es ist weiterhin zu verstehen, dass, sofern nicht explizit hierin anderweitig definiert, die Begriffe, wie beispielsweise die, die in gemeinhin verwendeten Lexika definiert sind, interpretiert werden sollten, als eine Bedeutung habend, die konsistent ist mit ihrer Bedeutung in dem Kontext des zugehörigen Fachbereichs.
Ein erstes Ausführungsbeispiel, das in 1a gezeigt ist, betrifft eine Lippendichtung 100. Die Lippendichtung 100 umfasst einen Dichtlippenteil 105, einen Magneten 110, der mit dem Dichtlippenteil 105 verbunden ist, und einen Körperteil 115 mit einem Magnetfeldsensor 120, um einen Abstand zwischen dem Magneten 110 und dem Magnetfeldsensor 120 während eines Betriebs der Lippendichtung zu bestimmen. Die Lippendichtung 100 kann ein synthetisches Material wie beispielsweise Polymer, wie beispielsweise ein Elastomer aufweisen. Der Körperteil 115 kann an einer Komponente angebracht sein, die lokal feststehend ist. Der Lippenteil 105 kann in einem dynamischen oder gleitenden Kontakt mit einer sich bewegenden Komponente sein, die eine Lauffläche für die Lippendichtung bereitstellt, was eine Deformation an dem Lippenteil 105 hervorruft, so dass der Lippenteil 105 in Richtung des Körperteils 115 gedrückt wird. Dieses wiederum verursacht eine rückstellende Kraft innerhalb der Lippendichtung 100, die zu einem Dichteffekt führt. Die sich bewegende Komponente kann einem linearen Bewegungsweg folgen oder kann eine sich drehende Komponente, beispielsweise eine Welle sein. Weiterhin können der Magnet 110 oder der Magnetfeldsensor 120 in anderen Ausführungsbeispielen in ihren Positionen vertauscht sein. Der Magnet 110 oder der Sensor 120 können mit dem Lippenteil 105 oder dem Körperteil 115 anhaftend verbunden sein, beispielsweise durch Ankleben. Der Magnet 110 kann an dem Dichtlippenteil 105 angebracht oder in ihn eingebettet sein. Der Magnetfeldsensor 120 kann an dem Körperteil 115 angebracht oder in ihn eingebettet sein. Umgekehrt kann, in anderen Ausführungsbeispielen, der Magnet 110 an den Körperteil 115 angebracht oder in ihn eingebettet sein, oder der Magnetfeldsensor 120 kann an dem Dichtlippenteil 105 angebracht sein oder in ihn eingebettet sein.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Magnetfeldsensor 120 einen Hallsensor. Dieses kann ermöglichen, dass Messungen durchgeführt werden, auch wenn das Magnetfeld, das von dem Sensor gemessen wird, konstant ist. Der Magnetfeldsensor 120 kann optional über Kabel 125 oder Drähte verbunden sein, die dazu ausgelegt sind, ein Messungssignal an einem elektronischen Gerät, beispielsweise einem Prozessor, einer Anzeige, einem Datenspeichergerät, etc. bereitzustellen. Optional kann die Lippendichtung 100 ein Gehäuse 130 aufweisen, das den Körperteil 115 teilweise einbettet. Das Gehäuse 130 kann für eine Verstärkung oder für eine Befestigung der Lippendichtung 100 an der lokal feststehenden Komponente verwendet werden.
Es kann möglich werden, den Verschleiß der Lippendichtung 100 oder Betriebszustände des beweglichen Teils zu überwachen. Sich jetzt der 1b zuwendend wird ein Dichtlippenteil 105 gezeigt, der in manchen Ausführungsbeispielen eine Symmetrieachse 140 hat, oder in anderen Worten, ist die Lippendichtung 100 dazu ausgelegt, ein Medium gegen eine sich drehende symmetrische Welle abzudichten. Der Dichtlippenteil 105 ist dazu ausgelegt, während des Betriebs den Abstand 135 durch eine Bewegung des Dichtlippenteils 105 relativ zu dem Körperteil 115 in radialer Richtung senkrecht zu der Symmetrieachse 140 zu ändern. 1b zeigt eine Anordnung von einem Magnet 110 und einem Magnetfeldsensor 120 einer Lippendichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Lippendichtung 100 dazu ausgelegt ist, ein Medium gegen eine sich drehende Komponente, wie beispielsweise eine Welle, abzudichten. Die Symmetrieachse 140 ist senkrecht zu einer radialen Ebene oder der Zeichnungsebene von 1b. Der Magnet 110 kann in seiner Form kreisförmig sein, beispielsweise ein magnetischer Streifen, der sich um den äußeren Umfang des Lippenteils 105 erstreckt. Der Magnetfeldsensor 120 ist an dem inneren Umfang 145 des Körperteils 115 befestigt.
Demnach können Betriebszustände wie beispielsweise eine dynamische Unwucht (DRO = dynamic run-out) einer Welle, die mit der Lippendichtung 100 abgedichtet ist, eine Winkelfehlstellung der Welle oder eine Welle-zu-Bohrungs-Fehlstellung (STBM = shaft to bore misalignement) detektiert werden. Weiterhin kann es möglich sein, eine Rotationsgeschwindigkeit (beispielsweise in Umdrehungen pro Minute RPM), eine Positionierung der Welle, oder einen Verschleiß der Lippendichtung 100 zu messen (und damit eine abgeschätzte Lebensdauer zu bestimmen). Diese Betriebszustände werden genauer im Folgenden erklärt. Der Sensor 120 ist dazu betreibbar, die magnetische Kraft des Magneten 110 zu messen. Dieser Wert wird verwendet, um den Abstand 135 zu dem Magneten 110, der an dem Dichtlippenteil 105 angebracht ist, zu bestimmen. Die Messung kann Informationen über DRO, RPM, STBM oder den Lippenverschleiß geben. Mit der Lippenverschleißdetektion kann es möglich sein, eine Anzeige eines verbleibenden Rests des Lippenteils 105 zu geben.
Die 2a, b, c, d und e zeigen jeweils eine Messung des Abstands 135 über die Zeit für verschiedene Betriebszustände der Lippendichtung 100 oder einer Einheit, die mit der Lippendichtung 100 abgedichtet ist. 2a zeigt eine zeitliche Änderung, die die Abstandsmessung durchmachen kann, wenn eine DRO auftritt. Die DRO kann beispielsweise als der radiale Abstand beschrieben werden, mit dem die Welle nicht um ihre wahre Mitte rotiert. Die Auswirkungen, die die DRO auf die Dichtung haben können, können ungleichmäßigen Verschleiß und ein verkürztes Dichtungsleben umfassen. Die Abstandskurve 210 kann im Fall von DRO eine Sinusform um die Nullachse zeigen. Die Nullachse markiert eine ideale Bedingung (in Theorie) ohne DRO, bei der eine Welle (dargestellt durch einen durchgehenden Kreis auf der rechten Seite der 2a) konzentrisch mit einer Bohrung (gestrichelter Kreis,) die die Welle umgibt, ausgerichtet ist. In einer praktischen Anwendung, kann eine leichte DRO (beispielsweise bis zu 1 %, 2 % oder 5 % des Wellenradius) möglicherweise unvermeidbar sein aufgrund von Herstellungstoleranzen einer Einheit mit der Welle und einer lokal feststehenden Komponente, die eine Bohrung aufweist, um die Welle aufzunehmen. Die DRO kann proportional zu und festgelegt von einer Amplitude A der gemessenen Abstandskurve 210 sein. Falls die DRO einen Toleranzschwellenwert, beispielsweise mehr als 5 % oder 10 % des Wellenradius, überschreitet, kann der Magnetfeldsensor das Signal mit Informationen über die zeitliche Änderung des Abstands bereitstellen und demnach ein Warnsignal verursachen. Das Warnsignal kann einem Benutzer bereitgestellt werden, zum Beispiel durch ein Überwachungsmittel, das mit dem Magnetfeldsensor gekoppelt ist.
2b zeigt eine zeitliche Änderung im Abstand, wenn ein Verschleiß des Lippenteils aufgetreten ist. Wie bereits vorstehend erklärt, kann bei praktischen Anwendungen eine leichte DRO vorhanden sein, die sich selbst in einer Sinusform der Abstandskurve ausdrückt, die für ein besseres Verständnis in übertriebener Form in 2b gezeigt ist. Eine erste Messung, die an einem Zeitpunkt t₀ beginnt, führt zu einer sinusförmigen ersten Abstandsfunktion 221 (f(t₀)), die um die Nullachse herum oszilliert. Eine zweite Messung, die an einem Zeitpunkt t₁ beginnt, führt zu einer sinusförmigen zweiten Abstandsfunktion 222 (f(t₁)), die um eine Achse, die parallel zu und unterhalb der Nullachse ist, herum oszilliert. Die Periodendauer der Sinusfunktion kann im Vergleich zu einem Zeitintervall t₁–t₀hier nebensächlich sein. Oder, zum Beispiel kann die Periodendauer der Sinusfunktion eine Sekunde oder maximal eine Minute sein, und das Zeitintervall t₁–t₀ kann zumindest eine Stunde oder ein Tag sein. Ein Versatz w zwischen f(t₀) und f(t₁) kann den Betrag des Verschleißes an dem Lippenteil darstellen, der während des Zeitintervalls aufgetreten ist.
2c zeigt wie eine Rotationsgeschwindigkeit der Welle gemessen wird. Eine Rotationsgeschwindigkeitskurve 230 zeigt die zuvor erwähnte Sinusform und die Zeit für eine vollständige Umdrehung (fr) kann erhalten werden, indem das Zeitintervall zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten der Sinusfunktion gemessen wird. Teilt man 60 durch die Zeit (fr), erhält man die Anzahl der Umdrehungen pro Minute (rpm). Eine Rotationsgeschwindigkeit v eines Punkts auf der Oberfläche der Welle in Metern pro Sekunde kann erhalten werden durch (rpm/60)·π(d/1000) = v , wobei d der Durchmesser der Welle in mm ist.
In manchen Ausführungsbeispielen kann mehr als ein Magnetfeldsensor an der Lippendichtung angebracht sein. In einem Ausführungsbeispiel sind vier Sensoren S1, S2, S3 und S4 an der 0°, 90°, 180° und 270° Position befestigt. 2d zeigt eine Messung der DRO, mittels vier Sensoren, wobei der Sensor S1 eine erste Sinuskurve 241, der Sensor S2 eine zweite Sinuskurve 242, der Sensor S3 eine dritte Sinuskurve 243, und der Sensor S4 eine vierte Sinuskurve 244 ergibt. Abhängig von den Positionen der Sensoren zeigen die Kurven von zwei benachbarten Sensoren eine Phasendifferenz von 90° zueinander. Die DRO kann gleiche Amplituden A der Kurven verursachen und kann aus den Amplituden bestimmt werden.
2e ähnelt einem Fall, bei dem eine STBM auftritt. Eine Fehlstellung zwischen der Welle (dargestellt als durchgehender Kreis in dem linken unteren Teil von 2e) und einer Bohrung (gestrichelter Kreis) ist ein statischer Zustand, der durch einen Versatz ihrer Mittellinien verursacht wird. Ein Indiz für diesen Zustand kann über ein Muster des Verschleißes an der Lippe gesehen werden, der auf einer Seite der Dichtung größer ist. 2e zeigt eine Messung der STBM, bei der vier Sensoren, wie in 2d, verwendet werden, wobei der Sensor S1 eine erste Sinuskurve 251, der Sensor S2 eine zweite Sinuskurve 252, der Sensor S3 eine dritte Sinuskurve 253, und der Sensor S4 eine vierte Sinuskurve 254 ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensoren S1 und S3 auf eine vertikale Achse ausgerichtet, die senkrecht zu der Rotationsachse ist, und die Sensoren S2 und S4 sind auf eine horizontale Achse ausgerichtet, die senkrecht zu der Rotationsachse und zu der vertikalen Achse ist. Demnach kann eine vertikale Fehlstellung aus einem Versatz zwischen der ersten Sinuskurve 251 und der dritten Sinuskurve 253 bestimmt werden, und eine horizontale Fehlstellung kann aus einem Versatz zwischen der zweiten Sinuskurve 252 und der vierten Sinuskurve 254 bestimmt werden. Der Versatz zwischen zwei Kurven kann beispielsweise dadurch berechnet werden, dass die Differenz zwischen den Minima der entsprechenden Kurven berechnet wird.
In einem Ausführungsbeispiel kann es weiterhin möglich sein, zwei Lippendichtungen an verschiedenen axialen Positionen der Welle, beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten eines Lagers, zu befestigen. Dies kann eine Winkelfehlstellung der Welle ermöglichen, bei der die Rotationsachse der Welle gegenüber der Mittelachse der Bohrung verkippt ist. Ähnlich zur STBM kann auch die Winkelfehlstellung zu einem Muster des Verschleißes an der Lippe führen, der an einer Seite der Dichtung breiter ist.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Lippendichtung 100, die alternativ zu der in 1a dargestellten Ausführungsform ausgebildet sind, sind in den 3a, b, c und d gezeigt. Komponenten, die ein entsprechendes Gegenstück in 1a haben, werden nicht nochmal in den 3a–d erklärt; im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen ihnen Bezug genommen. In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Lippendichtung 100 weiterhin ein Federelement 305-1; 305-2, das dazu betreibbar ist, teilweise einer Bewegung des Lippendichtungsteils 105 entgegenzuwirken, wobei die Bewegung nach radial außen gerichtet ist. Der Magnet 110 ist an dem Federelement 305-1; 305-2 befestigt. Dies kann ein Mittel bereitstellen, um eine Kraft zu verstärken, die verwendet wird, um Anwendungen oder Teile davon abzudichten, was möglicherweise die Lippendichtung 100 zuverlässiger macht. In den 3a, b und c ist das Federelement 305-1 eine Zugfeder, die in einer umfänglichen Nut 310, die sich entlang einer nach radial außen zeigenden Fläche des Dichtlippenteils 105 erstreckt.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Magnet 110 mit dem Federelement 305-1 über einen in radialer Richtung verlaufenden Schaft 315 verbunden, wie in 3a gezeigt ist. Ein Ende des Schafts 315, das dem Magnetfeldsensor 120 zugewandt ist, trägt den Magneten 110. Dieses kann den Magneten 110 näher an den Sensor 120 bringen, was möglicherweise zu einer genaueren Messung führt. Der Schaft 315 kann an einem Federelement 305-1 befestigt sein, das jedoch optional sein kann. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Schaft 315 direkt an dem Lippenteil 105 befestigt sein.
In manchen Ausführungsbeispielen zeigt der Körperteil 115 ein Sackloch 320. Der Magnetfeldsensor 120 ist an einem geschlossenen Ende des Sacklochs 320 angebracht, und das Sackloch 320 ist dazu ausgelegt, zumindest teilweise das Ende des Schafts 315, der den Magnet 110 trägt, aufzunehmen. Eine größere Stabilität der Ausgestaltung, bei der der Magnet 110 auf einem Schaft 315 angebracht ist, kann möglicherweise dadurch resultieren. Der Magnetfeldsensor 120 kann beispielsweise in dem Sackloch 320 über eine zylinderförmige Röhre 325 angebracht sein, die in das Sackloch 320 geklemmt ist und dazu ausgelegt ist, zumindest teilweise den Schaft 315 aufzunehmen.
In manchen Ausführungsbeispielen, wie in den 3b und 3c gezeigt ist, ist das Federelement 305-1 eine Zugfeder, die in umfänglicher Richtung verläuft, und zumindest teilweise ein toroidales Volumen aufweist. In 3b ist der Magnet 110 innerhalb des toroidalen Volumens angeordnet. Dies kann möglicherweise zu einem besseren Schutz des Magnets vor einer Beschädigung führen. 3c zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Magnet 110 außerhalb des toroidalen Volumens, aber ebenfalls direkt auf dem Federelement 305-1, angebracht ist.
In manchen Ausführungsbeispielen kann das Federelement eine zu der zuvor genannten Zugfeder unterschiedliche Form aufweisen. Wie in 3d gezeigt, hat das Federelement 305-2 einen ersten Teil 330 in Kontakt mit dem Körperteil 115 und einen zweiten Teil 335 in Kontakt mit dem Dichtlippenteil 105. Der zweite Teil 335 ist radial relativ zu dem ersten Teil 330 bewegbar. Das Federelement 305-2 kann beispielsweise ein metallisches Material oder Kunststoff aufweisen. Der Magnet 110 ist an dem zweiten Teil 335 befestigt und der Magnetfeldsensor 120 ist an dem ersten Teil 330 befestigt. Es kann deshalb möglich sein, eine Implementation eines Überwachungsmittels für eine Lippendichtung 100, die ein Federelement verwendet, zu vereinfachen, da der Magnet 110 und der Magnetfeldsensor 120 auf dem Federelement 305 in einem zuvor ausgeführten Schritt bevor die Lippendichtung 100 zusammengebaut wird, angebracht werden. Es kann weiter aus 3d gesehen werden, dass der Körperteil 115 und der Dichtlippenteil 105 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. Beispielsweise kann der Dichtlippenteil aus einem Elastomer ausgebildet sein, und der Körperteil 115 kann aus einem metallischen Material hergestellt sein.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Magnetfeldsensor eine Schnittstelle, ein Signal mit Informationen über den Abstand zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor an einem Datenspeichergerät bereitzustellen. Demnach kann eine zeitliche Veränderung des Verschleißes an der Lippendichtung oder eine zeitliche Veränderung in den Betriebszuständen berechnet werden. Das Speichergerät kann beispielsweise von einen Mikroprozessor beinhaltet sein, der für eine vorgegebene Zeit läuft und das Signal mit den Sensormesswerten empfängt. Der Mikroprozessor kann dann mit einem Computer verbunden werden, der dazu verwendet werden kann, um die Sensormesswerte auszuwerten.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Magnetfeldsensor ein Transmittermodul, um ein Signal mit Informationen über den Abstand zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor bereitzustellen. Demnach kann eine Implementation von Kabeln und mit diesen einhergehenden Verwicklungen, vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betreffen Ausführungsbeispiele ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Lippendichtung oder einer Einheit, die mit der Lippendichtung abgedichtet ist. Zustände oder Betriebszustände können eine dynamische Unwucht (DRO) der mit der Lippendichtung abgedichteten Welle, eine Winkelfehlstellung der Welle, oder eine Welle-zu-Bohrungs-Fehlstellung (STBM) aufweisen. Weiterhin kann es möglich sein, eine Rotationsgeschwindigkeit, eine Positionierung der Welle oder des Verschleißes und demnach eine abgeschätzte Lebensdauer der Lippendichtung zu bestimmen. Das Verfahren umfasst ein Messen, durch einen Magnetfeldsensor eines Körperteils der Lippendichtung von einem Magnetfeld, das von einem Magneten stammt, der mit einem Dichtlippenteil der Lippendichtung verbunden ist. Dadurch kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das ermöglicht, einen Verschleiß oder Betriebszustände kontinuierlich zu überwachten.
Einige Ausführungsbeispiele betreffen einen Dichtungssensor für eine radiale Wellendichtung. In manchen anderen Ausführungsbeispielen werden Hallsensoren verwendet, um die Magnetkraft eines Magneten zu messen. Dieser Wert kann dazu verwendet werden, den Abstand zu einem Magneten, der an der Hauptdichtlippe angeordnet ist, zu kennen. Das Auslesen kann Informationen über eine dynamische Unwucht (DRO), RPM, Welle-zu-Bohrung-Fehlstellung (STBM) und einen Lippenverschleiß bereitstellen. Durch die Bestimmung des Lippenverschleißes kann es möglich sein, eine Anzeige eines verbleibenden Prozentsatzes der Lippe zu geben.
Die Ausführungsbeispiele können eine Erkenntnis über den Verschleiß der Lippe bereitstellen, was wiederum eine Anzeige bereitstellt, wieviel von der Hauptdichtlippe vor einer Leckage übrig ist. Diese Information kann einem Kunden eine Indikation geben, wann die Dichtung zu ersetzen ist. Abgesehen von dem Lippenverschleiß kann der Verbraucher auch Betriebszustände überwachen, wie beispielsweise eine dynamische Unwucht, eine Wellenzu-Bohrungs-Fehlstellung oder die RPM. Die Wellen-zu-Bohrungs-Fehlstellung kann auch bestimmen, ob die Dichtung inkorrekt mit einer Winkelfehlstellung (was auch als schräg stehender Einbau bekannt ist) eingebaut ist.
In einem Ausführungsbeispiel sind vier Halleffektsensoren bei 0°, 90°, 180° und 270° angebracht, um die Stärke des Magnetfelds von den an der Hauptdichtlippe angebrachten Magneten zu messen. Die Werte von einem Sensor können verwendet werden, um verschiedene Betriebszustände zu detektieren. Im Fall einer dynamischen Unwucht können die Werte eine Sinuswellenform haben. Die maximalen und minimalen Werte können die dynamische Unwucht der Welle bestimmen. Die Wellen-zu-Bohrungs-Fehlstellung kann über die Unterschiede zwischen den Scheitelpunkten der Sinuswellen der vier Sensoren detektiert werden. Der Verschleiß der Hauptdichtlippe kann detektiert und gemessen werden, indem die Scheitelpunkte der Sinuskurven bei t₀ (beispielsweise als Referenzwert sofort nachdem die Dichtung befestigt ist) und bei wählbaren Intervallen t₁, t₂, ... t_n gemessen werden. Die Intervalle können beispielsweise Stunden, Tage oder Monate abdecken. Die Umdrehungen pro Minute können durch die Frequenz der Scheitelpunkte (Minimum oder Maximum) von einem der Sensoren während einer bekannten Zeitperiode gemessen werden. Die Ausführungsbeispiele können eine Möglichkeit für Kunden bereitstellen, die radiale Vorspannung und den Verschleiß der Dichtlippe und die Betriebszustände (DRO, STBM und RPMs) zu messen.
Weitere Ausgestaltungen der Ausführungsbeispiele können verwendet werden beispielsweise für Schwenklager, Rollenlager, Kugellager, Hülsen oder Gleitlager. Der Magnet und der Sensor können dazu betrieben werden, einen Abstand zwischen zwei Lagerringen zu messen, und Betriebszustände des Lagers können, wie beschrieben, gemessen werden. Die Lippendichtung kann beispielsweise an einem Außenring angebracht sein, und der Lippenteil der Lippendichtung kann in Gleitkontakt mit dem Innenring sein.
Die Beschreibung und die Zeichnungen illustrieren lediglich die Prinzipien der Erfindung. Es ist deshalb zu erkennen, dass die Fachleute sich verschiedene Anordnungen ausdenken können, die, auch wenn sie nicht explizit hierin beschrieben und gezeigt sind, die Prinzipien der Offenbarung aufweisen und von deren Geist und Rahmen umfasst sind. Weiterhin sind alle hier zitierten Beispiele im Prinzip dazu gedacht, ausschließlich für pädagogische Zwecke zu sein, und den Leser im Verstehen der Prinzipien der Offenbarung und der Konzepte, die von den Erfindern bereitgestellt sind, um die Technik voranzubringen, zu unterstützen und sind als ohne Beschränkung auf die speziell zitierten Beispiele und Zustände auszulegen. Darüber hinaus sind alle hierin gemachten Ausführungen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Offenbarung, genauso wie spezielle Beispiele davon, zitieren, dazu gedacht, Äquivalente davon zu umfassen.
Es sollte von den Fachleuten erkannt werden, dass jegliche Blockdiagramme hierin konzeptionelle Ansichten von beispielhaften Schaltungen, die die Prinzipien der Offenbarung verkörpern, darstellen. Ähnlich ist zu erkennen, dass jegliche Flusskarten, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocodes, und Ähnliches verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium dargestellt sind und somit von einem Computer oder Prozessor auszuführen sind, egal ob oder ob nicht ein solcher Computer oder Prozessor explizit dargestellt ist.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung mit aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich selbst als separates Ausführungsbeispiel stehen kann. Während jeder Anspruch eigenständig als separates beispielhaftes Ausführungsbeispiel stehen kann, sollte es bemerkt werden, dass – auch wenn ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf spezifische Kombinationen mit einem oder mehreren Ansprüchen beziehen kann – andere beispielhafte Ausführungsbeispiele auch eine Kombination der abhängigen Ansprüche mit einem Gegenstand von jedem anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruch umfassen kann. Solche Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, außer es ist explizit angemerkt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin ist es beabsichtigt, dass auch Merkmale eines Anspruchs in einem anderen unabhängigen Anspruch umfasst sein können, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig ist.
Es sollte weiterhin bemerkt werden, dass die in der Spezifikation oder in den Ansprüchen offenbarten Verfahren durch ein Gerät implementiert sein können, das Mittel zum Durchführen von jeder der entsprechenden Handlungen dieser Verfahren aufweist.
Weiterhin ist zu verstehen, dass die Offenbarung von mehreren Handlungen oder Funktionen, die in der Spezifikation oder in den Ansprüchen offenbart sind, nicht in der spezifischen Order ausgeführt werden müssen. Deshalb wird die Offenbarung von mehreren Handlungen oder Funktionen nicht auf die spezielle Abfolge eingeschränkt, außer bei solchen Handlungen oder Funktionen die aus technischen Gründen nicht vertauschbar sind. Weiterhin kann in manchen Ausführungsbeispielen eine einzelne Handlung mehrere Unterhandlungen aufweisen oder in mehrere Unterhandlungen unterteilt werden. Derartige Unterhandlungen können in der Offenbarung dieser Einzelhandlung umfasst und Teil davon sein, sofern es nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

100: Lippendichtung
105: Lippenteil
110: Magnet
115: Körperteil
120: Magnetfeldsensor
125: Kabel
130: Gehäuse
135: Abstand
140: Symmetrieachse
145: Innerer Umfang
210: Abstandskurve
221: Erste Abstandsfunktion
222: Zweite Abstandsfunktion
230: Rotationsgeschwindigkeitskurve
241: Erste Sinuskurve
242: Zweite Sinuskurve
243: Dritte Sinuskurve
244: Vierte Sinuskurve
251: Erste Sinuskurve
252: Zweite Sinuskurve
253: Dritte Sinuskurve
254: Vierte Sinuskurve
305-1; 305-2: Federelement
310: Einkerbung
315: Schaft
320: Sackloch
325: Zylindrische Röhre
330: Erster Teil
335: Zweiter Teil

Claims

Lippendichtung (100), mit: einem Dichtlippenteil (105) und einem Körperteil (115); einem Magneten (110), der an einem von dem Dichtlippenteil (105) und dem Körperteil (115) verbunden ist; wobei ein anderer des Dichtlippenteils (105) und des Körperteils (115) einen Magnetfeldsensor (120) aufweist, um einen Abstand zwischen dem Magneten (110) und dem Magnetfeldsensor (120) während eines Betriebs der Lippendichtung (100) zu bestimmen.
Lippendichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Dichtlippenteil (105) eine Symmetrieachse (140) hat, und dazu betreibbar ist, den Abstand (135) durch eine Bewegung des Dichtlippenteils (105) relativ zu dem Körperteil (115) in radialer Richtung senkrecht zu der Symmetrieachse (140) während des Betriebs zu ändern.
Lippendichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit weiterhin einem Federelement (305-1; 305-2), das dazu betreibbar ist, zumindest teilweise einer Bewegung des Dichtlippenteils (105) entgegenzuwirken, wobei die Bewegung nach radial außen gerichtet ist, wobei der Magnet (110) auf dem Federelement (305-1; 305-2) befestigt ist.
Lippendichtung (100) nach Anspruch 3, wobei das Federelement (305-2) einen ersten Teil (330) in Kontakt mit dem Körperteil (115) und einem zweiten Teil (335) in Kontakt mit dem Dichtlippenteil (105) aufweist, wobei der zweite Teil (335) relativ zu dem ersten Teil (330) radial bewegbar ist, und wobei der Magnet (110) an dem zweiten Teil (335) angebracht ist, und der Magnetfeldsensor (120) an dem ersten Teil (330) angebracht ist.
Lippendichtung nach Anspruch 3, wobei das Federelement (305-1) eine Zugfeder ist, die in einer umfänglichen Richtung verläuft und zumindest teilweise ein toroidales Volumen aufweist, wobei der Magnet (110) innerhalb des toroidalen Volumens angeordnet ist.
Lippendichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Magnet (110) an dem Federelement (305-1) über einen Schaft (315), der in radialer Richtung verläuft, verbunden ist, wobei ein Ende des Schafts (315), das dem Magnetfeldsensor (120) zugewandt ist, den Magneten (110) trägt.
Lippendichtung (100) nach Anspruch 6, wobei der Körperteil (115) ein Sackloch (320) aufweist, wobei der Magnetfeldsensor (120) an einem geschlossenen Ende des Sacklochs (320) angebracht ist, und wobei das Sackloch (320) dazu ausgelegt ist, zumindest teilweise das den Magneten (110) tragende Ende des Schaftes (315) aufzunehmen.
Lippendichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (120) einen Hallsensor aufweist.
Lippendichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (120) eine Schnittstelle aufweist, um ein Signal mit Informationen über den Abstand zwischen dem Magneten (110) und dem Magnetfeldsensor (120) an einem Datenspeichergerät bereitzustellen.
Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Lippendichtung oder einer Einheit, die mit der Lippendichtung abgedichtet ist, wobei das Verfahren aufweist: Messen eines Magnetfelds mittels eines Magnetfeldsensors von einem eines Körperteils oder eines Dichtlippenteils der Dichtlippe, wobei das Magnetfeld von einem Magneten stammt, der mit dem anderen des Körperteils oder des Dichtlippenteils der Dichtlippe verbunden ist.