Laufende Projekte

LagerImp

Betriebszustandsabhängiges Modell zur Beschreibung der elektrischen Impedanz von Wälzlagern zur sensorischen Nutzung

Ausgangslage

Der vorzeitige Ausfall von Wälzlagern führt im Allgemeinen schnell zum Ausfall von Maschinen und Anlagen und bedingt teils enorme ökonomische aber auch ökologische Risiken. Im Rahmen von Predictive-Maintenance Ansätzen wird daher das Ziel verfolgt, anhand von Sensordaten Aussagen über den Wartungs- und Reparaturbedarf von Anlagen abzuleiten. Im Mittelpunkt rotierender Maschinen stehen dabei Wälzlager als zentrales Maschinenelement, über das perspektivisch Messdaten zu Drehzahl und Lagerlast akquiriert werden können. Der Ansatz zur Erfassung von Daten in sogenannten in-situ Positionen hat zum Konzept eines kraftmessenden Wälzlagers geführt, das zu einer gesteigerten Determiniertheit der gemessenen Daten als notwendige Voraussetzung der rasch fortschreitenden Digitalisierung führen kann. Der Ansatz basiert auf der Messung der Impedanz eines Wälzlagers als Teil eines elektrischen Schaltkreises. Über die Lagerringe, welche über den elasto-hydrodynamischen (EHD) Wälzkontakt der Wälzpartner die elektrischen Eigenschaften des Wälzlagers bestimmen, lässt sich auf die Betriebsbedingungen des Lagers schließen. Mit Hilfe dieser Daten kann durch die Kenntnis der wirkenden Beanspruchung die echtzeitnahe Berechnung des Lebensdauerverbrauchs hoch beanspruchter Konstruktionselemente ermöglicht werden. Erste Versuche zeigen jedoch, dass das bestehende Modell zur Beschreibung der elektrischen Impedanz von Wälzlagern als Teil einer Messstrecke, welches ursprünglich zur Berechnung schädlicher umrichterinduzierter Ströme bei konstanten Lagerkräften erarbeitet wurde, nicht in der Lage ist, das gemessene Impedanzverhalten des Wälzlagers hinreichend genau wiederzugeben. Die Ansätze aus dem Stand der Forschung liefern für den Rückschluss von der Impedanz als Messgröße auf die wirkende Lagerlast als Interessensgröße noch keine allgemein zufriedenstellende Lösung.

Projektziele

Der Stand der Forschung zeigt, dass relevante Einflussfaktoren der vom Betriebszustand abhängigen elektrischen Kapazität eines Wälzlagers im bestehenden Modell vernachlässigt werden. Neueste Untersuchungen bestätigen, dass bei reinen Radiallasten die Wälzkontakte außerhalb der Lastzone (Abbildung 1) einen Einfluss auf die Impedanz des Wälzlagers haben und zu einer Verbesserung des Modellzusammenhangs zwischen wirkender Last und messbarer Impedanz wesentlich beitragen. Durch die Berechnung der Impedanz von unbelasteten Wälzkörpern unter Berücksichtigung der betriebszustandsabhängigen Aufteilung des Radialspiels und deren Einbeziehung in das Impedanzmodell des Wälzlagers soll dieser Einfluss abgebildet werden. Hierzu wird das Modell eines im Allgemeinen gekrümmten Kondensators mit betriebszustandsabhängiger Geometrie entsprechend dem Punktkontakt zwischen Kugel und Innen- bzw. Außenring verwendet. Dabei werden neben Radialrillenkugellagern Schräg- und Schulterkugellager bei variierenden Lastwinkeln betrachtet. Die errechneten Impedanzbeiträge aller Wälzkörper werden in einem elektrischen Gesamtmodell des Lagers aggregiert und Ergebnisse mit Versuchen am institutseigenen Athene-Wälzlagerprüfstand validiert.

Abbildung 1: Lastverteilung im radialbelasteten Wälzlager

Vorgehensweise

In einem ersten Schritt wird die Position und die Kinematik unbelasteter Wälzkörper außerhalb der Lastzone untersucht und deren Einfluss auf das Impedanzmodell ermittelt (Abbildung 2, links). Die gewonnenen Erkenntnisse werden auf die Randbereiche außerhalb der Hertz’schen Fläche belasteter Wälzkörper erweitert (Abbildung 2, rechts). So soll die Arbeitshypothese untersucht werden, dass ein in der Literatur verbreiteter Korrekturfaktor, der den Randeinfluss beinhaltet, mithilfe der vollständigen Beschreibung aller Impedanzbeiträge ersetzt werden kann. Für die anschließende Versuchsdurchführung, muss zunächst der Bereich der Lagerlebensdauer identifiziert werden, in dem ein konstantes elektrisches Verhalten des Lagers zu erwarten ist, denn sowohl in der Einlaufphase als auch gegen Ende der Lebensdauer kann eine Änderung Lagerimpedanz beobachtet werden. Daran schließt ein ausführlicher und statistisch abgesicherter Versuchsplan an, bei dem Lagertyp, Drehzahl, äquivalente Lagerlast, Lastwinkel, Messfrequenz und Öltemperatur variiert werden. Abschließend soll das zuvor entwickelte Impedanzmodell anhand der Versuchsergebnisse validiert werden und so die wissenschaftliche Gemeinschaft mit neuen Erkenntnissen der elektrischen Lagereigenschaften bereichern, die neben der Anwendung im sensierenden Wälzlager auch z.B. in der Vorauslegung elektrischer Maschinen bei der Prognose des elektrischen Verhaltens im Betrieb helfen können, um Ausfälle durch schädigende Lagerströme zu vermeiden.

Abbildung 2: Kapazität unbelasteter Wälzkontakte (links), Kapazität der Randbereiche unbelasteter Wälzkontakte (rechts)