Mit modernen Verfahren wie Predictive Maintenance und künstlicher Intelligenz in Maschinen, lässt sich die Prozesssicherheit immer weiter verbessern. Dadurch können Durchlaufzeiten verkürzt und die Produktqualität erhöht werden. Im Bereich der Antriebstechnik lassen sich die erforderlichen Daten nicht immer mit geringem Aufwand erheben. In einem rotierenden Antriebsstrang wird die Aufnahme von Messdaten erschwert, da keine direkte Vernetzung durch ein Kabel möglich ist oder der benötigte Bauraum fehlt. Hierfür bietet R+W Antriebselemente eine bedienerfreundliche und vielseitig einsetzbare Hard- und Softwarelösung mit moderner Sensortechnik an. Diese intelligente Kupplung ist eine mit Sensor ausgerüstete Serienkupplung, welche zusätzliche Funktionen im Bereich der Messtechnik bietet. Die Sensorik misst Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigungen und alternativ Axialkraft und Biegemoment. Diese Daten werden direkt in der internen Elektronik verarbeitet und auf ein drahtlos verbundenes Mobilgerät oder an ein Gateway übertragen und dargestellt. Dabei werden die mechanischen Eigenschaften der Kupplung durch die integrierte Elektronik nicht beeinträchtigt. Sie kann weiterhin axialen, lateralen und angularen Versatz ausgleichen und Drehmoment übertragen.
Messungen direkt im Antriebsstrang
Die moderne Sensortechnik lässt sich, wie die rein mechanische Baureihe, einfach und flexibel in den Antriebsstrang integrieren. Die Einbaumöglichkeiten werden dabei nicht durch eine permanente Kabelverbindung eingeschränkt. Mit der integrierten Sensortechnik des Herstellers können die Daten erfasst und per Bluetooth übertragen werden. Eine kabelgebundene Verbindung ist hierbei nicht mehr notwendig. Die Messdaten können beispielsweise auf ein Mobile Device übertragen und mit der R+W-eigenen App angezeigt und gespeichert werden. Die Software zeigt die Daten als Durchschnittswert und mit Min/Max-Speicher in großen, frei konfigurierbaren Ansichten an. Verschiedene skalierbare Diagrammtypen verfolgen den detaillierten Verlauf der Messgrößen. In der App können auch Messdaten von mehreren Kupplungen gleichzeitig und übersichtlich in einem Diagramm veranschaulicht werden. Für weitere Analysezwecke lassen sich die Messdaten als CSV-Datei speichern und auf einem Computer in Excel importieren.
Die Abtastrate lässt sich über die App konfigurieren. Es können für dynamische Anwendungen Abtastraten bis 1 kHz realisiert werden. Mit der intelligenten Kupplung bietet R+W eine smarte Alternative zu einem Drehmomentaufnehmer an. Sie misst verschiedene Größen mit hoher Messgenauigkeit und bleibt dabei auch noch kostengünstig. Die moderne Sensortechnik ermöglicht Datenmessungen, ohne dass ein externer Messverstärker installiert werden muss. Von Vorteil ist zudem der geringe Bauraum, den die Kupplung für den Einbau benötigt, da keine aufwendige Hilfskonstruktion für den Einbau nötig ist. Die Sensortechnik kann schnell und einfach in den Antriebsstrang montiert und in bereits bestehende Systeme integriert werden. Alternativ kann die Sensorik auch in bereits verbauten Kupplungen nachgerüstet werden.
Messdaten für eine vorausschauende Instandhaltung
Durch das dynamische Verhalten im rotierenden Antriebsstrang werden problematische Belastungen und Beschädigungen der Antriebskomponenten oft zu spät erkannt. Die Messdaten der modernen Sensortechnologie machen solche Anomalien transparent und analysierbar, um auf Störungen rechtzeitig reagieren zu können.
Dabei werden folgende Methoden und Verfahren genutzt:
Condition Monitoring: Die Messdaten ermöglichen eine kontinuierliche Zustandsüberwachung und Zustandsdiagnose der Antriebskomponenten. So wird ein realistisches Bild über den Zustand und Verschleiß gewonnen. Werden voreingestellte Schwellwerte überschritten, kann ein Alarm ausgelöst werden
Predictive Maintenance: Darüber hinaus liefern die präzisen Messdaten auch die Voraussetzung für eine vorausschauende Instandhaltung. Durch die Verfügbarkeit von Zustandsdaten kann die reaktive Instandhaltung nach dem Ausfall eines Bauteils und auch die präventive Wartung in festen Intervallen abgelöst werden
Verschleißdaten im Blick: Die integrierten Sensoren erfassen alle notwendigen Daten, um daraus Rückschlüsse auf Verschleiß und Lebensdauer der Kupplung sowie benachbarter Komponenten zu ziehen
Analyse der Messdaten: Die Verfügbarkeit von kombinierbaren, zeitabhängigen Messgrößen macht das Verhalten der Komponenten im rotierenden Antriebsstrang messbar. Und mit Hilfe von Data Analytics und Machine Learning kann eine Prognose der voraussichtlichen Entwicklung von Zustand und Verschleiß ermittelt werden. Das Ziel ist eine proaktive Wartung und Instandhaltung nach dem tatsächlichen Bedarf, um Serviceeinsätze, Ersatzteile und Personal optimal zu planen
Intelligentes Ersatzteil- und Wartungsmanagement: In Verbindung mit einer vorausschauenden Instandhaltung kann auch das Ersatzteil- und Wartungsmanagement optimiert werden (z. B. automatische Ersatzteilbestellung und Schutz vor gefälschten Ersatzteilen)
Kupplungen mit integrierter Sensortechnik – Die neue Ära der Antriebstechnik
So vielfältig wie der Einsatz von Antrieben in der Industrie ist, so umfassend ist auch der Bedarf für die Messdatenerfassung der Antriebskomponenten. Um sich diesem Bedarf anzupassen hat der Hersteller neben den intelligenten Lamellenkupplungen, Gelenkwellen und Flanschen in Zukunft noch weitere Modelle mit integrierter Sensorik geplant und entwickelt. Denn das gesamte Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft. Neue Funktionen und verschiedene Algorithmen zum Auswerten der Messdaten sorgen dafür, dass die Kupplung noch smarter wird und neue Maßstäbe auf dem Markt gesetzt werden.
Kupplungen mit integrierter Elektronik in der Praxis
Deutschlandweit interessieren sich Unternehmen zum Beispiel aus der Schwerindustrie für effiziente Lösungen des Anlagenmonitorings, unter anderem an Förderanlagen zum Be- und Entladen von Schüttgut, Mischen, Homogenisieren und Lagern von Baustoffen. Es werden also große Mengen an Material bewegt. Trotz der hohen mechanischen Belastung sollte ein Ausfall der Fördertechnik weitestgehend vermieden werden, denn jeder Stillstand im Materialfluss geht erheblich ins Geld. Deshalb arbeiten die Unternehmen daran, Monitoring-Systeme aufzubauen, mit dem sich der Zustand ausfallrelevanter Komponenten überwachen lässt. Mithilfe dieser Systeme könnte man dann Wartungsintervalle bedarfsgerecht und flexibel ansetzen.
Vorbild ist hier die Automobilindustrie, bei der Fahrzeuge nicht mehr zu festen Kilometerständen in die Werkstatt gebracht werden müssen. Vielmehr helfen hier Sensoren, in Abhängigkeit vom Fahrverhalten zu ermitteln, wann eine Inspektion sinnvoll ist.
Zusammenarbeit mit der HTW Saar
Die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW) beschäftigt sich mit der Überwachung von Messdaten. Grundlage für ein solches Fördertechnik-Frühwarnsystem sind zuverlässige Daten aus dem Antriebsstrang. Damit ließe sich von zentraler Stelle aus erkennen, dass Ausfälle drohen, ohne dass die gesamte Anlage ständig vom Wartungspersonal inspiziert werden muss, sofern sich beginnende Schäden äußerlich überhaupt zeigen. Die moderne Sensortechnik des Antriebsspezialisten ist ein effizientes Mittel, um solche Anlagen an kritischen Stellen zu überwachen. Die Herausforderung für Prof. Dr. Andreas Fricke und sein Team bestand nun darin, maßgebliche physikalische Größen zu erfassen, zu interpretieren und am virtuellen Anlagen-Modell, dem digitalen Abbild der Anlage, anzuzeigen: „Mit der Interpretation der physikalischen Größen und der Ermittlung von Schwellenwerten lassen sich dann Aussagen über den Zustand treffen, wie `keine Veränderung, alles in Ordnung´ oder aber es gibt auffällige Werte, die auf Probleme an bestimmten Teilen und einen sich anbahnenden Ausfall hindeuten. Um die Eignung der Kupplung von R+W für ein solches Szenario zu prüfen, haben wir einen Prüfstand im Labor aufgebaut. In die Förderanlage `en miniature´ haben wir gezielt Fehler implementiert, um dann zu sehen, wie zuverlässig sie von der intelligenten Sensortechnik erkannt werden. Das ist die notwendige Voraussetzung für entsprechende Statusanzeigen beziehungsweise -meldungen am Anlagen-Modell.“
Wertvolle Datengewinnung
Das Projekt und der Prüfstandbau zum Thema „Condition Monitoring“ stieß auch innerhalb des Campus auf reges Interesse. Die moderne Sensortechnik von R+W liefert im beschriebenen Anwendungsfall Live-Daten zu Drehmoment, Axialkraft, Drehzahl und Beschleunigung in drei Richtungen (x, y, z). Stehen dafür verlässliche Daten zur Verfügung, können diese bereits bei der Entwicklung und Konstruktion in Simulationen einfließen und erlauben in der Nutzungsphase der Maschine oder Anlage eine Beurteilung des aktuellen Zustandes betriebswichtiger Komponenten. Mit entsprechenden Tools zur Datenanalyse und -bewertung können Servicekräfte diese Modelle für die Überwachung anwenden. Allerdings müssen dafür leistungsstarke Schnittstellen geschaffen werden, wie Prof. Dr. Fricke ausführt: „Die Kupplung arbeitet starr, ist aus Aluminium und wird mit Hilfe von Halbschalen angebunden. Sie muss keine Versätze ausgleichen, da in der Reihe der Messwelle bereits eine Präzisionssicherheitskupplung eingebaut ist. Diese dient dem Versatzausgleich innerhalb des Prüfstands und vor allem der Sicherheitsabschaltung.“ Die Nachrüstung in bestehende Prüfstände ist smart und einfach.
Die Lösung, die Messeinheit kabellos in die Kupplung zu integrieren ist überzeugend, denn so werden Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigung und optional Axial- oder Querkräfte direkt aus dem rotierenden Antriebsstrang gemessen.
Das Team hat sich bezüglich der Energieversorgung der Sensorik für die induktive Variante entschieden, da der kontinuierliche Betrieb mit permanenter Datenmessung ohne Unterbrechungen gegeben ist. Grundsätzlich stehen drei Varianten der Kupplung mit integrierter Messeinheit und ihrer Stromversorgung zur Auswahl:
- Speisung über internen, wiederaufladbaren Akku: Eine Variante mit Akku empfiehlt sich etwa für Prüfstände mit kurzer Betriebszeit oder mobile Anwendungen.
- Dauerhafte Stromversorgung über Induktion: Die gewählte induktive Variante ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb durch permanente Datenmessung ohne Unterbrechungen. Diese Variante verwendet eine an das R+W-Gateway oder an ein lokales12-V-Netz angeschlossene Box, die nahe der Kupplung montiert wird. Für die Energieübertragung werden ISM-Bänder genutzt, die Datenübertragung erfolgt weiterhin über Bluetooth. Die induktive Stromversorgung eignet sich für Messungen im Dauerbetrieb.
- Autarke Energieversorgung über Energy-Harvesting-Konzept: Energy Harvesting bietet eine autarke Stromerzeugung durch Nutzung der vorhandenen Rotationsenergie.
Moderne Sensortechnik im Einsatz bei R +W
In der Abteilung Qualitätssicherung bei R+W gab es andere Voraussetzungen beim Prüfstand – die vorhandene Hardware, ein Laptop, sollte genutzt werden. Auch das ist kein Problem und einfach umsetzbar. Es wurde ein Programm zum Auslesen der Messwerte (Min/Max) aufgesetzt. Es zeigt die Messwerte der Sensorik digital an. Die Messwerte werden dabei über die serielle USB-Anbindung des R+W-Gateways bereitgestellt. Das Gateway dient zur Weitergabe der Sensorsignalen in nachgelagerte Mess-, Regel oder Datenverarbeitungssysteme. Grundsätzlich können die einzelnen Bestandteile rund um die moderne Sensortechnik immer gemäß den Anforderungen und der vorhandenen Hardware geplant werden. Auch eine Nachrüstung in ein vorhandenes System ist dabei möglich. Der Prüfstand ist seit einem Jahr im Einsatz und funktioniert ausgezeichnet.
Die Mitarbeiter aus Vertrieb und Technik bei R+W beraten gerne und kompetent bei der Auslegung der Kupplung und der Sensorik für den spezifischen Anwendungsfall des Kunden. Derzeit kooperiert die HTW Saar bereits zum zweiten Mal mit R+W. Hierbei wurde die moderne Sensortechnik in einer kompakteren Ausführung integriert, der iBK. Weitere Projekte sind geplant.
Mehr Informationen zur intelligenten Kupplung von R+W Antriebselemente:
Kontakt:
R+W Antriebselemente GmbH
Hattsteinstraße 4
63939 Wörth am Main
Tel. +49 9372 9864–0
info@rw-kupplungen.de
www.rw-kupplungen.de
Die Messdatenbereitstellung bei der integrierten Sensorik erfolgt in der Standardausführung über eine App. Mit der App lassen sich die Messdaten der Intelligenten Kupplung anzeigen und aufnehmen. Über das Gateway erfolgt die Anbindung erfolgt an PC, SPS und Cloud.Bild: R+W Antriebselemente
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