KOWALEWSKI, Ralf (Zollesstr. 25, Fürth, 90768, DE)
PROBOL, Carsten (Eisenstr. 21, Buckenhof, 91054, DE)
TISCHMACHER, Hans (Heuchlinger Hauptstr. 18, Lauf, 91207, DE)
GATTERMANN, Sven (Goethestraße 26, Zirndorf, 90513, DE)
KOWALEWSKI, Ralf (Zollesstr. 25, Fürth, 90768, DE)
PROBOL, Carsten (Eisenstr. 21, Buckenhof, 91054, DE)
TISCHMACHER, Hans (Heuchlinger Hauptstr. 18, Lauf, 91207, DE)
| Patentansprüche 1. Auswertungsverfahren für Lichtbogenentladungen, die zwischen einem Lagerinnenring (8) und einem Lageraußenring (9) eines Wälzlagers (1) auftreten, - wobei ein definierter Betriebszustand des Wälzlagers (1) eingestellt wird, - wobei zum Einstellen des definierten Betriebszustandes mindestens einer der Parameter Drehzahl (n) des Wälzlagers (1), Temperatur des Wälzlagers (1), am Wälzlager (1) an¬ greifende, Schwingungen verursachende Unwucht, Schmiermit¬ tel, Axial-, Radial- und Kippbelastung, Verkippung des La¬ gerinnenrings (8) relativ zum Lageraußenring (9), Pulsform und Pulswiederholfrequenz der angelegten elektrischen Span- nung (U) , Lagerspiel und Vorschädigung des Wälzlagers (1) eingestellt wird, - wobei in dem definierten Betriebszustand durch Anlegen einer pulsförmigen elektrischen Spannung (U) zwischen Lagerinnenring (8) und Lageraußenring (9) eine Vielzahl von Lichtbogenentladungen generiert wird, - wobei für jede Lichtbogenentladung mindestens ein Wert er- fasst wird, der für die Energie (E) , die Leistung, die Spannung, den Strom und/oder die Dauer (t) der jeweiligen Lichtbogenentladung charakteristisch ist, und - wobei nur diejenigen Lichtbogenentladungen ausgewertet werden, bei denen ein in Abhängigkeit von mindestens einem der erfassten charakteristischen Werte der jeweiligen Lichtbogenentladung ermittelter qualifizierender Wert (Q) oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes (G) liegt. 2. Auswertungsverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der qualifizierende Wert (Q) proportional zur Energie (E) und indirekt proportional zur dritten Potenz der Dauer (t) der jeweiligen Lichtbogen- entladung ist. 3. Auswertungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der vorbe- stimmte Grenzwert (G) bezüglich des Materials, aus dem der Lagerinnenring (8) und/oder der Lageraußenring (9) bestehen, durch die Erwärmungsenthalpie, die erforderlich ist, um das Material von der Betriebstemperatur auf die Schmelztemperatur zu erhitzen, durch die Schmelzenthalphie, die erforderlich ist, um das Material zu schmelzen, und durch die Erwärmungs¬ enthalpie, die erforderlich ist, um das Material von der Schmelztemperatur auf die Siedetemperatur zu erhitzen, bestimmt, wobei die genannten Enthalpien auf dasselbe Volumen bezogen sind. 4. Auswertungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es für eine Vielzahl von Betriebszuständen des Wälzlagers (1) wiederholt wird, dass für jeden Betriebszustand die Häufigkeit der aus¬ gewerteten Lichtbogenentladungen ermittelt wird und dass die Betriebszustände in Abhängigkeit von der für den jeweiligen Betriebszustand ermittelten Häufigkeit als zulässig oder als unzulässig klassifiziert werden. 5. Auswertungsverfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einen nichtflüchtigen Speicher, der Bestandteil einer Antriebssteuerung für einen umrichergespeisten elektrischen Motor, der ein Wälzlager (1) aufweist, ist, eingeschrieben werden - entweder nur die als zulässig klassifizierten Betriebszustände des Wälzlagers (1), - oder nur die als unzulässig klassifizierten Betriebszustände des Wälzlagers (1), - oder zusammen mit ihrer jeweiligen Klassifizierung sowohl die als zulässig klassifizierten Betriebszustände des Wälz¬ lagers (1) als auch die als unzulässig klassifizierten Be¬ triebszustände des Wälzlagers (1). 6. Antriebssteuerung für einen umrichergespeisten elektrischen Motor, der ein Wälzlager (1) aufweist, mit einem nichtflüchtigen Speicher, in den eingeschrieben sind - entweder nur als zulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers (1), - oder nur als unzulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers ( 1 ) , - oder zusammen mit ihrer jeweiligen Klassifizierung sowohl als zulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers (1) als auch als unzulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers (1), wobei die in den nichtflüchtigen Speicher eingeschriebenen Betriebszustände gemäß einem Auswertungsverfahren nach Anspruch 4 ermittelt wurden und die Betriebszustände jeweils des Wälzlagers (1) . 7. Prüfstand für ein Wälzlager (1), das einen Lagerinnenring (8), einen Lageraußenring (9) und zwischen Lagerinnenring (8) und Lageraußenring (9) abrollende Wälzelemente (10) aufweist, - wobei der Prüfstand einen Grundkörper (2) aufweist, - wobei der Grundkörper (2) eine Montageanordnung (6) aufweist, in der das Wälzlager (1) lösbar montierbar ist, - wobei die Montageanordnung (6) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und/oder durch ein aus einem elektrisch isolierenden Material bestehendes Zwischenelement (7) vom übrigen Grundkörper (2) elektrisch isoliert ist, - wobei der Prüfstand einen drehzahlveränderlichen elektri- sehen Antrieb (3) aufweist, der auf dem Grundkörper (2) ortsfest angeordnet ist und auf eine Welle (5) wirkt, die bei montiertem Wälzlager (1) drehfest mit dem Lagerinnenring (8) oder dem Lageraußenring (9) verbunden ist, - wobei der elektrische Antrieb (3) vom Wälzlager (1) elek- trisch isoliert ist, - wobei der Prüfstand einen Spannungsgenerator (11) aufweist, über den der Übergang von Lagerinnenring (8) zu Lageraußenring (9) mit einer pulsförmigen elektrischen Spannung (U) mit einstellbarer Pulsform und Pulswiederholfrequenz beaufschlagbar ist, - wobei der Prüfstand eine Erfassungseinrichtung (13) auf¬ weist, mittels derer mindestens ein Wert erfassbar ist, der für die Energie (E) , die Leistung, die Spannung, den Strom und/oder die Dauer (t) von zwischen dem Lagerinnenring (8) und dem Lageraußenring (9) auftretenden Lichtbogenentladungen charakteristisch ist. 8. Prüfstand nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf der Welle (5) ein Belastungsla¬ ger (17) angeordnet ist, mittels dessen eine statische und/oder dynamische Belastung auf das Wälzlager (1) ausübbar ist . 9. Prüfstand nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Prüfstand zum Ausüben der stati¬ schen und/oder dynamischen Belastung ein auf das Belastungslager (17) wirkendes hydraulisches System (22) aufweist. 10. Prüfstand nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die auf das Wälzlager (1) ausübbare Belastung axial, radial und/oder asymmetrisch wirkt . 11. Prüfstand nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf der Wel¬ le (5) eine Unwuchtscheibe (15) angeordnet ist, mittels derer eine Schwingungen verursachende Unwucht auf das Wälzlager (1) ausübbar ist. 12. Prüfstand nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , dass die Unwuchtscheibe (15) mindestens eine Halteeinrichtung (16) zum Halten einer Unwuchtmasse auf- weist. 13. Prüfstand nach einem der Ansprüche 7 bis 12, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Prüf¬ stand mindestens eine Temperaturbeeinflussungseinrichtung (14) zum aktiven Einstellen einer Betriebstemperatur des Wälzlagers (1) aufweist. 14. Prüfstand nach einem der Ansprüche 7 bis 13, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Prüf¬ stand eine Versteileinrichtung (17) zum Verkippen des Lagerinnenrings (8) relativ zum Lageraußenring (9) aufweist. 15. Prüfstand nach einem der Ansprüche 7 bis 14, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an der Mon¬ tageanordnung (6) Beschleunigungssensoren (23) angeordnet sind, mittels derer horizontale und/oder vertikale Beschleu- nigungen (a) der Montageanordnung (6) erfassbar sind. |
Auswertungsverfahren für Lichtbogenentladungen und zugehöriger Prüfstand
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Auswertungsverfahren für Lichtbogenentladungen, die zwischen einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring eines Wälzlagers auftreten. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Prüfstand für ein Wälzlager, das einen Lagerinnenring, einen Lageraußenring und zwischen Lagerinnenring und Lageraußenring abrollende Wälzelemente aufweist. Bei umrichtergespeisten Motoren treten parasitäre Effekte auf, welche sich durch einen Stromfluss über das Motorlager äußern. In der Folge können über dem Schmierfilm des Lagers Lichtbodenentladungen auftreten, welche im Extremfall zu Materialaufschmelzungen und damit zu Veränderungen in den La- gerlaufbahnen führen. Diese Veränderungen können auf lange Sicht zu Schäden der Lagerung führen, die bis zum Totalausfall der Lagerung reichen können.
Zur Erfassung der Lichtbogenentladungen und der Lagerströme werden im Stand der Technik bisher nur Messungen im gesamten Antriebssystem ausgeführt, das aus Umrichter und Motor besteht. Eine isolierte Beeinflussung der Betriebsparameter des Wälzlagers ist bei dieser Vorgehensweise nicht möglich. Der Betriebszustand des Wälzlagers stellt sich vielmehr auf Grund der äußeren Gegebenheiten "irgendwie" ein. Parameterversuche, bei welchen gezielt ganze Kennfelder abgefahren werden, können auf diese Weise nicht durchgeführt werden.
Um ein Ausmaß für die durch die Lichtbogenentladungen mögli- cherweise bewirkten Schädigungen des Wälzlagers gewinnen zu können, wird im Stand der Technik die Stromdichte der Licht ¬ bogenentladungen erfasst. Dies führt jedoch nur zu unbefrie ¬ digenden Korrelationen zwischen der Belastung des Wälzlagers durch die Lichtbogenentladungen einerseits und der dadurch bewirkten Schädigung des Wälzlagers andererseits.
Für die Ausbildung einer Lagerschädigung sind eine Reihe von Parametern verantwortlich. Darunter fallen zum einen natürlich der Lagerstrom und die zugehörige Lagerspannung. Zum anderen fallen darunter weitere Parameter, beispielsweise der mechanische und thermische Betriebszustand des Lagers. Dreh ¬ zahl, mechanische Schwingung, Temperatur usw. beeinflussen die Dicke des Schmierfilms und damit die Wahrscheinlichkeit einer Lichtbodenentladung. Um feststellen zu können, welchen Einfluss die einzelnen Parameter auf die Lichtbogenentladungen und die damit verbundene Lagerschädigung haben, ist es erforderlich, diese Parameter isoliert steuern zu können. Nur so lassen sich mögliche Abhängigkeiten bis hin zu zulässigen Grenzwerten bestimmen.
Aus der DE 44 41 828 AI ist ein Verfahren zur Gleitlagerdiagnose mittels Magnetfeldmessung bekannt. Bei diesem Verfahren wird in die Maschinenwelle ein Strom eingespeist. Der Ableit ¬ strom durch das Lager wird über eine Differenzmessung des Stromes, der vor dem Lager und nach dem Lager in der Welle fließt, ermittelt. Der eingespeiste Strom ist ein Wechsel ¬ strom. Zur Ermittlung der Ströme werden die durch die Ströme erzeugten Magnetfelder gemessen.
Aus der US 2005/184 751 AI ist ein Verfahren zur Erfassung von Funkenaktivität einer elektrischen Maschine bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Erfassung der Funkenaktivität die Wellenspannung und/oder der Wellenstrom gemessen und analysiert. Bei der Funkenaktivität kann es sich um zwischen Tei ¬ len der Wellenlager auftretende Wellenerosionsfunken handeln.
Aus der DE 44 10 639 AI ist ein Prüfstand für ein Wälzlager bekannt, wobei das Wälzlager einen Lagerinnenring, einen Lageraußenring und zwischen Lagerinnenring und Lageraußenring abrollende Wälzelemente aufweist. Der Prüfstand weist einen Grundkörper auf, der seinerseits eine Montageanordnung auf- weist, in der das Wälzlager lösbar montierbar ist. Der Prüfstand weist weiterhin einen drehzahlveränderlichen elektrischen Antrieb auf, der auf den Grundkörper ortsfest angeord ¬ net ist und auf eine Welle wirkt, die bei montiertem Wälzla- ger drehfest mit dem Lagerinnenring oder dem Lageraußenring verbunden ist. Bei diesem Prüfstand erfolgt eine rein mecha ¬ nische Prüfung des Wälzlagers.
Aus der DE 198 44 822 AI sind in einer Antriebssteuerung für eine Verbrennungskraftmaschine (konkret: einen Automotor) in einem nicht flüchtigen Speicher Grenzwerte hinterlegt, die maximal zulässige Beschleunigungen des Kraftfahrzeugs in Ab ¬ hängigkeit vom jeweils eingelegten Gang angeben. Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Auswertungsverfahren für Lichtbogenentladungen zwischen Lagerinnenring und Lageraußenring eines Wälzlagers zu schaffen, das - im Gegensatz zum Stand der Technik: zuverlässige - Vorhersagen über von den Lichtbogenentladungen hervorgerufene oder nicht hervorgerufene Lagerschäden ermöglicht.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen entsprechenden Prüfstand zu schaffen, mittels dessen das oben genannte Auswertungsverfahren durchführbar ist.
Die erste Aufgabe wird durch ein Auswertungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun ¬ gen des Auswertungsverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 5.
Bei dem erfindungsgemäßen Auswertungsverfahren ist vorgesehen,
- dass ein definierter Betriebszustand des Wälzlagers einge ¬ stellt wird,
- dass zum Einstellen des definierten Betriebszustandes mindestens einer der Parameter Drehzahl des Wälzlagers, Tempe ¬ ratur des Wälzlagers, am Wälzlager angreifende, Schwingun ¬ gen verursachende Unwucht, Schmiermittel, Axial-, Radial-, Kippbelastung, Verkippung des Lagerinnenrings relativ zum Lageraußenring, Pulsform und Pulswiederholfrequenz der angelegten elektrischen Spannung, Lagerspiel und Vorschädigung des Wälzlagers eingestellt wird,
- dass in dem definierten Betriebszustand durch Anlegen einer pulsförmigen elektrischen Spannung zwischen Lagerinnenring und Lageraußenring eine Vielzahl von Lichtbogenentladungen generiert wird,
- dass für jede Lichtbogenentladung mindestens ein Wert er- fasst wird, der für die Energie, die Leistung, die Span ¬ nung, den Strom und/oder der die Dauer der jeweiligen
Lichtbogenentladung charakteristisch ist, und
- dass nur diejenigen Lichtbogenentladungen ausgewertet werden, bei denen ein in Abhängigkeit von mindestens einem der erfassten charakteristischen Werte der jeweiligen Lichtbogenentladung ermittelter qualifizierender Wert oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes liegt.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Ansatz, dass es nicht auf die Lichtbogenentladungen als solche ankommt. Es kommt vielmehr auf mindestens einen charakteristischen Wert der jeweiligen Lichtbogenentladung an. Insbesondere kommt es darauf an, auf welches Volumen sich die Energie der jeweili ¬ gen Lichtbogenentladung verteilt. Lagerschäden treten nur dann auf, wenn der volumenbezogene Energieeintrag der Licht ¬ bogenentladung zu Materialverdampfungen führt.
Die Ausbreitung der durch die Lichtbogenentladung in den Lagerinnenring bzw. den Lageraußenring eingebrachten Energie erfolgt im Wesentlichen mit der Schallgeschwindigkeit des entsprechenden Materials. Die Ausbreitungswelle weist weiter ¬ hin im Wesentlichen die Form einer Halbkugel auf. Ihr Radius ist gleich dem Produkt von Dauer der Lichtbogenentladung und Schallgeschwindigkeit des Materials von Lagerinnenring bzw. Lageraußenring. Der qualifizierende Wert ist daher nicht nur von der Energie der jeweiligen Lichtbogenentladung abhängig, sondern auch von deren Dauer. Besonders gute Werte haben sich in Praxisversuchen ergeben, wenn der qualifizierende Wert proportional zur Energie und indirekt proportional zur drit ¬ ten Potenz der Dauer der jeweiligen Lichtbogenentladung ist.
Der vorbestimmte Grenzwert kann auf beliebige Weise bestimmt werden, insbesondere experimentell. Vorzugsweise ist der vor ¬ bestimmte Grenzwert bezüglich des Materials, aus dem der La ¬ gerinnenring und/oder der Lageraußenring bestehen, durch die Erwärmungsenthalpie, die erforderlich ist, um das Material von der Betriebstemperatur auf die Schmelztemperatur zu er- hitzen, durch die Schmelzenthalphie, die erforderlich ist, um das Material zu schmelzen, und durch die Erwärmungsenthalpie, die erforderlich ist, um das Material von der Schmelztempera ¬ tur auf die Siedetemperatur zu erhitzen, bestimmt, wobei die genannten Enthalpien auf dasselbe Volumen bezogen sind. Ins- besondere kommt es zu Materialverdampfungen, wenn die volu ¬ menbezogene Energie der Lichtbogenentladung die Enthalpie übersteigt, die durch die Summe der genannten Enthalpien gegeben ist. Wird diese Enthalpie überschritten, kommt es zu einer Materi ¬ alverdampfung. Ist die volumenbezogene Energie sogar größer als die obige Summe zuzüglich der Verdampfungsenthalpie, wel ¬ che erforderlich ist, um das Material zu verdampfen, erfolgt sogar eine vollständige Verdampfung des entsprechenden Volu- mens.
Um Vorhersagen für (nahezu) beliebige Betriebszustände machen zu können, wird das Auswertungsverfahren für eine Vielzahl von Betriebszuständen des Wälzlagers wiederholt. Für jeden Betriebszustand wird die Häufigkeit der ausgewerteten Licht ¬ bogenentladungen ermittelt. In Abhängigkeit von der für den jeweiligen Betriebszustand ermittelten Häufigkeit werden die Betriebszustände als zulässig oder als unzulässig klassifi ¬ ziert. Insbesondere können Betriebszustände, bei denen gar keine oder nur wenige "kritische" Lichtbogenentladungen (d.h. Lichtbogenentladungen, bei denen der qualifizierende Wert - oberhalb des vorbestimmten Grenzwertes liegt) auftreten, als zulässig klassifiziert werden, Betriebszustände, bei denen viele kritische Lichtbogenentladungen auftreten, als unzulässig. Gegebenenfalls sind auch Zwischenabstufungen wie bei ¬ spielsweise "kritisch, aber kurzzeitig zulässig" oder "für begrenzte Zeit zulässig" möglich.
Die Anzahl an variierbaren Parametern des Wälzlagers kann nach Bedarf bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Auswertungsverfahren kann beispielsweise dazu verwendet werden, in einen nichtflüchtigen Speicher, der Bestandteil einer Antriebssteuerung für einen umrichtergespeisten elektrischen Motor ist, der ein Wälzlager aufweist, einzuschreiben
- entweder nur die als zulässig klassifizierten Betriebszu- stände des Wälzlagers
- oder nur die als unzulässig klassifizierten Betriebszustän- de des Wälzlagers
- oder zusammen mit ihrer jeweiligen Klassifizierung sowohl die als zulässig klassifizierten Betriebszustände des Wälz- lagers als auch die als unzulässig klassifizierten Be ¬ triebszustände des Wälzlagers.
In diesem Fall kann die Antriebssteuerung im laufenden Betrieb selbst erkennen, ob ein lagerschädigender Betriebszu- stand des Wälzlagers vorliegt bzw. droht und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen ergreifen. Zwei Beispiele:
- In einem bestimmten Drehzahlbereich treten Schwingungen auf, die zu kritischen Lichtbogenentladungen führen. Die Antriebssteuerung versucht nach Möglichkeit, diesen Drehzahlbereich zu vermeiden. Beispielsweise kann an einen Be- diener einer Maschinensteuerung ein entsprechender Warnhinweis ausgegeben werden, wenn die angeforderte Betriebsweise der Maschine den entsprechenden Drehzahlbereich bewirkt. Auch kann die Antriebssteuerung beim Beschleunigen und Abbremsen, also in den Fällen, in denen der entsprechende Drehzahlbereich nicht vermieden werden kann, den Motor mit maximalem Motormoment ansteuern, um den kritischen Drehzahlbereich möglichst schnell zu durchlaufen.
- In einem bestimmten Betriebszustand treten kritische Licht ¬ bogenentladungen auf, wenn der Antrieb mit mehr als 80% seines vollen Betriebsstroms beaufschlagt wird. Die An ¬ triebssteuerung begrenzt den Betriebsstrom auf maximal 75% des vollen Betriebsstroms.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ebenfalls eine An- triebssteuerung für einen umrichtergespeisten elektrischen
Motor, der ein Wälzlager aufweist, mit einem nichtflüchtigen Speicher, in den eingeschrieben sind
- entweder nur als zulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers
- oder nur als unzulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers
- oder zusammen mit ihrer jeweiligen Klassifizierung sowohl als zulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers als auch als unzulässig klassifizierte Betriebszustände des Wälzlagers.
Entscheidend ist hierbei jedoch, dass die in den nichtflüch ¬ tigen Speicher eingeschriebenen Betriebszustände gemäß einem erfindungsgemäßen Auswertungsverfahren ermittelt wurden und dass die Betriebszustände jeweils mindestens einen der Para ¬ meter Drehzahl des Wälzlagers, Temperatur des Wälzlagers, am Wälzlager angreifende, Schwingungen verursachende Unwucht, Schmiermittel, Axial-, Radial-, Kippbelastung, Verkippung des Lagerinnenrings relativ zum Lageraußenring, Pulsform und Pulswiederholfrequenz der angelegten elektrischen Spannung, Lagerspiel und Vorschädigung des Wälzlagers umfassen.
Die zweite Aufgabe wird durch einen Prüfstand mit den Merkma ¬ len des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Prüfstands sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 8 bis 15. Erfindungsgemäß ist der eingangs erwähnte Prüfstand dadurch weitergebildet,
- dass der Prüfstand einen Grundkörper aufweist,
- dass der Grundkörper eine Montageanordnung aufweist, in der das Wälzlager lösbar montierbar ist,
- dass die Montageanordnung aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und/oder durch ein aus einem elektrisch isolierenden Material bestehendes Zwischenelement vom übri ¬ gen Grundkörper elektrisch isoliert ist,
- dass der Prüfstand einen drehzahlveränderlichen elektrischen Antrieb aufweist, der auf dem Grundkörper ortsfest angeordnet ist und auf eine Welle wirkt, die bei montiertem Wälzlager drehfest mit dem Lagerinnenring oder dem Lageraußenring verbunden ist,
- dass der elektrische Antrieb vom Wälzlager elektrisch iso ¬ liert ist,
- dass der Prüfstand einen Spannungsgenerator aufweist, über den der Übergang von Lagerinnenring zu Lageraußenring mit einer pulsförmigen elektrischen Spannung mit einstellbarer Pulsform und Pulswiederholfrequenz beaufschlagbar ist, und
- dass der Prüfstand eine Erfassungseinrichtung aufweist, mittels derer mindestens ein Wert erfassbar ist, der für die Energie, die Leistung, die Spannung, den Strom und/oder die Dauer von zwischen dem Lagerinnenring und dem Lagerau- ßenring auftretenden Lichtbogenentladungen charakteristisch ist .
Vorzugsweise ist auf der Welle ein Belastungslager angeord ¬ net, mittels dessen eine statische und/oder dynamische Belas- tung auf das Wälzlager ausübbar ist. Beispielsweise kann der Prüfstand zum Ausüben der statischen und/oder dynamischen Belastung ein auf das Belastungslager wirkendes hydraulisches System aufweisen. Die auf das Wälzlager ausübbare Belastung kann axial, radial und/oder asymmetrisch wirken.
Vorzugsweise ist weiterhin auf der Welle eine Unwuchtscheibe angeordnet, mittels derer eine Schwingungen verursachende Un ¬ wucht auf das Wälzlager ausübbar ist. Die Unwuchtscheibe kann zu diesem Zweck mindestens eine Halteeinrichtung zum Halten einer Unwuchtmasse aufweisen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des Prüfstands ist vorgesehen, dass der Prüfstand mindestens eine Tempera ¬ turbeeinflussungseinrichtung zum aktiven Einstellen einer Betriebstemperatur des Wälzlagers aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Prüfstand eine VerStelleinrichtung zum Verkippen des Lagerinnenrings relativ zum Lageraußenring aufwei- sen. Alternativ oder zusätzlich können an der Montageanordnung Beschleunigungssensoren angeordnet sein, mittels derer horizontale und/oder vertikale Beschleunigungen der Montage ¬ anordnung erfassbar sind. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
FIG 1 schematisch einen Prüfstand für ein Wälzlager und FIG 2 schematisch ein Auswertungsverfahren für Lichtbogenentladungen .
Gemäß FIG 1 weist ein Prüfstand für ein Wälzlager 1 einen Grundkörper 2 auf. Auf dem Grundkörper 2 ist (unter anderem) ortsfest ein elektrischer Antrieb 3 angeordnet. Der elektri ¬ sche Antrieb 3 ist zumindest drehzahlregelbar, oftmals zu ¬ sätzlich auch momentregelbar. Der elektrische Antrieb 3 wirkt auf eine Welle 5. Zwischen dem elektrischen Antrieb 3 und der Welle 5 kann eine Kupplung 4 angeordnet sein.
Der elektrische Antrieb 3 ist vom Wälzlager 1 elektrisch iso ¬ liert. Beispielsweise kann zu diesem Zweck die Kupplung 4 aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Der Grundkörper 2 weist eine Montageanordnung 6 auf. Die Montageanordnung 6 kann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Zwischenelement 7 vorhanden sein, das aus einem elektrisch isolieren- den Material besteht und über welches die Montageanordnung 6 vom übrigen Grundkörper 2 elektrisch isoliert ist. In der Montageanordnung 6 ist das Wälzlager 1 lösbar montierbar. Das Wälzlager 1 weist - wie allgemein üblich - einen Lagerinnenring 8 und einen Lageraußenring 9 sowie Wälzelemente 10 auf. Die Wälzelemente 10 rollen im Betrieb des Wälzlagers 1 zwischen dem Lagerinnenring 8 und dem Lageraußenring 9 ab . In der Montageanordnung 6 ist im montierten Zustand des Wälzla- gers 1 einer der Lagerringe 8, 9 - in der Regel der Lagerau ¬ ßenring 9 - ortsfest gehalten. Der andere der Lagerringe 8, 9 - in der Regel der Lagerinnenring 8 - ist bei montiertem Wälzlager 1 mit der Welle 5 drehfest verbunden. Der Prüfstand weist weiterhin einen Spannungsgenerator 11 auf. Über den Spannungsgenerator 11 ist das Wälzlager 1 mit einer elektrischen Spannung U beaufschlagbar. Insbesondere ist gemäß der Darstellung von FIG 1 je einer von zwei Ausgängen des Spannungsgenerators 11 mit dem Lagerinnenring 8 und dem Lageraußenring 9 verbunden. Die Verbindung mit dem mit der Welle 5 drehfest verbundenen Lagerring 8 (in der Regel dem Lagerinnenring 8) kann beispielsweise über einen Schleifring 12 erfolgen. Dadurch, dass der Spannungsgenerator 11 mit beiden Lagerringen 8, 9 elektrisch verbunden ist, wird im Er- gebnis die vom Spannungsgenerator 11 ausgegebene elektrische Spannung U an den Übergang vom Lagerinnenring 8 zu Lageraußenring 9 angelegt.
Der Spannungsgenerator 11 kann nach Bedarf ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Spannungsgenerator 11 derart ausgebil ¬ det, dass die vom Spannungsgenerator 11 abgegebene elektrische Spannung U, wie in FIG 1 dargestellt ist, pulsförmig ist. Die Form der vom Spannungsgenerator 11 abgegebenen Spannungspulse (Anstiegszeit, Höhe, Haltedauer, Abfallzeit) ist einstellbar. Ebenso ist die Pulswiederholfrequenz einstellbar. Beispielsweise kann der Spannungsgenerator 11 einen Funktionsgenerator umfassen, dem ein Leistungsverstärker nachgeordnet ist. Auf Grund der angelegten Spannungspulse können zwischen dem Lagerinnenring 8 und dem Lageraußenring 9 Lichtbogenentladungen auftreten. Zur Erfassung von charakteristischen Werten der Lichtbogenentladungen - insbesondere von deren Energie E und/oder deren Dauer t - weist der Prüfstand (mindestens) ei ¬ ne entsprechende Erfassungseinrichtung 13 auf.
Die mittels der Erfassungseinrichtung 13 erfassten Werte können nach Bedarf bestimmt sein. Beispielsweise können die zeitlichen Verläufe der zwischen Lagerinnenring 8 und Lageraußenring 9 anstehenden Spannung oder der über das Wälzlager 1 fließende Strom erfasst werden. Insbesondere kann ein Span ¬ nungseinbruch bzw. ein Stromanstieg als Indiz für eine Lichtbogenentladung gewertet werden. Die genannten zeitlichen Ver- läufe können beispielsweise mittels eines entsprechend schnellen Speicheroszilloskops angezeigt und gespeichert wer ¬ den .
Auch die Erfassung anderer Größen ist möglich. Beispielsweise kann ein Frequenzspektrum der durch die Lichtbogenentladungen generierten elektromagnetischen Störungen oder der zeitliche Verlauf von erzeugten elektrischen und/oder magnetischen Feldern erfasst werden. Auch kann die Leistung der Lichtbogenentladungen erfasst werden.
Der erfindungsgemäße Prüfstand wird gemäß FIG 2 wie folgt be ¬ trieben .
Zunächst wird in einem Schritt Sl ein definierter Betriebszu- stand des Wälzlagers 1 eingestellt. Auf die Einstellmöglich ¬ keiten wird später näher eingegangen werden. Sodann wird in einem Schritt S2 die vom Spannungsgenerator 11 abgegebene elektrische Spannung U zwischen Lagerinnenring 8 und Lageraußenring 9 angelegt. In einem Schritt S3 werden die charakte- ristischen Werte - vorzugsweise für die Energie E und die Dauer t - der auftretenden Lichtbogenentladungen erfasst. In einem Schritt S4 wird - automatisch oder manuell - ein die jeweilige Lichtbogenentladung qualifizierender Wert Q ermittelt. Die Ermittlung des qualifizierenden Wertes Q erfolgt im Rahmen des Schrittes S4 in Abhängigkeit von den erfassten charakteristischen Werten der jeweiligen Lichtbogenentladung. Vorzugweise erfolgt die Ermittlung in Abhängigkeit von der Energie E und der Dauer t der jeweiligen Lichtbogenentladung. Insbesondere kann die Ermittlung gemäß der Beziehung Q = E/t 3 erfolgen .
In einem Schritt S5 wird geprüft, ob der qualifizierende Wert Q oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes G liegt. Wenn dies der Fall ist, wird in einem Schritt S6 die entsprechende Lichtbogenentladung ausgewertet. Im einfachsten Fall wird zu diesem Zweck ein Zähler inkrementiert . Anderenfalls wird der Schritt S6 übersprungen.
Der Grenzwert G kann nach Bedarf bestimmt sein. Insbesondere kann der Grenzwert G durch die in der Beschreibungseinleitung genannten Enthalpien des Materials bestimmt sein, aus dem der Lagerinnenring 8 und/oder der Lageraußenring 9 bestehen. Es wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen in der Beschreibungseinleitung verwiesen.
In einem Schritt S7 wird geprüft, ob der im Schritt Sl einge ¬ stellte Betriebszustand beendet werden soll. Wenn dies nicht der Fall ist, wird zum Schritt S2 zurückgegangen. Anderenfalls wird zu einem Schritt S8 übergegangen. Das Entschei ¬ dungskriterium des Schrittes S7 kann nach Bedarf bestimmt sein. In den einfachsten Fällen ist das Entscheidungskriterium ein Zeitablauf, die Ausgabe einer vorbestimmten Anzahl von Pulsen durch den Spannungsgenerator 11 oder die Eingabe einer Abbruchanweisung durch einen Benutzer. Im Schritt S8 wird der im Schritt Sl eingestellte Betriebszu ¬ stand entsprechend der Auswertung des Schrittes S6 klassifi ¬ ziert. Die Klassifizierung enthält zumindest die Abstufungen "zulässig" und "unzulässig". Gegebenenfalls können zusätzlich Zwischenabstufungen vorhanden sein, beispielsweise die Zwischenabstufung "zulässig, aber kritisch" oder die Zwischenabstufung "nur kurzzeitig zulässig". Im einfachsten Fall erfolgt die Einstufung in Abhängigkeit von der Anzahl (= Häufigkeit) der im Schritt S6 aufsummierten Lichtbogenentladun- gen.
In einem Schritt S9 wird geprüft, ob bereits alle Betriebszu ¬ stände durchlaufen wurden. Wenn dies nicht der Fall ist, wird zu einem Schritt S10 übergegangen, in dem der nächste Be- triebszustand des Wälzlagers 1 eingestellt wird.
Vorzugsweise ist zusätzlich ein Schritt Sil vorhanden. Der Schritt Sil ist jedoch nur optional, also nicht zwingend er ¬ forderlich. Wenn der Schritt Sil vorhanden ist, werden in ei- nen nichtflüchtigen Speicher, der Bestandteil einer Antriebssteuerung ist, Betriebszustände eingeschrieben. Hierbei ist es möglich, dass in den Speicher nur die zulässigen Betriebszustände eingeschrieben werden, nicht aber die anderen Betriebszustände. In diesem Fall ist es zwar möglich, dass zu- sätzlich die Information vorhanden ist, dass diese Betriebszustände zulässig sind. Zwingend ist dies aber nicht erfor ¬ derlich, da sich die Zulässigkeit der Betriebszustände be ¬ reits durch den Umstand ergibt, dass diese Betriebszustände in den Speicher eingeschrieben werden.
In analoger Weise ist es möglich, in den Speicher nur die unzulässigen Betriebszustände einzuschreiben. Auch in diesem Fall kann zusätzlich die Information eingespeichert werden, dass diese Betriebszustände zulässig sind. Erforderlich ist dies aber nicht mehr.
Vorzugsweise werden sowohl die zulässigen als auch die unzu ¬ lässigen Betriebszustände in den Speicher eingeschrieben. In diesem Fall muss das Einschreiben zusammen mit der Klassifizierung erfolgen. Dies kann dadurch erfolgen, dass den einzelnen Betriebszuständen jeweils deren Klassifizierung zugeordnet wird. In diesem Fall wird jedem einzelnen Betriebszu- stand die entsprechende Klassifizierung einzeln zugeordnet. Alternativ können die Betriebszustände nach ihren einzelnen Klassifizierungen gruppiert werden. Welche Vorgehensweise im Detail ergriffen wird, ist zweitrangig. Entscheidend ist, dass nachträglich noch ermittelbar ist, welcher Betriebszu- stand wie klassifiziert ist.
Im Rahmen von FIG 2 wird eine Vielzahl von Betriebszuständen eingestellt. Für jeden Betriebszustand werden die Schritte S2 bis S8 durchlaufen. Zum Einstellen der Vielzahl von Betriebs- zuständen des Wälzlagers 1 kann eine Vielzahl von Parametern variiert werden. Nachfolgend werden einige der Variationsmög ¬ lichkeiten aufgelistet. Selbstverständlich sind Kombinationen möglich . So kann beispielsweise die Drehzahl n des Wälzlagers 1 vari ¬ iert werden. Diese Variierung erfolgt - selbstverständlich - durch entsprechende Ansteuerung des elektrischen Antriebs 3.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Temperatur des Wälzla- gers 1 variiert werden. Zu diesem Zweck weist der Prüfstand gegebenenfalls (mindestens) eine Temperaturbeeinflussungsein ¬ richtung 14 auf, mittels derer die Betriebstemperatur des Wälzlagers 1 aktiv einstellbar ist. In der Regel ist die Tem ¬ peraturbeeinflussungseinrichtung 14 entsprechend der Darstel- lung von FIG 1 als Heizeinrichtung ausgebildet. In Einzelfäl ¬ len ist jedoch auch eine Ausbildung als Kühleinrichtung möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann eine am Wälzlager 1 angrei- fende Unwucht variiert werden. Die Unwucht verursacht mecha ¬ nische Schwingungen. Zum Variieren der Unwucht kann beispielsweise auf der Welle 5 eine Unwuchtscheibe 15 angeordnet sein, mittels derer die Unwucht auf das Wälzlager 1 ausübbar ist. Die Unwuchtscheibe 15 kann eine Halteeinrichtung 16 auf ¬ weisen. Die Halteeinrichtung 16 dient dem Halten einer (in FIG 1 nicht dargestellten) Unwuchtmasse. Alternativ kann ein Schmiermittel, das zum Schmieren des
Wälzlagers 1 verwendet wird, variiert werden. Als Variations ¬ möglichkeiten kommen in diesem Fall insbesondere die Zusammensetzung und das Alter des Schmiermittels in Frage. Alternativ oder zusätzlich kann eine Belastung des Wälzlagers 1 variiert werden. Beispielsweise kann auf der Welle 5 ein Belastungslager 17 angeordnet sein, mittels dessen eine Belastung auf die Welle 5 und damit indirekt auf das Wälzlager 1 ausübbar ist. Die Belastung kann alternativ statisch, dyna- misch oder - ähnlich einer Überlagerung einer Gleich- und einer Wechselspannung - kombiniert statisch und dynamisch sein.
Die Art und Weise, wie die Belastung auf das Belastungslager 17 aufgebracht wird, kann nach Bedarf gewählt sein. Bei- spielsweise kann entsprechend dem Pfeil 18 eine radiale Be ¬ lastung ausgeübt werden. In diesem Fall sollte die Welle 5 vorzugsweise zusätzlich zur Lagerung im Wälzlager 1 in einem weiteren Wälzlager 19 gelagert sein. Wenn das weitere Wälzla ¬ ger 19 vorhanden ist, sollte das weitere Wälzlager 19 zum Wälzlager 1 und/oder zum restlichen Prüfstand hin elektrisch isoliert sein.
Alternativ kann gemäß dem Pfeil 20 eine axiale Belastung aus ¬ geübt werden. In diesem Fall kann das weitere Wälzlager 19 vorhanden sein. Dies ist jedoch nicht erforderlich. Wiederum alternativ kann gemäß dem Pfeil 21 eine Kippbelastung erfolgen. In diesem Fall sollte das weitere Wälzlager 19 vorzugs ¬ weise nicht vorhanden sein, da anderenfalls die Welle 5 nicht oder nur in geringem Umfang verkippbar wäre.
Das Verkippen der Welle 5 bewirkt in dem Fall, dass das Wälz ¬ lager 1 nur ein relativ geringes Lagerspiel aufweist, dass auf das Wälzlager 1 die genannte Kippbelastung wirkt. Wenn hingegen das Wälzlager 1 ein hinreichend großes Lagerspiel aufweist, erfolgt ein im Wesentlichen kraftfreies Verkippen des Lagerinnenrings 8 relativ zum Lageraußenring 9. Auch die Verkippung des Lagerinnenrings 8 relativ zum Lageraußenring 9 und das Lagerspiel sind daher einstellbare Parameter des
Wälzlagers 1. Das Belastungslager 17 kann somit auch zum Verkippen des Lagerinnenrings 8 relativ zum Lageraußenring 9 verwendet werden. Die Art und Weise, auf die das Belasten des Belastungslagers 17 bewirkt wird, kann ebenfalls nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise kann der Prüfstand zum Ausüben der statischen und/oder dynamischen Belastung auf das Belastungslager 17 ein hydraulisches System 22 aufweisen, welches auf das Belas- tungslager 17 wirkt. Das hydraulische System 22 kann entspre ¬ chend der Darstellung von FIG 1 insbesondere als Hydraulikzylindereinheit ausgebildet sein. Das Belastungslager 17 sollte ebenfalls zum Wälzlager 1 hin und/oder zum hydraulischen System 22 hin elektrisch isoliert sein.
Bereits erwähnt wurde, dass die Pulsform und die Pulswieder ¬ holfrequenz der angelegten elektrischen Spannung U variiert werden können. Durch Variieren dieser Werte kann die Simulation der elektrischen Belastung des Wälzlagers 1 in einem um- richtergespeisten Motor simuliert werden.
Ein weiterer einstellbarer Parameter ist eine Vorschädigung des Wälzlagers 1, beispielsweise durch eine entsprechende Kerbe .
Die Erfassungseinrichtung 13 zum Erfassen der für die Energie E und die Dauer t der Lichtbogenentladungen charakteristischen Werte stellt eine Minimalausstattung an Sensorik des PrüfStandes dar. In der Regel sind weitere Sensoren vorhan- den. Insbesondere können an der Montageanordnung 6 Beschleunigungssensoren 23 angeordnet sein, mittels derer horizontale und/oder vertikale Beschleunigungen a der Montageanordnung 6 erfassbar sind. Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbeson ¬ dere können mittels des erfindungsgemäßen Prüfstandes nahezu beliebige Betriebszustände des Wälzlagers 1 auf ihre Schäd ¬ lichkeit in Bezug auf Riffelbildung durch Lagerströme unter ¬ sucht werden. Bei Einspeicherung der zulässigen und/oder unzulässigen Betriebszustände in den nichtflüchtigen Speicher der Antriebssteuerung kann weiterhin eine automatische Berücksichtigung dieser Zustände im laufenden Betrieb desjenigen Antriebs erfolgen, der von der Antriebssteuerung gesteuert wird. Der guten Ordnung halber wird darauf hingewiesen, dass es sich bei diesem Antrieb nicht um den elektrischen Antrieb 3 des Prüfstandes handelt, sondern um denjenigen An ¬ trieb, für den das Wälzlager 1 eigentlich bestimmt ist.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
Next Patent: SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING HARVEST OPERATIONS