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Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße bei einem Wälzlager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Wälzlager weisen üblicherweise einen Innenring, einen Außenring sowie dazwischen angeordnete Wälzkörpern auf, welche auf dem Innenring und dem Außenring abwälzen. Idealerweise sollten die Wälzkörper auf dem Innenring bzw. auf dem Außenring schlupffrei abrollen. Aufgrund von geometrischen Gegebenheiten, wie zum Beispiel, dass der Laufbahndurchmesser am Außenring größer als der Laufbanddurchmesser Innenring ist, ergibt sich zwangsläufig ein gewisser Schlupf. In radial belasteten Wälzlager kommt es zudem in lastfreien Zonen, in denen die Wälzkörpern nur unzureichend belastet sind, zu einem Verlust der „Traktion“ und somit zu einem weiteren Aufbau von einem Wälzkörper-Schlupf. Der Wälzkörper-Schlupf hängt zudem von der Schmierungssituation (Schmierstoffmenge, Viskosität, usw.) als auch von der Belastungssituation (Dynamik, Vorspannung, usw.) ab. Der Wälzkörper-Schlupf kann verantwortlich für Verschleiß-, Anschmierungs- und WEC-Schäden an Wälzlager sein.
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Zur Bestimmung des Wälzkörper-Schlupfs kann die Rollendrehzahl gemessen werden. Die Druckschrift
DE 10 2014 214 178 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung einer Drehzahl eines in einem Wälzlager angeordneten Wälzkörpers, bei welchem durch den sowohl um dessen Wälzkörperachse als auch um eine dazu parallele Wälzlagerachse rotierenden und mit einem zumindest teilweise senkrecht zur Wälzkörperachse orientierten Magnetfeld behafteten Wälzkörper ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, dessen magnetische Feldstärke durch einen Magnetfeldsensor in ein elektrisches Spannungssignal umgeformt wird, das mit einer Abtastfrequenz gemessen wird und zur Errechnung mindestens einer Drehzahl algorithmisch ausgewertet wird, wobei als Teil der algorithmischen Auswertung eine Demodulation des abgetasteten Spannungssignals durchgeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu Ermittlung zumindest der Rollendrehzahl vorzuschlagen, welche eine einfache Integration ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Meßanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie dem beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Meßanordnung zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße bei einem Wälzlager. Das Wälzlager ist insbesondere als ein Rollenwälzlager ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Rollen als Wälzkörper auf. Das Wälzlager definiert eine Lagerachse. Jede der Rollen definiert eine der jeweiligen Rolle zugeordnete Rollenachse, um die die jeweilige Rolle rotiert. Die Zustandsgröße ist insbesondere als eine Messgröße oder als eine abgeleitete Größe zur Beschreibung des Zustands, insbesondere des Bewegungszustands, des Wälzlagers ausgebildet. Die mindestens eine Zustandsgröße umfasst zumindest eine Stirnoberflächengeschwindigkeit von einer der Rollen in dem Wälzlager. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit eines Abschnitts auf der Stirnseite der Rolle. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit kann in der Einheit Weg pro Zeit angegeben sein.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Meßanordnung mindestens einen ersten Sensor zur Ausgabe von ersten Messdaten und einen zweiten Sensor zur Ausgabe von zweiten Messdaten aufweist. Die Sensoren sind in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nebeneinander anordbar. Somit wird eine Rolle, insbesondere eine Rollenstirn, im Speziellen ein Abschnitt der Rollenstirn, zunächst von dem ersten Sensor und zeitlich und/oder örtlich nachfolgend von dem zweiten Sensor erfasst.
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Die Meßanordnung weist eine Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auswerteeinrichtung vorzugsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Computer, ein Mikrocontroller etc. ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung ist insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, durch Vergleich der ersten und der zweiten Messdaten, wobei die ersten und die zweiten Messdaten einer gemeinsamen Rolle des Wälzlagers zugeordnet werden können, einen zeitlichen Versatz zwischen den ersten und den zweiten Messdaten zu bestimmen. Es wird davon ausgegangen, dass der erste Sensor zu der gemeinsamen Rolle das gleiche Signal wie der zweite Sensor aufnimmt und somit der zeitliche Versatz bestimmt werden kann. Ferner ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, auf Basis des zeitlichen Versatzes und des örtlichen Versatzes, welcher durch die konstruktive Anordnung der Sensoren festgelegt ist, die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle zu bestimmen.
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Die Messsignale und somit die Messdaten von zwei in einem insbesondere kurzen örtlichen Abstand hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite messenden Sensoren hängen hauptsächlich von den Inhomogenitäten des Werkstoffelementes an der Messstelle ab. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak von dem ersten Sensor den zweiten Sensoren erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit insbesondere der gemeinsamen Rolle bestimmen. Die Meßsignale an den Sensoren schwanken hochfrequent aufgrund Material- oder Oberflächeninhomogenitäten der Rolle an der Rollenstirnseite. Aus dem zeitlichen Versatz mit dem solche Ausschläge bzw. Inhomogenitäten vom ersten Sensor auch den zweiten Sensor erreichen, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle bestimmen.
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Bei einer möglichen Umsetzung der Erfindung werden die ersten und zweiten Messdaten über eine Autokorrelationsfunktion miteinander verglichen. Die Autokorrelationsfunktion ermittelt den zeitlichen Abstand zwischen den ersten und zweiten Messdaten in Bezug auf die gemeinsame Rolle.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensoren in dem gleichen radialen Abstand zu der Lagerachse angeordnet. Alternativ oder ergänzend weisen die Sensoren den gleichen Abstand zu der Rollenstirnseite auf. Dadurch, dass für jeden der Sensoren die Meßbedingungen in Bezug auf die gemeinsame Rolle gleich sind, wird die Messgenauigkeit der Meßanordnung verbessert.
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Es ist besonders bevorzugt, dass eine Meßachse der Sensoren jeweils versetzt zu der Rollenachse angeordnet ist. Beispielsweise sind die Meßachsen der Sensoren in einem anderen radialen Abstand und/oder auf einem anderen Teilkreisdurchmesser als die Rollenachsen angeordnet.
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Prinzipiell können die Sensoren beliebig ausgebildet sein und damit z.B. als optische Sensoren oder Magnetostriktive Sensoren realisiert sein. Besonders bevorzugt sind diese als Wirbelstromsensoren ausgebildet. Wirbelstromsensoren sind als die Sensoren besonders geeignet, da diese unempfindlich gegen Öl, Wasser, Staub etc. sind und somit unempfindlich gegen Stoffe sind, die zwischen den Wirbelstromsensoren und den Rollen vorhanden sind. Die Messsignale und somit die Messdaten von zwei in einem kurzen örtlichen Abstand hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite messenden Wirbelstromsensoren hängen hauptsächlich von den magnetischen Inhomogenitäten der Rolle bzw. der Rollenstirn an der Messstelle ab. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak von dem ersten Wirbelstromsensor den zweiten Wirbelstromsensoren erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit insbesondere der gemeinsamen Rolle bestimmen. Die Meßsignale an den Wirbelstromsensoren schwanken hochfrequent aufgrund Materialinhomogenitäten der Rolle an der Rollenstirnseite. Aus dem zeitlichen Versatz mit dem solche Ausschläge bzw. Inhomogenitäten vom ersten Wirbelstromsensor auch den zweiten Wirbelstromsensor erreichen, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle bestimmen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, aus den ersten und/oder aus den zweiten Messdaten einen zeitlichen Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen oder einen zeitlichen Versatz zwischen zwei Taschen von einem Käfig des Wälzlagers zu bestimmen. Während die Bestimmung der Stirnoberflächengeschwindigkeit auf die Inhomogenitäten der Rolle bzw. der Rollenstirn und daraus resultierenden Signalschwankungen in den ersten und/oder zweiten Messdaten beruht, kann der zeitliche Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fenstern sehr einfach und deutlich aus den ersten oder alternativ hierzu aus den zweiten oder aus den ersten und zweiten Messdaten abgeleitet werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, auf Basis der geometrischen, insbesondere konstruktiven Größen des Wälzlagers sowie des zeitlichen Versatzes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Taschen und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen eine Umlaufgeschwindigkeit der Rollen und/oder des Käfigs (Käfigdrehzahl) um die Lagerachse als Zustandsgröße zu bestimmen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, auf Basis der Stirnoberflächengeschwindigkeit und der Umlaufgeschwindigkeit eine Rollendrehzahl der insbesondere gemeinsamen Rolle in dem Wälzlager als Zustandsgröße zu bestimmen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Meßanordnung das Wälzlager, wobei die Sensoren in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nacheinander angeordnet sind, wie dies zuvor beschrieben wurde.
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Besonders bevorzugt ist das Wälzlager als ein Wälzlager mit einem Teilkreisdurchmesser >500 mm, vorzugsweise >1000 mm ausgebildet. Besonders bevorzugt wird das Wälzlager als Rotorlagerung in einer Windkraftanlage verwendet.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie Signaldiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Messanordnung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen axialen Draufsicht eine Rolle 1 bzw. eine Rollenstirn 2 der Rolle eines nicht weiter dargestellten Wälzlagers, welches als Radialwälzlager ausgebildet ist. Das Wälzlager umfasst einen Innenring und einen Außenring, wobei eine Mehrzahl derartiger Rollen 1 zwischen dem Innenring und dem Außenring abwälzend angeordnet sind. Ferner weist das Wälzlager einen ebenfalls nicht dargestellten Käfig auf, wobei die Rollen 1 in dem Käfig geführt sind. Hierfür weist der Käfig Fenster auf, in denen die Rollen 1 eingelegt sind.
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Zur Messung der Rollendrehzahl, also der Anzahl der Drehungen der Rolle 1 um die eigene Rollenachse RA, ist eine Meßanordnung 3 vorgesehen, welche einen ersten Sensor 4 und einen zweiten Sensor 5 sowie eine Auswerteeinrichtung 6 aufweist. Die Sensoren 4, 5 sind als Wirbelstromsensoren ausgebildet und datentechnisch und/oder signaltechnisch mit der Meßanordnung 3 verbunden, so dass diese erste und zweite Messdaten an die Auswerteeinrichtung 6 übergeben können.. Die Sensoren 4, 5 sind in der 1 nur grob schematisiert als Ovale dargestellt. Die Sensoren 4, 5 sind mit ihren Meßachsen parallel zu der Rollenachse RA ausgerichtet. Die Meßachsen der Sensoren 4, 5 sind jedoch parallel versetzt zu der Rollenachse RA angeordnet. Die Abstände zwischen den Sensoren 4, 5 und der Rollenstirn 2 der Rolle 1 sind bei beiden Sensoren 4, 5 gleich. Die Rolle 1 ist aus einem metallischen Material, insbesondere aus Wälzkörperstahl ausgebildet.
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Bei einer Rotation der Rolle 1 zum einen um die eigene Rollenachse RA und zum anderen um eine Lagerachse des Wälzlagers nehmen die Sensoren 4, 5 Meßsignale auf, welche hochfrequent aufgrund Materialinhomogenitäten der Rolle 1 bzw. der Rollenstirn 2 schwanken. Diese hochfrequenten Schwankungen stellen einer Art Identifikationsmerkmal wie einen Fingerabdruck da, um einen bestimmten Abschnitt auf der Rollenstirn 7 der Rolle 1 identifizieren zu können. Zwei beispielhafte Meßsignale sind schematisch als erste Messdaten M1 und zweite Messdaten M2 auf der linken Seite in der 1 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Messdaten M1 und M2 die gleichen hochfrequenten Schwankungen aufweisen, jedoch um die Zeit delta_tw und somit um den zeitlichen Versatz von delta_tw voneinander getrennt sind. Der zeitliche Versatz delta_tw kann beispielsweise durch eine Autokorrelationsfunktion AK ermittelt werden.
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Auf Basis des zeitlichen Versatzes delta_tw lässt sich eine Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 berechnen. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 setzt sich zusammen aus der Rotationsgeschwindigkeit der Rolle 1 um die Rollenachse RA und aus der Umlaufgeschwindigkeit v2 der Rolle 1 um die Lagerachse des Wälzlagers.
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Um die Rollendrehzahl aus der Stirnoberflächengeschwindigkeit berechnen zu können ist es somit notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit v2 oder - dazu gleichwertig - eine Käfiggeschwindigkeit oder eine Käfigdrehzahl zu bestimmen. Auf der rechten Seite sind die Messdaten M1 und M2 in einer größeren Zeitskala dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass für jede vorbeilaufende Rolle 1 ein Peak P1, P2 zu erkennen ist. Durch den zeitlichen Abstand der Peaks P1 in den Messdaten M1 (t1) oder durch den zeitlichen Abstand der Peaks P2 in den Messdaten M2 (t2) oder durch den zeitlichen Abstand zwischen einem Peak P1 aus den Messdaten M1 und einem Peak P2 aus den Messdaten M2 lässt sich die Umlaufgeschwindigkeit der Rollen 1 und/oder die Umlaufgeschwindigkeit des Käfigs bestimmen. Anders ausgedrückt entsteht an den Sensoren 4, 5 ein leicht zeitlich versetztes Messsignal. Aus den Zeitspannen zwischen den zwei Messsignalen an einem Sensor (t1, t2) oder dem zeitlichen Versatz der Messsignale am Sensor 4, 5 (delta_tK) kann bei bekanntem Abstand von zwei Käfigtaschen bzw. der beiden Sensoren 4, 5 die Käfigdrehzahl und die Oberflächengeschwindigkeit v2 und damit die Umlaufgeschwindigkeit im Zentrum der Rolle 1 aufgrund der Käfigdrehbewegung bestimmt werden.
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Die Auswerteeinrichtung
6 ist ausgebildet, die Stirnoberflächengeschwindigkeit
v1 sowie die Umlaufgeschwindigkeit
v2 zu berechnen oder zu bestimmen. In einem nächsten Schritt wird in Abhängigkeit der Position der Sensoren
4,
5 die Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 von der Umlaufgeschwindigkeit
v2 - in diesem Ausführungsbeispiel durch Differenzbildung - bereinigt.. Zieht man von dieser Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 die Geschwindigkeit aufgrund der Käfigbewegung
v2 ab, erhält man die Geschwindigkeit
v3 an der Stelle der Sensoren
4,
5 alleinig aufgrund der Rollendrehbewegung um die eigene Rollenachse. Bei bekanntem Radius r_Sensor der Sensoren
4,
5 zum Rollenmittelpunkt oder zu der Rollenachse
RA lässt sich im Anschluss die Rollendrehzahl über die Formel
berechnen. Aus der Rollendrehzahl
n kann - in Kenntnis der Drehzahlen des Innenrings und/oder des Außenrings im Weiteren der Wälzkörper-Schlupf berechnet werden.
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Die Messsignale von den zwei kurz hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite 2 messenden Wirbelstromsensoren als Sensoren 4, 5 hängen hauptsächlich von der magnetischen Inhomogenität des Werkstoffelementes an der Messstelle ab, da der Abstand zur Rolle 1 ungefähr gleich ist. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak vom Sensor 4 den Sensor 5 erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit berechnen. Die Messposition liegt dabei bewusst außerhalb des Rollenzentrums. Aus der Frequenz, mit der Rollen 1 an den Sensoren 4, 5 vorbeikommen bzw. Frequenz Sensor-Übersteuerung kann die Käfigdrehzahl und damit auch die Oberflächengeschwindigkeit im Zentrum der Rolle 1 berechnet werden. Aus den beiden Oberflächengeschwindigkeiten v1 und v2 kann im Anschluss dann die Rollendrehzahl n und optional der Rollenschlupf berechnet werden. Kennt man die Position der Lastzone und die Drehzahl von Innenring und Außenring kann man den Rollendrehzahlverlauf über den Umfang prognostizieren. Alternativ ist auch die Messung der Rollendrehzahl n an mehreren Umfangspositionen möglich, um mehrere Stützstellen für die Berechnung eines Rollendrehzahlverlaufs zu haben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rolle
- 2
- Rollenstirn
- 3
- Messanordnung
- 4
- erster Sensor
- 5
- zweiter Sensor
- 6
- Auswerteeinrichtung
- RA
- Rollenachse
- M1, M2
- Messdaten
- P1, P2
- Peaks
- t
- Zeit [s]
- v1
- Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an Sensorposition
- v2
- Umlaufgeschwindigkeit der Rolle und/oder des Käfigs um die Lagerachse und/oder Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an der Lagerachse
- v3
- Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an Sensorposition in Umlaufrichtung um die Rollenachse
- n
- Rollendrehzahl um die Rollenachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014214178 A1 [0003]
