Reibung zwischen Maschinenteilen führt neben Energieverlusten auch zu Verschleiß. Um dadurch bedingte Verluste zu minimieren, werden die beweglichen Teile entsprechend leichtgängig gelagert. Wälzlager sind eine mögliche Lösung. Diese minimieren Reibung und Schwingungen durch Ihren Aufbau. Zwischen Außen- und Innenring laufen in einem Käfig Wälzkörper. Die Wälzkörper können in Kugel-, Kegel- oder Nadelform ausgeführt sein.
Die Lager sind häufig starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen ggf. auch Verschmutzungen verkraften. So ermöglichen Wälzlager zwar geringe Reibungsverluste, verschleißen aber in Abhängigkeit von der jeweiligen Beanspruchung. Plötzlich wechselnde Beanspruchungen, hohe Geschwindigkeiten oder Schläge können zu unvorhergesehenen Ausfällen führen.
Neben dem Produktionsausfall führt ein Lagerschaden meist zu hohen Folgeschäden an der Maschine selbst. Besonders kritisch sind derartige Schäden bei sehr komplexen Spezialmaschinen oder bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit.
Diese Thematik haben die Ingenieure der TU Bergakademie Freiberg und des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS gemeinsam erkannt und bisherige Lösungen zu diesem Problem analysiert. Dabei sind sie zu der Erkenntnis gekommen, dass fast ausschließlich High-End-Maschinen über eine sensorüberwachte Verschleißmessung von Wälzlagern verfügen. Die bisher beste technische Lösung ist die Faser-Bragg-Methode. Auf den zu überwachenden Bereich wird ein Faser-Bragg-Gitter aufgebracht und das Reflexionsverhalten von UV-Licht wird gemessen. Variieren die gemessenen Wellenlängen, deutet dies auf Veränderungen am Lager hin. Diese Technologie ist vergleichsweise aufwändig. Erforderliche konstruktive Eingriffe zur Anbringung der Faser-Bragg-Gitter können außerdem ggf. die Lebensdauer des Lagers verkürzen.
Ziel der Wissenschaftler von IKTS und TU Bergakademie Freiberg ist es, ein deutlich einfacheres aber zuverlässiges Messverfahren mit entsprechender hochsensibler Sensorik zu entwickeln, welches mit hoher Reaktionsschnelligkeit Veränderungen der Parameter am Lager detektiert und nötigenfalls die Abschaltung der Maschine veranlasst.
Das Verfahren soll maßgeblich auf der Messung von Temperaturen basieren. Die meisten Indikatoren für Schädigungen am Wälzlager bedingen letztlich auch Temperaturänderungen. Dies trifft so auch für Schwingungen, Druck und Drehzahl zu.
Die Umsetzung der dazu erforderlichen thermoelektrischen Mess- und Sensorkonzepte muss so erfolgen, dass eine fehlerfreie thermische und mechanische Kopplung zwischen Lagermaterial und Sensor gesichert wird. Diese entscheidet maßgeblich über die Messdynamik und somit die Zuverlässigkeit der Wälzlagerüberwachung.
Dieses Konzept und zahlreiche andere Ideen zur Anwendung von thermoelektrischen Komponenten werden ausführlicher online beim Thermoelektrik Workshop am 9. Dezember 2020 vorgestellt. Für ergänzenden Fragen steht Ihnen gern Herr Dr.-Ing. Hans-Peter Martin vom IKTS zur Verfügung. (hans-peter.martin@ikts.fraunhofer.de)
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