Lageranordnung

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, umfassend eine Welle und ein Gehäuse, wobei zwischen Welle und Gehäuse ein Lager angeordnet ist und wobei dem Lager eine Dichtung zugeordnet ist, welche den Gehäusespalt zwischen Welle und Gehäuse in Richtung der Umgebung abdichtet, wobei die Dichtung einen Tragring aus elektrisch isolierendem Material und eine an dem Tragring festgelegte Dichtscheibe aufweist. Derartige Lageranordnungen finden vielfältige Anwendung. Je nach

Dimension, Einsatztemperatur, Drehzahl und übertragenen Lasten ist das Lager einem mehr oder weniger großen Verschleiß unterworfen. Im Rahmen des Monitorings und der Ermittlung von Wartungsbedarf ist es üblich, eine Lageranordnung zu überwachen. Hierzu ist es insbesondere bei großen Maschinenelementen bekannt, eine Überwachung des Lagers mithilfe von Körperschallmessungen vorzunehmen. Eine derartige Überwachung ist vergleichsweise aufwendig.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Maschinen mit

drehzahlvariablem elektrischem Antrieb sowie bei Elektromotoren und

Generatoren eine unerwünschte elektrische Spannung zwischen Welle und Gehäuse entstehen kann, die sich meist über einen durch das Lager fließenden elektrischen Strom abbaut. Konstruktionsbedingt weist ein Lager aber nur sehr kleine Kontaktbereiche auf, welche durch Schmiermitteleinsatz nochmals reduziert werden. Dadurch können Spannungsspitzen entstehen, die sich schlagartig entladen, was zu einer Beschädigung der

Lagerlaufbahnfläche führen kann. Mögliche Schadensbilder sind

Kraterbildung, Riffelbildung, Werkstoffanschmelzungen, Anschweißen, Verbrennen, Verkohlung und Zersetzung des Schmierstoffes. Durch

Beschädigung der Lagerlaufbahnflächen erhöhen sich darüber hinaus der Geräuschpegel und die Lagerreibung des Lagers. Daraus resultiert ein vorzeitiger Verschleiß des Lagers.

Zum Abbau der Spannungsdifferenz zwischen Gehäuse und Welle ist es bekannt, Kontaktbürsten oder dergleichen als Kurzschlusselement zwischen Welle und Gehäuse anzuordnen. Insbesondere bei Lagern mit nichtleitenden Bestandteilen, beispielsweise keramischen Kugeln, können sich sehr hohe Spannungspotenziale aufbauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung

bereitzustellen, welche bei einfacherer Konstruktion überwacht werden kann und welche gegen das Auftreten hoher elektrischer Spannungen geschützt ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf

vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst eine Welle und ein Gehäuse, wobei zwischen Welle und Gehäuse ein Lager angeordnet ist und wobei dem Lager eine Dichtung zugeordnet ist, welche den Gehäusespalt zwischen Welle und Gehäuse in Richtung der Umgebung abdichtet, wobei die Dichtung einen Tragring aus elektrisch isolierendem Material und einer an dem Tragring festgelegte Dichtscheibe aufweist, wobei die Dichtscheibe elektrisch leitfähig ausgerüstet ist und an der Welle dichtend anliegt, wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche mit dem Gehäuse und der Dichtscheibe elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit ausgerüstet ist, eine zwischen Gehäuse und Dichtscheibe im dynamischen Betrieb bestehende elektrische Spannung abzubauen und den elektrischen Widerstand zwischen Gehäuse und Dichtscheibe zu erfassen.

Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung erfolgt eine Funktionsintegration in der Dichtung, bzw. in der Auswerteeinheit. Dadurch, dass die Auswerteeinheit ausgerüstet ist, eine zwischen Gehäuse und Dichtscheibe im dynamischen Betrieb entstehende elektrische Spannung abzubauen, können unerwünschte elektrische Spannungen gezielt und zerstörungsfrei abgeleitet werden.

Gleichzeitig kann ein Monitoring der Lageranordnung erfolgen. Dazu wird erfindungsgemäß der elektrische Widerstand zwischen Gehäuse und

Dichtscheibe erfasst. Es hat sich gezeigt, dass die Bestimmung des elektrischen Widerstandes zwischen Gehäuse und Dichtscheibe und damit indirekt auch des elektrischen Widerstandes zwischen den Bestandteilen des Lagers einen Rückschluss auf den Zustand des Lagers erlaubt. Zwischen den Bestandteilen des Lagers befindet sich regelmäßig ein Schmiermittel, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, welche erheblich von der elektrischen Leitfähigkeit der übrigen Lagerbestandteile abweicht. Dadurch weist ein Lager, welches wie vorgegeben mit Schmiermittel befüllt ist, einen anderen elektrischen Widertand auf, als ein Lager, bei welchem Schmiermittel verloren gegangen ist. Je nach Ausgestaltung der Auswerteeinheit können auch schleichende Verluste von Schmiermittel erfasst werden. Dadurch kann beispielsweise durch die Auswerteeinheit eine Wartung veranlasst werden.

Das Lager kann ein Wälzlager sein. Eine häufig verwendete Form von

Wälzlagern sind dabei Kugellager. Bei Wälzlager sind zwischen einem auf der Welle befestigten Innenring und eine am Gehäuse festgelegten Außenring Wälzkörper angeordnet, wobei die Wälzkörper auf Laufflächen von Innenring und Außenring abrollen. Je nach Ausgestaltung der Wälzkörper ergibt sich dabei lediglich eine sehr kleine Kontaktfläche des Wälzkörpers an die

Lauffläche von Innenring und Außenring. Dies ist beispielsweise bei

Wälzkörpern in Form von Kugeln der Fall. Verschleißbedingt kann sich die Kontaktfläche zwischen Wälzkörper und Lauffläche allmählich vergrößern. Dies geht wiederum mit einer Änderung des elektrischen Widerstandes einher und kann durch die Auswerteeinheit erfasst werden. Alternativ kann das Lager auch als Gleitlager ausgebildet sein. Ein Gleitlager weist keinerlei Wälzkörper auf, die Relativbewegung erfolgt unmittelbar zwischen den beiden Lagerschalen, welche der Welle und dem Gehäuse zugeordnet sind. Zwischen den beiden Lagerschalen befindet sich ein Schmiermittelfilm, welcher verhindert, dass die Lagerschalen unmittelbar aneinander zur Anlage gelangen. Insofern kann die Überwachung des Gleitlagers dahingehend erfolgen, ob ein ausreichender Schmiermittelfilm vorhanden ist. Bei unzureichendem Schmiermittelfilm kommt es zu einer Mischreibung und zumindest partiell zu einem direkten Kontakt der

Lagerschalen. Durch den Kontakt ändert sich der elektrische Widerstand des Lagers, was durch die Auswerteeinheit erfasst werden kann.

Die Dichtscheibe kann aus elektrisch leitfähigem Kunststoff ausgebildet sein. Die Dichtscheibe liegt schleifend auf der Welle auf und ermöglicht durch die elektrisch leitfähige Ausrüstung ein Ableiten elektrischer Spannung von der Welle über die Dichtscheibe in Richtung der Auswerteeinheit. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, beispielsweise eine Dichtscheibe aus elastomerem Werkstoff elektrisch leitfähig auszurüsten. Dies kann dadurch erfolgen, dass eine elektrisch leitfähige Folie auf der Dichtscheibe befestigt wird. Alternativ kann das Material der Dichtscheibe mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehen sein.

Die Dichtscheibe kann einen elektrisch leitfähigen Vliesstoff umfassen.

Elektrisch leitende Vliesstoffe liegen mit einer geringen elastischen

Vorspannung auf der Welle auf und ermöglichen so einen verschleißarmen, aber elektrisch leitfähigen Kontakt von Welle und Dichtscheibe. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Vliesstoff mit einer PTFE-Dispersion getränkt und mit elektrisch leitfähigen Partikeln wie Kohlenstofffasern oder Metallfasern versehen. Eine derartige Dichtscheibe liegt mit geringer Reibung auf der Welle auf, ermöglicht die Erfassung des elektrischen Widerstandes und die Ableitung elektrischer Spannungen. Vorzugsweise ist der Tragring aus elektrisch nicht-leitfähigem Werkstoff ausgebildet. Dies ist beispielsweise bei einem Tragring aus Kunststoff der Fall. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Welle und Gehäuse über die Dichtscheibe und die zwischen Dichtscheibe und Gehäuse angeordnete Auswerteeinheit.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Lageranordnung ermittelt die Auswerteeinheit die elektrische Spannung und/oder den elektrischen Strom zwischen Dichtscheibe und Gehäuse und wertet diese Daten aus. Die Lageranordnung umfasst eine Welle und ein Gehäuse, wobei zwischen Welle und Gehäuse ein Lager angeordnet ist und wobei dem Lager eine Dichtung zugeordnet ist, welche den Gehäusespalt zwischen Welle und Gehäuse in Richtung der Umgebung abdichtet, wobei die Dichtung einen Tragring aus elektrisch isolierendem Material und einer an dem Tragring festgelegte Dichtscheibe aufweist, wobei die Dichtscheibe elektrisch leitfähig ausgerüstet ist und an der Welle dichtend anliegt, wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche mit dem Gehäuse und der Dichtscheibe elektrisch leitend verbunden ist. Aus Spannung und Strom kann der elektrische Widerstand der Lageranordnung ermittelt werden, wobei der elektrische Widerstand ein Indiz für den Zustand der Schmierung der

Lageranordnung ist.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit ausgerüstet, zum Abbauen der zwischen Gehäuse und Dichtscheibe entstehenden elektrischen Spannung einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen Gehäuse und Dichtscheibe herzustellen. Dadurch kann verhindert werden, dass sich die elektrische Spannung zwischen den Bestandteilen des Lagers abbaut, was zu einer vorzeitigen Beschädigung des Lagers führen kann.

Mittels der Auswerteeinheit kann eine Wechselspannung zwischen

Dichtscheibe und Gehäuse angelegt und die elektrische Impedanz erfasst werden. Die Ermittlung des Zustandes mittels Wechselspannung und Erfassung der elektrischen Impedanz weist eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig guter Robustheit gegen äußere Einflüsse auf.

Dabei ist die elektrische Impedanz einer funktionsfähigen Lageranordnung höher als die Impedanz einer nicht-funktionsfähigen Lageranordnung. Dies gilt insbesondere in Zusammenhang mit einem nicht-leitenden Schmiermittel.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lageranordnung wird

nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt schematisch:

Fig. 1 eine Lageranordnung im Schnitt.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung 1 ermöglicht eine Überwachung der Schmierungszustände innerhalb eines Lagers 4. Gleichzeitig ist die

Lageranordnung 1 ausgerüstet, dass zwischen Bestandteilen des Lagers 4 entstehende elektrische Spannungen abgebaut werden, wobei der

Spannungsabbau nicht durch das Lager 4 hindurch erfolgt.

Die Lageranordnung 1 umfasst eine Welle 2 und ein Gehäuse 3, wobei zwischen Welle 2 und Gehäuse 3 ein Lager 4 angeordnet ist. Dabei dient die Lageranordnung 1 insbesondere der Lagerung von Wellen 2 in großen

Maschinenelementen, wie beispielsweise in Generatoren.

Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist das Lager 4 als Wälzlager ausgebildet und umfasst Lagerschalen und zwischen den Lagerschalen angeordnete Wälzkörper. Dem Lager 4 ist eine Dichtung 5 zugeordnet, welche den

Gehäusespalt 6 zwischen Welle 2 und Gehäuse 3 in Richtung der Umgebung 7 abdichtet. Dabei weist die Dichtung 5 einen Tragring 8 aus elektrisch isolierendem Material und eine an dem Tragring 8 festgelegte Dichtscheibe 9 auf, wobei die Dichtscheibe 9 elektrisch leitfähig ausgerüstet ist und an der Welle 2 mit radialer Vorspannung dichtend anliegt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist die Dichtscheibe 9 aus einem mit PTFE getränkten

Vliesstoff ausgebildet, wobei der Vliesstoff zur Erhöhung der elektrischen Leifähigkeit mit Metallfasern ausgerüstet ist. Der Tragring 8 besteht aus einem spritzgießfähigen Kunststoff. Tragring 8 und Dichtscheibe 9 sind form- und stoffschlüssig miteinander verbunden.

Die Zustandsüberwachung des Lagers 4 erfolgt mittels einer Auswerteeinheit 10, welche mit dem Gehäuse 3 und der Dichtscheibe 9 elektrisch leitend verbunden ist. Dabei ist die Auswerteeinheit 10 ausgerüstet, eine im Lager 4, also zwischen Gehäuse 3 und Dichtscheibe 9 im dynamischen Betrieb entstehende elektrische Spannung abzubauen, so dass ein die Lebensdauer des Lagers 4 reduzierender elektrischer Strom zwischen Bestandteilen des Lagers 4 vermindert werden kann. Dies erfolgt bei der vorliegenden

Ausgestaltung dadurch, dass zwischen Gehäuse 3 und Dichtscheibe 9 zumindest kurzfristig ein Kurzschluss hergestellt wird.

Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 10 ausgerüstet, den elektrischen

Widerstand zwischen Gehäuse 3 und Dichtscheibe 9 zu erfassen.

Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 kommt ein elektrisch nicht leitfähiges Schmiermittel zum Einsatz. Dabei hat sich in Untersuchungen gezeigt, dass bei einer Vollschmierung mit einem elektrisch nicht-leitenden Schmierstoff durch die Auswerteeinheit 10 innerhalb des Lagers 4 und somit zwischen Gehäuse 3 und Dichtscheibe 9 eine hohe Impedanz im Bereich von 10 ⁶ bis 10 ¹⁰ Ohm und ein hoher Phasenwinkel zwischen 85° und 90° ermittelt wird. In diesem Zustand sind die Wälzkörper von den Laufflächen der

Lagerschalen getrennt und zwischen den Wälzkörpern, dem Innenring und dem Außenring befindet sich Schmiermittel. Insofern befindet sich das Lager 4 bei der erfassten Impedanz in einem sicheren Betriebszustand. Dadurch, dass bei diesem Betriebszustand kein unmittelbarer Kontakt zwischen elektrisch leitfähigen Bestandteilen des Lagers 4 erfolgt, weist das Lager 4 darüber hinaus ein kapazitives Verhalten auf.

Nimmt die Qualität des Schmiermittels ab oder befindet sich weniger

Schmiermittel in dem Lager 4, sind die Bestandteile des Lagers 4, also die Wälzkörper und die beiden Lagerschalen nicht vollständig durch einen

Schmierfilm voneinander getrennt. Das Lager 4 befindet sich in Mischreibung. Dadurch ist zumindest zeitweise ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Bestandteilen des Lagers 4 gegeben, so dass das Lager 4 in diesem

Betriebszustand zumindest zeitweise ein ohmsches Verhalten aufweist. In diesem Betriebszustand beträgt die Impedanz des Lagers 4 lediglich zwischen 10° und 10 ² Ohm bei einem Phasenwinkel zwischen 0° und -5°. Sobald durch die Auswerteeinheit 10 der Zustand der Mischreibung ermittelt wird, kann eine notwendige Wartung oder das Erfordernis des Austausches des Lagers 4 signalisiert werden.