WO2020132708A1 - Verfahren zur überwachung der lebensdauer eines verbauten wälzlagers - Google Patents

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WO2020132708A1
WO2020132708A1 PCT/AT2019/060449 AT2019060449W WO2020132708A1 WO 2020132708 A1 WO2020132708 A1 WO 2020132708A1 AT 2019060449 W AT2019060449 W AT 2019060449W WO 2020132708 A1 WO2020132708 A1 WO 2020132708A1
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WO
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sensors
determined
service life
force
bearing
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PCT/AT2019/060449
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Gerhard Zalar
Joachim Schmidt
Silvio-Leon KOISER
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Avl List Gmbh
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/522—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to load on the bearing, e.g. bearings with load sensors or means to protect the bearing against overload
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/08—Shock-testing
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the life of a built roller bearing, in which measurements are taken in the area around the bearing in a first step with at least two sensors and a remaining life is calculated in a subsequent step.
  • the condition of the rolling elements can be assessed on the basis of the noise emissions that occur and, for example, maintenance or an exchange is initiated in the event of certain events occurring.
  • the object of the present invention is to provide a method for monitoring the service life which enables a better prediction of the remaining service life.
  • This object is achieved according to the invention by the method mentioned at the outset for monitoring the service life of a installed rolling bearing by determining a transfer function and using this to measure at least dynamic loads - preferably all loads - on the rolling bearing from the measurements of the at least one sensor to calculate the remaining ones Lifetime can be determined.
  • the object is achieved by a device for monitoring the life of a built-in roller bearing for carrying out the method of monitoring, with at least two sensors for measurement, the sensors being arranged in the region of the bearing and calculating a remaining service life in a subsequent step becomes.
  • the output takes place on a technical output device, visually on a screen or in electronic form in a memory or is via a printer issued in printed form.
  • the output device can be implemented by a screen, a printer or similar devices.
  • This transfer function increases the accuracy of the values determined, since stiffness and resilience of the material that influence the measurement are taken into account.
  • the sensors are arranged outside an inner bearing ring and outside an outer bearing ring and dynamic properties of the bearing rings are recorded with the transfer function.
  • the durability of the sensors and subsequently the durability of the accuracy increases over a longer period of time. Due to the constant rolling of rolling elements, the sensors can be damaged over time and the measurements can therefore become unusable. This is achieved by arranging the sensors in areas that are not overrun by rolling elements.
  • the end shield is the component that covers the rolling bearing from the outside in the axial direction and protects against environmental influences such as the entry of dust. The aging and contamination of lubricants is thus reduced to a minimum - for example by abrasion, which cannot be prevented.
  • the ideal use of the advantages is when all sensors are arranged outside an inner bearing ring and an outer bearing ring, for example on the end shield.
  • the trans fer function is determined with an impulse hammer, which has a force sensor for receiving a signal, and the sensors.
  • a pulse hammer is a common device that is easily available, inexpensive, and accurate.
  • the transfer function is determined with a vibration exciter, which has a force sensor for receiving a signal and the sensors.
  • the signals determined can be processed particularly easily if an excitation spectrum is determined from the signal of the force sensor of the pulse hammer or of the vibration exciter - preferably with Fast Fourier Transformation (FFT). This is particularly easy to do with FFT.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the sensors for measurement are acceleration sensors and the acceleration sensors measure the acceleration in the area of the rolling bearing preferably with a recording rate of at least 2.56 kHz and / or that a frequency spectrum of the acceleration signal - preferably with FFT - is determined.
  • the acceleration sensors With the help of the acceleration sensors, dynamic loads on the rolling bearing can be determined very easily and precisely. Accelerometers are now cheap and available in a variety of designs for a wide variety of applications.
  • the method according to the invention is in particular computer-aided or is carried out in particular computer-aided.
  • an alternative of the method provides that frequency spectra of the acceleration signal - preferably with FFT - are determined at fixed intervals.
  • the load on the roller bearing can be determined particularly easily and without much effort by determining a sum level from a force spectrum, the force spectrum being determined as a quotient from the frequency spectrum of the acceleration signal and the transfer function.
  • the sensors for measurement are each a measuring arrangement with several strain gauges (DMS) and each measuring arrangement measures the force in the area of the rolling bearing.
  • Temperature effects can be compensated inexpensively if the measuring arrangement has a Wheatstone measuring bridge for each spatial direction and absorbs forces in all three spatial directions. As a result, the measurement accuracy can be greatly increased.
  • a clamping device is used to carry out a calibration for static loads - and preferably dynamic loads up to a limit frequency.
  • the signals can be further processed if a frequency spectrum of a force signal - preferably with FFT - is determined.
  • the amount of data can be reduced if frequency spectra of the force signal - preferably with FFT - are determined at defined intervals.
  • the bearing load can be determined particularly easily if a sum level is determined from a force spectrum, the force spectrum being determined as the quotient from the frequency spectrum of the force signal and the transfer function and / or if loads from the static loads and the sum level of the force spectrum add up become.
  • a favorable variant provides that the calculation of the remaining service life is carried out continuously, preferably at intervals.
  • the forces measured during operation serve as the basis for an adaptive calculation of the remaining service life. Depending on the loads, the predicted lifespan is shortened or extended.
  • the method is particularly suitable for test bench power brakes, but can also be used for other arrangements with built-in roller bearings. In principle, it can be used for all machines that are equipped with roller bearings or elements with roller bearings.
  • the forces acting during operation can be measured in two different ways: Firstly, by measuring the vibration using acceleration sensors and converting the acceleration of the vibration into force using the transfer function.
  • the transfer function must first be determined once for the end shield or the respective component on which the sensors are arranged. On the other hand, it can be determined by applying strain gauges (strain gauges) to the end shield or other component and with calibration using a calibration device. Furthermore, a transfer function must be calculated and implemented to take into account the dynamic properties of the end shield or the respective component.
  • the measurement by acceleration sensors is carried out as follows:
  • the transfer function is determined by means of a pulse hammer and an acceleration sensor.
  • the impulse hammer which has a force sensor at the tip, strikes the shaft and simultaneously measures the response at the acceleration sensors.
  • a spectrum is calculated from these signals by means of FFT, and the transfer function H (f) is then determined for each acceleration sensor.
  • the spectrum of the acceleration sensors is referred to as the response spectrum V (f) and the spectrum from the signal of the force sensor as the excitation spectrum U (f).
  • the transfer function H (f) results as follows: (/) transfer function
  • V (f) Fourier transform of the response [m / s 2 ]
  • the measurements during operation are then carried out in such a way that the acceleration sensors are attached as close as possible to the rolling bearing on the end shield of the machine or at the measuring points provided.
  • the measurement is carried out with a sufficiently high recording rate of more than 2.56 kHz.
  • Frequency spectra of the continuously recorded acceleration signal are calculated at regular intervals, which can be fixed in time, by means of FFT. These are then spectrally divided with the previously determined transfer function H (f). The result is a force spectrum F (f) according to the formula below:
  • the total level of this force spectrum F (f) reflects the total force acting in the rolling bearing.
  • strain gauges When strain gauges are used, they are arranged on the end shield so that the force can be measured in all three spatial directions. In order to find the ideal position, a fenite element calculation of the structure is carried out. The ideal position means that the measured spatial directions are separated as accurately as possible with the highest measurement sensitivity. A Wheatstone measuring bridge is required for each spatial direction, ie four strain gauges are provided in each direction.
  • the measuring directions (axial, horizontal, vertical) can be separated with minimal crosstalk.
  • the crosstalk depends on the quality (accuracy of the wall thickness, homogeneity of the cast) of the end shield. If high accuracy is required, the end shield is advantageously carried out as a steel turned part.
  • the strain gauges are calibrated using a custom-made clamping device that can pull the shaft in all three spatial directions.
  • a force sensor is attached between the shaft and the tensioning device and measures the tensile force exerted.
  • the voltages of the full bridges are measured and recorded.
  • the calibration factor f results from:
  • the measurement can be carried out in the manner described above, with the difference that the response is the force signal from the strain gauge measurement.
  • the excitation can also take place by means of an impulse hammer or by means of a vibration exciter, which also measures the force introduced with a force sensor.
  • the ISO 281 standard is usually used to calculate the service life of rolling bearings. In this standard, the mechanical specifications of the rolling bearing and the operating conditions serve as the basis for the calculation.
  • the remaining life is conveniently shown in the remaining operating hours h. This means that a service can be initiated in good time or an alarm can be issued before damage and standstill occur.
  • the dynamic equivalent bearing load P is a calculated value. This value is a radial load with radial bearings or axial load with axial bearings that is constant in size and direction. A load with the dynamic equivalent bearing load P gives the same service life as the actually acting combined load in the axial direction F a and in the radial direction F r .
  • the force is measured in two directions.
  • the dynamic equivalent bearing load P is obtained using bearing-specific factors X and Y and the measured forces in the axial direction and in the radial direction.
  • the factors X and Y are usually provided by the bearing manufacturer in product catalogs.
  • the adaptive service life calculation is then carried out via the basic dynamic load rating C with the dynamic equivalent bearing load P above for radial and axial bearings.
  • the service life is reduced faster or slower after each calculation due to the current speed and the currently acting forces. That is, a slope of a life curve as shown in FIG. 1 is larger or smaller. The slope is used to calculate the reduction in service life up to the next calculation interval.
  • Fig. 1 shows a course of a lifetime and a damage reserve
  • Fig. 3 shows an exemplary Wöhler line.
  • Fig. 1 shows an adaptive life calculation and damage accumulation tion.
  • a remaining damage reserve S is recorded over the operating hours h.
  • a first line 1 shows the predicted service life L at a predetermined speed n. The assumption here is that the load and the speed n remain constant over the entire service life L.
  • the service life L is approximately 85,000 hours in the case shown.
  • a second line 2 indicates the service life in%, this service life being determined by means of a slope.
  • a third line 3 indicates a damage accumulation in%, which was determined using the Wöhler line.
  • FIG. 2 an exemplary adaptive life calculation according to the inventive method for life calculation is shown.
  • a diagram of the course of the method is given.
  • the service life calculation starts in S.
  • the measurement data is entered in II, 12 and 13.
  • II the force in the radial direction F r
  • constants are taken into account, such as the basic dynamic load rating C, the basic static load rating Co, a factor for Rillenkugella ger fo according to the rolling bearing catalog , the nominal service life in hours Lio h.nom and a service life coefficient ai.
  • additional values can be added.
  • values are entered from tables, such as Table 3 of ISO 281, to record the values for the bearing-specific factors X and Y and the calculation factor e.
  • process step one VI a lifespan in percent of currently 100% is assumed.
  • the first service life determination starts in process step two V2 by calculating the ratio fo * F a / Co.
  • This ratio shows, for example from Table 3 of ISO 281, here marked 13, that the calculation factor e can be read out in method step three V3.
  • Table 3 of ISO 281 a different origin of the table can be used for reading out the factors. This procedure corresponds to current practice for calculating the service life of rolling bearings.
  • step four V4 the ratio F a / F r between the dynamic force in the axial direction F a and the dynamic force in the radial direction F r is calculated.
  • the factors X and Y are then determined in method step five V5.
  • the decision El is made, in which it is determined whether the ratio F a / F r is greater than e. If so, the factors of X and Y are entered from the table entered in 13. If the ratio F a / F r is smaller than the calculation factor e, then the value 1 is used for the factor X and the value 0 for the factor Y.
  • the equivalent dynamic bearing load P is calculated using the formula given above.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer eines verbauten Wälzlagers, bei dem in einem ersten Schritt mit zumindest zwei Sensoren Messungen im Bereich um das Lager aufgenommen werden und in einem nachfolgenden Schritt eine verbleibende Lebensdauer berechnet wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zu Überwachung der Lebensdauer anzugeben, das eine bessere Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Transferfunktion bestimmt wird und mit dieser aus den Messungen, der Sensoren, zumindest dynamische Belastungen - vorzugsweise alle Belastungen - auf das Wälzlager zur Berechnung der verbleibenden Lebensdauer bestimmt werden.

Description

Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer eines verbauten Wälzlagers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer eines ver bauten Wälzlagers, bei dem in einem ersten Schritt mit zumindest zwei Sensoren Messungen im Bereich um das Lager aufgenommen werden und in einem nachfol genden Schritt eine verbleibende Lebensdauer berechnet wird.
Derzeit ist es üblich, die verbleibende Lebensdauer eines Wälzlagers oder den Schadensfall aufgrund von Messungen mit einem Sensor vorherzusagen. Dabei kann aufgrund der auftretenden Schallemissionen der Zustand der Wälzkörper be urteilt werden und bei bestimmten auftretenden Ereignissen wird beispielsweise eine Wartung beziehungsweise ein Austausch initiiert.
Nachteilig dabei ist, dass keine genauen Vorhersagen der verbleibenden Lebens dauer möglich sind. Es wird vielmehr erst ab dem merkbaren Auftreten eines be ginnenden Schadens ein Hinweis auf den vorzeitigen Ausfall gegeben. Dadurch kommt es häufig ungeplant zu einem Stillstand der Vorrichtung.
Weiters ist eine Messung direkt am Wälzlager leider oft nur mit großen Umbauten unter großem Aufwand erreichbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zu Überwachung der Le bensdauer anzugeben, das eine bessere Vorhersage der verbleibenden Lebens dauer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs erwähnte Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer eines verbauten Wälzlager dadurch gelöst, dass eine Transferfunktion bestimmt wird und mit dieser aus den Messungen des zu mindest einen Sensors zumindest dynamische Belastungen - vorzugsweise alle Belastungen - auf das Wälzlager zur Berechnung der verbleibenden Lebensdauer bestimmt werden.
Außerdem wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Überwachung der Lebens dauer eines verbauten Wälzlagers zur Durchführung des Verfahrens der Überwa chung, mit zumindest zwei Sensoren zur Messung gelöst, wobei die Sensoren im Bereich des Lagers angeordnet sind und in einem nachfolgenden Schritt eine ver bleibende Lebensdauer berechnet wird.
Nach der Berechnung der verbleibenden Lebensdauer, wird diese ausgegeben. Die Ausgabe erfolgt dabei auf einem technischen Ausgabegerät, visuell auf einem Bild schirm oder in elektronischer Form in einem Speicher oder wird über einen Drucker in gedruckter Form ausgegeben. Das Ausgabegerät kann durch einen Bildschirm, einen Drucker oder ähnliche Vorrichtungen realisiert sein.
Mithilfe der Transferfunktion ist es möglich genaue Ergebnisse für die Belastungen des Wälzlagers zu erreichen, ohne die Notwendigkeit, dass die Sensoren direkt am Wälzlager anliegen. Die Sensoren können von den Lagerringen entfernt angeord net werden.
Durch diese Transferfunktion steigt die Genauigkeit der ermittelten Werte, da Stei figkeiten und Nachgiebigkeiten des Materials, welche die Messung beeinflussen berücksichtigt werden.
Durch diese Transferfunktion kann die verbleibende Lebensdauer auf einfache Weise bestimmt werden. Es sind keine Umbauten an Wälzlagern nötig und es wer den trotzdem gute Messungen erzielt.
In einer günstigen Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Sensoren außerhalb eines inneren Lagerrings und außerhalb eines äußeren Lagerrings an geordnet sind und mit der Transferfunktion dynamische Eigenschaften der Lager ringe aufgenommen werden.
Aufgrund der Anordnung der Sensoren außerhalb der belasteten Bereiche steigt die Haltbarkeit der Sensoren und in weiterer Folge die Beständigkeit der Genauig keit über einen längeren Zeitraum. Aufgrund der ständigen Überrollung von Wälz körpern können die Sensoren mit der Zeit beschädigt werden und die Messungen somit unbrauchbar werden. Dies wird mit der Anordnung der Sensoren an nicht von Wälzkörper überrollten Bereichen erreicht.
Besonders günstig ist dabei, wenn die Sensoren an einem Lagerschild angeordnet sind und mit der Transferfunktion dynamische Eigenschaften des Lagerschilds auf genommen werden. Der Lagerschild ist dabei jenes Bauteil, das in axialer Richtung das Wälzlager von nach außen hin abdeckt und vor Umwelteinflüssen wie dem Eintrag von Staub schützt. Die Alterung und Verschmutzung von Schmierstoffen wird so auf ein Minimum - beispielsweise durch den Abrieb, der sich nicht verhin dern lässt - reduziert. Zur idealen Ausnützung der Vorteile kommt es, wenn alle Sensoren außerhalb eines inneren Lagerrings und eines äußeren Lagerrings ange ordnet werden, beispielsweise am Lagerschild.
Zur besonders leichten und genauen sowie günstigen Bestimmung wird die Trans ferfunktion mit einem Impulshammer, der einen Kraftsensor zur Aufnahme eines Signals aufweist und den Sensoren ermittelt. Ein Impulshammer ist ein übliches Gerät, das einfach erhältlich, günstig und genau ist. Alternativ wird die Transferfunktion mit einem Schwingerreger, der einen Kraft sensor zur Aufnahme eines Signals aufweist und den Sensoren ermittelt.
Besonders einfach lassen sich die ermittelten Signale derart verarbeiten, wenn aus dem Signal des Kraftsensors des Impulshammers oder des Schwingerregers - vor zugsweise mit Fast Fourier Transformation (FFT) - ein Anregungsspektrum ermit telt wird. Mit FFT kann dies besonders einfach durchgeführt werden.
Der gleiche Vorteil ergibt sich, wenn aus den Signalen der Sensoren - vorzugsweise mit FFT je ein Antwortsspektrum ermittelt wird.
In einer günstigen Alternative ist vorgesehen, dass die Sensoren zur Messung Be schleunigungssensoren sind und die Beschleunigungssensoren die Beschleunigung im Bereich des Wälzlagers vorzugsweise mit einer Aufzeichnungsrate von mindes tens 2,56 kHz messen und/oder dass je ein Frequenzspektrum des Beschleuni gungssignals - vorzugsweise mit FFT - ermittelt wird. Mithilfe der Beschleuni gungssensoren können dynamische Belastungen auf das Wälzlager sehr einfach und präzise bestimmt werden. Beschleunigungssensoren sind mittlerweile günstig und in vielerlei Ausführung für diverseste Anwendungen erhältlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere computergestützt oder wird insbesondere computergestützt ausgeführt.
Um die zu speichernden Datenmengen zu reduzieren ist in einer Alternative des Verfahrens vorgesehen, dass in festgelegten Intervallen Frequenzspektren des Be schleunigungssignals - vorzugsweise mit FFT- ermittelt werden.
Besonders einfach und ohne viel Aufwand lässt sich die Belastung auf das Wälzla ger dadurch bestimmen, dass ein Summenpegel aus einem Kraftspektrum be stimmt wird, wobei das Kraftspektrum als Quotient aus dem Frequenzspektrum des Beschleunigungssignals und der Transferfunktion bestimmt wird.
Eine günstige Alternative zu den Beschleunigungssensoren stellt die Möglichkeit der Verwendung von Dehnmessstreifen dar. Dabei sind die Sensoren zur Messung je eine Messanordnung mit mehreren Dehnmessstreifen (DMS) und jede Messan ordnungen misst die Kraft im Bereich des Wälzlagers.
Temperatureffekte lassen sich günstig kompensieren, wenn die Messanordnung je Raumrichtung eine Wheatstone'sche- Messbrücke aufweist und Kräfte in allen drei Raumrichtungen aufnimmt. Dadurch ist die Messgenauigkeit stark erhöhbar. Um auch statische Belastungen berücksichtigen zu können, ist in einer Alternative vorgesehen, dass mit einer Spannvorrichtung eine Kalibrierung für statische Be lastungen - und vorzugsweise dynamische Belastungen bis zu einer Grenzfrequenz - durchgeführt wird.
Die Signale lassen sich gut weiterverarbeiten, wenn ein Frequenzspektrum eines Kraftsignals - vorzugsweise mit FFT - ermittelt wird.
Die Datenmengen lassen sich reduzieren, wenn in festgelegten Intervallen Fre quenzspektren des Kraftsignals - vorzugsweise mit FFT - ermittelt werden.
Besonders einfach gelingt die Ermittlung der Lagerbelastung, wenn ein Summen pegel aus einem Kraftspektrum bestimmt wird, wobei das Kraftspektrum als Quo tienten aus dem Frequenzspektrum des Kraftsignals und der Transferfunktion be stimmt wird und/oder wenn Belastungen aus den statischen Belastungen und dem Summenpegel des Kraftspektrums summiert werden.
Um die Sicherheit und die Lebensdauer der gesamten Anlage zu erhöhen, ist in einer günstigen Variante vorgesehen, dass die Berechnung der verbleibenden Le bensdauer kontinuierlich - vorzugsweise in Intervallen - durchgeführt wird.
Weiter steigern lässt sich dies, wenn bei Erreichen eines unteren Grenzwertes der verbleibenden Lebensdauer eine Warnung ausgegeben wird und/oder wenn eine Wartung initiiert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die in Wälzlagern wirkenden Kräfte zu erfassen ohne dabei konstruktive Änderungen an der Maschine vorneh men zu müssen.
Die im Betrieb gemessenen Kräfte dienen als Basis für eine adaptive Berechnung der verbleibenden Lebensdauer. Je nach den erfolgten Belastungen verkürzt oder verlängert sich die vorhergesagte Lebensdauer.
Das Verfahren eignet sich besonders für Prüfstands-Leistungsbremsen, ist aber auch für andere Anordnungen mit verbauten Wälzlagern einsetzbar. Prinzipiell ist es für alle Maschinen, die mit Wälzlager gelagerten Wellen oder Elementen ausge stattet sind, anwendbar.
Die Messung der im Betrieb wirkenden Kräfte kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen : Einerseits durch Messung der Schwingung mittels Beschleunigungssen soren und einer Umrechnung der Beschleunigung der Schwingung in Kraft mithilfe der Transferfunktion. Die Transferfunktion muss vorher einmalig für den Lager schild oder das jeweilige Bauelement, an dem die Sensoren angeordnet sind be stimmt werden. Andererseits kann die Ermittlung durch Applikation von DMS (Dehnmessstreifen) am Lagerschild oder anderem Bauelement und mit Kalibrierung mittels Ka libriereinrichtung erfolgen. Des Weiteren muss eine Transferfunktion errechnet und implementiert werden, um die dynamischen Eigenschaften des Lagerschilds oder des jeweiligen Bauelements zu berücksichtigen.
Die Messung durch Beschleunigungssensoren erfolgt derart: Die Transferfunktion wird mittels Impulshammer und einem Beschleunigungssensor ermittelt. Mit dem Impulshammer, der einen Kraftsensor an der Spitze aufweist, wird an der Welle angeschlagen und gleichzeitig die Antwort an den Beschleunigungssensoren ge messen. Aus diesen Signalen wird ein Spektrum mittels FFT gerechnet, und danach die Transferfunktion H(f) für jeden Beschleunigungssensor ermittelt. Dabei wird das Spektrum der Beschleunigungssensoren als Anwortsspektrum V(f) und das Spektrum aus dem Signal des Kraftsensors als Anregungsspektrum U(f) bezeich net. Die Transferfunktion H(f) ergibt sich folgendermaßen : ( / ) Transferfunktion
Vif)
U ( ) Fourier Transformation der Anregung [N] u(f)
V( f ) Fourier Transformation der Antwort [m/s2]
Wie erkennbar ist, weist die Transferfunktion die Einheit [ H(f)] =
Figure imgf000006_0001
auf. Die Messungen im Betrieb werden dann so durchgeführt, dass die Beschleunigungs sensoren möglichst nahe dem Wälzlager am Lagerschild der Maschine oder an da für vorgesehenen Messpunkten angebracht sind. Damit eine Auswertung des Signals von bis zu 1 kHz gewährleistet ist, erfolgt die Messung mit ausreichend hoher Aufzeichnungsrate von mehr als 2,56 kHz. Vom laufend aufgezeichneten Beschleunigungssignal werden in regelmäßigen Intervallen, die zeitlich festgelegt sein können, Frequenzspektren mittels FFT berechnet. Diese werden dann mit der zuvor bestimmten Transferfunktion H(f) spektral dividiert. Als Ergebnis erhält man ein Kraftspektrum F(f) gemäß der untenstehenden Formel :
H(f) Transferfunktion
F(f) Kraftspekfcrum [N]
Figure imgf000006_0002
a(f) Spektrum Beschleunigungssignal [m/s2]
Der Summenpegel dieses Kraftspektrums F(f) spiegelt die im Wälzlager wirkende Gesamtkraft wider. Bei der Verwendung von DMS werden diese am Lagerschild so angeordnet, dass in allen drei Raumrichtungen die Kraft gemessen werden kann. Um die ideale Po sition zu finden wird eine Fenite Elemente Berechnung der Struktur durchgeführt. Dabei bedeutet die ideale Position eine möglichst akkurate Trennung der gemes senen Raumrichtungen bei höchster Messempfindlichkeit. Für jede Raumrichtung ist dabei eine Wheatstone'sche Messbrücke notwendig, d.h. es werden vier DMS pro Richtung vorgesehen.
Durch entsprechende Positionierung der DMS an der Innen- und Außenseite des Lagerschilds und Anordnung in der Wheatstone'schen Messbrücke, kann eine Tren nung der Messrichtungen (axial, horizontal, vertikal) mit minimalem Übersprechen realisiert werden. Das Übersprechen hängt dabei von der Qualität (Genauigkeit der Wandstärken, Homogenität des Gusses) des Lagerschilds ab. Wenn hohe Genau igkeit gefordert ist, wird der Lagerschild günstigerweise als Stahldrehteil ausge führt.
Die Kalibrierung der DMS erfolgt mit einer eigens angefertigten Spannvorrichtung, die in allen drei Raumrichtungen Zug an der Welle ausüben kann. Zwischen Welle und der Spannvorrichtung ist ein Kraftsensor angebracht, der die ausgeübte Zug kraft misst. Gleichzeitig werden die Spannungen der Vollbrücken gemessen und aufgezeichnet. Der Kalibrierfaktor f ergibt sich aus:
/ ...Kalibrierfaktor V/N
AU AU ..Spannungsdifferenz aus 2 Messwerten
AF AF ...Kraftdifferenz aus 2 Messwerten
Sobald sich die Maschine dreht, entstehen durch unterschiedliche Einflüsse, wie z.B. die Unwucht, Kräfte im Wälzlager. Diese Kräfte führen zu einer Verformung des Lagerschilds und somit zu einer Aufnahme von Kräften a n den DMS. Dadurch kann die wirkende Kraft gemessen werden.
Ab einem bestimmten Frequenzbereich führt die statische Kalibrierung zu größeren Abweichungen und es muss wie bei der zuerst erläuterten Variante mit den Be schleunigungssensoren eine Transferfunktion H(f) zur Korrektur der dynamischen Eigenschaften des Lagerschilds eingeführt werden.
Die Messung kann prinzipiell in der oben beschriebenen Weise erfolgen, mit dem Unterschied, dass die Antwort das Kraftsignal aus der DMS Messung ist.
Die Anregung kann ebenfalls durch einen Impulshammer erfolgen oder mittels einem Schwingerreger, der auch die eingeleitete Kraft mit einem Kraftsensor misst. Für die Lebensdauerberechnung von Wälzlagern wird üblicherweise die Norm ISO 281 herangezogen. Bei dieser Norm dienen die mechanischen Spezifikationen des Wälzlagers und die Betriebsbedingungen als Berechnungsgrundlage.
Um die verbleibende Lebensdauer zu berechnen wird dabei Gebrauch von einer dynamisch äquivalenten Lagerbelastung P gemacht. Außerdem wird eine dynami sche Tragzahl C, die von Wälzlager zu Wälzlager unterschiedlich ist, eingesetzt. Eine Betriebsdrehzahl n sowie ein Lebensdauerexponent gehen ebenso in die Glei chung für die nominelle Lebensdauer Lioh ein. Lioh gibt die nominelle Lebensdauer bei 90% Erlebenswahrscheinlichkeit in Betriebsstunden h an. Die nominelle Le bensdauer Lioh in Betriebsstunden h berechnet sich demnach derart:
Figure imgf000008_0001
C... Dynamische Tragzahi
P.,. Dynamisch äquivalente Lagerbelastung für Radial· und Axiallager p... Lebensdauerexponent; für Rollenlager: p ~ 10/3 für Kugellager: p = 3 n...Betriebsdrehzahl .
Da die Eingangsgrößen Betriebsdrehzahl n und dynamisch äquivalente Lagerbe lastung P laufend gemessen werden, wird die Lebensdauerberechnung laufend durchgeführt und angepasst. Dabei wird von einer Summierung des Schadens aus gegangen, der die verbleibende Lebensdauer der Maschine sukzessive reduziert.
Die Darstellung der verbleibenden Lebensdauer erfolgt günstigerweise in verblei benden Betriebsstunden h. Somit kann bevor ein Schaden und Stillstand eintritt, rechtzeitig ein Service initiiert werden oder etwa ein Alarm ausgegeben werden.
Die dynamisch äquivalente Lagerbelastung P ist ein rechnerischer Wert. Dieser Wert ist eine in Größe und Richtung konstante Radiallast bei Radiallagern oder Axiallast bei Axiallagern. Eine Belastung mit der dynamischen äquivalenten Lager belastung P ergibt die gleiche Lebensdauer wie die tatsächlich wirkende kombi nierte Belastung in axialer Richtung Fa und in radialer Richtung Fr.
P « X .f r + Y . F 3,
Die Messung der Kraft erfolgt in zwei Richtungen. Die dynamische äquivalente La gerbelastung P erhält man mittels lagerspezifischen Faktoren X und Y und den gemessenen Kräften in axialer Richtung und in radialer Richtung. Die Faktoren X und Y werden üblicherweise in Produktkatalogen vom Lagerhersteller bereitge stellt. Die adaptive Lebensdauerberechnung erfolgt dann über die dynamische Tragzahl C mit der oben angeführten dynamischen äquivalenten Lagerbelastung P für Ra dial- und Axiallager. Der Lebensdauerexponent p für Rollenlager wird mit p = 10/3 eingesetzt und für Kugellager mit p = 3.
Bezogen auf die Auslegung des Wälzlagers, bei der Last- und Drehzahlkollektive angenommen werden, verringert sich die Lebensdauer nach jeder Berechnung auf grund der aktuellen Drehzahl und der aktuell wirkenden Kräfte schneller oder lang samer. Das heißt, dass eine Steigung einer Lebensdauerkurve, wie in der Fig. 1 gezeigt ist, größer oder kleiner ist. Mit Hilfe der Steigung wird die Reduktion der Lebensdauer bis zum nächsten Berechnungsintervall berechnet.
Dasselbe Ergebnis wird erzielt, wenn man mit Hilfe der Lebensdauerberechnung Lioh eine Wöhlerkurve bestimmt, welche aussagt wie viele Millionen Umdrehungen das Wälzlager bei Belastungen von 0 Newton bis zur Tragzahl C standhält. Bei der anschließenden Bestimmung des Verhältnisses D, = n N, wird die Teilschädigung pro Berechnungs- Zyklus bestimmt.
Di ... Teilschädigung
n, ... Anzahl der Umdrehungen bei aktueller Belastung im Berechnungszyklus Ni ... ertragbare Umdrehungen bei aktueller Belastung
Die Summe aller Teilschädigungen ergibt die Gesamtschädigung D :
D = I =0 ni/Ni.
Wenn die Gesamtschädigung D eins erreicht hat, ist eine Schädigung von 100% erreicht.
In der Folge wird die Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 einen Verlauf einer Lebensdauer und einer Schadensreserve über
Betriebsstunden h;
Fig. 2 eine Lebensdauerberechnung unter Nutzung des erfindungsgemä ßen Verfahrens; und
Fig. 3 eine beispielhafte Wöhlerlinie.
Die Fig. 1 zeigt eine adaptive Lebensdauerberechnung und Schadensakkumula tion. Dabei ist eine verbleibende Schadensreserve S über den Betriebsstunden h aufgezeichnet. Eine erste Linie 1 zeigt dabei die vorausberechnete Lebensdauer L bei vorbestimmter Drehzahl n. Dabei gilt hierfür die Annahme, dass die Belastung und die Drehzahl n über die gesamte Lebensdauer L konstant bleiben. Dabei be trägt die Lebensdauer L in etwa 85.000 Stunden im gezeigten Fall.
Eine zweite Linie 2 gibt die Lebensdauer in % an, wobei diese Lebensdauer mittels Steigung ermittelt wurde.
Eine dritte Linie 3 gibt eine Schadensakkumulation in % an, die mittels Wöhlerlinie ermittelt wurde.
In Fig. 2 ist eine bespielhafte adaptive Lebensdauerberechnung nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren zur Lebensdauerberechnung gezeigt. Dabei ist ein Schema des Ablaufs des Verfahrens angeführt. Die Lebensdauerberechnung star tet in S. Dann erfolgen in II, 12 und 13 die Eingaben der Messdaten. In II wird die Kraft in radialer Richtung Fr, die Kraft in axialer Richtung Fa und die verstrichene Zeit At in die Berechnung eingepflegt. In 12 werden Konstanten berücksichtigt, wie die dynamische Tragzahl C, die statische Tragzahl Co, ein Faktor für Rillenkugella ger fo laut Wälzlagerkatalog, die nominelle Lebensdauer in Stunden Lioh.nom sowie ein Lebensdauerbeiwert ai. Optional kann die Einpflege von weiteren Werten er folgen. In 13 erfolgt die Eingabe von Werten aus Tabellen, wie die Tabelle 3 der ISO 281 zur Aufnahme der Werte für die lagerspezifischen Faktoren X und Y sowie Berechnungsfaktor e.
In Verfahrensschritt eins VI wird von einer Lebensdauer in Prozent von aktuell 100% ausgegangen. Weiter startet die erste Lebensdauerbestimmung in Verfah rensschritt zwei V2 durch die Berechnung des Verhältnisses fo*Fa/Co. Durch dieses Verhältnis ist beispielsweise aus der Tabelle 3 der ISO 281, hier als 13 gekenn zeichnet, der Berechnungsfaktor e auslesbar in Verfahrensschritt drei V3. Es ist jedoch alternativ zur Tabelle 3 der ISO 281 ein anderer Ursprung der Tabelle für das Auslesen der Faktoren heranziehbar. Diese Vorgehensweise entspricht der der zeit gängigen Praxis zur Lebensdauerberechnung von Wälzlagern.
In Verfahrensschritt vier V4 wird das Verhältnis Fa/Fr zwischen der dynamischen Kraft in axialer Richtung Fa und der dynamischen Kraft in radialer Richtung Fr be rechnet.
Dann erfolgt die Bestimmung von den Faktoren X und Y in Verfahrensschritt fünf V5. Dazu erfolgt die Entscheidung El bei der bestimmt wird, ob das Verhältnis Fa/Fr größer e ist. Wenn ja, dann kommt es zur Eingabe der Faktoren von X und Y aus der in 13 eingegebenen Tabelle. Wenn das Verhältnis Fa/Fr kleiner als der Be rechnungsfaktor e ist, dann wird für den Faktor X der Wert 1 und für den Faktor Y der Wert 0 verwendet. In Verfahrensschritt sechs V6 erfolgt die Berechnung der äquivalenten dynami schen Lagerbelastung P anhand der oben angegebenen Formel. In weiterer Folge wird die Lebensdauer Li0h,aktueii als ai*(C/P)/ 3*10/ 6/60/n und die Steigung k mit k= 100%/Lioh* (- l ) in Verfahrensschritt sieben V7 berechnet. Die Berechnung einer neuen Lebensdauer in Prozent Lio%,aktueii erfolgt in Verfahrensschritt 8 mit Lio%,neu = k*At+ Li0 , aktuell und Setzung der neuen Werte Li0%,aktueii = Li0%,neu . In Ver fahrensschritt neun V9 erfolgt die Anzeige der Lebensdauer als Lioh, nom/ 100* Lio%aktueii in Stunden.
Durch die Rückkopplung nach Verfahrensschritt neun V9 vor Verfahrensschritt zwei V2 erfolgt die Berechnung von Neuem. Bis zum Erreichen des Endes der Lebens dauer E kann dieses Verfahren wiederholt werden. Mit dem Ende E kann eine War nung ausgegeben werden und/oder eine Wartung oder ein Austausch des Lagers initiiert werden.
In Fig. 3 ist eine Wöhlerkurve der maximal möglichen Belastung über Millionen Umdrehungen aufgezeichnet. Die Wöhlerkurve wird anhand der Formel Li0=(C/P)p berechnet. Sie sagt aus, wie vielen Millionen Umdrehungen U das Lager bei einer bestimmten Belastung P in kN standhält.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer eines verbauten Wälzlagers, bei dem in einem ersten Schritt mit zumindest zwei Sensoren Messungen im Be reich um das Lager aufgenommen werden und in einem nachfolgenden Schritt eine verbleibende Lebensdauer berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Transferfunktion bestimmt wird und mit die ser aus den Messungen der Sensoren zumindest dynamische Belastungen - vorzugsweise alle Belastungen - auf das Wälzlager zur Berechnung der ver bleibenden Lebensdauer bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren außerhalb eines inneren Lagerrings und außerhalb eines äußeren Lagerrings angeordnet sind und mit der Transferfunktion dynamische Eigenschaften der Lagerringe aufgenommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren an einem Lagerschild angeordnet sind und mit der Transferfunktion dynami sche Eigenschaften des Lagerschilds aufgenommen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferfunktion mit einem Impulshammer, der einen Kraftsensor zur Aufnahme eines Signals aufweist und den Sensoren ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferfunktion mit einem Schwingerreger, der einen Kraftsensor zur Aufnahme eines Signals aufweist und den Sensoren ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signal des Kraftsensors des Impulshammers oder des Schwingerregers - vor zugsweise mit Fast Fourier Transformation (FFT) - ein Anregungsspektrum ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der Sensoren - vorzugsweise mit FFT - je ein Ant wortsspektrum ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Messung Beschleunigungssensoren sind und die Be schleunigungssensoren die Beschleunigung in Form eines Beschleunigungs signals im Bereich des Wälzlagers vorzugsweise mit einer Aufzeichnungsrate von mindestens 2,56 kHz messen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenz spektrum des Beschleunigungssignals - vorzugsweise mit FFT - ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in festgelegten Intervallen Frequenzspektren des Beschleunigungssignals - vorzugsweise mit FFT - ermittelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Summenpegel aus einem Kraftspektrum bestimmt wird, wobei das Kraft spektrum als Quotient aus dem Frequenzspektrum des Beschleunigungssig nals und der Transferfunktion bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Messung je eine Messanordnung mit mehreren Dehn messstreifen (DMS) aufweisen und jede Messanordnung die Kraft im Bereich des Wälzlagers misst.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messan ordnung je Raumrichtung eine Wheatstone'sche-Messbrücke aufweist und Kräfte in allen drei Raumrichtungen aufnimmt.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Spannvorrichtung eine Kalibrierung für statische Belastungen - und vorzugs weise dynamische Belastungen bis zu einer Grenzfrequenz - durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzspektrum eines Kraftsignals - vorzugsweise mit FFT - er mittelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in festgeleg ten Intervallen Frequenzspektren des Kraftsignals - vorzugsweise mit FFT - ermittelt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Summen pegel aus einem Kraftspektrum bestimmt wird, wobei das Kraftspektrum als Quotienten aus dem Frequenzspektrum des Kraftsignals und der Transfer funktion bestimmt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Belastungen aus den statischen Belastungen und dem Summenpegel des Kraftspektrums summiert werden.
19. Verfahren nach Anspruch 11, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der verbleibenden Lebensdauer kontinuierlich - vorzugsweise in Intervallen - durchgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 11 oder 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines unteren Grenzwertes der verbleibenden Lebensdauer eine Warnung ausgegeben wird.
21. Vorrichtung zur Überwachung der Lebensdauer eines verbauten Wälzlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 20, mit zumindest zwei Sensoren zur Mes sung, wobei die Sensoren im Bereich des Lagers angeordnet sind und in einem nachfolgenden Schritt eine verbleibende Lebensdauer berechnet wird.
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