Präzision beim Messen des Impedanz von Lagern

Die Fertigungsindustrie verändert sich mit neuer Technologie. Ein grosser Teil dieser Veränderung – oft als Industrie 4.0 bezeichnet – konzentriert sich darauf, Prozesse effizienter zu gestalten. Ein Bereich, in dem das besonders wichtig ist, ist der reibungslose Betrieb von Maschinen. Genauer gesagt müssen wir beobachten, wie Teile wie Lager funktionieren. Lager sind überall und entscheidend dafür, dass Maschinen richtig arbeiten. Wenn ein Lager ausfällt, kann das zu erheblichen Problemen führen, einschliesslich Maschinenstillständen.

Um diese Ausfälle zu vermeiden, ist es wichtig, zuverlässige Daten über die Lager zu sammeln. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, eine Eigenschaft namens elektrische Impedanz zu betrachten, die uns Informationen über den Zustand eines Lagers gibt. Regelmässiges Überprüfen der Impedanz kann helfen, Probleme zu erkennen, bevor sie zu einem Ausfall führen. Eine Methode namens AC-Wheatstone-Brücke wird empfohlen, um die Impedanz genau zu messen, insbesondere für Lager, die unter bestimmten Bedingungen betrieben werden.

#Impedanzmessung bei Wälzlagern

Wälzlager sind essentielle Teile in vielen Maschinen. Sie tragen Lasten und ermöglichen eine reibungslose Bewegung. Leider sind sie anfällig für Ausfälle, die fast 20 % der Maschinenstillstände ausmachen können. Da Elektrofahrzeuge immer häufiger werden, ergibt sich ein weiteres Problem mit Lagern: Schäden durch elektrische Ströme. Die Messung der elektrischen Impedanz kann Einblicke in den Gesundheitszustand dieser Lager geben.

Den Zustand eines Lagers zu kennen, hilft dabei, unerwartete Ausfälle zu verhindern. Forschungsergebnisse zeigen, dass die Messung der Impedanz helfen kann, Abnutzung zu erkennen, wie z. B. Grubenbildung, die ein häufiges Problem bei Lagern ist. Während viele Methoden zur Messung der Impedanz zur Verfügung stehen, sind einige besser als andere.

#Elektrisches Verhalten von Wälzkontakten

Das elektrische Verhalten von Wälzkontakten hängt von der Menge an Schmierung ab, die vorhanden ist. Wenn keine Schmierung vorhanden ist, berühren sich die Wälzkörper direkt mit den Laufbahnen, was Widerstand erzeugt. Mit Schmierung kommt jedoch ein Kapazitiveffekt ins Spiel, der je nach Qualität der Schmierung variiert. Wenn die Schmierung zu dünn ist, kann das zu schädlichen elektrischen Strömen führen, die das Lager beschädigen könnten.

In einem gut geschmierten Lager setzt sich die Impedanz aus Widerstand und Kapazität zusammen. Zu verstehen, wie diese Komponenten zusammenarbeiten, ist entscheidend, um Lager als Sensoren zur Überwachung ihres eigenen Zustands zu nutzen.

#Methoden zur Impedanzmessung

Verschiedene Methoden können verwendet werden, um die Impedanz von Wälzlagern oder anderen Geräten zu messen. Hier sind die Hauptmethoden, die derzeit verwendet werden:

#Ladekurvenmessung

Diese Methode nutzt Gleichstrom, um die Schmierung zu messen. Ein bekannter Strom wird durch das Lager geleitet, und die Zeit, die benötigt wird, um eine bestimmte Spannung zu erreichen, wird gemessen. Wenn Metallkontakte vorhanden sind, kann diese Methode jedoch zu Durchbruchströmen führen, was sie für die langfristige Überwachung ungeeignet macht.

#Strom- und Spannungsmessung

Diese Methode basiert auf Ohms Gesetz. Es werden Spannung und Strom durch das Lager gemessen, um die Impedanz zu berechnen. Sie funktioniert am besten für höhere Impedanzen. Allerdings hat sie Einschränkungen, wenn der Innenwiderstand des Messgeräts geringer ist als die zu messende Impedanz.

#Spannungsvergleich

Diese Methode nutzt eine Referenzimpedanz, um Messfehler zu minimieren. Durch den Vergleich von Spannungen über der Referenzimpedanz und Generatorspannung kann die unbekannte Impedanz berechnet werden. Diese Technik ist vorteilhaft, da sie systematische Fehler reduzieren kann. Sie erfordert jedoch eine sorgfältige Auswahl der Referenzimpedanz, um zu der zu beobachtenden zu passen.

#Messbrücke

Eine Messbrücke kann sowohl Gleich- als auch Wechselstromsignale verwenden. Sie benötigt bekannte Referenzimpedanzen, um die unbekannte Impedanz zu finden. Diese Methode ist robust und sensitiv gegenüber Umwelteinflüssen. Eine AC-Wheatstone-Brücke ist ein spezifisches Beispiel, das sich gut für die Impedanzmessung in realen Anwendungen eignet.

#Vergleich der Messmethoden

Wenn es darum geht, eine Methode zur Messung der Impedanz in Lagern auszuwählen, ist es wichtig, die Betriebsbedingungen des Lagers zu berücksichtigen. Einige Methoden, wie die Ladekurvenmessung, können Schäden verursachen und sind nicht geeignet. Die Strom- und Spannungsmessmethode hat Einschränkungen basierend auf dem Widerstand. Die Spannungsvergleichsmethode kann in bestimmten Fällen verwendet werden, aber die AC-Wheatstone-Brücke scheint die insgesamt beste Option zu sein, da sie unter verschiedenen Bedingungen zuverlässig ist.

#Anwendung der AC-Wheatstone-Brücke

Die AC-Wheatstone-Brücke wird verwendet, um die Impedanz in verschiedenen Setups zu messen. Die Anwendungstests umfassen die Untersuchung, wie diese Messmethode den Zustand von Lagern im Laufe der Zeit effektiv überwachen kann.

#Testaufbau für Wälzlager

Ein Experimentaufbau besteht aus mehreren Testkammern für Wälzlager. Jede Kammer kann Lager auf verschiedene Weise belasten. Sensoren werden platziert, um sowohl Temperatur als auch Vibrationen in jeder Kammer zu überwachen. Dieser Aufbau hilft dabei, Lager unter verschiedenen Schmierbedingungen und Lasten zu beobachten.

#Einzelkontaktprüfung

Ein spezifischer Test besteht darin, die Impedanz eines einzelnen Kugellagers aus Stahl zu messen. Indem eine Keramikkugel durch eine Stahlkugel ersetzt wird, kann die Impedanz unter Last gemessen werden. Während die Kugel rollt, ändert sich der Abstand zwischen der Kugel und der Laufbahn, was die Kapazität beeinflusst. Diese Methode hilft, zu verstehen, wie der Zustand des Lagers und die Last sich gegenseitig beeinflussen.

#Ermüdungstests

Ermüdungstests werden mit zwei Arten von Lagern unter bestimmten Belastungsbedingungen durchgeführt. Durch das Anwenden unterschiedlicher Lasten bei konstanter Geschwindigkeit können Forscher beobachten, wie sich die Impedanzsignale ändern, wenn das Lager dem Ausfall näherkommt. Das kann helfen, herauszufinden, wie lange das Lager unter bestimmten Bedingungen halten kann.

#Ergebnisse und Beobachtungen

Die Ergebnisse der Tests zeigen, dass Impedanzmessungen drei verschiedene Phasen im Lebenszyklus eines Lagers erkennen können: die Einlaufphase, die normale Betriebsphase und die Versagensphase. Diese Phasen können durch die Analyse der Impedanzdaten über die Zeit unterschieden werden.

Die während dieser Tests erzeugten Signale zeigen unter ähnlichen Bedingungen ein konsistentes Verhalten. Die Impedanzänderungen liefern klare Anzeichen von Abnutzung, sodass zwischen normalem Betrieb und potenziellem Versagen unterschieden werden kann.

#Datensammlung zur Zustandsüberwachung

Die Überwachung des Zustands von Lagern durch Impedanzmessungen hat erhebliche Vorteile. Durch die Analyse der Impedanzdaten wird es möglich, verschiedene Phasen der Lagerbenutzung zu identifizieren. Dieses Wissen kann unerwartete Ausfälle verhindern und die Lebensdauer des Geräts verlängern.

#Umwelteinflüsse auf die Messungen

Bei der Impedanzmessung können verschiedene Umweltfaktoren die genauen Messungen beeinträchtigen. Dazu gehören Schallvibrationen, elektrische Störungen und Temperaturänderungen. Das Wissen um diese Variablen hilft, die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.

#Störvariablen berücksichtigen

Das Verständnis möglicher Störungen im Messsystem ist entscheidend. Der Testaufbau wird so gestaltet, dass diese Störungen so weit wie möglich minimiert werden. Dazu gehört die Verwendung der richtigen Abschirmung für elektrische Komponenten und die Gewährleistung, dass der Aufbau von Vibrationen und Geräuschen benachbarter Systeme isoliert ist.

#Fazit

Zusammenfassend konzentriert sich die Studie darauf, die Bedingungen zur Messung der Impedanz in Wälzlagern zu verbessern, um deren Gesundheit effektiv zu überwachen. Durch das Testen unterschiedlicher Methoden wurde die AC-Wheatstone-Brücke aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Genauigkeit unter verschiedenen Bedingungen ausgewählt.

Die Überwachung der Impedanz kann die Systeme zur Zustandsüberwachung erheblich verbessern und helfen, Ausfälle zu verhindern, bevor sie eintreten. Durch sorgfältiges Design und Testing erweist sich die AC-Wheatstone-Brücke als wertvolles Werkzeug zur Gewährleistung des optimalen Betriebs von Wälzlagern in vielen Anwendungen.

Die kontinuierlichen Bemühungen, die Messtechniken zu verfeinern, werden weiterhin zur Effizienz in den Herstellungs- und Wartungsprozessen beitragen, was letztendlich zu niedrigeren Kosten und einer verbesserten Maschinenzuverlässigkeit führt.