Konzept zur Überwachung der Temperaturverteilung im Getriebe von Laufkränen und zur Diagnose mittels Thermografie
⚠️ Das System zur Überwachung der Temperaturverteilung im Getriebe von Kranen nutzt eine stationäre Wärmebildkamera und aufgesetzte Thermoelemente für eine zweikanalige Temperaturmessung. In Kombination mit einem thermodynamischen Finite-Elemente-Modell erkennt es ungewöhnliche Temperaturanstiege an Zahnrädern und Lagern und gibt 7 bis 14 Tage im Voraus eine Frühwarnung aus.
Das Untersetzungsgetriebe ist das zentrale Antriebsbauteil des Hubwerks einer Laufkrananlage; die durch den Zahneingriff und den Lagerbetrieb entstehende Reibungswärme ist die Hauptursache für das dortige Temperaturfeld. Wenn an den Zahnrädern Punktkorrosion auftritt, die Lager verschleißen oder die Schmierölmenge unzureichend ist, führt ein erhöhter lokaler Reibungskoeffizient zu einem ungewöhnlichen Temperaturanstieg. Herkömmliche Einpunkt-Temperaturüberwachung (z. B. PT100-Sensoren) erfasst lediglich die Temperatur des Ölbads oder der Gehäuseoberfläche, kann jedoch die Position der Wärmequelle nicht lokalisieren. Das KL-GEAR-THERM-System verfügt über eine am Sichtfenster des Getriebes installierte Miniatur-Infrarot-Wärmebildkamera (160 × 120 Pixel, NETD < 50 mK). Das Überwachungskonzept orientiert sich anGB/T 3811-2008 „Norm für die Auslegung von Kranen“Anforderungen an die Temperaturüberwachung des Getriebes. Gleichzeitig werden PT100-Thermoelemente an den Lagergehäusen der Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitswellen sowie an der Ölwanne angebracht, wobei durch zweikanalige Datenfusion eine dreidimensionale Rekonstruktion des Temperaturfeldes erfolgt.
Systemaufbau und Rekonstruktion des Temperaturfeldes
Die Wärmebildkamera erfasst die interne Infrarotstrahlung durch das Saphirfenster (Durchmesser 40 mm, Durchlässigkeit > 92% bei 8–14 μm) im Sichtfenster des Untersetzungsgetriebes; sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite des Fensters wird trockene Druckluft mit einem Druck von 0,2 MPa zugeführt, um die Kondensation von Ölnebel zu verhindern. Der PT100-Sensor wird mit einer Magnethalterung (Magnetkraft ≥ 5 kg) befestigt, sodass keine Bohr- und Gewindearbeiten am Gehäuse erforderlich sind. Als Montageorte kommen die Oberfläche des Außenrings des Lagergehäuses oder der Boden der Ölwanne in Frage. Der Datenerfasser ist in einem explosionsgeschützten Anschlusskasten (Ex d IIB T4 Gb) integriert und kommuniziert über RS485 Modbus RTU mit dem Edge-Gateway.
Die Wärmebildkamera von Krud Heavy Industry erfasst alle 5 Minuten ein Wärmebild, während der PT100 alle 10 Sekunden eine präzise Temperaturmessung durchführt (Genauigkeit ±0,3 °C). Das System bildet anhand eines thermodynamischen Finite-Elemente-Modells (basierend auf einer Vorab-Simulation mit dem ANSYS Steady-State Thermal-Modul) die Oberflächen-Wärmebilder auf die geschätzten Temperaturen der inneren Zahnräder und Lager ab. Eine Frühwarnung wird ausgelöst, wenn der Temperaturgradient in einem Bereich >8 °C/Bild oder die Temperaturänderungsrate >3 °C/Stunde beträgt. Unter normalen Betriebsbedingungen liegt die Temperatur des Getriebegehäuses 8 bis 15 °C unter der Öltemperatur. Steigt der Temperaturunterschied auf über 20 °C an, deutet dies auf eine Verstopfung des Schmierölkreislaufs oder eine unzureichende Wärmeableitung hin.
Thermodynamische Modelle und Erkennung ungewöhnlicher Temperaturanstiege
Das System berechnet auf der Grundlage eines thermischen Finite-Elemente-Modells (ANSYS Steady-State Thermal) vorab die dreidimensionale Temperaturfeldverteilung des Getriebes unter normalen Betriebsbedingungen. Das Finite-Elemente-Gitter besteht aus Tetraeder-Elementen (Elementgröße 3–5 mm), wobei der Kontaktbereich der Zahnflanken lokal verdichtet wurde (Gittergröße 0,5 mm); insgesamt umfasst es etwa 500.000 Knoten. Zu den thermischen Randbedingungen gehören: die Wärmeflussdichte im Zahneingriff (berechnet gemäß der Norm AGMA 2001-D04, abhängig von der Kontaktbeanspruchung an den Zahnflanken und der Gleitgeschwindigkeit), die Reibungswärme der Lager (nach der empirischen Formel von Palmgren, abhängig von der äquivalenten dynamischen Belastung und der Drehzahl), den Konvektionswärmeübergangskoeffizienten des Schmieröls (ca. 80–150 W/m²·K bei Spritzschmierung, ca. 200–500 W/m²·K bei Zwangsschmierung) sowie den natürlichen Konvektionswärmeaustausch zwischen Gehäuse und Umgebung (ca. 10–25 W/m²·K). Nach Kalibrierung des Modells anhand von Messdaten beträgt der Vorhersagefehler für das stationäre Temperaturfeld ≤ ±1,5 °C. Die Modellparameter umfassen: den Zahnrad-Eingriffswirkungsgrad von 98–991 TP3T (einstufig), den Reibungsleistungsverlust der Lager (berechnet nach dem SKF-Modell, abhängig von Belastung und Drehzahl) sowie den Konvektionswärmeübergangskoeffizienten des Schmieröls (bei Spritzschmierung ca. 50–150 W/m²·K). Die Verteilung des normalen Temperaturfeldes weist folgende Merkmale auf: Die höchste Temperatur wird am Lagergehäuse der schnelllaufenden Welle gemessen (5–8 °C höher als die Öltemperatur), gefolgt vom Lagergehäuse der langsamlaufenden Welle (3–5 °C höher als die Öltemperatur), während die niedrigste Temperatur am oberen Ende des Gehäuses gemessen wird (10–15 °C niedriger als die Öltemperatur).
Wenn das gemessene Temperaturfeld um mehr als den festgelegten Schwellenwert vom Modell abweicht, löst das System automatisch die Fehlererkennungslogik aus. Typische Merkmale des Temperaturfelds bei Störungen:
Pitting an Zahnrädern——Der lokale Temperaturanstieg im Eingriffsbereich beträgt 2 bis 4 °C, während die Öltemperatur insgesamt um 1 bis 2 °C pro Tag ansteigt.
Lagerverschleiß– Bei einer Temperaturanstiegsrate des Lagergehäuses von >1 °C/Stunde ermöglicht eine frühzeitige Erkennung eine Vorwarnung von 7 bis 14 Tagen.
Zu wenig Schmieröl——Ungewöhnlicher Temperaturanstieg an der Oberseite des Gehäuses (im Vergleich zur Öltemperatur)(Bei <5 °C wird ein zu niedriger Ölstand angezeigt).
Mangelhafte Wärmeableitung——Wenn die Differenz zwischen der Gehäuseoberflächentemperatur und der Öltemperatur dauerhaft >20 °C beträgt, deutet dies auf eine Verstopfung der Kühlrippen oder einen Defekt des Kühlventilators hin.
Bei der Inbetriebnahme eines Getriebes für einen 40-Tonnen-Portalkran in einem Hafen warnte das System bereits 9 Tage im Voraus vor einem Verschleiß der Lager der Hochgeschwindigkeitswelle (Temperaturanstiegsrate des Lagergehäuses von 1,8 °C/Stunde). Die Lager wurden während eines geplanten Wartungsfensters ausgetauscht, wodurch ein plötzliches Blockieren verhindert werden konnte.
Anwendungsbereiche und Empfehlungen zur Auswahl
Das KL-GEAR-THERM-System eignet sich für die Überwachung des Temperaturfeldes bei verschiedenen Arten von Kranuntersetzungsgetrieben, darunter Hubgetriebe von Brückenkranen, Fahrgetriebe von Portalkranen und Windenuntersetzungsgetriebe von Metallurgiekranen. Je nach Leistung des Untersetzungsgetriebes und den Anforderungen an die Messgenauigkeit ist das System in drei Konfigurationsstufen unterteilt:
Basisversion– Eine Wärmebildkamera + 2 PT100-Sensoren, geeignet für Getriebe mit einer Leistung von ≤ 75 kW.
Standardversion——Zwei Wärmebildkameras + 4 PT100-Sensoren, geeignet für Getriebe mit einer Leistung von 75 bis 200 kW.
Erweiterte Version– Drei Wärmebildkameras + 6 PT100-Kanäle + Schwingungssensor, geeignet für große Getriebe mit einer Leistung von ≥ 200 kW oder wichtige Sicherheitskomponenten.
Für Hafenkrane und Metallurgiekrane wird in der Regel eine verstärkte Ausführung empfohlen, da diese Anlagen lange Zeit ununterbrochen im Einsatz sind, starken Lastschwankungen ausgesetzt sind und sich Ermüdungsschäden an Getrieben und Lagern relativ schnell ansammeln.
Bei der Auswahl vor Ort müssen außerdem die Abmessungen und die Anordnung der Sichtfenster des Getriebes berücksichtigt werden:
Standard-Sichtfenster(Durchmesser ≥ 80 mm) – Saphirglas-Fenstermodule können direkt eingebaut werden.
Kleines Sichtfenster(Durchmesser 40–80 mm) – Die Montage erfolgt über einen Übergangsflansch.
Geschlossenes Getriebe ohne Sichtfenster(z. B. bei einigen importierten Getrieben) – Für die Montage muss eine Öffnung in das Gehäuse gebohrt werden; es wird empfohlen, die Anschlussöffnung bereits werkseitig vorzusehen.
Für die Überwachung von Getrieben in explosionsgefährdeten Bereichen (z. B. in chemischen Produktionsanlagen oder Kohlebunkern) bietet das System eine explosionsgeschützte Ausführung nach Ex d IIC T4 an, bei der die Wärmebildkamera und die PT100-Fühler vollständig in einem druckfesten Gehäuse untergebracht sind und über eine eigensichere Trennbarriere mit dem Gateway verbunden sind. Krud Heavy Industry hat die Installation und Validierung bereits an über 300 Getrieben verschiedener Typen abgeschlossen, wobei die Leistung des größten einzelnen Getriebes 500 kW erreichte (380-Tonnen-Laufkran in einem Stahlwerk).
Ausstattungsvarianten und technische Daten
| Ausstattungsvarianten | Nennleistung | Anzahl der Wärmebildkameras | Anzahl der PT100 | Typische Anwendungsszenarien |
|---|---|---|---|---|
| Basisversion | ≤ 75 kW | 1 Stück | 2-Kanal | Universalkran, Einträgerkran |
| Standardversion | 75–200 kW | 2 Stück | 4-Kanal | Portalkrane, Metallurgiekrane |
| Erweiterte Version | ≥ 200 kW | 3 Stück | 6 Kanäle + Vibration | Hafenkräne, große Gießereikräne |
Anforderungen an Wartung und Kalibrierung
Die Wartungsarbeiten am KL-GEAR-THERM-System lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: tägliche Routinekontrollen und regelmäßige Kalibrierungen. Die täglichen Routinekontrollen werden automatisch durchgeführt und umfassen einen Selbsttest der Wärmebildkamera (Pixel-Ausleserauschen ≤ 1 DN), eine Online-Kalibrierung des PT100 (integrierter hochpräziser Referenzwiderstand mit einer Genauigkeit von ±0,011 TP3T) sowie eine Überprüfung der Sauberkeit des Saphirfensters (Transmission ≥ 851 TP3T gilt als normal; bei Werten unter 701 TP3T wird eine Anpassung des Spül drucks oder ein Austausch des Fensters empfohlen). Das System erstellt täglich um 3:00 Uhr morgens automatisch einen Wartungsbericht, in dem die Nullpunktdrift und die Empfindlichkeitsänderungen der einzelnen Kanäle protokolliert werden; das Betriebs- und Wartungspersonal kann diesen über die Weboberfläche einsehen. Bei Abweichungen versendet das System Benachrichtigungen per SMS und WeChat.
Was die regelmäßige Kalibrierung betrifft, wird empfohlen, die Infrarot-Wärmebildkamera alle zwei Jahre zur Werkskalibrierung einzusenden (einschließlich Schwarzkörper-Strahlungskorrektur und NUC-Korrektur für Inhomogenitäten), während das PT100-Thermoelement alle sechs Monate einer Online-Kalibrierung unterzogen werden sollte (das System vergleicht den Referenzwiderstand und gibt automatisch Kalibrierkoeffizienten aus). Bei Saphirfenstern sollte die Oberflächenreinheit je nach Betriebsbedingungen alle 3 bis 6 Monate überprüft werden; in Umgebungen mit starker Ölnebelbelastung (z. B. in Wärmebehandlungsanlagen) kann diese Intervall auf einmal pro Monat verkürzt werden. Krud Heavy Industry bietet einen Ferndiagnosedienst an. Das Betriebs- und Wartungsteam kann die Temperaturverlaufsdiagramme aller online angeschlossenen Getriebe in Echtzeit einsehen und erstellt monatlich einen umfassenden Zustandsbericht, der den Anwendern dabei hilft, optimale Wartungsfenster festzulegen und ungeplante Stillstände zu vermeiden.
Vergleich verschiedener Temperaturmessverfahren
| Vergleichsdimensionen | Einpunkt-PT100-Temperaturmessung | Kombination aus Wärmebildgebung und PT100 |
|---|---|---|
| Anzahl der Messstellen | 1–3 (Ölwanne + Gehäuse) | 160 × 120 Pixel Infrarot + 4 PT100-Messpunkte |
| Räumliche Auflösung | 无 | Jedes Pixel entspricht 2 bis 3 mm² |
| Lokalisierung der Wärmequelle | Kann nicht gefunden werden | Präzise Wärmequelle für positionierbare Zahnräder/Lager |
| Erkennung von Anomalien | Absoluter Temperaturschwellenwert | Temperaturfeldmodell + doppelte Bewertungskriterien für die Temperaturanstiegsrate |
| Vorwarnzeit | 0–2 Tage (bei Temperaturüberschreitung bereits beschädigt) | 7 bis 14 Tage (bei Abweichungen vom Trend wird eine Warnung ausgegeben) |
| Unterscheidung nach Fehlerarten | Nicht zu unterscheiden | Unterscheidung in vier Kategorien: Zahnräder, Lager, Ölstand und Wärmeableitung |
Häufig gestellte Fragen
Frage: Wie wird die Wärmebildkamera im Inneren des Getriebes vor den hohen Temperaturen und dem Ölnebel geschützt?
Antwort: Das Fenster der Wärmebildkamera besteht aus Saphirglas (Härte 9 nach Mohs). Von außen wird Druckluft mit einem Druck von 0,2 MPa zugeführt, um die Ansammlung von Ölnebel zu verhindern. Der Hauptteil der Sonde ist über ein gepanzertes Edelstahlrohr mit dem Anschlusskasten verbunden; der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen −20 und +85 °C.
Frage: Kann das System zwischen einem Temperaturanstieg aufgrund eines Lagerdefekts und einem Temperaturanstieg aufgrund eines Getriebedefekts unterscheiden?
Antwort: Ja. Der durch einen Lagerausfall verursachte Temperaturanstieg konzentriert sich auf den Bereich um das Lagergehäuse (bei Hochgeschwindigkeitswellen steigt die Temperatur am schnellsten an), und die Frequenz der Temperaturschwankungen hängt mit der Eigenfrequenz des Lagers zusammen. Bei einem Zahnradausfall ist der Temperaturanstieg größer und geht mit einem allgemeinen Anstieg der Öltemperatur einher. Das System unterscheidet diese Fälle automatisch anhand der räumlichen Verteilung des Temperaturfeldes.
Frage: Wie oft müssen die Infrarot-Wärmebildkamera und der PT100 des Temperaturfeld-Überwachungssystems für Kran-Getriebe kalibriert werden?
Antwort: Es wird empfohlen, die Infrarot-Wärmebildkamera alle zwei Jahre einer Prüfung zu unterziehen. PT100-Thermoelemente können alle sechs Monate online kalibriert werden (das System verfügt über einen integrierten hochpräzisen Referenzwiderstand mit einer Genauigkeit von ±0,011 TP3T). Die tägliche Selbstprüfung wird automatisch durchgeführt.
Frage: Unterstützt die Lösung von Krude Heavy Industry die Nachrüstung älterer Getriebe?
Antwort: Ja, das ist möglich. Durch den Austausch der Abdeckung des Getriebe-Sichtfensters gegen eine maßgefertigte Abdeckung mit Saphirglasfenster kann eine Wärmebildkamera installiert werden. Das PT100-Thermoelement wird mittels einer Magnethalterung oder Wärmeleitpaste befestigt, sodass keine Bohrungen erforderlich sind. Die Umrüstung erfolgt ohne Betriebsunterbrechung und dauert pro Gerät etwa zwei Stunden.
