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antriebstechnik 5/2017

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05 Gemitteltes

05 Gemitteltes Betragsspektrum des schadensfreien Falles und des Schadensfalls mit einem Außenringschaden der Schadenslänge 3,9 % bei dem Lastfall mit einer Drehzahl von 500 min -1 , einem Lastmoment von 7 % M N und einer Radialkraft von 25 % F Er 06 Verlauf des Außenringschadensindikators bei einem vorliegenden Außenringschaden der Schadenslänge von 3,9 % L Um,Außen für die betrachteten Lastfälle 07 Verlauf des Schadensindikators für Außenring und Innenring bei vorliegenden Außenringschäden mit variabler Schadenslänge Komponente Schadensordnungen k ∈ ℵ k × N A / p Seitenbänder k ∈ ℵ Außenring k AS Innenring k IS k × N l / p k × (N l ± 1) / p Wälzkörper k WS 2 × k × N W / p 2 × k × (N W ± N k ) / p Käfig k KS k × N K / p Tabelle 1: Schadensordnungen mit entsprechenden Seitenbänder je Lagerkomponenten [3, 20] Größe Formelzeichen Wert Innendurchmesser des Innenrings d 17 mm Außendurchmesser des Außenrings D 40 mm Durchmesser der Wälzkörper D W 6,5 mm Teilkreisdurchmesser D T 28,55 mm Anzahl der Wälzkörper Z 11 Stück Ermüdungsgrenzbelastung, radial F Er 2,19 kN Tabelle 2: Kenndaten des Zylinderrollenlagers vom Typ N203E-TVP2 Indikator 1 % L Um,Außen 1,8 % L Um,Außen 2,7 % L Um,Außen 3,9 % L Um,Außen Idr Außenring 0,47 0,55 1,68 4,41 Idr Innenring 0,87 0,53 0,92 0,66 Tabelle 3: Mittelwerte einzelner Indikatoren aus den relevanten Lastfällen auch im Stromspektrum [17]. Bei höherer Last wird die Auswirkung der Drehmomentschwankungen auf dem Statorstrom der PMSM gemindert [23]. Dies führt zur Verringerung der Amplitude der von Schäden hervorgerufenen Frequenzkomponente. Zusammenfassend wirkt sich die Erhöhung des Lastmoments auf die Schadenserkennung nachteilig im Vergleich zu der Erhöhung der Radialkraft aus [24]. Eine Schadenserkennung ist bei Drehzahlen zwischen 300 min -1 und 1 000 min -1 , geringeren Lastmomenten und mittleren Radialkräften zuverlässig möglich. Der Schadensindikator wird nun anhand eines Lastfalls von Wälzlagern mit Außenringschäden unterschiedlicher Schadenslänge bewertet. Dazu werden sowohl der Außenring- als auch der Innenringschadensindikator berechnet und bewertet. Die beiden Indikatoren sind in Bild 07 als Funktion der Schadenslänge bei einer Drehzahl von 500 min -1 , einem Lastmoment von 7 % M N und einer Radialkraft von 25 % F Er dargestellt. Bei steigender Schadenslänge zeigt der Verlauf des Außenringschadensindikators eine Erhöhung insbesondere ab der Schadenslänge größer als 1,8 % L Um,Außen , während der Verlauf des Innenringschadensindikators relativ konstant und unterhalb von Eins bleibt. Dieses Verhalten wird bei Betrachtung der Mittelwerte einzelner Indikatoren aus den relevanten Lastfällen in Tabelle 3 bestätigt. Die Ergebnisse weisen ab einer Schadenslänge größer als 1,8 % L Um,Außen auf einen Außenringschaden hin. Mit den entworfenen Schadensindikator kann ein Außenringschaden von einem Innenringschaden ab einer Schadenslänge größer als 1,8 % L Um,Außen sicher unterschieden werden. Der umgekehrte Fall, bei dem ein Innenringschaden von einem Außenringschaden unterschieden wird, wird anhand einer Beschädigung am Innenring bewertet. Schadensdiagnose an real beschädigten Wälzlager Im Folgenden wird das Diagnosesystem an einem real beschädigten Wälzlager getestet. Es handelt sich um die vorgestellte Beschädigung am Innenring (Schadensfall 2). Der Außenring- und der Innenringschadensindikator werden nach der Prozedur anhand der gemessenen Statorströme bei den relevanten Lastfällen ermittelt. Bild 08 veranschaulicht den Verlauf des Außen- und Innenringschadensindikators bei Drehzahlen zwischen 400 min -1 und 1 000 min -1 , einem Lastmoment von 7 % M N und einer Radialkraft von 25 % F Er . Der Verlauf des Außenringschadensindikators weist im Vergleich zum Verlauf des Innenringschadensindikators einen relativ konstanten Verlauf auf. Der Innenringschadensindikator schwankt zwischen 0,5 und 2,6. Der Mittelwert des Indikators über dem betrachteten Drehzahlbereich beträgt 1,3. Somit liegt wahrscheinlich ein Innenringschaden vor. Zum Abgleich der Ergebnisse wurde die Schwingbeschleunigung am Gehäuse des Wälzlagermoduls gemessen und bewertet. Hierfür wird die Hüllkurve der Schwingbeschleunigung ermittelt. Das Leistungsdichtespektrum der Hüllkurve wird danach mithilfe der 68 antriebstechnik 5/2017

WÄLZ- UND GLEITLAGER 08 Schadensindikator für den Schadensfall 2 bei unterschiedlicher 09 Schwingspektrum in Bezug auf die Rotordrehfrequenz f R für den Drehzahl, einem Lastmoment von 7 % M N und einer Radialkraft von Schadensfall 2 bei einer Drehzahl von 500 min -1 und einem Lastmoment 25 % F Er von 7 % M N und einer Radialkraft 25 % F Er . Markierte Schadensordnungen im Falle eines Außen- sowie eines Innenringschadens Welch-Methode [16] geschätzt. Bild 09 veranschaulicht das Schwingspektrum in Bezug auf die Rotordrehfrequenz f R für den Schadensfall 2 bei einer Drehzahl von 500 min -1 , einem Lastmoment von 7 % M N und einer Radialkraft von 25 % F Er , wobei die Schadensordnungen im Falle eines Außen- sowie eines Innenringschadens im Spektrum markiert sind. Die Schadensordnungen im Schwingspektrum bei einem Außenringschaden sind Vielfache von N A × f R bzw. N I × f R bei einem Innenringschaden. Es ist ein deutlicher Spitzenwert bei der ersten Innenringschadensordnung im Vergleich zu der ersten Außenringschadensordnung zu erkennen. Somit liegt ein Innenringschaden und kein Außenringschaden vor. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass sich ein Innenringschaden mit dem entworfenen Indikator von einem Außenringschaden unterscheiden lässt. Zusammenfassung Diese Arbeit stellt ein Diagnosesystem für Wälzlagerschäden auf Basis der Analyse der vom leistungselektronischen Umrichter zur Verfügung gestellten Statorströme vor. Die Diagnose erfolgt durch die Grenzwertüberwachung eines frequenzselektiven Schadensindikators, der für einzelne Lagerkomponenten durch die Eingabe der Lagerkenndaten ermittelt wird. Das entworfene System ist am Beispiel künstlich erzeugter Außenringschäden und eines Wälzlagers mit realer Beschädigung am Innenring bewertet worden. Die Diagnoseergebnisse haben gezeigt, dass das System Wälzlagerschäden nach ihrer Schadensart am Außenring und am Innenring je nach Schadensausprägung unterscheiden kann. Wälzlagerschäden mit einer Schadenslänge oberhalb von 1,8 % des Laufspurumfangs der betrachteten Komponente können sicher erkannt werden. Eine weitere Beschränkung tritt aufgrund der Frequenzextraktion auf. Daher können Schäden in den Wälzlagerkomponenten nur differenziert werden, wenn ihre Schadensfrequenzen voneinander abweichen. Literaturverzeichnis: [1] P. Tavner, L. Ran und J. &. S. H. Penman. Condition Monitoring of Rotating Electrical Machines. The Institution of Engineering and Technology, 2008. [2] I. Bediaga, X. Mendizabal, A. Arnaiz und J. Munoa. „Ball bearing damage detection using traditional signal processing algorithms.“ Instrumentation Measurement Magazine, Bd. 16, Nr. 2, S. 20-25, 2013. [3] B. Geropp. Schwingungsdiagnose an Wälzlagern mit Hilfe der Hüllkurvenanalyse. 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