EP2737289A1 - Verfahren und anordnung zur überwachung von zahnrädern im betrieb - Google Patents

Verfahren und anordnung zur überwachung von zahnrädern im betrieb

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EP2737289A1
EP2737289A1 EP12769958.5A EP12769958A EP2737289A1 EP 2737289 A1 EP2737289 A1 EP 2737289A1 EP 12769958 A EP12769958 A EP 12769958A EP 2737289 A1 EP2737289 A1 EP 2737289A1
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EP
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gear
magneto
sensor
elastic
gears
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Withdrawn
Application number
EP12769958.5A
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English (en)
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Inventor
Carl Udo Maier
Jochen Ostermaier
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00Testing of machine parts
    • G01M13/02Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/021Gearings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means

Definitions

  • the invention relates to the monitoring of gears whose load during operation can be very high and in case of damage, the replacement of the gear or an entire system is not agile ⁇ .
  • a two-dimensional, i. planar trained, sensor array has a plurality of magneto-elastic sensors which span a surface.
  • Figure 2 is a view corresponding to Figure 1, which is rotated by 90 °.
  • a magneto-elastic sensor 1 is based on the effect of the magnetic permeability change with change in length.
  • the magnetic properties of a material are influenced by occurring mechanical forces acting on the material.
  • the corresponding sensors are characterized by high measuring accuracy and directly measure a force.
  • a sensor of this type is positioned without contact at a certain distance from the object to be measured and can be used during operation.
  • torques on force-transmitting waves can be measured by contactlessly measuring the changes in the permeabilities of a shaft by means of a magneto-elastic sensor.
  • a non-destructive moni ⁇ monitoring of gears is possible, which are subject to mechanical stresses by externally applied forces. It is measured during operation on gears. If a use of a component to be carried out against a quality assurance to be made, the operation can also be simulated, where largely similar operational states Herge ⁇ represents be. For example, one gear is engaged with another gear and a check is made. the gear loaded as in operation. By a magneto ⁇ elastic sensor, the load is measured in simulated operation, so that the forces in the gear to be monitored ⁇ are taken and, for example, certain setpoints of mechanical load to be approached.

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

Verfahren zur Überwachung von Zahnrädern im Betrieb unter Einsatz mindestens eines berührungslos messenden magneto-elastischen Sensors (1), zur Aufnahme von Permeabilitätsänderungen bei vorhandenen mechanischen Spannungen in dem Zahnrad, wobei die Positionierung des mindestens einen magneto-elastischen Sensors (1) an dem zu überwachenden Zahnrad, derart geschieht, dass dieser im Bereich von hohen auftretenden Belastungen das Zahnrad erfasst und durch die Messung von Permeabilitätsänderungen Kräfte ermittelt werden können. Einsatz: Berührungslose Datenermittlung an Zahnrädern.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Überwachung von Zahnrädern im Betrieb
Die Erfindung betrifft die Überwachung von Zahnrädern, deren Belastung im Betrieb sehr hoch sein kann und im Schadensfall der Austausch des Zahnrades oder eines gesamten Systems not¬ wendig wird.
Das Problem, einen Zahnradbruch zu vermeiden, kann bisher lediglich durch indirekte Verfahren behandelt werden. Dabei können zum einen die Länge eines Instandhaltungsintervalls verkürzt und die entsprechend kritischen Bauteile bei Ver- dacht auf Ermüdung ausgetauscht werden. Zum anderen kann eine Überwachung des Antriebstroms eingerichtet werden, um Über¬ lastungen, insbesondere im Betrieb, festzustellen.
Beide Verfahrensweisen sind jedoch mit Nachteilen verbunden. Das erste Verfahren ist mit hohen Kosten verbunden, da zum einen auf der Hardwareseite Bauteile zu ersetzen sind und zum anderen verursachen Stillstandszeiten eine niedrigere Produktivität . Das zweite Verfahren ist insgesamt sehr ungenau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um Zahnräder im Betrieb berührungslos zu überwachen.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht jeweils durch die Merk¬ malskombination eines unabhängig formulierten Patentanspruchs . Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die zerstörungsfreie Messung der mechanischen Spannungen während des Betriebs an einem Zahnrad eine Überwachung auf einen be¬ vorstehenden Ausfall des Zahnrads oder des gesamten Zahnrad- Systems ermöglicht wird. Dies geschieht durch den Einsatz ei¬ nes magneto-elastischen Sensors, welcher an einem zu überwachenden Zahnrad vornehmlich an der Stirnseite und insbesonde¬ re dort, wo die größten mechanischen Belastungen auftreten, angesetzt wird. Dies bedeutet, dass der magneto-elastische Sensor in der Regel parallel zur Achse des Zahnrads ausge¬ richtet ist und einen geringen Abstand zur Oberfläche des Zahnrads aufweist. Es werden in der Regel Bereiche eines Zahnrads überwacht, in welche die größten mechanischen Belas- tungen auftreten.
Ein magneto-elastischer Sensor misst die Permeabilität beim Auftreten von mechanischen Spannungen im ferromagnetischen Werkstück. Diese mechanischen Spannungen verändern sich bei wechselnder Belastung des Zahnrads. Wird ein solches Zahnrad überbelastet, so kann dies von dem magneto-elastischen Sensor festgestellt werden und das Zahnrad oder ein Zahnradsystem kann rechtzeitig vor einem Bruch abgeschaltet werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn dieses Verfahren mit einer Frequenzanalyse kombiniert wird. Damit lassen sich beispiels¬ weise die Zahneingriffsfrequenzen berechnen. Somit können zusätzliche Informationen, beispielsweise über einen Zustand eines Getriebes, gewonnen werden.
Wird ein zusätzlicher magneto-elastischer Sensor eingesetzt, so können zusätzlich weitere Kräfte direkt gemessen werden. Dies erfordert, dass die Ausrichtung der hauptsächlichen Empfindlichkeit des zusätzlichen magneto-elastischen Sensors re- lativ zum mindestens einen Sensor verändert ist. Die Anpas¬ sung kann durch Verstellung des Sensorkopfes des zusätzlichen magneto-elastischen Sensors geschehen.
Es ist vorteilhaft zur Verbesserung der örtlichen Auflösung der Kraftverteilung ein magneto-elastisches Sensorarray ein¬ zusetzen. Dies kann zunächst in Form einer Darstellung eines eindimensional auflösenden Zeilensensors realisiert werden. In diesem Sensor sind mehrere magneto-elastische Sensoren in einer Zeile hintereinander angeordnet.
Ein zweidimensional, d.h. flächig ausgebildetes, Sensorarray weist eine Vielzahl von magneto-elastischen Sensoren auf, die eine Fläche aufspannen.
Es ist besonders vorteilhaft, die Überwachung auch zur Quali¬ tätskontrolle von Zahnrädern einzusetzen. Zahnräder werden da bei im simulierten Betrieb überwacht, sodass die mechanischen Belastungen annähernd der Realität entsprechen. Der Betrieb wird in diesem Fall jedoch simuliert.
So können sowohl im realen Betrieb als auch im simulierten Betrieb statische oder dynamische Zustände überwacht werden. Mit dem Verfahren kann sehr genau die Belastbarkeit bzw. die Belastung eines oder mehrerer Zahnräder untersucht werden.
Mit dem gleichen Verfahren lassen sich auch die Umdrehungs- zahl und die aktuelle Winkelposition des Zahnrads aufgrund der mechanischen Spannungen im Bauteil zeitaufgelöst ermitteln .
Wird die Positionierung des magneto-elastischen Sensors fron- tal oder seitlich in die Nähe der Zähne eines Zahnrads ausge¬ führt, so lässt sich das Profil des Zahnrads erkennen. Daraus können in vorteilhafter Weise Abweichungen in der Geometrie festgestellt werden. Damit kann wiederum eine Überwachung auf Abnützung oder auf Schadensfälle ausgeführt werden.
Die Ausführung eines Verfahrens entsprechend der Erfindung kann in vorteilhafter Weise durch eine Sensoranordnung geschehen, die zur Erfassung von Spannungen an einem Zahnrad geeignet ist. Dies geschieht mit dem Einsatz eines oder meh- rer magneto-elastischer Sensoren, die zerstörungsfrei die mechanischen Spannungen während des Betriebs an einem oder mehreren Zahnrädern aufnehmen können, beispielsweise im Bereich gegenseitigen Eingriffs. Im Folgenden wird anhand der schematischen Figuren ein die Erfindung nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel beschrie¬ ben. Es zeigen:
Figur 1 eine Zahnradüberwachung mit einem berührungslos arbeitenden magneto-elastischen Sensor 1, der auf ein zu überwachendes Zahnrad 3 ausgerichtet ist sowie ein im Eingriff mit dem Zahnrad 3 ste- hendes Zahnrad 2,
Figur 2 eine Ansicht entsprechend Figur 1, welche um 90° gedreht ist. Ein magneto-elastischer Sensor 1 beruht auf dem Effekt der magnetischen Permeabilitätsänderung bei Längenänderung. Dabei werden die magnetischen Eigenschaften eines Materials von auftretenden mechanischen Kräften beeinflusst, welche auf das Material einwirken.
Die entsprechenden Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus und messen direkt eine Kraft. Ein Sensor dieser Art wird berührungslos in einem bestimmten Abstand vom zu messenden Objekt positioniert und kann im Betrieb verwen- det werden. So können beispielsweise Drehmomente an Kraft übertragenden Wellen gemessen werden, indem kontaktlos mittels eines magneto-elastischen Sensors die Veränderungen der Permeabilitäten einer Welle gemessen werden. Entsprechend der Erfindung wird eine zerstörungsfreie Überwa¬ chung von Zahnrädern ermöglicht, welche mechanischen Spannungen durch von außen einwirkende Kräfte unterworfen sind. Dabei wird im Betrieb an Zahnrädern gemessen. Soll eine vor einem Einsatz eines Bauteils durchzuführende Qualitätssicherung vorgenommen werden, so kann der Betrieb auch simuliert werden, wobei weitestgehend betriebsähnliche Zustände herge¬ stellt werden. So wird beispielsweise ein Zahnrad mit einem weiteren Zahnrad in Eingriff gebracht und ein zu überprüfen- des Zahnrad wie im Betrieb belastet. Durch einen magneto¬ elastischen Sensor wird die Belastung im simulierten Betrieb gemessen, so dass die Kräfte im zu überwachenden Zahnrad auf¬ genommen werden und beispielsweise bestimmte Sollwerte mecha- nischer Belastung angefahren werden.
Damit wird es ermöglicht, einen Bruch oder eine Zerstörung von Maschinen zu verhindern, indem der Betrieb dieser Bauteile oder Anlagen rechtzeitig eingestellt wird. Insgesamt kön- nen insbesondere Instandhaltungsintervalle verlängert werden. Damit werden nicht Bauteile ausgetauscht, die bei regelmäßi¬ gen Inspektionen noch nicht ermüdet sind. Somit können Stand¬ zeiten von Anlagen verlängert werden. Falls ein Bauteil an sich nicht ferromagnetisch aufgebaut ist, kann beispielsweise, zumindest partiell, eine ferromag- netische Schicht oberflächlich aufgetragen werden. Damit ist eine Ankopplung eines magneto-elastischen Sensors zur Messung von im Bauteil auftretenden Kräften mit hoher Genauigkeit möglich.
In Figur 1 sind zwei gegenseitig eingreifende Zahnräder 2, 3 in der Seitenansicht dargestellt, sodass die Zähne von außen sichtbar sind. Der magneto-elastische Sensor 1 ist, versetzt zur Drehachse, des zu überwachenden Zahnrads 3 in der Nähe der Stirnseite bzw. im Bereich einer hohen Belastung des Zahnrades mit Abstand zur Oberfläche des Zahnrads positio¬ niert . Figur 2 zeigt eine Ansicht, die relativ zu der Darstellung in Figur 1 um 90° gedreht ist. Die beiden Zahnräder 2, 3 sind jetzt stirnseitig sichtbar und die Darstellung der jeweiligen Zähne der Zahnräder ist lediglich durch Darstellung der jeweiligen Teilkreise der Zahnräder illustriert.
Die genaue Positionierung des magneto-elastischen Sensors 1 wird nach den entsprechenden Anforderungen eingestellt. In Figur 2 ist der magneto-elastische Sensor 1 in etwa auf die Wurzeln der Zahnräder des zu überwachenden Zahnrads 3 ausgerichtet. Somit können Kräfte in dem in der Regel höchst be¬ lasteten Bereich eines Zahnrads aufgenommen werden. Weiterhin kann ein Vergleich mit Sollwerten durchgeführt werden, sodass vorgegebene Höchstbelastungen unterbleiben oder die Betriebsweise entsprechend geändert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung von Zahnrädern im Betrieb, unter Einsatz mindestens eines berührungslos messenden magne- to-elastischen Sensors (1), zur Aufnahme von Permeabilitäts¬ änderungen bei vorhandenen mechanischen Spannungen in dem Zahnrad,
wobei die Positionierung des mindestens einen magneto¬ elastischen Sensors (1) an dem zu überwachenden Zahnrad, der- art geschieht, dass dieser im Bereich von hohen auftretenden Belastungen das Zahnrad erfasst und durch die Messung von Permeabilitätsänderungen auftretende Kräfte ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
die von dem mindestens einen magneto-elastischen Sensor (1) ermittelten Kräfte mit Sollwerten verglichen werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Frequenzanalyse durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sensorzeile mit mehreren, hintereinander angeordneten magneto-elastischen Sensoren (1) eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei ein zweidimensionales Sensorarray eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Qualitätsüberwachung von Zahnrädern durchgeführt wird, indem Zahnräder wie im Betrieb belastet und gemessen werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Parameter wie Umdrehungszahl, aktuelle Winkelposition, zeitaufgelöst, mechanische Spannungen gemessen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine magneto-elastische Sensor (1) derart zum Zahnrad positioniert wird, dass das Zahnrad im Profil darge- stellt wird und/oder Abweichungen von einer Soll-Geometrie ermittelt werden können.
9. Sensoranordnung zur Erfassung von Spannungen an mindestens einem Zahnrad mit der Durchführung eines Verfahrens entspre¬ chend einem der Ansprüche 1-8, bestehend aus einer Sensorzei¬ le mit mehreren, hintereinander positionierten auf ein Zahnrad ausgerichteten magneto-elastischen Sensoren (1) zur Messung von Permeabilitätsänderungen im Zahnrad, sowie der DarStellung von zugehörenden Kräften.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, wobei ein zweidimensionales Sensorarray vorhanden ist, welches auf das Zahnrad aus¬ gerichtet ist.
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