Forschungsprojekt: SmartSeal

Im Rahmen des Forschungsprojekts Smart Seal wurde ein System entwickelt, das die Kontakttemperatur einer Radialwellendichtung während dem Betrieb ermitteln kann. Das System basiert auf einem virtuellen Sensor im Dichtkontakt, welcher das tribologische System der Dichtung im Gegensatz zu physischen Sensoren nicht stört. Der virtuelle Temperatursensor wird mit Temperaturdaten versorgt, welche unterhalb der Wellenoberfläche an verschiedenen Positionen gemessen werden. Dazu sind entsprechende Temperatursensoren in einer Wellenhülse verbaut, die als Dichtungsgegenlauffläche dient. Anhand eines mathematischen Modells kann aus diesen Temperaturen die Oberflächentemperatur der Welle und somit auch die Kontakttemperatur errechnet werden. Zur Erstellung des mathematischen Modells wurden numerische Strömungssimulationen mit gekoppelten Wärmeübertragung (CHT) durchgeführt und ausgewertet. Diese bilden den Aufbau des gesamten Dichtsystems nach und ermöglichen die Bestimmung der Temperatur an einer Beliebigen Stelle im System. Somit sind für den jeweiligen simulierten Betriebszustand die Sensortemperaturen, als auch die Kontakttemperatur, bekannt. Durch diese Informationen aus mehreren Betriebspunkten kann das mathematische Modell erstellt werden.

Im Rahmen des Projekts wurden mehrere Prototypen entwickelt, gefertigt und getestet. Der letzte Prototyp zeigt, dass das entwickelte Sensorsystem in der Lage ist, die Kontakttemperatur eines Dichtsystems zu überwachen und in Echtzeit anzuzeigen.

Der Prototyp besteht aus einer im Einstich geschliffenen Wellenhülse mit den Abmessungen 70x80x54, in die auf der Innenseite über die gesamte Länge eine Nut mit einer Breite von 5 mm und einer Tiefe von 3 mm eingebracht ist. In dieser Nut werden fünf Pt1000 Temperatursensoren (P1K0.0603.4ST.B von Innovative Sensortechnologie) verklebt. Die Temperaturmessung erfolgt somit 2 mm unterhalb der Wellenoberfläche an fünf in Achsrichtung versetzten Positionen. Mittig sind drei Sensoren in einem Abstand von 3 mm angeordnet. Die zwei weiteren Sensoren befinden sich auf beiden Seiten in einer Entfernung von 18,5 mm vom mittleren Sensor. Die Dichtkante des Dichtsystems wird über dem mittleren Sensor platziert. Die Auswertung der Temperatursensoren erfolgt in einem separaten Gehäuse, welches ebenfalls auf einer Welle montiert wird. Für die Auswertung wird der AD-Wandler AD 7124-8 von Analog Devices verwendet, welcher an einem NINA-B306 Mikrokontroller angeschlossen ist. Mit dem Funkstandard Bluetooth Low Energy werden die gemessenen Daten mit einer Frequenz von 1 Hz kontaktlos an die Prüfstands-Steuerung übertragen und ausgewertet. Für die Ermittlung der Kontakttemperatur sind die vom System gemessenen Temperaturen ausreichend. Es werden daher keine weiteren Informationen zum aktuellen Betriebszustand, wie das Reibmoment oder die Drehzahl benötigt. Der Prototyp wurde bei Drehzahlen von bis zu 6000 min-1 erfolgreich getestet. Die Vorhersagegenauigkeit der Kontakttemperatur ist mit einem Fehler von weniger als einem Kelvin sehr gut.

Im Forschungsprojekt wurde zusätzlich untersucht, wie die entsprechende Temperatur-Sensorik mithilfe von 3D-MID-Technologie in eine Wellenhülse integriert werden kann und wie die kontaktlose Signalübertragung zwischen der rotierenden Welle und der Prüfstandssteuerung erfolgen kann.

Die wichtigsten Hinweise zur Auslegung und Dimensionierung eines solchen Systems sind in der Design-Guideline Temperatur-Sensor im IMA-TechSheet #104185v1 beschrieben. Auf Basis dieser Guideline können anwendungsspezifische Lösungen nach demselben Vorgehen erarbeitet, und so die Kontakttemperatur überwacht werden.

Das im Rahmen des Projekts entwickelte System ermöglicht den zuverlässigen Betrieb von Dichtsystemen. Die Ergebnisse dieses Vorhabens können genutzt werden, um Dichtsysteme vor Überlastung zu schützen und ihre Alterung zu überwachen. Das System kann für Predictive Maintenance und die Vermeidung von Überlastungen genutzt werden, was sowohl einen ökologischen, als auch ökonomischen Nutzen hat.

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Das IGF-Projekt 22854 N/1 der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.