Temperaturüberwachung am Brückenkran-Getriebe
Das System zur Erfassung der Temperaturfeldverteilung am Brückenkran-Getriebe nutzt eine Zweikanal-Temperaturmessung mit ortsfester Wärmebildkamera und aufgeklebten Thermoelementen. In Kombination mit einem thermodynamischen Finite-Elemente-Modell werden abnormale Temperaturanstiege an Zahnrädern und Lagern erkannt, wodurch eine Vorwarnung 7 bis 14 Tage im Voraus möglich ist.
Das Getriebe ist das zentrale Antriebselement des Hubwerks eines Brückenkrans. Die Reibungswärme aus dem Zahneingriff und dem Lagerbetrieb ist die Hauptquelle des Temperaturfelds. Entstehen Grübchen an den Zahnrädern, Verschleiß an den Lagern oder liegt ein Schmierölmangel vor, führt der erhöhte lokale Reibungskoeffizient zu einem abnormalen Temperaturanstieg. Herkömmliche Einzelpunkt-Temperaturmessungen (z. B. PT100-Aufkleber) erfassen lediglich die Ölsumpftemperatur oder die Gehäuseoberflächentemperatur, ohne die Wärmequelle lokalisieren zu können. Das KL-GEAR-THERM-System installiert eine kompakte Infrarot-Wärmebildkamera (160×120 Pixel, NETD<50mK) am Sichtfenster des Getriebes. Das Überwachungskonzept orientiert sich an den Anforderungen der Norm DIN 15018 zur Temperaturüberwachung von Antriebselementen. Zusätzlich werden PT100-Thermoelemente an den Lagergehäusen der Schnelllaufwelle, der langsamen Welle und im Ölsumpf angebracht. Die Datenfusion beider Kanäle ermöglicht die Rekonstruktion des dreidimensionalen Temperaturfelds.
Systemaufbau und Temperaturfeld-Rekonstruktion
Die Wärmebildkamera erfasst die interne Infrarotstrahlung durch ein Saphirfenster (Durchmesser 40 mm, Transmission >92 %@8–14 µm) am Getriebe-Sichtfenster. Auf beiden Seiten des Fensters wird getrocknete Druckluft (0,2 MPa) eingeleitet, um Ölnebelbildung zu verhindern. Die PT100-Sensoren werden mittels Magnetfuß (Haftkraft ≥5 kg) montiert, was eine Bohrung oder Gewindeschneidung am Gehäuse überflüssig macht. Die Montageposition kann wahlweise auf der Außenringoberfläche des Lagergehäuses oder am Boden des Ölsumpfs gewählt werden. Der Datenerfassungsbaustein ist in einer explosionsgeschützten Anschlussdose (Ex d IIB T4 Gb) integriert und kommuniziert über RS485 Modbus RTU mit dem Edge-Gateway.
Die Wärmebildkamera von Kelude erfasst alle 5 Minuten ein Thermografiebild, während die PT100-Sensoren alle 10 Sekunden eine präzise Temperaturmessung (Genauigkeit ±0,3 °C) liefern. Das System nutzt ein thermodynamisches Finite-Elemente-Modell (basierend auf einer vorab durchgeführten Simulation mit dem ANSYS Steady-State Thermal Modul), um die Oberflächenthermogramme auf geschätzte Innentemperaturen von Zahnrädern und Lagern abzubilden. Ein Alarm wird ausgelöst, wenn der Temperaturgradient in einer Zone >8 °C pro Bild oder die Temperaturänderungsrate >3 °C pro Stunde beträgt. Im Normalbetrieb liegt die Gehäusetemperatur des Getriebes 8–15 °C unter der Öltemperatur. Steigt die Differenz auf über 20 °C, deutet dies auf eine verstopfte Schmierölleitung oder unzureichende Kühlung hin.
Thermodynamik-Modell und Erkennung abnormaler Temperaturanstiege
Das System basiert auf einem Finite-Elemente-Wärmemodell (ANSYS Steady-State Thermal), das die dreidimensionale Temperaturfeldverteilung des Getriebes im Normalbetrieb vorab berechnet. Das Finite-Elemente-Netz verwendet Tetraederelemente (Elementgröße 3–5 mm) und wird im Kontaktbereich der Zahnflanken lokal verfeinert (Netzgröße 0,5 mm), was insgesamt etwa 500.000 Knoten ergibt. Die thermischen Randbedingungen umfassen: die Wärmestromdichte des Zahneingriffs (berechnet nach AGMA 2001-D04, abhängig von Kontaktspannung und Gleitgeschwindigkeit), die Lagerreibungswärme (Palmgren-Formel, abhängig von äquivalenter dynamischer Last und Drehzahl), den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten des Schmieröls (ca. 80–150 W/m²·K bei Spritzschmierung, ca. 200–500 W/m²·K bei Zwangsschmierung) sowie die natürliche Konvektion zwischen Gehäuse und Umgebung (ca. 10–25 W/m²·K). Nach der Kalibrierung mit Messdaten beträgt der Vorhersagefehler des stationären Temperaturfelds ≤±1,5 °C. Zu den Modellparametern gehören: der Wirkungsgrad des Zahneingriffs (98–99 % pro Stufe), die Reibungsverlustleistung der Lager (berechnet nach dem SKF-Modell, abhängig von Last und Drehzahl) sowie der konvektive Wärmeübergangskoeffizient des Schmieröls (ca. 50–150 W/m²·K bei Spritzschmierung). Die Charakteristik des normalen Temperaturfelds: Die höchste Temperatur tritt am Lagergehäuse der Schnelllaufwelle auf (5–8 °C über Öltemperatur), gefolgt vom Lagergehäuse der langsamen Welle (3–5 °C über Öltemperatur), während die Gehäuseoberseite die niedrigste Temperatur aufweist (10–15 °C unter Öltemperatur).
Weicht das gemessene Temperaturfeld um mehr als den eingestellten Schwellenwert vom Modell ab, löst das System automatisch die Erkennungslogik für Anomalien aus. Typische Temperaturfeldmerkmale für Fehler:
Grübchenbildung an Zahnrädern – Lokaler Temperaturanstieg von 2–4 °C im Eingriffsbereich und ein allgemeiner Öltemperaturanstieg von 1–2 °C pro Tag.
Lager Verschleiß – Temperaturanstiegsrate am entsprechenden Lagergehäuse >1 °C pro Stunde; eine Früherkennung ermöglicht eine Vorwarnung von 7–14 Tagen.
Schmierölmangel – Abnormer Temperaturanstieg an der Gehäuseoberseite (Differenz zur Öltemperatur <5 °C weist auf niedrigen Ölstand hin).
Unzureichende Kühlung – Die Differenz zwischen Gehäuseoberflächentemperatur und Öltemperatur bleibt dauerhaft >20 °C, was auf verstopfte Kühlrippen oder einen defekten Kühlgebläseventilator hindeutet.
Bei einem Einsatz an einem 40-t-Wippdrehkran-Getriebe in einem Hafen warnte das System 9 Tage im Voraus vor einem Verschleiß des Lagers der Schnelllaufwelle (Temperaturanstiegsrate am Lagergehäuse 1,8 °C/h). Das Lager konnte während eines geplanten Wartungsfensters gewechselt werden, wodurch ein unerwarteter Stillstand durch Festfressen vermieden wurde.
Einsatzbereiche und Auswahlhilfe für das Getriebe-Monitoring
Das KL-GEAR-THERM-System eignet sich für die Temperaturfeldüberwachung verschiedener Getriebe von Brückenkranen, einschließlich Hubgetriebe von Brückenkranen, Fahrgetriebe von Portalkranen und Hubwerksgetriebe von Metallurgiekranen. Je nach Getriebeleistung und erforderlicher Erfassungsgenauigkeit ist das System in drei Ausbaustufen verfügbar:
Basisversion – 1 Wärmebildkamera + 2 PT100, geeignet für Getriebe mit einer Leistung ≤ 75 kW.
Standardversion – 2 Wärmebildkameras + 4 PT100, geeignet für Getriebe mit 75–200 kW.
Erweiterte Version – 3 Wärmebildkameras + 6 PT100 + Schwingungssensor, geeignet für große Getriebe ab 200 kW oder sicherheitsrelevante Bauteile.
Für Hafenkrane und Metallurgiekrane wird in der Regel die erweiterte Version empfohlen, da diese Anlagen lange ununterbrochen laufen, hohen Lastschwankungen ausgesetzt sind und Zahnräder sowie Lager schneller Ermüdungsschäden akkumulieren.
Bei der Auswahl vor Ort sind außerdem die Abmessungen und die Anordnung der Sichtfenster am Getriebe zu berücksichtigen:
Standard-Sichtfenster (Durchmesser ≥ 80 mm) – Saphir-Fensterbauteile können direkt montiert werden.
Kleine Sichtfenster (Durchmesser 40–80 mm) – Montage über einen Adapterflansch erforderlich.
Geschlossene Getriebe ohne Sichtfenster (z. B. bei einigen importierten Getrieben) – Montageöffnung muss im Gehäuse geschaffen werden; eine werkseitig vorbereitete Schnittstelle wird empfohlen.
Für die Überwachung von Getrieben in explosionsgefährdeten Bereichen (z. B. Chemiewerkstätten, Kohlelager) bietet das System eine explosionsgeschützte Ausführung gemäß Ex d IIC T4. Wärmebildkamera und PT100 sind vollständig in druckfesten Gehäusen gekapselt und über eigensichere Trennbarrieren mit dem Gateway verbunden. Kelude hat das System bereits an über 300 Getrieben verschiedener Bauarten erfolgreich implementiert; das größte einzelne Getriebe weist dabei eine Leistung von 500 kW auf (380-t-Brückenkran in einem Stahlwerk).
Ausbaustufen und technische Parameter
| Ausführung Klasse | Anwendung Leistung | Wärmebildkamera Anzahl | PT100Anzahl | Typische Anwendungsbereiche |
|---|---|---|---|---|
| Basisversion | ≤75kW | 1Stück | 2Kanal | Universalbrückenkran, Einträgerkran |
| Norm Basisversion | 75~200kW | 2Stück | 4Kanal | Portalhubwerk, Hüttenkran |
| Erweiterte Version | ≥200kW | 3Stück | 6Kanal+Vibration | Hafen Kaikran, Groß Gießen Universalbrückenkran |
Wartungs- und Kalibrierungsanforderungen
Die Wartung des KL-GEAR-THERM-Systems gliedert sich in tägliche Inspektionen und regelmäßige Kalibrierungen. Die tägliche Inspektion erfolgt automatisch und umfasst den Selbsttest der Wärmebildkamera (Pixelausleserauschen ≤1DN), die Online-Prüfung der PT100-Sensoren (integrierter Präzisionsreferenzwiderstand mit einer Genauigkeit von ±0,01 %) sowie die Erkennung der Verschmutzung des Saphirfensters (Transmissionsgrad ≥85 % gilt als normal; bei Werten unter 70 % wird eine Einstellung des Spüldrucks oder ein Fenstertausch empfohlen). Das System erstellt täglich um 3:00 Uhr automatisch einen Wartungsbericht, der die Nullpunktdrift und Empfindlichkeitsänderungen aller Kanäle dokumentiert. Das Betriebspersonal kann diesen Bericht über die Weboberfläche einsehen. Bei Abweichungen erfolgt eine Benachrichtigung per SMS und WeChat-Push.
Für die regelmäßige Kalibrierung wird empfohlen, die Wärmebildkamera alle 2 Jahre zur Werkskalibrierung einzusenden (einschließlich Schwarzkörper-Strahlungskorrektur und NUC-Nichtuniformitätskorrektur). Die PT100-Thermoelemente werden alle 6 Monate online geprüft, wobei das System automatisch den Kalibrierungskoeffizienten anhand des Referenzwiderstands ermittelt. Die Oberflächenreinheit des Saphirfensters sollte je nach Betriebsbedingungen alle 3 bis 6 Monate kontrolliert werden; in Umgebungen mit starker Ölnebelbildung (z. B. in Wärmebehandlungswerkstätten) kann das Intervall auf monatlich verkürzt werden. Kelude bietet einen Ferndiagnose-Service an: Das Betriebsteam kann die Temperaturfeld-Trenddiagramme aller online angebundenen Getriebe in Echtzeit einsehen und erhält monatlich einen umfassenden Gesundheitsbericht. Dies unterstützt den Anwender bei der optimalen Planung von Wartungsfenstern und vermeidet ungeplante Stillstandszeiten.
Technische Lösungen zur Temperaturmessung im Vergleich
| Vergleichskriterium | Einzelpunkt PT100Temperaturmessung | Wärmebild+PT100Fusion |
|---|---|---|
| Messpunkte | 1~3Einzelpunkt(Ölsumpf+Gehäuse) | 160×120Pixel-Infrarot+4Einzelpunkt PT100 |
| Raum Auflösung | Keine | Pro-Pixel-Zuordnung2~3mm² |
| Wärmequelle Positionierung | Nicht möglich Positionierung | Möglich Positionierung Zahnrad/Lager Präzise Wärmequelle |
| Anomalie Erkennung | Absoluter Temperaturschwellenwert | Temperaturdifferenzfeld-Muster+Doppelkriterium Temperaturanstiegsrate |
| Vorwarnzeit | 0~2Tage(Schaden bei Temperaturüberschreitung) | 7~14Tage(Warnung bei Trendabweichung) |
| Fehlertypunterscheidung | Nicht unterscheidbar | Zahnrad/Lager/Ölstand/Vier Kategorien Wärmeableitung |
Häufig gestellte Fragen
F: Wie wird die Wärmebildkamera vor hohen Temperaturen und Öldampf im Getriebe geschützt?
A: Das Fenster der Wärmebildkamera besteht aus Saphirglas (Härte 9 nach Mohs). Außen wird es mit Druckluft von 0,2 MPa gespült, um Öldampfablagerungen zu verhindern. Der Sensorkopf wird über einen Edelstahl-Panzerschlauch zur Anschlussdose geführt. Der Arbeitstemperaturbereich liegt bei −20 bis +85 °C.
F: Kann das System zwischen Lagerschäden und Zahnradschäden anhand der Temperatur unterscheiden?
A: Ja. Ein Lagerschaden erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung im Lagergehäuse (das Lager der Hochgeschwindigkeitswelle erwärmt sich am schnellsten), und die Temperaturschwankungsfrequenz korreliert mit der charakteristischen Frequenz des Lagers. Ein Zahnradschaden führt dagegen zu einer großflächigeren Erwärmung mit einem allgemeinen Anstieg der Öltemperatur. Das System unterscheidet die Fehlerarten automatisch anhand der räumlichen Verteilung des Temperaturfelds.
F: In welchen Intervallen müssen die Wärmebildkamera und die PT100-Sensoren des Temperaturfeld-Erfassungssystems am Brückenkran-Getriebe kalibriert werden?
A: Die Wärmebildkamera sollte alle 2 Jahre zur Kalibrierung eingeschickt werden. Die PT100-Thermoelemente können alle 6 Monate online überprüft werden (das System verfügt über einen eingebauten hochpräzisen Referenzwiderstand mit einer Genauigkeit von ±0,01 %). Ein automatischer Selbsttest läuft täglich.
F: Unterstützt Kelude auch den nachträglichen Umbau älterer Getriebe?
A: Ja. Die vorhandene Abdeckplatte des Sichtfensters wird gegen eine kundenspezifische Abdeckplatte mit Saphirfenster getauscht, um die Wärmebildkamera zu installieren. Die PT100-Thermoelemente werden mit Magnetfüßen oder Wärmeleitkleber befestigt – kein Bohren erforderlich. Der Umbau erfolgt ohne Stillstand und dauert ca. 2 Stunden pro Getriebe.
