Hochgenaue Spaltüberwachung in Maschinen und Anlagen

  • Bei der Überwachung des Ölspaltes an hydrostatischen Lagern sind eine gute Reproduzierbarkeit sowie eine hohe Temperaturstabilität entscheidend.

Wirbelstrombasierte Wegsensoren zeichnen sich – im Gegensatz zu herkömmlichen induktiven Sensoren – durch hohe Genauigkeit, Grenzfrequenz und Temperaturstabilität aus. Sind die Sensoren zusätzlich noch für ­Umgebungstemperaturen bis +200 °C ausgelegt, eignen sie sich vor allem für Applikationen in rauen Umgebungen.

Mit dem eddyNCDT 3060 hat Micro-Epsilon ein Wegmesssystem basierend auf dem Wirbelstromverfahren entwickelt, das Präzision, Geschwindigkeit und Temperaturstabilität kombiniert. Die Stärken des Systems zeigen sich vor allem bei der Spaltmessung in rauen Umgebungsbedingungen.
Aufgrund der robusten Bauweise und der hohen Messgenauigkeit wird es zur Überwachung des Schmierspalts und der thermischen Ausdehnung eingesetzt, ebenso wie zur Bestimmung von Wellenbewegungen und Rundlauf von Maschinenteilen und Antriebskomponenten. Das induktive Wegmesssystem besteht aus einem kompakten Controller, einem Sensor sowie einem Kabel und ist werkseitig auf ferromagnetische bzw. nicht ferromagnetische Materialien abgestimmt. Zudem zeichnet sich das System durch über 400 kompatible Sensormodelle, eine hohe Genauigkeit und intelligente Signalverarbeitung aus.
Das Wirbelstrommesssystem ist prädestiniert für schnelle, berührungslose Wegmessungen auf metallische Messobjekte in industriellen Umgebungen. Sensor und Controller sind aktiv temperaturkompensiert, sodass auch bei Temperaturschwankungen eine sehr hohe Messgenauigkeit bis in den Mikrometerbereich erreicht wird. Die Sensoren sind für Umgebungstemperaturen bis maximal +200 °C und einen Umgebungsdruck bis 20 bar ausgelegt. Messungen erfolgen mit einer Grenzfrequenz von bis zu 20 kHz. Die Bauform des Controllers und die Feldbusanbindung ermöglichen zudem eine einfache Integration in Maschinen und Anlagen.

Individuelle Anpassungsmöglichkeiten
Eine weitere Besonderheit stellt die abstandsunabhängige Mehrpunktkalibrierung dar, mit der neben der werksseitigen Kalibrierung zusätzlich eine kundenseitige Feld-Linearisierung erfolgen kann. Es besteht die Möglichkeit, mit der Controller-Ausführung DT3061 eine 5-Punkt-Linearisierung durchzuführen und damit die Messgenauigkeit nochmals zu steigern.

Das DT3061 bietet zudem Schalt- und Temperaturausgänge sowie die Speicherung von Mehrfachkennlinien. Die Parametrierung des eddyNCDT 3060 erfolgt über ein bedienerfreundliches Web-Interface, das über die Ethernet-Schnittstelle aufgerufen wird.
Seine Stärken zeigt das Wirbelstrommesssystem unter anderem bei der Spaltanalyse in Axialkolbenpumpen. Dort überwachen die Sensoren auf kleinem Raum sogenannte Dichtspalte, bei gleichzeitig hohen Drehzahlen und rauen Umgebungsbedingungen. Axialkolbenpumpen wandeln mechanisch gewonnene Bewegungsenergie in hydraulische Energie um. Häufig werden sie in Arbeitsmaschinen verwendet, die neben ihrer Fortbewegung gleichzeitig hydraulische Bewegungen wie Heben, Drehen oder Greifen beispielsweise über Schaufeln oder Kranausleger ausführen. Um hydraulischen Druck aufzubauen, rotiert im Inneren der Pumpe ein Zylinder mit Kolben zwischen zwei fixierten Platten. Über diese Platten kann der gewünschte Druck durch Regulierung der Durchflussöffnung gesteuert werden.
Damit sich die verbundenen mechanischen Teile optimal und möglichst lange drehen können, sollte die Reibung minimal sein. Deshalb sind zwischen den Bauteilen schmale Spalte vorhanden, die gleichzeitig optimale Gleiteigenschaften aufweisen. Meist sind diese Spalte unter 20 µm, teilweise sogar unter 10 µm breit. Neben der Reibungsreduzierung haben die Dichtspalte auch die Aufgabe, das Hydrauliköl im Kreislauf zu halten und beeinflussen damit die Wirkungsweise der Maschinen maßgeblich. Veränderungen im Spalt können zu Druckverlust bis hin zum Ausfall der Pumpe führen.
Das Verhalten des Spaltes wird daher am Teststand gemessen, um die Konstruktion der Pumpen möglichst optimal auslegen zu können. Bisher waren Spaltmessungen im Inneren der Pumpen aufgrund der extremen Anforderungen nicht möglich. Die eingesetzten Sensoren liefern auch bei hohen Drehzahlen, hohen Drücken und Temperaturen über 100 °C präzise Ergebnisse. Des Weiteren sind die Pumpen kompakt gebaut, was den verfügbaren Platz zur Integration von Sensorik deutlich einschränkt. Durch kleine Sensorbauformen und ihre hohe Druck- und Temperaturstabilität sind die induktiven Miniatursensoren der Reihe eddyNCDT für diese Applikation prädestiniert. Im Teststand zur Evaluierung der Pumpen wird daher das Wirbelstrom-Messsystem eddyNCDT 3060 eingesetzt. Dadurch lassen sich mikrometergenaue Messungen der Spalte realisieren, woraus schließlich Analysen erstellt werden, um die Effizienz von Axialkolbenpumpen zu optimieren.

Überwachung des Ölspaltes an ­hydrostatischen Lagern
Hydrostatische Lager werden an vielen Großanlagen wie Steinmühlen oder Teleskopanlagen verwendet. Die Überwachung des Spaltmaßes in diesen Lagern ist von Bedeutung, da bei Störungen in der Hydraulik der Öldruck sinken kann und dies im Extremfall den Spalt schließt. Die Folge wäre eine Beschädigung am Lager, die einen Ausfall der Großanlage nach sich ziehen kann. Um auch die Nachrüstung älterer Anlagen zu ermöglichen, muss das eingesetzte Messsystem, welches am Lagerschuh montiert wird, einfach zu installieren sein. Aufgrund der langen Lebensdauer und des weltweiten Einsatzes der Anlagen sollte zudem ein einfacher Austausch des Sensors möglich sein.
Eingesetzt werden berührungslose Wegmesssysteme der Reihe eddyNCDT 3060. Entscheidend für die Messaufgabe sind eine gute Reproduzierbarkeit sowie eine hohe Temperaturstabilität. Diese Sensoren zeichnen sich zudem durch ihre robuste und kompakte Bauform aus. Die Anlagen werden im Außenbereich betrieben, wodurch Spritzöl und Wasser auftreten können.

Lagerspaltmessung in Windkraftanlagen
Windkraftanlagen besitzen typischerweise zwei Hauptlager, in denen die Rotorwelle läuft. Diese müssen aus Sicherheits- und Kostengründen rund um die Uhr kontrolliert werden. Die Überwachung des Lagerspalts, der sich zwischen Lagerfläche und Antriebswelle befindet, gilt als eine der zentralen Mess­aufgaben. Ein Ölfilm im Lagerspalt verhindert den direkten Kontakt von Lagerfläche und Welle. Bessere Gleiteigenschaften des Lagers erhöhen den Wirkungsgrad und verlängern dadurch die Lebensdauer. Die Breite des Lagerspalts ist die ausschlaggebende Größe für diese Gleiteigenschaft. Aus der Größe des Lagerspalts lassen sich Rückschlüsse auf den Verschleiß ziehen. Nimmt die Spaltbreite ab, bedeutet das gleichzeitig eine Verringerung des Ölfilms, wodurch die Lagerkomponenten stärker abgenutzt werden. Hohe Temperaturen und schneller Verschleiß bis hin zum Lagerschaden wären die Folge. Im Extremfall steht die Anlage still und versursacht dadurch hohe Servicekosten.
Bisher wurden Lagerspalte nur taktil während eines Stillstandes gemessen. Induktive Sensoren auf Wirbelstrombasis von Micro-Epsilon erfassen dagegen Messwerte im laufenden Betrieb der Anlage und ermöglichen dadurch eine zuverlässige und wirtschaftliche Echtzeit-Analyse. Möglich sind sowohl der Einsatz am Prüfstand als auch die Serienintegration. Ideal ist ein Serieneinsatz, da bereits bei der Montage und Inbetriebnahme der Anlage die korrekte Ausrichtung und präzise Justage erfolgen können.

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