DE19602056A1 - Verfahren zur Bestimmung des Gleitlagerzustandes - Google Patents

Description

Zur Gleitlagerdiagnose existieren eine Vielzahl Verfahren. Sie sind in DE 44 41 828 A1 aufgelistet. Das in der DE 44 41 828 beschriebene Verfahren und die Anordnung zur Gleitlagerdiagnose mittels Magnetfeldmessung stellen eine neue Methode zur Gleitlagerdiagnose dar.

Bei dem beschriebenen Verfahren wird davon ausgegangen, daß das Gleitlager elektrotechnisch einen Kondensator darstellt. Speist man in die Welle einen Wechselstrom ein, so wird ein Teil des Stromes über diesen Kondensator abfließen können. Eine Auswertung dieses Ableitstromes muß Rückschlüsse auf den Gleitlagerzustand zulassen. In DE 44 41 828 angefügte Ergebnisse bestätigen die Nutzbarkeit des Verfahrens.

Die DE 44 41 828 beinhaltet eine Schaltungsanordnung, bei der der Ableitstrom aus einer direkten Differenzmessung des über die Welle in das Lager hineinfließenden Stromes und des über die Welle aus dem Lager herausfließenden Stromes gewonnen wird. Die Ströme werden über Rogowskispulen gemessen, die ein dem Strom proportionales Spannungssignal liefern. Sie sind zur Differenzmessung gegeneinander geschaltet. Dazu muß in die Welle der Strom eingespeist werden.

Das Patent zeigt weiterhin, durch die Einspeisespannung und die dem Ableitstrom proportionale Meßspannung gebildeten Lissajoufiguren, die für unterschiedliche Lagerzustände unterschiedliche Gestalt annehmen.

Die Auswertung der Lissajoufiguren ist mit dem Mangel behaftet, daß die grafische Auswertung maschinell außerordentlich kompliziert ist. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist die schlechte Vergleichbarkeit der gewonnenen Ergebnisse untereinander, da eine Normierungsbasis fehlt. Diese Mängel sollen beseitigt werden. Die Auswertung der Lissjoufiguren soll durch ein maschinell einfacher zu realisierendes Verfahren ersetzt werden. Eine Normierungsbasis soll geschaffen werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß

• - der über die Welle in das Lager hineinfließende Strom i_EIN und der über die Welle aus dem Lager fließende Strom i_AUS über die stromproportionalen Spannungen der Rogowskispulen getrennt erfaßt werden.
• - die stromproportionalen Spannungen der Ströme i_EIN und i_AUS um die Meßfrequenz f_M des in die Welle eingespeisten Stromes schmalbandgefiltert werden.
• - die schmalbandgefilterten zu i_EIN und i_AUS proportionalen Spannungssignale bei der Meßfrequenz f_M diskret fouriertransformiert werden.
• - der Winkel Δϕ zwischen den beiden im Fourierbereich entstandenen, i_EIN und i_AUS proportionalen, Zeiger _EIN- und _AUS ermittelt wird.
• - über den Kosinussatz die Länge des dem Ableitstrom i_AB proportionalen Zeigers _AB ermittelt wird.
• - dieser Vorgang für verschiedene definierte Gleitlagerzustände, z. B. Normallauf bei unverschmutztem Öl, Aufsitzen der Welle im Lager, verschiedene Einspeiseströme, . . . wiederholt wird, um aus entstehenden Differenzen der Zeiger _EIN, _AUS, _AB und des Winkels Δϕ die gesuchten ohmschen und kapazitiven Ableitstromanteile _RAB und _CAB von ungewünschten Anteilen, wie z. B. dem Wirbelstromanteil _W, korrigieren zu können und zu bestimmen.
• - mit den Ableitstromanteilen _RAB und _CAB ein Kennlinienfeld aufgebaut wird, bei dem der Normallauf unter günstigen Bedingungen den zu erreichenden Arbeitspunkt darstellt und abweichende Größen in vier verschiedene, durch Variationen von _RAB und _CAB gegebene, Bereiche eingeordnet werden, Fig. 1.
• - zur Normierung ein Bezug auf den Strom |_AUS| erfolgt.

Das Ausführungsbeispiel soll die Erfindung dokumentieren:
Messungen an Gleitlagern mit der Anordnung aus Fig. 2 ergeben folgende Bilder, Fig. 3. Die linke Seite von Fig. 3 stellt die ungefilterten, zu i_EIN und i_AUS proportionalen, Spannungssignale in Form einer Lissajoufigur dar, bei der das zu i_EIN proportionale Spannungssignal auf der Ordinate und das zu i_AUS proportionale Spannungssignal entlang der Abszisse aufgetragen ist. Der rechte Teil des Bildes stellt die entsprechend gefilterten Verläufe für den Fall des Anstreifens der Welle im Lager dar. Fig. 4 zeigt die gleichen Verläufe für den Normallauf des Gleitlagers.

Es ist zu erkennen, daß Anstreifungen, siehe Fig. 3, durch die Veränderung der Lissajoufigur zu Fig. 4 feststellbar sind. Gleichzeitig ist festzustellen, daß erst für gefilterte Signale Veränderungen zu erkennen sind.

Um im weiteren keine zusätzlichen Größen für die zu i_EIN und i_AUS proportionalen Spannungssignale der Rogowskispulen einführen zu müssen, werden diese Signale gleichermaßen mit i_EIN und i_AUS bezeichnet.

Transformiert man i_EIN und i_AUS mittels der Fouriertransformation in den Fourierbereich, erhält man folgende Bilder, Fig. 5-7.

Die Fig. 5-7 stellen Phasendiagramme dar, bei denen die Imaginärteile der Fouriertransformierten über den Realteilen der Fouriertransformierten dargestellt sind. In die Diagramme sind durchgezogen der fouriertransformierte Zeiger F[i_EIN] bzw. _EIN und punktiert der fouriertransformierte Zeiger F[i_AUS] bzw. _AUS eingetragen. Fig. 5 zeigt die Verhältnisse für den Auslauf einer Maschine und Fig. 6 für den Hochlauf einer Maschine. Im Auslaufvorgang beinhalten die beiden linken Teilbilder Momente des Auslaufens, während das rechte Teilbild die eingenommene Ruheposition zeigt. Im Hochlaufvorgang sind im linken Teilbild der Moment vor dem Anlaufen und in der Mitte ein Moment im Hochlaufen und rechts der Normallauf dargestellt.

Fig. 7 zeigt für das gewählte Beispiel aus Fig. 3 und 4 die Phasendiagramme, links für den Normallauf und rechts für das Anstreifen.

Alle Teilbilder zeigen, daß _{AUS EIN} während des Betriebs des Lagers hinterhereilt. In der Ruheposition und beim Anstreifen im Gleitlager ist |_AUS| < |_EIN|. Im Normallauf ist |_AUS| < |_EIN|.

Die letzte Aussage belegt, daß der Ableitstrom i_AB im Gleitlager nicht allein durch einen kapazitiven Ableitstromanteil i_CAB und einen ohmschen Ableitstromanteil i_RAB bestimmt wird, sondern weitere Komponenten eine Rolle spielen.

Diese Komponenten ergeben sich aus folgender Überlegung:
Ein Gleitlager stellt aus elektrotechnischer Sicht zunächst einen Kondensator dar, mit der Welle und den Lagerschalen als Elektroden und dem Schmierstoff als Dielektrikum. Durch die Beaufschlagung der Welle mit einem Wechselstrom ergeben sich bei metallischen Lagern Wirbelströme und bei eisenmetallischen Lagern zusätzliche Induktivitäten. Hierbei wirken Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände als Beläge entlang des Lagers.

Sie sollen vereinfacht in folgendem Ersatzschaltbild, Fig. 8, dargestellt werden, das die gleichen Aussagen, ggf. mit weniger Präzision, als eine Belagsbetrachtung, liefert.

In Fig. 8 sind:

• - u_EIN die Einspeisespannung,
• - L₁ und L₂ die Gegeninduktivität des Lagers durch Lagerschalen und Gehäuse,
• - C_AB die Kapazität des Lagers, die den Ableitstromanteil i_CAB führt,
• - R_AB die ohmsche Komponente des Lagers bei Mischreibung bzw. verunreinigtem Öl, die den Ableitstromanteil i_RAB führt,
• - R_W der ohmsche Betrag des Wirbelstromanteils i_W,
• - L_AUS die Ausgangsinduktivität und R_AUS der Ausgangswiderstand.

Die Summe i_CAB + i_RAB + i_W = i_AB sei der Ableitstrom durch das Lager.

Die Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände der Stromabführung von i_AB vom Lager bis hin zum gemeinsamen Knotenpunkt mit i_AUS werden in dieser Betrachtung vernachlässigt.

Mit den angegebenen Größen läßt sich das Zeigerbild, Fig. 1, konstruieren. Dabei soll die Zeigerkonstruktion dem Normallauf des Lagers entsprechen, mit dem Arbeitspunkt AP in der Spitze der beiden Zeiger _EIN und _AB. In diesen Arbeitspunkt hinein ist ein Kennlinienfeld gelegt, daß die Veränderung des Schnittpunkts beider Zeiger bei Variation von _CAB und _RAB demonstriert.

Zum Aufbau des Kennlinienfeld es müssen die beiden Größen _CAB und _RAB über eine Kenngrößenbestimmung ermittelt werden.

Kenngrößenbestimmung am Gleitlager

1. Die beiden Zeiger _AUS- und _EIN werden über die Diskrete Fouriertransformation durch Variation des Fourierkoeffizienten um die Meßfrequenz f_M ermittelt. Die Beträge |_AUS| und |_EIN| werden durch die entsprechende Quadrierung der Imaginär- und Realteile, Bildung ihrer Summe und Radizierung der fouriertransformierten Weite _AUS und _EIN- ermittelt. Für die weitere Rechnung werden die Größen mit den maximalen Beträgen genutzt. Die Phasen ϕ_EIN und ϕ_AUS der beiden Zeiger _AUS und _EIN ergeben sich aus der entsprechenden Nutzung der arctan-Winkelbeziehung.

2. Der Winkel Δϕ berechnet sich aus der Differenz Δϕ = ϕ_EIN - ϕ_AUS.

3. Der Betrag des Ableitstroms |_AB| folgt über den Kosinussatz, Fig. 1, zu

4. Aus dem Ableitstrom _AB- sollen nun die gesuchten Ableitstromanteile _CAB und _RAB bestimmt werden. Zu den gesuchten Stromanteilen addiert sich der störende Wirbelstromanteil _W. Er ändert sich quadratisch in Abhängigkeit vom durch die Welle durch das Lager fließenden Strom. Diese quadratische Abhängigkeit ist zur Bestimmung des Wirbelstromanteils _W durch eine zweimalige Messung und Bestimmung der Komponenten nach Punkt 1 . . . 3 wie folgt nutzbar:In einem erstem Schritt werden die Komponenten nach Punkt 1 . . . 3 im Normalbetrieb des Lagers bei unverschmutztem Öl und ohne Anstreifen im Lager bei einem bestimmten |_AUS1| ermittelt. Hier kann davon ausgegangen werden, daß der ohmsche Ableitstromanteil _RAB Null ist. In einem zweitem Schritt erfolgt die Ermittlung der Komponenten nach Punkt 1 . . . 3 bei einer definierten Veränderung von |_AUS1|, z. B. zu 2|_AUS1|-, unter den gleichen Voraussetzungen wie im ersten Schritt.

Im Schritt 1 entsprechen die Betrags- und Winkelverhältnisse aller Zeiger Fig. 1.

Bei z. B. der Verdopplung von |_AUS1| verdoppelt sich auch |_AB| bei Beibehaltung des Winkels zu _AUS1. Mit _AB verdoppelt sich auch der kapazitive Ableitstromanteil _CAB1. Wenn angenommen wird, daß der kapazitive Ableitstrom _CAB1 sehr gering gegenüber _AUS ist, bewirkt die näherungsweise Verdopplung des über die Welle durch das Lager fließenden Stromes eine Quadrierung des Wirbelstromanteils _W1 bei Beibehaltung seiner Richtung. Die Stromzeiger _AB1, _CAB1, _W1 bzw. _AB2, 2_CAB1, _W1², wobei _AB1 der im ersten Schritt und _-AB2 der im zweiten Schritt ermittelte Ableitstrom sind, ergeben jeweils rechtwinklige Dreiecke, so daß der Wirbelstromanteil _W1 über den Satz des Pythagoras mit:

berechnet werden kann.

Nach seiner quantitativen Bestimmung über _W1 als Kennwert, ist der Wirbelstromanteil _W aus der weiteren Kennwertbestimmung herausrechenbar, da er durch das jeweils vorliegende _AUS bestimmt wird.

Die Phasenlage von _CAB- ist wegen der starren Phasenlage von _AB zu _AUS bei Veränderungen des Gleitlagerzustands ebenfalls als starr annehmbar und soll bestimmt werden:Der Betrag von _CAB1 für den definierten ersten Schritt dieses Punktes ist

womit der zwischen _AB1 und _CAB1 eingeschlossene Winkel, siehe Fig. 1,

wird. Der Winkel α₁ zwischen _AB1 und _AUS1 ergibt sich über den Sinussatz zu

womit der starre Winkel von -_CAB zu

χ = α₁-β₁ (8)

folgt.

Während des Gleitlagerbetriebs ändert sich _AB in Betrag und Phase. Für die beiden gesuchten Ableitstromkomponenten _CAB- und _RAB folgt nun aus Winkelbeziehungen am rechtwinkligen Dreieck

wobei |_W| entsprechend _AUS mit Hilfe von (4) gebildet wird, |_AB| mit (1) berechnet wird und sich β = α - χ ergibt. χ wurde bereits mit (8) ermittelt und α wird über den Sinussatz, entsprechend (7) bestimmt.

5. |_CAB| und |_RAB| können nach ihrer Berechnung während des Gleitlagerbetriebs bezüglich der Überschreitung bestimmter Grenzwerte überwacht werden. Es ist auch eine komplexere Kennlinienfelddarstellung möglich, die Abweichungen zum Normalbetrieb informativer angibt. Ein Kennlinienfeld wird einen besseren Überblick über Gleitlagerzustände vermitteln, wenn es in Bereiche einteilbar ist, die Zuständen zuordenbar sind:
Bei Bezug auf den Normallauf des Gleitlagers mit seinem Arbeitspunkt AP, siehe Fig. 1, können die verschiedenen Zustände des Gleitlagers, die Veränderungen von |_CAB| und |_RAB| bewirken, vier trennbaren Bereichen zugeordnet werden.

Im Bereich 1 wird |_-CAB| und |_RAB| größer, was auf eine allgemeine Verschlechterung des Gleitlagerzustandes mit Näherung der Welle an die Lagerschalen und erste Mischreibungen hindeutet.

Im Bereich 2 wird |_-CAB| und |_RAB| kleiner, was auf eine Verbesserung der Gleitlagereigenschaften hinweist, z. B. ruhigerer Lauf, bessere Schmierverhältnisse.

Im Bereich 3 wird |_-CAB| größer und |_RAB-| kleiner, was als Annäherung der Welle an die Lagerschalen ohne Mischreibung gedeutet werden kann.

Im Bereich 4 wird |_-CAB| kleiner und |_RAB-| größer, was z. B. durch ein großflächiges Anstreifen verursacht werden kann.

6. Für den Aufbau des Kennlinienfeldes muß entweder der Strom |_AUS| während des Gleitlagerbetriebs konstant gehalten werden oder eine Normierung aller Größen auf |_AUS| erfolgen.

Die gleiche Aussage gilt für die Trendverfolgung von |_CAB| und |_AB| über der Zeit.

Claims (1)

1. Verfahren zur Bestimmung des Gleitlagerzustands, bei dem davon ausgegangen wird, daß das Gleitlager elektrotechnisch einen Kondensator darstellt, bei dem in die Welle ein Wechselstrom eingespeist wird, so daß ein Teil des Stromes über diesen Kondensator abfließen kann und bei dem der über die Welle in das Lager hineinfließende Strom i_EIN und der über die Welle aus dem Lager herausfließende Strom i_AUS mit Rogowskispulen gemessen werden, die dem durchfließenden Strom proportionale Spannungssignale liefern und bei dem das Lager elektrisch mit einem Pol der Stromeinspeisung verbunden ist, gekoppelt an die schaltungstechnischen Mittel bekannter Rechnerstrukturen, dadurch gekennzeichnet, daß

   • - der über die Welle in das Lager hineinfließende Strom i_EIN und der über die Welle aus dem Lager fließende Strom i_AUS über die stromproportionalen Spannungen der Rogowskispulen zeitgleich als Zeitreihen getrennt in zwei Kanälen erfaßt werden,
   • - die stromproportionalen Spannungen der Ströme i_EIN und i_AUS um die Meßfrequenz f_M des in die Welle eingespeisten Stromes schmalbandgefiltert werden,
   • - die schmalbandgefilterten zu i_EIN und i_AUS proportionalen Spannungssignale bei der Meßfrequenz f_M diskret fouriertransformiert werden,
   • - der Winkel Δϕ zwischen den beiden im Fourierbereich entstandenen, i_EIN und i_AUS proportionalen, Zeiger _EIN- und _AUS ermittelt wird,
   • - über den Kosinussatz die Länge des dem Ableitstrom i_AB proportionalen Zeigers _AB ermittelt wird, Fig. 1,
   • - dieser Vorgang für verschiedene definierte Gleitlagerzustände, z. B. Normallauf bei unverschmutztem Öl, Aufsitzen der Welle im Lager, verschiedene Einspeiseströme, . . . wiederholt wird, um aus entstehenden Differenzen der Zeiger _EIN, _AUS, _AB und des Winkels Δϕ die gesuchten ohmschen und kapazitiven Ableitstromanteile _RAB und _CAB von ungewünschten Anteilen, wie z. B. dem Wirbelstromanteil _W, korrigieren zu können und zu bestimmen, wozu Winkelbeziehungen am Dreieck, Winkelsätze am Dreieck und der Satz des Pythagoras benutzt werden, Fig. 1,
   • - mit den Ableitstromanteilen _RAB und _CAB ein Kennlinienfeld aufgebaut wird, bei dem der Normallauf unter günstigen Bedingungen den zu erreichenden Arbeitspunkt darstellt und abweichende Größen in vier verschiedene, durch Variationen von _RAB und _CAB gegebene, Bereiche eingeordnet werden, Fig. 1,
   • - zur Normierung ein Bezug auf den Strom |_AUS| erfolgt.