cmc-Instruments: Nachweis ausfallkritischer Betriebsbedingungen von Windenergiegetrieben mit dem Online-Sensorsystem WearSens®

Es wird ein neues Sensorsystem zur kontinuierlichen Online-Verschleißmessung und Vermeidung von Schäden in Getrieben von Windenergieanlagen und Industriemaschinen vorgestellt. Damit erfolgt bereits ab Inbetriebnahme eine kontinuierliche Anzeige kritischer Betriebszustände, die z. B. zu Frühausfällen durch weiß anätzende Risse, Graufleckigkeit oder Schwingungsrisskorrosion in Wälzlagern bzw. auf Zahnflanken führen können. Während die bekannten Analysemethoden, wie etwa Schwingungsmessung und Partikelzählung, vorhandene fortschreitende Fehler detektieren, können mit Hilfe des WearSens^® deutlich früher gezielte Korrektureingriffe zur tatsächlichen Schadensverhütung durch Identifikation kritischer Betriebsbedingungen eingeleitet werden [1]. Bedarfsgerechte Wartungsmaßnahmen und Vermeidung von Stillstandzeiten und Getriebeausfällen erhöhen wirksam die Maschinenausnutzungen.

Der weniger stabile Einsatz von Getrieben auf Türmen von Windenergieanlagen führt verstärkt zur Beanspruchung der Komponenten durch Schwingungen. Im Wälzkontakt von Lagern und Zahnrädern werden spezifische Mischreibungszustände erzeugt [2]. Eine mögliche Folge besteht in der Bildung von Graufleckigkeit. Außerdem kann unter bestimmten Lastzuständen stark erhöhte lokale Gleitreibung in Mikrobereichen auftreten, die spröde Gewaltbruchanrisse auslöst. Die sich ausbildenden Schäden zeichnen sich durch axiale Laufbahnrisse aus, wie in Bild 1 und Bild 2 dargestellt.

Bild 1: Innenringlaufbahn eines Kegelrollenlagers mit typischen Axialrissen und kleinen Schälungen [2]

Bild 2: Verzweigtes Risssystem im geätzten Umfangsschliff (Überrollrichtung von links nach rechts) [3]

Darin liegt die Ursache von Wälzlagerfrühausfällen. Durch schwingungsinduzierte Ölalterung erzeugte Ionen werden vom WearSens^® detektiert, bevor sie von Additiven chemisch umgewandelt und gepuffert werden können. Hierzu misst das Sensorsystem Komponenten der komplexen Impedanz des Öls, insbesondere die spezifische elektrische Leitfähigkeit κ und die relative Dielektrizitätszahl εr, sowie die Öltemperatur T. Den Messsignalen überlagerte Temperatureffekte werden durch eine integrierte selbstlernende adaptive Temperaturkompensation eliminiert. Aus Änderungen der Messignale der Öle wird auf den Lager- und Getriebeverschleiß geschlossen.

Bild 3 zeigt den Basissensor als Drei-Platten-Ausführung. Im Betrieb strömt zwischen den Platten das zu messende Öl.

Bild 3: Basissensor mit Drei-Platten-Anordnung

Messergebnisse mit einem stark belasteten Lager in einem Versuchsgetriebe sind in Bild 4 dargestellt. Ab dem Zeitpunkt des Leistungssprungs wurde das Lager überlastet. Der aus der gemessenen und temperaturkompensierten Leitfähigkeit ermittelte Leitfähigkeitsgradient zeigt den Verschleißverlauf nach dem Leistungssprung. Der Überlastungsbereich ist rot gekennzeichnet.

Bild 4: Temperaturkompensierte elektrische Leitfähigkeit und deren Gradient bei unterschiedlichen Belastungen [5]

In Bild 5 ist der Verlauf des Abnutzungsvorrats des Getriebes dargestellt. Die Vorschädigung, die in diesem Fall aufgetreten ist, ist zum Zeitpunkt der Überlastung entstanden und führte zu Haarrissen, Schälungen und Partikeln.

Das hier vorgestellte Online-Verschleißsensorsystem erkennt zu hohe Getriebebeanspruchungen lange bevor Schäden auftreten über die Ölmessungen. Die unzulässigen Belastungen bewirken Ionen und kurzfristige Ölversäuerungen, die vom Sensor gemessen werden. Durch Additive im Öl werden diese Effekte mit Zeitkonstanten im Minutenbereich weggepuffert.

Unzulässige Belastungsbereiche der Maschine und eintretende Folgeschäden können mit Hilfe eines Regelungssystems zur Verschleißbegrenzung vermieden werden. Dies führt zu einem höheren Abnutzungsvorrat und einer längeren Betriebszeit der Anlage, spart erhebliche Kosten und reduziert unnötige Stillstandzeiten.

Bild 5: Schematischer Verlauf des Abnutzungsvorrats ohne/mit WearSens^®.

Die installierte Schwingungsmessung zeigte den Schaden erst kurz vor der Zwangsabschaltung.

Bild 6 zeigt den Innenring des ausgefallenen Planetenradlagers mit stark geschälter Laufbahn nach Beendigung des Prüflaufs.

Bild 6: Geschälte Innenringlaufbahn des ausgefallenen Planetenrad-Zylinderrollenlagers [4]

Die vor und nach dem Schaden entnommenen Ölproben zeigen im direkten Vergleich keine signifikanten Abweichungen der Laboranalysen, die auf die massive Laufbahnschädigung des Planetenradlagers hindeuten könnten. Die ermittelten sehr kleinen Abweichungen der analysierten Laborproben liegen innerhalb der Messtoleranzen der Analyseverfahren zur Bestimmung der Abriebkomponenten, Verschleißpartikel, Ölversauerung, Viskosität usw. Dieses ist auch auf die hohe Qualität der Öle zurückzuführen. Es zeigte sich, dass der Schaden nicht unbedingt durch eine Partikel- oder Ölanalyse detektiert werden kann.

Bei addivierten Ölen lassen sich aus Dielektrizitätszahländerungen Rückschlüsse auf den Verbrauch von Additiven ziehen. Die quasikontinuierliche Bewertung der Ölalterung sowie des Verschleißes von Lagern und Verzahnungen folgt dem ganzheitlichen Ansatz einer Echtzeitüberwachung des Systems Öl-Maschine. Sie senkt das Risiko unerwarteter Ausfälle, erhöht die Lebensdauer und ermöglicht eine optimierte Ausnutzung von Windenergieanlagen. Die Messsignale werden an eine web-basierte Zustandsüberwachung, vorzugsweise über LAN oder WLAN, übertragen.

Bild 7 zeigt das Online-Sensorsystem WearSens^®. Es besteht aus dem Basissensor, der Digitalelektronik mit einer LAN- und WLAN-Schnittstelle und einer Lichtleiterübertragung. Ein modifiziertes Sensorsystem wird zur Überwachung von Hochspannungstransformatoren eingesetzt.

Literaturhinweise:

[1] Kuipers, U., Mauntz, M.: Verfahren, Schaltungsanordnung, Sensor zur Messung physikalischer Größen in Fluiden sowie deren Verwendung, europäische Patentanmeldung Nr. EP 2 163 887, Europäisches Patentamt, München, Anmeldetag: 9.1.2009

[2] Gegner, J., Nierlich, W.: Einführung der Normalspannungshypothese für Mischreibung im Wälz-Gleitkontakt, VDI-Berichte 2147, VDI Wissensforum GmbH, Düsseldorf, 2011, S. 277-290

[3] Gegner, J., Nierlich, W.: Mechanical and tribochemical mechanisms of mixed friction induced surface failures of rolling bearings and modeling of competing shear and tensile stress controlled damage initiation, T+S Tribologie und Schmierungstechnik, Jahrgang 58 (2011) Heft 1, S. 10-21

[4] Gegner, J., Kuipers, U., Mauntz, M.: Ölsensorsystem zur Echtzeit-Zustandsüberwachung von technischen Anlagen und Maschinen, tm - Technisches Messen, Jahrgang 77 (2010) Heft 5, S. 283-292

[5] Gegner, J., Klingauf, S., Kuipers, U., Mauntz, M.: Kontinuierliche Erkennung und Regelung des Verschleißes in Tribosystemen mit dem neuen Online-Ölzustandsüberwachungssystem OilQSens®, Tribologie-Fachtagung 2012, 24.09.2012 – 26.09.2012, Göttingen, GfT Gesellschaft für Tribologie e.V.

Bild 7: WearSens^® Online-Sensorsystem mit Basissensor und Kommunikationseinheit