VERFAHREN UND MESSANORDNUNG UM ÜBERWACHEN VON BETRIEBS USTÄNDEN EINES GLEITLAGERS

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwa ^¬ chen eines Betriebszustands eines Gleitlagers. Überdies be ^¬ trifft die vorliegende Erfindung eine Messanordnung zum Überwachen eines Betriebszustands eines Gleitlagers. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Gleitlageranordnung.

Gleitlager werden immer häufiger im Bereich großer Maschinen, beispielsweise in Getrieben oder Windkraftanlagen, eingesetzt. Ein Schaden des Gleitlagers führt hier jedoch nicht selten zu extremen Folgeschäden. Durch eine Zustandsüberwa- chung der Gleitlager kann eine frühzeitige Identifikation von kritischen Betriebszuständen und die Einleitung entsprechender Gegenmaßnahmen ermöglicht werden. Es ist bekannt, eine erhöhte Reibung im Gleitlager durch die Überwachung der Temperatur des Gleitlagers zu erfassen. Die Kenntnis der Schmiermitteltemperatur lässt Aussagen über die Viskosität des Schmiermittels zu, wenn keine zusätzliche Vis ^¬ kositätsmessung stattfindet. Des Weiteren können mit einem Partikelzähler große Partikel und Verunreinigungen des

Schmiermittels erfasst werden. Überdies kann zur Überwachung des Betriebszustands auch das Lastmoment untersucht werden. Schwingungen der Welle können durch die Analyse von Schwingungen im niederfrequenten Bereich erfasst werden.

Der Reibungszustand des Lagers kann mit den oben beschriebe ^¬ nen Methoden allerdings nicht direkt erfasst werden. Auch können Partikel, die im Lager generiert werden und dort verbleiben nicht detektiert werden. Die Überwachung der Tem- peratur des Gleitlagers ist an viele Abhängigkeiten gebunden, die eine zuverlässige Diagnose des Gleitlagers unterbinden. Zudem sind die Schädigung des Gleitlagers und Partikel in Gleitlager nicht direkt erfassbar. Des Weiteren sinkt das Lastmoment unter Umständen bei steigender Reibung im Lager und kann somit nicht als zuverlässiges Messmittel für die Di ^¬ agnose des Gleitlagers angesehen werden. In dem Artikel „Schadensfrüherkennung an geschmierten Gleitkontakten mittels Schallemissionsanalyse" von M. Fritz et al . ist die Untersuchung von Schallemissionen im Ultraschallbereich in einem Gleitlager beschrieben. Dabei wurde das Frequenzspektrum der Schallemissionen in Abhängigkeit von dem Drehmoment, der Temperatur des Gleitlagers und der Belastung untersucht .

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie Betriebszustände von Gleitlagern einfacher und schneller erfasst werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Messanordnung gemäß Patentanspruch 6 gelöst. In gleicher Weise wird diese Aufgabe durch eine Gleitlageran- Ordnung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen eines Betriebs- zustands eines Gleitlagers umfasst das Erfassen von Messwer ^¬ ten, die Schallemissionen in dem Gleitlager charakterisieren, mit einem Sensorelement, das mit dem Gleitlager mechanisch gekoppelt ist, das Berechnen eines Kennwerts anhand der er- fassten Messwerte und das Klassifizieren des Betriebszustands des Gleitlagers in Abhängigkeit von dem Kennwert.

In Folge von äußeren oder inneren Beanspruchungen in dem Gleitlager kann sich der Betriebszustand des Gleitlagers än ^¬ dern. Dadurch können beispielsweise mechanischen Spannungen in den Teilen des Gleitlagers entstehen. Durch das Freisetzen von elastischer Energie entstehen typischerweise Schallemis ^¬ sionen in dem Gleitlager. Diese Schallemissionen, die auch als Acoustic Emission bezeichnet werden, weisen Frequenzen im Ultraschallbereich, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 50 bis 150 kHz auf. Die Frequenzen der Schallemissi ^¬ onen sind abhängig vom Material. So treten beispielsweise bei Stahl üblicherweise Frequenzen im Bereich von 110 kHz auf. Mit dem Sensorelement, das mit dem Gleitlager bzw. einem Ge ^¬ häuse des Gleitlagers so verbunden ist, dass die Schallemis ^¬ sionen über Körperschall an das Sensorelement übertragen wer ^¬ den können, können die Schallemissionen erfasst werden. Das Sensorelement kann als Beschleunigungssensor, Drucksensor oder nach Art eines Dehnmessstreifens ausgebildet sein. Ins ^¬ besondere ist das Sensorelement als mikromechanischer Sensor ausgebildet .

Mit einer Recheneinrichtung kann aus dem zeitlichen Verlauf der Messwerte, der mit dem Sensorelement erfasst wird, ein Kennwert berechnet werden. Die Klassifizierung des Gleitla ^¬ gers kann automatisch mit der Recheneinrichtung durchgeführt werden. Zu diesem Zweck können vorbestimmte Betriebszustände und die dazugehörigen Kennwerte in der Recheneinrichtung oder einer entsprechenden Speichereinrichtung der Recheneinrichtung hinterlegt sein. Die Betriebszustände können einer Ab ^¬ nutzung, einer Schädigung oder einem Verschleiß des Lagers zugeordnet sein. Die Betriebszustände können einen Zustand des Schmiermittels in dem Gleitlager oder eine Verunreinigung des Schmiermittels durch Partikel betreffen. Hierbei kann auch der Umfang der Verschmutzung oder die Größe, Anzahl oder das Material der Partikel berücksichtigt werden. Ebenso kön ^¬ nen die Betriebszustände unterschiedlichen Reibungszuständen des Gleitlagers, wie beispielsweise einer verschleißreichen Mischreibung oder einer verschleißarmen Flüssigkeitsreibung zugeordnet sein.

Durch Berechnung eines Kennwerts können die mit dem Sensorelement erfassten Informationen bzw. Messwerte verdichtet werden. Zudem können entsprechende Merkmale aus den Messwerten extrahiert werden. Trotz der geringeren Datenmenge kann eine zuverlässige Aussage über den vorliegenden Betriebszu ^¬ stand des Gleitlagers getroffen werden. So kann auf einfache und effektive Weise eine Schädigung des Gleitlagers frühzei ^¬ tig erkannt werden und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. In einer Ausführungsform wird der Kennwert in Abhängigkeit von einem Maximalwert und/oder einem Effektivwert der Mess ^¬ werte berechnet. Dabei kann der Kennwert in Abhängigkeit von dem Maximalwert und/oder dem Effektivwert der Messwerte für einen vorgegebenen Zeitbereich bzw. ein Zeitfenster berechnet werden. Der Kennwert kann hierbei auch als logarithmisches Maß berechnet werden. Denkbar ist auch die Verwendung eines reziproken Kennwerts. Als Kennwert kann auch das Produkt aus dem Maximalwert und dem Effektivwert herangezogen werden. Zur Bildung des Kennwerts kann auch das Verhältnis zu einem Refe- renz-Effektivwert und/oder einem Referenz-Maximalwert der

Messwerte berechnet werden. Die Referenzwerte können auf ein ^¬ fache Weise bestimmt werden, da diese Werte beim gewünschten Betrieb in Flüssigkeitsreibung nur sehr gering von der Drehzahl, der Temperatur des Schmiermittels und der Lagerlast ab- hängig sind.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der Kennwert anhand eines aus den Messwerten bestimmten Hüllkurvensignals berechnet. Ein solches Hüllkurvensignal kann beispielsweise durch Gleichrichtung und Tiefpassfilterung der Messwerte ermittelt werden. In gleicher Weise kann das Hüllkurvensignal durch die Berechnung eines gleitenden Effektivwerts oder eines gleitenden Mittelwerts der Messwerte bestimmt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Hüllkurvensignal durch eine Hilbert-Transformation zu bestimmen.

Bevorzugt wird der Kennwert anhand eines Frequenzspektrums des Hüllkurvensignals berechnet. Durch eine entsprechende Frequenzanalyse, beispielsweise durch eine Fast-Fourier- Transformation (FFT) , des Hüllkurvensignals können die perio ^¬ disch wiederkehrenden Signale und Impulse in dem Messwerten bzw. den Acoustic-Emission-Signalen bestimmt werden. Somit können zum Beispiel auf einfache Weise Partikel in dem Schmiermittel erfasst werden, die in Abhängigkeit von der Drehzahl periodisch wiederkehrende Signale erzeugen.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Kennwert aus einer Korrelation der Messwerte berechnet. Der Kennwert kann aus der Korrelation bzw. der Autokorrelation der Messwerte berechnet werden. Dabei können durch die Variation des Zeitfensters verschiedene Frequenzbereiche der Messwerte unter ^¬ sucht werden. Ein entsprechendes Korrelationsverfahren kann auch zur Frequenzanalyse der Messwerte verwendet werden, ins ^¬ besondere, wenn die zu untersuchenden Frequenzen bekannt sind. Somit ergibt sich ein einfacher und schneller Algorithmus und der Signal-Rausch-Abstand, insbesondere bei einer Mittelung über mehrere Wellenumdrehungen, kann dadurch deut- lieh verbessert werden.

Die erfindungsgemäße Messanordnung zum Überwachen eines Be ^¬ triebszustands eines Gleitlagers umfasst ein Sensorelement zum Erfassen von Messwerten, die Schallemissionen in dem Gleitlager charakterisieren, bei mechanischer Kopplung mit dem Gleitlager und eine Recheneinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der mit der Sensoreinheit erfassten Messwerte einen Kennwert zu berechnen und den Betriebszustand des

Gleitlagers in Abhängigkeit von dem Kennwert zu klassifizie- ren.

Bevorzugt umfasst die Messanordnung ein Verstärkerelement zum Verstärken der erfassten Messwerte, ein Filterelement zum Filtern der mit dem Verstärkerelement verstärkten Messwerte und einen Analog-Digital-Wandler, der mit einem Eingang der Recheneinrichtung gekoppelt ist. Das Sensorelement kann die Schallemissionen in dem Gleitlager erfassen. Das Ausgangssignal des Sensorelements, das beispielsweise als elektrische Spannung oder elektrische Stromstärke vorliegt, kann mit dem Verstärkerelement angehoben bzw. verstärkt werden. Das ver ^¬ stärkte Signal wird mit einem analogen Filterelement von stö ^¬ renden bzw. nicht relevanten Frequenzbändern bereinigt, bevor es dem Analog-Digital-Wandler zugeführt wird. Durch diese An- Ordnung kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Das Filterelement kann auch dazu verwendet werden, ein Hüll ^¬ kurvensignal aus den Messwerten zu bestimmen. Die Recheneinrichtung kann als PC oder Mikroprozessor ausgebildet sein. Mit der Recheneinrichtung kann die Informationsverdichtung durch Merkmalsextraktion und Kennwertbildung durchgeführt werden .

Bevorzugt sind das Sensorelement, das Verstärkerelement, das Filterelement, der Analog-Digital-Wandler und die Recheneinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Störanfälligkeit verringert werden.

Die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung umfasst ein Gleitla- ger und eine zuvor beschriebene Messanordnung, die mit dem

Gleitlager mechanisch gekoppelt ist. Mit der Gleitlageranord ^¬ nung können Abnutzungserscheinungen des Gleitlagers frühzeitig erkannt werden. Überdies können die Betriebszustände Mischreibung und Flüssigkeitsreibung auf einfache Weise un- terschieden werden. Die Identifikation des Betriebszustands kann dabei unabhängig von der Lagerlast und der Wellendrehzahl erfolgen. Darüber hinaus kann der Zustand des Schmiermittels und Verunreinigungen bzw. Partikel in dem Schmiermit ^¬ tel erfasst werden. Bei neuen hydrodynamischen Lagern oder bei Festkörperreibung betriebenen Lagern ist es möglich, den EinlaufVorgang zu überwachen und Aussagen darüber zu treffen, inwieweit dieser abgeschlossen ist.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

FIG 1 eine Gleitlageranordnung in einer Perspektivdarstellung; FIG 2 eine schematische Darstellung der Schritte eins

Verfahrens zum Überwachen eines Gleitlagers;

FIG 3 eine Messanordnung in einer ersten Ausführungsform; FIG 4 eine Messanordnung in einer zweiten Ausführungsform; und FIG 5 eine Messanordnung in einer dritten Ausführungsform;

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- dung dar.

FIG 1 zeigt eine Gleitlageranordnung 10 in einer Perspektivdarstellung. Die Gleitlageranordnung 10 umfasst ein Gleitlager 12, das eine Welle 14 trägt. Das Gleitlager 12 ist in ei- nem Gehäuse 16 angeordnet. Des Weiteren umfasst die Gleitla ^¬ geranordnung 10 einen Anschluss 18, über den dem Gleitlager 12 ein Schmiermittel, insbesondere ein Öl, zugeführt wird. An dem Gehäuse 16 des Gleitlagers 12 ist eine Messanordnung 20 angeordnet .

Die Messanordnung 20 ist direkt an dem Gehäuse 16 angeordnet. Somit können Schallemissionen, die in dem Gleitlager 12 erzeugt wird, über Körperschall an ein in FIG 1 nicht darge ^¬ stelltes Sensorelement 22 übertragen werden. Das Sensorele- ment 22, das sich innerhalb der Messanordnung 20 befindet, ist dazu ausgebildet, Schallemissionen mit Frequenzen im Ultraschallbereich, die auch als Acoustic Emission bezeichnet werden, zu erfassen. Insbesondere ist das Sensorelement 22 dazu ausgebildet, Schallemissionen im Bereich von 50 kHz bis 150 kHz zu erfassen. Das Sensorelement 22 kann als Beschleu ^¬ nigungssensor oder als Drucksensor ausgebildet sein. Ebenso kann die Sensoreinrichtung nach Art eines Dehnmessstreifens ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Sensorelement 22 als mik ^¬ romechanischer Sensor ausgebildet, der beispielsweise eine seismische Masse umfassen kann. Alternativ dazu kann das Sensorelement 22 ein piezoelektrisches Sensorelement umfassen. FIG 2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Überwachen von Betriebszuständen eines Gleitlagers 12. Zunächst erfolgt in einem Schritt S10 eine externe Beanspru ^¬ chung des Gleitlagers 12. Dies kann beispielsweise durch das Eindringen von Partikeln oder Verunreinigungen in das Gleitlager 12 gegeben sein. Durch die externe Beanspruchung des Gleitlagers 12 entstehen in einem Schritt S12 mechanische Spannungen in dem Material des Gleitlagers 12. Diese mechani ^¬ schen Spannungen stimulieren Acoustic-Emission Quellen

(Schritt S14). Somit werden hochfrequente Schallemissionen bzw. Körperschall in dem Material des Gleitlagers 12 erzeugt und breiten sich im Schritt S16 in dem Gleitlager 12 aus. Die Frequenzen der Schallemissionen sind abhängig von dem Material und liegen üblicherweise im Bereich von 50 bis 150 kHz.

Im Schritt S18 werden die Schallemissionen mit dem Sensorelement der Messanordnung 20 erfasst. Anschließend werden er ^¬ folgt in einem Schritt S20 eine Informationsverdichtung durch Merkmalsextraktion und Kennwertbildung. Im Schritt S22 er- folgt eine Auswertung der Daten. Schließlich wird in einem Schritt S24 eine Klassifizierung des Betriebszustands des Gleitlagers 12 durchgeführt.

Die FIG 3, 4 und 5 zeigen jeweils eine Messanordnung 20 in verschiedenen Ausführungsformen. Jede der Messanordnungen 20 umfasst ein Sensorelement 22, mit dem bei mechanischer Kopp ^¬ lung mit dem Gleitlager 12 Schallemissionen in dem Gleitlager 12 als zeitlicher Verlauf von Messwerten erfasst werden. Das Ausgangssignal des Sensorelements 22, das beispielsweise als zeitliches Signal einer elektrischen Spannung oder einer elektrischen Stromstärke vorliegt, wird an ein Verstärkerele ^¬ ment 24 übertragen. Das Ausgangssignal wird mit dem Verstär ^¬ kerelement 24 verstärkt. Das verstärkte Signal wird mit einem analogen Filterelement 26 von störenden bzw. nicht relevanten Frequenzbändern bereinigt, bevor es dem Analog-Digital-

Wandler 28 zugeführt wird. Das Filterelement kann auch dazu verwendet werden, durch Gleichrichtung und Tiefpassfilterung ein Hüllkurvensignal aus den Messwerten zu bestimmen. Von dem Analog-Digital-Wandler 28 werden die digitalisierten Messwerte an eine Recheneinrichtung 30 übertragen, die als PC oder Mikroprozessor ausgebildet sein kann. Mit einer Recheneinrichtung 30 wird aus dem zeitlichen Verlauf der Messwerte ein Kennwert berechnet. Anhand dieses Kennwerts kann der Betriebszustand des Gleitlagers 12 klassi ^¬ fiziert werden. Die Klassifizierung des Gleitlagers 12 kann auch automatisch mit der Recheneinrichtung 30 durchgeführt werden. Damit kann die Abnutzung des Gleitlagers 12 bestimmt werden. Des Weiteren kann der Zustand des Schmiermittels in dem Gleitlager 12 oder eine Verunreinigung des Schmiermittels durch Partikel erfasst werden. Zudem können die unterschied ^¬ lichen Reibungszuständen des Gleitlagers 12, wie beispiels- weise eine verschleißreiche Mischreibung oder eine ver ^¬ schleißarme Flüssigkeitsreibung bestimmt werden.

In dem in FIG 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 22 separat, beispielsweise in einem Gehäuse an- geordnet. Dies ist durch die Klammer 32 verdeutlicht. Durch das Verstärkerelement 24, das Filterelement 26 und den Ana ^¬ log-Digital-Wandler 26 erfolgt die Signalaufbereitung (verdeutlicht durch die Klammer 34) . Die Verarbeitung des Signals, die durch die Klammer 36 dargestellt ist, erfolgt in der Recheneinrichtung 30.

In der Ausführungsform der Messanordnung 20 gemäß FIG 4 ist das Verstärkerelement 24 in das Sensorelement 22 integriert. Somit wird ein integrierter Sensor (Klammer 38) realisiert, der den Vorteil einer geringeren Störanfälligkeit aufweist.

Die weitere Signalaufbereitung durch das Filterelement 26 und den Analog-Digital-Wandler 28 kann in einem weiteren Modul erfolgen, das durch die Klammer 34 angedeutet ist. Die Sig ^¬ nalverarbeitung erfolgt wie zuvor beschrieben in der Rechen- einrichtung 30.

Bei der Messanordnung 20 gemäß FIG 5 erfolgen die Erfassung der Messwerte, die Verstärkung, die Filterung, Digitalisie- rung und Verarbeitung in einem Diagnosemodul, das durch die Klammer 40 angedeutet ist. Dabei sind das Sensorelement 22, das Verstärkerelement 24, das Filterelement 26, der Analog- Digital-Wandler 28 und die Recheneinrichtung 30 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Diese Variante weist eine be ^¬ sonders niedrige Störanfälligkeit auf.

Bezugs zeichenliste

10 Gleitlageranordnung 12 Gleitlager

14 Welle

16 Gehäuse

18 Anschluss

20 Messanordnung

22 Sensorelement

24 Verstärkerelement 26 Filterelement

28 Analog-Digital-Wandler 30 Recheneinrichtung

32 bis 40 Klammer

S12 bis S24 Schritt