Experimentelle Untersuchung von tribologischen Kontakten

Das ITR verfügt über ca. 80 Prüfstände, auf denen alle relevanten Maschinenelemente hinsichtlich der wichtigsten Triboprozessgrößen untersucht werden können. Einige der Prüfeinrichtungen werden im Folgenden näher erläutert.

Gleitlagerprüfstand für schnelle Turboanwendungen

Der Entwicklungsprozess z.B. im Bereich von Turbomaschinen in der Energieerzeugung erfordert eine kontinuierliche Verbesserung der zum Einsatz kommenden Berechnungs- und Simulationsverfahren. Zur Verifizierung der in diesem Entwicklungsprozess erzielten Ergebnisse werden spezielle Gleitlager-Funktionsprüfstände mit geeigneter Messtechnik benötigt, die eine Untersuchung tribologischer, strömungsmechanischer und rotordynamischer Eigenschaften unter definierten experimentellen Bedingungen ermöglichen. Die kontinuierliche Erhöhung der Leistungsdichte schnell laufender Maschinen wie z.B. Turbinen, Kompressoren, Getriebe und Elektromotoren führt zu stetig ansteigenden Anforderungen an die in diesen Maschinen eingesetzten hydrodynamischen Gleitlager. Auslegungs- und funktionsrelevante Lagerkennwerte sind die Maximaltemperatur, der Maximaldruck, die minimale Schmierspalthöhe, die Verlustleistung, der Öldurchsatz sowie die dynamischen Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Schmierfilms. Für eine betriebssichere Auslegung von Maschinenwellen mit hydrodynamischer Gleitlagerung sind daher die zuverlässige Vorausberechnung der maßgebenden Lagerkennwerte und die Verifikation der verwendeten Berechnungsmodelle von entscheidender Bedeutung.

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Übersicht wesentlicher Prüfstandrandbedingungen:

  • Radialgleitlager (bis Ø 120 mm), Axialgleitlager und kombinierte Radial-Axiallager (Spurscheibe bis ca. Ø 280 mm)
  • Erzeugung hoher spezifischer Lagerbelastungen (> 4 MPa) bei überlagerter dynamischer Last (z.B. umlaufende Last); Prüffrequenz > 200 Hz
  • Umfangsgeschwindigkeit > 120 m/s
  • Messung der statischen und dynamischen Lagerkenngrößen

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Gleitlagerprüfstand für hochdynamische motorische Prüfung

Am Hydropuls-Prüfstand des ITR können mit zwei jeweils im 45 ° Winkel angeordneten Hydraulikpulsern beliebige Lastvektoren generiert werden. Für Lebensdaueruntersuchungen an Gleitlagern werden z.B. schwellende Lastzustände verschiedener Lastgrößen am Prüflager aufgebracht. Neben der Instrumentierung zur Erfassung der grundlegenden Lagerparameter besteht unter anderem die Möglichkeit der Zufuhr von Partikeln in den Schmierstoffkreislauf des Prüflagers. Auf diese Weise kann die Sensitivität von Tribosystemen gegenüber Partikelkontamination untersucht werden.

Die Untersuchungen am Hydropuls-Prüfstand werden unter anwendungsspezifischen Versuchsbedingungen durchgeführt. Im Zulauf zum Prüflager wird die Temperatur des Prüföls gemessen. Die Lagertemperaturmessung erfolgt am Prüflagerrücken mit Thermoelementen in der Hauptlastzone. Die Reibmomentmessung der Stützlager wird mit Hilfe von Biegebalken mit DMS realisiert. Mit Kraftmesszellen an den Kolbenstangen der Hydropulser wird die Prüfkraft ermittelt. Das Antriebsmoment wird mit einer Drehmomentmesswelle bestimmt. Die Wellenverlagerung wird mit Hilfe gehäuseseitig angebrachter Wirbelstromsensoren durch radiale Messung auf die Prüfwelle erfasst. Die Wellendrehzahl wird mit einem Drehimpulsgeber ermittelt. Induktive Wegsensoren messen den Weg der Zylinderstangen der Hydropulser.

Übersicht wesentlicher Prüfstandrandbedingungen:

  • Radialgleitlager (bis Ø 70 mm)
  • Erzeugung höchster spezifischer Lagerbelastungen (> 50 MPa) bei überlagerter dynamischer Last (umlaufende Last, Massenkräfte 2. Ordnung); Prüffrequenz bis ca. 100 Hz
  • Umfangsgeschwindigkeit bis 20 m/s - Reibmomentmessung (mittleres Reibmoment 0,5 bis 25 Nm)
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Wälzlagerprüfstand für Lebensdauerversuche und Öldurchflussuntersuchungen

Bei Wälzlagerungen mit Ölumlaufschmierung ist eine optimale Anpassung des zugeführten Volumenstroms an die Betriebsbedingungen erforderlich. Während zu hohe Volumenströme Planschverluste verursachen und damit den Wirkungsgrad der Maschine reduzieren, ist auf eine ausreichende Kühlung der Lagerung zu achten. Diese Aufgabe wird im Wesentlichen vom axialen Öldurchfluss durch das Wälzlager übernommen. Eine genauere Kenntnis des axialen Öldurchflusses durch das Wälzlager erlaubt eine optimale Dimensionierung der Ölumlauf­schmierungen. Experimentelle Untersuchungen zeigen verschiedene Effekte auf, die den axialen Öldurchfluss am Wälzlager behindern oder begünstigen können.

Der Spezialprüfstand am Institut für Tribologie ermöglicht die genaue Untersuchung dieser Effekte bei verschiedenen Betriebsbedingungen und Lagerkonstellationen, insbesondere für den Fall niedriger Lasten sowie Drehzahlen, die zum Teil weit oberhalb der durch den Hersteller angegebenen Grenzdrehzahlen liegen.

Auf dem Prüfstand können z.B. Wälzlager bis zu einem Wellendurchmesser 150 mm (Bohrungskennzahl 30) bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen untersucht werden. So lassen sich Wellendrehzahlen bis 10.000 U/min, Radiallasten bis 60 kN und Schmierstofftemperaturen in einem weiten Bereich vorgeben.
Während des Versuchs werden die Ölvolumenströme durch die Wälzlager sowie diverse Temperaturen der Schmierstoffe und Prüflagerbauteile gemessen. Zusätzlich wird das Gesamtreibmoment der Prüfanordnung erfasst.

 

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Wälzlagerprüfstand mit online Korrosionstest unter "permanent pitch" Bewegung

Der "Riffelschwenk-Prüfstand" am ITR dient zur Untersuchung von Schadensmechanismen in hochbelasteten Wälzlagerungen für Windkraftanwendungen.

Ausgehend von einem vertikal angeordneten Hydropulser erfolgt eine sinusförmige Axialkrafteinleitung in zwei fettgeschmierte Vierpunktkugellager, die auf einer Drehmoment-Messwelle montiert sind. Über eine querkraftfreie, zyklische Schwenkbewegung der Welle von einigen Winkelgrad wird das Belastungsszenario des dynamisch belasteten Blattlagers im permanent-pitch Betrieb abgebildet. Die Synchronisation zwischen Schwenk- und Lasteinleitung erfolgt reglergestützt, so dass bei jedem Prüfzyklus ein Zyklus der Blattverstellung simuliert wird. Für eine realitätsnahe Prüfung kann die Prüftemperatur zwischen -20 °C und +70 °C variiert sowie eine gleichmäßig über dem Lagerumfang verteilte Kontamination des Schmierfetts mit korrosionsfördernden Substanzen (z.B. NaCl-Lösung) abgebildet werden.

Zur quantitativen Bewertung des Reibkorrosionsverhaltens wird prüflagerabhängig die zeitliche Änderung des Drehwiderstands infolge tribokorrosiv induzierter Laufbahnschäden detektiert, indem über ein Dehnungsmessstreifen die Torsions- bzw. Schwenkmomente messtechnisch erfasst werden. Ergänzend zur Messung des Drehwiderstandes und zur Vermessung der Laufbahnschäden werden vor und nach den Prüfläufen jeweils Fettproben entnommen, die auf eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung sowie eine Kontamination des Prüffetts mit Verschleißrückständen untersucht werden.

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Prüfstand für wassergeschmierte Gleitlager

Mediengeschmierte Gleitlagerungen kommen in Bereichen zur Anwendung, wo eine Produkt- oder Umweltkontamination durch Schmierstoffe unbedingt vermieden werden muss. Typische Andwendungsgebiete sind daher z.B. Turbinen in Wasserkraftwerken, Lebensmittelerzeugung und Kühlwasserpumpen. Wassergeschmierte Gleitlagerungen bieten vorteilhafte thermo-physikalische bzw. chemische Eigenschaften bei guter Verfügbarkeit und relativ geringen Kosten.

Die Verwendung von Wasser als Schmierstoff führt jedoch zu speziellen Anforderungen hinsichtlich Lagerwerkstoff und Lagerkonstruktion wie z.B. ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit sowie gute Einlauf- und Notlaufeigenschaften.

Auf dem Spezialprüfstand können die statischen und dynamischen Lagerkenngrößen von wassergeschmierten Gleitlagerungen untersucht werden. Forschungsziele sind z.B. die Optimierung der Werkstoffe und Bauformen sowie der Betriebsrandbedingungen (v.a. Lagerspiel, Zuführdruck und Volumenstrom).

Übersicht wesentlicher Prüfstandrandbedingungen:

  • Radialgleitlager (bis Ø 150 mm)
  • maximale stationäre Lagerbealstung Fstat = 75 kN bei überlagerter dynamischer Last (bis Fdyn = 40 kN, Prüffrequenz bis ca. 50 Hz)
  • Wellendrehzahl bis 3000 min-1
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Online Verschleißprüfung mit Radionuklid-Technologie

Die Radionuklid-Technik ist ein Präzisionsmessverfahren zur Verschleißdiagnose an tribologischen Kontakten im Verbrennungsmotor. Durch Bestrahlung am Zyklotron wird direkt in der Oberfläche des kritischen Maschinenteils eine hochpräzise dünne radioaktive Schicht erzeugt. 

Die Verschleißmasse wird kontinuierlich sowohl im Öl als auch im Filter exakt erfasst und zusammen mit zwei von 32 möglichen Betriebsparametern online auf dem Bildschirm dargestellt. Der Ölfilter des untersuchten Motors ist in die Filter-Messanlage verlegt - hier misst ein Detektor die Masse der abgeschiedenen Verschleißpartikel im Filter. Die Referenzmessanlage gewährleistet die exakte Halbwertszeitkorrektur und dient gleichzeitig der Überwachung des Gesamtsystems. Daher kann auch bei Mischwerkstoffen über lange Testzeiten sicher gemessen werden. 

Empfindliche Messung der Konzentration der radioaktiven Verschleißpartikel im Schmieröl mit dem Gamma-Strahlungsdetektor in der Durchflusskammer des geschlossenen Messkreislaufes. Der Verschleiß des Bauteils ist proportional der gemessenen Aktivitätskonzentration im Schmiermittel. Das Auflösungsvermögen der Verschleißmessungen nach dem Konzentrationsmessverfahren (KMV) ist abhängig vom Ölvolumen im Versuchsmotor.

Vorteile:

  • rückwirkungsfreie Online-Messung des dynamischen Verschleißverhaltens bei variierenden Betriebsparametern.
  • berührungslose, kontinuierliche Messung unter Realbedingungen, selektiv in den kritischen Zonen der Bauteile.
  • hohe Messempfindlichkeit: Abträge im Submikrogramm- und Nanometerbereich zuverlässig nachweisbar, zeitliche Auflösung des Einlaufverschleißverhaltens.
  • Materialübertrag, Austrag bestimmter Ionen erfassbar.
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