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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Überwachung eines Gleitlagers mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, die relativ zueinander bewegbar sind.
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Durch die Druckschrift
DE 203 13 645 U1 ist eine Einrichtung zur Verschleißüberwachung an Lagerbereichen sowie eine Maschine beinhaltend derartige Lagerbereiche bekannt. Dazu sind im Bereich der jeweiligen Lagerstelle mehrere stoffliche Einschlüsse eingebracht, deren Vorhandensein im Schmiermittelkreislauf der Maschine erkennbar ist. Stoffliche Einschlüsse können homogene Flüssigkeiten oder Pulver sein, die nach einem bestimmten Verschleiß in das Schmiermittel gelangen und so detektiert werden können. Weiterhin können auch feste Stoffe in Form von Einschlüssen eingebracht sein, wobei das Ausmaß des Vorhandenseins dieser stofflichen Einschlüsse im Schmiermittel ein Maß des Verschleißzustands ist. Im jeden Fall muss zur Verschleißüberwachung ein zu analysierendes Schmiermittel im Lagerbereich vorhanden sein.
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Die Druckschrift
DE 30 37 633 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Verschleißüberwachung eines Lagers mit einem Stab in einer Nut, dessen eines Ende in die Nut eintaucht und dessen anderes Ende als Signalgeber ausgebildet ist. Der Stab ist elastisch aus einer Ruhelage heraus bewegbar. Weiterhin repräsentieren die Abstände des Stabes zu den Seitenflächen der Nut die axiale Lagertoleranz und der zu der Grundfläche der Nut die radiale Lagertoleranz. Berührt der Stab durch Verschleiß die Nut, wird der Stab in Schwingungen versetzt, die induktiv messbar oder akustisch wahrnehmbar sind. Der Stab muss dazu elastische gehalten sein.
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Die Druckschrift
JP S 56 18 119 A beinhaltet eine Einrichtung zur Erfassung eines Abriebzustands eines Festschmierstoffs, in dem Metalldrähte oder Metallteile in Form eines Netzes eingebettet sind. Bei Kontakt wenigstens eines Teils des Netzes mit einem metallischen Lagerteil ist der elektrische Widerstand Null. Dabei ist nur der direkte Kontakt detektierbar. Weiterhin gleitet der Metalldraht auf dem Lagerteil und kann dieses durch Oberflächenabrieb schädigen.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager mit Sensorelementen so auszubilden, dass der Verschleiß und/oder die Temperatur in Echtzeit überwachbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur Überwachung eines Gleitlagers mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, die relativ zueinander bewegbar sind, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der Verschleiß und/oder die Temperatur des Verschleißteils des Gleitlagers in Echtzeit überwachbar sind.
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Dazu besteht das erste Teil des Gleitlagers aus einem elektrisch leitfähigen Material oder besitzt eine elektrisch leitfähige Schicht. Das zweite Teil des Gleitlagers besteht als Verschleißteil aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff. Im zweiten Teil sind beabstandet zu dessen Gleitfläche und beabstandet zueinander Sensorelemente angeordnet, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Die Sensorelemente sind weiterhin zur Temperaturmessung und/oder zur Verschleißmessung mit einer Steuereinrichtung verbunden.
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Ein verschleißbedingter Materialverlust und/oder temperaturbedingt bleibende Verformungen bewirken Änderungen der Abstände und Positionen der Teile der Gleitlager, die vorteilhafterweise mittels der im Verschleißteil angeordneten Sensorelemente erfassbar sind.
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Das zweite Teil des Gleitlagers als Verschleißteil mit den Sensorelementen ist elektrisch nichtleitend ausgeführt. Ist dieses Teil soweit verschlissen, dass über das erste Teil eine elektrische Verbindung zwischen Sensorelementen besteht, hat das Lager seine Verschleißgrenze erreicht und muss zeitnah ausgetauscht werden. Dazu kann das erste Teil beispielsweise aus einem Metall, einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff mit einer elektrisch leitfähigen Schicht oder einer Keramik mit einer elektrisch leitfähigen Schicht bestehen. Bei ähnlichen Materialien des zweiten Teils und der Sensorelemente, kann das Gleitlager und damit die das Gleitlager aufweisende Maschine eine gewisse Zeit ohne Probleme weiter in Betrieb bleiben. Die Wartung kann so zu einem günstigen Zeitpunkt durchgeführt werden. Ist das Verschleißteil in Takt, kann durch Widerstandsmessung der Sensorelemente die Temperatur mithilfe des temperaturabhängigen spezifischen Widerstands des elektrisch leitfähigen Materials der Sensorelemente ermittelt werden. Das kann vorteilhafterweise für alle Sensorelemente erfolgen, so dass über das Ermitteln des Maximums eine sichere Aussage getroffen werden kann. Damit kann einer Überhitzung wenigstens eines der Teile des Gleitlagers vorgebeugt werden, denn die häufigsten unvorhersehbaren Ausfälle insbesondere von Kunststoffgleitlagern resultieren aus einer Überhitzung des Materials. Eine zu starke Erwärmung des Reibkontaktes gepaart mit der Überschreitung einer bestimmten temperaturabhängigen Belastungsgrenze führt zu bleibenden Verformungen bis hin zur Zerstörung des Gleitlagers. Die temperaturabhängigen Belastungsgrenzen sind materialabhängig und können so ermittelt werden. Wird ein Kunststoffgleitlager unterhalb dieser Grenze betrieben, ist es zuverlässig über längere Zeiten einsetzbar. Wird die Temperaturgrenze überschritten, fällt es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit abhängig von der Last und Dauer der Überschreitung zeitnah aus. Das zweite Teil kann so insbesondere auch eine Gleitlagerbuchse sein.
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Leitfähige Kunststoffe verändern unter Temperatureinwirkung ihren elektrischen Widerstand. Durch die Messung des elektrischen Widerstands ist die Temperatur des Gleitlagers überwachbar. Steigt die Temperatur über einen bestimmten Wert, kann eine Alarmmeldung erfolgen. Die Grenztemperatur und die dazugehörige Belastungsdauer sind materialabhängig und müssen in der Steuereinrichtung hinterlegt sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Die Sensorelemente können optional stabförmig, u-förmig oder mäanderförmig ausgebildet. Bei einer u-förmigen oder mäanderförmigen Ausbildung können so vorteilhafterweise die Enden der Sensorelemente Bestandteile einer Stirnfläche sein oder diese überragen, so dass diese elektrisch leitend kontaktierbar sind.
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Die Dicke der Verschleißschicht ist durch den Abstand zwischen der Gleitfläche und den Sensorelementen bestimmt.
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Die Steuereinrichtung kann vorteilhafterweise ein Datenverarbeitungssystem sein.
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Die Sensorelemente und das Datenverarbeitungssystem sind in einer Ausführungsform zur Temperaturmessung so miteinander verbunden, dass nacheinander der elektrische Widerstand der Sensorelemente gemessen und daraus die Temperatur in Bezug zu einer Normaltemperatur ermittelt wird.
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Die Sensorelemente und das Datenverarbeitungssystem sind in einer weiteren Ausführungsform zur Verschleißmessung so miteinander verbunden, dass der elektrische Widerstand zwischen mindestens einem Sensorelement und dem ersten Teil gemessen wird.
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Die Sensorelemente sind optional im Querschnitt senkrecht zur Gleitfläche des zweiten Teils keilförmig ausgebildet und mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, wobei die elektrische Widerstände der Sensorelemente gemessen werden und die Abnahme des elektrischen Widerstands wenigstens einer der Sensorelemente ein Maß des Verschleißes des zweiten Teils ist.
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Die Sensorelemente und das Datenverarbeitungssystem sind in einer weiteren Ausführungsform so miteinander verbunden, dass das Datenverarbeitungssystem periodisch ein Datenverarbeitungssystem zur Temperaturmessung und zur Verschleißmessung ist.
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Das Datenverarbeitungssystem ist optional mit wenigstens einer Signaleinrichtung und/oder Ausgabeeinheit verbunden. Weiterhin ist das Datenverarbeitungssystem ein die Messwerte der Temperaturmessung und der Verschleißmessung jeweils mit einem Grenzwert so vergleichendes Datenverarbeitungssystem, dass eine Grenzwertüberschreitung der Temperaturmessung und eine Grenzwertunterschreitung der Verschleißmessung signalisiert und/oder ausgegeben werden.
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Die kontaktierten Sensorelemente sind günstigerweise während der Herstellung des zweiten Teils des Gleitlagers als Verschleißteil eingebettete Sensorelemente.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Einrichtung zur Überwachung eines Gleitlagers mit zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen,
- 2 eine Anordnung von Sensorlementen im Verschleißteil,
- 3 ein Gleitlager,
- 4 ein zweites Teil des Gleitlagers als Verschleißteil in einer Draufsicht,
- 5 das zweite Teil in einer Schnittdarstellung,
- 6 Sensorelemente zur Temperaturmessung,
- 7 Sensorelemente zur Verschleißmessung,
- 8 ein zweites Teil mit Sensorelementen in einer U-Form und
- 9 ein zweites Teil mit keilförmig ausgebildeten Sensorelemente in einer Schnittdarstellung.
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Eine Einrichtung zur Überwachung eines Gleitlagers 1 mit zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen 2, 3 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Teil 2 des Gleitlagers 1, aus einem zweiten Teil 3 des Gleitlagers 1 und einer Steuereinrichtung 5.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Überwachung eines Gleitlagers 1 mit zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen 2, 3 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das erste Teil 2 des Gleitlagers 1 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material oder besitzt eine elektrisch leitfähige Schicht, auf der sich das zweite Teil 3 des Gleitlagers 1 befindet. Dazu kann das erste Teil 2 aus einem Metall, einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff mit einer elektrisch leitfähigen Schicht oder einer elektrisch nicht leitfähigen Keramik mit einer elektrisch leitfähigen Schicht bestehen. Das zweite Teil 3 besteht als Verschleißteil aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff.
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Die 2 zeigt eine Anordnung von Sensorlementen 4 im Verschleißteil in einer prinzipiellen Darstellung.
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Im Verschleißteil 3 sind die Sensorelemente 4 angeordnet, die stabförmig ausgebildet sein können.
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Die 3 zeigt ein Gleitlager 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das zweite Teil 3 kann ein Bestandteil eines weiteren Teils 6 des Gleitlagers 1 sein, so dass bei Verschleiß nur das zweite Teil 3 als Verschleißteil 3 in Form einer Gleitlagerbuchse 3 gewechselt werden muss. Im zweiten Teil 3 sind beabstandet zu dessen Gleitfläche und beabstandet zueinander die Sensorelemente 4 angeordnet, die aus einem elektrisch leitenden Kunststoff bestehen. Zur Temperaturmessung und/oder zur Verschleißmessung sind die Sensorelemente 4 mit der Steuereinrichtung 5 verbunden, die insbesondere ein Datenverarbeitungssystem 5 in Form eines Mikrocontrollers 5 sein kann.
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Es zeigen
die 4 ein zweites Teil 3 des Gleitlagers 1 als Verschleißteil 3 in einer prinzipiellen Draufsicht und
die 5 das zweite Teil 3 in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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Das zweite Teil 3 beispielsweise als Rohrstück beinhaltet radial angeordnete Sensorelemente 4, die an keiner radialen Fläche Kontakt zur Lageroberfläche aufweisen. Die innere Lagerfläche steht im direkten Kontakt zur Welle 2 als ersten Teil 2. Die Sensorelemente 4 bestehen aus stabförmigen elektrischen Leitern, deren Kontakt zur Welle 2 durch das Gleitlagermaterial getrennt ist. Die Sensorelemente 4 bestehen aus elektrisch leitfähigem Kunststoff und werden mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. Sobald die innere Gleitlagerschicht verschlissen ist, schließen die Sensorelemente 4 über die Welle 2 aus beispielsweise Stahl den Stromkreis mit der Steuereinrichtung 5, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Die Sensorelemente 4 können mit einem Einleger aus leitfähigem Kunststoff oder Metall realisiert werden oder direkt im Spritzgießverfahren gefertigt werden. Die Enden der Sensorelemente 4 können Bestandteile der Stirnfläche sein oder diese überragen, so dass diese elektrisch leitend kontaktierbar sind.
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Die 6 zeigt Sensorelemente 4 zur Temperaturmessung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Überwachung mit den Sensorelementen 4 basiert darauf, dass leitfähige Kunststoffe unter Temperatureinwirkung ihren elektrischen Widerstand ändern. Durch die Messung des elektrischen Widerstandes kann so die Temperatur des Gleitlagers 1 überwacht werden. Grundlage dazu ist der Einfluss der Temperatur auf den Widerstand durch den Temperaturkoeffizient des Materials und dem Temperaturunterschied, wobei letztere die Raumtemperatur und die über den Widerstand ermittelte Temperatur ist. Steigt die Temperatur über einen bestimmten Wert, wird das geeignet signalisiert. Das kann akustisch und/oder optisch und/oder mechanisch erfolgen. Die Grenztemperatur und die dazugehörige Belastungsdauer sind materialabhängig und müssen in der Steuereinrichtung 5 hinterlegt sein.
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Die 7 zeigt Sensorelemente 4 zur Verschleißmessung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Für die Messung der Temperatur und des Verschleißes ist eine sequentielle Schaltung notwendig. Dabei werden in einem bestimmten Intervall jeweils die Temperatur und der Verschleiß abwechselnd gemessen. Dieses Intervall kann relativ groß gewählt werden, da sowohl die Temperatur als auch der Verschleiß relativ träge Größen sind. Bei der Temperaturmessung wird der elektrische Widerstand jedes Sensorelements 4 gemessen und so über das Datenverarbeitungssystem 5 die Temperatur abgeleitet. Bei der Verschleißmessung werden mittels dem Datenverarbeitungssystem 5 jeweils abwechselnd Sensorelemente 4 zusammengeschalten und der Widerstand ermittelt. Fällt der Widerstandswert unter einen Grenzwert, ist die Verschleißschicht abgenutzt. Die 4 und 5 zeigen prinzipiell und beispielsweise ein Schemata der Schaltung der Sensorelemente 4. In den ersten sechs Schritten werden nacheinander die Sensorelemente 4 so verschalten, das eine Temperaturmessung derer möglich ist (Darstellung der 4). Im siebten Schritt werden die Sensorelemente 4 so verschaltet, dass die Verschleißmessung durchführbar ist (Darstellung der 5 beispielhaft). Natürlich können in Ausführungsformen nur die Temperatur oder nur der Verschleiß eines Gleitlagers 1 entsprechend ermittelt werden.
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Die 8 zeigt ein zweites Teil 3 mit Sensorelementen 4 in einer U-Form in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Sensorelemente 4 können in einer Ausführungsform eine U-Form aufweisen, wodurch eine elektrische Kontaktierung nur an einer Stirnfläche des zweiten Teils 3 erforderlich ist.
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Die 9 zeigt ein zweites Teil 3 mit keilförmig ausgebildeten Sensorelementen 4 in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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In einer weiteren Ausführungsform können die Sensorelemente 4 im Querschnitt senkrecht zur Gleitfläche des zweiten Teils 3 keilförmig ausgebildet und mit dem Datenverarbeitungssystem 5 verbunden sein, wobei die elektrische Widerstände der Sensorelemente 4 gemessen werden und die Abnahme des elektrischen Widerstands wenigstens einer der Sensorelemente 4 ein Maß des Verschleißes des zweiten Teils 3 ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20313645 U1 [0002]
- DE 3037633 A1 [0003]
- JP 5618119 A [0004]
