Verfahren und Vorrichtung zur Nachschmierung

eines fettgeschmierten Wälzlagers

Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachschmierung eines fettgeschmierten Wälzlagers sowie eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Hintergrund der Erfindung

Aus der WO 201 1/025430 A1 ist ein Verfahren und ein System zum Ermitteln und Ausführen korrekter, automatischer Nachschmierung für eine Anzahl von Lagern bekannt. Insbesondere soll das Nachschmiersystem für fettgeschmierte Lager geeignet sein. Um Daten für eine automatische Nachschmierung zu er- mittein, werden Lagerlast, Lagertemperatur und Lagerdrehzahl erfasst und in einem Verfahren zur Bestimmung von Nachschmierparametern berücksichtigt.

Verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Wälzlagerschmierung, die auch Lagertemperaturen erfassen, sind zum Beispiel aus der US 5,060,760 A, aus der US 2004/0197040 A1 , sowie aus der DE 199 47 458 A1 bekannt. In den beiden letztgenannten Fällen werden zusätzlich zu Temperaturen auch Vibrationen oder Geräusche gemessen.

Die DE 10 2009 036 228 B4 offenbart ein Verfahren zur belastungsorientierten Schmierung von tribologischen Systemen, bei welchem auch geometrische Gegebenheiten wie Form, Einbaulage und Abmessungen von Wirkflächen einzelner Komponenten solcher Systeme berücksichtigt werden. Unter Berück- sichtigung dieser Einflüsse werden von der Betriebsdauer abhängige Erwartungswerte für den Verschleißzustand eines Schmiermittels ermittelt.

Aus der EP 1 250 550 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes des Schmierfetts in einem Lager bekannt, bei welchem ein Modell genutzt wird, in dem eine Beziehung zwischen der Art des Schmierfetts und der Art des Lagers hergestellt ist. Weiter werden in dem Modell die Lagertemperatur, die Drehzahl des Lagers, sowie die Last auf das Lager berücksichtigt. Die EP 0 854 314 B1 offenbart ein Verfahren zur Versorgung eines Wälzlagers mit einem Schmiermittel, welches in fester, pastöser oder flüssiger Form zugeführt wird. Bei dem Wälzlager handelt es sich beispielsweise um ein Lager einer Galette in einer Textilmaschine. Innerhalb einer Textilmaschine können verschiedene Lagerstellen, abhängig von erfassten Betriebsdaten, intermittie- rend mit Schmiermittel versorgt werden.

Ein weiteres Schmierstoffverteilsystem ist aus der EP 2 101 102 A2 bekannt. Dieses Schmierstoffverteilsystem, welches zur Schmierung von Lagern oder Gelenken in Maschinen vorgesehen ist, weist einen Druckwächter mit wenigs- tens zwei Druckmesszellen auf. Der Druckwächter ist damit in der Lage, Drücke in verschiedenen Versorgungsleitungen des Schmierstoffverteilsystems zu erfassen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Nachschmierung von fettge- schmierten Wälzlagern die Relation zwischen dem Aufwand für die Gewinnung relevanter Informationen während des Lagerbetriebs einerseits und der Übereinstimmung von Nachschmierparametern mit den tatsächlichen Erfordernissen andererseits gegenüber dem genannten Stand der Technik zu verbessern.

Beschreibung der Erfindung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Nach- schmierung eines fettgeschmierten Wälzlagers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Nachschmiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung zur Nachschmierung eines fettgeschmierten Wälzlagers erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Nachschmierverfahren und umgekehrt. Das mit Fett nachzuschmierende Wälzlager ist Teil einer Anlage, welche auch eine Antriebseinheit aufweist. Bei der Antriebseinheit kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor, einen Verbrennungsmotor, oder einen Antrieb durch Wind- oder Wasserkraft handeln. In allen Fällen ist der Antrieb eine örtlich vom Wälzlager getrennte Komponente der Anlage. Im Rahmen des Verfah- rens zur Nachschmierung des Wälzlagers wird sowohl mindestens ein Betriebsparameter des Wälzlagers, als auch mindestens ein Betriebsparameter der Antriebseinheit erfasst. Auf Basis dieser unterschiedlichen lagerinternen beziehungsweise lagerexternen Betriebsparameter wird auf einen Alterungszustand des im Wälzlager enthaltenen Schmierfetts geschlossen und hieraus bedarfsweise ein Signal für eine Nachschmierung des Wälzlagers generiert.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei der Nachschmierung hochbelasteter, insbesondere hochdrehender Wälzlager mit Fett eine genaue Einhaltung von Nachschmierparametern erforderlich ist. Sowohl eine Mangel- Schmierung als auch eine Überschmierung bergen in hohen Drehzahlbereichen bei fettgeschmierten Wälzlagern die Gefahr des Heißlaufs. Unter hohen Drehzahlbereichen werden in diesem Zusammenhang Drehzahlkennwerte n ^* dm (Drehzahl n ^* mittlerer Lagerdurchmesser dm) von mehr als 1 ,0 Mio. mm x min ^" insbesondere von mehr als 1 ,8 Mio. mm x min ^"1 , verstanden. Um die Parame- ter der Nachschmierung möglichst präzise zu bestimmen, werden nach dem Stand der Technik zahlreiche Messwerte am Wälzlager erfasst und ausgewertet. Die Erfindung schlägt indes einen sich hiervon grundsätzlich unterscheidenden Weg ein, indem zur Bestimmung von Nachschmierparametern, insbesondere der Bestimmung eines Nachschmierzeitpunktes sowie der zuzuführenden Menge an Schmierfett, zusätzlich zu einem am Wälzlager erfassten Betriebsparameter ein weiterer Betriebsparameter herangezogen wird, welcher an einer vom Wälzlager beabstandeten Komponente, nämlich Antriebskomponente, der gesamten, das Wälzlager umfassenden Anlage erfasst wird. Als ein Betriebsparameter des Wälzlagers wird vorzugsweise die Wälzlagertemperatur erfasst. Zusätzlich zur Wälzlagertemperatur kann zum Beispiel auch eine am Wälzlager detektierte Vibration als Betriebsparameter des Wälzlagers herangezogen werden. Ist als Antriebseinheit ein Elektromotor vorgesehen, so wird vorzugsweise dessen Motorstrom als Betriebsparameter erfasst. Im Fall eines verbrennungsmotorischen Antriebs kann beispielsweise der Kraftstoffverbrauch als Betriebsparameter der Antriebseinheit erfasst werden. Bei jeglichem Antrieb ist die Möglichkeit gegeben, ein Drehmoment der Antriebseinheit als Betriebsparameter zu erfassen. Ein in oder direkt am Wälzlager erfasster Betriebsparameter wird generell als lagerinterner Betriebsparameter bezeichnet; ein an der Antriebseinheit erfasster Betriebsparameter wird allgemein als lagerexterner Betriebsparameter bezeichnet. Sensoren zur Erfassung der verschiedenen Betriebsparameter heißen entsprechend lagerinterne beziehungsweise lagerexterne Sensoren. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, dass bei zahlreichen Typen von Anlagen eine Antriebseinheit bereits mit einer Sensorik, das heißt mindestens einem lagerexternen Sensor, ausgerüstet ist, welche zusätzlich zur Bestimmung von Parametern der Nachschmierung nutzbar ist.

Lagerextern gewonnene Daten, insbesondere Motorstromdaten einer elektri- sehen Antriebseinheit, sind nutzbar, um die Schmierung des Wälzlagers betreffende Solldaten, beispielsweise eine maximale Lagertemperatur, festzulegen. Basierend auf solchen Solldaten kann ein nach dem erfindungsgemäßen Ver- fahren arbeitendes Nachschmiersystem einer Industrieanlage zum Beispiel automatisch dafür sorgen, dass bei einem Temperaturanstieg von 0,2 bis 10 % (bezogen auf die absolute Temperatur in Kelvin) über die Solltemperatur des Lagers (gemessen am Außenring des Wälzlagers) automatisch eine Nach- Schmierung mit der korrekt berechneten Schmiermittelmenge erfolgt. Die Solltemperatur des Wälzlagers kann hierbei nicht nur vom Motorstrom der Antriebseinheit, sondern beispielsweise auch von einer entweder am Wälzlager oder an der Antriebseinheit gemessenen Drehzahl sowie von einer außerhalb des Wälzlagers gemessenen Umgebungstemperatur abhängig sein. Die Nach- schmiermenge beträgt, wobei eine Abhängigkeit von lagerinternen oder lagerexternen Betriebsparametern gegeben sein kann, vorzugsweise 0,1 - 10 % der Erstbefettungsmenge.

In bevorzugter Ausgestaltung des Nachschmierverfahrens gehen die verschie- denen erfassten Betriebsparameter in eine Simulation des Alterungsprozesses des Schmierfettes ein, welche sowohl eine chemische Alterung des Schmierfettes als auch physikalische Alterungsvorgänge umfasst. Der Begriff„chemische Alterung" umfasst insbesondere die Oxidation des Schmierfettes, bei Anlagen, in welchen Verbrennungsvorgänge stattfinden, insbesondere bei verbren- nungsmotorischem Antrieb, eventuell auch eine Nitration und/oder Sulfation des Schmierfetts. Physikalische Änderungen des Schmierfetts im Laufe des Betriebs des Wälzlagers, das heißt physikalische, alterungs- und/oder beanspruchungsbedingte Zustandsänderungen, können insbesondere in Form eines steigenden Gehaltes an Fremdstoffen, speziell Abriebpartikeln und Wasser, eine Rolle spielen. Auch eine durch mechanische Einflüsse hervorgerufene Scherung oder Separation des Schmierstoffes ist in diesem Sinne ein physikalischer Alterungsvorgang.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Nachschmierverfahrens gehen die chemischen Alterungsprozesse einerseits und die physikalischen Alterungsprozesse andererseits ungleichgewichtet in die Simulation der Alterung des Schmierfettes ein. Des Weiteren ist die Möglichkeit gegeben, dass mindes- tens einer der Zustände des Schnnierfettes, das heißt der chemische und/oder physikalische Alterungszustand, nicht linear in die Bestimmung des gesamten Alterungszustands des Schmierfettes eingeht. Bei dem fettgeschmierten Lager handelt es sich beispielsweise um ein Kugellager, insbesondere um ein ein- oder mehrreihiges Schrägkugellager. Ebenso ist das Nachschmierverfahren bei beliebigen anderen Wälzlagertypen, beispielsweise bei Zylinderrollenlagern, Pendelrollenlagern oder Kegelrollenlagern, anwendbar. Unabhängig von der Art der Wälzkörper kann das nachzu- schmierende Lager zur Radiallagerung oder überwiegend zur Aufnahme radialer Kräfte vorgesehen sein. Ebenso ist das Nachschmierverfahren jedoch auch bei Axiallagern oder Lagern, welche hauptsächlich Axialkräfte aufnehmen, anwendbar. In besonderer Weise kommen die Vorteile des Nachschmierverfahrens bei hochdrehenden Wälzlagern, zum Beispiel Spindellagern, zum Tragen. Hierbei handelt es typischerweise um Schrägkugellager, also um Radial-Axial-Lager. In allen Fällen können von der Drehzahl der gelagerten, insbesondere elektromotorisch angetriebenen Komponenten sowie von der Antriebsleistung abhängige Beharrungstemperaturen im Laufe des Fettverteilungslaufs ermittelt und für spätere Nachschmiervorgänge genutzt werden.

Die Drehzahlkennwerte bei Spindellagern, wie sie in Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen, können bei Nutzung des erfindungsgemäßen Nachschmier- Verfahrens bis zu 3.000.000 mm ^* min ^"1 betragen. Die Erfindung dient hierbei im Unterschied zu herkömmlichen Nachschmierverfahren nicht allein der Verlängerung der Fettgebrauchsdauer, sondern auch der Erhöhung des Drehzahlkennwertes. Die hierbei erreichten Drehzahl kennwerte liegen in Größenordnungen, wie sie ansonsten bestenfalls mit Öl-/Luftschmierung realisierbar sind. Der hohe apparative Aufwand einer Öl-/Luftschmierung, wie die Bereitstellung gefilterter und getrockneter Luft, entfällt prinzipbedingt. Gleichzeitig werden grundsätzliche Vorteile einer Fettschmierung gegenüber einer Ölschmierung, wie die Abdichtwirkung des Fettes, genutzt. Zudem hat die Fettschmierung bei niedrigen Drehzahlen, welche auch bei Anlagen mit hohen möglichen Drehzahlen, zum Beispiel bei Schruppbearbeitung im Fall einer Werkzeugmaschine, vorkommen können, den Vorteil einer besseren Schmierung im Mischreibungsbereich, da die Wahrscheinlichkeit eines Metall/Metall- Kontaktes durch den aufgrund des im Schmierfett enthaltenen Verdickers stabileren Schmierstofffilm reduziert ist. Ferner ist bei Fettschmierung, wie im vorliegenden Fall vorgesehen, gegenüber einer Ölschmierung die Tatsache von Vorteil, dass eine geringere Abhängigkeit von der Einbaulage der gelagerten Komponenten, etwa der vertikalen oder horizontalen Anordnung einer Welle, gegeben ist. Das erfindungsgemäße Nachschmierverfahren ist für Anlagen mit vertikaler Welle, für Anlagen mit horizontaler Welle, für Anlagen mit unbestimmter Einbaulage, sowie für schwenkende Lage einer Welle geeignet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt in vereinfachter Darstellung:

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 Eine mehrere fettgeschmierte Wälzlager, nämlich Spindellager, aufweisende industrielle Anlage.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Eine insgesamt mit den Bezugszeichen 1 gekennzeichnete industrielle Anlage, kurz auch als Anlage bezeichnet, umfasst eine nur andeutungsweise dargestellte Antriebseinheit 2, nämlich einen elektromotorischen Antrieb, welcher eine Spindel 3 einer Maschine, von welcher ausschnittsweise ein Gehäuse 4 sich- tbar ist, antreibt. Das Gehäuse 4 ist nicht notwendigerweise das Gehäuse der gesamten Maschine. Vielmehr kann es sich auch um ein Gehäuse einer Maschinenkomponente, beispielsweise um ein Spindelgehäuse, handeln. Bei der Anlage 1 handelt es sich um eine Werkzeugmaschine. Die Spindel 3 ist im Gehäuse 4 mit Hilfe von zwei Wälzlagern 5,6, nämlich Schrägkugellagern, gelagert. Die gemeinsame Rotationsachse der Antriebseinheit 2, das heißt des Elektromotors, und der Wälzlager 5,6 ist mit R bezeichnet.

Bei den Wälzlagern 5,6 handelt es sich um fettgeschmierte Hochgenauigkeitslager. Zur Nachschmierung der Wälzlager 5,6 sind flexible Leitungen 7,8 vorgesehen, welche an ein Fettnachschmiergerät 9 angeschlossen sind. Die Leitungen 7,8 münden in das Gehäuse 4. Durch im Gehäuse 4 verlaufende sowie jeweils im Außenring der Wälzlager 5,6 vorhandene Bohrungen hindurch gelangt das Schmierfett direkt zu den Wälzkörpern der beiden Wälzlager 5,6. Ein Raum, welcher beide Wälzlager 5,6 einschließt, kann abgedichtet sein. Als Schmierstoff zur Erstbefettung sowie Nachschmierung der Wälzlager 5,6 ist ein Hochgeschwindigkeitsfett geeignet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Lithium-Komplex-Seifen-Fett, ein Barium-Komplex-Seifen-Fett, ein Calcium- Komplex-Seifen-Fett oder um ein Fett mit Polyharnstoffverdicker handeln.

Das Fettnachschmiergerät 9 ist datentechnisch verbunden mit einer Regel- und Überwachungseinheit 10, an welche auch zwei Messleitungen 1 1 ,12 ange- schlössen sind, über die die jeweils am Außenring gemessenen Lagertemperaturen der Wälzlager 5,6 erfasst werden. Über eine weitere Messleitung 13, die an die Regel- und Überwachungseinheit 10 angeschlossen ist, werden Drehzahlsignale übertragen, die von einem neben dem Wälzlager 6 angeordneten Drehzahlsensor 14 geliefert werden, welcher die Rotation und/oder Winkelstel- lung der Spindel 3 im Gehäuse 4 misst. An die Regel- und Überwachungseinheit 10 werden auch gemessene Motorstromdaten MD der Antriebseinheit 2 sowie gespeicherte Lagerdaten LD, welche die beiden nicht notwendigerweise gleichartigen Wälzlager 5,6 betreffen, übertragen. Die Darstellung nach Figur 1 ist hierbei symbolisch zu verstehen; die Speicherung der Lagerdaten LD könn- te beispielsweise auch in die Regel- und Überwachungseinheit 10 integriert sein. Bei den Motorstromdaten MD handelt es sich um Daten, welche für den Betrieb der Antriebseinheit 2 ohnehin zur Verfügung stehen und somit ohne zusätzlichen Hardwareaufwand durch die Regel- und Überwachungseinheit 10 und das Fettnachschmiergerät 9 nutzbar sind. Ein Motorstromsensor 15 ist Teil der Antriebseinheit 2. Zentrale Funktion der Regel- und Überwachungseinheit 10 ist die bedarfsgerechte Nachschmierung der Wälzlager 5,6 mit Fett. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Wälzlager 5,6 maximal mit der für abgedichtete Lager üblichen Fettmenge erstbefettet sind. Zur Bestimmung von Parametern einer zeit- und mengengerechten Nachbefettung werden zum einen lagerintere Betriebs- parameter der Anlage 1 erfasst. Im vorliegenden Fall handelt es sich hierbei um die Lagertemperaturen der Wälzlager 5, 6 sowie um die direkt am Wälzlager 6 mittels des Drehzahlsensors 14, das heißt mit einem internen Sensor, gemessene Drehzahl der Spindel 3. Optional verarbeitet die Regel- und Überwachungseinheit 10 auch Signale eines speziellen, nicht dargestellten Schmierstoffsensors, welcher an einem der Wälzlager 5,6 oder an jedem der Wälzlager 5,6 als interner Sensor angebracht ist und beispielsweise entsprechend der DE 10 2006 015 1 1 1 A1 aufgebaut sein kann. Ein solcher Sensor ist neben der Temperaturmessung auch zur Messung des Wassergehalts sowie des Feststoffgehalts im Schmiermittel vorgesehen.

Zum anderen fließen in die Bestimmung der Nachschmierparameter auch lagerexterne Betriebsparameter ein. Im vorliegenden Fall ist dies der gemessene Motorstrom der elektrischen Antriebseinheit 2. Durch die Verwertung sowohl von einer lagerinternen als auch von einer lagerexternen Sensorik gewonne- nen Daten ist insgesamt eine sehr gute Voraussetzung geschaffen, ein Abdriften von Betriebsparametern aus dem bestimmungsgemäßen Bereich frühzeitig und zuverlässig zu erkennen.

Darüber hinaus können auch weitere Informationen, die außerhalb der Wälzla- ger 5,6 gewonnen wurden, beispielsweise zum Vorhandensein und zur Zusammensetzung eines durch die Anlage 1 hindurch geförderten Mediums, welches Einflüsse auf die Wälzlager 5,6 ausüben kann, durch die Regel- und Überwachungseinheit 10 genutzt werden, um Nachschmierzeitpunkte sowie jeweils korrekte Mengen an zuzuführendem Fett zu berechnen. Die Fettnachschmierung selbst erfolgt, indem das als Schmiermittel verwendete Fett jeweils ausschließlich während eines Förderzyklus mit Druck beaufschlagt wird. An- sonsten verbleibt das Fett während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Anlage 1 drucklos oder weitgehend drucklos im Fettnachschmiergerät 9 und in den Leitungen 7,8. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass das als Schmiermittel verwendete Spindellagerfett, welches für hohe Drehzahlen geeignet ist, unter permanenter Druckbeaufschlagung separiert. Die Lagerung der Spindel 3 durch die Wälzlager 5,6 ist für Drehzahl kennwerte bis 3 Mio. mm ^* min ^"1 , beispielsweise für einen Drehzahlkennwerte von 2,2 Mio. mm ^* min ^"1 , ausgelegt.

Bezugszahlenliste

1 Anlage

2 Antriebseinheit

3 Spindel

4 Gehäuse

5 Wälzlager

6 Wälzlager

7 Leitung

8 Leitung

9 Fettnachschmiergerät

10 Regel- und Überwachungseinheit

1 1 Messleitung

12 Messleitung

13 Messleitung

14 Drehzahlsensor

15 Motorstromsensor

LD Lagerdaten

MD Motorstromdaten

R Rotationsachse