On-Board-Labor Aktuelle Entwicklungen in der Ölzustandsüberwachung für mobile und industrielle Anwendungen

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Thomas Meindorf, Product Support Manager Parker Hannifin und Stuart Lunt, Research Manager Parker Kittiwake / M.A. Bernhard Richter

Die Überwachung des Ölzustands stellt ein zentrales Element zur Absicherung von Investitionen dar. Mit einem zunehmenden Impuls in Richtung der Entscheidungsfindung in Echtzeit werden Verzögerungen, wie sie typischer Weise bei Labor-Ölanalysen auftreten, immer weniger akzeptiert. Zahlreiche Ölqualitätsparameter können aber mit Hilfe von Sensoren unmittelbar online überwacht werden.

Firmen zum Thema

Abbildung 1: Verschleißpartikelsensorsignale
Abbildung 1: Verschleißpartikelsensorsignale
(Bild: Parker Hannifin)

Dieser Beitrag liefert einen Überblick über die gegenwärtig verfügbaren Sensoren, sowie deren Vorteile und Einschränkungen, und wirft einen Blick auf die aktuellen Entwicklungen, wobei insbesondere die folgenden drei Bereiche betrachtet werden: Kontamination durch metallische Verschleißpartikel, Messung des Gesamtwassergehalts und Bestimmung der Ölviskosität im Betrieb.

Einleitung

Die zustandsorientierte Instandhaltung (Condition Based Maintenance – CBM), bei der die aktive Überwachung der wichtigsten Ölparameter dazu genutzt wird, den Zustand der Maschine und die Serviceintervalle zu bestimmen, stellt eine sich in den letzten Jahren - auch angesichts verbesserter Messtechniken - deutlich entwickelnde Wartungsphilosophie dar. CBM bietet ein Potential für Einsparungen bei den Betriebskosten, sowie für eine gesteigerte Betriebsleistung und für Verbesserungen der Maschinensicherheit. Die Daten für das CBM werden traditionell durch regelmäßige Ölanalyse in Laboren bereitgestellt. Der Bedarf an Online- und Echtzeit-Anwendungen für die Erfassung und Überwachung des Ölzustands ist jedoch leicht zu erkennen. Sensoren vor Ort vermeiden Probleme bei der Probenentnahme, Zeitverzögerungen von der Probennahme bis zur Bereitstellung der Ergebnisse und Fehler in der Analyse. Es wurden und werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um einfache, robuste und kosteneffiziente Sensoren und Systeme für die Überwachung von relevanten Ölzustandsparametern zu entwickeln.

Labore für die Ölanalyse verwenden eine Reihe von Prüfverfahren und -geräten für die Prüfung von Schmiermitteln. Nicht alle diese Methoden können direkt auf die Online-Erfassung übertragen werden, ohne dabei auch die umfassende Komplexität und den entsprechenden Aufwand mit zu berücksichtigen. Auf dem Automobilmarkt, auf dem die Kosten einen wesentlichen Faktor darstellen, wurden bisher im Wesentlichen nur dielektrische Messverfahren in einem größeren Umfang zur Trendbestimmung der Ölqualität umgesetzt1.

Die dielektrischen Eigenschaften der Schmieröle werden durch viele Faktoren beeinflusst, z. B. durch Oxidation, Kraftstoffverdünnung, Rußgehalt, Additivgehalt und eindringendes Wasser bzw. Kühlmittel. Es ist nicht möglich, die einzelnen Faktoren bei den beobachteten Änderungen genau aufzuschlüsseln. Trotzdem kann durch diese Sensoren in Kombination mit einigen anderen Motoren- und Belastungsparametern eine zuverlässige Prognose für die Restnutzungsdauer von Betriebsölen getroffen werden, was für flexible Serviceintervalle und optimierte Betriebskosten sorgt.

Auf anderen Märkten, auf denen die Investitionskosten größer sind, z. B. bei See-, Bergbau- und Offshore-Anwendungen, und auf denen das Erfordernis einer Echtzeitüberwachung eine größere Relevanz besitzt, steht der Einsatz von Online-Überwachungssensoren für den Ölzustand immer noch fast am Anfang.

Handelsübliche Ölsensoren für kostenintensiven Motoren und Maschinen umfassen Sensoren zur Messung von Kapazität, Feuchtigkeit (gelöstes Wasser), Verschleißpartikeln (einschließlich Eisengehalt und Partikelzählung) und Viskosität. Von diesen Sensoren scheinen die dielektrischen Ölqualitätssensoren am gängigsten zu sein, obwohl diese, wie vorstehend angemerkt, nicht in der Lage sind, die Ölprobleme genau zu diagnostizieren.

Ölzustandssensoren – Trends in der Messtechnik

Verschleißmessung

Zählersysteme für metallische Verschleißpartikel, die eine induktive Technologie nutzen2, stehen seit einiger Zeit auf dem Markt zur Verfügung. Mit Hilfe einer Kombination aus symmetrischen Feldspulen und Messspulen können diese Geräte Partikelgrößen bestimmen sowie zwischen Eisen- und Nichteisenmetallen unterscheiden. Die Unterscheidung zwischen Eisen- und Nichteisenmetallen erfolgt dabei durch die Auswertung der Phasenbeziehung (Abbildung 1). Die Empfindlichkeit für Eisenpartikel ist größer als für Nichteisenpartikel, da diese zwei Materialien unterschiedlich auf das Magnetfeld reagieren. Zusätzlich steigt auch die Empfindlichkeit für beide Materialien mit abnehmender Größe der Bohrung. Durch Fortschritte in der Mess- und Auswertetechnik konnte in jüngerer Zeit die Messauflösung bei einem Ölleitungsdurchmesser von 10 mm deutlich gesenkt werden, auf 40 µm Äquivalentkugeldurchmesser bei Eisenmetallen und auf 135 µm bei Nichteisenmetallen.

Diese Messauflösung steht in einem Kontrast zu den Werten, die bei der optischen Partikelzählung erzielt werden, da hier Partikel bis in den Submikronbereich, typischer Weise bei Hydraulikölen niedrigen Mikrometerbereich, aufgelöst werden können. Die Systeme zur optischen Partikelzählung sind jedoch eher für die Bestimmung der Ölreinheit, beispielsweise in hydraulischen oder elektrischen Anwendungen, als für die Überwachung des Verschleißes von Maschinen geeignet.

Abbildung 1: Verschleißpartikelsensorsignale
Abbildung 1: Verschleißpartikelsensorsignale
(Bild: Parker Hannifin)

Typische Anwendungen für Verschleißpartikelsensoren (Abbildung 2). sind Turbinen, Getriebe oder Antriebsstränge, wobei ein zunehmendes Interesse bei Getrieben für Windkraftanlagen besteht.

Abbildung 2: Verschleißsensor für Metallpartikel
Abbildung 2: Verschleißsensor für Metallpartikel
(Bild: Parker Hannifin)

Verschleißmessung - Beispiel Windturbine

Nachfolgend sind einige aktuelle Ergebnisse eines Feldversuchs für eine Windturbine dargelegt.

Abbildung 3: Aufbau eines Feldversuchs
Abbildung 3: Aufbau eines Feldversuchs
(Bild: Parker Hannifin)

Der Sensor befindet sich in der Nähe des Hauptgetriebefilters in der Gondel, wobei ein Teil des zurückfließenden Öls vor dem Filter über ein speziell entwickeltes Gehäuse umgeleitet und vor Wiedereinleitung in den Filter durch den Sensor geleitet wird (Abbildung 3). Aufgrund des abgelegenen Aufstellorts und des beschränkten Zugangs werden die Daten gesammelt und regelmäßig paketweise über ein Mobilfunknetz zur Anzeige und Überwachung an einen Zentralserver übertragen. Die Aktualisierungsrate ist variabel, liegt jedoch normalerweise bei 2 Minuten. Die Daten können über einen Web-Browser angezeigt werden. Es ist zu beachten, dass weitere Daten zu den Betriebsbedingungen und sonstigen Ölparametern für Korrelationszwecke auf die gleiche Weise erfasst wurden.

Als Beispiel wird ein Teil der gesammelten Daten in Abbildung 4 dargestellt, wobei zwischen Oktober 2009 und den ersten Tagen im November 2009 zahlreiche „Ereignisse“ in den 5 dargestellten Kanälen, welche die Eisenpartikel erfassen, zu beobachten sind.

Wenn man zuerst die Werte für die Klasse 60 µm bis 100 µm in Abbildung 4 betrachtet, kann man eine kleine stufenförmige Veränderung am 03.10.2009 erkennen, die nachfolgend als Ereignis #1 bezeichnet wird, sowie eine zweite, noch kleinere stufenförmige Veränderung am 09.10.2009, gefolgt von einigen weiteren und bedeutenderen Stufen ab dem 24.10.2009 (Ereignis #2). In Abbildung 5 ist der Zusammenhang zwischen Partikelerzeugungsrate während Ereignis #1 und verschiedenen aufgezeichneten Windparametern – Durchschnittsgeschwindigkeit, Standardabweichung der Windgeschwindigkeit, etc. aufgezeigt.

Abbildung 4: Aufsummierte Eisenwerte
Abbildung 4: Aufsummierte Eisenwerte
(Bild: Parker Hannifin)

Abbildung 5: Korrelation von Partikelerzeugungsrate und Windparametern für Ereignis #1
Abbildung 5: Korrelation von Partikelerzeugungsrate und Windparametern für Ereignis #1
(Bild: Parker Hannifin)

Die Erklärung für die beobachteten Ereignisse in Abbildung 5 liegt darin, dass das Steuerungssystem der Turbine die Blätter aufgrund zunehmender Windgeschwindigkeiten abgeschaltet hat. Dabei wurden die Getriebelager belastet. Für diese plötzlichen Lastimpulse wird angenommen, dass sie zu einer Beschädigung geführt haben, was auch durch die verstärkte, wenn auch nur kurzzeitige Erzeugung von Verschleißpartikeln erkennbar ist. Während der folgenden Tage mit starkem Wind wurden weitere Ereignisse beobachtet, und es wurde die Entscheidung getroffen, die Turbine abzuschalten, das Öl und den Filter zu wechseln und eine gründliche Untersuchung im Rahmen des nächsten Services durchzuführen. Eine Boroskopuntersuchung zeigte einen Abrieb an den Lagerrollen sowie abgenutzte Wellenzahnräder (Abbildung 6a und 6b). Nachfolgende Analysen der Filterpartikel mit optischem Mikroskop und Elektronenmikroskop zeigten beträchtliche Mengen an Verschleißmaterial, das hauptsächlich aus Eisen bestand, wobei die Gesamtmasse um das ca. 3-fache im Vergleich zur letzten Filteranalyse erhöht war.

Abbildung 6a: Rollenelemente
Abbildung 6a: Rollenelemente
(Bild: Parker Hannifin)
Abbildung 6b: Wellenzahnräder
Abbildung 6b: Wellenzahnräder
(Bild: Parker Hannifin)

Nach Prüfung der Mikroskop- bzw. Boroskopbilder und der Ölanalyseberichte aus dem Labor beschlossen die Turbineningenieure, dass der Schaden überschaubar war und dass die Windturbine weiter bei ihrer Nennleistungsfähigkeit, aber mit erhöhter Überwachung, betrieben werden kann.

(ID:42859542)