DE102018127056A1

DE102018127056A1 - Verfahren und Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen- / Anlagenteilen in einem Wälzlager auftretenden elektrischen Stromimpulsen

Info

Publication number: DE102018127056A1
Application number: DE102018127056.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Reiners
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen- oder Anlagenteilen durch ein Wälzlager (2) oder Gleitlager fließende charakteristische elektrische Stromimpulse, wobei einrichtungstechnisch eine Empfangseinheit (10) mit Antenne (11) zum Empfangen von elektromagnetischen Funkwellen vorgesehen ist, die infolge der charakteristischen elektrischen Stromimpulse im Frequenzbereich oberhalb 50 MHz emittiert werden, sowie eine Signalaufbereitungseinheit (20) zur Aufbereitung des empfangenden Signals durch eine Signalverarbeitung zur Extraktion der hierin enthaltenen Stromimpulsereignisse, und eine Analyseeinheit (30) zur Analyse des zeitlichen Verlaufs der Stromimpulsereignisse zur Zustandsüberwachung des Wälzlagers (2) oder Gleitlagers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen- oder Anlagenteilen in einem Wälzlager zwischen Lageraußenring, Wälzkörpern und Lagerinnenring auftretenden elektrischen Stromimpulsen. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein dieses Verfahren verkörperndes Computerprogrammprodukt sowie als speziellen Anwendungsfall eine Windenergieanlage, bei welcher die erfindungsgemäße Lösung implementiert ist.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich prinzipiell auf alle rotierenden Maschinen- oder Anlagenteile, die mittels Wälzlagerung an einer ortsfesten Tragstruktur gelagert sind. Als spezielles Einsatzgebiet sei jedoch die Windenergieanlagentechnik hervorgehoben, bei welcher insbesondere schädliche Stromdurchgänge durch die Rotorlagerung, welche durch eine statische Aufladung der Rotorblätter entstehen, zu einer Lagerschädigung führen können. Untersuchungen haben ergeben, dass derartige von statischer Aufladung verursachte Stromdurchgänge einen wesentlichen Einflussfaktor für die Entstehung von sogenannten WEC's (White Etching Cracks) bilden. Unter WEC werden gewöhnlich Risse im Mikrogefüge des Lagerstahls verstanden, welches lokale weiß anätzende Bereiche aufweist, die aus feinstem, nanokristallinem, carbidfreiem Ferrit oder Ferrit mit einer sehr feinen Verteilung von Carbiden bestehen. Die weiß anätzenden Bereiche um die Risse herum sind dabei härter als das diese umgebende, nicht betroffene Mikrogefüge des Lagerstahls und führen im Laufe der Zeit zur Lagerschädigung. Daher ist eine zuverlässige Detektion von infolge statischer Aufladung in der Lagerung auftretenden elektrischen Stromflüssen eine Voraussetzung dafür, den Lagerzustand zu überwachen und gegebenenfalls rechtzeitig Wartungsmaßnahmen einzuleiten.
Die EP 2 539 680 B1 offenbart eine technische Lösung zur Detektion einer Schädigung von Wälzlagern, allerdings im nicht gattungsgemäßen Kontext von umrichtergespeisten elektrischen Maschinen. Hierzu ist eine elektrische Maschine an einem Umrichter angeschlossen. Zur Erfassung eines das Wälzlager passierenden Entladungsereignisses erfolgt eine Messung in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern, wobei im ein- bis mehrstelligen Megaherzbereich eines Frequenzbandes die Energie des Entladungsereignisses bestimmt wird und in einem anderen Frequenzband oberhalb einem Gigaherz nach einem Koinzidentenereignis gesucht wird, wobei das Koinzidentenereignis zeigt, dass von einem schädlichen Lagerstromereignis ausgegangen werden muss. Diese technische Lösung zur Detektion von Lagerströmen erweist sich daher als recht anwendungsspezifisch und ist insoweit schwer auf andere Anwendungsgebiete übertragbar.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Detektion von speziell infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen- oder Anlagenteilen durch ein Wälz- oder Gleitlager fließende Stromimpulse zu schaffen, welche mit einfachen technischen Mitteln zuverlässig erfasst und bewertet werden können.
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer hiermit korrespondierenden Einrichtung wird auf Anspruch 6 verwiesen. Den speziellen Anwendungsfall im Rahmen einer Windenergieanlage gibt Anspruch 9 an und der Anspruch 10 widmet sich einem das Verfahren verkörpernden Computerprogrammprodukt. Rückbezogene abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur Detektion der charakteristischen elektrischen Stromimpulse die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Empfangen von elektromagnetischen Funkwellen, die infolge der charakteristischen elektrischen Stromimpulse im Frequenzbereich oberhalb 50 MHz emittiert werden;
- Aufbereitung des empfangenen Signals durch eine Signalverarbeitung zur Extraktion der hierin enthaltenen Stromimpulsereignisse, umfassend Filterung;
- Analyse des zeitlichen Verlaufs der Stromimpulsereignisse zur Zustandsüberwachung des Wälzlagers oder Gleitlagers.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass die speziell infolge von statischer Aufladung rotierender Maschinen- oder Anlagenteile erzeugten charakteristischen elektrischen Stromimpulse Funkwellen in einem hierfür typischen Frequenzbereich erzeugen, welche im Signalverlauf als Impuls mit recht schneller Abklingphase sichtbar werden. Durch diese Stromimpulsereignisse lassen sich die interessierenden Stromimpulsereignisse im Frequenzspektrum identifizieren.
Vorzugsweise wird zur Extraktion der Stromimpulsereignisse, also der Aufbereitung des empfangenen Signals, eine Hüllkurvenbildung verwendet, welche nach einer bevorzugten Ausführungsform eine Hochpassfilterung des empfangenen Signals mit anschließender Gleichrichtung und nachfolgender Tiefpassfilterung umfasst. Dies bildet die Voraussetzung dafür, das aufbereitete Signal durch einfache Integration, aus einer Ermittlung der Fläche pro Sekunde als Messgröße, zu analysieren, um die auftretenden Stromimpulsereignisse zu quantifizieren, also einer Bewertung zugänglich zu machen.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Analyse durch eine Zählung der Anzahl der Stromimpulsereignisse des aufbereiteten Signals pro Zeiteinheit durchgeführt wird, um die auftretenden Stromimpulsereignisse zu quantifizieren. Hierbei wird also die Anzahl pro Sekunde als Messgröße für die anschließende Bewertung herangezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, welches insbesondere eine spezielle Signalverarbeitung umfasst, lässt sich in eine elektronische Einrichtung implementieren, welche vorzugsweise aus einer Empfangseinheit, einer Signalaufbereitungseinheit und einer Analyseeinheit besteht. Diese Komponenten lassen sich beispielsweise in einer Detektionseinrichtung unterbringen, die eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Anlagen-Zustandsüberwachungssystem oder einer Anlagensteuerung aufweist. So können die gewonnenen Messgrößen beispielsweise in Form eines analogen Signals zur Weiterverarbeitung und Auswertung an ein Zustandsüberwachungssystem (Condition Monitoring System) übergeben werden. Alternativ oder ergänzend hierzu ist es auch denkbar, eine eigene Detektionseinrichtung als separates Gerät mit vorzugsweise integrierter Alarmierungseinheit zu schaffen. Die Alarmierungseinheit könnte dabei beispielsweise optische oder akustische Signale aussenden, um das Erreichen eines kritischen Zustands für die Lagerung zu signalisieren. Natürlich lässt sich eine Messgrößenweitergabe an eine übergeordnete Instanz auch in ein solches lokales Gerät integrieren. Das lokale Gerät kann beispielsweise auch im Bereich innerhalb des Lagergehäuses oder in einem Getriebe verbaut werden und ist hierdurch gegen äußere elektromagnetische Fremdeinstrahlung störgesichert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel lässt sich die erfindungsgegenständliche Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung in einer Lagerung auftretenden charakteristischen Stromflüssen in einer Windenergieanlage integrieren. Denn die Rotorblätter einer Windenergieanlage sind insbesondere durch Wettereinflüsse einer erheblichen statischen Aufladung ausgesetzt, welche über die Drehlagerung abgeleitet wird. Die hierbei auftretenden charakteristischen Stromflüsse können zu Stromdurchschlägen und Blitzentladungen im Lagerbereich führen.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass sich die erfindungsgemäße Lösung auch durch ein Computerprogrammprodukt verwirklichen lässt, das Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens auf einer kombinierten mikroprozessorgesteuerten Signalaufbereitungseinheit mit Analyseeinheit abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger speicherbar ist.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer in einer Windenergieanlage implementierten Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung des Rotors durch ein Wälzlager fließende elektrische Stromimpulse, und
2 eine schematische Darstellung einer Hüllkurvenbildung zur Aufbereitung des empfangenen Signals als Voraussetzung für die Signalanalyse.

Gemäß 1 weist eine hier nur schematisch dargestellte Windenergieanlage einen Rotor 1 auf, der über ein als Rotorwellenlager ausgebildetes Wälzlager 2 drehbar an einer Tragstruktur 3 einer - nicht weiter im Detail dargestellten - Kabine auf einem Turm der Windenergieanlage gelagert ist.
Die Rotorblätter des Rotors 1 erfahren während des Betriebes eine statische Aufladung, welche durch das Wälzlager 2, hier vom Lagerinnenring 4 über die Wälzkörper 5 hinweg zum Lageraußenring 6 in die geerdete Tragstruktur 3 abfließt. Hierdurch werden Entladungen im Wälzlager 2 als elektromagnetische Funkwellen emittiert, welche in einem typischen Frequenzbereich oberhalb 50 MHz liegen.
Eine im Empfangsbereich, also ortsnah zum Wälzlager 2, installierte Empfangseinheit 10 dient dem Empfangen 100 der elektromagnetischen Funkwellen per hieran angebrachter Antenne 11. Eine nachgeschaltete Signalaufbereitungseinheit 20 dient der Aufbereitung 200 des empfangenen Signals durch eine Signalverarbeitung zur Extraktion der hierin enthaltenen Stromimpulsereignisse, welche bei diesem Ausführungsbeispiel insbesondere eine Hüllkurvenbildung umfasst. Eine nachfolgende Analyseeinheit 30 dient einer Analyse 300 des zeitlichen Verlaufs der Stromimpulsereignisse zur Zustandsüberwachung des Wälzlagers 2.
Die Empfangseinheit 10 ist mit der Signalaufbereitungseinheit 20 und der Analyseeinheit 30 in einer gemeinsamen Detektionseinrichtung 40 untergebracht, welche über eine Datenübertragungs-Schnittstelle 50 an ein - nicht weiter dargestellten - Anlagen-Zustandsüberwachungssystem angeschlossen ist. Ferner ist in die Detektionseinrichtung 50 auch eine Alarmierungseinheit 60 mit integriert, welche als lokale optische Anzeige eines kritischen Zustands dient.
Die 2 illustriert die im Zuge der Signal-Aufbereitung der empfangenen elektromagnetischen Funkwellen vorzugsweise durchgeführte Hüllkurvenbildung. Demnach erfolgt ausgehend vom empfangenen Signal zunächst eine Hochpassfilterung 400, um irrelevante Signalanteile zu eliminieren. Durch eine anschließende Gleichrichtung 500 werden die Unterwellen des Signals weggeschnitten. Schließlich sorgt eine Tiefpassfilterung 600 für eine Formung von Flächeninhalten zwischen dem Kurvenverlauf und der Abszissenachse. Dies bildet die Voraussetzung für eine vorzugsweise spätere Integration, um die Fläche pro Zeiteinheit als Messgröße für die aufgetretenen Stromimpulsereignisse heranzuziehen.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Lösung nicht allein auf Windenergieanlagen anwendbar, sondern allgemein auf nicht leitungsgebundene Stromentladungs-Szenarien. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Signalaufbereitung zur Messgrößengewinnung nicht allein auf eine Hüllkurvenbildung des empfangenen Funksignals festgelegt ist. Es können zu diesem Zweck alternativ auch Samplingverfahren oder andere geeignete Analysen genutzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Wälzlager
3: Tragstruktur
4: Lagerinnenring
5: Wälzkörper
6: Lageraußenring
10: Empfangseinheit
11: Antenne
20: Signalaufbereitungseinheit
30: Analyseeinheit
40: Detektionseinrichtung
50: Datenübertragungs-Schnittstelle
60: Alarmierungseinheit
100: Empfangen elektromagnetischer Funkwellen
200: Aufbereitung des empfangenen Signals
300: Analyse hinsichtlich Stromimpulsereignissen
400: Hochpassfilterung
500: Gleichrichtung
600: Tiefpassfilterung
I: Stromfluss
A: Amplitude
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2539680 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Detektion von infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen- oder Anlagenteilen durch ein Wälzlager (2) oder Gleitlager fließende charakteristische elektrische Stromimpulse, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Empfangen (100) von elektromagnetischen Funkwellen, die infolge der charakteristischen elektrischen Stromimpulse im Frequenzbereich oberhalb 50 MHz emittiert werden; - Aufbereitung (200) des empfangenden Signals durch eine Signalverarbeitung zur Extraktion der hierin enthaltenen Stromimpulsereignisse, umfassend Filterung; - Analyse (300) des zeitlichen Verlaufs der Stromimpulsereignisse zur Zustandsüberwachung des Wälzlagers (2) oder Gleitlagers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung (200) des empfangenden Signals durch eine Hüllkurvenbildung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurvenbildung eine Hochpassfilterung (400) des empfangenden Signals mit anschließender Gleichrichtung (500) und nachfolgender Tiefpassfilterung (600) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse (300) eine Integration des durch die Tiefpassfilterung gewonnenen aufbereiteten Signals umfasst, um die aufgetretenen Stromimpulsereignisse zu quantifizieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse (300) eine Zählung der Anzahl der Stromimpulsereignisse des aufbereiteten Signals pro Zeiteinheit umfasst, um die aufgetretenen Stromimpulsereignisse zu quantifizieren.
Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung von rotierenden Maschinen- oder Anlagenteilen durch ein Wälzlager (2) oder Gleitlager fließende charakteristische elektrische Stromimpulse, gekennzeichnet durch: - eine Empfangseinheit (10) zum Empfangen von elektromagnetischen Funkwellen, die infolge der charakteristischen elektrischen Stromimpulse im Frequenzbereich oberhalb 50 MHz emittiert werden; - eine Signalaufbereitungseinheit (20) zur Aufbereitung des empfangenden Signals durch eine Signalverarbeitung zur Extraktion der hierin enthaltenen Stromimpulsereignisse, umfassend Filterung; - eine Analyseeinheit (30) zur Analyse des zeitlichen Verlaufs der Stromimpulsereignisse zur Zustandsüberwachung des Wälzlagers (2) oder Gleitlagers.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (10), die Signalaufbereitungseinheit (20) und die Analyseeinheit (30) in einer Detektionseinrichtung (40) untergebracht sind, die eine Datenübertragungs-Schnittstelle (50) zur Verbindung mit einem Anlagen-Zustandsüberwachungssystem oder einer Anlagensteuerung aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (50) als ein separates Gerät mit integrierter lokaler Alarmierungseinheit (60) ausgebildet ist.
Windenergieanlage mit einem Rotor (1) als rotierendes Maschinen- oder Anlagenteil, das über mindestens ein als Rotorlager ausgebildetes Wälzlager (2) oder Gleitlager drehbar an einer Tragstruktur (3) gelagert ist, wobei ortsnah zum Wälzlager (2) oder Gleitlager eine Einrichtung zur Detektion von infolge statischer Aufladung des Rotors (1) in dem mindestens einen Wälzlager (2) oder Gleitlager zwischen Lagerau-ßenring (6) und Lagerinnenring (4) auftretenden charakteristischen Stromflüssen nach einem der Ansprüche 6 bis 8 angeordnet ist.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer kombinierten Signalaufbereitungseinheit (200) mit Analyseeinheit (300) einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.