Ein Beitrag zur Beschreibung des Fortschrittes elektrischer Schädigung in Wälzlagern

Harder, André (2023)
Ein Beitrag zur Beschreibung des Fortschrittes elektrischer Schädigung in Wälzlagern.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024360
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24360

Kurzbeschreibung (Abstract)

Elektrische Schäden in Wälzlagern sind eine häufige Ausfallursache elektrischer Antriebsmaschinen. Sie entstehen infolge von Potentialdifferenzen zwischen den stehenden und rotierenden Elementen des Lagers. Diese führen zu elektrischen Entladungen im Wälzkontakt, welche die Oberflächen der Wälzelemente sowie den Schmierstoff dazwischen schädigen und somit einen frühzeitigen Lagerausfall verursachen können. Obwohl das Phänomen seit Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt ist, gibt es bisher keine ganzheitliche Beschreibung der Lebensdauer von Lagern bei elektrischer Last. Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz, einer solchen Beschreibung näher zu kommen, zielt darauf ab, eine Schädigungsskala zu definieren, die eine quantifizierbare Beschreibung des Schädigungszustandes der Lageroberfläche ermöglicht. Zunächst werden im Rahmen einer Versuchsreihe 16 Lager bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen elektrisch geschädigt und dabei wird in regelmäßigen Abständen der Zustand der Laufbahnoberfläche erfasst. Von diesen Versuchsdaten ausgehend wird im ersten Schritt die elektrische Schädigung mithilfe einer komparativen Schädigungsskala bewertet. Darauf aufbauend werden Anforderungen an eine Schädigungsskala formuliert, die nicht nur eine qualitative oder komparative, sondern vor allem eine quantitative Bewertung elektrischer Lagerschädigung ermöglicht. Anschließend werden 45 unterschiedliche standardisierte Oberflächeneigenschaften auf ihre Eignung geprüft. Davon erfüllen 12 Oberflächeneigenschaften alle Anforderungen und können somit für eine Quantifizierung der Schädigung verwendet werden. Für diese Eigenschaften wird jeweils ein kritischer Grenzwert definiert. Im zweiten Schritt wird gezeigt, dass anhand der quantitativen Schädigungsskala die zeitliche Änderung der Schädigung infolge elektrischer Last beschrieben werden kann. Damit wird der Effekt der unterschiedlichen Betriebsbedingungen sowie deren Wechselwirkungen auf die zeitliche Änderung der Schädigung untersucht. Es zeigt sich, dass der Schädigungsfortschritt mit der Schmierfilmdicke im Wälzkontakt zunimmt. Im letzten Schritt wird gezeigt, dass die Quantifizierung des Schädigungszustandes mithilfe künstlicher neuronaler Netze auf Basis von Vibrationsdaten im Betrieb möglich ist. Dazu werden aus den Daten der Vibrationsmessung charakteristische Kennwerte (Features) abgeleitet. Diese Features werden zunächst selektiert, um redundante Features zu reduzieren. Anschließend wird mit 15 der 16 Versuchsdaten das neuronale Netz trainiert und die Funktionalität mit dem übrigen Datensatz validiert. Die Genauigkeit des erstellten Vorhersagemodells liegt im Rahmen der Varianz der Schädigung auf der Laufbahnoberfläche. Basierend auf den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen lassen sich weitere Untersuchungen durchführen, mit dem Ziel, die Lebensdauer von Wälzlagern unter elektrischer Last ganzheitlich zu beschreiben. Ansätze für derlei Untersuchungen werden am Ende dieser Arbeit gegeben.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Harder, André

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Ein Beitrag zur Beschreibung des Fortschrittes elektrischer Schädigung in Wälzlagern

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Kirchner, Prof. Dr. Eckhard ; Poll, Prof. Dr. Gerhard

Publikationsjahr:

2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

141, LIX Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

4 Juli 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024360

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24360

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Electrical damages in rolling bearings are a common cause of failure in electrical machines. They occur as a result of potential differences between the stationary and rotating elements of the bearing. These lead to electrical discharges in the rolling contact, which damage the surfaces of the rolling elements as well as the lubricant in between and thus cause premature bearing failure. Although the phenomenon has been known since the beginning of the 20th century, there is no holistic description of the lifetime of rolling bearings under electric load yet. The approach followed in this work to get closer to such a description aims at defining a damage scale that allows a quantification of the damage state on the bearing surface. Therefore, 16 bearings are electrically damaged under different operating conditions in a series of tests and the condition of the raceway surface is measured at regular intervals. Based on these test data, the electrical damage is evaluated in a first step using a comparative damage scale. Based on this evaluation, requirements are formulated for a damage scale that allows not only a qualitative or comparative, but above all a quantitative evaluation of the electrical bearing damage. Subsequently, 45 different standardized surface properties are tested for their suitability. Of these, 12 surface properties meet all the requirements and can thus be used to quantify the damage. A critical limit is defined for each of these properties. In the second step, it is shown that the quantitative damage scale can be used to describe the change in electrical damage over time. Thus, the effect of the different operating conditions and their interactions on the temporal change of the damage is investigated. It is shown that the damage progress increases with the lubricant film thickness in the rolling contact. In the last step, the quantification of the damage state with an artificial neural network trained with vibration data is shown. For this purpose, characteristic features are derived from the vibration measurement data. These features are first selected to reduce redundant features. Subsequently, the neural network is trained with 15 of the 16 test data and the functionality is validated with the remaining data set afterwards. The accuracy of the created prediction model is within the variance of the damage on the raceway surface. Based on the knowledge gained in this work, further investigations can be carried out with the aim of a holistic description of the lifetime of rolling bearings under electrical load. Approaches for such investigations are given in an outlook at the end of this work.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-243607

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Produktentwicklung und Maschinenelemente (pmd)

Hinterlegungsdatum:

17 Aug 2023 12:07

Letzte Änderung: