DE102017223390A1 - Slide bearing assembly for a heavy shaft, in particular a wind turbine, and control system and method for controlling the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung (1a - 1f) für eine schwere Welle (2; 2'), insbesondere einer Windkraftanlage, mit einem hydrodynamischen Gleitlager (4), dessen zwischen mindestens einer Lagerschale (5; 5') und der Welle (2; 2') gebildete Lagerspalt (6; 6') mit mindestens einem Zuführkanal (7; 7') zur Schmierung des Lagerspalts (6; 6') mit Schmieröl verbunden ist, indem der mindestens eine Zuführkanal (7; 7') in eine gleitlagerseitig in Lagerlängsrichtung verlaufende mindestens eine zugeordnete Schmieröltasche (8; 8') zur Bevorratung von Schmieröl mündet, wobei außerhalb oder an der Schmieröltasche (8; 8') mindestens zwei axial beabstandet zueinander angeordnete Abstandssensoren (9a, 9b; 9a', 9b') zur Dickenmessung des Lagerspalts (6; 6') angeordnet sind, um eine Verkippung der Welle (2; 2') relativ zur Lagersschale (5; 5') zu ermitteln.The invention relates to a slide bearing arrangement (1a-1f) for a heavy shaft (2, 2 '), in particular a wind turbine, with a hydrodynamic sliding bearing (4), between which at least one bearing shell (5, 5') and the shaft (2; 2 ') with at least one feed channel (7, 7') for lubricating the bearing gap (6, 6 ') is connected to lubricating oil by the at least one feed channel (7, 7') in a sliding bearing side At least two spaced-apart distance sensors (9a, 9b; 9a ', 9b') arranged at the outside of or at the lubricating oil pocket (8; 8 ') extend at least two spaced-apart distance sensors (8; 8') Thickness measurement of the bearing gap (6, 6 ') are arranged to determine a tilting of the shaft (2, 2') relative to the bearing shell (5, 5 ').
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung für eine schwere Welle, insbesondere bei einem Getriebe oder Antriebsstrang einer Windkraftanalage, mit einem Gleitlager, dessen zwischen mindestens einer Lagerschale und der Welle gebildete Lagerspalt mit mindestens einem Zuführkanal zur Schmierung des Lagerspalts mit Schmieröl verbunden ist, indem der mindestens eine Zuführkanal in eine gleitlagerseitig in Lagerlängsrichtung verlaufende mindestens eine zugeordnete Schmieröltasche zur Bevorratung von Schmieröl mündet. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Steuersystem zur Betriebssteuerung einer solchen Gleitlageranordnung sowie ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer zumindest eine solche Gleitlageranordnung aufweisenden Maschine oder Anlage, vorzugsweise Windkraftanlage. Ferner ist auch ein das vorgenannte Verfahren verkörperndes Computerprogrammprodukt angegeben.The present invention relates to a sliding bearing arrangement for a heavy shaft, in particular in a transmission or drive train of a wind turbine, with a sliding bearing whose bearing gap formed between at least one bearing shell and the shaft is connected to at least one feed channel for lubricating the bearing gap with lubricating oil by the at least a supply channel discharges into a bearing side extending in the bearing longitudinal direction at least one associated oil bag for storing lubricating oil. Furthermore, the invention also relates to a control system for operating control of such a slide bearing assembly and a method for operating control of at least one such slide bearing assembly having machine or system, preferably wind turbine. Furthermore, a computer program product embodying the aforementioned method is also indicated.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf hydrostatische und hydrodynamische Gleitlager für schwere Wellen, die vornehmlich im Bereich des Kraftfahrzeugbaus, der Schiffstechnik sowie des Maschinen- und Anlagenbaus zum Einsatz kommen. Als schwere Wellen werden im Rahmen dieser Anwendungen insbesondere Antriebswellen mit einem Wellendurchmesser zwischen 30 und 300 mm verstanden. Es sind jedoch auch kleinere oder größere Wellendurchmesser denkbar, falls diese mit einer Drehlagerung der hier gattungsgemäßen Art ausgestattet werden können und insbesondere auch einer Schmierung des Lagerspalts mit Schmieröl zugänglich sind. Die Wellen der hier interessierenden Art finden sich beispielsweise in Windkraftanlagen zur getriebeinternen Lagerung oder zur Lagerung des Antriebsstrangs zwischen Rotor und Getriebeeingang und dergleichen.The field of application of the invention extends to hydrostatic and hydrodynamic sliding bearings for heavy waves, which are used primarily in the field of motor vehicle construction, ship technology and mechanical and plant engineering. In the context of these applications, heavy shafts are understood in particular to mean drive shafts having a shaft diameter of between 30 and 300 mm. However, there are also smaller or larger shaft diameter conceivable, if they can be equipped with a rotary bearing of the generic type here and in particular also a lubrication of the bearing gap with lubricating oil are accessible. The waves of interest here type can be found for example in wind turbines for internal gear storage or storage of the drive train between the rotor and the transmission input and the like.
Die
Die
Wechselnde Betriebszustände der eine Gleitlagerung umfassenden Maschine oder Anlage sowie Störungen in der Schmierung können zu einer Funktionsunterbrechung der Gleitlagerung führen und einen Verschleiß, Schädigung oder sogar Ausfall der Lagerstelle herbeiführen. Der mit Schmieröl befüllte Schmierspalt im Gleitlager weist gewöhnlich eine radiale Breite von wenigen Mikrometern auf; Änderungen der Lagerspaltbreite bieten Aufschluss darüber, in welchem Betriebszustand sich das Gleitlager befindet. Tritt beispielsweise eine Mischreibung durch Kontaktierung der gelagerten Welle relativ zur Lagerschale auf, so kann eventuell auf eine Überlastung der Lagerstelle geschlossen werden. Über eine Spaltbreitenmessung des Lagerspalts in Verbindung mit weiteren einfach zu messenden physikalischen Größen, insbesondere der Schmieröltemperatur, kann die Lagerbelastung berechnet werden und auf das Antriebsdrehmoment und weitere Antriebsparameter geschlossen werden.Changing operating conditions of a slide bearing comprehensive machine or system and disturbances in the lubrication can lead to a malfunction of the sliding bearing and cause wear, damage or even failure of the bearing. The lubrication oil filled lubricating gap in the sliding bearing usually has a radial width of a few microns; Changes in the bearing gap width provide information about the operating condition of the plain bearing. If, for example, a mixed friction occurs due to contacting of the mounted shaft relative to the bearing shell, overloading of the bearing point may possibly be inferred. Via a gap width measurement of the bearing gap in conjunction with other easily measured physical variables, in particular the lubricating oil temperature, the bearing load can be calculated and closed on the drive torque and other drive parameters.
Die Messung der Lagerspaltbreite ist in der Praxis recht problematisch, da ein hierfür vorgesehener Abstandssensor auch nach Abtrag der Oberfläche der Lagerbauteile durch Verschleiß nicht touchiert werden darf und die Positionierung in einer Vertiefung die Lagergeometrie und Hydrodynamik zu stark stört, so dass die Tragfähigkeit des Gleitlagers abnehmen würde. In dieser Hinsicht würde eine lastbedingte Verkippung des Lagers, beispielsweise infolge von auf eine drehende Welle aufgebrachte Biegemomente relativ zu einer feststehenden Lagerschale einen über die Lagerlängsachse ungleichmäßig verlaufenden örtlichen Verschleiß herbeiführen.The measurement of the bearing gap width is quite problematic in practice, since a distance sensor provided for this purpose may not be touched even after removal of the surface of the bearing components by wear and positioning in a depression, the bearing geometry and hydrodynamics interferes too much, so that decrease the bearing capacity of the sliding bearing would. In this regard, load-induced tilting of the bearing, for example as a result of bending moments applied to a rotating shaft relative to a stationary bearing shell, would cause uneven local wear over the longitudinal axis of the bearing.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitlageranordnung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen sensortechnischen Mitteln eine Verkippung des Gleitlagers detektierbar und damit überwachbar ist.It is therefore the object of the present invention to further improve a sliding bearing arrangement of the generic type such that tilting of the sliding bearing can be detected and thus monitored with simple sensor technology.
Die Aufgabe wird hinsichtlich einer Gleitlageranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich eines Steuersystems zur Betriebssteuerung einer solchen Gleitlageranordnung wird auf Anspruch 14 verwiesen. Anspruch 18 gibt ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer die Gleitlageranordnung aufweisenden Maschine oder Anlage an, die gemäß Anspruch 17 vorzugsweise eine Windkraftanlage ist, und gemäß Anspruch 21 als Computerprogrammprodukt ausgebildet sein kann. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.The object is achieved in terms of a sliding bearing assembly according to the preamble of
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass außerhalb oder an der mindestens einen Schmieröltasche des Gleitlagers mindestens zwei axial in Lagerlängsrichtung beabstandet zueinander angeordnete Abstandssensoren zur Dickenmessung des Lagerspalts angeordnet sind, um eine Verkippung der Welle relativ zur Lagerschale sensortechnisch zu ermitteln. The invention includes the technical teaching that at least two axially spaced apart in the bearing longitudinal direction spaced apart distance sensors for thickness measurement of the bearing gap are arranged outside or on the at least one lubricating oil pocket of the sliding bearing to determine a tilt of the shaft relative to the bearing shell sensor technology.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung resultiert aus der Erkenntnis, dass sich aus örtlich getrennten Abstandsmessungen des Lagerspalts und einem hieraus resultierenden Unterschied des Lagerspalts Rückschlüsse auf den Grad der Verkippung der Welle relativ zur Lagerschale ziehen lassen. Hierdurch kann eine beispielsweise durch Biegebelastung der Welle hervorgerufene Verkippung rechtzeitig erkannt werden, um einen Lagerschaden durch Touchieren der Lagerbauteile zu vermeiden. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist es im Sinne einer kinematischen Umkehr auch möglich, dass sich die Welle im Gleitlager relativ zu einer unbeweglichen, also ortsfesten Lagerschale dreht; genauso ist es denkbar, dass eine stehende Welle mit einer rotierenden Lagerschale des Gleitlagers zusammenwirkt. Hirbei bedeutet ortsfest und stehend den Zustand zu einem weiteren Bauteil, welches wiederum ortsfest und stehend oder aber auch drehend sein kann. Somit ist der Zustand relativ zum stehenden oder drehenden Bauteil zu sehen. Die stehende Welle oder ortsfeste Lagerschale kann sich in einem bewegten Inertialsystem, z.B. rotierendem Planetensteg befinden. Dieser Planetensteg kann aber auch nicht rotieren. Ferner ist die erfindungsgemäße Lösung auch auf Gleitlagerungen mit schwimmender Gleitlagerbuchse applizierbar.The advantage of the solution according to the invention results from the knowledge that it is possible to draw conclusions about the degree of tilting of the shaft relative to the bearing shell from spatially separated distance measurements of the bearing gap and a resulting difference in the bearing gap. In this way, a tilt caused for example by bending load of the shaft can be detected in time to avoid bearing damage by touching the bearing components. In the context of the solution according to the invention, in the sense of a kinematic reversal, it is also possible for the shaft in the plain bearing to rotate relative to an immovable, ie stationary, bearing shell; It is also conceivable that a standing shaft cooperates with a rotating bearing shell of the sliding bearing. Hirbei means stationary and standing the state to another component, which in turn may be stationary and standing or rotating. Thus, the state is seen relative to the stationary or rotating component. The standing wave or fixed bearing shell may be in a moving inertial system, e.g. rotating planetary web are located. But this planetary bridge can not rotate either. Furthermore, the solution according to the invention can also be applied to slide bearings with floating plain bearing bush.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass in Kombination zu den beiden Abstandssensoren mindestens ein demgegenüber radial versetzt angeordneter weiterer Abstandssensor vorgesehen ist, um die räumliche Orientierung der Welle gegenüber der Lagerschale zu ermitteln. Da die Schmieröltasche auch eine Ausdehnung in Umfangsrichtung und nicht allein in Lagerlängsrichtung aufweist, wird durch die radial versetzte Anordnung des weiteren Abstandssensors an der Schmieröltasche ein Winkelsegment eingeschlossen, aus dem auf den Momentanpol der gegeneinander rotierenden Bauteile - Welle und Lagerschale - geschlossen werden kann. Mindestens zwei axial beabstandete Abstandssensoren in Kombination mit mindestens einem demgegenüber radial beabstandeten Abstandssensor sind vorteilhaft, um die räumliche Orientierung der Drehachse zu bestimmen.According to a measure improving the invention, it is proposed that, in combination with the two distance sensors, at least one further distance sensor arranged in a radially offset manner be provided in order to determine the spatial orientation of the shaft relative to the bearing shell. Since the lubricating oil bag also has an extension in the circumferential direction and not only in the bearing longitudinal direction, an angular segment is enclosed by the radially offset arrangement of the other distance sensor on the lubricating oil bag, from which on the instantaneous center of the mutually rotating components - shaft and bearing shell - can be closed. At least two axially spaced distance sensors in combination with at least one contrast radially spaced distance sensor are advantageous to determine the spatial orientation of the axis of rotation.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform können die Abstandssensoren seitens der Lagerschale positioniert werden und insoweit den Lagerspalt in Richtung der Welle vermessen. Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist dies jedoch auch umgekehrt möglich, indem die Abstandssensoren seitens der Welle positioniert sind und den Lagerspalt in Richtung der Lagerschale vermessen. Daneben ist es auch denkbar, dass Abstandssensoren der hier interessierenden Art auch teilweise seitens der Welle und Lagerschale angeordnet sein können. Findet die Schmierölzuführung über die Lagerschale statt, ist dort die mindestens eine Schmieröltasche ausgebildet; findet die Schmierölzuführung stattdessen über eine meist stehende Welle statt, so befindet sich die mindestens eine Schmieröltasche an der Wellenoberfläche. In dem Fall, dass mehrere zueinander parallel und/oder in Axialrichtung hintereinander verlaufende Schmieröltaschen vorgesehen sind, ist den Schmieröltaschen vorzugsweise zumindest teilweise je ein Abstandssensor zugeordnet. Hierdurch ergibt sich eine optimale Bauteilverteilung der Abstandssensoren. Denn die Zuordnung zu verschiedenen Schmieröltaschen ergibt das gleiche Ergebnis wie die Zuordnung aller Abstandssensoren zu einer einzigen Schmieröltasche.According to a first preferred embodiment, the distance sensors can be positioned on the part of the bearing shell and in this respect measure the bearing gap in the direction of the shaft. However, according to a second preferred embodiment, this is also possible conversely by the distance sensors are positioned by the shaft and measured the bearing gap in the direction of the bearing shell. In addition, it is also conceivable that distance sensors of the type of interest here may also be partially arranged on the part of the shaft and bearing shell. If the lubricating oil supply takes place via the bearing shell, the at least one lubricating oil pocket is formed there; instead, if the lubricating oil feed takes place over a mostly standing shaft, then the at least one lubricating oil pocket is located on the shaft surface. In the event that a plurality of parallel to each other and / or in the axial direction successively extending oil pockets are provided, the lubricating oil pockets are preferably at least partially associated with each a distance sensor. This results in an optimal component distribution of the distance sensors. Because the assignment to different oil pockets results in the same result as the assignment of all distance sensors to a single oil bag.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch auf eine sogenannte schwimmende Gleitlagerbuchse anwenden, welche gewöhnlich mehrere Radialbohrungen zur Schmierölversorgung eines über die innere Gleitlagerfläche gebildeten innenseitigen Lagerspalts sowie eines über eine äußere Gleitlagerfläche gebildeten äußeren Lagerspalts aufweist. Hierbei lässt sich auch die Schmierfilmgeometrie des äußeren Lagerspalts ermitteln, indem mindestens einer der Abstandssensoren zur Vermessung des innenseitigen Lagerspalts derart positioniert ist, dass dieser bei drehender Lagerschale alternierend durch die Radialbohrungen hindurch auch den außenseitigen Lagerspalt misst. Dies gilt natürlich auch umgekehrt. Durch die bekannten geometrischen Abmessungen der Gleitlagerbauteile sowie die bekannte Geometrie des innenseitigen Lagerspalts sowie der Lage der Buchse kann aus den Abständen zur äußeren Lagerfläche auch die Geometrie des außenseitigen Schmierspalts berechnet werden, woraus sich die aktuelle Lage der Gleitlagerbauteile zueinander bestimmen lässt. Vorteilhafterweise kann der durch die Radialbohrungen hindurch messende Abstandssensor gleichzeitig auch als ein Drehzahlsensor der schwimmenden Gleitlagerbuchse verwendet werden, indem die Radialbohrungen als Resolver dienen.The solution according to the invention can also be applied to a so-called floating plain bearing bush, which usually has a plurality of radial bores for lubricating oil supply of an inside bearing gap formed over the inner plain bearing surface and an outer bearing gap formed over an outer plain bearing surface. In this case, the lubricating film geometry of the outer bearing gap can also be determined by at least one of the distance sensors for measuring the inside bearing gap being positioned so that it also alternately measures the outside bearing gap when the bearing shell rotates when the bearing shell rotates. Of course, the same applies vice versa. Due to the known geometric dimensions of the sliding bearing components and the known geometry of the inside bearing gap and the position of the bush, the geometry of the outside lubrication gap can be calculated from the distances to the outer bearing surface, from which the current position of the sliding bearing components can be determined. Advantageously, the distance sensor that measures through the radial bores can also be used simultaneously as a rotational speed sensor of the floating plain bearing bush, in that the radial bores serve as resolvers.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die hierbei zum Einsatz kommenden Abstandssensoren vorzugsweise als kapazitive Sensoren, Wirbelstromsensoren oder Ultraschall-Sensoren ausgebildet. Das Messprinzip richtet sich nach den Einsatzrandbedingungen sowie der Messempfindlichkeit in Verbindung mit der Lagergröße. Vorzugsweise kann zumindest einer der Abstandssensoren auch einen integrierten Temperatursensor aufweisen, mit welchem eine Messung der Lagertemperatur durch Messung der Temperatur des Schmieröls durchgeführt werden kann. Der zusätzliche Temperaturmesswert kann zu später beschriebenen steuerungstechnischen Zwecken weiterverarbeitet werden.In the context of the present invention, the distance sensors used here are preferably designed as capacitive sensors, eddy-current sensors or ultrasonic sensors. The measuring principle depends on the application boundary conditions as well as the measuring sensitivity in connection with the bearing size. Preferably, at least one of the distance sensors can also have an integrated temperature sensor, with in which a measurement of the storage temperature can be carried out by measuring the temperature of the lubricating oil. The additional temperature reading can be further processed for later described control purposes.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch möglich, dass durch zumindest einen der Abstandssensoren eine Abstandsmessung zwischen dem rotierenden Bauteil und dem relativ hierzu stehenden Bauteil außerhalb der Schmieröltasche und des Lagerspalts vorgenommen wird. Prinzipiell gestaltet sich eine derartige Sensoranordnung montagefreundlicher.According to an alternative embodiment of the solution according to the invention, it is also possible that by at least one of the distance sensors, a distance measurement between the rotating component and the relatively stationary component outside of the lubricating oil bag and the storage gap is made. In principle, such a sensor arrangement is easier to install.
Gemäß einer ersten diesbezüglichen Ausführungsform ist zumindest einer der Abstandssensoren derart am vorzugsweise stehenden Bauteil angeordnet, dass dieser den radialen Abstand zu einem am rotierenden Bauteil ausgebildeten ringförmigen Steg oder dergleichen misst. Der ringförmige Steg kann beispielsweise in Form einer Rippe oder eines Flansches ausgebildet sein und direkt am rotierenden Bauteil angeformt sein. Alternativ hierzu ist es auch möglich, einen ringförmigen Steg lösbar am rotierenden Bauteil zu befestigen. Dies hat den Vorteil einer nachträglichen Justagemöglichkeit. Seitens des stehenden Bauteils werden vorzugsweise mindestens drei Abstandssensoren positioniert, so dass der Abstand zum ringförmigen Steg des rotierenden Bauteils gemessen werden kann. Unter Last stellt sich eine Exzentrizität ein, deren Lage aus den mehreren entlang des Umfangs angeordneten Abstandssensoren berechnet werden kann. Aus der Exzentrizität und dem bekannten Lagerspiel lässt sich der minimale Lagerspalt ermitteln.According to a first related embodiment, at least one of the distance sensors is arranged on the preferably stationary component such that it measures the radial distance to an annular web or the like formed on the rotating component. The annular web may be formed, for example in the form of a rib or a flange and be formed directly on the rotating component. Alternatively, it is also possible to detachably attach an annular web to the rotating component. This has the advantage of a subsequent adjustment option. At least three distance sensors are preferably positioned on the side of the stationary component, so that the distance to the annular web of the rotating component can be measured. Under load, an eccentricity sets, the position of which can be calculated from the plurality of distance sensors arranged along the circumference. From the eccentricity and the known bearing clearance, the minimum bearing gap can be determined.
Der ringförmige Steg kann bei beispielsweise einer Getriebeanordnung auch nachgerüstet werden und sollte zu diesem Zweck vorzugsweise als geteilter Ring ausgebildet sein, dessen Endseiten über Passstifte wieder zusammengefügt werden, wonach abschließend die Rundlauftoleranz der innenseitigen oder außenseitigen Messfläche hergestellt wird.The annular web can also be retrofitted in, for example, a gear assembly and should preferably be designed for this purpose as a split ring, the end sides are joined together via dowel pins, after which the concentricity tolerance of the inside or outside measuring surface is made.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird zur Abstandsmessung außerhalb der Schmieröltasche und des Lagerspalts vorgeschlagen, dass zumindest einer der Abstandssensoren derart am stehenden Bauteil angeordnet ist, dass dieser mit einer Schrägflanke eines am rotierenden Bauteil angebrachten ringförmigen Stegs zusammenwirkt, um den radialen Abstand zwischen den Bauteilen zwecks Lagerspaltdickenmessung sowie auch den axialen Abstand zwischen den Bauteilen zwecks Positionsbestimmung zu messen. Die am ringförmigen Steg ausgebildete Schrägflanke führt zu einer konischen Ringfläche für die Sensorabnahme. Hieran wirken sich vorzugsweise mindestens drei über den Umfang angeordnete Abstandssensoren radiale Verschiebungen anders - nämlich in einem nicht-linearen Zusammenhang - aus, als eine Verkippung des rotierenden Bauteils. Durch Methoden der Fehlerausgleichsrechnung lassen sich die unabhängig zu bestimmenden Freiheitsgrade durch eine Sensoranordnung auf einer Seite des stehenden Bauteils ermitteln, was den Aufwand gegenüber einer beidseitigen Montage von Abstandssensoren reduziert.According to a second preferred embodiment, for measuring the distance outside the lubricating oil pocket and the bearing gap, it is proposed that at least one of the distance sensors is arranged on the stationary component such that it cooperates with a sloping edge of an annular web attached to the rotating component in order to control the radial distance between the components Bearing gap thickness measurement and also to measure the axial distance between the components for the purpose of position determination. The oblique flank formed on the annular web leads to a conical annular surface for the sensor removal. At least three radially spaced displacements, which are at least three circumferentially arranged sensors, have a different effect on this, namely in a non-linear relationship, than a tilting of the rotating component. By methods of error compensation calculation, the degrees of freedom to be determined independently can be determined by a sensor arrangement on one side of the stationary component, which reduces the effort compared to a two-sided mounting of distance sensors.
Gemäß einer dritten Ausführungsform einer außenseitigen Anordnung eines Abstandssensors wird vorgeschlagen, dass das rotierende oder stehende Bauteil eine Ringnut aufweist, in welche ein seitens des stehenden bzw. rotierenden Bauteils positionierter ringförmiger Steg in Axialrichtung zum Eingriff kommt. Zumindest einer der Abstandssensoren ist derart am stehenden Bauteil angeordnet, dass dieser mit dem ringförmigen Steg zusammenwirkt, um den radialen Abstand zwischen den Bauteilen zu messen. Dank der Ringnut lässt sich ein in Axialrichtung kompakter Aufbau erzielen. Denn statt einem gemäß der vorgenannten Ausführungsformen über die funktional notwendige Breite hinausstehender ringförmiger Steg kann eine im stehenden Bauteil ringförmig eingebrachte Nut genutzt werden. Diese kann beispielsweise rechteckig, einseitig konisch oder trapezförmig ausgebildet sein. Der Abstandssensor wird vorzugsweise durch eine Radialbohrung im stehenden Bauteil an die Ringnut geführt. Vorteilhafterweise misst der Abstandssensor nach innen und außen, so dass Einbautoleranzen oder Fertigungstoleranzen der Ringnut kompensiert oder in einer automatischen Kalibrierfunktion herausgerechnet werden können.According to a third embodiment of an external arrangement of a distance sensor, it is proposed that the rotating or standing component has an annular groove into which an annular web positioned in the axial direction on the part of the stationary or rotating component engages. At least one of the distance sensors is arranged on the stationary component such that it cooperates with the annular web to measure the radial distance between the components. Thanks to the ring groove, a compact design can be achieved in the axial direction. For instead of a according to the aforementioned embodiments beyond the functionally necessary width projecting annular web, a ring in the standing component introduced groove can be used. This can be rectangular, one-sided conical or trapezoidal, for example. The distance sensor is preferably guided through a radial bore in the stationary component to the annular groove. Advantageously, the distance sensor measures inwards and outwards, so that installation tolerances or manufacturing tolerances of the annular groove can be compensated or eliminated in an automatic calibration function.
Gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform eines außenliegenden Abstandssensors zur Lagerspaltmessung wird vorgeschlagen, dass zumindest einer der Abstandssensoren derart am stehenden Bauteil angeordnet ist, dass dieser den radialen Abstand zu einem am rotierenden Bauteil ausgebildeten ringförmigen Steg oder Nut misst, wobei in dem als Kombinationssensor ausgebildeten Abstandssensor außerdem eine Drehzahlmesssensorik implementiert ist, die mit einer seitens des Steges oder der Nut ausgebildeten inkrementalen Struktur zusammenwirkt, um neben dem Abstand zwischen den Bauteilen auch die Drehzahl des rotierenden Bauteils zu messen. Mit anderen Worten ist die Sensorik hier also als ein Kombinationssensor zur Abstands- und Drehzahlmessung ausgebildet, indem axial oder gegenüberliegend zum Abstandssensor ein vorzugsweise induktiver Impulsgeber auf die vorgenannte inkrementelle Struktur ausgerichtet ist.According to a fourth preferred embodiment of an external distance sensor for bearing gap measurement, it is proposed that at least one of the distance sensors be arranged on the stationary component such that it measures the radial distance to an annular web or groove formed on the rotating component, wherein in the distance sensor formed as a combination sensor a speed measuring sensor system is implemented which cooperates with an incremental structure formed on the part of the web or of the groove in order to measure, in addition to the distance between the components, the rotational speed of the rotating component. In other words, the sensor is thus designed here as a combination sensor for distance and rotational speed measurement by a preferably inductive pulse generator is aligned axially or opposite to the distance sensor to the aforementioned incremental structure.
Daneben ist es auch denkbar, dass in zumindest einem der Abstandssensoren eine Temperaturmesssensorik zur Messung der Temperatur des aus dem Gleitlager heraustretenden Schmieröls integriert ist. Auch ein solcher Kombinationssensor lässt sich insoweit zur Ermittlung unterschiedlicher physikalischer Größen bauraumsparend realisieren.In addition, it is also conceivable that in at least one of the distance sensors, a temperature measuring sensor for measuring the temperature of the lubricating oil emerging from the sliding bearing is integrated. Even such a combination sensor leaves In this respect realize space-saving to determine different physical sizes.
Ein Steuersystem zur Betriebssteuerung einer Gleitlageranordnung der vorstehend beschriebenen Art umfasst vorzugsweise außerdem eine gleitlagerseitige Signalübertragungseinrichtung, welche die Messsignale der Abstandssensoren und gegebenenfalls anderer Sensoren an einer gleitlagerfernen Steuerungseinrichtung zur Betriebssteuerung der Gleitlageranordnung und/oder eine diese umfassende Maschine oder Anlage nach Maßgabe der von der Sensorik detektierten Informationen überträgt. Dabei kann die Signalübertragungseinrichtung zumindest teilweise als drahtlose Übertragungseinrichtung ausgebildet sein, beispielsweise als Datenfunkeinrichtung (BLE, Zigbee, Lora und dergleichen). Daneben ist es natürlich auch denkbar, dass die Signalübertragung drahtgebunden, beispielsweise über eine Schleifringanordnung zwischen dem drehenden und dem stehenden Bauteil, erfolgt. Im Rahmen der Signalübertragung kann eine analoge oder digitale Datenübertragung, beispielsweise per BUS-Protokoll, ausgeführt werden. Die ein kontinuierliches Messsignal über eine Verkippung der Welle relativ zur Lagerschale empfangene Steuereinrichtung kann Bestandteile einer elektronischen Steuereinheit zur Betriebssteuerung der Maschine oder Anlage sein oder auch dieser, vorzugsweise in Form einer separat vorgelagerten sogenannten Electronic Control Unit (ECU), zugeordnet sein.A control system for operating control of a slide bearing arrangement of the type described above preferably also comprises a slide bearing side signal transmission device which detects the measurement signals of the distance sensors and optionally other sensors on a sliding bearing remote control device for operation control of the slide bearing assembly and / or a machine or plant comprising these in accordance with the detected by the sensor Information transfers. In this case, the signal transmission device may be at least partially designed as a wireless transmission device, for example as a data radio device (BLE, Zigbee, Lora and the like). In addition, it is of course also conceivable that the signal transmission is wired, for example via a slip ring assembly between the rotating and the stationary component takes place. As part of the signal transmission, an analog or digital data transmission, for example by BUS protocol, are performed. The control device received by means of a tilting of the shaft relative to the bearing shell can be components of an electronic control unit for controlling the operation of the machine or system, or it can also be assigned to it, preferably in the form of a separately upstream electronic control unit (ECU).
Durch die Steuereinrichtung bzw. die vorgelagerte ECU wird gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme in Abhängigkeit der Verkippung der Welle relativ zur Lagerschale der Betrieb der Maschine oder Anlage beeinflusst. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung gegebenenfalls auch andere physikalische Messwerte weiterer Sensoren berücksichtigen, beispielsweise Temperaturmesswerte oder Messwerte hinsichtlich der Antriebsparameter sowie Schmierölparameter und dergleichen.By the control device or the upstream ECU, the operation of the machine or system is influenced according to a measure improving the invention in response to the tilting of the shaft relative to the bearing shell. For this purpose, the control device may optionally also take into account other physical measured values of further sensors, for example temperature measured values or measured values with regard to the drive parameters and lubricating oil parameters and the like.
Im Rahmen der Betriebssteuerung werden vorzugsweise folgende Steuermaßnahmen, beispielsweise zur Verlängerung der Lebensdauer der Gleitlageranordnung oder deren Funktionsoptimierung, ausgeführt:
- - Berechnung der Restlebensdauer anhand eines Verschleißmodells des Gleitlagers. Die Restlebensdauer kann zwecks Inspektion und Austausch des Gleitlagers signalisiert werden.
- - Dokumentation des Betriebsverhaltens des Gleitlagers hinsichtlich Zeit- und Lastanteile in der Hydrodynamik, Misch- oder Gleitreibung, grenzwertiger Schiefstellung der Welle relativ zur Lagerschale.
- - Optimierung des Betriebsverhaltens des Gleitlagers zum Einglätten der Lageroberflächen nach einer Überlastphase oder einer längeren Betriebsphase im Gleit- oder Mischreibungsbereich durch zeitweise Lastreduktion und/oder Drehzahlerhöhung. Denn wird infolge einer Überlastphase eine Schädigung der Lageroberfläche verursacht, so kann ein Einglätten der Lageroberfläche durch den Betrieb des Lagers mit geringer Last und bei mittlerer bis hoher Drehzahl und damit eine Schadensbeseitigung durchgeführt werden.
- - Notabschaltung oder zumindest Lastreduktion der Maschine oder Anlage im Falle einer Lagerfunktionsstörung. Aus dem zeitlichen Verlauf der Lagerspaltdicke und somit auch der Schmierfilmdicke, welcher durch die erfindungsgemäße Sensorik überwachbar ist, kann eine eventuell unzulässig starke Abnahme der Schmierfilmdicke in kurzer Zeit beobachtet werden, woraus eine Lagerfunktionsstörung durch Reibungsverschleiß prognostiziert werden kann. Einem Lagerschaden kann durch Lastreduktion oder Notabschaltung der Maschine oder Anlage entgegengewirkt werden.
- - Calculation of the remaining service life based on a wear model of the sliding bearing. The remaining service life can be signaled for inspection and replacement of the plain bearing.
- - Documentation of the operating behavior of the plain bearing with regard to time and load fractions in hydrodynamics, mixed or sliding friction, borderline skew of the shaft relative to the bearing shell.
- - Optimization of the operating behavior of the sliding bearing for flattening the bearing surfaces after an overload phase or a longer operating phase in the sliding or mixed friction region by temporary load reduction and / or speed increase. For damage to the bearing surface is caused as a result of an overload phase, it can be carried out a smoothing of the bearing surface by the operation of the bearing with low load and medium to high speed and thus a damage elimination.
- - Emergency shutdown or at least load reduction of the machine or system in the event of a bearing malfunction. From the time course of the bearing gap thickness and thus also the lubricating film thickness, which can be monitored by the sensor according to the invention, a possibly unacceptably large decrease in the lubricant film thickness can be observed in a short time, from which a bearing malfunction due to frictional wear can be predicted. A bearing damage can be counteracted by load reduction or emergency shutdown of the machine or system.
Es sei darauf hingewiesen, dass das vorgenannte Verfahren zur Betriebssteuerung sich in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln zu dessen Durchführung umsetzen lässt und vorzugsweise auf einer dafür vorgesehenen softwaregesteuerten elektronischen Steuereinheit, insbesondere ECU, des Steuersystems oder auch auf einer Cloud-Plattform abläuft.It should be noted that the aforementioned method for operation control can be implemented in the form of a computer program product with program code means for its implementation and preferably runs on a dedicated software-controlled electronic control unit, in particular ECU, the control system or on a cloud platform.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS.
Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Gleitlageranordnung mit einer stehenden Welle und Abstandssensorik zur Detektion einer Lagerverkippung, -
2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Gleitlageranordnung nach1 , -
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer Gleitlageranordnung mit rotierender Welle, -
4a eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer Gleitlageranordnung mit schwimmender Gleitlagerbuchse, -
4b eine schematische Querschnittsdarstellung der Gleitlageranordnung nach4a , -
5 eine Teilansicht einer Gleitlageranordnung mit einem außen liegenden Abstandssensor in einer ersten Ausführungsform, -
6 eine Teilansicht einer Gleitlageranordnung mit einem außen liegenden Abstandssensor in einer zweiten Ausführungsform, -
7 eine Teilansicht einer Gleitlageranordnung mit einem außen liegenden Abstandssensor in einer dritten Ausführungsform, -
8 eine Teilansicht einer Gleitlageranordnung mit einem außen liegenden Abstandssensor in einer vierten Ausführungsform, -
9 eine Blockschaltbilddarstellung eines Steuersystems zur Betriebssteuerung einer Maschine oder Anlage mit einer Gleitlageranordnung.
-
1 a schematic representation of a sliding bearing assembly with a standing wave and distance sensor for detecting a Lagerverkippung -
2 a schematic cross-sectional view of the sliding bearing assembly according to1 . -
3 a schematic cross-sectional view of another embodiment of a sliding bearing assembly with a rotating shaft, -
4a a schematic representation of another embodiment of a sliding bearing assembly with floating plain bearing bush, -
4b a schematic cross-sectional view of the sliding bearing assembly according to4a . -
5 a partial view of a slide bearing assembly with an external distance sensor in a first embodiment, -
6 a partial view of a slide bearing assembly with an external distance sensor in a second embodiment, -
7 a partial view of a sliding bearing assembly with an external distance sensor in a third embodiment, -
8th a partial view of a sliding bearing assembly with an external distance sensor in a fourth embodiment, -
9 a block diagram representation of a control system for controlling the operation of a machine or system with a sliding bearing assembly.
Gemäß
Die Gleitlageranordnung
Endseitig an der Schmieröltasche
Die Signalübertragung findet per Funkverbindung
In Zusammenschau mit der
Gemäß
An der Schmieröltasche
Die
Wie aus
Gemäß
Die in
Bei der in
Gemäß
Nach
Unter Verwendung des Steueralgorithmus
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, andere Maßnahmen zur Betriebssteuerung einer Maschine oder Anlage bei einer durch die erfindungsgemäße Lösung erkannten Verkippung des Gleitlagers außerhalb eines Toleranzfeldes vorzunehmen, beispielsweise eine Verringerung der Belastung oder eine Optimierung des Betriebsverhaltens des Gleitlagers zum Einglätten der Lageroberfläche nach einer Überlastphase und dergleichen.The invention is not limited to the preferred embodiments described above. On the contrary, modifications of this kind are conceivable, which are beyond the scope of the following claims are included. For example, it is also possible to perform other measures for controlling the operation of a machine or system at a detected by the inventive solution tilting of the sliding bearing outside of a tolerance field, such as a reduction of stress or an optimization of the performance of the sliding bearing for flattening the bearing surface after an overload phase and like.
Ferner ist das erfindungsgemäße Steuersystem nicht darauf beschränkt, dass das Verfahren zur Betriebssteuerung lokal in der Maschine oder Anlage durchgeführt wird. Dieses kann beispielsweise auch auf einer Client-Server-Architektur durchgeführt werden, worin die sensorische Messwertermittlung clientseitig und die Signalauswertung serverseitig erfolgt. Auch die Nutzung einer Cloud-Plattform zu diesem Zweck ist denkbar. Dies bietet den Vorteil, dass die ermittelten Sensordaten auch für andere Einsatzzwecke als eine Betriebssteuerung der Maschine oder Anlage nutzbar gemacht werden können.Furthermore, the control system according to the invention is not limited to the fact that the method of operation control is carried out locally in the machine or plant. This can also be carried out, for example, on a client-server architecture, in which the sensory measured value determination takes place on the client side and the signal evaluation on the server side. The use of a cloud platform for this purpose is also conceivable. This offers the advantage that the determined sensor data can also be used for other purposes as an operation control of the machine or system.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Gleitlageranordnungplain bearing arrangement
- 22
- Wellewave
- 33
- Planetenradplanet
- 44
- Gleitlagerbearings
- 55
- Lagerschalebearing shell
- 66
- Lagerspaltbearing gap
- 77
- Zuführkanalfeed
- 88th
- SchmieröltascheOil bag
- 99
- Abstandssensordistance sensor
- 1010
- Radialbohrungradial bore
- 1111
- Funkverbindungradio link
- 1212
- SignalübertragungseinrichtungSignal transmission means
- 1313
- SignalempfangseinrichtungSignal-receiving device
- 1414
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1515
- elektronische Steuereinheitelectronic control unit
- 1616
- Steueralgorithmuscontrol algorithm
- 1717
- Steuersignal control signal
- 2020
- stehendes Bauteilstanding component
- 3030
- rotierendes Bauteilrotating component
- 4040
- ringförmiger Stegannular bridge
- 4141
- Schrägflanke am ringförmigen StegSloping edge on the annular web
- 5050
- Sensorträgersensor support
- 6060
- Ringnutring groove
- 7070
- ringförmige Nut annular groove
- nn
- Drehzahlnumber of revolutions
- smin s min
- minimaler Lagerspaltminimal bearing gap
- FF
- Lastload
- pp
- Druckzonepressure zone
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Claims (21)
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