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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorrolle für ein Rollenlager, zum Beispiel für eine Windturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Überwachung des Zustands eines Wälzlagers, beispielsweise eines Rollenlagers in einer Windturbine, ist wichtig, um eine einwandfreie Funktion des Lagers sicherzustellen und somit Schäden in der Anwendung, in der das Lager eingebaut ist, zu vermeiden. Wenn eine Verschlechterung des Lagerzustands detektiert wird, kann eine Wartung des Lagers, beispielsweise die Erneuerung eines Schmiermittels oder eine Nachschmierung, geplant werden. Dies stellt eine lange Lebensdauer des Lagers sicher.
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Eine besondere Herausforderung ist es, den Zustand innerhalb des Lagers in Echtzeit zu überwachen. Dies ist notwendig, da Wartungsmaßnahmen in der Regel zeitlich geplant werden. Es ist bekannt, ein Schwingungssignal zu verwenden, um eine Änderung des Lagerzustands zu detektieren, aber zum Beispiel bei Windturbinen ist der Schwingungspegel im Lager manchmal zu niedrig, um für diesen Zweck verwendet zu werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorrolle bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Lagerzustand auch bei geringen Schwingungen zuverlässig zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorrolle für ein Rollenlager gemäß Anspruch 1.
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Die Sensorrolle umfasst eine Messeinheit zum Messen von zumindest einer Temperatur, einer Geschwindigkeitsänderung und einer Belastung der Rolle. Dazu kann die Sensorrolle eine Rollenbohrung umfassen, die einen Hohlraum definiert, und die die Messeinheit aufnimmt. Die Messeinheit kann beispielsweise an einer Innenfläche der Rollenbohrung angebracht sein. Die Messeinheit kann beispielsweise einen Temperatursensor und einen Beschleunigungssensor umfassen.
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Die Sensorrolle umfasst weiterhin eine Verarbeitungseinheit zum Erzeugen eines Temperaturprofils, eines Geschwindigkeitsänderungsprofils und eines Belastungsprofils der Rolle. Die gemessenen Signale von der Messeinheit werden drahtlos oder über eine Leitung, die die Messeinheit und die Verarbeitungseinheit verbindet, an die Verarbeitungseinheit übertragen, die die gemessenen Signale verarbeitet. Des Weiteren kann die Verarbeitungseinheit die gemessenen Signale und/oder die Profile zur weiteren Verarbeitung möglicherweise an einen Empfänger außerhalb des Lagers übertragen.
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Das Temperaturprofil, das Belastungsprofil und das Geschwindigkeitsänderungsprofil werden als Informationen bereitgestellt, die für die belastete Zone und das gesamte Rollenlager repräsentativ sind. Diese Profile können dann verwendet werden, um beispielsweise einen Zustand des Lagers, insbesondere einen Schmierzustand, zu bestimmen. Da die Temperatur, die Belastung und die Geschwindigkeitsänderung nicht von der Schwingung des Lagers abhängen, sondern die Schwingung beeinflussen, können diese Signale auch in Anwendungen verwendet werden, die sehr geringe Schwingungen haben, wie es beispielsweise in Windturbinen der Fall ist.
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Bei dem Zustand des Lagers kann es sich insbesondere um einen Schmierzustand handeln. Insbesondere die Überwachung des Schmierzustands eines Lagers ist wichtig, damit das Lager mit höherer Leistungsfähigkeit und längerer Lebensdauer arbeitet. Sowohl eine Überschmierung als auch eine unzureichende Schmierung verringern die Leistungsfähigkeit und erhöhen das Risiko eines früheren Ausfalls des Lagers.
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Wenn sich zum Beispiel der Schmierzustand verschlechtert, kann dies zu oberflächenbedingten Schäden führen, die das Lager verschlechtern. Bevor dies geschieht, nimmt jedoch die Reibung im Wälzkontakt, insbesondere in der belasteten Zone, zu. Die zunehmende Reibung führt zu einem überdurchschnittlichen Temperaturanstieg. Darüber hinaus zeigt die Rolle aufgrund der Reibungsänderung unter einer bestimmten Belastungsbedingung einen anderen Geschwindigkeitsänderungsmodus. Somit stellt die Verwendung der hier beschriebenen Sensorrolle, die aktuelle Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofile mit gespeicherten Referenzprofilen vergleicht, eine einfache Möglichkeit bereit, eine Schmierzustandsänderung des Lagers zu detektieren und zu entscheiden, ob weitere Maßnahmen, beispielsweise eine Nachschmierung, erforderlich sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit des Weiteren dazu ausgelegt, das erzeugte Temperaturprofil, Geschwindigkeitsänderungsprofil und Belastungsprofil mit gespeicherten Referenztemperaturprofilen, Referenzgeschwindigkeitsänderungsprofilen und Referenzbelastungsprofilen zu vergleichen. Bei den gespeicherten Profilen handelt es sich vorzugsweise um Temperatur-, Geschwindigkeitsänderungs- und Belastungsprofile einer Rolle eines unbeschädigten Rollenlagers mit einem gesunden Schmierzustand. Die Verarbeitungseinheit kann dann auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses eine Schmierzustandsänderung detektieren.
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Die gespeicherten Profile enthalten generative Modelle, die die Verteilung von Temperatur, Geschwindigkeitsänderung und Belastung erfassen. Diese Profile werden unter Verwendung von maschinellem Lernen oder statistischen Methoden entwickelt und erfassen die Beziehung zwischen zugrunde liegenden Datenmustern, die einem bestimmten Zustand entsprechen. Genauer gesagt werden die neuen Messwerte, d. h. die erzeugten Temperatur-, Geschwindigkeitsänderungs- und Belastungsprofile, nicht nur mit den ursprünglichen Aufzeichnungen im Speicher verglichen, sondern es wird vielmehr geprüft, ob die neuen Messungen zur Verteilung der ursprünglichen Profile gehören oder ob es sich um eine Anomalie für das gelernte Modell handelt.
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In einem gesunden oder unbeschädigten Lager, das unter anderem einen gesunden Schmierzustand aufweist, haben die Geschwindigkeitsänderungs-, Belastungs- und Temperaturprofile ein typisches Muster und einen typischen Verlauf. Wenn sich der Schmierzustand verschlechtert, kann sich die Reibung im Wälzkontakt ändern, so dass sich in der Folge das Rollengeschwindigkeitsänderungsprofil, das Belastungsprofil und das Temperaturprofil ändern werden. Das Vergleichen der gespeicherten Referenzprofile mit den aktuell erzeugten Profilen erlaubt es somit, eine Schmierzustandsänderung zu detektieren. Eine solche Schmierzustandsänderung kann schlussendlich zu einer Verschlechterung des Lagers führen und sollte daher überwacht werden.
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Anstelle einer absoluten Messung und Entscheidung über den aktuellen Schmierzustand vergleicht die Verarbeitungseinheit die Profile, was zu einer relativen Entscheidung führt, ob sich der Schmierzustand des Lagers geändert hat oder nicht. Diese Information erlaubt es zu entscheiden, ob der Schmierzustand in einem akzeptablen Bereich liegt oder ob der Betrieb oder die Wartung des Lagers geändert werden muss, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten und/oder den Leistungsgrad der Anwendung, in der das Lager installiert ist, zu erhalten.
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Die Verarbeitungseinheit kann weiter dazu ausgelegt sein, eine Änderung des Schmierzustandes zu detektieren, wenn die aktuell erzeugten Profile und die gespeicherten Profile um einen vordefinierten Schwellenwert voneinander abweichen. Die Schwellenwerte können im Voraus festgelegt werden, beispielsweise unter Verwendung eines früheren Entscheidungsmodells aus einer ähnlichen Anwendung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensorrolle weiterhin eine Speichereinheit zum Speichern der Temperaturprofile und/oder Geschwindigkeitsänderungsprofile und/oder Belastungsprofile. Die Speichereinheit kann auch innerhalb der Bohrung der Sensorrolle angeordnet sein. Dies stellt den Vorteil bereit, dass die Verarbeitungseinheit die gespeicherten Referenzprofile ohne eine Kommunikation mit einem externen Speicher abrufen kann.
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Um die Überwachung des Schmierzustandes zu verbessern, kann die Messeinheit weiterhin dazu ausgelegt sein, eine Eigenrotationsgeschwindigkeit der Rolle und/oder eine Umlaufgeschwindigkeit zu messen. Basierend auf diesen zusätzlichen Werten kann die Verarbeitungseinheit weiter dazu ausgelegt sein, die belastete Zone des Lagers zu identifizieren, in der die gemessene Temperatur und Belastung besonders ausgeprägt sind. Das Korrelieren der gemessenen Parameter und der belasteten Zone stellt somit eine Erzeugung von verbesserten Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofilen bereit. So kann die Verarbeitungseinheit die Schmierzustandsänderung durch eine kombinierte Auswertung des kinematischen Verhaltens der Rolle und/oder der Temperaturänderungsrate und/oder der Rollenbelastung überwachen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit dazu ausgelegt, ein Signal auszugeben, das eine Änderung des Schmierzustandes anzeigt. Die Verarbeitungseinheit kann das Signal an eine entfernte Vorrichtung übertragen, zum Beispiel über Funkkommunikation. Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise eine Schmierzustandsänderung im Wälzkontakt identifizieren und kann den Wälzkontaktzustand und das Lagerverhalten diagnostizieren. Diese Information wird als Ausgabesignal an die entfernte Vorrichtung bereitgestellt und kann für Wartungsplanung und -entscheidungen verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit dazu ausgelegt, das erzeugte Temperaturprofil, das Geschwindigkeitsänderungsprofil und/oder das Belastungsprofil als Referenzprofile zu speichern, wenn sich das Lager in einem neuwertigen Zustand befindet. Das bedeutet, dass die Sensorrolle während eines definierten Betriebszeitraums, beispielsweise wenn sich das Lager in einem neuwertigen Zustand befindet, ihre Temperatur, die Rollengeschwindigkeitsänderung, die Belastung und möglicherweise weitere Werte wie die Schleudergeschwindigkeit und die Orbitposition überwacht. Diese Werte werden dann verwendet, um, wie oben beschrieben, die Referenzgeschwindigkeitsänderungs-, Referenzbelastungs- und Referenztemperaturprofile zu erzeugen. Durch Aufzeichnung und Speicherung von Anfangsprofilen während einer Lernphase, wenn das Lager neu ist oder neu gewartet ist, können Referenzprofile erstellt werden, die den gesunden oder neuwertigen Zustand des Lagers, insbesondere der Schmierung, anzeigen.
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Anstelle der Aufzeichnung von Anfangsprofilen des aktuellen Lagers können die gespeicherten Profile ein Temperaturprofil, ein Geschwindigkeitsänderungsprofil und/oder ein Belastungsprofil eines ähnlichen Rollenlagers sein. Solche Profile können in ähnlichen Rollenlagern erzeugt werden und können dann auf das aktuelle Lager übertragen werden und können beispielsweise in der Speichereinheit der Sensorrolle gespeichert werden. In diesem Fall kann die Verarbeitungseinheit die aktuell erzeugten Profile direkt mit den gespeicherten Profilen vergleichen und kann direkt mit der Überwachung des Lagerzustandes beginnen, anstatt zunächst Referenzprofile zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit dazu ausgelegt, das gespeicherte Temperaturprofil, Geschwindigkeitsänderungsprofil und/oder Belastungsprofil basierend auf dem erzeugten Temperaturprofil, Geschwindigkeitsänderungsprofil und/oder Belastungsprofil zu aktualisieren. Während der Anwendung können die Temperatur-, Belastungs- und/oder Geschwindigkeitsänderungsprofile periodisch aufgezeichnet werden. Wenn die Verarbeitungseinheit keine Änderung des Schmierzustand oder zumindest nur in einem vorgegebenen akzeptablen Bereich detektiert, können die aktuell erzeugten Profile zur Aktualisierung der gespeicherten Profile verwendet werden. Hierfür können maschinelle Lernalgorithmen oder ähnliches verwendet werden.
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Die Aktualisierung könnte durch maschinelles Online-Lernen oder inkrementelle maschinelle Lerntechniken erfolgen, die verwendet werden, wenn Daten in sequenzieller Reihenfolge verfügbar sind und eine dynamische Anpassung an neue Muster in den Daten erforderlich ist. In diesem Fall werden die Eingangsdaten kontinuierlich verwendet, um das Wissen des bestehenden Modells zu erweitern. Wenn die Verarbeitungseinheit Änderungen innerhalb eines vordefinierten akzeptablen Bereichs detektiert, werden die aktuell erzeugten Profile zur Aktualisierung der gespeicherten Profile verwendet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Überwachen eines Lagerzustandes bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Messen zumindest einer Temperatur, einer Belastung und einer Geschwindigkeitsänderung einer Rolle des Lagers, Erzeugen eines Temperaturprofils, eines Belastungsprofils und eines Geschwindigkeitsänderungsprofils der Rolle basierend auf der gemessenen Temperatur, Last und Geschwindigkeitsänderung.
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Die in Bezug auf die Sensorrolle beschriebenen Merkmale und Elemente gelten auch für das beschriebene Verfahren zum Überwachen eines Lagerzustandes.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, das einen Computerprogrammcode umfasst, der dazu ausgelegt ist, eine Steuereinheit, z.B. einen Computer, und/oder einen Computer der oben beschriebenen Fertigungsanordnung zu veranlassen, die oben beschriebenen Schritte durchzuführen.
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Das Computerprogrammprodukt kann als Speichervorrichtung bereitgestellt sein, wie beispielsweise eine Speicherkarte, ein USB-Stick, eine CD-ROM, eine DVD und/oder kann eine Datei sein, die von einem Server, insbesondere einem entfernten Server, in einem Netzwerk heruntergeladen werden kann. Bei dem Netzwerk kann es sich um ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk zum Übertragen der Datei mit dem Computerprogrammprodukt handeln.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung und den Figuren definiert. Dabei können Elemente, die in Kombination mit anderen Elementen beschrieben oder gezeigt sind, allein oder in Kombination mit anderen Elementen vorhanden sein, ohne dass der Schutzumfang verlassen wird.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die Zeichnungen nur beispielhaft sind und den Schutzumfang nicht einschränken sollen. Der Schutzumfang wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Die Figuren zeigen:
- 1: eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensorrolle, und
- 2: ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Lagerzustandes.
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Im Folgenden werden gleiche oder ähnlich wirkende Elemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
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1 zeigt eine Sensorrolle 1. Die Sensorrolle 1 kann beispielsweise in einem Rollenlager in einer Windturbine oder einer ähnlichen Anwendung eingesetzt werden. In solchen Anwendungen können Standard-Sensorrollen, die Schwingungssignale detektieren, nicht verwendet werden, da die Schwingungen zu gering sind, um zur Detektion eines Lagerzustands, insbesondere eines Schmierzustands, verwendet zu werden.
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Die Sensorrolle 1 umfasst daher eine Messeinheit 2, die zumindest eine Temperatur, eine Belastung und eine Geschwindigkeitsänderung der Rolle 1 misst. Für diesen Zweck kann die Sensorrolle 1 eine Rollenbohrung 4 umfassen, die einen Hohlraum definiert. Die Messeinheit 2 kann in dem Hohlraum angeordnet sein und an einer Innenfläche der Rollenbohrung 4 befestigt sein.
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Die Messeinheit 2 umfasst mehrere Sensoren, zum Beispiel einen Temperatursensor, einen Belastungssensor und einen Beschleunigungssensor (nicht dargestellt). Auch andere Sensoren, wie Gyrometer, Positionssensoren, Geschwindigkeitssensoren oder ähnliches, können verwendet werden. Die Sensoren können in dem Hohlraum oder an anderer Stelle an der Sensorrolle 1 angeordnet sein und können über Funk mit der Messeinheit 2 kommunizieren.
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Die Sensorrolle 1 umfasst weiterhin eine Verarbeitungseinheit 6 zum Erzeugen eines Temperaturprofils und eines Geschwindigkeitsänderungsprofils der Rolle 1. Die Verarbeitungseinheit 6 empfängt die Messsignale von der Messeinheit 2, drahtlos oder über eine Kabelverbindung.
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Das Temperaturprofil, das Belastungsprofil und das Geschwindigkeitsänderungsprofil, die von der Verarbeitungseinheit 6 erzeugt werden, definieren ein Muster oder eine Entwicklung der Temperatur sowie der Belastung und der Geschwindigkeitsänderung der Rolle 1 über die Zeit. Basierend auf den Informationen über die Temperatur, die Belastung und die Geschwindigkeitsänderung der Rolle 1 kann die Verarbeitungseinheit 6 einen Schmierzustand detektieren, d. h. Schmierinformationen, die für das gesamte Rollenlager 1 repräsentativ sind. Da die Temperatur, die Belastung und die Geschwindigkeitsänderung unabhängig von der Schwingung des Lagers sind, können diese Signale auch in Anwendungen verwendet werden, die sehr geringe Schwingungen haben.
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Zum Überwachen und Detektieren des Schmierzustandes vergleicht die Verarbeitungseinheit 6 das erzeugte Temperaturprofil, Belastungsprofil und Geschwindigkeitsänderungsprofil mit gespeicherten Referenztemperaturprofilen, Referenzbelastungsprofilen und Referenzgeschwindigkeitsänderungsprofilen. Die Profile können in einer Speichereinheit 8 gespeichert werden, die ebenfalls in der Rollenbohrung 4 angeordnet ist.
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Insbesondere handelt es sich bei den Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofilen um Profile, die ein unbeschädigtes Rollenlager, d.h. einen gesunden Schmierzustand, anzeigen. Die Verarbeitungseinheit 6 detektiert eine Schmierzustandsänderung, wenn die gespeicherten Profile von den aktuell erzeugten Profilen abweichen. Die Verarbeitungseinheit 6 kann entscheiden, ob eine Schmierzustandsänderung vorliegt, wenn die Abweichung zwischen den Profilen größer als ein vordefinierter Schwellenwert ist.
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Ein möglicher Algorithmus, der von der Verarbeitungseinheit 6 implementiert wird, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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Zu Beginn B der Anwendung, d.h. wenn das Rollenlager neu eingebaut oder gewartet ist und sich somit in einem neuwertigen Zustand befindet, können die Messsignale von der Messeinheit 2 (S1) zum Erzeugen von Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofilen verarbeitet werden, die einen anfänglichen gesunden Schmierzustand des Rollenlagers (S2) anzeigen.
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Um den anfänglichen gesunden Zustand zu verifizieren, werden die erzeugten Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofile mit Referenzinformationen verglichen (S4), beispielsweise mit Referenzprofilen aus Offline-Tests, ähnlichen Anwendungen, analytischen Ergebnissen und/oder anderen historischen Daten (S3).
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Wenn die erzeugten Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofile von den Referenzinformationen abweichen, kann dies einen anfänglichen anormalen Schmierzustand des Lagers anzeigen. Die Verarbeitungseinheit 6 kann ein Signal ausgeben, um über einen solchen anormalen Zustand zu informieren (S5).
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Wenn der anfänglich gesunde Schmierzustand des Lagers in Schritt S4 verifiziert wird, speichert die Verarbeitungseinheit 6 die erzeugten Profile als Referenzprofile für den weiteren Prozess (S6).
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Während der Laufzeit (R) fährt die Messeinheit 2 damit fort, die Temperatur, Belastung und Geschwindigkeitsänderung der Sensorrolle 1 zu messen (S 1). Die gemessenen Signale werden von der Verarbeitungseinheit 6 zum Erzeugen von Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofilen verwendet (S7).
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Anschließend vergleicht die Verarbeitungseinheit 6 die erzeugten Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofile mit den gespeicherten Profilen vom Beginn B (S8). Dies geschieht analog zu dem Vergleich aus Schritt S4.
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Während der Laufzeit R gibt die Verarbeitungseinheit 6 jedoch ein Signal aus, das den Schmierzustand, insbesondere eine Schmierzustandsänderung, anzeigt (S9). Wenn sich der Schmierzustand nicht geändert hat, wird davon ausgegangen, dass das Lager noch einen gesunden Schmierzustand hat. In diesem Fall kann die Verarbeitungseinheit 6 die aktuell erzeugten Profile zur Aktualisierung der gespeicherten Profile verwenden (S10).
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Zusätzlich zu den Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungswerten kann die Messeinheit 2 weitere Parameter wie eine Eigenrotationsgeschwindigkeit der Rolle 1 oder eine Umlaufgeschwindigkeit messen. Basierend auf diesen zusätzlichen Parametern kann die Verarbeitungseinheit 6 eine belastete Zone der Sensorrolle 1 identifizieren. Die belastete Zone, in der die Temperatur, Belastung und Geschwindigkeitsänderung besonders ausgeprägt sind, kann zur Verbesserung der Erzeugung der Temperatur-, Belastungs- und Geschwindigkeitsänderungsprofile verwendet werden. Dadurch kann die Detektion einer Schmierzustandsänderung auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses weiter verbessert werden.
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Zusammenfassend stellt die hier beschriebene Sensorrolle eine schwingungsunabhängige Detektion einer Schmierzustandsänderung bereit. Insbesondere wird die Schmierzustandsänderung durch eine kombinierte Auswertung des kinematischen Verhaltens der Rolle und/oder der Temperaturänderungsrate der Rolle und/oder der Belastung der Rolle detektiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorrolle
- 2
- Messeinheit
- 4
- Rollenbohrung
- 6
- Verarbeitungseinheit
- 8
- Speichereinheit
- B
- Beginn
- R
- Laufzeit
- S1-S10
- Verfahrensschritte
