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antriebstechnik 5/2017

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der Schadensordnungen k

der Schadensordnungen k LK je Lagerkomponente. N LK wird für Außenringschäden (N A ) sowie Innenringschäden (N I ) in Abhängigkeit der geometrischen Lagerdaten wie folgt definiert: Z ist die Anzahl der Wälzkörper, D W der Durchmesser der Wälzkörper und D T der Teilkreisdurchmesser. Der Schadensindikator soll einzelne Schäden untereinander differenzieren können, daher wird ein Indikator für jede Schadensart anhand der im Stromspektrum extrahierten Frequenzbänder mit der Schadensordnung als Mittenordnung ermittelt. Im Folgenden wird die Berechnung des Indikators am Beispiel des Außenrings Idr Außenring erläutert. Zuerst werden die Ordnungsintervalle mit der Schadensordnung k AS als Mittenordnung im Differenzspektrum extrahiert. Die Intervallgrenzen der zu extrahierenden Frequenzbänder sind so festgelegt, dass keine Vielfachen von anderen Schadensordnungen k IS , k WS , k KS und deren Seitenbänder, Ordnungen der Rotordrehfrequenz sowie der Anregungsfrequenz ins Intervall fallen. Damit wird sichergestellt, dass eine Änderung im Indikator auf den Schaden zurückzuführen ist. Die Schadensordnungen des Lagers mit den entsprechenden Seitenbändern sind in Tabelle 1 als Funktion der Anzahl der Überrollungen der jeweiligen Lagerkomponente zusammengefasst. Die Ermittlung erfolgt anhand der Maximalwertsuche im eingegrenzten Extraktionsintervall je Vielfachem der Schadensordnung. Aufgrund der Fensterung bei der Fourieranalyse kann es vorkommen, dass die Amplitude einer geschätzten Frequenz sich auf benachbarte Frequenzen verteilt. Die verwendete Hamming-Funktion kann eine Ausbreitung der Amplitude auf maximal fünf Frequenzpunkte verursachen. Deswegen werden anstatt des gefundenen Maximums fünf diskrete Werte um das gefundene Maximum für die Berechnung des Schadensindikators verwendet. Der Schadensindikator berechnet sich hiermit zu: n O AS [k] bezeichnet die reale Schadensordnung des gefundenen Maximums der Ordnung k. Die ersten drei Ordnungen sind für die Diagnose signifikanter als die anderen Ordnungen. Hiermit gilt: K = 3. n bezeichnet die Ordnungspegel in den extrahierten Ordnungsbändern der Ordnung k n L K bezeichnet die Anzahl der positiven und ungleich Null diskreten Werte. Die Summe wird durch die Wurzel der Länge geteilt. n σ Sk [k] bezeichnet den skalierten Rauschpegel der Ordnung k. Der Schadensindikator stellt die relative Abweichung von der in den Ordnungspegeln enthaltenen Energie zur skalierten Rauschenergie des Signals dar. Die Festlegung des skalierten Rauschpegels erfolgt durch die Ermittlung des Rauschpegels vom gemessenen Signal. Wenn der Indikator größer als Eins ist, dann heben sich die Pegel der Schadensordnungen von ihren skalierten Rauschpegeln ab. Somit liegt wahrscheinlich eine Änderung im Pegel der betrachteten Schadensordnung vor, sodass diese im Spektrum erkennbar ist. Die Größe des Indikators weist auf einen vorhandenen Schaden in der betroffenen Komponente hin. Daher erfolgt die Diagnose durch die Grenzwertüberwachung der einzelnen Indikatoren. Der Ablauf für die Berechnung des Indikators wird in Bild 01 dargestellt. Analog dazu werden die Schadensindikatoren der anderen Lagerkomponenten berechnet. Prüfstandsaufbau und Messbedingungen Der entworfene frequenzselektive Schadensindikator soll anhand von beschädigten Wälzlagern bewertet werden. Hierfür ist ein Prüfstand für die Messsignalerfassung mit den Wälzlagern konstruiert und gebaut worden, welcher im Folgenden vorgestellt wird. Zusätzlich werden die beschädigten Lager präsentiert und die Messbedingungen für die Datenerfassung festgelegt. Prüfstandsaufbau Der aufgebaute Prüfstand wird in Bild 02 dargestellt. Die Anordnung besteht aus dem Testmotor, einem Wälzlagermodul und einer Magnetpulverbremse zur Aufbringung des Lastmoments. Das Konzept des Wälzlagermoduls orientiert sich an dem in [21] entworfenen Modul. Der Testmotor ist eine mit einem leistungselektronischen Umrichter gesteuerte permanentmagneterregte Synchronmaschine. Die Steuerung der Pulsweitenmodulationssignale (PWM) des Umrichters sowie die Umrichter-Freigabe erfolgen über das Steuergerät DS1103 PPC Controller Board von der Firma D Space. Dieses Rapid Control Prototyping Steuergerät dient der zeitsynchronen Erfassung der Messsignale. Für die Messung der Belastungsgrößen: Drehzahl, Lastmoment und Radialkraft wird der Prüfstand mit verschiedenen Sensoren und zugehörigen Messverstärkern ausgestattet. Die Radialkraft dient zur radialen Belastung des Testlagers. Die zu bewertenden Statorströme werden direkt im Umrichter gemessen. Es sind keine zusätzlichen Stromsensoren notwendig. Zusätzlich werden Beschleunigungssensoren am Wälzlagermodul angebracht, um das entworfene Diagnosesystem mit dem Standardverfahren abzugleichen. Die Schwingungsdiagnose stellt das Standardverfahren für die Schadensdiagnose von Lagern dar. Das für den Prüfstand aufgebaute Wälzlagermodul ist eine Baugruppe, in der Wälzlager mit unterschiedlichen Verschleißerscheinungen betrieben und vermessen werden können. Eine Schnittansicht des Moduls ist in Bild 03 dargestellt. Das Modul besteht im Wesentlichen aus einer gelagerten Welle zur Aufnahme des Testlagers, welche aufgrund der Öl-Schmierung in einem Gehäuse integriert ist. Das Testlager ist zentral auf der Welle in einer Testlagerhülse verbaut, um die Zentrierung des Lagers im Gehäuse sowie die radiale Belastung zu gewährleisten. Für die Messung der radialen Belastung des Lagers ist ein Kraftaufnehmer auf dem Gehäuse montiert. Die Radialkraft am Wälzlager wird über eine Einstellschraube eingestellt. Wälzlagerschäden Im Wälzlagermodul können unterschiedlich geschädigte Wälzlager eingebaut und vermessen werden. Für die vorliegende Untersuchung werden sowohl künstlich als auch real beschädigte Wälzlager betrachtet. Die hier untersuchten künstlichen Schäden sind lokale Beschädigungen an der Innenlaufbahn des Außenrings eines Zylinderrollenlagers mit unterschiedlichen Schadenslängen in Laufbahnrichtung. Die Schäden wurden durch Anerodieren oder durch Anschleifen der Laufbahnoberfläche erzeugt. Es werden vier unterschiedliche Schadenslängen betrachtet, welche bezogen auf den Laufspurumfang des Außenrings L Um,Außen angegeben werden. Es sind jeweils: 1 % L Um,Außen , 1,8 % L Um,Außen , 2,7 % L Um,Außen und 3,9 % L Um,Außen . Diese künstlich erzeugten Schadenszustände werden als Schadensfall 1 bezeichnet. Der Schadensfall 2, welcher stellvertretend für real beschädigte Wälzlagerschäden verwendet wird, ist ein mehrfacher Pittingschaden in einem Zylinderrollenlager. Auf der Außenlaufbahn des Innenrings des Zylinderrollenlagers befinden sich vier lokale Pittingschäden mit den Schadenslängen von 2,4 mm, 1,8 mm, 1,5 mm und 1,3 mm. Die Schäden haben quer zur Laufrichtung eine Ausdehnung von 27 % bis 40 % der Lagerbreite. Das geschädigte Versuchslager wurde in einem beschleunigten Lebensdauerversuch am Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik der Universität in Paderborn erzeugt. Dazu wurde ein Prüfstand verwendet, welcher für die Erzeugung von realen Ermüdungsschäden aufge- 66 antriebstechnik 5/2017

WÄLZ- UND GLEITLAGER baut wurde. In diesem Prüfstand werden vier Versuchslager bei erhöhter Last, ohne Überschreiten der statischen Tragzahl betrieben. Eine detaillierte Beschreibung des Ermüdungsprüfstands und der aus den beschleunigten Lebensdauerversuchen entstandenen Schäden befindet sich in [22]. Bild 04 zeigt beispielhaft die künstlich erzeugte Beschädigung an der Innenlaufbahn des Außenrings mit einer Schadenslänge von 3,9 % L Um,Außen (Schadensfall 1) und den realen Pittingschäden aus den Lebensdauerversuchen auf der Außenlaufbahn des Innenrings (Schadensfall 2). Festlegung der Messbedingungen Der frequenzselektive Schadensindikator berechnet sich mithilfe der Frequenzanalyse aus den gemessenen Statorströmen. Für eine zuverlässige Frequenzauswahl ist es erforderlich, dass die Stromsignale sowohl eine hohe Frequenzauflösung als auch ein großes Signalrauschverhältnis haben. Die Frequenzauflösung wird durch die Aufzeichnungslänge und die Abtastfrequenz bestimmt. Diese Parameter sind auch für die Datenmenge entscheidend, welche aufgrund der Hardwarebeschränkung begrenzt ist. Die Festlegung einer geeigneten Kombination von Aufzeichnungslänge und Abtastfrequenz für die Erfassung der Statorströme erfolgt anhand der Bewertung des Signalrauschanteils bei unterschiedlichen Variationen der Aufzeichnungslängen und Abtastfrequenzen. Aus dieser Analyse hat sich eine Aufzeichnungslänge von 60 s bei einer Abtastfrequenz von 8 kHz im Hinblick auf ein großes Signalrauschverhältnis als guter Kompromiss erwiesen. Für die Mittelung werden drei Spektren aus hintereinander erfassten Signalen des gleichen Lastfalls verwendet. Schadensdiagnose Im Folgenden wird das entworfene Diagnosesystem mit künstlich erzeugten Schäden parametriert und an real beschädigten Wälzlagern getestet. Die Ergebnisse werden diskutiert. Schadensdiagnose an künstlich erzeugten Schäden Zur Bewertung des Systems werden die Statorströme aus dem Schadensfall 1 mit den Messbedingungen erfasst. Die Stromerfassung erfolgt bei unterschiedlichen Drehzahlen, Lastmomenten und Radialkräften. Die Momente werden in Bezug auf das Bemessungsmoment der PMSM und die Radialkräfte in Bezug auf die radiale Ermüdungsgrenzbelastung des betrachteten Lagers aufgeführt. Bild 05 veranschaulicht beispielhaft die gemittelten Betragsspektren jeweils für den schadensfreien Fall und den Fall mit einem Außenringschaden der Schadenslänge von 3,9 % L Um,Außen . Der Lastfall entspricht einer Drehzahl von 500 min -1 , einem Lastmoment von 7 % M N und einer Radialkraft von 25 % F Er . Zusätzlich wird der ermittelte Rauschpegel dargestellt, der im Mittel 0,018 % in Bezug auf die Amplitude der Anregungsfrequenz beträgt. Die Zylinderrollenlager vom Typ N203E-TVP2 werden mit der N LK -fachen Häufigkeit der Drehfrequenz überrollt. N LK ergibt sich für die Überrollungen am Außenring zu N A = 4,25 sowie am Innenring zu N I = 6,25. Diese Werte leiten sich aus den Gleichungen (3) anhand der Lagerkenndaten aus Tabelle 2 ab. Bei einem Außenringschaden lassen sich die ersten drei Schadensordnungen aus Tabelle 1 zu k AS [1] = 1,0625, k AS [2] = 2,1250 und k AS [3] = 3,1875 berechnen. Die erste Schadensordnung ist im Spektrum deutlich zu erkennen. Im Folgenden werden die Diagnoseergebnisse am Beispiel eines vorliegenden Außenringschadens mit einer Schadenslänge von 3,9 % L Um,Außen bei unterschiedlichen Lastfällen bewertet. In den Lastfällen wurden die folgenden Belastungsgrößen in den genannten Abstufungen verwendet: n Drehzahlen von 100 min -1 bis 2 000 min -1 mit einer Schrittweite von 100 min -1 , n Lastmomente von 7 % M N und 25 % M N des Bemessungsmoments der PMSM, 03 Längsschnitt des Moduls mit folgenden Komponenten: 1 Welle; 2 Festlager; 3 Loslager; 4 Testlager; 5 Stützlagerhülse; 6 Spannelement; 7 Testlagerhülse; 8 Kraftaufnehmer; 9 Einstellschraube; 10 Gehäuse; 11 Deckel; 12 Deckel 04 Darstellung der ausgewählten Schadensfälle: 1 (links) und 2 (oben) n Radialkräfte von 0,5 % F Er und 25 % F Er der radialen Grenzbelastung. Zur Beurteilung des Einflusses des Lastmomentes und der Radialkraft auf die Schadenserkennung werden die drei folgenden Lastvarianten ausgewählt: n Lastmoment von 7 % M N und Radialkraft von 25 % F Er , n Lastmoment von 7 % M N und Radialkraft von 0,5 % F Er , n Lastmoment von 25 % M N und Radialkraft von 25 % F Er . Mithilfe des Betragsspektrums wird der Außenringschadensindikator des beschädigten Wälzlagers mit der Schadenslänge 3,9 % L Um,Außen nach der Prozedur unter Berücksichtigung der betrachteten Lastvarianten für Drehzahlen zwischen 100 min -1 bis 2 000 min -1 ermittelt und in Bild 06 veranschaulicht. Bei Betrachtung der Lastfälle mit geringem Lastmoment von 7 % M N zeigt der Verlauf des Indikators bei beiden Radialkräften eine Abhängigkeit von der Drehzahl. Der Verlauf des Indikators bei der Radialkraft von 0,5 % F Er zeigt, dass eine Schadenserkennung bis auf einige Ausnahmen nicht möglich ist. Bei der Radialkraft von 25 % FE r ist eine Schadenserkennung im Drehzahlbereich unterhalb von 300 min -1 nicht möglich. Im restlichen Bereich zeigt sich eine Änderung des Indikators, der zwischen 300 min -1 und 1 000 min -1 zum größten Teil oberhalb von Eins liegt. Eine Erkennung des Schadens ist in diesem Fall sicher möglich. Eine Verringerung der Radialkraft führt zur Reduktion der Auswirkung des Schadens im Stromspektrum. Der Verlauf des Indikators bei der Radialkraft von 25 % F Er und dem erhöhten Lastmoment von 25 % M N zeigt, dass die Auswirkung des Schadens auf das Stromsignal bei höheren Lastmomenten gedämpft wird. Wälzlagerschäden verursachen mechanische Schwingungen, die zu Drehzahlschwankungen führen und somit Drehmomentschwankungen erzeugen. Diese Schwankungen bewirken neue Frequenzkomponenten im Drehmomentspektrum und somit antriebstechnik 5/2017 67

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