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Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 2305 „Sensorintegrierende Maschinenelemente“ entwickelt das Fachgebiet KuP gemeinsam mit dem Fachgebiet Elektronische Mess- und Diagnosetechnik von Prof. C. Gühmann eine Standardisierte integrale Instrumentierung von Gasfolienlagern zur Zustands- und Betriebsüberwachung.

DFG-Schwerpunktprogramm 2305

Die Digitalisierung bietet enormes Potenzial für gesellschaftlich bedeutsame Innovationen, vor allem wenn sie flächendeckend zugänglich gemacht wird. Häufig stehen die dafür erforderlichen Daten jedoch nicht in ausreichender Menge und Qualität zur Verfügung. In nahezu jeder Maschine befinden sich in direkter Prozessnähe standardisierte Maschinenelemente, wie Schrauben, Lager und Zahnräder. Es bietet sich an, genau dort, also „in-situ“, Sensorsysteme zur Datenerfassung und ‑aufbereitung für unterschiedliche prozessrelevante Messaufgaben zu integrieren. So können zum Beispiel an einem Zahnrad integrierte Sensorsysteme verschiedene Informationen, wie zum Beispiel Drehwinkel, Beschleunigungen, Vibrationen, örtliche Temperaturen und mehr, ggf. unter Anwendung von KI-Methoden auswerten und so zum Beispiel beginnende Schäden frühzeitig identifizieren und melden. Die DFG hat dazu ein Schwerpunktprogramm eingerichtet, in dem die wissenschaftlichen Grundlagen für „Sensorintegrierende Maschinenelemente“ (SiME) und deren methodisch gestützte Konzeptionierung und Systemintegration erforscht werden.

https://www.spp2305.de/ [1]

 

Standardisierte integrale Instrumentierung von Gasfolienlagern zur Zustands- und Betriebsüberwachung

 

 

Prinzipskizze des Vorhabens
Lupe [2]

 

 

Grundsätzlich soll ein sensorintegrierendes Gasfolienlager entwickelt werden, das für wichtige Messgrößen für die Zustandsüberwachung des Lagers selbst aber auch Daten für die Betriebsüberwachung des gelagerten Rotorsystems liefert. Dabei sollen die Messgrößen sowohl direkt unter Verwendung von Standardsensoren während des Betriebs als auch durch Ausnutzung physikalischer Effekte mittels virtueller Sensoren ermittelt werden. Bei den Entwicklungsschritten wird geprüft, ob die gerade untersuchte Sensorintegration prinzipiell auch für andere Lagertypen (Wälz- oder Gleitlager) einsetzbar ist. Diesbezüglich ist auch ein wissenschaftlicher Austausch mit den anderen am SPP 2305 beteiligten Projekten vorgesehen. Wichtigstes Ziel der Sensorintegration bleibt die vollständige Erhaltung der Funktionalität der Gasfolienlager. Die Ermittlung folgender Messgrößen wird im Vorhaben im Vordergrund stehen: Momentandrehzahl, Temperatur, Beschleunigung, Abhebedrehzahl (Fluidreibungsbetrieb), Körper- und Luftschall. Neben den direkt gemessenen Größen sollen im Sensorknoten weitere Größen indirekt algorithmisch bestimmt bzw. geschätzt werden. Ziel ist dabei, die Momentandrehzahl, die Abhebedrehzahl und die Reibzustände hinreichend präzise zu ermitteln. Die kabellose Übertragung der im Betrieb aufgenommenen Daten der integrierten Sensorik an eine externe Basisstation ist eine weitere Zielsetzung innerhalb des Vorhabens. Hierzu wird eine Bluetooth Übertragung anvisiert. Ein wichtiges Ziel, das sich aus der Datenübertragung und der Energieversorgung zwangsläufig ergibt, ist die Realisierung einer Datenkompression beziehungsweise einer prozessnahen Datenauswertung. Die Forschungsfrage hierzu lautet, ob die Energie für den Einsatz der Datenkompressions-Algorithmen oder zur insitu-Datenauswertung geringer ist im Vergleich zum Energiebedarf bei der Übertragung größerer Datenmengen. Im Vorhaben wird darüber hinaus eine autarke Energieversorgung der integrierten Sensorik und der weiteren beteiligten Elektronik angestrebt. Hierfür ist ein detailliertes Energieversorgungskonzept zu erstellen. Ziel ist es, eine belastbare Aussage über die Energieausbeute für die einzelnen Prinzipien zu gewinnen. Es werden voraussichtlich mehrere Energieversorger, d.h. im Betrieb aufladbare Batterien und Energy-Harvesting-Systeme berücksichtigt, die in der Summe die benötigte Energie für Sensoren und Datenübertragung liefern. Weiteres Ziel der Entwicklung ist die möglichst vollständige Integration der Sensorik, der Elektronik, der Datenübertragungstools und der Energieversorgung innerhalb des Lagers selbst. Ein Sensoranbau wie in den genannten Industrielösungen soll vermieden werden. Stattdessen wird eine integrierende Lösung wie in [HG00] angestrebt. Allerdings wird dieses Ziel in der ersten Förderphase bei einigen Sensoren oder Energieerzeugungssystemen möglicherweise zurückzustellen sein. Darüber hinaus wird eine generelle Konstruktionsmethodik für sensorintegrierende Gasfolienlager entwickelt.

In der zweiten Förderperiode stehen die Fertigung und der Test vollständiger Prototypen mit mehreren oder allen in der ersten Förderperiode entwickelten Sensorintegrationen im Vordergrund. Dabei werden an einem Teststand auch die klassischen Funktionsfähigkeiten der Lager und die Betriebszuverlässigkeit der Sensorik, der Datenübertragung und der Energieversorgung untersucht. Darüber hinaus soll eine Einbindung der Sensorintegrierten Lager in Systeme zur Zustands- und Betriebsüberwachung getestet werden.

 

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