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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lageranordnung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Lager, das einen Kapazitätssensor zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Schmiermittels in dem Lager aufweist.
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Technischer Hintergrund
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Lager und insbesondere Wälzlager werden in einem weiten Bereich von Anwendungen verwendet, die rotierende Wellen aufweisen. Wälzlager stellen eine Rotation mit niedriger Reibung mittels der Wälzkörper bereit, die zwischen dem äußeren und dem inneren Laufring des Lagers angeordnet sind. Um die Reibung zwischen den Wälzkörpern und den Laufringen weiter zu reduzieren, wodurch die Lebensdauer des Lagers verlängert wird, wird häufig ein Lagerschmiermittel wie Fett oder Öl verwendet, um die Wälzkörper zu schmieren.
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Um die Verfügbarkeit/Betriebszeit und Lebensspanne von beispielsweise einer Windturbine zu verbessern, können verschiedene lagerbezogene Parameter wie beispielsweise Schwingungen, Schmiermitteldruck, Schmiermittelqualität, Schmiermitteltemperatur und Lagerlast überwacht werden.
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Es wurde herausgefunden, dass Lagerausfälle häufig durch Wasser in dem Lagerschmiermittel verursacht sind. Wasser in dem Schmiermittel kann eine Oberflächenerosion und Kavitationen innerhalb des Lagers verursachen. Es kann auch eine Wasserstoffversprödung auf Grund der extremen Drücke in Wälzlagern verursachen, die bis zu 1 bis 3 GPa hoch sein können, wobei Wasser in seine einzelnen Atome aufgespalten werden kann, was versursacht, dass Wasserstoff die Oberfläche der Lagerelemente durchdringt und verursacht, dass die Oberfläche spröder wird. Wasser kann auch verursachen, dass Additive ausfallen, und verursachen und dass sich abrasive Partikel oder Schlamm bilden. Wasser kann auch verursachen, dass das Basisöl viel schneller oxidiert. Auch ohne das Hinzufügen von externem Wasser kann sich der Wassergehalt in dem Schmiermittel leicht auf Grund einer Oxidation von Kohlenwasserstoffen in dem Schmiermittel erhöhen.
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Beispielsweise ist ein Lager, das den Elementen ausgesetzt ist (wie beispielsweise ein Radlager an einem Zug oder Wagen) anfälliger für eine Kontamination sowohl durch Wasser als auch durch andere kontaminierende Partikel.
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Dementsprechend ist es wichtig, in der Lage zu sein, den Zustand des Lagers zu überwachen, so dass ein Lager ersetzt werden kann, bevor es bricht.
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Obwohl die Überwachung, die aktuell in der Technik beschrieben wird, bei der Planung der Wartung und der Vorhersage von Ausfällen, bevor sie auftreten, hilft, und dadurch die Verfügbarkeit von rotierenden Systemen verbessern kann, sind viele solcher Systeme sowohl kompliziert als auch unpraktisch, um in vielen Anwendungen verwendet zu werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Hinblick auf die oben erwähnten gewünschten Eigenschaften eines Lagers und die oben erwähnten und anderen Nachteile des Stands der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Lager und ein Verfahren zum Überwachen der Eigenschaften des Lagers bereitzustellen, so dass ein unerwarteter Lagerausfall vermieden werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher eine Lageranordnung bereitgestellt, die aufweist: ein Lager, das einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist, die zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring angeordnet sind, so dass der erste Laufring relativ zu dem zweiten Laufring rotierbar ist; ein Lagerschmiermittel, das innerhalb des Lagers angeordnet ist, um die Wälzkörper zu schmieren; wobei die Lageranordnung einen ersten elektrisch leitenden Teil und einen zweiten elektrisch leitenden Teil, wobei der erste und der zweite elektrisch leitende Teil elektrisch isoliert und so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des Lagerschmiermittels zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Teil angeordnet ist; und ein Kapazitätsmessgerät aufweist, das eine erste Elektrode, die mit dem ersten elektrisch leitenden Teil verbunden ist, und eine zweite Elektrode aufweist, die mit dem zweiten elektrisch leitenden Teil verbunden ist, das dazu ausgebildet ist, eine Kapazität zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil zu messen, um einen Wassergehalt in dem Schmiermittel basierend auf der gemessenen Kapazität zu bestimmen.
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Da die Kapazität des Schmiermittels von der Zusammensetzung des Schmiermittels abhängt, würde irgendeine Veränderung in der Zusammensetzung, die in unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften des Schmiermittels resultiert, zu einer Veränderung in der Kapazität führen. Insbesondere ist die dielektrische Konstante von Wasser erheblich höher als die dielektrische Konstante von herkömmlich verwendeten Lagerschmiermitteln, wie Lagerfett und -öl. Somit würde das Hinzufügen von Wasser zu dem Lagerschmiermittel zu einer Erhöhung in der beobachteten Kapazität führen. Durch die frühe Detektion von Wasser in dem Lagerschmiermittel kann das Auftreten von Lagerausfällen signifikant reduziert werden. Es ist auch möglich, das Vorhandensein von anderen Verunreinigungen in dem Schmiermittel, wie beispielsweise Metallpartikel, zu detektieren, die auch zu einer Veränderung in der Kapazität führen. Kapazitätsmessungen sind gut bekannt und die oben beschriebene Erfindung kann einfach in neue Lager eingebaut werden, und eine Kapazitätsmessausrüstung kann auch in existierenden Lagern nachgerüstet werden.
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Die Kapazität wird zwischen zwei leitenden Elementen gemessen, die durch ein dielektrisches Material getrennt sind. Die leitenden Elemente sind elektrisch isoliert, was bedeutet, dass sie nicht elektrisch miteinander oder mit irgendeinem anderen Teil des Lagers verbunden sind, sie nur mit der jeweiligen Elektrode des Kapazitätsmessgeräts verbunden sind. In der vorliegenden Anwendung ist das dielektrische Material das Lagerschmiermittel und die leitenden Teile können Teile des Lagers oder getrennt vorgesehene leitende Elemente sein. Nichtleitende Fette und Öle, die häufig in Lagern verwendet werden, haben eine dielektrische Konstante von ungefähr 2–5, wohingegen Wasser eine dielektrische Konstante von ungefähr 80 bei Raumtemperatur hat. Somit würde auf Grund des großen Unterschieds in der dielektrischen Konstante auch eine kleine Menge an Wasser in dem Schmiermittel zu einer Veränderung in der Kapazität führen, was es möglich macht, einen kleinen Gehalt an Wasser zu detektieren.
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Während des normalen Betriebs eines Lagers wird keine signifikante Veränderung in der Kapazität erwartet. Somit kann jede Veränderung in der Kapazität während des Betriebs als ein Anzeichen angesehen werden, dass irgendetwas falsch ist. Eine plötzliche Erhöhung der Kapazität kann das Hinzufügen von Wasser oder Verunreinigungen anzeigen. Eine plötzliche Verringerung könnte einen physikalischen Schaden an dem Lager anzeigen, wie eine beschädigte Dichtung, an der das Fett plötzlich herausfließt. Des Weiteren kann die Kapazität sowohl während des Betriebs, d.h. wenn das Lager rotiert, als auch, wenn das Lager still steht, gemessen werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung können der erste elektrisch leitende Teil und der zweite elektrisch leitende Teil ein erster und ein zweiter Dichtungsring sein, die auf jeweiligen Seiten des Lagers angeordnet sind, wobei jeder Dichtungsring von dem Lager elektrisch isoliert ist. Dichtungsringe sind häufig in einem Lager vorhanden, um das Schmiermittel innerhalb des Lagers zu halten. Indem elektrisch leitende Dichtungsringe verwendet werden, können die Dichtungsringe verwendet werden, um die Kapazität des Lagerschmiermittels zu messen. Die Dichtungsringe wirken dann als die Platten in einem Plattenkondensator. Die Dichtungsringe sind elektrisch von dem Lager isoliert, um keinen Kurzschluss zu bilden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der erste elektrisch leitende Teil ein perforierter Ring sein, der konzentrisch zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring innerhalb des Lagers angeordnet ist. Die Verwendung eines perforierten Rings macht es möglich, den Ring innerhalb des Lagers zu positionieren, wobei die Perforationen in dem Ring es dem Schmiermittel erlauben, durch den Ring zu fließen. Die Perforationen können auch als Öffnungen oder Löcher bezeichnet werden. Wenn ein perforierter Ring, der innerhalb des Lagers angeordnet ist, verwendet wird, kann die Kapazität beispielsweise zwischen dem perforierten Ring und einem der Dichtungsringe, die an den Seiten des Lagers angeordnet sind, gemessen werden. Indem die Kapazität zwischen dem perforiertem Ring und jedem der Dichtungsringe getrennt gemessen wird, kann es möglich sein, zu detektieren, falls die Eigenschaften des Schmiermittels auf den jeweiligen Seiten an dem perforierten Ring unterschiedlich sind. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, da es möglich sein kann, zu detektieren, von welcher Seite des Lagers Wasser in das Lager eintritt.
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Des Weiteren kann in dem Fall eines perforierten Rings, der innerhalb des Lagers angeordnet ist, die Kapazität auch zwischen dem perforierten Ring und einer des inneren oder des äußeren Laufrings gemessen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Lageranordnung des Weiteren einen elektrisch isolierenden Rahmen aufweisen, der zwischen dem Dichtungsring und dem Lager angeordnet ist, um den Dichtungsring elektrisch von dem Lager zu isolieren. Ein üblicherweise ringförmiger Rahmen kann verwendet werden, um den Dichtungsring von dem Lager elektrisch zu isolieren. Der Rahmen kann beispielsweise aus einem Kunststoff- oder Gummimaterial hergestellt sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Lageranordnung des Weiteren ein Lagergehäuse aufweisen, in dem das Lager angeordnet ist, wobei der erste elektrisch leitende Teil und der zweite elektrische leitende Teil ein erster und ein zweiter perforierter Ring sind, die an jeweiligen Seiten des Lagers angeordnet sind, wobei jeder perforierte Ring elektrisch von dem Lager isoliert ist. Das Lager kann in einem Lagergehäuse angeordnet sein, und das Schmiermittel ist innerhalb des Gehäuses angeordnet, das abgedichtet ist, so dass das Schmiermittel nicht aus dem Lagergehäuse austritt. Die perforierten Ringe, die an den Seiten des Lagers angeordnet sind, ermöglichen es dem Schmiermittel, durch die Ringe zwischen dem Gehäuse und dem Inneren des Lagers zu fließen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Lageranordnung des Weiteren einen Temperatursensor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Schmiermittels zu bestimmen. Die Temperatur des Schmiermittels kann während des Betriebs des Lagers signifikant variieren und es kann insbesondere einen Unterschied in der Temperatur geben, wenn ein statisches Lager mit einem Lager verglichen wird, das bei einer hohen Geschwindigkeit rotiert. Im Allgemeinen variiert die dielektrische Kontante von Schmiermittel und Öl nicht signifikant mit der Temperatur. Auf der anderen Seite variiert die dielektrische Konstante von Wasser stark mit der Temperatur. Dadurch kann, indem die Temperatur gemessen wird, eine kleine Veränderung in der Kapazität, die als eine kleine Veränderung im Wassergehalt des Schmiermittels interpretiert werden kann, stattdessen korrekt einer variierenden Temperatur zugeschrieben werden. Des Weiteren kann, indem die temperaturabhängige Kapazität beobachtet wird, der aktuelle Wassergehalt in dem Schmiermittel genauer bestimmt werden. Der Temperatursensor kann irgendeine Art von Temperatursensor sein, der dem Fachmann bekannt ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kapazitätsmessgerät dazu ausgebildet, die Kapazität bei verschiedenen Frequenzen oder über einen Sinus-Sweep zu messen. Frequenz bezieht sich hier auf die Frequenz eines Wechselstroms, der durch das Kapazitätsmessgerät verwendet wird, um die Kapazität zu messen. Fett hat eine unterschiedliche Frequenzabhängigkeit von der dielektrischen Konstante als Wasser, und Wasser hat eine gut bekannte dielektrische Konstante (relative Permittivität), die mit der Frequenz variiert. Somit kann aus der Frequenzabhängigkeit Nutzen gezogen werden, um den Wassergehalt abzuschätzen. Ein Messen der Kapazität bei verschiedenen Frequenzen oder über einen Sinus-Sweep ermöglicht die Abschätzung eines Wassergehalts, auch wenn der Fettgehalt sich verändert oder der Ort des Fetts sich in dem Lager verändert.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Schmiermittels in einem Lager bereitgestellt, welches aufweist: ein Lager, das einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist, die zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring angeordnet sind, so dass der erste Laufring relativ zu dem zweiten Laufring rotierbar ist; ein Lagerschmiermittel, das innerhalb des Lagers angeordnet ist, um die Wälzkörper zu schmieren; und einen ersten elektrisch leitenden Teil und einen zweiten elektrisch leitenden Teil, wobei der erste und der zweite elektrisch leitende Teil elektrisch voneinander isoliert und so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des Lagerschmiermittels zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Teil angeordnet ist; wobei das Verfahren aufweist: Messen eines Werts, der indikativ für eine Kapazität zwischen dem ersten elektrisch leitenden Teil und dem zweiten elektrisch leitenden Teil ist, Bestimmen eines Unterschieds zwischen dem gemessenen Wert und einem vorbestimmten Wert; und, falls der Unterschied größer als ein erster vorbestimmter Schwellwert ist, Bestimmen, dass sich die Eigenschaften des Schmiermittels verändert haben.
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Der gemessene Wert, der indikativ für die Kapazität zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Teil ist, kann beispielsweise die Kapazität, die direkt bei einer vorbestimmten Frequenz gemessen wurde, oder ein Verhältnis von Kapazitäten, die bei zwei unterschiedlichen Frequenzen gemessen wurden, oder die Temperaturableitung der Kapazität, dC/dT, sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der vorbestimmte Wert, mit dem der gemessene Wert verglichen wird, ein vorher gemessener Wert für dasselbe Lager in derselben Anwendung sein. Alternativ oder in Kombination kann der gemessene Wert auch mit einem Referenzwert verglichen werden, basierend auf Messungen an einem ähnlichen Lager. Der Referenzwert kann auch auf analytischen Modellen und Simulationen basieren.
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Falls ein detektierter Unterschied kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist, kann bestimmt werden, dass der Unterschied nur das Ergebnis von Rauschen oder innerhalb des Bereichs von bekannten Messunsicherheiten ist. Des Weiteren kann der Schwellwert auch verwendet werden, um zu vermeiden, dass die Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Konstante des Schmiermittels fälschlicherweise als eine Veränderung im Wassergehalt des Schmiermittels identifiziert wird. Insbesondere, wenn bekannt ist, dass die Veränderung in der Kapazität auf Grund einer Veränderung in der Temperatur des Schmiermittels innerhalb eines bestimmten Teils ist, werden nur detektierte Kapazitäten außerhalb dieses bekannten Bereichs genommen, um eine Veränderung in der Zusammensetzung des Schmiermittels darzustellen.
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Des Weiteren kann, indem die Temperaturabhängigkeit der Kapazität beobachtet wird, es möglich sein, den aktuellen Wassergehalt des Schmiermittels genau zu bestimmen, indem die beobachtete Temperaturabhängigkeit mit der bekannten Temperaturabhängigkeit von Wasser für unterschiedliche Prozentteile von Wasser in dem Schmiermittel korreliert werden.
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Des Weiteren kann, falls der Wassergehalt in dem Schmiermittel genau bestimmt wurde, beispielsweise durch eine direkte Kapazitätsmessung oder durch Beobachten der Temperaturableitung, die Gesamtmenge an Schmiermittel, die in dem Lager vorhanden ist, angenähert werden. Da die dielektrischen Konstanten von Wasser und Fett allgemein bekannt sind, und der Rest des Systems konstant sein sollte, kann dies bewerkstelligt werden. Dies eliminiert das Szenario, in dem ein Verlust an Fett plus ein geringes Hinzufügen von Wasser eine ähnliche Kapazität eines ordnungsgemäß geschmierten Lagers mit der korrekten Menge an Fett und keinem Wasser darstellen würde, da das Wasser eine Temperaturabhängigkeit zu der dielektrischen Konstante hinzuführt.
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Weitere Effekte und Merkmale dieses zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung sind größtenteils analog zu denen, die oben in Verbindung mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden.
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Des Weiteren werden weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden, wenn die angehängten Ansprüche und die folgende Beschreibung studiert werden. Der Fachmann realisiert, dass unterschiedliche Merkmale der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können, um andere als die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen zu erzeugen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben werden, die eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigen, wobei:
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1 schematisch eine Explosionsansicht einer Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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2 schematisch eine Explosionsansicht einer Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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3 schematisch eine Explosionsansicht einer Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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4 schematisch eine Lageranordnung und ein Lagergehäuse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
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5 schematisch eine Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
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6 ein Flussdiagramm ist, das die allgemeinen Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
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In der vorliegenden detaillierten Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen einer Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung hauptsächlich mit Bezug auf ein Kugellager diskutiert. Es sollte beachtet werden, dass dies keinesfalls den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beschränkt, die gleichermaßen auf irgendeine Art von Lager, welches ein Schmiermittel aufweist, anwendbar ist.
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1 ist eine Explosionsansicht eines Lagers 100, das einen inneren Laufring 102, einen äußeren Laufring 104 und eine Mehrzahl von Wälzkörpern 106 in der Form von Kugeln, die zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring angeordnet sind, aufweist. Das Lager weist des Weiteren Dichtungsringe 108a–b auf, die an den jeweiligen Seiten des Lagers angeordnet sind, um das Lager abzudichten. Hierin sind sowohl die Dichtungsringe 108a–b als auch die Laufringe 102, 104 aus einem leitenden Material hergestellt. Des Weiteren sind elektrisch isolierende Rahmen 110a–b angeordnet, um die Dichtungsringe 108a–b von den Laufringen 102, 104 elektrisch zu isolieren. Ein Schmiermittel (nicht gezeigt) ist innerhalb des Lagers angeordnet, um eine Schmierung der Wälzkörper 106 bereitzustellen. Lager sind auch häufig mit einem Käfig versehen, um die Wälzkörper am Platz zu halten. Solche Käfige können auf viele unterschiedliche Weisen, die dem Fachmann bekannt sind, angeordnet und ausgebildet sein, und Lagerkäfige sind daher hierin nicht gezeigt, um ein Verkomplizieren der Zeichnungen zu vermeiden.
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In 1 ist der erste leitende Teil der erste Dichtungsring 108a und der zweite leitende Teil ist der zweite Dichtungsring 108b, wodurch ein Plattenkondensator gebildet wird, bei dem das Schmiermittel als Dielektrikum wirkt. Somit kann die Kapazität des Schmiermittels durch Verbinden eines Kapazitätsmessgeräts mit den zwei Dichtungsringen 108a–b gemessen werden.
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In 2 ist ein Lager 200, ähnlich zu dem in 1 dargestellten, gezeigt. Das Lager in 2 weist zwei Sätze an Wälzkörpern 202, 204 auf und eine perforierte Platte 206 ist zwischen den Reihen von Wälzkörpern 202, 204 angeordnet. Die perforierte Platte 206 ist leitend und kann mit einer Elektrode eines Kapazitätsmessgeräts verbunden sein. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine Öffnung 208 in dem äußeren Laufring 104 hergestellt werden. Eine solche Öffnung ist bevorzugt mit einem Dichtungsmaterial abgedichtet, um sicherzustellen, dass kein Schmiermittel aus dem Lager austritt, und dass keine Verunreinigungen in das Lager eintreten können. Es ist natürlich auch möglich, die Verbindung durch den inneren Laufring 102 oder durch jeden Dichtungsring 108a–b zu bilden, abhängig davon, wie ein bestimmtes Lager ausgebildet ist, und davon, wie es angeordnet ist, wenn es verwendet wird. Die Perforation des Rings 206 ermöglicht es dem Schmiermittel, sich innerhalb des Lagers durch die Öffnungen in dem Ring herum zu bewegen. Indem eine erste Elektrode eines Kapazitätsmessgeräts mit dem perforierten Ring 206 verbunden wird, und indem die andere Elektrode mit einem der Dichtungsringe 108a–b verbunden wird, kann die Kapazität an jeder Seite des perforierten Rings 206 gemessen werden. Dadurch ist es nicht nur möglich, Eigenschaften des Schmiermittels zu bestimmen, es ist auch möglich zu detektieren, falls die Eigenschaften des Schmiermittels unterschiedlich für die jeweiligen Seiten des Lagers sind. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, um zu identifizieren, falls eine Verunreinigung oder Wasser in das Lager von jeder Seite des Lagers eintritt.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Lagers 300, bei dem perforierte Platten 302a–b zwischen den jeweiligen Dichtungsringen 108a–b und dem Lager angeordnet sind. Jede der perforierten Platten 302a–b weist eine jeweilige Kante 304a–b, 306a–b auf, die um sowohl den inneren als auch den äußeren Umfang der Platten 302a–b angeordnet ist. Die Kanten 304a–b, 306a–b sind bevorzugt elektrisch isolierend, so dass die Platte elektrisch von den Dichtungsringen und von den Laufringen isoliert ist. Des Weiteren können die Kanten 304a–b, 306a–b als ein Abstand wirken, so dass eine Lücke zwischen den perforierten Platten 302a–b und den entsprechenden Dichtungsringen gebildet wird, so dass ein Schmiermittel frei durch die Perforationen fließen kann.
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4 ist eine schematische Darstellung einer Lageranordnung, die in einem Lagergehäuse 402a–b angeordnet ist. Wenn das Lager in einem Gehäuse angeordnet ist, wirkt das Gehäuse, um das Lager von der Umgebung abzudichten, und keine Dichtungsringe werden benötigt. Die perforierten Platten 302a–b können somit an den Seiten des Lagers ohne einen zusätzlichen Dichtungsring angeordnet sein, und das Lagerschmiermittel kann dann durch die perforierten Ringe 302a–b zwischen dem Lagergehäuse und dem Inneren des Lagers fließen, so dass die Wälzkörper 106 geschmiert werden.
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5 ist eine schematische Darstellung einer Lageranordnung 500, bei der ein Kapazitätsmessgerät 502 mit jedem der Dichtungsringe 108a–b verbunden ist, so dass die Kapazität zwischen den Platten gemessen werden kann. In manchen Ausführungsformen weist die Lageranordnung auch einen Temperatursensor (nicht gezeigt) auf, um die Temperatur des Fetts zu bestimmen. Der Temperatursensor kann innerhalb des Lagers angeordnet sein, beispielsweise an einem Dichtungsring angebracht oder an einem Käfig angebracht oder in diesen integriert sein. Der Temperatursensor kann auch an der Außenseite des Lagers angebracht sein, solange der relative Einfluss der gemessenen Temperatur auf die Kapazitätsmessung bekannt ist.
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6 ist ein Flussdiagramm, das die allgemeinen Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Zuerst, 602, wird eine Kapazitätsmessung durchgeführt, um einen Kapazitätswert zu bestimmen. Als nächstes, 604, wird die Messung mit einem vorbestimmten Wert verglichen. Der vorbestimmte Wert kann ein Wert basierend auf vorherigen Messungen an einer ähnlichen Vorrichtung sein, oder er kann auf theoretischen Berechnungen basieren. Jedoch ist am meisten bevorzugt der vorbestimmte Wert eine vorher gemessene Kapazität desselben Lagers unter ähnlichen Bedingungen. Es kann beispielsweise der zuletzt gemessene Wert vor der aktuellen Messung sein. Indem die Kapazität kontinuierlich beobachtet wird, um zu bestimmen, ob es eine Veränderung in der Kapazität gibt, können sich verändernde Eigenschaften des Lagers identifiziert werden, ohne die spezifische Kapazität eines Lagers in einer bestimmten Anwendung zu kennen.
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Der detektierte Unterschied wird auch mit einem Schwellwert verglichen, 506, und der Unterschied sollte auch größer als der Schwellwert sein, um Variationen, die beispielsweise durch Messungenauigkeiten verursacht werden, auszuschließen. Der Schwellwert kann gesetzt werden, indem Kalibrationsmessungen durchgeführt werden. Wenn der detektierte Unterschied größer als der Schwellwert ist, wird bestimmt, 508, dass die Eigenschaften des Schmiermittels sich verändert haben.
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Üblicherweise ist eine Erhöhung in der Kapazität ein Zeichen, dass die Eigenschaften des Schmiermittels sich in einer Weise verändert haben, die nachteilig für die Leistung des Schmiermittels ist.
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Des Weiteren kann die Temperaturableitung der Kapazität bestimmt werden. Die Temperaturableitung der Kapazität kann beispielsweise in einer Phase bestimmt werden, bei der die Temperatur des Schmiermittels sich bekanntermaßen ändert, beispielsweise während des Startens oder Abschaltens einer rotierenden Maschine. Die Kapazität (oder die dielektrische Konstante) kann beispielsweise zwei Mal bei unterschiedlichen Temperaturen des Lagers gemessen werden (beispielsweise wenn die Maschine das erste Mal startet und wenn sie bei ihrer Betriebstemperatur ist). Dann kann die Temperaturableitung mit einer bekannten Ableitung verglichen werden, um zu bestimmen, ob sich die Eigenschaften des Schmiermittels verändern. Des Weiteren ist die Temperaturableitung der häufig verwendeten Schmiermittel üblicherweise nahe an Null, zumindest innerhalb der Betriebstemperaturen eines Lagers. Dementsprechend kann jede Nicht-Null-Temperaturableitung als ein Anzeichen genommen werden, dass sich Eigenschaften des Schmiermittels verändert haben. Wasser hat insbesondere eine temperaturabhängige dielektrische Konstante, die es möglich macht, ein Hinzufügen von Wasser als eine Veränderung in der Temperaturableitung des Schmiermittels zu detektieren.
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Des Weiteren kann die Kapazität (oder dielektrische Konstante) über verschieden Frequenzen oder über einen Sinus-Sweep gemessen werden. Fett hat eine unterschiedliche Frequenzabhängigkeit von der dielektrischen Konstante als Wasser, und Wasser hat eine gut bekannte dielektrische Konstante (relative Permittivität), die mit der Frequenz variiert. Somit kann aus der Frequenzabhängigkeit Nutzen gezogen werden, um den Wassergehalt abzuschätzen. Beispielsweise kann ein Kapazitätsverhältnis bei zwei Frequenzen nützlich sein, um den Wassergehalt darzustellen. 90 Hz und 100 kHz können beispielsweise verwendet werden, wobei 90 Hz vorteilhaft ist, da es kein Mehrfaches von 50 oder 60 Hz ist. Dann kann das Verhältnis mit einem bekannten oder vorbestimmten Verhältnis verglichen werden, um zu bestimmen, ob sich die Eigenschaften des Schmiermittels verändert haben.
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In einem Szenario geht die Hochfrequenzkapazität (z.B. 100 kHz) signifikant über die Zeit nach unten (oder zwischen zwei oder mehreren Messungen). Aber zur selben Zeit ist die Niederfrequenzkapazität (z.B. 90 Hz) viel höher als die Hochfrequenzmessung. Dies könnte sein, dass etwas Fett verloren wurde (z.B. durch eine beschädigte Dichtung) und Wasser in das Gehäuses gelangt ist. In einem anderen Szenario geht die Hochfrequenzkapazität nur ein kleines bisschen nach oben, aber die Niederfrequenzkapazität geht signifikant nach oben. Dies könnte sein, dass der Fettgehalt ungefähr derselbe geblieben ist, aber dass es eine Wasserverunreinigung gegeben hat. In wiederum einem anderen Szenario geht die Hochfrequenzkapazitätsmessung um ungefähr denselben Prozentsatz wie die Niederfrequenzmessung nach unten. Dies könnte bedeuten, dass es keine Wasserverunreinigung gegeben hat, aber dass es etwas Fettverlust gegeben hat (oder sich das Fett signifikant bewegt hat).
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Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben wurde, werden viele unterschiedliche Abwandlungen, Modifikationen und Ähnliches für den Fachmann offensichtlich werden. Beispielsweise kann die beschriebene Erfindung in vielen unterschiedlichen Arten von Lagern verwendet werden. Auch sollte beachtet werden, dass Teile des Systems weggelassen, ausgetauscht oder in verschiedenen Weisen angeordnet werden können, wobei die Lageranordnung trotzdem in der Lage ist, die Funktionalität der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
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Zusätzlich können Variationen der offenbarten Ausführungsformen durch den Fachmann verstanden und getätigt werden, indem er die beanspruchte Erfindung ausübt, aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in gegenseitig unterschiedlich abhängigen Ansprüchen wiedergegeben werden, gibt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zum Vorteil verwendet werden kann.
