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Wälzlager

Sensor-Lagerlösung in der Anwendung

| Autor/ Redakteur: Stefan Glück / Sandra Häuslein

Mit der Sensor-Lagerlösung Schaeffler Variosense können Anwender ungünstige Betriebszustände vermeiden und Maschinen an der Leistungsgrenze betreiben. Hier folgen einige konkrete Anwendungsbeispiele.

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Mit Variosense entwickelte Schaeffler eine Kombination aus Standard-Wälzlager und Sensorcluster-Ring.
Mit Variosense entwickelte Schaeffler eine Kombination aus Standard-Wälzlager und Sensorcluster-Ring.
(Bild: Schaeffler/Cadera Design)

Zu den Aufgaben des neu geschaffenen Geschäftsfeldes Industrie 4.0 bei Schaeffler zählt unter anderem die Integration von Sensortechnologien in verschiedene Maschinenelemente. Beispielsweise realisierten die Ingenieure mit Schaeffler Durasense eine automatische und bedarfsgerechte Nachschmierung für Profilschienenführungen, mit Schaeffler Torquesense eine berührungslose Drehmomentsensorik und mit Schaeffler Variosense eine Kombination aus Standard-Wälzlager und Sensorcluster-Ring.

Bis zu fünf Sensorelemente anordnen

Im Sensorcluster-Ring können in einer einheitlichen Baubreite von 7 mm bis zu fünf verschiedene Sensorelemente angeordnet werden. Sie erfassen in der Maschine verschiedene physikalische Größen wie Temperatur, Drehzahl und Drehrichtung, Wellenposition, Vibration und die radiale Wellen-Verlagerung im µm-Bereich. Die gemessene Wellenverlagerung repräsentiert die Einfederungen in den Wälzkontakten und damit auch die Lagerkraft.

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In vielen Maschinen besteht zwischen den radialen Lagerkräften und der Maschinenlast bzw. dem Drehmoment ein eindeutiger Zusammenhang, z.B. bei Elektromotoren mit Riemenantrieben oder Getriebelagern. Die Verlagerungsmessung ermöglicht daher die Bestimmung der Maschinenlast. Qualitativ kann dieses Verfahren zwar eine direkte Messung des Drehmomentes nicht ersetzen, bietet aber eine kostengünstige Lösung, die ein neues Anwendungsfeld für mittlere bis kleine Maschinen erschließt.

Die Sensorcluster dienen primär nicht dazu, Condition Monitoring (CM) oder Predictive Maintenance (PM) – also eine sehr frühe Detektion eines bereits eingetretenen Schadens – zu betreiben, sondern von vornherein ungünstige Betriebszustände zu vermeiden und die Maschinenauslastung bis zu einer definierten Belastungsgrenze zuzulassen.

Beispiel Korrelation Temperatur und Drehzahl

Bei Wärmeträgerölpumpen oder Heißwasserpumpen besteht die Gefahr, dass eine dauerhaft zu hohe Medientemperatur und zu große Drehzahlen Leckagen an den Dichtungen verursachen können. Insbesondere bei Wärmeträgerölpumpen stellen Leckagen gefährliche Brandherde dar.

Der Lösungsansatz ist hier nicht, die Pumpe solange zu betreiben, bis die Leckage auftritt und im Rahmen einer geplanten Maßnahme Instand zu setzen, sondern aus dem zeitlichen Verlauf von Drehzahl und Temperatur einen Grenzbetrieb zu alarmieren. Hierzu wird vom Pumpenhersteller ein zulässiges Temperatur-Drehzahl-Zeit-Kennfeld definiert. Liegen die Messwerte auf dem Kennfeldrand, ist die Belastungsgrenze erreicht und es wird eine Warnung ausgegeben. Die Warnung erfolgt also noch bevor ein Defekt vorliegt und sobald der Soll-Betriebszustand verlassen wird. Der Betreiber kann die Pumpenlast sofort senken und einen Schaden an der Dichtung verhindern.

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Variosense-Zylinderrollenlager wird auf Hannover Messe 2018 vorgestellt

Schaeffler Variosense wird aktuell für for-life-geschmierte Rillenkugellager der Baugrößen 6205 bis 6210 angeboten. Dies ist in den aktuellen Anwendungfeldern begründet, die sich hauptsächlich bei Elektromotoren, Pumpen und weißer Ware finden. Um auch weitere Anwendungsfelder zu erschließen, z. B. Getriebe, Hydraulikpumpen, Wärmeträger-Ölpumpen in der Klima- und Kältetechnik etc., befinden sich aktuell ölgeschmierte Variosense-Kugellager, -Zylinderrollenlager und -Kegelrollenlager in der Entwicklung.

Der Prototyp eines Variosense-Zylinderrollenlagers wird auf der Hannover Messe 2018 präsentiert. In welchen konkreten Baugrößen und mit welchen Sensorelementen die ersten Typen in Serie gehen werden, hängt auch von der Resonanz auf der Messe und den konkreten Kundenanfragen ab.

Die möglichen Messgrößen von Schaeffler Variosense im Detail sind:

  • Drehzahlen bis zu 17.000 min-1 inklusive Drehrichtungserkennung,
  • Position mit 56 bis 96 Imp./Umdrehung (baugrößenabhängig),
  • Temperatur von –40 °C bis 125 °C,
  • Verlagerung mit einer Auflösung von 1 µm
  • Vibrationspegel, applikationsspezifisch.
  • Beispiel Überlast- und Unterlastsicherung

    Mit der Messung der radialen Verlagerung des Innenringes gegenüber dem Außenring besteht die Möglichkeit, Grenzwerte für niedrige Lastfälle aber auch für Maximallasten festzulegen. Eine Mindestlast kann z.B. zur Verhinderung von Schlupfschäden in Wälzlagern eingesetzt werden. Die Alarmierung einer Maximallast hingegen ermöglicht es, dauerhafte Überbeanspruchungen im Betrieb aber auch Spitzenlasten zu erkennen und den Betrieb der Maschine weit vor einer Initialschädigung von Komponenten anzupassen.

    In Antriebssträngen werden zum Schutz vor Überlasten oft Schaltkupplungen einsetzt, die oberhalb eines definierten Drehmomentes den Kraftschluss unterbrechen. Nach dem Stillstand muss die Kupplung wieder eingerückt und die Maschine hochgefahren werden. Bei Hub- und Windenantrieben kommen Sicherheitseinrichtungen zum Einsatz, die bei Überlast z.B. ein unzulässiges Absenken verhindern und den Antrieb festsetzen.

    Die Verlagerungsmessung von Schaeffler Variosense bietet in diesen und weiteren Branchen die Chance, Stillstandzeiten aufgrund von Abschaltungen im Vorfeld zu vermeiden. Hierfür werden die zulässigen Werte aus der Verlagerungsmessung etwas unterhalb der Last festgelegt, bei denen die vorhandenen Sicherheitssysteme auslösen. Die vorhandenen Sicherheitseinrichtungen werden also weiterhin eingesetzt. Die Warnung kann beispielsweise bei einem Hubantrieb dazu benutzt werden, die Beschleunigung zu reduzieren und so ein Auslösen der Sicherheitseinrichtung zu vermeiden.

    Tipp: Anwendertreff Maschinenkonstruktion Verfügbarkeit und Produktivität, Flexibilität, Adaptivität – diese Ziele erreichen Konstrukteure und Entwickler bis heute mithilfe klassischer Technologien und Methoden. Doch angesichts zunehmender Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Anlagen stellt sich die Frage: Wo bieten sich neue Maschinenkonzepte an, wo spielen bewährte Technologien ihre Stärken auch in Zukunft aus? Der Anwendertreff Maschinenkonstruktion will diese Fragen klären und konkrete Lösungsansätze aufzeigen.
    Anmeldung: Anwendertreff Maschinenkonstruktion

    Beispiel Drehzahlregelung

    Das Drehzahlsignal von Variosense lässt sich für die Steuerung der Geschwindigkeit von mobilen Maschinen, Radnabenantrieben in Gabelstaplern, selbstfahrenden Transportsystemen oder auch Golfcarts nutzen. Ein weiteres interessantes Anwendungsfeld sind Hubantriebe z.B. für Plattformen, sei es im Bühnenbau von Theatern, Plattformen von Ölbohrinseln oder auch Hebebühnen. Die Aufgabe ist hier stets, mehrere Antriebe synchron zu betreiben. Hierzu ist jeder Antrieb mit einem Variosense-Drehzahlsensor auszurüsten und über die Steuerung zu synchronisieren.

    Konventionelle Drehgeber sind in manchen Anwendungen zu teuer und müssen erst in die Konstruktion integriert werden. Der Sensorcluster-Ring von Variosense ist Bestandteil des Lagers und damit bereits in die Maschine integriert und ohne zusätzliche Maßnahmen vor rauen Umgebungen geschützt. Für den synchronen Betrieb von Antrieben steht neben dem Drehzahlsignal auch ein Positionssignal zur Verfügung.

    Beispiel Vibrationspegel

    Die Messung von Vibrationen mit Schaeffler Variosense zielt primär nicht darauf ab, Frequenzen von einzelnen defekten Bauteilen zu erkennen, wie dies bei CMS der Fall ist. Mit Hilfe der Vibrationsmessung sollen vielmehr Störungen in den Betriebsbedingungen von Maschinen detektiert werden. Im Bereich von Wasserpumpen sind dies beispielsweise Unwuchten, Kavitation oder Wasserschlag, die nach entsprechend häufigem Auftreten zu großem Verschleiß und verminderter Pumpleistung führen. Speziell für den Markt kleiner Pumpen stehen die Kosten für den Sensorcluster in einem sehr guten Verhältnis zu den Kosten der gesamten Antriebslösung.

    Betriebsdaten als Schlüssel zum Erfolg

    Betriebsdaten sind der Schlüssel zu weiteren Produktivitätssteigerungen, längeren Laufzeiten und höherer Verfügbarkeit. Einen bedeutenden Schritt zur Erfassung dieser Daten bietet Schaeffler mit sensorisierten Lagerlösungen. (sh)

    Hannover Messe 2018: Halle 22, Stand D49

    * Stefan Glück ist Leiter Systementwicklung Industrie 4.0 bei Schaeffler.

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