Autarkes sensorisches Folienlager

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519174340

Luftlager werden aufgrund der niedrigen Schmierspaltreibung und der schadstoffreihen Schmierung für sehr hoch drehende Wellen (z.B. n>100.000 min-1) eingesetzt. Das macht sie insbesondere für Luftverdichter und im medizinischen Bereich interessant. Auch wenn Luftlager im Betrieb nahezu reibungsfrei arbeiten, ist der untere Drehzahlbereich durch hohe Mischreibung geprägt. Bedingt durch die niedrige Drehzahl und die geringe Viskosität der Luft kann kein ausreichend tragfähiger Schmierfilm ausgebildet werden. Ein häufiges Durchfahren oder lange Verweildauern in diesem Bereich führen zu deutlich erhöhtem Verschleiß und so zu einer Verringerung der Restlebensdauer. Auch Überlast, starke Unwucht oder Verkantung kann zur Beschädigung des Luftlagers führen. Verstärkt wird dieser Effekt durch Fertigungsabweichungen, deren Auswirkungen nur schwer vorherzusagen sind. Ziel des Projektes ist eine On-Line Zustandsüberwachung von Folienluftlagern durch Sensorintegration zu erreichen. Eine On-Line Überwachung erlaubt eine saubere Abgrenzung von unvorteilhaften Betriebspunkten und eine genauere Restlebensdauerabschätzung und trägt so zu einer größeren Ausfallsicherheit und frühzeitigen Erkennung von Störungen bei. Relevante Lagerparameter sind die minimale Schmierspalthöhe, die Schmierspalttemperatur, bzw. aktuelle Folienform und Folientemperatur in Folienlagern, die Bahnkurve bzw. der Orbit des Wellenmittelpunkts und der Verschleiß im Lager. Die Herausforderung besteht also darin geeignete Sensoren zur Erfassung der relevanten Messgrößen in das aerodynamische Lager zu integrieren. Das impliziert hohe Anforderungen an die Integrierbarkeit und die Zuverlässigkeit dieser Sensoren, die auch im Bereich hoher Drehzahlen bzw. bei hochfrequenter Anregung und ggf. bei hohen Lagertemperaturen betriebssicher funktionieren müssen. Diese Zustandsüberwachung erfolgt durch die vollständige Integration eines komplexen Condition-Monitoring-Systems. Die Energieversorgung, Datenerfassung, Aufbereitung, Verarbeitung und Auswertung erfolgt im Lager. Der Lagerzustand wird nach der Verarbeitung durch drahtlose Datenübertragung weitergeleitet. Zur Bewertung des Betriebszustandes werden die Temperatur, der Luftspalt, die Unwucht, die Drehzahl, die Temperatur des Lagers, Foliendehnung und die Verkantung der Welle überwacht. Die Auswertung erfolgt dabei durch ein künstliches, neuronales Netzwerk, welches in einem im Lager befindlichen Mikrokontroller implementiert ist. Die Betriebspunkte, die Energiegewinnung, die Datenerfassung und die Verarbeitung des sensorintegrierten Lagers werden mithilfe eines ersten Prototyps in zwei Prüfständen untersucht und weiterentwickelt. Getestet wird die Überwachung des Anfahr- bzw. Abhebeverhaltens bis 30.000 U/min sowie das Betriebsverhalten bis 120.000 U/min. Die hier gewonnen Daten werden zur weiteren Verfeinerung des Netzwerks und zur Verbesserung des Prototyps genutzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Markus Böl