Eine innovative tribologische Versuchseinrichtung mit aktiver magnetischer Lagerung

Abstract

Die Tribologie, als dieWissenschaft, die sich unter anderem mit Phänomenen wie Reibung und Verschleiß beschäftigt, ist nicht nur von rein technischem, sondern auch von großem wirtschaftlichem Interesse. Der Tribometrie, also dem Ausführen von tribologischenMessungen und Untersuchungen kommt dadurch ebenfalls hohe Bedeutung zu. Für Laboranwendungen existiert eine breite Palette, teils für spezielle Anwendungsfälle konstruierter, teils sogar genormter Apparate, die entweder nach einem rotatorischen oder einem linear-translatorischen Bewegungsprinzip funktionieren. Während die zur ersten Gruppe gehörenden Maschinen technologisch verhältnismäßig einfach zu beherrschen sind, bedingt die Aufbringung der Normalkraft auf mechanischen Wege bei translatorischer Relativbewegung entweder sehr kleine Wege oder sehr geringe Dynamik. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Maschine entworfen, die durch die Verwendung von Magnetlagern grundsätzlich nicht von diesem Widerspruch betroffen ist und daher neue Horizonte in der Tribometrie eröffnen kann.<br />Der mechanische Teil der Maschine umfasst als Hauptkomponenten im festen System zwei Lagerböcke, die die Elektromagnete für die Lagerung beinhalten und einen dazwischen befindlichen Hubtisch, auf dem einer der Probenkörper montiert wird und der einen wichtigen Teil des messtechnischen Systems trägt. Das bewegliche System umfasst einen einzigen Teil, den Translator, an dem der zweite Probenkörper befestigt ist. Die Relativbewegung wird durch ein Antriebssystem erzeugt, das je nach den Erfordernissen des Versuchs angepasst oder ausgetauscht werden kann. Bei der Konstruktion wurde Wert auf weitgehende Modularität gelegt, sodass neben dem Antrieb auch das am Hubtisch montierte Messsystem mit verhältnismäßig geringem Aufwand angepasst oder ersetzt werden kann.<br />Die elektronischen Komponenten der Maschine sind nahezu sämtlich in einem Gehäuse untergebracht. Neben den zu den Magnetlagern gehörenden Leistungsverstärkern findet man dort vor allem auch drei digitale Signalprozessoren, die die Verarbeitung der Daten des Betriebsmesssystems und die Positions- und Kraftregelungsaufgaben übernehmen und somit den Betrieb der Maschine ermöglichen. Die Erfassung der Messdaten für die eigentliche tribologische Messung erfolgt am PC über eine Datenerfassungskarte, wie auch die Weiterverarbeitung der Daten dort geschieht.<br />Nach einer Kalibrierung der Messsysteme konnten Validierungsversuche durchgeführt werden, um eine Aussage über die Funktionalität der Maschine zu erhalten. Es wurden zwei Probleme ausgemacht, die den Apparat aktuell noch daran hindern, sein gesamtes Potential auszuspielen.<br />Einerseits hat der in den Versuchen verwendete kraftgesteuerte Antrieb stets zu vorzeitigem Versuchsabbruch geführt, andererseits hat sich die Normalkraftregelung als noch zu träge erwiesen. Es konnte aber auch nachgewiesen werden, dass das Gerät seine Aufgabe erfüllen kann und dass die ermittelten Daten qualitativ jenen vergleichbarer Messungen entsprechen.<br />

Tribology treats phenomena such as friction and wear, which are not only of technical, but also of strong economic interest. Thus, tribometry is an important part of tribological analyses, as proper measurement results are needed. There exists a large variety of test rigs for laboratory use, some of them are tailored to a special task, others are designed to carry out normed test procedures. Whereas machines, where relative movement is assured by rotatory principles are technically relatively easy to handle, test rigs using linear-translatory movement are usually limited in either their dynamic spectrum, or travelling distance, due to dissatisfactory solutions for normal force application. Within this thesis a machine was developed which is not affected by such problems, as it uses active magnetic bearing for normal force application and can thus access new dimensions in tribological testing.<br />The mechanical part of the mechatronic device is represented by two bearing units consisting of six linear magnetic bearings each, the moving translator and a lifting table located between the bearing units. One of the test specimens is mounted on the translator, another on the lifting table, which also comprises important parts of the measuring system. Relative movement is provided by an actuator which can easily be exchanged and thus adapted for different types of tests. As modularity was an important guideline over the whole design process, not only the actuator but also big parts of the measuring system can be adapted to special tasks.<br />Most of the electronic components are gathered within a housing. The most important ones are three power amplifier units for the magnetic bearings and three digital signal processor units representing the logical core of the machine. They are occupied with measurement, data processing and control, allowing to operate the machine. High precision measurement data are collected by a data acquisition system and processed as well as saved on a PC.<br />After calibrating the measurement systems, several validation measurements were carried out in order to prove the machine's functionality. During these tests two problems were identified which at the moment prevent the machine from taking its full effect.<br />First, the actuator used for the tests should not be operated in force controlled mode, what led to abort several times.<br />Also the normal force control algorithm proved to be too slow. Apart from that it could be proven that the machine works properly and measurement data were qualitatively comparable to similar tests' results.