DE4441828A1

DE4441828A1 - Verfahren und Anordnung zur Gleitlagerdiagnose mittels Magnetfeldmessung

Info

Publication number: DE4441828A1
Application number: DE19944441828
Authority: DE
Inventors: Helmar Dr Ing Bittner; Thomas Dipl Ing Kluth
Original assignee: Individual
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 1995-06-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung mit der Gleitlagerzustände, die von außen hervorgerufen werden oder aus dem Gleitlager selbst resultieren, ermittelbar sind. Von außen hervorgerufene Zustände sind Unwucht und Last. Am Lager selbst sind die Zustände Verschleiß und Mangelschmierung ermittelbar.

Dieses Verfahren ist sowohl für die Gleitlagerdiagnose während des Betriebs als auch zur Qualitätsprüfung verwendbar. Das Verfahren ist auch für andere Einrichtungen, wie z. B. Gleitringdichtungen, geeignet.

Gleitlager sind auf Grund ihrer Eigenschaften

- geringer bzw. kein Verschleiß im Normalbetrieb,
- einfache Konstruktion,
- ruhiger Lauf,
- hohe Belastbarkeit

in exponierten Anlagen von Kraftwerken (Generatoren, Pumpen, Turbinen), in Anlagen anderer Industriebereiche und im Kraftfahrzeugmotor enthalten.
Ausfälle von Gleitlagern sind sehr selten. Der Ausfall der Schmierung oder nicht exakte Schmierverhältnisse führen zu Misch- und Festkörperreibung, die zum Ausfall des Lagers führt.
Nicht exakte Schmierverhältnisse können durch extreme Belastungen oder Unwuchten erzeugt werden. Ein Lagerausfall hat in der Regel die Zerstörung des geführten Aggregats zur Folge.
Folglich werden Gleitlager direkt bzw. indirekt überwacht, wobei die verwendeten Methoden zumeist über die Temperaturmessung des Lagermetalls bzw. die Temperaturmessung des umgebenden Mediums nicht hinausgehen.

Da diese Verfahren die Zustände Last, Unwucht, Verschleiß nicht erkennen und Mangelschmierung mit der folgenden Überhitzung durch Reibung auch schlecht erkannt wird, wurde die Ermittlung von Lagerzuständen Gegenstand von Forschungen:
Es entstanden Temperaturmeßverfahren, die auf Sensoranordnungen direkt am Reibungsort beruhen, siehe:
Baumann, H.: Vorrichtung zum Messen der Temperatur bei Schmierkontakten oder dergleichen. DE-OS 36 16 379 A1;
Schwarz, F.: Verfahren zur Temperaturmessung auf der Gleitfläche von Gleitlagern. DE-OS 34 18 451 A1;
Schwarz, F.: Einrichtung zur Bestimmung der in der Gleitschicht eines Gleitlagers an einer bestimmten Stelle herrschenden Temperatur. DE-PS 34 18 448 C2.

Der Sensibilität der Temperaturmessung wirken die meist vorgenommene Zwangsumlaufschmierung bzw. die großen umgebenden Metall- und Ölmassen entgegen, so daß die Verfahren nicht überall einsetzbar sind. Diese Verfahren bedürfen weiterhin konstruktiver Veränderungen im Lager zur Sensoraufnahme. Die Schmiermittelüberwachung, z. B.
Jung, H.; Behrens, W.; Alberti, G.: Verfahren und Vorrichtung für tribologische Messungen an Emulsionen. DE-OS 31 08 215 A1;
Fodor, J.; Balog, A.; Beke, J.: Verfahren zum Anzeigen im Voraus der Schadhaftwerdung von tribologischen Systemen. DE-OS 32 32 132 A1, als andere praktizierte Form der Gleitlagerdiagnose kann nur nachträglich das Vorliegen eines extremen Zustands bestätigen, da sie auf tribologischen Untersuchungen beruht. Sie ist somit nicht zur schnellen Gleitlagerdiagnose während des Betriebs geeignet. Es wurde auch immer wieder versucht, Gleitlager bzw. andere verschleißende Einrichtungen mit zusätzlichen, den gleichen Beanspruchungen unterworfenen Prüfkörpern zu diagnostizieren:
Buck, V.: Verfahren zur Bestimmung des Reibmoments eines Meßlagers. DE-OS 35 36 474 A1;
Frederiksen, E.: Kapazitiver Meßgrößenaufnehmer. DE-OS 32 41 810 A1;
Volger, A.: Vorrichtung zur Messung des Verschleißes von Verschleißblöcken. DE-OS 30 07 887 A1;
Berthold, R.: Mess- und/oder Überwachungseinrichtung für Lagerverschleiß. DE-OS 28 42 231 A1;
Zechmeister, J.; Riebel, H.: Verschleißindikator für eine Gleitringdichtung. DE-PS 34 44 175 C1.

Die Schwingungsanalyse und die Schallemissionsanalyse, siehe:
Freimark, M.: Großschaden an einer Gasturbine - Ursachen und Abhilfe. Allianz-Report "Der Maschinenschaden", 66 (1993) 2, S. 14 . . . 22;
Lösche,T.; Sattler, H.: Gleitlager und Wälzlager. VDI-Z 135 (1993) 11, 12, S. 88 . . 102;
Ellmer, G.: Anwendung des Kurzzeiteffektivwerts der Schallemission bei der Gleitlagerdiagnose. Dissertation, TH Zittau, 1991, 345/91;
Uhlemann, St.: Diagnose von Reibungszustandsänderungen in ölgeschmierten Gleitpaarungen. Dissertation, TH Zittau, 1986, 222/86;
Lerche, H.: Diagnose an Gleitringdichtungen mittels Schallemission. Dissertation, TH Zittau, 1989, 321/89;
Sturm, A.; Förster, R.; Ellmer, G.; Thalinger, R.: Verfahren und Anordnung zur Ursachenerkennung von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern. DE-OS 41 23 576 A1;
Kurihara, N.; Nishikawa, M.; Takechi, M.: Verfahren zur Diagnose der Vibration einer Rotationsmaschine. DE-OS 30 31 812 A1;
Wilhelm, S.; Ehlers, U.: Vorrichtung zum Messen der Dickenänderung von Verschleißteilen. DE-OS-36 40 701 A1;
Vykoupil, P.: Verfahren zur Schadensfrüherkennung. DE-OS 32 45 505 A1;
Schöckle, S.: Verfahren zur Schadensverhütung an einer Maschine oder Vorrichtung. DE-OS 39 07 419 A1;
Schneider, W.; Arnold, Ch.; Matschke, E.; Saretz, M.; Rothe, M.; Weigel, M.; Boetius, J.: Verfahren zum Erzeugen eines Schutzsignals für rotierende Maschinen zur Verhinderung von Havarien. DE-OS 40 20 119 A1;
Walter, G.; Sunder,R.: Erfahrungen mit der schwingungsdiagnostischen On-line-Überwachung am 900 MW Turbosatz des Kernkraftwerks Isar 1.
Teil 1: Allianz Report "Der Maschinenschaden" 67 (1994) 2, S. 60 . . . 69
Teil 2: Allianz Report "Der Maschinenschaden" 67 (1994) 4, S. 146 . . . 153 sind neuere Formen der Gleitlagerüberwachung.

Bei der Schwingungsanalyse nimmt man an, daß das Aufreißen des Ölfilms oder bereits verschlissene Lager, deren Geometrie sich geändert hat, andere bzw. größere Schwingungen provozieren als sie im Normalzustand vorhanden waren. Die Tendenz der Schwingungen wird beobachtet, um rechtzeitig auf Veränderungen zu reagieren. Nachteilig wirken sich die Betriebsbedingungen gleitgelagerter Maschinen aus, die meist hohen oder extremen Belastungen ausgesetzt sind. Folglich entstehen im Normalzustand bereits hohe und sehr variable Schwingungen. Weiterhin setzt diese Betrachtung natürlich eine Ausgangszustandsmessung als Vergleichsbasis voraus, die in den seltensten Fällen realisiert wurde.

Die Schallemissionsanalyse beruht auf der Vorstellung, daß bei Mischreibungen im Gleitlager Rauhigkeitsspitzen der Lageroberflächen beansprucht bzw. verschliffen werden, womit Schall emittiert wird. Damit könnte dieses Verfahren eine Möglichkeit zur Beurteilung des Lagerzustands im Betrieb werden. Bislang sind diese Schallemissionen nicht immer gesichert nachgewiesen worden. Der Vergleich der über die gleitgelagerten Aggregate erfolgenden Energieumsätze mit der Energiefreisetzung bei ersten Berührungen der Lagerelemente scheint eine Erklärung dafür zu sein. Die Stromabflußmessung über Gleitlager, z. B.
Haller, R.; Burger, W.; Wollfarth, M.: Detektierung und Lokalisierung von Ermüdungsrissen in Gleitlagern mittels der elektrischen Widerstandsmessung. IME-Leitfaden zum Antriebstechnischen Kolloqium 1993, ist eine ebenso neue Methode wie die Schallemissionanalyse. Es wird davon ausgegangen, daß bei Berührungen der Lagerelemente ein Stromabfluß zwischen Welle und Lagerschale erfolgt, wenn zwischen Welle und Lager eine Spannung angelegt wird, siehe Fig. 1 - Gleitlagerdiagnose mittels Ableitstrommessung.

Das Verfahren wäre wegen seiner einfachen Sensorik sehr gut als Gleitlagerdiagnoseverfahren anwendbar, wenn die technische Umsetzung nicht von folgenden Problemen beeinflußt werden würde:

- Das Gleitlager muß vom übrigen Aggregat elektrisch isoliert werden, um den Ableitstrom zu messen.
In der Gleitlager- und Maschinenkonstruktion kommen aus Preisgründen und der allgemeinen Verläßlichkeit von Gleitlagern keine elektrisch isolierten Gleitlager vor. Einzig Generatorlager werden zur Verhinderung von Elektroerosion elektrisch isoliert.
- Es ist für die Messung eine zusätzliche Stromzufuhr notwendig. Diese Stromzufuhr erfordert aber keine konstruktiven Veränderungen am Aggregat.

Es muß also ein Gleitlagerdiagnoseverfahren geschaffen werden, daß keine anderen konstruktiven Änderungen am Aggregat erfordert als ggf. Aufnahmeeinrichtungen für Sensorik. Das Verfahren muß den geforderten Ansprüchen der Anstreiferkennung und der Verschleißdiagnose während des Betriebs genügen. Dieses Verfahren soll gleichermaßen die Belastungs- und Unwuchterkennung zulassen.

Für ein solches Verfahren sollten Zustandsmerkmale zugrundegelegt werden, die nicht durch andere, als die genannten Zustände hervorgerufen werden. Die bislang bekannte Ableitstromanalyse weist die besten Eigenschaften auf, so daß ein anderes Ableitstromverfahren die Forderungen erfüllen müßte.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß das Gleitlager bei Anstreifungen im Lager nicht nur einen elektrischen Kontakt darstellt, sondern einen exzentrischen Zylinderkondensator mit Welle und Lagerschale als Elektroden und Schmiermittel als Dielektrikum. Kapazitäten lassen sich nur über Wechselstromauswertungen analysieren, womit die bislang praktizierte Gleichstromeinspeisung in eine Wechselstromeinspeisung übergeht. Da keine konstruktiven Änderungen an der Lagerung zugelassen werden, kann der Ableitstrom über das Lager nicht direkt gemessen werden, sondern er muß aus einer Differenzmessung des vor der Lagerung in der Welle fließenden Stromes und des nach der Lagerung in der Welle fließenden Stromes ermittelt werden. Wechselströme bilden Magnetfelder aus, die in Spulen Spannungen induzieren. Die Spule, die ein dem umfaßten Strom proportionales Ausgangsresultat liefert, ist die Rogowskispule. Sie ist unempfindlich gegenüber Lageänderungen.
Die Anordnung zur Gleitlagerdiagnose mittels Magnetfeldmessung ist Fig. 2 entnehmbar. Die geschlossenen, in ihren Parametern identischen Rogowskispulen 1 und 2 sind in Differenz geschaltet, um die dem Ableitstrom Δi entsprechende Spannung e_ind zu erzeugen. Der Wechselstromerzeuger 3 speist über die Einspeiseeinrichtungen 4 und 5 den benötigten Wechselstrom i in die Welle. Lagerung 6 und Stromrückführung 5 von der Welle sind elektrisch miteinander verbunden.

Als Beleg der Funktion seien folgende Untersuchungen angeführt:

a) elektrotechnische Beschreibung

Die Bestimmung der Verhältnisse am exzentrischen Zylinderkondensator erfolgt wegen schlecht lösbarer Integrale indirekt über Näherungsbetrachtungen:
Dabei wird der zentrische Zylinderkondensator durch einen Plattenkondensator als Abwicklung des Zylinderkondensator genähert, um dann die Lagerexzentrität einzuarbeiten. Dazu wird für übliche Gleitlagerverhältnisse, großer Lagerbereich gegenüber kleinen Randbereichen das Randfeld vernachlässigt. Die Gleichungen der Kapazitäten lauten

beim Zylinderkondensator und

beim Plattenkondensator, wobei die geometrischen Größen beider Anordnungen Fig. 3 entnommen werden können.

Der Umfang des auf den Plattenkondensator abgewickelten Zylinderkondensators wurde auf (r_L + r_W)/2 festgelegt. Desweiteren ist ε = ε_oε_r die Dielektrizitätskonstante des Schmierstoffs, ε₀ die Dielektrizitätskonstante von Vakuum, ε_r = 1 für Luft und ε_r = 2 . . . 5 für verschiedene Öle.

Die relative Abweichung Δ_rel der Lagerkapazitäten lautet:

Tafel 1 gibt die Abweichungen für verschiedene fiktive Lager wieder, wobei 15 mm Lagerradius für in der Industrie befindliche exponierte Anlagen sehr gering sind.

Tafel 1

Näherung des Zylinder- durch einen Plattenkondensator

Tafel 1 belegt, daß die Näherung des Zylinderkondensators durch den Plattenkondensator über hinreichend geringe Abweichungen belegt ist.

Die Lagerexzentrität a bewirkt eine über dem Lagerwinkel ϕ veränderlichen Spaltweite s.

Die zur Spaltweitenbestimmung notwendigen Größen zeigt Fig. 4.
Die Länge des Lagerzeigers z_L zwischen Wellenmittelpunkt und Lageroberfläche ergibt sich über den Kosinussatz zu:

Diese Gleichung entspricht wegen a « r_L in guter Näherung

z_L = r_L - acosϕ (5)

womit sich die Spaltweite s über den Lagerwinkel ϕ zu

s = (r_L - r_W) - acosϕ (7)

berechnet.
Über eine Stückelung des Plattenkondensators in differentiell kleine Kapazitäten erhält man die Kapazität des exzentrischen Zylinderkondensators:

Eine Taylorreihenentwicklung der arctan-Funktion zur Bestimmung des Grenzwertes führt schließlich zu

die für a = 0 der Gleichung (2) des Plattenkondensators entspricht.
Tafel 2 gibt für verschiedene Spalte, Lagerexzentritäten und Größen die Kapazitäten an. Hierbei wurde b mit 47 mm und ε eines Schmieröls mit 2,0378 As/(Vm) festgelegt.

Tafel 2

Lagerkapazität für verschiedene Exzentritäten

Man erkennt, daß der Effekt hin zu größeren Lagern geringer wird.

Mit der Messung des ohmschen - und des kapazitiven Ableitstromes werden folgende Effekte, Tafel 3, nachweisbar.

Tafel 3

Zustandserkennung am Gleitlager

Der Ableitstrom durch ein nichtisoliertes Lager ist nur durch eine Differenzmessung eines durch die Welle fließenden Stromes über dem Lager möglich. Ströme bilden Magnetfelder aus, die durch Spulenanordnungen meßbar werden. Wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen Justierungen sind Rogowskispulen zu verwenden. Rogowskispulen sind lange, dünne, biegsame Spulen, siehe Fig. 5. Sie liefern eine dem umfaßten Strom θ proportionale Induktionsspannung e_ind nach folgender Gleichung

wobei ω die Kreisfrequenz des umfaßten Stromes, µ die Permeabilität des die Spule umgebenden Mediums, N die Windungszahl der Spule, A der Spulenquerschnitt und l die Spulenlänge ist. Diese Gleichung erhält man über das Einfügen der Gleichung des Induktionsgesetzes in die des Durchflutungsgesetzes.
Für das einmalige Umfassen (geschlossene Rogowskispule) des zu messenden Stromes i lautet Gleichung (10):

Es ist zu sehen, daß die bekannte Ableitstrommessung mit Gleichstrom in eine Ableitstrommessung mit Wechselstrom übergehen muß. Die Differenzmessung wird über 2 gleiche, geschlossene Rogoskispulen auf beiden Lagerseiten, siehe Fig. 2, realisiert.
Zum Abgleich möglicher Abweichungen beider Spulen empfiehlt sich eine Brückenschaltung.

Der notwendige Wechselstrom durch die Welle ist mit Schleifkontakten ohmsch oder kapazitiv einspeisbar, wobei Einspeisungen über den jeweiligen Wellenausschnitt des Lagers getrennt oder über die gesamte Welle möglich sind.

b) Verfahrensuntersuchungen

Hier soll die Verwendbarkeit des Verfahrens belegt werden. Die Untersuchungen wurden an einem dazu angefertigten Versuchstand, Fig. 6, durchgeführt. Die hydrodynamischen Radiallager wurden mit Tropfölern geschmiert. Das Belastungslager, ein Wälzlager, diente zur Lastaufnahme angehängter Gewichte. Alle Einrichtungen wurden auf einem schweren Maschinentisch befestigt. Die Spulenanordnungen befinden sich jeweils beidseitig der Lager. An dem Versuchsstand wurde die Meßanordnung, Fig. 7, realisiert. Im Fig. 7 sind u_ein die Einspeisespannung, i_ein der Einspeisestrom,
Δi₁, Δi₂ Ableitströme über die Lager,
Δi_Z, Δi_P, Δi_M parasitäre Ableitströme über die Zentrierspitze, parasitäre Kapazitäten und den Motor,
R_v ein Vorwiderstand.

Untersuchungen mit Lissajoufiguren wiesen folgende Ergebnisse aus, Fig. 8 bis 11, wobei

Fig. 8 die Lissajoufiguren in den Normalzuständen Ruhe und Betrieb der Welle,

Fig. 9 die Lissajoufiguren bei verschiedenen Unwuchten,

Fig. 10 die Lissajoufiguren bei verschiedenen vertikalen Belastungen und

Fig. 11 Lissajoufiguren bei Mangelschmierung zeigen.

Zur Erstellung der Lissajoufiguren wurde auf der Horizontalen die dem Ableitstrom entsprechende Differenzspannung und der Vertikalen die Einspeisespannung abgetragen. Dabei wurde das Aufliegen der Welle im Ruhezustand, Fig. 8, als Referenz auf einen Kreis normiert, um die anderen Zustände damit vergleichen zu können.

Fig. 8 weist deutlich das Aufliegen der Welle, d. h. den vorwiegend ohmschen Kontakt der Welle in der Lagerschale, gegenüber dem Normalbetrieb aus, wo der Kreis in eine schiefliegende Ellipse übergeht. Abweichungen zu erwarteten Bildern ergeben sich aus einer zusätzlichen Phasendrehung durch die Rogowskispule um 90 Grad und der Versuchsanordnung, bei der der eingespeiste Strom sich über über den Motor, die Gleitlager, Streukapazitäten und die Zentrierspitze verteilen konnte. Um andere Störungen zu eliminieren, wurde um die Meßfrequenz gefiltert.

Die Fig. 9 bis 11 zeigen, daß die verschiedenen Belastungen der Welle und damit des Lagers andere Verhältnisse provozieren. Für geschulte Augen sind Unterschiede bei vertikaler Belastung und Unwucht, Fig. 9 und 10, auswertbar. Für automatische Einrichtungen sind speziellere Auswerteverfahren zu konstruieren. Der Mangelschmierungsversuch, Fig. 11, der mit dem Festfahren der Welle im Lager endete, weist im Gegensatz zu den anderen Lastversuchen, Fig. 8 bis 10, auf anormale Zustände hin, die sich sogar in Winkelveränderungen der Lissajoufiguren bemerkbar machen. D.h, der nun auftretende ohmsche Ableitstromanteil wird ausgewiesen, womit Mischreibung vorliegt. Der Versuch, bei dem das Öl mit Spiritus aus dem Lager ausgewaschen wurde, verlief in ca. 45 min. Dargestellt sind die Zustände nach 20 min, 30 min und im Moment des Festfahrens.

Claims

1. Verfahren zur Gleitlagerdiagnose mittels Magentfeldmessung, bei dem in die Maschinenwelle ein Strom eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ableitstrom durch das Lager über eine Differenzmessung des Stromes, der vor dem Lager und der nach dem Lager in der Welle fließt, ermittelt wird,
- ein Wechselstrom in die Welle eingespeist wird,
- die durch die Ströme erzeugten Magnetfelder gemessen werden.

2. Anordnung zur Gleitlagerdiagnose mittels Magnetfeldmessung, bei dem in die Maschinenwelle ein Strom eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- jeweils links und rechts vom Lager 6 über die Welle eine Rogowskispule 1, 2 angebracht ist,
- die Rogowskispulen geschlossen und identisch sind,
- der Stromerzeuger 3 ein Wechselstromerzeuger ist,
- die Einspeiseinrichtungen 4, 5 als Kondensatorringe ausgeprägt sind, um eine berührungslose Stromeinspeisung zu realisieren,
- das Gleitlager 6 elektrisch mit der Stromabführung 5 von der Welle verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Strom entweder über das zu untersuchende Gleitlager oder über die gesamte Maschinenwelle eingespeist wird.

4. Anordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß Parameterabweichungen der Rogowskispulen über Brückenschaltungen abgeglichen werden.