EP4065852A1 - Selbstheilendes gleitlager - Google Patents

Selbstheilendes gleitlager

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EP4065852A1
EP4065852A1 EP20796736.5A EP20796736A EP4065852A1 EP 4065852 A1 EP4065852 A1 EP 4065852A1 EP 20796736 A EP20796736 A EP 20796736A EP 4065852 A1 EP4065852 A1 EP 4065852A1
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EP
European Patent Office
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speed
friction
bearing
plain bearing
self
Prior art date
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Pending
Application number
EP20796736.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maarten OOMS
Thomas Meinerz
Roger Karl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP4065852A1 publication Critical patent/EP4065852A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/12—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement characterised by features not related to the direction of the load
    • F16C17/24—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement characterised by features not related to the direction of the load with devices affected by abnormal or undesired positions, e.g. for preventing overheating, for safety
    • F16C17/246—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement characterised by features not related to the direction of the load with devices affected by abnormal or undesired positions, e.g. for preventing overheating, for safety related to wear, e.g. sensors for measuring wear
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G01M13/045—Acoustic or vibration analysis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2233/00—Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/31—Wind motors

Definitions

  • the invention relates to a method according to claim 1 and a control device according to claim 3.
  • Hydrodynamic plain bearings can be operated in different lubrication states. Possible lubrication conditions are: boundary friction, mixed friction or sliding friction. The transition between the friction states is fluid. Ideally, hydrodynamic plain bearings are operated exclusively with sliding friction. The sliding surfaces are completely separated by a stable lubricating film. In this operating state, there is no wear. However, an exclusive operation with sliding friction is not possible in many applications, for example in wind power transmissions. If boundary friction or mixed friction occurs, the bearing wears and ultimately fails in the advanced stage of wear.
  • a so-called self-healing wear effect is known from the prior art.
  • Self-healing wear effects are described, for example, in “Fast running de combustion engines” (H. Ricardo; Springer-Verlag, Berlin, 1926).
  • the self-healing wear effect makes it possible to smooth the running surfaces of a damaged plain bearing.
  • suitable operating points are approached in which mixed friction is present.
  • the mixed friction means that the previously created roughness is smoothed out again. So far, self-healing wear effects can only be achieved under laboratory conditions.
  • the lubrication condition of a plain bearing can be determined on the basis of structure-borne noise signals that are recorded with one or more acoustic emission sensors.
  • Corresponding procedures are described in "Classification of Journal Bearing Friction States based on Acoustic Emission Signals” (N. Mokhtari, C. Guhmann; TM-Technisches Messen, Vol. 85, Issue 6, 2018) and “Approach for the Migration of Hydrodynamic Journal Bearings based on Acoustic Emission Feature Change "(N. Mokhtari, C. Guhmann, S. Novolski; IEEE International Conference on Prognostics and Health Management (ICPHM), 2018). From “Vibra- tion Signal Analysis for the Lifetime Prediction and Failure Detection of Future Turbofan Components "(N. Mokhtari, M. Riskowski, C. Guhmann; Technische Mechanik 37, 2017) is a method for deriving a Stribeck curve from the Signals from acoustic emission sensors known.
  • the invention is based on the object of improving the operational safety of a plain bearing and preventing premature failures caused by damage. This object is achieved by a method according to claim 1 and a control device according to claim 3. Preferred developments result from claim 2 and the following description.
  • the method according to the invention enables the targeted use of self-healing wear effects in a sliding bearing that is in operation.
  • the invention is based on the knowledge that in order to use self-healing wear effects in a transmission that is in operation, valid knowledge about the current state of a plain bearing is required. As an indicator of the status, a speed is used, which is applied when the lubrication state of the plain bearing changes. Accordingly, the method according to the invention provides, as one of two alternatives, a first speed of the plain bearing to be determined at which a transition of the lubrication state takes place in the plain bearing or in a bearing gap of the plain bearing.
  • a relative speed of two relatively rotatable sliding surfaces of the plain bearing is referred to.
  • a bearing gap runs between the sliding surfaces in which, depending on the operating point, boundary friction, mixed friction or fluid friction occurs.
  • boundary friction mixed friction or fluid friction occurs.
  • a transition in the lubrication state is equivalent to a transition between boundary friction and mixed friction or between mixed friction and fluid friction.
  • a transition can therefore take place from boundary friction to mixed friction, from mixed friction to boundary friction, from mixed friction to fluid friction and / or from fluid friction to mixed friction.
  • the lubrication state or a transition of the lubrication state can, as mentioned above, be determined by methods known from the prior art. In particular, acoustic emission sensors can be used for this purpose.
  • the first speed indicates an operating point at which the friction in the plain bearing, i.e. in its bearing gap, is minimal. This means that the friction in the plain bearing is greater at any other speed than at the first speed. Friction denotes a moment of friction which the plain bearing opposes a relative rotation of the sliding surfaces due to the friction arising in the bearing gap
  • the said operating point is preferably determined using a Stribeck curve.
  • a Stribeck curve assigns the corresponding friction arising in the bearing to each speed of the Gleitla gers. Using the Stribeck curve, a speed can be determined at which the friction is minimal.
  • the first speed is higher, the worse the condition of the plain bearing is. In particular, roughened sliding surfaces lead to a higher first speed.
  • the first speed is therefore an indicator of any wear or damage to the plain bearing. According to the invention, the first speed is therefore used as an indicator for et waigen wear or damage to the plain bearing.
  • a threshold value with which the first speed is compared is used as a criterion for assessing the condition of the plain bearing.
  • the inventive method provides to regenerate the plain bearing through self-healing wear.
  • the bearing is thus operated in such a way that a self-healing wear effect occurs, ie the bearing is exposed to operating states in which a self-healing wear effect occurs. Other operating states are avoided. Typical of such operating conditions is the occurrence of mixed friction in the bearing gap.
  • a second speed is determined. This is preferably done following the method steps described above.
  • the second speed like the first speed, is characterized in that the lubrication state of the sliding bearing changes or the friction in the sliding bearing is minimal.
  • the first speed and the second speed are therefore determined in the same way. The above statements regarding the determination of the first speed apply mutatis mutandis to the second speed.
  • the second speed is used to check the self-healing effect. The lower the second speed, the more successful the self-healing process.
  • the second speed is preferably compared with the first speed. For example, the difference between the first speed and the second speed can be calculated. The greater this difference, the more successful the self-healing process.
  • the reference speed can be a speed at which a transition of the lubrication state of an undamaged reference bearing takes place, or at which the friction in the reference bearing is minimal.
  • a sliding bearing when new is preferably used as the reference bearing.
  • it can be the above-mentioned plain bearing when new. The reference speed is then determined before the plain bearing is installed.
  • a control device implements the method according to the invention or a preferred development.
  • a data processing device is referred to as a control unit.
  • FIG. 1 A preferred embodiment of the invention is shown in FIG. 1 in detail shows:
  • Fig. 1 shows two Stribeck curves.
  • a first Stribeck curve 101 and a second Stribeck curve 103 are provided.
  • the three operating states boundary friction 105, mixed friction 107 and fluid friction 109 are assigned to the first Stribeck curve 101.
  • release point B a transition from mixed friction 107 to fluid friction 109 takes place.
  • point A the friction is minimal.
  • the first Stribeck curve 101 merges into the second Stribeck curve.
  • the second Stribeck curve 103 is shifted compared to the first Stribeck curve in the direction of lower speeds or to the left. Points A and B have been shifted accordingly.
  • the distance between the corresponding points A, B of the two Stribeck curves 101, 103 can therefore be used as an indicator of the success of self-healing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleitlagers; mit den Schritten ermitteln einer ersten Drehzahl, bei der ein Übergang des Schmierungszustands stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Gleitlager minimal ist; vergleichen der ersten Drehzahl mit einem Schwellwert; und wenn die Drehzahl den Schwellwert überschritten hat, Betrieb des Lagers derart, dass sich ein selbstheilender Ver- schleißeffekt einstellt.

Description

Selbstheilendes Gleitlager
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Steuergerät nach An spruch 3.
Hydrodynamische Gleitlager können in verschiedenen Schmierungszuständen be trieben werden. Mögliche Schmierungszustände sind: Grenzreibung, Mischreibung oder Gleitreibung. Der Übergang zwischen den Reibungszuständen ist fließend. Ide alerweise werden hydrodynamische Gleitlager ausschließlich mit Gleitreibung betrie ben. Dabei werden die Gleitflächen vollständig durch einen tragfähigen Schmierfilm getrennt. In diesem Betriebszustand tritt kein Verschleiß auf. Allerdings ist ein aus schließlicher Betrieb mit Gleitreibung in vielen Anwendungen, beispielsweise in Windkraftgetrieben, nicht möglich. Kommt es zu Grenzreibung oder Mischreibung, verschleißt das Lager und fällt im fortgeschrittenen Stadium des Verschleißes schließlich aus.
Aus dem Stand der Technik ist ein sogenannter selbstheilender Verschleißeffekt be kannt. Selbstheilende Verschleißeffekte werden etwa beschrieben in „Schnell laufen de Verbrennungsmaschinen“ (H. Ricardo; Springer-Verlag, Berlin, 1926). Durch den selbstheilenden Verschleißeffekt ist es möglich, die Laufflächen eines beschädigten Gleitlagers zu glätten. Dazu werden gezielt geeignete Betriebspunkte angefahren, in denen Mischreibung vorliegt. Die Mischreibung führt dazu, dass die zuvor entstande nen Rauheiten wieder eingeglättet werden. Selbstheilende Verschleißeffekte können bisher nur unter Laborbedingungen erzielt werden.
Der Schmierzustand eines Gleitlagers lässt sich anhand von Körperschallsignalen bestimmen, die mit einem oder mehreren Schallemissionssensoren (Acoustic Emis sion Sensoren) erfasst werden. Entsprechende Verfahren werden etwa beschrieben in „Classification of Journal Bearing Friction States based on Acoustic Emission Sig nals“ (N. Mokhtari, C. Guhmann; TM-Technisches Messen, Bd. 85, Heft 6, 2018) und „Approach for the Migration of Hydrodynamic Journal Bearings based on Acoustic Emission Feature Change“ (N. Mokhtari, C. Guhmann, S. Novolski; IEEE Internation al Conference on Prognostics and Health Management (ICPHM), 2018). Aus „Vibra- tion Signal Analysis for the Life-time-Prediction and Failure Detection of Future Turb- ofan Components“ (N. Mokhtari, M. Riskowski, C. Guhmann; Technische Mechanik 37, 2017) ist ein Verfahren zur Ableitung einer Stribeck- Kurve aus den Signalen von Schallemissionssensoren bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit eines Gleitlagers zu verbessern und vorzeitige beschädigungsbedingte Ausfälle zu verhindern. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Steuergerät nach Anspruch 3. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus Anspruch 2 und der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den gezielten Einsatz selbstheilender Verschleißeffekte bei einem in Betrieb befindlichen Gleitlager.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass für die Nutzung selbstheilender Ver- schleißeffekte in einem im Betrieb befindlichen Getriebe valide Erkenntnisse über den aktuellen Zustand eines Gleitlagers erforderlich sind. Als Indikator für den Zu stand wird eine Drehzahl, die bei einem Übergang des Schmierungszustands des Gleitlagers anliegt, herangezogen. Entsprechend sieht das erfindungsgemäße Ver fahren vor, als eine von zwei Alternativen eine erste Drehzahl des Gleitlagers zu er mitteln, bei der in dem Gleitlager bzw. in einem Lagerspalt des Gleitlagers ein Über gang des Schmierungszustands stattfindet.
Mit Drehzahl des Gleitlagers wird eine Relativdrehzahl zweier relativ zueinander ver drehbarer Gleitflächen des Gleitlagers bezeichnet. Zwischen den Gleitflächen verläuft ein Lagerspalt, in dem in Abhängigkeit des Betriebspunkts Grenzreibung, Mischrei bung oder Flüssigkeitsreibung auftritt. Diese drei Reibungsarten kennzeichnen den Schmierungszustand des Gleitlagers. Ein Übergang des Schmierungszustands ist entsprechend gleichbedeutend mit einem Übergang zwischen Grenzreibung und Mischreibung oder zwischen Mischreibung und Flüssigkeitsreibung. Es kann also ein Übergang stattfinden von Grenzreibung zu Mischreibung, von Mischreibung zu Grenzreibung, von Mischreibung zu Flüssigkeitsreibung und/oder von Flüssigkeits reibung zu Mischreibung. Der Schmierungszustand bzw. ein Übergang des Schmierungszustands lassen sich, wie eingangs erwähnt, durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren ermit teln. Insbesondere können hierzu Schallemissionssensoren verwendet werden.
Alternativ kennzeichnet die erste Drehzahl einen Betriebspunkt, bei dem die Reibung in dem Gleitlager, d.h. in dessen Lagerspalt, minimal ist. Dies bedeutet, dass die Reibung in dem Gleitlager bei jeder anderen Drehzahl größer ist als bei der ersten Drehzahl. Mit Reibung wird ein Reibmoment bezeichnet, das das Gleitlager aufgrund der in dem Lagerspalt entstehenden Reibung einer Relativdrehung der Gleitflächen entgegensetzt
Bevorzugt wird der genannte Betriebspunkt anhand einer Stribeck-Kurve ermittelt. Verfahren zur Ermittlung einer Stribeck-Kurve sind wie eingangs erwähnt, aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Stribeck-Kurve ordnet jeder Drehzahl des Gleitla gers die entsprechende, in dem Lager entstehende Reibung zu. Anhand der Stri beck-Kurve lässt sich somit eine Drehzahl ermitteln, bei der die Reibung minimal ist.
Die erste Drehzahl höher ist, je schlechter der Zustand des Gleitlagers ist. Insbeson dere aufgeraute Gleitflächen führen zu einer höheren ersten Drehzahl. Die erste Drehzahl ist daher ein Indikator für etwaigen Verschleiß oder Beschädigungen des Gleitlagers. Erfindungsgemäß wird daher die erste Drehzahl als ein Indikator für et waigen Verschleiß oder Beschädigungen des Gleitlagers herangezogen. Als Kriteri um zur Beurteilung des Zustands des Gleitlagers dient ein Schwellwert, mit dem die erste Drehzahl verglichen wird.
Überschreitet die erste Drehzahl den Schwellwert, ist anzunehmen, dass das Gleitla ger verschlissen oder beschädigt ist. In diesem Fall sieht das erfindungsgemäße Ver fahren vor, das Gleitlager durch selbstheilenden Verschleiß zu regenerieren. Das Lager wird also derart betrieben, dass sich ein selbstheilender Verschleißeffekt ein stellt, d.h. das Lager wird Betriebszuständen ausgesetzt, in denen sich ein selbsthei lender Verschleißeffekt einstellt. Andere Betriebszustände werden dabei vermieden. Charakteristisch für derartige Betriebszustände ist etwa das Auftreten von Mischrei bung in dem Lagerspalt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird eine zweite Drehzahl ermit telt. Dies geschieht bevorzugt im Anschluss an die oben beschriebenen Verfahrens schritte. Die zweite Drehzahl zeichnet sich wie die erste Drehzahl dadurch aus, dass ein Übergang des Schmierungszustands des Gleitlagers stattfindet oder die Reibung in dem Gleitlager minimal ist. Die erste Drehzahl und die zweite Drehzahl werden daher auf gleiche Weise ermittelt. Obige Ausführungen bezüglich der Ermittlung der ersten Drehzahl gelten mutatis mutandis für die zweite Drehzahl.
Die zweite Drehzahl dient dazu, den Effekt der Selbstheilung zu überprüfen. Je klei ner die zweite Drehzahl ist, desto erfolgreicher war die Selbstheilung.
Bevorzugt wird die zweite Drehzahl mit der ersten Drehzahl verglichen. So kann etwa die Differenz zwischen der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl berechnet werden. Je größer diese Differenz ist, desto erfolgreicher war die Selbstheilung.
Alternativ ist es möglich, die zweite Drehzahl mit einer vorbestimmten Referenzdreh zahl zu vergleichen. Bei der Referenzdrehzahl kann es sich etwa um eine Drehzahl handeln, bei der ein Übergang des Schmierungszustands eines unbeschädigten Re ferenzlagers stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Referenzlager minimal ist. Als Referenzlager dient bevorzugt ein Gleitlager im Neuzustand. Insbesondere kann es sich um das oben genannte Gleitlager im Neuzustand handeln. Die Referenz drehzahl wird dann ermittelt, bevor das Gleitlager eingebaut wird.
In Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Führt der Vergleich zu dem Ergebnis, dass die Selbstheilung erfolg reich war, kann das Gleitlager unverändert weiter betrieben werden. War die Selbst heilung hingegen nicht erfolgreich, wird etwa eine Warnung ausgegeben, damit das Gleitlager rechtzeitig erneuert wird. Auch ist es möglich, das Gleitlager so zu betrei ben, dass bestimmte Betriebszustände, die besonders belastend für das Gleitlager sind, vermieden werden. Ein erfindungsgemäßes Steuergerät implementiert das erfindungsgemäße Verfahren oder eine bevorzugte Weiterbildung. Mit Steuergerät wird eine Datenverarbeitungs vorrichtung bezeichnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Im Ein zelnen zeigt:
Fig. 1 zwei Stribeck-Kurven.
In Fig. 1 sind eine erste Stribeck-Kurve 101 und eine zweite Stribeck- Kurve 103 dar gestellt. Der ersten Stribeck-Kurve 101 sind die drei Betriebszustände Grenzreibung 105, Mischreibung 107 und Flüssigkeitsreibung 109 zugeordnet. In dem sogenann ten Ausklinkpunkt B findet ein Übergang von der Mischreibung 107 zur Flüssigkeits reibung 109 statt. In Punkt A ist die Reibung minimal.
Durch selbstheilenden Verschleiß geht die erste Stribeck-Kurve 101 in die zweite Stribeck-Kurve über. Die zweite Stribeck-Kurve 103 ist gegenüber der ersten Stri beck-Kurve in Richtung niedriger Drehzahlen bzw. nach links verschoben. Entspre chend sind auch die Punkte A und B verschoben. Je weiter die Verschiebung, d.h. je größer der Abstand zwischen den entsprechenden Punkten A bzw. B der ersten Stri beck-Kurve 101 und der zweiten Stribeck-Kurve 103, desto erfolgreicher war die Selbstheilung. Der Abstand der entsprechender Punkte A, B beider Stribeck-Kurven 101 , 103 lässt sich daher als Indikator für den Erfolg der Selbstheilung heranziehen.
Bezuqszeichen 1 erste Stri beck- Ku rve 3 zweite Stribeck-Kurve 5 Grenzreibung 7 Mischreibung 9 Flüssigkeitsreibung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Gleitlagers; mit den Schritten
- ermitteln einer ersten Drehzahl, bei der ein Übergang des Schmierungszustands stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Gleitlager minimal ist;
- vergleichen der ersten Drehzahl mit einem Schwellwert; und
- wenn die Drehzahl den Schwellwert überschritten hat, Betrieb des Lagers derart, dass sich ein selbstheilender Verschleißeffekt einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1; mit den Schritten
- ermitteln einer zweiten Drehzahl, bei der ein Übergang des Schmierungszustands des Gleitlagers stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Gleitlager minimal ist; und
- vergleichen der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl.
3. Steuergerät, auf dem ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert ist
EP20796736.5A 2019-11-25 2020-10-19 Selbstheilendes gleitlager Pending EP4065852A1 (de)

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