DE102018220111A1

DE102018220111A1 - Selbstheilendes Gleitlager

Info

Publication number: DE102018220111A1
Application number: DE102018220111.0A
Authority: DE
Inventors: Ümit Kutluay
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleitlagers; wobei eine oder mehrere auf das Gleitlager einwirkende physikalische Größen gemessen werden. Anhand der gemessenen Größen wird ermittelt, ob es zu einer Aufrauhung mindestens einer Gleitfläche des Gleitlagers gekommen ist; wobei das Gleitlager, wenn es zu einer Aufrauhung der Gleitflächen gekommen ist, derart betrieben wird, das eine Glättung der Gleitflächen stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Hydrodynamische Gleitlager werden primär in schnelllaufenden, statischen Anwendungen verwendet. Begünstigt durch die hohen Drehzahlen und damit einhergehenden hohen Gleitgeschwindigtkeiten baut sich ein hydrodynamsicher Schmierfilm auf, was zu einem „Aufschwimmen“ des Gleitlagers führt. Dies ist ein hydrodynamischer Zustand, bei dem die Gleitflächen durch den Schmierfilm vollständig getrennt sind und das Lager praktisch verschleißfrei betrieben werden kann.
Auch bei langsamer laufenden und dynamisch belasteten Industriegetrieben, wie z.B. in Windkraftgetrieben, werden heute verstärkt Gleitlager eingesetzt. Problematisch ist hier, dass der hydrodynamische Schmierfilm aufgrund der geringeren Gleitgeschwindigkeiten nicht so dick ist, wie bei schnelllaufenden Gleitlagern. Je dicker der Schmierfilm, desto mehr Sicherheitsreserven hat aber das tribologische System. Die Dicke des Schmierfilms legt fest, wie „tief“ das Lager im Bereich der Hydrodynamik betrieben wird bzw. wie viel „Abstand“ zum Bereich der Mischreibung vorhanden ist. Der Bereich der Mischreibung wird als ein kritischer Bereich in Hinblick auf die Lagerlebensdauer betrachtet. Mischreibung kann je nach Intensität einen Spontanausfall der Lagerstelle hervorrufen oder zu Langzeitschäden führen.
Ab einer bestimmten Drehzahl kommt die Lagerstelle von der Mischreibung in den Bereich der Hydrodynamik. Diese Drehzahl wird Übergangsdrehzahl (Transition Speed) bezeichnet. Vorteilhaft sind kleine Übergangsdrehzahlen, sodass das Gleitlager nach einem Maschinenanlauf aus dem Stillstand bei steigender Drehzahl sehr schnell in den Bereich der Hydrodynamik und damit in einen sicheren Betriebsbereich gelangt.
Ein Haupteinflussfaktor für die Übergangsdrehzahl ist die Rauheit der Gleitflächen. Die Rauheit ändert sich durch die im Betrieb auftretenden Belastungen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen nimmt die Rauheit sogar ab, d.h. die Gleitflächen werden geglättet. Dies lässt sich dadurch erklären, dass in belasteten Bereichen der Gleitflächen Rauheitsspitzen abgetragen werden. Die Folge ist, dass sich die Übergangsdrehzahl zu kleineren Drehzahlen hin verschiebt, und das Lager einen größeren „sicheren“ Betriebsbereich“ erlangt. Derartige Phänomene sind seit langem bekannt und werden zum Einlaufen von Gleitlagern gezielt angewendet.
Bei Windturbinen kann nicht ausgeschlossen werden, dass einzelne Betriebspunkte des Lastkollektivs zu Mischreibung führen. Die Gleitflächen eines Lagers kommen dabei in Kontakt und werden aufgeraut. Dadurch verschiebt sich die Übergangsdrehzahl in Richtung höherer Drehzahlen. Der Mischreibungsbereich wird größer, und der sichere hydrodynamische Betriebsbereich wird kleiner. Die Folge ist eine erhöhte Anfälligkeit für weitere Beschädigungen durch Mischreibung. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen verstärkt sich die Aufrauhung der Gleitflächen immer mehr.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager verfügbar zu machen, das die den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll das Gleitlager robuster gegenüber Beschädigungen sein und eine erhöhte Lebensdauer aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung nach Anspruch 5. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Gleitlagers sieht vor, eine oder mehrere direkt oder indirekt auf das Gleitlager einwirkende physikalische Größen zu messen. Bei den Größen kann es sich etwa um eine Drehzahl, eine Temperatur und/oder eine mechanische Belastung des Gleitlagers handeln. Die mechanische Belastung des Gleitlagers manifestiert sich in Kräften, die auf das Gleitlager einwirken.
In Abhängigkeit der gemessenen physikalischen Größen lässt sich fortdauernd der jeweils vorliegende Betriebszustand des Gleitlagers ermitteln. Erfindungsgemäß wird anhand der gemessenen Größen ermittelt, ob es zu einer Aufrauhung mindestens einer Gleitfläche des Gleitlagers gekommen ist, d.h. ob sich die Rauheit der mindestens einen Gleitfläche um einen bestimmten Wert, einen Mindestwert, erhöht hat. Eine derartige Ermittlung kann modellbasiert bzw. mittels Simulation erfolgen.
Wurde festgestellt, dass es zu einer Aufrauhung der Gleitflächen gekommen ist, wird das Gleitlager derart betrieben, dass eine Glättung der Gleitflächen stattfindet. Ein solcher Betrieb des Gleitlagers entspricht einem aus dem Stand der Technik bekannten Einlaufzyklus.
Ein Einlaufzyklus zeichnet sich dadurch aus, dass er nicht nur nicht zu einer weiteren Aufrauhung führt, sondern Betriebszustände enthält, die eine Glättung der Gleitflächen bewirken. Dadurch kommt es zu einer „Selbstheilung“ des Gleitlagers. Der Einlaufzyklus wird temporär durchlaufen. Wenn also die Aufrauhung der Gleitflächen erfindungsgemäß vermindert oder rückgängig gemacht wurde, erfolgt eine Rückkehr zum regulären Betrieb.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird der reguläre Einlaufzyklus des Gleitlagers, d.h. der Einlaufzyklus, den das Gleitlager vor Inbetriebnahme durchläuft, auch zur „Selbstheilung“ verwendet. Wenn also eine Aufrauung der Gleitflächen ermittelt wurde, wird das Gleitlager derart betrieben, dass es den Einlaufzyklus erneut durchläuft.
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei einer der gemessenen Größen um eine Mindestdicke eines Lagerspalts des Gleitlagers. Der Lagerspalt ist ein Spalt, der zwischen den Gleitflächen verläuft. Die Mindestdicke bezeichnet einen minimalen Abstand der Gleitflächen, d.h. einen Abstand der Gleitflächen an der Stelle, an der sich die Gleitflächen am nächsten kommen.
Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst das oben genannte Gleitlager, ein Steuergerät und mindestens einen Sensor. Der mindestens eine Sensor ist ausgebildet, die oben genannten physikalischen Größen zu messen.
Das Steuergerät führt das erfindungsgemäße Verfahren aus. Es ist also ausgebildet, anhand der gemessenen Größen zu ermitteln, ob es zu einer Aufrauhung mindestens einer Gleitfläche des Gleitlagers gekommen ist, und die Anordnung derart zu steuern oder regeln, dass der oben beschriebene Einlaufzyklus durchlaufen wird, wenn es zu einer Aufrauhung der Gleitflächen gekommen ist.
Die Anordnung ist bevorzugt derart weitergebildet, dass sie einen Antrieb, ein zwischengeschaltetes Getriebe und einen Abtrieb aufweist. Bei dem Antrieb kann es sich etwa um einen Rotor einer Windkraftanlage handeln. Entsprechend handelt es sich bei dem Abtrieb bevorzugt um einen Generator der Windkraftanlage. Unter einem zwischengeschalteten Getriebe ist ein Getriebe zu verstehen, das einen von dem Antrieb zu dem Abtrieb verlaufenden Drehmomentfluss leitet. Der Antrieb ist also ausgebildet, eine Eingangswelle des Getriebes mit einem Antriebsdrehmoment zu beaufschlagen. An einer Ausgangswelle des Getriebes liegt infolgedessen ein Abtriebsdrehmoment an, das in den Abtrieb eingeleitet wird.
Das Getriebe weist das oben genannte Gleitlager auf. Das Steuergerät ist ausgebildet, den Antrieb und/oder den Abtrieb erfindungsgemäß zu steuern oder regeln. Bei einer Windkraftanlage steuert oder regelt das Steuergerät bevorzugt einen Pitchwinkel der Rotorblätter und/oder eine Leistungsaufnahme des Generators.
In einer bevorzugten Weiterbildung zählen eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment des Getriebes zu den gemessenen Größen. Es handelt sich bevorzugt um eine Drehzahl einer Welle des Getriebes und/oder ein Drehmoment, mit dem die Welle beaufschlagt wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleich Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1 einen Antriebsstrang einer Windkraftanlage.

Der in 1 dargestellte Antriebsstrang 101 umfasst einen Rotor 103 mit Rotorblättern 105, ein Getriebe 107, einen Generator 109, ein Steuergerät 111 und einen Sensor 113. Das Getriebe 107 weist mindestens ein Gleitlager auf. Der Sensor 113 misst eine physikalische Größe, die Rückschlüsse über die Belastung des Gleitlagers erlaubt. Die Messwerte des Sensors werden dem Steuergerät 111 als Eingabe zur Verfügung gestellt.
Anhand der Messwerte ermittelt das Steuergerät 111, ob das Gleitlager kritischen Betriebszuständen ausgesetzt wird, in denen es zu einer Aufrauhung seiner Gleitflächen kommt. In dem Fall initiiert das Steuergerät 111 durch entsprechende Steuerung eines Pitchwinkels der Rotorblätter 105 und der Leistungsaufnahme des Generators 109 einen Einlaufzyklus des Antriebsstrangs 101. Der Einlaufzyklus macht die Aufrauhung der Gleitflächen rückgängig.
Bezugszeichenliste

101: Antriebsstrang
103: Rotor
105: Rotorblatt
107: Getriebe
109: Generator
111: Steuergerät
113: Sensor

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Gleitlagers; wobei eine oder mehrere auf das Gleitlager einwirkende physikalische Größen gemessen werden; dadurch gekennzeichnet, dass anhand der gemessenen Größen ermittelt wird, ob es zu einer Aufrauhung mindestens einer Gleitfläche des Gleitlagers gekommen ist; wobei das Gleitlager, wenn es zu einer Aufrauhung der Gleitflächen gekommen ist, derart betrieben wird, das eine Glättung der Gleitflächen stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager vor Inbetriebnahme einen Einlaufzyklus durchläuft; wobei das Gleitlager, wenn es zu einer Aufrauhung der Gleitflächen gekommen ist, derart betrieben wird, dass es den Einlaufzyklus erneut durchläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindestdicke eines Lagerspalts des Gleitlagers ermittelt oder gemessen wird.
Anordnung mit mindestens einem Gleitlager, einem Steuergerät (111) und mindestens einem Sensor (113); wobei der mindestens eine Sensor (113) ausgebildet ist, eine oder mehrere auf das Gleitlager einwirkende physikalische Größen zu messen; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (111) ausgebildet ist, anhand der gemessenen Größen zu ermitteln, ob es zu einer Aufrauhung mindestens einer Gleitfläche des Gleitlagers gekommen ist, und die Anordnung derart zu steuern oder zu regeln, das eine Glättung der Gleitflächen stattfindet, wenn es zu einer Aufrauhung der Gleitflächen gekommen ist.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch; gekennzeichnet durch einen Antrieb (103), ein zwischengeschaltetes Getriebe (107) und einen Abtrieb (109); wobei das Getriebe (107) das Gleitlager aufweist; wobei das Steuergerät (111) ausgebildet ist, wenn es zu einer Aufrauhung der Gleitflächen gekommen ist; den Antrieb (103) und/oder den Abtrieb (109) derart zu steuern oder regeln, das eine Glättung der Gleitflächen stattfindet.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment des Getriebes (107) gemessen wird.