DE2828311A1 - Vorrichtung zur ueberwachung von betriebswerten eines lagers - Google Patents

Vorrichtung zur ueberwachung von betriebswerten eines lagers

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Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft Stadtbachstraße 1, 8900 Augsburg
PB 2939/1353 26.06.78
Vorrichtung zur Überwachung
von Betriebswerten eines Lagers
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung von Betriebswerten eines Lagers/ insbesondere des Lagers eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mittels eines hinsichtlich des rotierenden Lagerelementes berührungsfreien Meßwertgebers und einer nachgeordneten elektronischen Auswerteinrichtung.
Es sind bereits Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen der Bewegungsverlauf des Rotors gegenüber den festen Lagerteilen auf elektronischem Wege mittels berührungsfreier induktiver oder kapazitiver Meßwertgeber oder mittels Wirbelstromaufnehmern gemessen wird. Diese Methoden sind jedoch aufwendig, da sowohl auf der Welle als auch auf der Lagerschale isolierte Elektroden bzw. elektronische Meßwertgeber angeordnet werden müssen. Darüber hinaus kann auch nicht gewährleistet werden, daß das im Lagerspalt befindliche Schmieröl durch Aufnahme von Abrieb und Schmutz auf die Dauer ausreichende Isoliereigenschaften beibehält und keine
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Verfälschung der elektronischen Meßwerte in Kauf genommen werden müssen,
Insbesondere muß die Anwendung derartiger elektronischer Meßwertgeber wegen deren Temperaturempfindlichkeit auf Lager beschränkt bleiben, an deren Meßstellen die Temperaturen 8O0C nicht überschreiten.
Bei Abgasturboladerη mit innenliegendem Lagergehäuse muß jedoch beim Abstellen des Motors an den Lagerstellen mit Temperaturen von 200°C und mehr gerechnet werden.
Zur überwachung der Laufruhe werden auch seismische Meßwertgeber verwendet, die am Lagergehäuse oder sonstigen stationären Teilen des Abgasturboladers angeordnet werden. Dabei sind jedoch Verfälschungen der Meßwerte durch die verschiedenen Gehäuseteile nicht zu vermeiden, die vom Luft- und Abgasstrom zu unterschiedlichen Eigenschwingungen angeregt werden.
Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe in der Schaffung einer Vorrichtung, mit der mit geringem Aufwand die Laufruhe des Lagers durch gleichzeitiges Erfassen der Drehzahl und des Schwxngungsverhaltens des Rotors überwacht werden kann, und die bei erhöhten Temperaturen, wie sie z. B. bei Lagern von Abgasturboladern auftreten können, verwendbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßwertgeber von den Schnittstellen mindestens eines Bündels von Strahlungsleitern gebildet ist, daß die Strahlungsleiter an eine Strahlungsquelle und an eine elektronische Strahlungsauswerteinrichtung angeschlossen sind,
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daß die Schnittstellen auf den durch das rotierende Lagerelement und ein festes Lagerelement gebildeten Spalt gerichtet sind, daß die Schnittstelle" eines oder mehrerer Strahlungsleiter auf den Rand des rotierenden Lagerelementes gerichtet ist, der am Umfang zwecks Drehzahlmessung mindestens einen Bereich aufweist, an dem Mittel zur impulsartigen Veränderung des Strahlungsflusses in den Strahlungsleitern angeordnet sind und daß diesen Strahlungsleitern in der elektronischen Strahlungsauswerteinrxchtung eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl zugeordnet ist.
Abgesehen von der Temperaturempfindlichkeit besitzt der erfindungsgemäße Meßwertgeber noch den Vorteil, daß er an der Meßstelle leicht anzuordnen ist und keine besonderen Einbau- und Isolationsmaßnahmen am Rotor und an der Lagerschale erfordert, wie dies bei elektronischen Meßwertgebern der Fall ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne großen Aufwand nachträglich an den Lagerstellen angeordnet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Bündel von Strahlungsleitern angeordnet, von denen das eine an eine Strahlungsquelle und das andere an die elektronische Strahlungsauswerteinrxchtung angeschlossen ist, wobei die Schnittstellen einander entsprechender Strahlungsleiter gegenüberliegend und zu beiden Seiten des Spaltes angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Schnittstellen der Strahlungsleiter den Spalt in radialer Richtung abdeckend angeordnet, wodurch sich die exakte Erfassung der radialen Bewegung des rotierenden Lagerelements bereits mit einer verhältnis-
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r g- -
mäßig geringen Anzahl von Strahlungsleitern erzielen läßt.
Der Spalt kann auch durch eine auf dem rotierenden Lagerelement angeordnete Scheibe und durch das feste Lagerelement oder ein damit verbundenes weiteres Element gebildet sein, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß das Lager unabhängig davon, ob es sich um ein Wälz-oder Gleitlager handelt, an einer leicht zugänglichen Stelle überwacht und montiert werden kann. Dies kann ζ. B. in der dem Lager unmittelbar benachbarten Labyrinthdichtung des Abgasturboladers erfolgen.
Es kann ferner mindestens ein Strahlungsleiter in einem dem maximal zulässigen Lagerspiel entsprechenden radialen Abstand von der Scheibe durchgehend angeordnet sein, wobei der Strahlungsleiter bei Überschreitung des maximal zulässigen radialen Lagerspiels von der Scheibe durchtrennt wird. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sie nur eine sehr einfache elektronische Strahlungsauswerteinrichtung zur überwachung des maximal zulässigen Lagerspiels erfordert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Vorrichtung unempfindlich gegen eventuelle Verschmutzung ist.
Die Schnittstellen der Strahlungsleiter sind vorzugsweise in axialer Richtung auf den Spalt ausgerichtet, doch können sie auch in tangentialer Richtung verlaufen, wodurch sich der zusätzliche Vorteil ergibt, daß dabei mittels einer umlaufenden Markierung an dem rotierenden Lagerelement auch noch dessen axiale Bewegung bzw. Schwingung erfaßt werden kann.
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Zweckmäßigerweise wird für die Strahlungsquelle Laserlicht verwendet, das aufgrund seiner monochromatischen Eigenschaften und parallelen Ausrichtung beim Durchgang durch den Spalt nur eine geringe Auslenkung erfährt. Diese Eigenschaften können noch durch Verwendung von Laserlicht hoher Frequenz verbessert werden, da die Beugungserscheinungen umso geringer sind, je kleiner die Wellenlängen des verwendeten Lichts im Vergleich zu den Abmessungen des Spaltes sind.
Der Meßwert kann durch die Anzahl der Schnittstellen gebildet werden, die jeweils dem Spalt oder dem Randbereich des rotierenden Lagerelements gegenüberliegen. Er kann auch durch die Intensität der Strahlung gebildet werden, durch die die elektronische Strahlungsauswerteinrichtung beaufschlagt wird. In beiden Fällen wird jedoch der Meßwert in eine elektrische, die Schwingung des rotierenden Lagerelements repräsentierende Meßgröße umgeformt.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die elektronische Strahlungsauswerteinrichtung Mittel zur optischen Darstellung des Spalts während des Stillstands des rotierenden Lagerelements. Hiermit kann beispielsweise mittels einer Mattscheibe in besonders einfacher und deutlicher Weise die Abnützung der Lagerelemente überprüft werden.
Damit die Schnittstellen während des Betriebs nicht verschmutzen und somit das Meßergebnis verfälschen, können sie mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt werden, wodurch im Meßwertgeberbereich eine Strömungsquelle geschaffen wird, die die Annäherung von Schmutzteilchen verhindert.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen anhand der Zeichnung.
Es zeigen
Fig. 1 die prinzipielle Anordnung der Schnittstellen der Strahlungsleiter in Bezug auf den von dem rotierenden und dem festen Lagerelement gebildeten Spalt,
Fig. 2 in schematischer Darstellung die Anordnung der Meßwertgeber im Bereich der Lagerstelle eines Abgasturboladers,
Fig. 3 die optische Darstellung des Spaltes
bzw. der Scheibe bei axialer Anordnung des Meßwertgebers,
Fig. 4 die optische Darstellung des Spaltes
bzw. der Scheibe bei tangentialer Anordnung des Meßwertgebers und
Fig. 5 einen Meßwertgeber mit konzentrisch angeordnetem Rohr zur Leitung von fließfähigem Medium.
In Fig. 1 ist ein Bündel 1 von Strahlungsleitern 2 dargestellt, die mit ihren Schnittstellen 3 auf einen Spalt gerichtet sind, der vom Randbereich eines rotierenden Lagerelements 5 und einem festen Lagerelement 6 gebildet wird. Das rotierende Lagerelement 5 weist am Umfang eine Kerbe
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auf. Das Bündel 1 von Strahlungsleitern 2 ist an eine nicht dargestellte elektronische Strahlungsauswerteinrichtung angeschlossen und wird von einer Strahlungsquelle beaufschlagt.
Im Betrieb wird die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung in den Strahlungsleitern 2 zu den Schnittstellen 3 geleitet, trifft von dort auf den vom rotierenden Lagerelement 5 und dem festen Lagerelement 6 gebildeten Spalt 4 auf und wird dort, je nach Dicke des Spalts 4, unterschiedlich reflektiert bzw. trifft wieder auf die Schnittstellen 3 auf. Die Veränderung der Spaltdicke ruft demnach auch eine entsprechende Veränderung der Intensität des Strahlungsflusses in den Strahlungsleitern 2 hervor, die in der elektronischen Strahlungsauswerteinrichtung in einen elektrischen Spannungs- und/oder Stromausschlag umgeformt wird. Man erzielt auf diese Weise einen der radialen Bewegung des rotierenden Lagerelements 5 analogen elektrischen Wert, der in bekannter Weise zur überwachung des LaufVerhaltens des Rotors verwendet werden kann.
Die im Randbereich des rotierenden Lagerelements 5 angeordnete Kerbe 7 ruft pro Umdrehung des rotierenden Lagerelementes 5 eine impulsartige Veränderung des Strahlungsflusses in den Strahlungsleitern 2 hervor, die in der elektronischen Strahlungsauswerteinrichtung in bekannter Weise zur Drehzahlmessung genutzt wird. Eine entsprechende impulsartige Veränderung des Strahlungsflusses kann statt einer Kerbe 7 auch mittels einer im Vergleich zum übrigen Randbereich besonders reflektierenden oder absorbierenden Stelle erzielt werden.
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Es kann somit die Laufruhe, die Abnutzung der Lagerteile bzw. das Lagerspiel sowie die Drehzahl einer mit einem Rotor ausgestatteten Maschine überwacht werden. Dieser liegt im Stillstand im Querlager unten und gestattet hier die Erfassung des radialen Lagerspiels, da die übliche Abnützung durch Unwucht und Schmutz fast rotationssymmetrisch erfolgt. Beim Hochlauf wandert der Rotor im Querlager und wird bei geringer Unwucht eine kleine Kreisbewegung ausführen und bei großer Unwucht entlang der Lagerinnerkontor laufen (großer Kreis oder Dreieck bei Mehrflächenlager). über die Messung der radialen Ausschläge des Rotors bzw. des rotierenden Lagerelements 5 durch Messung der Spaltdicke 4 können somit zuverlässige Werte zur überwachung des LaufVerhaltens ermittelt werden, wobei hierzu noch die jeweils herrschende Drehzahl mitberücksichtigt werden kann.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei, im Lagerbereich einer Abgasturbine angeordneten Bündeln 1 von Strahlungsleitern 2, deren Schnittstellen 3 einander exakt gegenüberliegend angeordnet sind. Der Spalt 4 wird dabei von einer Scheibe 8 und einem festen Lagerelement 9 gebildet, das am Lagerdeckel 10 angeordnet ist. Die Scheibe 8 ist drehfest mit einer Rotorwelle 11 verbunden, die ein Verdichterrad 12 trägt und über eine Gleitlagerschale im Gehäuse eines Abgasturboladers abgestützt ist. Von den Enden der beiden Bündel 1 ist das eine an eine Strahlungsquelle und das andere an eine elektronische Strahlungsauswerteinrichtung angeschlossen, während die Schnittstellen 3 der Strahlungsleiter 2 so angeordnet sind, daß sich immer jeweils zwei entsprechende Schnittstellen 3 exakt
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gegenüberliegen. Die Messung der Spaltdicke kann in der Weise erfolgen, daß in der elektronischen Strahlungsauswerteinrichtung jeweils die Strahlungsleiter gezählt werden, deren Schnittstellen von den dem Spalt 4 gegenüberliegenden Schnittstellen mit Licht beaufschlagt werden. Hierbei stellt die Anzahl der mit Licht beaufschlagten Strahlungsleiter den Meßwert für die radiale Stellung des rotierenden Lagerelements dar, der in eine die Schwingung des rotierenden Lagerelementes repräsentierende Meßgröße umgeformt wird. Statt der Anzahl der mit Licht beaufschlagten Strahlungsleiter kann auch die Schwankung der Strahlungsintensität sämtlicher Strahlungsleiter 2 zur Darstellung des Schwingungsverhaltens herangezogen werden, wie es bereits zur Ausführungsform nach Fig. 1 beschrieben wurde.
Vorzugsweise wird für die Strahlungsquelle Laserlicht verwendet, das aufgrund seiner monochromatischen Eigenschaften und parallelen Ausrichtung beim Durchgang durch den Spalt 4 nur eine geringe Auslenkung erfährt. Diese Eigenschaften können noch durch Verwendung von Laserlicht hoher Frequenz verbessert werden, da die Beugungserscheinungen umso geringer sind, je kleiner die Wellenlängen des verwendeten Lichts im Vergleich zu den Abmessungen des Spalts 4 sind.
In der Darstellung nach Fig. 2 sind die Schnittstellen 3 in axialer Richtung auf den Spalt 4 gerichtet, was bei entsprechender Ausrüstung der elektronischen Strahlungsauswerteinrichtung mit Mitteln zur optischen Darstellung der Verhältnisse am Spalt 4 im Stillstand zu einem Bild führt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Es kann z. B.
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auf einer Mattscheibe 15 erzeugt werden.
Die Schnittstellen 3 können jedoch auch in tangentialer Richtung auf den Spalt ausgerichtet werden, was im Stillstand zu einer Abbildung der Scheibe und des Spalts entsprechend der Fig. 4 führt. Diese Darstellungsweise erlaubt nicht nur Rückschlüsse über den Grad der Abnutzung des Querlagers, sondern auch des Axiallagers.
Die Auswertung des Meßergebnisses kann in der elektronischen Strahlungsauswerteinrichtung dahingehend erfolgen, daß zu dem Strahlungsmeßwert noch ein einstellbarer Schwellwert addiert wird und bei Überschreitung des Endwertes Alarm ausgelöst oder die Maschine automatisch abgestellt wird, wodurch sich größere Beschädigungen durch zu spätes Eingreifen des Betriebspersonals vermeiden lassen. Die Auslösung eines Alarms kann auch dadurch erfolgen, daß mindestens ein Strahlungsleiter in einem dem maximal zulässigen Lagerspiel entsprechenden radialen Abstand vom rotierenden Lagerelement 5 ohne Schnittstellen 3 durchgehend angeordnet ist, der bei Überschreitung des maximal zulässigen Lagerspiels vom rotierenden Lagerelement 5 bzw. der Scheibe 8 mechanisch durchtrennt wird.
In einer praktischen Ausführungsform liegt das radiale Lagerspiel bei 0,2 mm, das axiale Lagerspiel bei 0,25 mm. Das Bündel von Strahlungsleitern 2 besitzt einen Durchmesser von 1 mm und die einzelnen Strahlungsleiter einen Durchmesser 0,1 mm. Hiermit läßt sich ein ausreichendes Meßbild erstellen, wobei zusätzlich im radial äußeren Bereich von 0,3 bis 0,5 mm auch noch durchgehende Strahlungsleiter 2 angeordnet werden können, die bei übersehrei-
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tung des maximal zulässigen Lagerspiels durchtrennt werden. In hierzu entsprechender Weise können zur Überwachung des axialen Lagerspiels auch durchgehende Strahlungsleiter 2 seitlich des rotierenden Lagerelements 5 bzw. der Scheibe 8 angeordnet werden.
Die Überwachung des Lagerspiels mit durchgehenden Strahlungsleitern 2 hat den Vorteil, daß hierbei die Wirksamkeit der Meßwertgeber nicht durch Verschmutzung beeinträchtigt werden kann. Diese läßt sich jedoch an den übrigen Meßstellen in einfacher Weise dadurch ausschließen, daß die Schnittstellen 3 mit unter Druck stehendem Fluid, beispielsweise mit Preßluft, beaufschlagt werden, wodurch im Meßwertgeberbereich eine Strömungsquelle geschaffen wird, die die Annäherung von Schmutzteilchen verhindert. In der Ausführungsform nach Fig. 5 wird die Preßluft in einer zum Bündel 1 konzentrisch angeordneten Rohrleitung 16 geführt, was den Vorteil ergibt, daß die Luft über den gesamten Umfang von der Meßstelle abströmt und somit an keiner Stelle ein Eindringen von Schmutzteilchen zuläßt.
Über dieselbe Leitung kann auch in bestimmten Zeitabständen eine Reinigungsflüssigkeit geleitet werden, um völlig sicherzustellen, daß sich an der Meßstelle keine, das Meßergebnis beeinträchtigenden Schmutzteilchen absetzen.
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Claims (17)

PB 2939/1353 - Patentansprüche:
1.) Vorrichtung zur Überwachung von Betriebswerten eines Lagers, insbesondere des Lagers eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mittels eines hinsichtlich des rotierenden Lagerelementes berührungsfreien Meßwertgebers und einer nachgeordneten elektronischen Auswerteinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber von den Schnittstellen (3) mindestens eines Bündels (1) von Strahlungsleitern (2) gebildet ist, daß die Strahlungsleiter (2) an eine Strahlungsquelle und an eine elektronische Strahlungsauswerteinrichtung angeschlossen sind, daß die Schnittstellen (3) auf den durch das rotierende Lagerelement (5) und ein festes Lagerelement (6) gebildeten Spalt (4) gerichtet sind, daß die Schnittstelle (3) eines oder mehrerer Strahlungsleiter (2) auf den Rand des rotierenden Lagerelementes (5) gerichtet ist, der am Umfang zwecks Drehzahlmessung mindestens einen Bereich aufweist, an dem Mittel (7) zur impulsartigen Veränderung des Strahlungsflusses in den Strahlungsleitern (2) angeordnet sind und daß diesen Strahlungsleitern in der elektronischen Strahlungsauswerteinrichtung eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl zugeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bündel (1) von Strahlungsleitern (2) angeordnet sind, von denen das eine an eine Strahlungs-
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quelle und das andere an die elektronische Strahlungsauswerteinrichtung angeschlossen ist und daß die Schnittstellen (3) einander entsprechender Strahlungsleiter (2) gegenüberliegend und zu beiden Seiten des Spaltes(4) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen (3) der Strahlungsleiter (2) den Spalt (4) in radialer Richtung abdeckend angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (4) durch eine nahe dem Lager angeordnete, fest mit dem Rotor verbundene Scheibe (8) und ein festes Gehäuseteil (9) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strahlungsleiter (2) in einem dem maximal zulässigen Lagerspiel entsprechenden radialen Abstand vom rotierenden Lagerelement (5) bzw. der Scheibe (8) durchgehend angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen (3) der Strahlungsleiter (2) in axialer Richtung auf den Spalt (4) gerichtet sind.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen (3) der Strahlungsleiter (2) in tangentialer Richtung auf den Spalt (4) gerichtet sind.
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8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Laser-Lichtquelle ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert durch die Anzahl der Schnittstellen gebildet wird, die jeweils dem Spalt oder dem Randbereich des rotierenden Lagerelements gegenüberliegen und daß der Meßwert in der elektronischen Strahlungsauswerteinrichtung zu einer die Schwingung des rotierenden Lager-· elementes (5) repräsentierenden elektrischen Meßgröße umgeformt wird.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert durch die Intensität der Strahlung gebildet wird, durch die die elektronische Strahlungsauswerteinrichtung beaufschlagt und dort in eine elektrische, die Schwingung des rotierenden Lagerelementes (5) repräsentierende Meßgröße umgeformt wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden und/oder die Frequenzen der Schwingungen des rotierenden Lagerelementes (5) die Meßgröße bilden.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Strahlungsmeßwert noch ein einstellbarer Schwellwert addiert wird und bei Überschreitung des Endwertes Alarm ausgelöst wird.
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13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Strahlungsauswerteinrichtung Mittel zur optischen Darstellung des Spaltes (4) während des Stillstandes des rotierenden Lagerelementes (5) aufweist.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnitt-, stellen (3) mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagbar sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Preßluft ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid aus einer intervallmäßig zugeführten Reinigungsflüssigkeit besteht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einem zum Bündel (1) der Strahlungsleiter (2) konzentrischen Rohr (15) geführt ist.
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