Sensoranordnung zur Bestimmung einer Kenngröße für den Verschleiß eines Wälzlagers und Windkraftanlage

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Kenngröße für den Verschleiß eines Wälzlagers mit zwei Lagerringen, wobei die Lagerringe über Wälzkörper um eine gemeinsame Drehachse gegeneinander verdrehbar angeordnet sind, mit einem Sensor, welcher mit einem der Lagerringe verbunden ist und mit einem Erfassungsbereich, der auf dem anderen Lagerring angeordnet ist, wobei der Sensor den Erfassungsbereich erfasst und wobei der Sensor zur Erfassung eines axialen Versatzes der Lagerringe in Richtung der Drehachse als die Kenngröße für den Verschleiß des Wälzlagers ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Windenergieanlage mit dieser Sensoranordnung.

Im dauerhaften Einsatz von Wälzlagern kann es zu einem Verschleiß der Laufbahnen und/oder der Wälzkörper kommen. Oftmals ist der Verschleiß des Wälzlagers ein kontinuierlicher Prozess, welcher aber von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, so dass genaue Vorhersagen über den Verschleißzustand allein aus Betriebsdaten, wie zum Beispiel Anzahl der Umläufe, Betriebsdauer etc. nicht ausreichend genau zu bestimmen sind.

Bei Großwälzlagern kommt erschwerend hinzu, dass diese meist als Sonderanfertigungen mit gewissen Lieferzeiten verbunden sind, so dass eine frühzeitige Erkennung des Verschleißes derartiger Großwälzlager wünschenswert wäre. Betriebswirtschaftlich scheint es nämlich weder sinnvoll zu sein, die Großwälzlager zu früh auszutauschen noch mehrere Großwälzlager auf Vorrat zu halten. Auf der anderen Seite droht bei dem Ausfall eines derartigen Großwälzlagers der Stillstand der gesamten Anlage, in die das Großwälzlager eingebaut ist.

Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 20 316 544 U1 ist eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung von Großwälzlagern bekannt, welche mindestens zwei berührungslose Wegmesssensoren aufweist, von denen einer zur Bestimmung von Radialbewegungen und einer zur Bestimmung von Axialbewegungen der Lagerringe relativ zueinander vorgesehen ist. Durch die gemeinsame Auswertung der Signale der Wegmesssensoren sind auch Kippbewegungen in dem Großwälzlager zu erfassen, welche auf einen Verschleiß hindeuten.

Die Patentschrift DE 197 55 000 C1 betrifft dagegen eine weitaus einfachere und robustere Ausführungsform für eine Verschleißmessvorrichtung für ein Großwälzlager und bildet wohl den nächstkommenden Stand der Technik. Die Verschleißmessvorrichtung weist eine Sonde auf, die in eine Öffnung eines der Lagerringe angeordnet ist und mit ihrem Ende mit einer Fläche des anderen Lagerringes in Kontakt treten kann. Der Lagerring, der der Sonde gegenüberliegt, ist mit einer Nut ausgebildet, in die das Ende der Sonde hineinragt. Die Seitenwände der Nut weisen jeweils einen Abstand zur Sonde auf, der einem in der dazugehörigen Richtung vorgegebenen Verschleißmaß entspricht. Sobald die durch die Nutbreite definierte Verschleißgrenze erreicht ist, kontaktiert die Sonde eine der Seitenwände der Nut und es wird ein Signal ausgegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Kenngröße für den Verschleiß eines Wälzlagers sowie eine Windenergieanlage mit dieser Sensoranordnung vorzuschlagen, die eine robuste Überwachung des Verschleißes erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.

Die Erfindung offenbart eine Sensoranordnung, welche zur Bestimmung einer Kenngröße für den Verschleiß eines Wälzlagers geeignet und/oder ausgebildet ist. Die Sensoranordnung bzw. das Wälzlager umfasst zwei Lagerringe, wobei die Lagerringe über Wälzkörper um eine gemeinsame Drehach- se gegeneinander verdrehbar angeordnet sind. Das Wälzlager kann dabei eine ein- oder mehrreihige Bauform mit beliebigen Wälzkörpem darstellen. Insbesondere sind die Wälzkörper als Kugeln oder Rollen ausgebildet. Vorzugsweise sind die Lagerringe zumindest bereichsweise koaxial und/oder konzentrisch und/oder in radialer Richtung zu der gemeinsamen Drehachse überlappend zueinander angeordnet. Insbesondere ist das Wälzlager als ein Vier-Punkt-Wälzlager ausgebildet.

Die Sensoranordnung weist einen Sensor aus, welcher mit einem der Lagerringe fest verbunden ist, so dass der Lagerring dessen Position bestimmt. Ferner ist ein Erfassungsbereich vorgesehen, der auf dem anderen Lagerring angeordnet ist, wobei der Sensor zur Erfassung des Erfassungsbereiches angeordnet und/oder ausgebildet ist. Der Sensor dient zur Erfassung eines axialen Versatzes der Lagerringe in Richtung der Drehachse als die Kenngröße für den Verschleiß des Wälzlagers. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wälzlager als eine Drehverbindung ausgebildet, welche maßgeblich axiale Kräfte aufnimmt. Der Verschleiß tritt bei dieser Bauform aufgrund der Belastungsrichtung oft als ein gegenseitiges Verschieben der Lagerringe in bzw. gegen die Richtung der Drehachse auf. Diese Verschiebung resultiert letztlich aus einer Verkleinerung der Wälzkörper und/oder aus einer Vertiefung der Laufbahnen für die Wälzkörper in den Lagerringen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Sensoranordnung zur Bestimmung von mehreren Zwischenwerten des axialen Versatzes ausgebildet ist. Durch den Sensor kann somit ausgehend von einer Einbau- oder Normalposition der Lagerringe zueinander vorzugsweise mehr als ein Zwi- schenwert, insbesondere mehr als zwei Zwischenwerte in eine Verschleißrichtung gemessen werden. Besonders bevorzugt werden mindestens zwei Werte als Zwischenwerte pro Verschleißrichtung erfasst, die sich von der Einbau- oder Normalposition unterscheiden.

Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass der Verschleiß des Wälzlagers bislang und wie auch im eingangs gewürdigten Stand der Technik beschrieben nur über einen einzigen Grenzwert bestimmt wird. Zwar ist die Verwendung eines einzigen Grenzwertes zur Verschleißbestimmung besser als den Austausch des Wälzlagers nur aufgrund der Betriebsdauer etc. vor- zunehmen, jedoch lässt ein einziger Grenzwert keine ausreichend genaue Verschleißbestimmung zu. Mit der Erfindung ist es möglich, den Ist- Verschleiß in mehreren Zwischenwerten, insbesondere in einer Verschleißrichtung, das heißt in einer axialen Richtung der Drehachse zu bestimmen. Dementsprechend ist es möglich, die Wartungs- und Montageintervalle indi- viduell festzulegen, sowie Wiederbeschaffungszeiten besser zu berücksichtigen, damit Ausfallzeiten der jeweiligen Anlagen mit dem Wälzlager minimiert werden. Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoranordnung zur Bestimmung von mehreren diskreten Zwischenwerten für den axialen Versatz ausgebildet. Derartige diskrete Zwischenwerte können beispielsweise in mm angegeben werden, sodass ein erster Zwischenwert bei 1 mm, ein zweiter Zwischenwert bei 2 mm etc. ausgegeben wird. Selbstverständlich können die Zwischenwerte auch als dimensionslose Größen von der Sensoranordnung ausgegeben werden.

Bei einer anderen möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Sensor- anordnung zur Bestimmung von kontinuierlichen Zwischenwerten ausgebildet. Derartige kontinuierliche Zwischenwerte können gebildet werden, indem jedem axialen Versatz - insbesondere im Rahmen der Messgenauigkeit - ein anderer Zwischenwert zugeordnet wird.

Bei einer praktischen Realisierung der Erfindung wird der Sensor zur taktilen, optischen, ultraschallbasierten, elektrischen und/oder magnetischen Erfassung des Erfassungsbereiches ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Messarten, welche robust und insbesondere bei längerer Betriebszeit störungsfrei sind.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor in dem Lagerring, insbesondere in einem Lageraußenring, integriert. Durch die Integration in dem Lagerring wird gewährleistet, dass die Sensoranordnung im Betrieb weder unabsichtlich verstellt noch beschädigt werden kann. Vorzugsweise weist der Lagerring einen radial verlaufenden Aufnahmebereich auf, welcher beispielsweise als eine Durchgangsbohrung ausgebildet ist. In diesen Aufnahmebereich wird der Sensor eingesetzt, gegebenenfalls kalibriert und befestigt.

Prinzipiell kann die Erfassungs- und/oder Messrichtung des Sensors beliebig ausgebildet sein, solange der Erfassungsbereich auf dem anderen Lagerring erfasst wird. Insbesondere um Winkelabhängigkeiten zu vermeiden, ist es jedoch bevorzugt, dass die Erfassungsrichtung des Sensors radial zu der Drehachse ausgerichtet ist.

Bei einer ersten möglichen Verkörperung der Erfindung ist der Erfassungs- bereich unmittelbar auf bzw. in dem Lagerring eingebracht und/oder eingeformt. Beispielsweise wird der Erfassungsbereich durch eine Form- und/oder Oberflächenänderung des Lagerrings erreicht.

Bei einer anderen möglichen Ausführungsform der Erfindung ist der Erfas- sungsbereich als eine separate Schicht und/oder ein separates Bauteil auf dem Lagerring aufgebracht. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Erfassungsbereich separat mit der gewünschten Genauigkeit gefertigt werden kann und dann als Zusatzteil auf dem Lagerring auf bzw. eingebracht wird.

Um die Erfassung des axialen Versatzes zu unterstützen ist bevorzugt vorgesehen, dass der Erfassungsbereich eine Kodierung in axialer Richtung aufweist. In dieser Kodierung sind Höheninformationen eingebracht, die zur Bestimmung für den axialen Versatz zwischen den Lagerringen genutzt wer- den können.

Bei einer ersten möglichen Realisierung weist der Erfassungsbereich Inkre- mentmarkierungen, also Relativmarkierungen in axialer Richtung, auf. Bei dieser Realisierung ist beispielsweise vorgesehen, dass der Sensor die In- kremente zählt, wenn sich die Lagerringe gegeneinander verschieben. Bei einer anderen möglichen Realisierung sind Absolutmarkierungen in dem Erfassungsbereich angeordnet, so dass der Sensor durch Erfassen der Absolutmarkierungen ein absolutes Maß für den axialen Versatz bestimmen kann.

Es ist möglich, dass der Erfassungsbereich nur auf einen Winkelbereich kleiner als 360°, vorzugsweise kleiner als 180°, insbesondere kleiner als 90° begrenzt ist, da üblicherweise von einer Vollrotation des Wälzlagers auszugehen ist, wobei bei jeder Umdrehung der Erfassungsbereich einmal abgefahren wird. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Kodierung und/oder die Inkre- mentmarkierungen und/oder die Absolutmarkierungen und/oder der Erfas- sungsbereich vollständig umlaufend ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei Verbindungen, bei denen das Wälzlager keine vollständigen Umdrehungen, sondern eher oszillierende Bewegungen in einem bestimmten Winkelbereich im Betrieb durchführt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Erfassungsbereich als ein Träger, insbesondere als eine Folie, mit Maßverkörperungslinien in Umfangsrichtung mit definiertem Abstand in axialer Richtung als In- krementmarkierungen ausgebildet ist.

Bei einer anderen möglichen Ausführung ist der Erfassungsbereich und/oder die Kodierung als eine Durchmesseränderung im Erfassungsbereich ausgebildet, wobei eine Rampe, ein periodisches oder anderes Muster in axialer Richtung gebildet wird. Bei einer Rampe kann beispielsweise der durch den Verschleiß variierende Abstand zwischen dem Sensor und dem Erfassungs- bereich als kontinuierliche Zwischenwerte ausgelesen werden. Bei einem periodischen Muster können diskrete Zwischenwerte entnommen werden. Statt einer mechanischen Kodierung ist in gleicher Weise auch ein magnetische, elektrische und/oder optische Kodierung möglich.

Bei einer bevorzugten Konkretisierung der Erfindung ist das Wälzlager als eine Drehverbindung ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Drehverbindung maßgeblich zur Übertragung von axialen Kräften ausgebildet, wobei in axialer Richtung die Lagerringe zueinander zumindest auf einer Stirnseite bevorzugt höhenversetzt angeordnet sind. Vorzugsweise weisen die Lager- ringe in axialer Richtung verlaufende Durchgänge auf, welche zur Aufnahme von Befestigungsmitteln, insbesondere Schrauben, zur Befestigung des Lagerrings an einer Konstruktion ausgebildet sind. Der Innenring ist Vorzugs- weise mit einer freien Durchgangsöffnung ausgebildet, insbesondere ist der Innenring achsen- oder wellenfrei montiert. Die Wälzkörper können beliebig, bevorzugt als Kugeln und/oder Rollen realisiert sein. Die Drehverbindung ist ein- oder mehrreihig gebildet. Insbesondere ist die Drehverbindung bevor- zugt als ein Vier-Punkt-Lager ausgebildet.

Besonders vorteilhaft wird die Erfindung bei Wälzlagern eingesetzt, die als Großwälzlager mit einem Teilkreisdurchmesser größer als 1.000 mm ausgebildet sind, da hier der axiale Versatz durch den Verschleiß so groß werden kann, dass dieser mit der Sensoranordnung mit ausreichender Auflösung gemessen werden kann.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einer Drehverbindung zwischen Turm und Maschinenhaus und/oder mit ei- ner Drehverbindung als Blattlager zur schwenkbaren Lagerung eines Rotorblattes der Windenergieanlage, wobei die Drehverbindung eine Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. Die Drehverbindung erlaubt es, den Generatoraufbau in die jeweilig gewünschte Himmelsrichtung zu orientieren oder das Rotorblatt zu verschwenken.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht durch die Drehachse einer Drehverbindung zur Illustration eines Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2 einen Ausschnitt der Maßverkörperung in der Figur 1.

Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Drehverbindung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche einen inneren Lagerring 2, einen äußeren Lagerring 3 aufweist, die über eine Reihe von Wälzkörpern 4 in Form in Kugeln relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse 5 verdrehbar angeordnet sind.

Die Drehverbindung 1 ist als ein Großwälzlager ausgebildet, wobei der TeN- kreisdurchmesser, gemessen an dem Mittelpunkt der Wälzkörper 4 größer als 1.000 mm ausgebildet ist. Die Drehverbindung 1 wird beispielsweise in Windenergieanlagen eingebaut, wobei der innere Lagerring 2 mit seiner axialen Stirnseite 6 eine mechanische Schnittstelle zu einem Turm der Windenergieanlage und der äußere Lagerring 3 mit seiner Stirnseite 7 eine Schnittstelle zu dem Aufbau mit einem Generator, Rotor, etc. bildet. Selbstverständlich kann die Drehverbindung 1 auch anders herum montiert werden oder an anderen Anwendungen eingesetzt werden.

Um einen Störkonturfreien Betrieb zu gewährleisten, sind der innere Lager- ring 2 und der äußere Lagerring 3 um einen Abstand D1 bzw. D2 höhenversetzt ausgebildet. Die Drehverbindung 1 wird in der Einbaulage maßgeblich als Axialwälzlager zur Aufnahme von axialen Kräften, aber auch zur Aufnahme von radialen Kräften, relativ zu der Drehachse 5 betrachtet, eingesetzt und ist beispielsweise als ein Vier-Punkt-Lager ausgebildet. Zur Befes- tigung des inneren Lagerrings 2 bzw. des äußeren Lagerrings 3 sind Durchgangsöffnungen 8 vorgesehen, welche parallel zu der Drehachse 5 verlaufen und durch die Befestigungsmittel, wie zum Beispiel Bolzen oder Schrauben geführt werden können.

Im Betrieb derartiger Drehverbindungen 1 kann es zu Verschleißerscheinungen insbesondere an den Wälzkörpern 4 bzw. deren Laufbahnen 9 kommen, wobei sich die Verschleißerscheinungen durch einen axialen Versatz des inneren Lagerrings 2 und des äußeren Lagerrings 3 ergeben. In der gezeigten Darstellung kann es somit zu einer Verringerung der Größen D1 und D2 kommen. Mit dem Ziel, eine automatisierte Überwachung des Verschleißes bzw. einer Verschleißmessung durchzuführen, weist der äußere Lagerring 3 einen Aufnahmeraum 10 auf, welcher als radial zu der Drehachse 5 verlaufende Bohrung ausgebildet ist und in die ein Sensor 11 an dem inneren Lagerring 2 zugewandten Ende des Aufnahmeraums 10 angeordnet ist. Der Sensor 11 ist über ein Kabel 12 mit einer Datenauswertung 13 verbunden.

Die Messrichtung des Sensors 11 ist radial in Richtung der Drehachse 5 ausgerichtet, wobei der Sensor 11 einen Erfassungsbereich 14 auf dem in- neren Lagerring 2 messtechnisch erfasst.

Der Erfassungsbereich 14 ist beispielsweise als eine Maßverkörperung 15 ausgebildet, wie diese in radialer Draufsicht abschnittsweise in der Figur 2 dargestellt ist. Die Maßverkörperung 15 ist als eine Folie, insbesondere eine Kunststofffolie, ausgebildet, welche umlaufend um den inneren Lagerring 2 bzw. die Drehachse 5 angeordnet, zum Beispiel verklebt oder aufgeschrumpft, ist. Die Maßverkörperung 15 weist eine Mehrzahl von ebenfalls in Umlaufrichtung verlaufenden Maßverkörperungslinien 16 auf, die äquidistant in axialer Richtung zueinander angeordnet sind. Die Maßverkörperungslinien 16 sind in Umlaufrichtung geschlossen.

Bei einem verschleißbedingten axialen Versatz des äußeren Lagerrings 3 relativ zu dem inneren Lagerring 2 in Richtung der Drehachse 5 fährt der Sensor 11 eine oder mehrere der Maßverkörperungslinien 16 ab, welche von dem Sensor 11 beispielsweise optisch erfasst und von der Datenauswertung 13 als Inkrementalmarkierungen ausgewertet werden. Die Datenauswertung 13 zählt die Anzahl der von dem Sensor 11 überfahrenen Maßverkörperungslinien 16 und kann - eventuell nach einer entsprechenden Kalibrierung - eine Kenngröße für den axialen Versatz der beiden Lagerringe 2, 3 und somit eine Kenngröße für den aktuellen oder Ist-Verschleiß der Drehverbindung 1 ausgeben. Die Maßverkörperungslinien 16 sind beispielsweise in einem Abstand von kleiner 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm und ins- besondere kleiner als 0,2 mm angeordnet.

Der Vorteil der Sensoranordnung in der Figur 1 ist insbesondere darin zu sehen, dass sich aus den Kenngrößen der Datenauswertung 13 der aktuelle Verschleiß der Laufbahnen 9 der Drehverbindung 1 ermitteln lässt, so dass Wartungs- und Montageintervalle verschleißabhängig und individuell festgelegt werden können. Gegebenenfalls können auch lange Wiederbeschaf- fungszeiten der Drehverbindung 1 besser berücksichtigt werden und damit die verschleißbedingten Ausfallzeiten der jeweiligen Anlagen mit der Dreh- Verbindung verkürzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Drehverbindung

2 innerer Lagerring 3 äußerer Lagerring

4 Wälzkörper

5 Drehachse

6 axiale Stirnseite

7 Stirnseite 8 Durchgangsöffnungen

9 Laufbahnen

10 Aufnahmeraum

11 Sensor

12 Kabel 13 Datenauswertung

14 Erfassungsbereich

15 Maßverkörperung

16 Maßverkörperungslinien