Bild: Schaeffler
Näher ran an die Leistungsgrenze

Mit Kennwerten und Kennfeldern, innerhalb derer Maschinen optimal betrieben werden, kann der Maschinenbau sein exklusives Domain-Know-how dem Markt zur Verfügung stellen. Dem Maschinenbetreiber bietet dies die Möglichkeit, seine Betriebsstrategie entsprechend den aktuellen unternehmerischen Erfordernissen hinsichtlich Auslastung, Produktivität oder längerer Laufzeit zu variieren. Die hohe Integration der Sensorik am Lager reduziert den Bauraum und vereinfacht die Konstruktion wesentlich. Eine Antwort der Produktentwicklung von Schaeffler ist unter anderem ein Sensorcluster in Kombination mit Standard-Wälzlagern.


Auch heute noch – sieben Jahre nach Ankündigung der vierten industriellen Revolution durch die Bundesregierung – sind die Perspektiven und Entwicklungsziele von Industrie 4.0-Projekten so facettenreich wie die daran beteiligten Unternehmen. Die Spanne reicht von reinen Bausteinen wie lokalen Regelkreisen und Cloudlösungen über Predictive-Maintenance-Systeme bis hin zum Plan selbstorganisierender Fabriken. Im mittelständisch geprägten Maschinenbau kann von einer weiten Verbreitung digitalisierter Antriebe aktuell jedoch noch keine Rede sein. Als ein großes Hindernis stellt sich dort die im Verhältnis zu den Anschaffungskosten von kleineren Maschinen und Aggregaten relativ teure Messtechnik, die aufwendige Montage und Kabelverlegung mehrerer Sensoren sowie die oftmals fehlende Software-Architektur heraus.

 

Integrierte Sensorkombinationen


Für den Maschinenbau könnte sich diese Ausgangssituation mit der Verfügbarkeit kostengünstiger, weil standardisierter und integrierter Sensortechnologien inklusive passender Software-Pakete grundlegend verändern. Derartige Angebote finden sich inzwischen im Portfolio von Schaeffler. Der Automobil- und Industriezulieferer aus dem fränkischen Herzogenaurach bietet eine Vielzahl an sensorisierten Komponenten und Softwarelösungen, die die Messung von Temperatur, Drehzahl, Winkelposition, Körperschallschwingungen, die radiale und axiale Wellenverlagerung, den Schmierstoffzustand, den Verschleiß anhand der Partikelanzahl im Schmieröl und die Messung des Drehmoments ermöglichen. Das Angebot an den Maschinenbau lautet: mit sensorisierten Komponenten und Domain-Know-how einen „intelligenten“ Betrieb von Maschinen und Anlagen realisieren.

 

Maschinenteile besser ausreizen


Neben Condition-Monitoring-Systemen, die einen Initialschaden möglichst frühzeitig detektieren und im Vergleich zu Predictive-Maintenance-Systemen, die einen wahrscheinlichen Ausfall möglichst präzise voraussagen sollen, verfolgt Schaeffler mit den nachfolgend aufgeführten integrierten Sensorlösungen noch einen weiteren Ansatz. Dieser besteht darin, Maschinen, Aggregate und Antriebe innerhalb definierter, zulässiger Grenzwerte bzw. Kennfelder zu betreiben. So sind ungünstige Betriebsbedingungen und schädliche Über- und Unterlasten, die zu einem Schadensfall führen würden, von vornherein vermeidbar. Gleichzeitig können Maschinen und einzelne Antriebskomponenten noch näher als bisher an der Belastungsgrenze definiert „ausgereizt“ werden.


Dieser Ansatz bietet sowohl eine höhere Produktivität und Performance als auch längere Laufzeiten. Der Fokus zielt dabei nicht allein auf die Überwachung von Wälzlagerungen ab, sondern auf einen effizienten Betrieb der Maschinen oder Aggregate. Hierzu definiert der Maschinenhersteller Grenzwerte und Betriebskennfelder auf Basis seiner langjährigen Erfahrung. Die Kennfelder werden in der Steuerung hinterlegt und ermöglichen durch einen Abgleich mit den realen Lastdaten einen optimierten Betrieb der Maschinen und Anlagen bis zur Leistungsgrenze, ohne Schaden zu nehmen. Die relevanten Betriebs- und Lastdaten werden entweder sensorisch erfasst oder aus Sensordaten mittels Rechenmodellen bestimmt.

 

Beispiel: Korrelation Temperatur und Drehzahl


Bei Wärmeträgerölpumpen oder Heißwasserpumpen besteht die Gefahr, dass eine dauerhaft zu hohe Medientemperatur und zu hohe Drehzahlen Leckagen an den Dichtungen verursachen können. Solche Leckagen stellen gefährliche Brandherde dar. Der Lösungsansatz ist hier nicht, die Pumpe solange zu betreiben, bis die Leckage auftritt und im Rahmen einer geplanten Maßnahme instandzusetzen, sondern aus dem zeitlichen Verlauf von Drehzahl und Temperatur einen Grenzlastbetrieb zu erkennen. Hierzu wird vom Pumpenhersteller ein zulässiges Temperatur-Drehzahl-Zeit-Kennfeld definiert. Der Betreiber kann die Anlage mit Hilfe des Kennfeldes definiert nahe an der Belastungsgrenze betreiben, etwa bei niedriger Medientemperatur die Drehzahl gezielt so erhöhen, dass die Dichtungen oder andere Komponenten nicht beschädigt werden.

 

Sensorcluster in genormten Bauraum


Für solche Konzepte ist es weder praktikabel noch kostengünstig, mehrere Standard-Sensoren an einer Maschine zu applizieren. Daher hat sich Schaeffler für die Entwicklung eines Sensorclusters in Kombination mit Standard-Wälzlagern entschieden. Im Sensorring von Schaeffler VarioSense können bis zu fünf verschiedene Sensorelemente integriert werden. Konstruktiv ist lediglich ein Bauraum in der Größenordnung eines Radialwellendichtrings erforderlich. Die Anordnung direkt am Lager bietet zahlreiche Vorteile: genormter Bauraum, hoher Rundlauf und die Justage zum Encoderring entfällt.
Zu den möglichen Messgrößen zählen Drehzahlen bis zu 17000 min-1 inklusive Drehrichtungserkennung, Temperatur von –40 bis +125 °C, Wellenposition mit 56 bis 96 Imp./Umdrehung (baugrößenabhängig), der Vibrationspegel und die maximale radiale Wellenverlagerung mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich.


Da die Wellenverlagerung direkt am Lager gemessen wird, repräsentiert sie auch die Einfederungen in den Wälzkontakten des Lagers. Die Verlagerungsmessung kann man am Abtrieb beispielsweise dazu nutzen, Wellendurchbiegungen nur bis zu einer bestimmten Grenze zuzulassen, weil sie die Maschine oder den Maschinenprozess ungünstig beeinflussen. Die Alarmierung einer Maximallast ermöglicht es, dauerhafte Überbeanspruchungen im Betrieb, aber auch Spitzenlasten zu erkennen und den Betrieb der Maschine vor einer Initialschädigung von Komponenten anzupassen. Nicht nur die Lagerung, sondern auch alle anderen Komponenten werden vor Überlast optimal geschützt.


Mit Hilfe des Lagermodells, das beim Wälzlagerhersteller stets vorhanden ist, lässt sich aus der Wellenverlagerung aber auch die Lagerlast berechnen und überwachen. Diese kann dazu benutzt werden, die Maschinenlast und damit die Produktivität gezielt zu erhöhen.

 

Berührungslose Drehmomentmessung


Eine sehr präzise und berührungslose Messung des Drehmoments bieten die magnetoelastischen Sensormodule Schaeffler TorqueSense. Sie bestehen aus einem magnetisch konditionierten Wellenabschnitt und einer um die Welle angeordneten Auswerteeinheit. Realisierbar sind aktuell Wellendurchmesser bis ca. 100 mm; der Messbereich erstreckt sich auf 100 Nm bis 20 kNm.


Natürlich kann man das Drehmoment auf der Antriebsseite auch elektrisch bestimmen. Die Torsionssteifigkeit des Antriebsstrangs, Massenträgheiten sowie Dämpfungselemente erlauben es jedoch nicht, am Elektromotor das Drehmoment am Abtrieb der Maschine dynamisch exakt zu erfassen. Von besonderem Vorteil ist es daher, dass Schaeffler TorqueSense nahezu beliebig im Antriebsstrang positionierbar ist. Das berührungslose Messsystem beeinflusst weder die Torsionssteifigkeit noch die Überlastfähigkeit des Antriebsstrangs. So können Störungen und Abweichungen sehr nahe am Maschinenprozess präzise erfasst und „ausgeregelt“ werden. Diese Funktion wird beispielsweise in der Landtechnik für ein optimales Streubild von Düngemittelstreuern eingesetzt. Mit den Drehmoment-Sensormodulen lassen sich vielfältige Funktionen realisieren, wie zum Beispiel:


– Power on Demand, d. h. die exakte und drehmomentgeführte Steuerung von Maschinen,
– Steuerungsfunktionen, z. B Automatisierungsfunktionen wie Wickler, Bandzugregelung oder ähnliches,
– die Produktionsüberwachung, etwa für Verschraubungsvorgänge oder auch
– die Leistungsüberwachung und -regelung.


Weitere Einsatzmöglichkeiten von Schaeffler VarioSense und TorqueSense sind in der Tabelle aufgeführt.

 

18_3_me_TT_Schaeffler_Tabelle_550.jpg


www.schaeffler.com

 

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