Zustandscharakterisierung hydrodynamischer Gleitlager auf Basis kapazitiver Effekte

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Hasse; Professor Dr.-Ing. Eckhard A. Kirchner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547186942

Ziel des Antrags ist die Konzeption und Verifikation eines Messprinzips zur Identifikation und Klassifikation von Änderungen der lokalen Spaltgeometrie in technisch relevanten Spaltströmungen durch Messung elektrischer Kapazitäten am hydrodynamischen Gleitlager. Bei diesem können Änderungen der Spaltgeometrie in Form von Schiefstellung und Exzentrizität durch Last- und Drehzahländerungen verursacht werden. Das Messkonzept beruht auf dem Prinzip eines elektrischen Kondensators, der durch jeweils eine Elektrodenfläche auf der Lagerschale und der Welle, sowie dem isolierenden Schmierstoff gebildet wird. Im Gleitlager dieses Antrags sind die Elektroden segmentiert in der Lagerschale angeordnet und durch einen Gleitlack vor Verschleiß geschützt. Die besondere Herausforderung bei der Nutzung des kapazitiven elektrischen Verhaltens des Gleitlagers mit segmentierten Elektroden (GSE) ist die Berücksichtigung der physikalischen Abhängigkeiten zwischen Druck, Temperatur, Schmierstoffviskosität und Permittivität sowie deren Auswirkungen auf die elektrische Kapazität. Das Projekt hat den Anspruch, ein grundlegendes methodisches Verständnis zu erarbeiten, wie ein entsprechendes Kondensatornetzwerk gestaltet werden muss, um die Wellenposition im GSE zu bestimmen und wie eine Kapazitäts- und Temperaturänderung einer veränderten Spaltgeometrie zugeordnet werden kann. Hierzu existieren auf dem GSE 24 einzelne Elektrodensegmente, die nach Bedarf miteinander verschaltet werden können. So können verschiedene Kondensatorkonfigurationen im GSE untersucht werden, ohne jeweils ein eigenes GSE fertigen zu müssen. Der Einfluss von Verschleiß wird in diesem Projekt nicht betrachtet. Folgende Forschungsfragen werden beantwortet: 1. Muss die Abhängigkeit der Permittivität vom Fluiddruck und der Temperatur für den praxisrelevanten Betriebsbereich eines GSE berücksichtigt werden? 2. Kann das Verhalten der realen Kondensatoren durch vereinfachte Modelle angenähert werden, so dass der funktionale Zusammenhang zwischen Verlagerung der Welle und Kapazität des GSE kompakt beschrieben werden kann? 3. Wie muss das Kondensatornetzwerk gestaltet sein, um die Bewegung des Lagers eindeutig zu identifizieren? Welche Zusatzfunktionen werden durch zusätzliche Kondensatorsegmente erschlossen? Um diese Forschungsfragen zu untersuchen, werden folgende Teilzeile definiert: 1. Umsetzung des GSE, welches durch entsprechende Schaltung verschiedene Kondensatornetzwerkkonfigurationen abbilden kann. 2. Generierung eines Validierungsdatensatzes durch praktische Kapazitätsmessungen am Sensorgleitlager. 3. Modellierung des Gleitlagersystems auf Basis der Reynolds-Gleichungen zur Ermittlung des Druck- und Temperaturfelds sowie zur Bestimmung der Permittivitätsverteilung im Schmierspalt. 4. Invertierung der erarbeiteten Modellierungsmethode, um auf Basis gemessener Kapazitäten die Schmierspaltgeometrie zu identifizieren. 5. Optimierung der Segmentgestalt des Kondensatornetzwerks.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen