Fluoreszenzmeßverfahren zur Schmierfilmdickenmessung in Wälzlagern

Verschleiß und Ausfall von Maschinenelementen in Maschinen und Anlagen hängen sehr stark von den vorherrschenden Einsatzbedingungen ab. Diese über- bzw. unterschreiten oftmals die zulässigen Grenzwerte. In diesen Fällen ist es durch den Einsatz von geeigneten Sensorsystemen an Maschinen und Anlagen möglich, nicht zulässige Betriebszustände zu erfassen bzw. gegebenenfalls zu verhindern und Folgekosten durch Verschleiß und Ausfall zu vermeiden /1/.

Mit den in jüngster Zeit entwickelten modernen Verfahren zur Frühdiagnose und Analyse von Schäden an Maschinen und Maschinenanlagen /6/ ist es gelungen, einen entstehenden Schaden oder bevorstehenden Ausfall eines entsprechenden Maschinenelements im Betrieb rechtzeitig vorher zu erkennen. Dadurch kann eine Reparatur bzw. ein Austausch des entsprechenden Elements geplant und mögliche Anlagenausfallkosten durch unvorhergesehenen Maschinenstillstand verhindert werden. Bild 2 zeigt eine Zusammenstellung der bekanntesten Verfahren, die für die Überwachung von Wälzlagern geeignet sind.

Der Schmierstoff und seine Eigenschaften, abgestimmt auf die Betriebsbedingungen, sowie die Makro- und Mikrogeometrie der Berührflächen, die Oberflächengeschwindigkeiten der Kontaktflächen, sowie die zu übertragenden Kräfte bestimmen die Schmierfilmdicke. Wird die Schmierfilmdicke größer als die Summe der maximalen Oberflächenrauhheit beider aufeinander abrollender Körper, dann erfolgt eine vollständige Trennung der Oberflächen durch den Schmierfilm. Eine weitgehende Trennung wird angestrebt.

Aufgrund der aufgezeigten schmierungstechnischen Anforderungen der Wälzlager und den Randbedingungen durch die unterschiedlichen industriellen Einsatzfälle des Verfahrens ergeben sich für ein Schmierfilmdickenüberwachungsgerät zahlreiche unabdingbare Forderungen.

Aufgrund der technischen Anforderungen bei der Schmierfilmdickenmessung und -überwachung bei Wälzlagern und den Randbedingungen durch den geplanten industriellen Einsatz des Verfahrens, erscheint das Lumineszenzverfahren von den vorgestellten Möglichkeiten am besten geeignet.

Um in Wälzlagern die Schmierfilmdicke zu messen und zu überwachen, sind die Entwicklung eines geeigneten PrüfStandes und entscheidende Weiterentwicklungen an bekannten Fluoreszenzmeßverfahren vorzunehmen. So konnte Kohnlechner /78/ in seinen Untersuchungen in pneumatischen Zylindern mit seinem Verfahren lediglich statisch in ruhendem Zustand messen. Messungen während des Betriebs der Zylinder waren nicht möglich. Erst nach Zerlegen der Zylindereinheit konnte an den entscheidenden Stellen die Schmierstoffschichtdicke auf den Oberflächen bestimmt werden. Bei den Schmierfilmdickenuntersuchungen in Wälzlagern ist jedoch eine Hauptanforderung, bei serienmäßigen Wälzlagern im Betrieb dynamisch die Schmierfilmdicke zu messen und zu überwachen. Es muß versuchstechnisch sichergestellt werden, daß das Meßverfahren auch bei den maximal zulässigen Betriebsdrehzahlen des Lagers die tatsächliche Schichtdicke erfaßt.

Da das hier vorgestellte Meßverfahren sehr genau ist (Auflösung bis zu 0,1 µm), wirken sich verschiedene Einflüsse durch den Aufbau und das Umfeld unterschiedlich auf die Genauigkeit des Meßverfahrens aus. Beispielsweise haben Untersuchungen gezeigt, daß bereits durch Temperaturschwankungen verursachte Längenänderungen im Gesamtaufbau sofort Änderungen des Meßsignals verursachen. Erschütterungen an der Labortischplatte während der Messung führten zu Meßwertänderungen in der Größenordnung des Meßwertes selbst. Diese zufälligen Einflüsse hatten zur Folge, daß sich die optische Einkopplung der Anregungsstrahlung in den Lichtwellenleiter veränderte. Durch entsprechende konstruktive Maßnahmen im Aufbau selbst konnten diese Beeinflussungen eliminiert werden.

Die auf Wälzkörpern und Lagerringen befindliche Schmierfilmdicke läßt sich mit dem beschriebenen Versuchsaufbau statisch und dynamisch im Betrieb messen. Um jedoch korrekte Messergebnisse zu bekommen, ist es erforderlich, zunächst die Meßeinrichtung unter Betriebsbedingungen mit laufender Chopperscheibe abzugleichen. Ebenfalls ist sicherzustellen, daß sich die in Abschnitt 7.1 aufgezeigten Einflüsse während der Versuchsmessungen nicht ändern.

Die durchgeführten Untersuchungen mit dem entwickelten Meßverfahren und seine Anwendung bei der Schmierfilmdickenmessung in Wälzlagern haben gezeigt, daß das Verfahren und der dazu entwickelte Meßaufbau zur Messung und Überwachung der Schmierfilmdicke geeignet sind. Überzeugend war vor allem die hohe Auflösung von 0,1 µm. Versucht man eine Bewertung des Verfahrens aufgrund der in Abschnitt 4 aufgestellten Anforderungen, ergibt sich folgendes Bild (siehe Bild 66):

Der Verschleiß und Ausfall von Wälzlagern infolge falscher bzw. mangelhafter Schmierung und den damit verbundenen hohen Anlagenausfallkosten machen die Entwicklung von Sensorsystemen zur Schmierfilmdickenmessung in Wälzlagern dringend erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird über die Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Schmierfilmdickenmessverfahrens mittels Fluoreszenz und sein praktischer Einsatz bei Wälzlagern im Betrieb berichtet. Das gesetzte Ziel, die Entwicklung eines Schmierfilmdickenmeßverfahrens zur Bestimmung der Schmierfilmdicke in Wälzlagern wurde erreicht.