Drehmomentanalyse als unverzichtbare Methode zur Produktoptimierung und Sicherung der Anlagenverfügbarkeit - Ein Erfahrungsbericht

Transkript

1 Drehmomentanalyse als unverzichtbare Methode zur Produktoptimierung und Sicherung der Anlagenverfügbarkeit - Ein Erfahrungsbericht Dr.-Ing. J. Deckers (VDI), A. Friedr. Flender AG, Herne Kurzfassung Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit Methoden und Ergebnissen der Drehmomentmessung und -analyse an rotierenden Antrieben mit zwischengeschalteten Getrieben anhand von Fallbeispielen. In der Einleitung werden die Grundlagen der Drehmomentmessung auf Basis von Dehnungsmessstreifen mit drahtloser Signalübertragung von rotierenden Wellen aufgearbeitet. Neben der Vorstellung der benötigten Sensorik werden insbesondere Hinweise zu den Analyse- und Überwachungsmethoden wie online Rainflow-Klassierung, Eventmonitoring und Langzeitaufzeichnung gegeben. Im Hauptteil des Beitrags werden die Ergebnisse von Fallbeispielen aus dem Inbetriebnahme- und Produktionsbetrieb von Anlagen der Branchen Walzwerkstechnik, Zementindustrie, Kunststoffextrusion und Fördertechnik präsentiert. Die neuen Messergebnisse aus den Drehmomentanalysen werden zur Diagnose von folgenden Maschinenschäden und unzulässigen Prozesszuständen herangezogen: Ursachen von Gewalt- und Schwingbrüchen, Resonanzphänomene, ungleiche Lastverteilung und Prozesseinflüsse. Den Abschluss bilden eine Zusammenfassung und ein Ausblick. Abstract The paper at hand deals with methods and results of the measurement and analysis of torque at rotary drives with gear units on the basis of case studies. In the introduction the basics of torque measurements based on strain gauges on rotating shafts are presented. Apart from the necessary measurement technology analysis and monitoring methods like online rainflow analysis, event monitoring and long-term recording are discussed. In the main part of the lecture case study results from start-up and production measurements in plants of the rolling mill industry, cement industry, plastic extruding and conveying engineering are presented. The new results from the torque analyses are taken for the diagnosis of the following machine damages and inadmissible process conditions: Causes of overload and vibration breakdowns, resonance phenomena, unequal distribution of load and process influences. The lecture is concluded with a summary and an outlook.

2 1. Einleitung In modernen Antriebssystemen werden die Werkstoffeigenschaften immer weiter ausgereizt. Damit steigen die Beanspruchungen der Bauteile und die elastischen Verformungen der Antriebsstrangkomponenten nehmen zu. Dies kann zu Überlastungen und ungewollten Schwingungen in Antriebssträngen führen, welche oft ungeplante Defekte, verminderte Anlagenverfügbarkeit und reduzierte Produktqualität nach sich ziehen. Anlagenbauer und Komponentenhersteller entgegnen dieser Misere mit der Optimierung der Antriebskomponenten und zunehmendem Einsatz von Drehmomentmesstechnik. Die A. Friedr. Flender AG setzt hierfür im Rahmen ihrer Service Dienstleistungen die bewährte DriveAnalysator Technologie ein, welche auch für die Telediagnose verwendet wird. Das Drehmoment beschreibt als primäre Prozessgröße die Belastungen der Komponenten eines Antriebsstranges am besten. Hieraus lassen sich eine Vielzahl von Informationen Ableiten: Ursachen von Gewaltbrüchen Ursachen von Schwingbrüchen Resonanzphänomene Ungleiche Lastverteilung Torque Amplification Factor, TAF Ermittlung von Lastkollektiven Verifikation von Simulationsmodellen Einbindung in Drehmomentregelkreise Leistungs- und Wirkungsgradanalysen Frequenzumrichter betriebene Antriebsmaschinen bieten häufig die Möglichkeit, das aus dem wirksamen Motorstrom berechnete Drehmoment aus der Steuerung auszukoppeln. Dies bietet die Möglichkeit das Momentsignal mit niedriger Dynamik auf einfache Art und Weise messtechnisch erfassen zu können. So sind zumindest globale Aussagen über das vorherrschende Drehmomentniveau möglich. Nachteilig ist hierbei, dass das aus dem Motorstrom berechnete Drehmomentsignal quasi tiefpassgefiltert ist, da die Massenträgheit des Rotors und das Magnetfeld über den Rotor-Stator-Luftspalt die dynamischen Anteile ausgleichen. Bild 1 zeigt die Verhältnisse am Beispiel eines Anstichstoßes eines Reversierwalzgerüstes, bei dem das Drehmoment mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) direkt an der Motorwelle sowie simultan das aus den Motorkenngrößen zurückgerechnete Moment am Frequenzumrichter gemessen wurde [3]. Das berechnete Moment zeigt eine

3 deutliche Laufzeitverzögerung und die durch den Anstich angeregte Grundeigenschwingung ist im berechneten Signal nicht erkennbar (Zeit 1,1 sec bis 1,6 sec). Ebenso ist das maximale aus dem Motorstrom berechnete Moment in Spitzenmomenten geringer als das real vorherrschende ( M max ) M [knm] M max gem. Moment aus Strom gem. Moment Motorwelle Zeit [s] Bild 1: Vergleich zwischen mittels Dehnungsmessstreifen gemessenem und aus dem Motorstrom berechnetem Drehmoment, Anstichstoß an Walzwerksantrieb 2. Sensorik zur Messung von Drehmomenten Nur wenigen Anwendungsfällen ist es möglich, konventionelle in Serie hergestellte Drehmomentmesswellen in einen bestehenden Antriebsstrang zu integrieren. Zum einen müssten bestehende Antriebsstränge umkonstruiert werden, da Drehmomentmesswellen einen vorgegebenen Bauraum beanspruchen, zum anderen ist der Einbau teuer und zeitaufwändig. Auch speziell angefertigte Messflansche sind meist nicht praktikabel, da sie zusätzlichen Bauraum beanspruchen, die Eigendynamik des Antriebsstranges verfälschen oder zu teuer sind. Einfacher ist es, ein geeignetes Teil des Antriebsstranges, zum Beispiel eine Welle oder eine Kupplungshülse, selbst zum Sensor zu machen. Hierfür werden Folien-DMS auf die Oberflächen von Wellen geklebt und zu einer Wheatstone'schen Widerstands-Messbrücke verschaltet. Die torsionsbedingte Oberflächendehnung wird auf den DMS verlustfrei übertragen. Flender Service hat die handwerkliche Technik hierzu bei unzähligen Applikationen soweit perfektioniert, dass der Aufbau der kompletten Messkette eines Drehmomentenkanals von der Vorbereitung der Wellen bis zur Datenerfassung in der Regel in einer Schicht abgeschlossen werden kann. Die DMS werden mit kalt härtendem Cyanoacrylat Kleber mit der sauber geschliffenen Wellenoberfläche verklebt und mit geeigneten Schutzmitteln abgedeckt. Die Erfahrung zeigt, dass diese Messstellen durchaus 5 Jahre überdauern, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist.

4 Ein Problem bei dieser Art der Drehmomentmessung ist, die Messbrücke dauerhaft mit Spannung zu versorgen und das eigentliche Messsignal, die Diagonalspannung der Brücke, von der rotierenden Welle abzugreifen und das stationär aufgestellte Aufzeichnungsgerät zu übertragen. Flender Service verwendet hierfür mit Erfolg so genannte Rotortelemetrien, [1]. Bild 2 zeigt schematisch den Aufbau der Messkette von den DMS bis zum DriveAnalysator Messwerterfassungssystem. Die 45 -DMS Rosetten werden paarweise um exakt 180 versetzt auf die geeigneten Wellestücke geklebt und unterliegen somit der Oberflächendehnung der Wellen. Die Widerstände werden über teflonummantelte Litzen zu einer Wheatstone schen Vollbrücke verschaltet und an den Sensorsignalverstärker angeschlossen. Dieser wiederum ist über ein stabiles Spannband auf der Welle drehzahlsicher befestigt und rotiert mit der Welle mit. Der Sensorsignalverstärker erfüllt im Wesentlichen zwei Aufgaben. Er erzeugt einerseits aus der induktiv über die Antenne übertragenen hochfrequenz-versorgungsenergie eine stabilisierte 2,5 Volt Gleichspannung zur Speisung der Widerstandsbrücke. Zum anderen setzt er die Diagonalspannung in ein frequenzmoduliertes HF-Signal um, welches auf diese Art hochgenau und störungsarm vom rotierenden Teil zum stationären Teil übertragen werden kann. Zur induktiven Energie- und Signalübertragung wird auf einem geeigneten Wellenabschnitt ein Antennenring installiert. Für schnell aufzubauende und kurzfristige Anwendungen ist der Antennenring aus flexiblem Gummimaterial mit eingezogenen Messing-Flachdraht hergestellt, der mittels Spanndrähten und Cyanoacrylatkleber drehzahlfest auf dem Wellenstück befestigt ist. Für dauerhafte Anwendungen oder Hochdrehzahlantrieb werden mechanisch stabile Kunststoffantennen montiert, deren Geometrie aan die Welle angepasst ist. Sensorsignalverstärker Rotierende Antenne Spannband Auswerteeinheit Welle Dehnungsmessstreifen Stationäre Pickup Antenne Bild 2: Aufbau der Messkette der Drehmomentmesstechnik

5 Auf der stationären Seite der Messkette wird das übertragene Signal von einer Pickup- Antenne empfangen und über Koaxialkabel zur Auswerteeinheit geleitet. Die Auswerteeinheit stellt bis zu 5 Watt HF-Sendeleistung zur Energieversorgung zur Verfügung, wodurch eine sichere Stromversorgung des Sensorsignalverstärkers auch bei Wellen mit Durchmessern > 1 m gewährleistet werden kann. Die Auswerteeinheit dient weiterhin zur Umwandlung des übertragenen frequenzmodulierten Messsignals in eine der Dehnung proportionale analoge Spannung im Bereich von +/- 10 Volt. Diese kann in gängigen Messwerterfassungsgeräten problemlos weiterverarbeitet werden. R S R U R U D Bei Messaufgaben, bei denen normale Anforderungen an die Genauigkeit des Absolutbetrages des gemessenen Drehmomentes vorliegen, wird die Zuordnung zwischen Dehnungssignal und analogem Messsignal mittels R R Shuntkalibrierung bestimmt, Bild 3. Bild 3: Shuntkalibrierung Aus den Nenndaten des Antriebes (Nenndrehzahl, Nennleistung), den geometrischen Daten des applizierten Wellenabschnittes (Innen- und Außendurchmesser) sowie den elektrischen Daten der Messbrücke (Versorgungsspannung U 0, DMS-Widerstände R i, Verstärkungsfaktor) wird ein Nebenschlusswiderstand R s berechnet und den Brückenwiderständen temporär parallel geschaltet. Dieser simuliert eine Brückenverstimmung, die dem Nenndrehmoment entspricht. Damit kann die gesamte Messkette elektrisch kalibriert werden, ohne aufwändige mechanische Kalibrierungen durchführen zu müssen. Erfahrungsgemäß liegt die absolute Messgenauigkeit bei dieser Methode besser als 8% des Nennmomentes, was in den meisten Anwendungsfällen ausreicht. Ist eine höhere Genauigkeit gefordert kommt man um eine mechanische Kalibrierung der Messkette nicht herum. Bei Nennmomenten von mehreren 100 knm kann dies schon sehr kompliziert werden. Man arbeitet hier zum Beispiel mit mechanischen Hebeln und angehängten Gewichten mit bekannter Masse. Häufig kann die Last auch über Hydraulikpumpen oder Zugmittel und geeichten Kraftmessdosen aufgebracht werden, so dass mit diesen Methoden Genauigkeiten besser 0,5 % vom Nennwert erwartet werden können. Besondere Anforderungen für die Telemetriesensorik können aber nicht nur große Wellendurchmesser und hohe Drehmomente sein, auch besonders kleine

6 Wellendurchmesser, eingeschränkter Bauraum (z.b. bei Doppelschneckenextrudern) oder sehr hohe Drehzahlen (z.b. bei Werkzeugmaschinenspindeln) bedingen neue Lösungsansätze. Hier bedient man sich in neuesten Lösungen flexibler Platinenmaterialien, die mit sehr kleinen Elektronikbauteilen bestückt werden. Der Vorteil ist hierbei, dass die Elektronik des Sensorsignalverstärkers direkt um die Welle gewickelt werden kann. Bild 4 zeigt das Beispiel einer 2-kanaligen Rotortelemetrie an den Abtriebswellen eines Doppelschneckenextrudergetriebes. Bild 4: Quelle: Telemetrie Elektronik GmbH, Datatel Rotortelemetrie an einem Doppelschneckenextruder Getriebe Das Foto zeigt die Sensorsignalverstärker vor dem Abdecken mit Silikon. Die Elektronikbauteile tragen nur etwa 3 mm auf der Welle auf. Nach dem Versiegeln und Abdecken ist der maximale Wellendurchmesser nur um ca. 8 mm vergrößert. Hierdurch ist der Einsatz auch unter beengten Platzbedingungen möglich und die auftretenden Fliehkräfte sind aufgrund der kleinen Massen und Durchmessern klein. 3. Messtechnische Diagnose und Überwachung von Drehmomenten Bei der Erfassung von Drehmomenten und der Messdatenanalyse sind weitere Randbedingungen zu beachten. Bei Messungen der Flender AG kommt das DriveAnalysator Mess- und Analysesystem zum Einsatz, bei dessen Entwicklung die Praxiserfahrungen aus einer Vielzahl von Routine- und Troubleshooting-Analysen einflossen. Wie bereits zuvor erwähnt, beinhaltet das Drehmomentsignal eine Vielzahl von Informationen über den Belastungszustand der jeweiligen Wellen, aus denen Informationen über den Zustand des Antriebsstranges abgeleitet werden können. Die Messung gleicht einem mechanischen Freischnitt, der die inneren Beanspruchungen in den Antriebskomponenten sichtbar macht. Der DriveAnalysator ist in der Lage neben Drehmomentsignalen auch zusätzliche Betriebsgrößen wie Drehzahl, Motorleistung und Massendurchsatz mit zu erfassen. Hierbei werden zunächst Langzeitmessungen mit einer Abtastzeit von wenigen Sekunden

7 aufgezeichnet und über die Berechnung von 1-minütigen Mittelwerten, Maxima und Minima erfolgt eine weitere Datenverdichtung ohne auf wesentliche Informationen zu verzichten, Bild 5. Somit ist eine langfristige Aufzeichnung und Analyse der Messdaten möglich. Zusätzlich werden üblicherweise täglich zu festgelegten Zeiten kurze Zeitausschnitte mit Abtastraten im khz-bereich gemessen und abgespeichert, aus denen das dynamische Verhalten abgeleitet werden kann. T [knm] Zeit [min] Bild 5: Langzeitschriebe mit 1-minütigen Mittelwerten, Minima und Maxima Die wichtigste Funktion des DriveAnalystors ist die Eventmonitoring Funktion. Das Messgerät tatstet die zu überwachenden Signale permanent mit einer Abtastrate von bis zu 300Hz pro Kanal ab und hält die Daten in einem Ringspeicher vor. Bei Über- bzw. Unterschreitung voreingestellter Grenzwerte werden die Messergebnisse mit einer vorgegeben Anzahl von Werten vor und hinter dem Ereignis auf der Festplatte des Systems abgespeichert, Bild 6. Man kann also bei der Analyse des Events feststellen, was voraussichtlich zur Auslösung der Grenzwertüberschreitung geführt hat und wie der Antriebsstrang auf dieses Ereignis reagierte. T [knm] Triggerschwelle pre history post history Zeit [sec] Bild 6: Event Monitoring mit Pre- und Posttrigger Die Signaldynamik ist groß genug, um auch sehr kurzzeitige Amplitudenüberhöhungen sowie hochdynamische Effekte noch messen und darstellen zu können.

8 Neben den zuvor beschriebenen Funktionen ist die online Berechnung von Rainflow Lastkollektiven implementiert. Die täglich abgespeicherten Rainflowmatrizen (vgl. Bild 7) erlauben Aussagen über die Häufigkeit der Höhe der Spannungssausschläge in unterschiedlichen Klassen der Mittelspannung. Sie bilden damit die messtechnische Grundlage für Betriebsfestigkeitsanalysen und lassen Hochrechnungen zur erreichbaren Lebensdauer zu. Schwingweite Häufigkeit Mittelwert Bild 7: Online Rainflow Klassierung Bezüglich der Handhabung der gemessenen und analysierten Daten wird mit dem DriveAnalysator ein weiteres revolutionäres Konzept verfolgt, [2]. Das Mess- und Überwachungssystem ist mit wenig und damit kostengünstiger Speicherkapazität ausgerüstet, welche die Messdaten von ca. 1 Woche archivieren kann. Es besitzt zusätzlich eine automatische Funktion, wodurch die Messdaten zu vorgegebenen Zeiten automatisch per -Anhang zur Telediagnosezentrale versendet werden, wo sie auf sicheren Datenservern archiviert werden. Diese Alternative ist sehr kostengünstig, da nur die lokalen Internet Einwahlkosten anfallen und nicht Telefongebühren zu weit entfernten Orten bezahlt werden müssen. Ein Ausbleiben von s wird der Überwachungsstelle durch eine Watchdogfunktion signalisiert, so dass eventuelle Störungen behoben werden können und ein Messdatenverlust vermieden wird. Erfahrungsgemäß kommt es jedoch selten zu Störungen des -Versandes, da diese Technologie millionenfach bewährt ist und die Internetprovider schon aus finanziellem Interesse bedacht sind die Netze in Funktion zu halten. Die Vorteile der technologie sind vielfältig. Die Messdaten stehen den Überwachungsverantwortlichen quasi zu jeder Zeit auch weit entfernt von der Anlage zur Verfügung. Messdaten können per auch an andere Personen automatisch verteilt

9 werden. Dadurch, dass die Messdaten redundant an unterschiedlichen Orten gesichert werden, ist die Datensicherheit wesentlich größer, als würden sie Vor Ort im Messsystem gesichert. Es entfällt auch die Installation eines Mess-PC vor Ort, wodurch sich in rauer Umgebung die Gefahr von Datenverlust deutlich verringert. 4. Beispiele aus der Diagnosepraxis Im folgenden Kapitel werden einige praktische Beispiele erläutert aus denen der Nutzen der vorgestellten Messtechnik deutlich wird. Wir beginnen mit einem Beispiel aus der Stahlindustrie. Der Betreiber eines Kaltwalzwerkes hatte nach mehreren Leistungserhöhungen an den Hauptantrieben eines Kaltwalzgerüstes Probleme mit häufigem Auslösen der Anriss Überlastkupplungen sowie Spindelbrüchen. Im Zuge einer Modernisierung der Anlage sollten daher die Getriebe und Antriebsspindeln verstärkt werden. Bild 8 zeigt den Anriss an einem Spindelanschluss Bild 8: Kammwalzgetriebe des Antriebs der Altanlage. Flender Service wurde beauftragt, eine Drehmomentmessung und - analyse durchzuführen, um mit den gewonnenen Messdaten die Datenbasis für die Auslegung der neuen Antriebskomponenten und Optimierung der Prozessführung zu schaffen. An der Oberund Unterspindel des reversierenden Antriebes wurden innerhalb einer Wartungsschicht 2 Sensortelemetrien zur Drehmomentmessung appliziert und an den DriveAnalysator angeschlossen, Bild 9. Bild 9: Sensortelemetrien an Ober- und Unterspindel Daraufhin wurden über einen Zeitraum von 14 Tagen Messungen mit Event Monitoring durchgeführt. Im Verlauf der Messkampagne gab es eine Reihe von Sonderlastfällen, die die aufgetretenen Schäden erklärten. Bild 10 zeigt ein automatisch aufgezeichnetes

10 Sonderereignis, [2]. Wie man sieht, steigt aufgrund eines ungünstigen Verhaltens der Walzprozessregelung das Drehmoment, welches im Verlauf eines normalen Walzvorganges üblicherweise annähernd konstant sein sollte, über die Zeit kontinuierlich an. Durch die Schmierverhältnisse im Walzspalt kommt es dann zu einer ungleichen Lastverteilung zwischen Ober- und Unterwalze, so dass im weiteren Zeitverlauf die Sicherheitskupplung der höher belasteten Unterwalze auslöst und den Momentfluss zum Schutz des Antriebes unterbricht. Drehmoment Unterwalze Drehmoment Oberwalze Auslösen der Sicherheitskupplung Bild 10: Augrund einer Drehmomentüberschreitung ausgelöster Eventschrieb Zu diesem Zeitpunkt kommt es auch zu einem Einbruch im Drehmoment der Oberwalze welches sich nach wenigen Sekunden jedoch wieder aufbaut, da der Antrieb nach wie vor nicht abgeschaltet wurde. Erst nach einigen Sekunden wurde der Antrieb dann abgeschaltet und die Arbeitswalzen aufgefahren. Wie stark derartige Sonderereignisse die Antriebskomponenten und insbesondere die Getriebe schädigen, wird mithilfe der Drehmomentmesstechnik quantifizierbar. Auf Basis der aufgezeichneten Messungen konnte die Lastverteilung zwischen Ober- und Unterwalze verbessert werden, und die online berechneten Belastungskollektive lieferten den Konstrukteuren die Daten für eine optimale Auslegung des Antriebsstranges zur Modernisierung der Gesamtanlage. Das zweite Fallbeispiel ist aus der Zementindustrie entnommen. Flender Service erhielt den Auftrag die Ursache für gerissene Zuganker der Getriebeverschraubung sowie Verzahnungsschäden an einem Zahnkranzgetriebe eines Rohrmühlenantriebes zu

11 analysieren. An diesem Antrieb wurden die Dehnungsmessstreifen zur Drehmomentmessung an den Motorwellen der Antriebsmaschinen links und rechts des Zahnkranzantriebes appliziert, Bild 11. Im Anschluss an die Installation des Messsystems wurden einige Hochlaufvorgänge des Antriebes vermessen, wobei neben den beiden Drehmomenten auch Schwingungen am Getriebe gemessen wurden. Bild 11: Drehmomentmessung an Rohrmühlenantrieb In Bild 12 sind die Ergebnisse eines Hochlaufversuches an diesem Antrieb gezeigt. Wie man erkennt treten beim Anlassen des Motors ungewöhnlich hohe Drehmomentspitzen auf, die das 1,5-fache Nennmoment überschreiten. Die erste Eigenfrequenz des Antriebsstranges wird hierdurch so stark angeregt, so dass es zu Spieldurchgängen im Getriebe kommt. In der Ausschnittsvergrößerung der zweiten Resonanzüberhöhung in Bild 12 wird deutlich, dass es im Zeitpunkt der Drehzahlsynchronisierung zu gegenphasigem Schwingen beider Antriebsmaschinen kommt. Wie man im Schwingbeschleunigungssignal sieht, ist die Hochlaufphase von einigen resonanzartigen Schwingungsüberhöhungen begleitet. Ungünstigerweise wurde hierbei auch die Eigenschwingung der Zugankerbolzen angeregt, die der Belastung auf Dauer nicht standhielten. Die Drehmomentmessungen zeigten auch in diesem Beispiel wieder Schadensursachen auf und lieferten Hinweise zur Verbesserung des Antriebes. Im vorliegenden Fall wurden die Parameter der Motoranlasser optimiert.

12 Schwingbeschleunigung Motorwellendrehmoment Bild 12: Ergebnisse eines Hochlaufversuches Das dritte Beispiel beschäftigt sich mit der Messung eines Dreh- und eines Biegemomentes an einem Doppelschneckenextruder. Bild 13 zeigt die Installation der Sensortelemetrien, die bei derartigen Applikationen häufig unter sehr beengten Platzverhältnissen durchgeführt werden müssen. Bild 13: Sensortelemetrien an den Getriebewellen eines Doppelschneckenextruders

13 In diesem Fall sollte die Ursache für Dauerbrüche der Abtriebswellen ermittelt werden. Die in Bild 14 dargestellten Zeitverläufe über etwas mehr als eine Minute zeigen das Drehmoment der rechten Getriebewelle und das Biegemoment der linken Getriebewelle beim Hochlauf der Anlage und der Beauschlagung mit Extrusionsprodukt. Zu Beginn des Hochlaufvorganges steigt das Drehmoment der rechten Welle mit zunehmender Leistung relativ kontinuierlich an, wobei die Bandbreite des dynamischen Anteils aus dem Extrusionsprozess in etwa konstant bleibt. Das Biegemoment der linken Welle hingegen zeigt bereits bei niedrigen Drehzahlen einen hohen Amplitudenausschlag, der drehfrequenzabhängig ist aber nur eine geringe Belastungsabhängigkeit aufweist. Drehmoment rechte Welle Biegemoment linke Welle Bild 14: Sensortelemetrien an den Getriebewellen eines Doppelschneckenextruders Das hohe Biegemoment ist dem Drehmoment überlagert und führt zu dynamischen Wellenbeanspruchungen, die deutlich oberhalb der Dauerfestigkeitsbeanspruchbarkeit des Werkstoffes liegen und damit die Wellenbrüche erklären. Als Auslöser der Biegemomente wurde ein unzulässiger Verschleiß im Gehäuse der Extruder-Schneckenwelle erkannt, wodurch die Verlagerungen der Schneckenwelle auf die Getriebewellen übertragen wurden. Im abschließenden Beispiel wird der Doppelantrieb eines Gurtbecherwerkes analysiert. Bild 15 zeigt die Drehmomentmessstelle an einer Seite des Becherwerksantriebes. Im rechten Foto ist das Kegelrad der Eingangsstufe abgebildet, beidem ein Zahn zu 30% abgebrochen ist. An den Untersetzungsgetrieben häuften sich derartige Schäden, so dass man mit den Drehmomentmessungen den Ursachen auf den Grund gehen wollte.

14 Bild 15: Drehmomentmesstechnik am Becherwerksantrieb, Teilabbruch eines Zahnes Wie sich im Verlaufe der Messungen zeigte, war hier die Ursache in einer Kombination unterschiedlicher Fehler begründet. Einerseits waren die vorgeschalteten Fludex- Kupplungen unterschiedlich mit Öl gefüllt, zusätzlich arbeiteten die Motor-Sanftanlasser nicht korrekt. Wie in Bild 16 zu sehen ist, ist die Lastaufteilung der beiden Antriebe beim Starten der Anlage nicht symmetrisch. Nach ca. 45 Sekunden schaltet ein Antrieb dann komplett ab, wobei der zweite Antrieb noch eingeschaltet bleibt. Durch das weiterhin anstehende Drehmoment des zweiten Antriebes sowie das Rückpendeln des Becherwerkes kommt es am abgeschalteten Antrieb zu stoßartigen negativen Drehmomentspitzen (Spieldurchgang) über das Nennmoment hinaus, was beim Aufeinandertreffen der gehärteten Zahnflanken zu den aufgetretenen Schäden führt. Das Problem konnte durch korrektes Befüllen der Fluidkupplungen und eine Korrektur der Parametrierung der Motoranlasser gelöst werden. T nenn = 47,5 knm Bild 16: Drehmoment Zeitsignale der rechten und linken Seite beim Anlauf des Antriebes

15 5. Zusammenfassung und Ausblick Die vorgestellten Fallbeispiele zeigen einen Überblick über die im Rahmen der Diagnosetätigkeit der Experten der Flender AG gesammelten Erfahrungen mit der Drehmomentanalyse. Viele bis dahin ungeklärte Probleme mit Getrieben in elektrischmechanischen Antriebssystemen konnten durch Einsatz der Drehmomentmesstechnik gelöst werden, wodurch Ausfälle vermieden, Prozesse optimiert und Produktqualitäten verbessert werden konnten. Durch fortschreitende Miniaturisierung und Massenproduktion von Elektronikbauteilen sowie immer leistungsfähigere Computersysteme ist abzusehen, dass die Preise für Telemetriekomponenten und zugehörige Analysesysteme weiter fallen. Gleichzeitig wird die Stabilität und Güte der Signalübertragung steigen. Die Drehmomentmesstechnik wird damit neben dem Einsatz für Problemanalysen und Produktentwicklungen auch für die kontinuierliche Anlagen- und Prozessüberwachung sowie die Einbindung in Regelkreise zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens elektrisch mechanischer Antriebssysteme immer interessanter. 6. Literatur [1] Deckers, J., Becker, E.: Drehmoment- und Schwingungsüberwachung zur Maximierung der Anlagenverfügbarkeit am größten Pilgerwalzwerk der Welt. In: Tagungsband zur VDE/VDI-Tagung elektrisch-mechanische Antriebssysteme, Fulda, VDI-Verlag, 2004, Seite [2] Deckers, J., Becker, E.: Overload- and Condition Monitoring in Rolling Mills Via Internet. In: Proceedings of the 11th IFAC Symposium on Automation in Mining, Mineral and Metal processing - MMM 2004, Nancy, 2004 [3] Deckers, J., et al. Dynamische Simulation und Systemdiagnose im Schwermaschinenbau. In: Tagungsband zur VDI-Tagung Schwingungen in Antrieben, Fulda, VDI-Verlag, 2003.