WO2019120870A1 - Gleitlageranordnung für eine schwere welle, insbesondere einer windkraftanlage, sowie steuersystem und verfahren zur schmierölversorgung derselben - Google Patents

Gleitlageranordnung für eine schwere welle, insbesondere einer windkraftanlage, sowie steuersystem und verfahren zur schmierölversorgung derselben Download PDF

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bearing arrangement
sensor
control
shaft
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Ümit Kutluay
Johannes Schäfer
Georg Eibler
Georg TENCKHOFF
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Zf Friedrichshafen Ag
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Definitions

  • Gleitlaqeranordnunq for a heavy shaft in particular a Windkraftanlaqe, and control system and method for Schmierölversorqunq same
  • the present invention relates to a sliding bearing arrangement for a heavy shaft, in particular in a transmission or drive train of a wind turbine, with a sliding bearing whose bearing gap formed between at least one bearing shell and the shaft is connected to at least one feed channel for lubricating the bearing gap with lubricating oil , Furthermore, the invention also relates to a control system for controlling the lubricating oil supply of such a slide bearing arrangement and to a method for operating control of an at least one such slide bearing arrangement having machine or system, preferably wind turbine. Furthermore, a computer program product embodying the aforementioned method is also indicated.
  • the field of application of the invention extends to hydrostatic or hydrodynamic plain bearings for heavy waves, which are used primarily in the field of motor vehicle construction, ship technology and mechanical and plant engineering.
  • heavy shafts are understood in particular to mean drive shafts having a shaft diameter of between 30 and 300 mm.
  • a rotary bearing of the generic type here in particular a lubricating oil supply of the bearing gap are accessible.
  • the waves of the type of interest are found, for example, in wind turbines for internal gear storage of gear components, for mounting the drive train between rotor and gear input or for supporting a rotor blade on a hub, in which the pitch of the rotor blade is adjustable.
  • the solution according to the invention can be applied to axial and radial slide bearing arrangements and combinations thereof.
  • US 201 1/0188988 A1 discloses a technical solution for a plain bearing of a rotor on a hub of a wind power plant, which is designed here as an axial bearing.
  • the axial bearing acts on mutually opposite annular surfaces of a rotary member arranged on the side of the proximal end of a rotor blade. rail.
  • the condition of the lubricating oil located in the bearing gap is determined via a pressure sensor which measures the bearing gap pressure from the bearing shell or the shaft, from which a control unit influences the pump control of the pressure lubrication circuit and / or the operation the wind turbine takes, for example, their dynamic state.
  • this control is based on a sensor technology determination of the temperature of the lubricating oil in the bearing gap.
  • the prevailing temperature is an indicator of the load on the rotor blade.
  • the lubricating film thickness in the positional gap of the sliding bearing is determined by sensors, on the basis of which the aforementioned control is carried out. If the lubricant film thickness falls below a predefined minimum value, then an overloading of the rotor blade can be derived from this.
  • US 2012/0068460 A1 discloses a radial slide bearing arrangement for a drive shaft of the drive train of a wind power plant.
  • a plain bearing forms here the rotor hub side bearing of the drive shaft.
  • the slide bearing assembly also includes a sensor that measures the gap width and thus also the lubricant film thickness of the lubricating oil located in the bearing gap to control starting from the measured value, the pump of a pressure lubrication circuit and a lift actuator of Gleitlageranssen with which the shaft at different hydrodynamic operating modes storable is.
  • the invention includes the technical teaching that at least one sensor element for detecting the presence of lubricating oil is arranged in or on a feed channel of the lubricating oil to the bearing gap of a hydrostatic slide bearing or in or on an optional existing lubricating oil bag.
  • the advantage of the solution according to the invention results from the consideration that single Lich the presence of lubricating oil, not its pressure value, film thickness or other physical parameters are already sufficient to make a statement about the operating condition of the sliding bearing.
  • the mere presence of lubricating oil can be reliably detected by a simple sensor system.
  • the solution according to the invention is based on a sensor-technical determination as to whether lubricating oil rests on the sliding bearing.
  • a sensor element according to the invention may be designed as a capacitive or ultrasonic oil level sensor.
  • a sensor element which operates preferably according to this measuring principle is arranged at least partially in a vertical channel section of the pressure-supply feed channel and either measures the height of the oil-level column in an analogous manner or at least a minimum level and a maximum level of the oil level in a discrete manner vertical channel section of existing lubricating oil.
  • this embodiment of the measuring arrangement is suitable for fixedly arranged waves, since the oil level can be reliably measured under these conditions.
  • the vertical channel section of the feed channel can be arranged in a stationary shaft of a planet carrier of a planetary stage.
  • a sensor element embodied as a flow measuring element is arranged somewhere on the feed channel of the pressure lubrication in order to measure the volume flow of lubricating oil flowing to the plain bearing supply.
  • a sensor element is insensitive to its positioning relative to the embodiment discussed above and can therefore also be arranged in horizontal channel sections of the pressure lubrication feed channel and also in moving components.
  • the flow measuring element can be designed as a flow switch known per se, whose sensor blade projects into the feed channel with the distal end. A pressurization of the sensor blade caused by the flow of the lubricating oil is a measure of the volume flow flowing through it.
  • other flow measuring elements for example screw or turbine volumeters, can also be arranged in the feed passage of the pressure lubrication in order to measure the volume flow of lubricating oil flowing into the slide bearing.
  • the sensor element may, for example, also be embodied as an ultrasonic sensor for measuring air inclusions in the lubricating oil.
  • the positioning of such a sensor element is preferably carried out on a lubricating oil bag of the sliding bearing assembly.
  • a lubricating oil bag exists with sufficiently large geometric dimensions. Since the presence of lubricating oil can be detected by the absence of air inclusions, for example air bubbles, in the lubricating oil, an ultrasound sensor positioned in this way likewise represents a suitable alternative for the sensor element according to the invention.
  • the measurement of air inclusions hereby carried out is also independent from the state of movement of the component in which the sensor element is arranged.
  • an ultrasonic sensor is also suitable for measuring the oil level in a vertical channel section of the feed channel.
  • a plurality of sensor elements in the region of the feed channel and the optional lubricating oil bag can also be used. to ensure a reliable measurement of the presence of lubricating oil.
  • these multiple sensor elements may also be of different types and, to that extent, be used in combination with one another.
  • Other sensors such as a temperature sensor or distance sensor for measuring the bearing gap width, can be combined.
  • the vertical channel section of the feed channel which is formed by the shaft or by the bearing shell, preferably extends transversely to the bearing gap and / or the longitudinal extension of the lubricating oil pocket. This does not just mean exactly vertical positioning. Angular deviations are also considered “transversal”. In an analogous manner, the vertical channel portion of the feed channel does not have to be exactly perpendicular to the longitudinal axis of the slide bearing assembly. According to a preferred embodiment, the vertical channel section is preceded by a horizontal channel section, which is arranged transversely to the vertical channel section (12) and terminates therein. As a result, a lubricating oil supply is effected externally along the inside of the shaft by a short path.
  • a control system for controlling the pressure lubrication of a sliding bearing arrangement of the type described above preferably also comprises a sensor signal conditioning unit which is assigned locally to each sensor element or arranged centrally for these elements to a group of sensor elements, which outputs a normalized measuring signal.
  • the measuring signal is connected via a signal transmission device to a control device remote from the sensor for operation control of a machine or system comprising the sliding bearing arrangement in accordance with the information detected by the at least one sensor element.
  • the signal transmission device can be at least partially designed as a wireless transmission device, for example as a data radio device.
  • the sensor signal can be transmitted to the control device, in particular by rotating components of the sliding bearing arrangement, if the sensor is placed in such a rotating component.
  • the signal transmission can be carried out as an analogue or digital data transmission, for example by means of a BUS protocol, and in some cases also by wire.
  • Which is a continuous measuring Signal on the presence of lubricating oil in the plain bearing receiving control device may be part of an electronic control unit for controlling the operation of the machine or system or this, be assigned, preferably in the form of a pre-stored so-called Electronic Control Unit (ECU).
  • ECU Electronic Control Unit
  • the operation of the machine or system is influenced as a function of the state of the lubricating oil.
  • the control device can also take into account other physical measured values of further sensors, for example the temperature T in the oil sump of the pressure lubrication circuit, the torque M, the rotational speed n and / or the drive power P of the sliding shaft or the viscosity, the water content and / or the particle concentration of foreign substances in the lubricating oil of the pressure lubrication.
  • the following control measures are preferably carried out to extend the service life of the slide bearing arrangement or to optimize its function:
  • control unit or upstream ECU communicates with the control of the lubricating oil heater or oil heater and switches on the machine or system and waits for feedback of the oil presence sensor integrated in the slide bearing, which is based on level measurement, air entrapment detection and / or flow measurement based.
  • Recognizing a leakage or malfunction in the lubricant supply by comparing their operating parameters with the measured values of the lubricating oil detection in the plain bearing. If, for example, no lubricating oil arrives in the plain bearing despite the required delivery rate, a leak or malfunction in the pressure lubrication can be inferred. Also from the temporal response and comparison with the behavior of previous, comparable operating conditions, in particular temperature, can be concluded on a change in the lubricating oil property, in this case viscosity, or power loss in the pressure lubrication. A drop in performance can be caused, for example, by a defective pump or an added oil filter.
  • the above-mentioned method for operation control can be implemented in the form of a computer program product with program code means for its implementation and preferably runs on a software-controlled electronic control unit, in particular an ECU, of the control system or else on a cloud platform ,
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of a sliding bearing arrangement with a combined sensor system comprising a flow measuring element and an ultrasonic sensor
  • FIG 3 is a block diagram representation of a control system for controlling the pressure lubrication for a sliding bearing assembly according to FIG. 1 or FIG.
  • a slide bearing arrangement 1 comprises a heavy shaft 2, which is designed here as a stationary bearing pin of a planetary wheel bearing of a planetary gear 3 at a planetary stage of a transmission for a wind power plant (not shown).
  • the slide bearing assembly 1 comprises a sliding bearing 4, which forms a bearing gap 6 between a bearing shell 5 inserted into the planetary gear 3 and the shaft 2.
  • the bearing gap 6 is ideally completely filled with lubricating oil, which is pressed by pressure lubrication from a feed channel 7 into the bearing gap 6.
  • the sliding-bearing-side outlet opening of the feed channel 7 opens into a lubricant oil pocket which stores the lubricating oil and distributes it along the bearing gap 6.
  • the lubricating oil pocket 8 expands the bearing gap 6 in a groove-shaped manner radially inwards.
  • the supply channel 7 for the lubricating oil is subdivided into a horizontal channel section 9a extending along the shaft 2 and a vertical channel section 9b adjoining it, which runs transversely to the vertical channel section 9a and opens into the lubricating oil pocket 8.
  • a sensor element 10 which is provided here for the analog measurement of the oil level column in the region of the vertical channel section 9b.
  • the sensor element 10 is based on a capacitive measuring principle and detects the presence of lubricating oil in the vertical channel section 9b in order to draw a conclusion on a trouble-free plain bearing.
  • the sensor element 10 is equipped with a locally assigned sensor signal conditioning unit 11, which normalizes the analogue oil level measurement signal to a transmission-capable signal.
  • the signal transmission takes place via a wireless signal transmission device 12 connected to the sensor signal conditioning unit 11 to a receiver entity (not shown).
  • the wireless signal transmission device 12 is here associated with a stationary shaft 2, which enables the detection of the presence of lubricating oil by oil level measurement in the vertical channel section 9b.
  • the alternative slide bearing arrangement 1 'shown in FIG. 2 is more suitable for a moving shaft 2' which rotates relative to a support structure or adjacent transmission components.
  • a sensor element 10 ' is arranged on the feed channel 7, which constitutes a flow-measuring element in order to measure the volume flow of lubricating oil flowing to the plain bearing supply for the detection of the presence of lubricating oil.
  • the sensor element 10 is combined with another sensor element 10 "of a different type.
  • the further sensor element 10 is here arranged on the lubricating oil pocket 8 and designed as an ultrasonic sensor.
  • This sensor element 10 measures air inclusions - in particular air bubbles - in the lubricating oil, in order to draw a conclusion as to the presence of lubricating oil on the plain bearing.
  • the shaft 2 ' is designed as a moving shaft in this embodiment, instead of an oil level measurement in a vertical channel section, a flow measurement is used which, for plausibility reasons, is combined with an air entrapment measurement.
  • Both sensor elements 10 'and 10 " also transmit the respective measurement signals via a wireless signal transmission device 12 to a - not shown here - receiving entity.
  • the remaining structure of this sliding bearing assembly T corresponds to the structure of the sliding bearing assembly 1 described above.
  • a control system for controlling the pressure lubrication of a slide bearing arrangement 1 ' consists essentially of a plurality of sensor elements 10' and 10 ", which on the basis of a flow measurement or air entrainment measurement of the lubricating oil whose presence in the hydrostatic sliding bearing 4 of vorste- described Detect kind.
  • a temperature sensor 13 measures the prevailing in the hydrostatic sliding bearing 4 storage temperature. A significant increase in temperature may indicate bearing damage.
  • All the measured values obtained by the sensor elements 10 ', 10 "and 13 are transmitted wirelessly via a signal transmission device 12 to a remote signal receiving device 14, which is part of a sensor remote control device 15 for operation control of a plant comprising the sliding bearing arrangement T, here wind power plant ,
  • the control device 15 comprises a software-controlled electronic control unit 16, which performs by software said operation control on the basis of the determined sensor values and in accordance with an implemented control algorithm 17.
  • an emergency shutdown can be initiated, for example, by means of the control signal 18 to the drive of the installation if the measurement data evaluation of the sensors 10 ', 10 "and / or 13 of the sliding bearing arrangement 1' shows that there is too little or no lubricating oil in the sliding bearing 4 located.
  • the emergency shutdown thus prevents progressive bearing damage.
  • the use of a cloud platform for this purpose is also conceivable. This offers the advantage that the determined sensor data can also be used for other purposes as an operation control of the machine or system.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung (1;1 ') für eine schwere Welle (2; 2'), insbesondere einer Windkraftanlage, mit einem hydrostatischen Gleitlager (4), dessen zwischen mindestens einer Lagerschale (5) und der Welle (2; 2') gebildeter Lagerspalt (6) mit mindestens einem Zuführkanal (7) zur Druckschmierung des Lagerspalts (6) mit Schmieröl verbunden ist, indem der Zuführkanal (7) in eine gleitlagerseitige Zuführkanalaustrittsöffnung oder Schmieröltasche (8) zur Bevorratung von Schmieröl mündet, wobei in oder am Zuführkanal (7) beziehungsweise in oder an der Schmieröltasche (8) mindestens ein Sensorelement (10;10';10") zur Detektion des Vorhandenseins von Schmieröl angeordnet ist.

Description

Gleitlaqeranordnunq für eine schwere Welle, insbesondere einer Windkraftanlaqe, sowie Steuersystem und Verfahren zur Schmierölversorqunq derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung für eine schwere Welle, insbesondere bei einem Getriebe oder Antriebsstrang einer Windkraftanalage, mit einem Gleitlager, dessen zwischen mindestens einer Lagerschale und der Welle ge- bildeter Lagerspalt mit zumindest einem Zuführkanal zur Schmierung des Lager- spalts mit Schmieröl verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Steuer- system zur Steuerung der Schmierölversorgung einer solchen Gleitlageranordnung sowie ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer zumindest eine solche Gleitlageran- ordnung aufweisenden Maschine oder Anlage, vorzugsweise Windkraftanlage. Fer- ner ist auch ein das vorgenannte Verfahren verkörperndes Computerprogrammpro- dukt angegeben.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf hydrostatische oder hydrodynami- sche Gleitlager für schwere Wellen, die vornehmlich im Bereich des Kraftfahrzeug- baus, der Schiffstechnik sowie des Maschinen- und Anlagenbaus zum Einsatz kom- men. Als schwere Wellen werden im Rahmen dieser Anwendungen insbesondere Antriebswellen mit einem Wellendurchmesser zwischen 30 und 300 mm verstanden. Es sind jedoch auch kleinere oder größere Wellendurchmesser denkbar, falls diese mit einer Drehlagerung der hier gattungsgemäßen Art ausgestattet werden können, insbesondere einer Schmierölversorgung des Lagerspalts zugänglich sind. Die Wel- len der hier interessierenden Art finden sich beispielsweise in Windkraftanlagen zur getriebeinternen Lagerung von Zahnradbauteilen, zur Lagerung des Antriebsstrangs zwischen Rotor und Getriebeeingang oder auch zur Lagerung eines Rotorblatts an einer Nabe, bei welcher der Pitch des Rotorblatts verstellbar ist. Prinzipiell lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auf axiale und radiale Gleitlageranordnungen sowie Kombinationen hieraus anwenden.
Aus der US 201 1/0188988 A1 geht eine technische Lösung für eine Gleitlagerung eines Rotors an einer Nabe einer Windkraftanlage hervor, welche hier als Axiallage- rung ausgebildet ist. Die Axiallagerung wirkt auf einander gegenüberliegende Ring- flächen einer seitens des proximalen Endes eines Rotorblatts angeordneten Dreh- schiene ein. Der Zustand des sich im Lagerspalt befindlichen Schmieröls wird hier gemäß einer ersten beschriebenen Ausführungsform über einen Drucksensor ermit- telt, welcher seitens der Lagerschale oder der Welle angeordnet den Lagerspaltdruck misst, woraus eine Steuereinheit Einfluss auf die Pumpenansteuerung des Druck- schmierungskreises und/oder den Betrieb der Windkraftanlage nimmt, beispielsweise auf deren dynamischen Zustand. Gemäß einer anderen beschriebenen Ausführungs- form basiert diese Steuerung auf einer sensortechnischen Ermittlung der Temperatur des Schmieröls im Lagerspalt. Die dort herrschende Temperatur ist ein Indikator für die Belastung des Rotorblatts. Schließlich wird gemäß einer weiteren Ausführungs- form vorgeschlagen, dass die Schmierfilmdicke im Lagespalt des Gleitlagers sensor- technisch ermittelt wird, auf dessen Basis die vorgenannte Steuerung durchgeführt wird. Falls die Schmierfilmdicke unter einen vordefinierten Mindestwert fällt, so lässt sich hieraus eine Überbelastung des Rotorblatts ableiten.
Die US 2012/0068460 A1 offenbart eine radiale Gleitlageranordnung für eine An- triebswelle des Antriebsstrangs einer Windkraftanlage. Ein Gleitlager bildet hier die rotornabenseitige Lagerstelle der Antriebswelle. Die Gleitlageranordnung umfasst ebenfalls einen Sensor, der die Spaltbreite und damit ebenfalls die Schmierfilmdicke des sich im Lagerspalt befindlichen Schmieröls misst, um ausgehend von dem Messwert die Pumpe eines Druckschmierungskreises sowie einen Liftaktuator der Gleitlageranordnung anzusteuern, mit welchem die Welle bei verschiedenen hydro- dynamischen Betriebsmodi lagerbar ist.
Wechselnde Betriebszustände der eine solche Gleitlagerung umfassenden Maschine oder Anlage sowie Störungen in der Druckschmierung können zu einer Funktionsun- terbrechung der Gleitlagerung führen und einen Verschleiß, Schädigung oder sogar Ausfall der Lagerstelle herbeiführen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitlageranordnung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen techni- schen Mitteln ein störungsfreier Betrieb ermöglicht wird und überwachbar ist. Die Aufgabe wird hinsichtlich einer Gleitlageranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsicht- lich eines Steuersystems zur Steuerung der Druckschmierung der Gleitlageranord- nung wird auf Anspruch 9 verwiesen. Anspruch 13 gibt ein Verfahren zur Betriebs- Steuerung einer die Gleitlageranordnung aufweisenden Maschine oder Anlage an, die gemäß Anspruch 12 vorzugsweise eine Windkraftanlage ist, und gemäß An- spruch 16 als Computerprogrammprodukt ausgebildet sein kann. Die jeweils rückbe- zogenen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass in oder an einem Zuführkanal des Schmieröls zum Lagerspalt eines hydrostatischen Gleitlagers bzw. in oder an einer optional vorhandenen Schmieröltasche mindestens ein Sensorelement zur De- tektion des Vorhandenseins von Schmieröl angeordnet ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung resultiert aus der Überlegung, dass ledig lich das Vorhandensein von Schmieröl, nicht dessen Druckwert, Schmierfilmdicke oder andere physikalische Parameter bereits hinreichend sind, um eine Aussage über den Betriebszustand der Gleitlagerung zu treffen. Das bloße Vorhandensein von Schmieröl lässt sich durch eine einfach aufgebaute Sensorik zuverlässig feststel- len. Mit anderen Worten basiert die erfindungsgemäße Lösung auf einer sensortech- nischen Ermittlung, ob Schmieröl am Gleitlager anliegt.
Vorzugsweise kann ein erfindungsgegenständliches Sensorelement als ein kapaziti- ver oder Ultraschall-Ölstandssensor ausgebildet sein. Ein vorzugsweise nach diesem Messprinzip arbeitendes Sensorelement wird gemäß einer ersten bevorzugten Aus- führungsform zumindest teilweise in einem vertikalen Kanalabschnitt des Zuführka- nals der Druckschmierung angeordnet und misst entweder in analoger Weise die Höhe der Ölstandssäule oder in diskreter Weise zumindest einen Minimalstand sowie einen Maximalstand des im vertikalen Kanalabschnitt vorhandenen Schmieröls. Vor- zugsweise eignet sich diese Ausführungsform der Messanordnung für ortsfest ange- ordnete Wellen, da der Ölstand unter diesen Bedingungen zuverlässig messbar ist. Beispielsweise kann der vertikale Kanalabschnitt des Zuführkanals in einer stehen- den Welle eines Planetenträgers einer Planetenstufe angeordnet sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass ein als Durch- flussmesselement ausgebildetes Sensorelement irgendwo am Zuführkanal der Druckschmierung angeordnet ist, um den zur Gleitlagerversorgung fließenden Volu- menstrom an Schmieröl zu messen. Ein derartiges Sensorelement ist hinsichtlich seiner Positionierung gegenüber der vorstehend erörterten Ausführungsform unemp- findlich und kann daher auch in horizontalen Kanalabschnitten des Zuführkanals der Druckschmierung und auch in beweglichen Bauteilen angeordnet werden. Das Durchflussmesselement kann als ein an sich bekannter Durchfluss-Schalter ausge- bildet sein, dessen Sensorblatt mit dem distalen Ende in den Zuführkanal hineinragt. Eine durch die Strömung des Schmieröls bewirkte Beaufschlagung des Sensorblatts ist ein Maß für den durchfließenden Volumenstrom. Anstelle eines solchen Durch- fluss-Schalters können auch andere Durchflussmesselemente, beispielsweise Schrauben- oder Turbinenvolumeter, im Zuführkanal der Druckschmierung angeord- net sein, um den dem Gleitlager zufließenden Volumenstrom an Schmieröl zu mes- sen.
Gemäß einer dritten Ausführungsform kann das Sensorelement beispielsweise auch als ein Ultraschall-Sensor zur Messung von Lufteinschlüssen im Schmieröl ausgebil- det sein. Die Positionierung eines solchen Sensorelements erfolgt vorzugsweise an einer Schmieröltasche der Gleitlageranordnung. Voraussetzung hierfür ist, dass eine solche Schmieröltasche mit hinreichend großen geometrischen Abmessungen exis- tiert. Da sich das Vorhandensein von Schmieröl über das Nicht-Vorhandensein von Lufteinschlüssen, beispielsweise Luftblasen, im Schmieröl detektieren lässt, stellt ein derart positionierter Ultraschall-Sensor ebenfalls eine geeignete Alternative für das erfindungsgegenständliche Sensorelement dar. Auch das hiermit durchgeführte Mes- sen von Lufteinschlüssen ist unabhängig vom Bewegungszustand des Bauteils, in dem das Sensorelement angeordnet ist. Im Übrigen ist ein Ultraschall-Sensor auch zur Messung des Ölstands in einem vertikalen Kanalabschnitt des Zuführkanals ge- eignet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Sensorelemente im Bereich des Zuführkanals und der optionalen Schmieröltasche zum Einsatz kommen, um ein zuverlässiges Messergebnis über das Vorhandensein von Schmieröl sicher- zustellen. Dabei können diese mehreren Sensorelemente auch unterschiedlichen Typs sein und insoweit in Kombination miteinander zum Einsatz kommen. Auch an- dere Sensoren, wie beispielsweise ein Temperatursensor oder Abstandssensor zur Messung der Lagerspaltbreite, sind kombinierbar.
Vorzugsweise erstreckt sich der seitens der Welle oder seitens der Lagerschale aus- gebildete vertikale Kanalabschnitt des Zuführkanals quer zum Lagerspalt und/oder der Längserstreckung der Schmieröltasche. Darunter fällt nicht allein eine genau senkrechte Positionierung. Auch Winkelabweichungen hiervon gelten als„quer“. In analoger Weise muss der vertikale Kanalabschnitt des Zuführkanals nicht genau senkrecht zur Längsachse der Gleitlageranordnung liegen. Gemäß einer bevorzug- ten Ausführungsform geht dem vertikalen Kanalabschnitt ein horizontaler Kanalab- schnitt voraus, der quer zum vertikalen Kanalabschnitt () angeordnet ist und hierin einmündet. Hierdurch wird auf kurzem Weg eine Schmierölzufuhr von außen entlang des Welleninneren bewirkt.
Ein Steuersystem zur Steuerung der Druckschmierung einer Gleitlageranordnung der vorstehend beschriebenen Art umfasst vorzugsweise außerdem eine jedem Senso- relement lokal zugeordnete oder für eine Gruppe von Sensorelementen zentral zu diesen Bauteilen angeordnete Sensorsignalaufbereitungseinheit, welche ein normier- tes Messsignal ausgibt. Das Messsignal wird über eine Signalübertragungseinrich- tung mit einer sensorfernen Steuereinrichtung zur Betriebssteuerung einer die Gleit lageranordnung umfassenden Maschine oder Anlage nach Maßgabe der von dem mindestens einen Sensorelement detektierten Information verbunden. Dabei kann die Signalübertragungseinrichtung zumindest teilweise als drahtlose Übertragungs- einrichtung ausgebildet sein, beispielsweise als Datenfunkeinrichtung. Hierüber lässt sich das Sensorsignal insbesondere von drehenden Bauteilen der Gleitlageranord- nung auf die Steuereinrichtung übertragen, falls der Sensor in einem solchen dre- henden Bauteil platziert ist. Hierdurch werden verschleißanfällige Schleifkontaktüber- tragungen und dergleichen vermieden. Die Signalübertragung kann dabei als analo- ge oder digitale Datenübertragung, beispielsweise per BUS-Protokoll, ausgeführt werden und teilweise auch drahtgebunden erfolgen. Die ein kontinuierliches Mess- Signal über das Vorhandensein von Schmieröl im Gleitlager empfangende Steuerein- richtung kann Bestandteil einer elektronischen Steuereinheit zur Betriebssteuerung der Maschine oder Anlage sein oder auch dieser, vorzugsweise in Form einer vorge- lagerten sogenannten Electronic Control Unit (ECU), zugeordnet sein.
Durch die Steuereinrichtung bzw. die vorgelagerte ECU wird gemäß einer die Erfin- dung verbessernden Maßnahme in Abhängigkeit des Schmierölzustands der Betrieb der Maschine oder Anlage beeinflusst. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung auch andere physikalische Messwerte weiterer Sensoren berücksichtigen, beispiels- weise die Temperatur T im Ölsumpf des Druckschmierungskreises, das Drehmoment M, die Drehzahl n und/oder die Antriebsleistung P der gleitgelagerten Welle oder die Viskosität, den Wassergehalt und/oder die Partikelkonzentration von Fremdstoffen im Schmieröl der Druckschmierung. Im Rahmen der Betriebssteuerung werden vor- zugsweise folgende Steuermaßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer der Gleitlageranordnung oder deren Funktionsoptimierung ausgeführt:
Optimierung der Druckschmierung durch Erhöhung des Ölfördervolumens der Schmiermittelpumpe bei Ölmangel oder durch schmierungsoptimale Ansteuerung des Antriebs der Welle hinsichtlich Drehzahl, Drehmoment und/oder Leistung. Hier- durch erfolgt eine Belastungsanpassung der Schmierstrategie.
Bedarfsgesteuertes Erhöhen der Schmiermittelzufuhr im Stillstand und/oder Leerlauf der Welle. Hierdurch wird eine Verlängerung der Lebensdauer der Gleitlage- rung erzielt.
Verschleißoptimierte Anfahrstrategie nach längerem Stillstand der Welle und/oder tiefen Temperaturen unter Beachtung einer hinreichenden Schmierung der Gleitlageranordnung. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Anlage erst hochgefahren oder die Last erhöht wird, wenn ausreichend Schmierung vorhanden ist oder das Schmieröl warm genug ist. Die Steuereinrichtung oder vorgeschaltete ECU steht zu diesem Zweck signaltechnisch mit der Steuerung der Schmieröleinrich- tung bzw. Ölheizung in Verbindung und schaltet die Maschine oder Anlage ein und wartet auf Rückmeldung der in der Gleitlagerung integrierten Ölanwesenheitssenso- rik, die auf Basis einer Füllstandsmessung, Lufteinschlussdetektion und/oder Durch- flussmessung basiert. Erkennen einer Leckage oder Störung in der Schmiermittelzufuhr durch Ab- gleich von deren Betriebsparametern mit den Messwerten der Schmieröldetektion im Gleitlager. Kommt beispielsweise kein Schmieröl trotz angeforderter Förderleistung im Gleitlager an, kann auf eine Leckage oder Störung in der Druckschmierung ge- schlossen werden. Auch aus dem zeitlichen Ansprechverhalten und Abgleich mit dem Verhalten zu vorherigen, vergleichbaren Betriebszuständen, insbesondere Temperatur, kann auf eine Änderung der Schmieröleigenschaft, in diesem Falle Vis- kosität, oder Leistungsabfall in der Druckschmierung geschlossen werden. Ein Leis- tungsabfall kann beispielsweise durch eine defekte Pumpe oder einen zugesetzten Ölfilter verursacht werden.
Notabschaltung der Maschine oder Anlage im Falle einer Mangelschmierung oder bei Eintreten eines der vorstehend beispielhaft angegebenen Störungsfälle.
Es sei darauf hingewiesen, dass das vorgenannte Verfahren zur Betriebssteuerung sich in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln zu dessen Durchführung umsetzen lässt und vorzugsweise auf einer dafür vorgesehenen soft- waregesteuerten elektronischen Steuereinheit, insbesondere ECU, des Steuersys- tems oder auch auf einer Cloud-Plattform abläuft.
Weiter die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
Gleitlageranordnung mit einem Ölstandssensor zur Detektion des Vor- handenseins von Schmieröl,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels ei- ner Gleitlageranordnung mit einer kombinierten Sensorik aus Durch- flussmesselement und Ultraschall-Sensor, und Fig. 3 eine Blockschaltbilddarstellung eines Steuersystems zur Steuerung der Druckschmierung für eine Gleitlageranordnung gemäß Fig.1 oder Fig.2.
Gemäß Fig. 1 umfasst eine Gleitlageranordnung 1 eine schwere Welle 2, welche hier als stehender Lagerbolzen einer Planetenradlagerung eines Planetenrads 3 bei einer - nicht weiter dargestellten - Planetenstufe eines Getriebes für eine Windkraftanlage ausgebildet ist.
Die Gleitlageranordnung 1 umfasst ein Gleitlager 4, welches zwischen einer in das Planetenrad 3 eingesetzten Lagerschale 5 und der Welle 2 einen Lagerspalt 6 bildet. Für die Gleitlagerung ist der Lagerspalt 6 idealerweise vollständig mit Schmieröl aus- gefüllt, welches per Druckschmierung von einem Zuführkanal 7 aus in den Lagerspalt 6 gepresst wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel mündet die gleitlagerseitige Austrittsöffnung des Zuführkanals 7 in eine das Schmieröl bevorratende und entlang des Lagerspalts 6 verteilende Schmieröltasche 8. Die Schmieröltasche 8 erweitert den Lagerspalt 6 rinnenförmig nach radial innen.
Der Zuführkanal 7 für das Schmieröl ist bei diesem Ausführungsbeispiel in einen längs der Welle 2 verlaufenden horizontalen Kanalabschnitt 9a sowie einen sich hie- ran anschließenden vertikalen Kanalabschnitt 9b unterteilt, welcher quer zum vertika- len Kanalabschnitt 9a verläuft und in die Schmieröltasche 8 ausmündet.
Entlang des vertikalen Kanalabschnitts 9b des Zuführkanals 7 für Schmieröl erstreckt sich ein Sensorelement 10, welches hier zur analogen Messung der Ölstandssäule im Bereich des vertikalen Kanalabschnitts 9b vorgesehen ist. Das Sensorelement 10 basiert auf einem kapazitiven Messprinzip und detektiert das Vorhandensein von Schmieröl im vertikalen Kanalabschnitt 9b, um einen Rückschluss auf eine störungs- freie Gleitlagerung ziehen zu können. Das Sensorelement 10 ist mit einer lokal zugeordneten Sensorsignalaufbereitungs- einheit 11 ausgestattet, welche das analoge Ölstandsmesssignal zu einem übertra- gungstauglichen Signal normiert. Die Signalübertragung findet über eine an der Sen- sorsignalaufbereitungseinheit 11 angeschlossenen drahtlosen Signalübertragungs- einrichtung 12 an eine - nicht weiter dargestellte - Empfängerinstanz statt. Die draht- lose Signalübertragungseinrichtung 12 ist hier einer stehenden Welle 2 zugeordnet, welche die Detektion des Vorhandenseins von Schmieröl durch Ölstandsmessung im vertikalen Kanalabschnitt 9b ermöglicht.
Die in Fig. 2 dargestellte alternative Gleitlageranordnung 1’ ist dagegen eher für eine bewegte Welle 2’ geeignet, welche relativ zu einer Tragstruktur oder benachbarten Getriebebauteilen rotiert. Am Zuführkanal 7 ist hier ein Sensorelement 10’ angeord- net, welches ein Durchflussmesselement darstellt, um zur Detektion des Vorhan- denseins von Schmieröl den zur Gleitlagerversorgung fließenden Volumenstrom an Schmieröl zu messen.
Kombiniert ist das Sensorelement 10’ mit einem weiteren Sensorelement 10” eines anderen Typs. Das weitere Sensorelement 10” ist hier an der Schmieröltasche 8 an- geordnet und als Ultraschall-Sensor ausgebildet. Dieses Sensorelement 10” misst Lufteinschlüsse - insbesondere Luftblasen - im Schmieröl, um hieraus einen Rück- schluss auf das Vorhandensein von Schmieröl an der Gleitlagerung zu treffen.
Da die Welle 2’ bei diesem Ausführungsbeispiel als bewegte Welle ausgebildet ist, wird hier anstelle einer Ölstandsmessung in einem vertikalen Kanalabschnitt eine Durchflussmessung verwendet, welche aus Plausibilitätsgründen mit einer Luftein- schluss-Messung kombiniert ist.
Beide Sensorelemente 10’ und 10” übermitteln die jeweiligen Messsignale ebenfalls über eine drahtlose Signalübertragungseinrichtung 12 an eine - hier ebenfalls nicht dargestellte - Empfängerinstanz. Der übrige Aufbau dieser Gleitlageranordnung T entspricht dem Aufbau der vorstehend beschriebenen Gleitlageranordnung 1. Nach Fig. 3 besteht ein Steuersystem zur Steuerung der Druckschmierung einer Gleitlageranordnung 1’ im Wesentlichen aus mehreren Sensorelementen 10’ und 10”, welche auf Basis einer Durchflussmessung bzw. einer Lufteinschluss-Messung des Schmieröls dessen Vorhandensein im hydrostatischen Gleitlager 4 der vorste- hend beschriebenen Art detektieren. Daneben misst ein Temperatursensor 13 die im hydrostatischen Gleitlager 4 herrschende Lagertemperatur. Eine signifikante Tempe- raturerhöhung kann auf einen Lagerschaden hindeuten.
All die durch die Sensorelemente 10’, 10” sowie 13 gewonnenen Messwerte werden über eine Signalübertragungseinrichtung 12 drahtlos an eine ortsferne Signalemp- fangseinrichtung 14 übertragen, welche Bestandteil einer sensorfernen Steuerein- richtung 15 zur Betriebssteuerung einer die Gleitlageranordnung T umfassenden Anlage, hier Windkraftanlage, ist. Die Steuereinrichtung 15 umfasst eine softwarege- steuerte elektronische Steuereinheit 16, welche per Software die besagte Betriebs- Steuerung auf Basis der ermittelten Sensorwerte und nach Maßgabe eines imple- mentierten Steueralgorithmus 17 durchführt.
Unter Verwendung des Steueralgorithmus 17 kann beispielsweise per Steuersignal 18 an den Antrieb der Anlage eine Notabschaltung eingeleitet werden, falls die Messdatenauswertung der Sensoren 10’, 10” und/oder 13 der Gleitlageranordnung 1’ ergibt, dass sich zu wenig oder kein Schmieröl im Gleitlager 4 befindet. Die Notab- schaltung verhindert insoweit einen fortschreitenden Lagerschaden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hierfür denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es bei- spielsweise auch möglich, andere Maßnahmen zur Betriebssteuerung einer Maschi- ne oder Anlage bei einem durch die erfindungsgemäße Lösung erkannten Ölmangel vorzunehmen, beispielsweise einer Erhöhung der Schmiermittelzufuhr, insbesondere im Stillstand, eine verschleißoptimierte Anfahrstrategie nach längerem Stillstand oder extrem tiefen Temperaturen, eine Leckagedetektion, eine Optimierung der Druck- schmierung durch bedarfsgerechte Schmierölzufuhr und dergleichen. Ferner ist das erfindungsgemäße Steuersystem nicht darauf beschränkt, dass das Verfahren zur Betriebssteuerung lokal in der Maschine oder Anlage durchgeführt wird. Dieses kann beispielsweise auch auf einer Client-Server-Architektur durchge- führt werden, worin die sensorische Messwertermittlung clientseitig und die Signal- auswertung serverseitig erfolgt. Auch die Nutzung einer Cloud-Plattform zu diesem Zweck ist denkbar. Dies bietet den Vorteil, dass die ermittelten Sensordaten auch für andere Einsatzzwecke als eine Betriebssteuerung der Maschine oder Anlage nutzbar gemacht werden können.
Bezuqszeichen
1 Gleitlageranordnung
2 Welle
3 Planetenrad
Gleitlager
5 Lagerschale
6 Lagerspalt
7 Zuführkanal
8 Schmieröltasche
9a horizontaler Kanalabschnitt
9b vertikaler Kanalabschnitt
10 Sensorelement
1 1 Sensorsignalaufbereitungseinheit
12 Signalübertragungseinrichtung
13 Temperatursensor
14 Signalempfangseinrichtung
15 Steuereinrichtung
16 Steuereinheit
17 Steueralgorithmus
T Temperatur
M Drehmoment
n Drehzahl
P Antriebsleistung

Claims

Patentansprüche
1 . Gleitlageranordnung (1 ; V) für eine schwere Welle (2), insbesondere einer Wind- kraftanlage, mit einem hydrostatischen Gleitlager (4), dessen zwischen mindestens ei- ner Lagerschale (5) und der Welle (2; 2‘) gebildeter Lagerspalt (6) mit mindestens ei- nem Zuführkanal (7) zur Druckschmierung des Lagerspalts (6) mit Schmieröl verbunden ist, indem der Zuführkanal (7) in eine gleitlagerseitige Zuführkanalaustrittsöffnung oder Schmieröltasche (8) zur Bevorratung von Schmieröl mündet, dadurch gekennzeichnet, dass in oder am Zuführkanal (7) beziehungsweise in oder an der Schmieröltasche (8) mindestens ein Sensorelement (10; 10‘; 10“) zur Detektion des Vorhandenseins von Schmieröl angeordnet ist.
2. Gleitlageranordnung (1 ; V) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10; 10“) als ein kapazitiver oder Ultraschall-Ölstandssensor ausgebil- det ist.
3. Gleitlageranordnung (1 ; V) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) zumindest teilweise in einem vertikalen Kanalabschnitt (9b) des Zuführkanals (7) angeordnet ist und zur analogen Messung der Ölstandssäule oder zur diskreten Messung zumindest eines Minimalstands sowie eines Maximalstands an dort vorhandenem Schmieröl ausgebildet ist.
4. Gleitlageranordnung (1 ; V) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das am Zuführkanal (7) angeordnete Sensorelement (10‘) als ein Durchflussmesselement zur Messung des zur Gleitlagerversorgung fließenden Volumenstroms an Schmieröl aus- gebildet ist.
5. Gleitlageranordnung (1 ; V) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das an der Schmieröltasche (8) angeordnete Sensorelement (10“) als ein Ultraschall-Sensor zur Messung von Lufteinschlüssen im Schmieröl ausgebildet ist.
6. Gleitlageranordnung (1 ; T) mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass mehrere Sensorelemente (10; 10‘; 10“) unterschiedlichen Typs in Kom- bination zum Einsatz kommen.
7. Gleitlageranordnung (1 ; T) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der seitens der Welle (2) oder seitens der Lagerschale
(5) ausgebildete vertikale Kanalabschnitt (9b) des Zuführkanals (7) quer zum Lagerspalt
(6) und/oder der Längserstreckung der Schmieröltasche (8) ausgerichtet ist und hierin einmündet.
8. Gleitlageranordnung (1 ; T) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem vertikalen Kanalabschnitt (9b) ein horizontaler Kanalabschnitt (9a) vorausgeht, der quer zum vertikalen Kanalabschnitt (9b) angeordnet ist und hierin einmündet.
9. Steuersystem zur Steuerung der Druckschmierung einer Gleitlageranordnung (1 ; T) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend eine dem min- destens einem Sensorelement (10; 10‘; 10“) lokal zugeordnete Sensorsignalaufberei- tungseinheit (1 1 ), die über eine Signalübertragungseinrichtung (12) mit einer sensorfer- nen Steuereinrichtung (15) zur Betriebssteuerung einer die Gleitlageranordnung (1 ; T) umfassenden Maschine oder Anlage nach Maßgabe der vom mindestens einen Senso- relement (10; 10‘; 10“) detektierten Information in Verbindung steht.
10. Steuersystem nach Anspruch 9, wobei die Signalübertragungseinrichtung (12) zu- mindest teilweise als drahtlose Übertragungseinrichtung ausgebildet ist, um das Sen- sorsignal von drehenden Bauteilen der Gleitlageranordnung (T) auf die Steuereinrich- tung (15) zu übertragen.
1 1 . Steuersystem nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung (15) eine softwarege- steuerte elektronische Steuereinheit (16) zur Betriebssteuerung der Maschine oder An- lage umfasst.
12. Windkraftanlage, umfassend ein Steuersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1.
13. Verfahren zur Betriebssteuerung einer zumindest eine Gleitlageranordnung (1 ; T) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisenden Maschine oder Anlage, wobei über mindestens ein Sensorelement (10; 10‘; 10“) der Gleitlageranordnung (1 ; T) das Vor- handensein von Schmieröl detektiert wird, wonach das diesbezügliche Sensorsignal über eine Signalübertragungseinrichtung (12) an eine Steuereinrichtung (15) übertragen wird, durch welche die Betriebssteuerung der Maschine oder Anlage nach Maßgabe des Sensorsignals ausgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Betriebssteuerung mindestens eine Steu- ermaßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer der Gleitlageranordnung (1 ; T) oder dessen Funktionsoptimierung ausführt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, umfas- send:
Optimierung der Druckschmierung durch Erhöhung des Ölfördervolumens Schmiermittelpumpe bei Ölmangel oder durch schmierungsoptimierte Ansteuerung des Antriebs der Welle (2; 2‘) hinsichtlich Drehzahl, Drehmoment und/oder Leistung,
bedarfsgesteuertes Erhöhen der Schmiermittelzufuhr im Stillstand und/oder Leer- lauf der Welle (2; 2‘),
verschleißoptimierte Anfahrstrategie nach längerem Stillstand der Welle (2; 2‘) und/oder tiefen Temperaturen unter Beachtung einer hinreichenden Schmierung der Gleitlageranordnung (1 ; T),
Erkennen einer Leckage oder Störung in der Schmiermittelzufuhr durch Abgleich von deren Betriebsparametern mit den Messwerten der Schmieröldetektion im Gleitla ger (4),
Notabschaltung der Maschine oder Anlage im Falle einer Mangelschmierung.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei in die Betriebssteuerung durch die Steuerein- richtung (15) physikalische Messwerte weitere Sensoren (13) einfließen, ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend:
Temperatur (T) im Ölsumpf des Druckschmierungskreises
Drehmoment (M), Drehzahl (n) und/oder Antriebsleistung (P) der Welle (2; 2‘),
Viskosität, Wassergehalt und/oder Partikelkonzentration des Schmieröls.
16. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung der Be- triebssteuerung gemäß des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer elektronischen Steuereinheit (16) eines Steuer- systems nach Anspruch 1 1 oder einem Cloud-Plattform abläuft.
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