EP4695537A1 - Vorrichtung zur ausbildung eines gleitlagers oder einer gleitringdichtung mit integerierter temperaturmessung - Google Patents

Vorrichtung zur ausbildung eines gleitlagers oder einer gleitringdichtung mit integerierter temperaturmessung

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Publication number
EP4695537A1
EP4695537A1 EP24719130.7A EP24719130A EP4695537A1 EP 4695537 A1 EP4695537 A1 EP 4695537A1 EP 24719130 A EP24719130 A EP 24719130A EP 4695537 A1 EP4695537 A1 EP 4695537A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
temperature
mechanical seal
sensor
evaluation unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP24719130.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Ebelt
Dr. Boris JANJIC
Tobias KLUNKE
Michael KOLANO
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.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4695537A1 publication Critical patent/EP4695537A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3492—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member with monitoring or measuring means associated with the seal
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    • 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
    • F16C17/243—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 temperature and heat, e.g. for preventing overheating
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    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
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    • F16C2206/00—Materials with ceramics, cermets, hard carbon or similar non-metallic hard materials as main constituents
    • F16C2206/40—Ceramics, e.g. carbides, nitrides, oxides, borides of a metal
    • F16C2206/56—Ceramics, e.g. carbides, nitrides, oxides, borides of a metal based on ceramic carbides, e.g. silicon carbide (SiC)
    • 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
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps

Definitions

  • the invention relates to a device for forming a plain bearing or a mechanical seal with integrated temperature measurement, wherein the device has at least two components that can be moved relative to one another, wherein a first component is stationary and a second component is movable relative to the first component, and wherein the first component has a sliding surface facing the movable component.
  • Mechanical seals or plain bearings are used in rotating machines, such as compressors, pumps, and motors, to seal and support a rotating shaft of the machine.
  • the structure of a plain bearing and a mechanical seal is comparable.
  • Two components that rotate relative to one another form the basis, with a first component being fixed stationary to the machine, while the rotating component sits on the shaft of the machine and rotates relative to the stationary component.
  • associated sliding surfaces slide on one another.
  • a fluid can be provided between the sliding surfaces to cool and lubricate the bearing or seal.
  • the stationary component is referred to as the counter ring.
  • the bearing or seal condition should be continuously monitored in order to be able to detect and signal an impending bearing or seal defect at an early stage.
  • the temperature of the To record and monitor sealing or bearing components Of particular importance here is the temperature development in the immediate area of the sliding surfaces, ie in the area of the sealing or bearing gap. Since a direct measuring point in the area of the sliding surface is not possible for functional reasons, the temperature sensors have so far been attached to the back of the counter ring in order to measure the surface temperature of the back of the counter ring.
  • the object of the present invention is therefore to optimize the previously known measuring method in order to enable an overall better monitoring of the plain bearing or the mechanical seal.
  • a device which comprises a known plain bearing or known mechanical seal and has been modified for temperature measurement. It is proposed that at least one measuring sensor of a temperature sensor for temperature-based condition monitoring of the device is not installed on a surface of the stationary bearing or seal component, but instead embedded in the stationary component. By embedding the measuring sensor, the measuring point can be brought closer to the relevant sliding surface of the stationary component, so that the temperature present on the sliding surface of the bearing or seal can be recorded much more accurately. In addition, rapid temperature changes, in particular transient jumps in the area of the sliding surface, can be better detected and evaluated. Overall, the characteristic material properties of the component have less influence on the measurement result due to the closer positioning of the measuring sensor to the sliding surface.
  • the device is a mechanical seal and the first component is the counter ring of the mechanical seal. It is also conceivable that the device is a is a plain bearing and the first component corresponds to a bearing or other stationary bearing part.
  • the at least one measuring sensor of the at least one temperature sensor is introduced into the volume of the first component from a counter surface of the first component opposite the sliding surface of the first component, i.e. there is a cavity in the component that is accessible from the opposite counter surface and into which the measuring sensor can be introduced during assembly.
  • the one or more temperature sensors into the component from another, non-sliding surface, for example from a surface that is at a right angle to the sliding surface.
  • At least the measuring sensor of the at least one temperature sensor is introduced into the component volume.
  • one or more pocket-forming depressions can be provided on the surface of the counter surface or on another, non-sliding surface, into which the measuring sensor(s) can be plugged or inserted during installation.
  • the measuring sensor can be, for example, a temperature-dependent resistor.
  • a sensor board that simulates a section of the counter surface can be provided, for example. The measuring sensors are electrically contacted with the board, but the resistance elements are introduced into the corresponding component volumes and the board lies flat on the counter surface, in particular is glued flat to the component.
  • the board can also have one or more holes to increase the mechanical stability of the bond.
  • the first component is preferably made of a material with high thermal conductivity and/or low heat capacity, so that the temperature prevailing on the sliding surface can be measured as precisely and as quickly as possible at the at least one measuring point. It is conceivable, for example, that the first component is made of a ceramic material, in particular a technical ceramic.
  • the first component is particularly preferably made of silicon carbide, particularly preferably sintered from silicon carbide.
  • thermometry it is advisable to arrange several temperature sensors or measuring probes offset from one another in the component.
  • a distributed arrangement of the individual measuring probes with a constant distance from one another is preferred here.
  • the first component is a ring, it is advisable to arrange the individual measuring probes offset from one another by an identical angular offset.
  • a possible angular range here is between 80 degrees and 100 degrees°, in particular around 90 degrees.
  • the invention also relates to a rotating working machine, preferably a pump, in particular a centrifugal pump, particularly preferably a wet-running pump, with a device according to the present invention.
  • the working machine in particular the pump, comprises at least one shaft which is mounted radially or axially by means of a plain bearing and/or is sealed by means of a mechanical seal against a wall of the working machine, in particular the housing wall.
  • the at least one plain bearing or the at least one mechanical seal corresponds to the device according to the invention.
  • the aforementioned one or more operating parameters can be analyzed together with the temperature measurement value by the evaluation unit in order to determine the current bearing or seal condition.
  • Condition monitoring is preferably carried out on the basis of a model-based analysis of the bearing or seal.
  • the evaluation unit is configured to detect and analyze transients in the measured temperature curve.
  • the innovative integration of the measuring sensors into the volume of the bearing or seal component creates the necessary prerequisite for the reliable detection and subsequent evaluation of these highly dynamic temperature changes or fluctuations.
  • the system not only enables a simple evaluation of non-stationary temperature curves, but also short-term, highly dynamic, transient temperature jumps can be detected and evaluated.
  • Fig. 4 a measurement diagram of the recorded temperature at the back of the counter ring over a period of 8 days
  • Fig. 4a, 4b, 4c Partial sections of the measurement diagram of Fig. 4,
  • Fig. 6 a comparison of the temperature measurements with other operating parameters of the pump
  • Fig. 7 a diagram illustrating the correlation between sealing gap temperature and back surface temperature
  • Fig. 8 a system diagram for monitoring mechanical seals based on the temperature sensor technology according to the invention
  • the invention will be explained below using a counter ring for a mechanical seal as it can be used in a pump.
  • the counter ring is made of SSiC.
  • a front ring surface of the counter ring serves as a sliding surface that faces a rotating sliding ring of the seal.
  • pocket-like grooves were introduced into the rear ring surface using a laser ablation process.
  • FIG. 1 A representation of the reworked counter ring 10 can be seen in Fig. 1, 2.
  • the sliding surface of the counter ring 10 is marked with the reference number 13.
  • two pockets 11 are provided, arranged with an angular offset of 90 degrees, which were introduced into the back side 12 by means of a laser ablation process.
  • the depth of the pocket 11 is adjusted to the height of the temperature sensor probe to be inserted and is between 1.5 mm and 3.5 mm. In the illustrated embodiment, the depth is approximately 2.8 mm.
  • the height of the pocket can between 2 mm and 3 mm, in particular about 2.5 mm.
  • the width can be between 1 mm and 2 mm, in particular about 1.4 mm.
  • Fig. 3 shows a section of the counter ring with the sensor board 20 glued to the back 13.
  • the shape of the sensor board 20 is matched to the ring surface of the back of the counter ring.
  • Temperature-dependent resistance elements e.g. PT1000 chips, are soldered to the ends 23 on the side of the board facing the back 12 of the counter ring 10.
  • the components extend vertically from the board 20 into the associated pockets 11 of the counter ring 10.
  • the resistors are connected to the connection pads 21 via lines 22 on the back of the board, which are intended for external connection of the sensor to an external control system.
  • a solution without a board is also possible, in which the resistance elements are inserted directly into the pockets 11.
  • the connection cables of the resistance cables are then led out of the pockets and are used for external connection.
  • the circuit board can be provided with several additional holes to better fix the circuit board to the counter ring.
  • the circuit board is glued to the counter ring using a 2K adhesive, e.g. Duralco 4703.
  • the applied adhesive additionally seals the pockets.
  • the manufactured sensors allow condition monitoring or condition detection and interpretation of mechanical seals based on temperature measurement.
  • the monitoring can optionally be expanded to include data fusion algorithms and a simulative model calculation of the "mechanical seal" system.
  • Fig. 4, 4a, 4b, 4c show a continuous run measurement of a mechanical seal of a pump at a water medium temperature of 80°C. Unsteady and fluctuating phases are clearly visible. the temperature, which are shown in enlarged form in Fig. 4a, 4b and 4c. The time constants and characteristics are different, ie Fig. 4a, 4b and 4c show different events, each of which represents an individual state class of the mechanical seal.
  • Fig. 5 shows the speed of the test bench with a speed sensor, i.e. the rotational speed of the mechanical seal. In practice, this speed would correspond to the pump speed.
  • the temporary decrease in speed with a simultaneous increase in the temperature of the mechanical seal can be clearly seen, which can be explained by an increased frictional torque.
  • FIG. 4a, 4b, 4c show the simulation results of an analysis of the sealing gap temperature and the back surface temperature of the stationary counter ring. The correlation of the corresponding temperatures depending on the pressure acting on the mechanical seal is clearly visible.
  • Fig. 8 also shows a possible system structure for monitoring a mechanical seal in a centrifugal pump.
  • the temperature TGLRD of the counter ring 10 is recorded by means of the device according to the invention.
  • the pressure PGLRD on the mechanical seal and the current temperature TMedium of the medium being pumped are also recorded by sensors.
  • the recorded parameters are communicated to an evaluation electronics 40, which determines the state of the mechanical seal based on the received operating parameters, in particular by evaluating transient temperature changes. If the electronics detect relevant events that indicate a critical state of the mechanical seal, a signal can be transmitted to a pump control 50, which carries out a control intervention in the pump operation.
  • the evaluation unit can transmit its analysis results to a remote service portal 60 in order to organize higher-level monitoring of a pump fleet.
  • a pump control unit transmits the measurement parameters TGLRD, PGLRD, TMedium to the service portal 60 for evaluation.
  • the service portal 60 which can be cloud-based, can also be connected to an external portal 70 of the seal manufacturer for information exchange.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausbildung eines Gleitlagers oder einer Gleitringdichtung, umfassend wenigstens zwei zueinander bewegte Bauteile, wobei ein erstes Bauteil (10) ein stationäres Bauteil ist und ein zweites Bauteil relativ zum ersten Bauteil bewegbar ist, wobei das erste Bauteil eine dem bewegten Bauteil zugewandte Gleitfläche (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Messwertfühler wenigstens eines Temperatursensors zur temperaturbasierten Zustandsüberwachung der Vorrichtung zumindest teilweise in das erste Bauteil eingebettet ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Ausbildung eines Gleitlagers oder einer Gleitringdichtung mit integerierter Temperaturmessung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausbildung eines Gleitlagers oder einer Gleitringdichtung mit integrierter Temperaturmessung, wobei die Vorrichtung wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare Bauteile aufweist, wobei ein erstes Bauteil stationär ist und ein zweiten Bauteil relativ zum ersten Bauteil bewegbar ist, und wobei das erste Bauteil eine dem bewegbaren Bauteil zugewandte Gleitfläche aufweist.
Gleitringdichtungen bzw. Gleitlager kommen bei rotierenden Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Kompressoren, Pumpen, Motoren, zur Abdichtung und Lagerung einer rotierenden Welle der Arbeitsmaschine zum Einsatz. Der Aufbau eines Gleitlagers und einer Gleitringdichtung ist vergleichbar. Zwei relativ zueinander rotierende Bauteile bilden die Basis, wobei ein erstes Bauteil stationär an der Maschine festgelegt ist, während das rotierende Bauteil auf der Welle der Arbeitsmaschine sitzt und relativ zum stationären Bauteil rotiert. Dabei gleiten zugeordnete Gleitflächen aufeinander. Zwischen den Gleitflächen kann ein Fluid zur Kühlung und Schmierung des Lagers bzw. der Dichtung vorgesehen sein. Im Fall einer Gleitringdichtung wird das stationäre Bauteil als Gegenring bezeichnet.
Durch die relative Gleitbewegung tritt im Betrieb Verschleiß an beiden Bauteilen auf, der zu einer Funktionsbeeinträchtigung bis hin zur vollständigen Fehlfunktion führen kann. Vor diesem Hintergrund ist es bereits bekannt, den Lager- bzw. Dichtungszustand laufend zu überwachen, um einen drohenden Lager- bzw. Dichtungsdefekt frühzeitig erkennen und signalisieren zu können. So ist es bereits bekannt, die Temperatur der Dichtungs- oder Lagerbauteile zu erfassen und zu überwachen. Von besonderer Bedeutung ist hier die Temperaturentwicklung im unmittelbaren Bereich der Gleitflächen, d.h. im Bereich des Dichtungs- bzw. Lagerspaltes. Da eine direkte Messstelle im Bereich der Gleitfläche funktionsbedingt nicht möglich ist, wurden die Temperatursensoren daher bisher auf der Rückseite des Gegenrings angebracht um die Oberflächentemperatur der Rückseite des Gegenrings zu messen.
Je nach Materialstärke des Gegenrings und charakteristischen Materialeigenschaften wie der Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität ist dadurch nur eine bedingt exakte Temperaturmessung möglich. Zudem lassen sich transiente Temperaturverläufe weder erfassen noch auswerten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, das vorbekannte Messverfahren zu optimieren, um insgesamt eine bessere Überwachung des Gleitlagers bzw. der Gleitringdichtung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein bekanntes Gleitlager bzw. bekannte Gleitringdichtung umfasst, und zur Temperaturmessung modifiziert wurde. Es wird vorgeschlagen, wenigstens einen Messwertfühler eines Temperatursensors zur temperaturbasierten Zustandsüberwachung der Vorrichtung nicht auf einer Oberfläche des stationären Lager- bzw. Dichtungsbauteils zu installieren, sondern stattdessen in das stationäre Bauteil einzubetten. Durch das Einbetten des Messwertfühlers kann die Messstelle näher an die relevante Gleitfläche des stationären Bauteils angenähert werden, sodass die an der Gleitfläche des Lagers bzw. der Dichtung vorliegende Temperatur deutlich genauer erfasst werden kann. Zudem lassen sich so schnelle Temperaturänderungen, insbesondere transiente Sprünge im Bereich der Gleitfläche, besser erkennen und auswerten. Insgesamt haben die charakteristischen Materialeigenschaften des Bauteils aufgrund der näheren Positionierung des Messwertfühlers an der Gleitfläche weniger Einfluss auf das Messergebnis.
Gemäß vorteilhafter Ausführung ist die Vorrichtung eine Gleitringdichtung und das erste Bauteil der Gegenring der Gleitringdichtung. Denkbar ist auch, dass die Vorrichtung ein Gleitlager ist, und das erste Bauteil einem Lagerung oder einem sonstigen stationären Lagerteil entspricht.
Vorteilhafterweise ist der wenigstens eine Messwertfühler des wenigstens einen Temperatursensors von einer der Gleitfläche des ersten Bauteils gegenüberliegenden Gegenfläche des ersten Bauteils in das Volumen des ersten Bauteils eingebracht, d.h. es existiert ein von der gegenüberliegenden Gegenfläche zugängiger Hohlraum im Bauteil, in den der Messwertfühler bei der Montage einbringbar ist. Es ist jedoch auch möglich, die ein oder mehreren Temperatursensoren von einer anderen, nicht gleitenden Fläche in das Bauteil einzubringen, bspw. von einer Fläche, die im rechten Winkel zur Gleitfläche steht.
Wesentlich für die Erfindung ist hierbei, dass zumindest der Messwertfühler des wenigstens einen Temperatursensors in das Bauteilvolumen eingebracht ist. Für die Einbringung des wenigstens einen Messwertfühlers des Temperatursensors können ein oder mehrere Taschen ausbildende Vertiefungen an der Oberfläche der Gegenfläche oder an einer weiteren, nicht gleitenden Fläche vorgesehen sein, in diese der oder die Messwertfühler bei der Installation eingesteckt bzw. eingeführt werden können. Der Messwertfühler kann bspw. ein temperaturabhängiger Widerstand sein. Für die sonstige Sensorelektronik kann beispielsweise eine einen Teilabschnitt der Gegenfläche nachgebildete Sensorplatine vorgesehen sein. Die Messwertfühler sind elektrisch mit der Platine kontaktiert, wobei die Widerstandselemente jedoch in die entsprechenden Bauteilvolumina eingeführt werden und die Platine flächig auf der Gegenfläche aufliegt, insbesondere flächig mit dem Bauteil verklebt ist. Die Platine kann zudem ein oder mehrere Löcher aufweisen, um die mechanische Stabilität der Verklebung zu erhöhen.
Auf der freiliegenden Platinenseite können Anschlusspads für die externe Kontaktierung des Sensors vorgesehen sein. Alternativ ist auch die Integration eines Sensors mit direktem Kabelanschluss vorstellbar. Das erste Bauteil ist bevorzugt aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder geringer Wärmekapazität gefertigt, sodass die auf der Gleitfläche herrschende Temperatur möglichst exakt und verzögerungsfrei an der wenigstens einen Messstelle erfassbar ist. Denkbar ist es beispielsweise, dass das erste Bauteil aus einem keramischen Material, insbesondere einer technischen Keramik, gefertigt ist. Besonders bevorzugt ist das erste Bauteil aus Siliziumkarbid gefertigt, besonders bevorzugt aus Silizi- umcarbid gesintert.
Für die Temperaturerfassung bietet es sich an, dass mehrere Temperatursensoren bzw. Messwertfühler versetzt zueinander im Bauteil angeordnet sind. Bevorzugt ist hier eine verteilte Anordnung der einzelnen Messwertfühler mit konstantem Abstand zueinander. Ist das erste Bauteil ein Ring, so bietet es sich an, die einzelnen Messwertfühler zueinander versetzt um einen identischen Winkelversatz anzuordnen. Als möglicher Winkelbereich bietet sich hier ein Bereich zwischen 80 Grad und 100 Grad°, insbesondere um 90 Grad, an.
Neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft die Erfindung ebenso eine rotierende Arbeitsmaschine, bevorzugt eine Pumpe, insbesondere eine Kreiselpumpe, besonders bevorzugt eine Nassläuferpumpe, mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Demzufolge umfasst die Arbeitsmaschine, insbesondere die Pumpe, wenigstens eine Welle, die mittels eines Gleitlagers radial oder axial gelagert ist und/oder mittels einer Gleitringdichtung gegenüber einer Wand der Arbeitsmaschine, insbesondere der Gehäusewand, abgedichtet ist. Das wenigstens eine Gleitlager bzw. die wenigstens eine Gleitringdichtung entspricht der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung ebenso ein System bestehend aus wenigstens einer Arbeitsmaschine gemäß der Erfindung sowie einer zusätzlichen Auswerteeinheit, die konfiguriert ist zum Empfang der Temperaturmesswerte des wenigstens einen Temperatursensors und zur Überwachung des Zustands des Gleitlagers oder der Gleitringdichtung auf Grundlage der empfangenen Temperaturmesswerte. Neben den Temperaturmesswerten können weitere Betriebsparameter der Arbeitsmaschine sensorisch erfasst, alternativ geschätzt bzw. berechnet werden. Als weitere Betriebsparameter sind die aktuelle Drehzahl der rotierenden Welle und/oder die Temperatur eines durch die Arbeitsmaschine geförderten Fluids bzw. des sich im Bereich des Gleitlagers bzw. der Gleitringdichtung befindenden Fluids. Sinnvoll kann auch die Erfassung des Druckes eines auf das Gleitlager oder die Gleitringdichtung einwirkenden Fluids sein und die Berücksichtigung des Druckwertes bei der Überwachung des Lagers oder der Dichtung.
Die vorgenannten ein oder mehrere Betriebsparameter können zusammen mit dem Temperaturmesswert durch die Auswertereinheit analysiert werden, um den aktuellen Lager- oder Dichtungszustand zu bestimmen. Bevorzugt erfolgt die Zustandsüberwachung auf Grundlage einer modellbasierten Analyse des Lagers bzw. der Dichtung.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Auswerteeinheit zur Erkennung und Analyse von Transienten im gemessenen Temperaturverlauf konfiguriert ist. Die neuartige Integration der Messwertfühler in das Volumen des Bauteils des Lagers bzw. der Dichtung schafft erst die notwendige Voraussetzung zur zuverlässigen Erfassung und nachfolgenden Auswertung dieser hochdynamischen Temperaturänderungen bzw. -Schwankungen. Mittels des Systems ist damit nicht nur eine einfache Auswertung instationärer Temperaturverläufe möglich, sondern es können auch kurzzeitige, hochdynamische, transiente Temperatursprünge erkannt und ausgewertet werden.
Insbesondere ist es sinnvoll, wenn die Auswerteeinheit wenigstens einen Speicher umfasst, in dem eine vordefinierte Korrelationsinformation zwischen der Temperatur auf der Gleitfläche und am Messpunkt des wenigstens eines Messwertfühlers hinterlegt ist. Die Korrelation ist abhängig vom Material, der Gesamtgeometrie des Bauteils und des Abstandes und zeichnet sich insbesondere durch einen vordefinierten Zusammenhang aus. Unter Verwendung der Korrelationsinformation kann die Temperatur auf der Gleitfläche bestimmt werden.
Für die Erfindung ist es vorstellbar, dass die Auswerteeinheit unmittelbar in die Arbeitsmaschine integriert ist, beispielsweise in einer integralen Maschinensteuerung der Arbeitsmaschine, bspw. in die Pumpen- oder Motorsteuerung. Ferner ist es vorstellbar, dass eine Steuerung der Arbeitsmaschine den wenigstens einen Temperaturmesswert und gegebenenfalls wenigstens einen weiteren Betriebsparameter ermittelt und diese über eine Kommunikationsschnittstelle an eine externe Auswerteeinheit überträgt. Dort erfolgt dann die ausgelagerte Auswertung und Überwachung des Lagers bzw. Dichtungszustandes. Denkbar ist es hierbei, dass die Auswerteeinheit durch eine cloudba- sierte Lösung implementiert ist.
Neben den erfindungsgemäßen Vorrichtungen betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei wird vorgeschlagen, das vorab gefertigte erste Bauteil mittels eines materialabtragenden Verfahrens zu bearbeiten, um ein oder mehrere taschenartige Vertiefungen auf einer Bauteiloberfläche bzw. der Gegenfläche zu schaffen. In diese taschenartigen Vertiefungen können dann in einem nachgelagerten Montageschritt die entsprechenden Messwertfühler eingesetzt werden, wobei die ein oder mehrere Messwertfühler über eine gemeinsame Sensorplatine miteinander verbunden sind.
Die Sensorelektronikplatine wird beispielsweise auf die Oberfläche des Bauteils aufgeklebt, während die Messwertfühler, insbesondere die temperaturabhängigen Widerstände, in die ausgearbeiteten Taschen eingeführt werden. Die Herstellung der Vertiefungen kann bevorzugt mittels Laserablation erfolgen.
Weitere Vorteile und Eigenschaften sollen nachfolgend anhand von Figurendarstellungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Draufsicht auf den Gegenring einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung,
Fig. 2: eine Schnittdarstellung entlang der Schnittachse A-A in Fig. 1 ,
Fig. 3: eine Teilabbildung des Gegenrings mit montierter Sensorelektronik,
Fig. 4: ein Messdiagramm der erfassten Temperatur an der Rückseite des Gegenrings über einen Zeitraum von 8 Tagen Fig. 4a, 4b, 4c: Teilausschnitte des Messdiagrams der Fig. 4,
Fig. 5: Ein Messdiagramm des Temperaturverlaufs mit gegenübergestellter Drehzahl des Pumpenantriebs,
Fig. 6: eine Gegenüberstellung der Temperaturmesswerte mit weiteren Betriebspa- rametern der Pumpe,
Fig. 7: eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung der Korrelation zwischen Dichtspalttemperatur und Rückseitentemperatur und
Fig. 8: eine Systemdarstellung zur Überwachung von Gleitringdichtungen auf Basis der erfindungsgemäßen Temperatursensorik
Die Erfindung soll nachfolgend exemplarisch anhand eines Gegenrings für eine Gleitringdichtung erläutert werden, wie sie bei einer Pumpe zum Einsatz kommen kann. Der Gegenring ist aus einem SSiC gefertigt. Eine stirnseitige Ringfläche des Gegenrings dient als Gleitfläche, die einem rotierenden Gleitring der Dichtung zugewandt ist. Auf der gegenüberliegenden Ringfläche, d.h. auf der Rückseite des Gegenrings, wurden mittels Laserablationsprozess taschenartige Nuten in die rückseitige Ringfläche eingebracht.
Eine Darstellung des nachbearbeiteten Gegenrings 10 ist den Fig. 1 , 2 zu entnehmen. Die Gleitfläche des Gegenrings 10 ist mit dem Bezugszeichen 13 markiert. Auf der gegenüberliegenden Ringfläche, d.h. der Rückseite 12 des Gegenrings 10 sind zwei, mit einem Winkelversatz von 90 Grad angeordnete Taschen 11 vorgesehen, die mittels Laserablationsprozess in die Rückseite 12 eingebracht wurden.
Die Tiefe der Tasche 11 ist auf die Höhe des einzubringenden Messwertfühlers des Temperatursensors abgestimmt und beträgt zwischen 1 ,5 mm und 3,5 mm, im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Tiefe etwa 2,8 mm. Die Höhe der Tasche kann zwischen 2 mm und 3 mm betragen, insbesondere etwa 2,5 mm. Die Breite kann zwischen 1 mm und 2 mm betragen, insbesondere bei etwa 1 ,4 mm liegen.
Fig. 3 zeigt einen Teilabschnitt des Gegenrings mit der auf der Rückseite 13 aufgeklebten Sensorplatine 20. Die Form der Sensorplatine 20 ist dabei auf die Ringfläche der Gegenringrückseite abgestimmt. An den Enden 23 sind auf der der Rückseite 12 des Gegenrings 10 zugewandten Platinenseite temperaturabhängige Widerstandelemente verlötet, bspw. PT1000-Chips. Die Bausteine erstrecken sich senkrecht von der Platine 20 in die zugeordneten Taschen 11 des Gegenrings 10. Über Leitungen 22 auf der Platinenrückseite sind die Widerstände mit den Anschlusspads 21 verbunden, die zur externen Konnektierung des Sensors mit einer externen Steuerung vorgesehen sind. Grundsätzlich kommt auch eine Lösung ohne Platine in Betracht, bei dieser die Widerstandselemente direkt in die Taschen 11 eingebracht sind. Die Anschlusskabel der Widerstandskabel sind dann aus den Taschen herausgeführt und dienen zur externen Konnektierung.
Die Platine kann mit mehreren zusätzlichen Bohrungen zur besseren Fixierung der Platine auf dem Gegenring versehen sein. Verklebt wird die Platine mit dem Gegenring durch einen 2K-Kleber, bspw. Duralco 4703. Durch den aufgebrachten Kleber werden die Taschen zusätzlich abgedichtet. Die gefertigte Sensorik erlaubt eine Zustandsüberwachung resp. Zustandsdetektion und Interpretation von Gleitringdichtungen auf Basis einer Temperaturmessung. Die Überwachung kann optional um Datenfusionsalgorithmen und eine simulative Modellberechnung des Systems „Gleitringdichtung“ erweitert sein.
Aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit und der geringen Wärmekapazität des SSiC-Gegenrings sind neben starken und dynamischen Anstiegen der Temperatur (wie sie bspw. im Falle eines klassischen Trockenlaufs eintreten) ebenso instationäre Zustände des Systems „Gleitringdichtung“ detektierbar. In den Fig. 4, 4a, 4b, 4c ist eine Dauerlaufmessung einer Gleitringdichtung einer Pumpe bei einer Wasser-Medientem- peratur von 80°C gezeigt. Klar erkenntlich sind in-stationäre und schwankende Phasen der Temperatur, die in vergrößerter Darstellung in den Fig. 4a, 4b und 4c wiedergegeben sind. Hierbei sind die Zeitkonstanten und Charakteristika unterschiedlich, d.h. die Fig. 4a, 4b und 4c stellen unterschiedliche Ereignisse dar, die jedes für sich eine individuelle Zustandsklasse der Gleitringdichtung repräsentiert.
In Fig. 5 ist neben dem Temperaturtransienten ergänzend die Drehzahl des Prüfstands mit einem Drehzahlaufnehmer aufgezeigt, d.h. die Rotationsgeschwindigkeit der Gleitringdichtung. In der Praxis würde diese Drehzahl der Pumpendrehzahl entsprechen. Klar zu erkennen ist die temporäre Abnahme der Drehzahl bei gleichzeitig steigender Temperatur der Gleitringdichtung, was sich durch ein erhöhtes Reibmoment begründen lässt.
Zur Bewertung und Einordnung der oben dargestellten Ereignisse (Fig. 4a, 4b, 4c) lassen sich Simulationstechniken sinnbringend mit der Sensorik vereinen. In den Fig. 6, 7 sind die Simulationsergebnisse einer Analyse der Dichtspalttemperatur und Rückseitentemperatur des stationären Gegenrings gezeigt. Klar zu erkennen ist die Korrelation der entsprechenden Temperaturen abhängig vom wirkenden Druck auf die Gleitringdichtung.
Fig. 8 zeigt zudem einen möglichen Systemaufbau zur Überwachung einer Gleitringdichtung in einer Kreiselpumpe. In der Kreiselpumpe 30 wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur TGLRD des Gegenrings 10 erfasst. Neben den Temperaturmesswerten wird zudem der Druck PGLRD auf die Gleitringdichtung sowie die aktuelle Temperatur TMedium des geförderten Mediums sensorisch erfasst.
Die erfassten Parameter werden an eine Auswerteelektronik 40 kommuniziert, die basierend auf den empfangenen Betriebsparametern den Zustand der Gleitringdichtung ermittelt, insbesondere unter Auswertung transienter Temperaturänderungen. Werden von der Elektronik relevante Ereignisse, die einen kritischen Zustand der Gleitringdichtung bedeuten, erkannt, kann ein Signal an eine Pumpensteuerung 50 übermittelt werden, die einen Steuereingriff in den Pumpenbetrieb vornimmt. Gleichzeitig kann die Auswerteeinheit ihre Analyseergebnisse an ein entferntes Serviceportal 60 übermitteln, um eine übergeordnete Überwachung einer Pumpenflotte zu organisieren. Alternativ zur der dezentralen Lösung mit pumpennaher Auswerteeinheit könnte letztere auch in das Serviceportal 60 integriert sein. Eine Pumpensteuerung übermittelt in diesem Fall die Messparameter TGLRD, PGLRD, TMedium zur Auswertung an das Serviceportal 60. Das Serviceportal 60, das cloudbasiert sein kann, kann zusätzlich an ein externes Portal 70 des Dichtungsherstellers zum Informationsaustausch angebunden sein.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zur Ausbildung eines Gleitlagers oder einer Gleitringdichtung mit integerierter Temperaturmessung
1. Vorrichtung zur Ausbildung eines Gleitlagers oder einer Gleitringd ichtung , umfassend wenigstens zwei zueinander bewegte Bauteile, wobei ein erstes Bauteil (10) ein stationäres Bauteil ist und ein zweites Bauteil relativ zum ersten Bauteil bewegbar ist, wobei das erste Bauteil eine dem bewegten Bauteil zugewandte Gleitfläche (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Messwertfühler wenigstens eines Temperatursensors zur temperaturbasierten Zustandsüberwachung der Vorrichtung zumindest teilweise in das erste Bauteil eingebettet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Gleitringdichtung ist und das erste Bauteil dem Gegenring (10) der Gleitringdichtung entspricht.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Messwertfühler in eine der Gleitfläche (13) gegenüberliegende Gegenfläche (12) des ersten Bauteils eingebettet ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche (12) eine oder mehrere Taschen ausbildende Vertiefungen (11 ) zur Einbringung jeweils wenigstens eines Messwertfühlers aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest einen Teilabschnitt der Gegenfläche (12) nachgebildete Sensorplatine (20) vorgese- hen ist, die auf die Gegenfläche (12) aufgebracht, insbesondere aufgeklebt ist, wobei die ein oder mehreren Messwertfühler in die vorgesehenen Taschen (11 ) des Bauteils (10) eingeführt sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (10) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder geringer Wärmekapazität gefertigt ist oder dieses umfasst, insbesondere ist das erste Bauteil (10) aus einem keramischen Material gefertigt, insbesondere Siliziumcarbid.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messwertfühler zueinander versetzt im Bauteil eingebettet sind, insbesondere mit konstantem Abstand zueinander, wobei bei einem ringförmigen Bauteil ein Winkelversatz zwischen den Messwertfühlern zwischen 80-100 Grad, insbesondere von 90 Grad, vorgesehen ist.
8. Rotierende Arbeitsmaschine, bevorzugt Pumpe (30), insbesondere Kreiselpumpe, mit wenigstens einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zur Lagerung einer Welle und/oder Abdichtung einer Welle gegenüber einer Wand der Arbeitsmaschine.
9. System umfassend wenigstens eine Arbeitsmaschine nach Anspruch 8 sowie eine Auswerteeinheit (40), konfiguriert zum Empfang der Messwerte des wenigstens einen Temperatursensors und Überwachung des Zustands des Gleitlagers oder der Gleitringdichtung auf Grundlage der empfangenen Temperaturmesswerte.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) konfiguriert ist, auf Grundlage der Temperaturmesswerte und wenigstens eines weiteren Betriebsparameters der Arbeitsmaschine, insbesondere der Rotationsdrehzahl und/oder der Temperatur eines durch die Arbeitsmaschine geförderten Fluids und/oder eines auf das Gleitlager oder die Gleitringdichtung einwirkenden Drucks, den Zustand des Gleitlagers oder der Gleitringdichtung zu erkennen.
11 . System nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) zur Erkennung und Auswertung von Transienten im gemessenen Temperaturverlauf konfiguriert ist.
12. System nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher der Auswerteeinheit (40) eine vorab hinterlegte Korrelationsinformation zwischen der Temperatur im Dichtungspalt bzw. Lagerspalt und der Temperatur an der Messstelle des Temperatursensors hinterlegt ist.
13. System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit Bestandteil der Arbeitsmaschine (30) ist oder eine zentrale Rechnereinheit, insbesondere eine cloud-basierte Lösung, ist, die kommunikativ mit der Arbeitsmaschine (30) in Verbindung steht.
14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in das erste Bauteil (10) mittels matenalabtragendem Verfahren, insbesondere mittels Laserablation, ein oder mehrere taschenartige Vertiefungen (11 ) eingearbeitet werden und in jede taschenartige Vertiefung (11 ) wenigstens ein Messwertfühler eines Temperatursensors eingeführt wird.
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