Location- and time-resolved strain measurement in thrust roller bearings using thin-film sensors

Abstract

Bearings play a crucial role in a broad range of engineering applications, such as automotive, aerospace and renewable energies. Particularly when it comes to larger and/or hard to replace/repair bearings, such as those in wind turbines, condition monitoring and load control are essential due to their complex and expensive conditions for maintenance and repair. Conventionally, different sensors are used, which are typically positioned outside of the bearing. Thus, a rather low depth of information is achieved, and the bearing condition cannot be assessed optimally. Therefore, this article focuses on the production and evaluation of directly deposited thin-film strain sensor arrays on a rolling bearing within and close to the tribomechanical contact between roller and raceway. The sensor production was carried out using sputtering, photolithography and etching processes. After the static strain gauge characterization concerning temperature, strain and pressure sensitivity on different substrates, a sensor-integrated 81212 thrust roller bearing was investigated in an FE8 bearing test rig. After data processing, the dynamic measurements with a maximum Hertzian pressure of 1 GPa revealed negative sensor resistance changes of up to -1.4 parts per thousand in the tribomechanical contact and up to 3.8 parts per thousand positive resistance change right next to the contact zone. Due to the fact that these sensors were subject to wear, sensors were also positioned at a greater distance from the contact that still showed a measurable signal of 0.5 parts per thousand resistance change that can be used after critical loads when their signal has been correlated to the other sensors in the contact zone when the latter are worn. Furthermore, the time-resolution enables the precise measurement of the rotational speed, and deviations in the roller geometries can be detected as well due to different sensor amplitudes. The location-resolved measurements allow important information about the tribomechanical contact to be derived in real-time, thus enabling intelligent component control, for example concerning rotational speed, lubrication and load before a damage occurs.nW & auml;lzlager spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl technischer Anwendungen, wie etwa in der Automobiltechnik, der Luft- und Raumfahrt sowie in der Nutzung erneuerbarer Energien. Insbesondere bei gro ss en und/oder schwer austauschbaren bzw. reparierbaren W & auml;lzlagern – wie beispielsweise in Windkraftanlagen – sind Zustands & uuml;berwachung und Lastregelung essenziell, da Wartung und Reparatur mit hohem Aufwand und Kosten verbunden sind. & Uuml;blicherweise werden hierzu verschiedene Sensoren eingesetzt, die meist au ss erhalb des Lagers positioniert sind. Dadurch wird jedoch nur eine geringe Informationsdichte erreicht, und der Zustand des Lagers l & auml;sst sich nicht optimal bewerten. Daher befasst sich dieser Beitrag mit der Herstellung und Evaluierung direktabgeschiedener D & uuml;nnschicht-Dehnungsmessstreifen-Arrays im W & auml;lzlager. Die Sensoren werden dabei innerhalb und in unmittelbarer N & auml;he des mechanischen Kontakts zwischen W & auml;lzk & ouml;rper und Laufbahn positioniert. Die Sensorherstellung erfolgte mittels Sputterns, Fotolithografie und & Auml;tzverfahren. Nach der statischen Charakterisierung der Dehnungssensoren hinsichtlich Temperatur-, Dehnungs- und Druckempfindlichkeit auf verschiedenen Substraten wurde ein sensorintegriertes Axialzylinderrollenlager des Typs 81212 auf einem FE8-Pr & uuml;fstand untersucht. Die dynamischen Messungen, durchgef & uuml;hrt bei einem maximalen Hertz’schen Druck von 1 GPa, zeigten nach der Datenverarbeitung negative Widerstands & auml;nderungen der Sensoren von bis zu 1,4 parts per thousand im mechanischen Kontaktbereich sowie positive Widerstands & auml;nderungen von bis zu 3,8 parts per thousand direkt angrenzend an die Kontaktzone. Da diese Sensoren dem Verschlei ss unterliegen, wurden weitere Sensoren in gr & ouml;ss erem Abstand zum Kontakt positioniert. Diese zeigten ebenfalls ein messbares Signal mit einer Widerstands & auml;nderung von 0,5 parts per thousand, welches nach kritischer Belastung genutzt werden kann – sofern es zuvor mit den Signalen der in der Kontaktzone positionierten Sensoren korreliert wurde. Zudem erlaubt die hohe zeitliche Aufl & ouml;sung eine pr & auml;zise Erfassung der Drehzahl, und auch Abweichungen in der Geometrie der W & auml;lzk & ouml;rper k & ouml;nnen & uuml;ber unterschiedliche Sensoramplituden erkannt werden. Die ortsaufgel & ouml;sten Messungen erm & ouml;glichen es, in Echtzeit wichtige Informationen & uuml;ber den tribomechanischen Kontakt zu gewinnen und damit eine intelligente Komponentenregelung – etwa hinsichtlich Drehzahl, Schmierung und Belastung – noch vor dem Auftreten von Sch & auml;den umzusetzen.