DE2649652C2 - Meßeinrichtung zum Erfassen von Ausrichtungsfehlern miteinander gekuppelter Wellen - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Erfassen von Ausrichtungsfehlern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die miteinander zu verbindenden Welten von bestimmten Aggregaten, wie Dieselmotoren und elektrischen Generatoren, müssen bekanntlich sehr genau aufeinander ausgerichtet werden, um Wellenbrüche und/ oder Lagerschäden weitgehend vermeiden zu können.

Bei kleineren Aggregaten kann die gegenseitige Ausrichtung der miteinander zu verbindenden Ab- und Antriebswellen im statischen Zustand, d. h. nichtdrehenden Wellen durchgeführt werden, so daß das gegenseitige Ausrichten der Wellen keine Schwierigkeiten bereitet Bei größeren Aggregaten mit Leistungen im Bereich von Megawatt erweist sich jedoch die im statischen Betrieb vorgenommene Ausrichtung als nicht ausreichend, weil an den betreffenden Aggregaten thermische Ausdehnungen auftreten, die wegen der größeren Abmessungen der jeweiligen Aggregate zu nennenswerten Ausrichtungsfehlern während des Betriebes führen.

Es ist demzufolge bereits bekannt (siehe US-PS 37 83 522), die während des Betriebes, d. h. bei Erreichung eines thermische Gleichgewichtes auftretenden Ausrichtungsfehler zweier miteinander verbundener Wellen dadurch zu bestimmen, daß die im Bereich der Wellendurchführungen sich ergebenden Verformungen der Gehäusewandungen der jeweiligen Aggregate gemessen werden. Es ist jedoch einleuchtend, daß dieses Verfahren nur relativ ungenaue Meßresultate liefert, weil die sich ergebenden Gehäuseverformungen von einer Vielzahl schlecht zu berücksichtigender Faktoren abhängen.

Es ist somit bereits vorgeschlagen worden (siehe DE-OS 25 44 955), im Bereich der miteinander verbundenen WeILn zweier Aggregate starr befestigte Tragjoche vorzusehen, mit welchen unter Verwendung einer Mehrzahl von berührungsfreien Wirbelstromsonden der jeweilige Abstand gegenüber den Verbindungsflanschen während des Betriebes, d. h. im Zustand rotierender Wellen gemessen werden kann. Eine derartige Meßeinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß zur winkel-wie auch positionsmäßigen Bestimmung der Fehlausrichtung zweier miteinander verbundener Wellen eine Mehrzahl von Meßfühlern notwendig ist. Darüber hinaus werden mit einer derartigen Meßeinrichtung jeweils Versetzungen bzw. Verschiebungen gegenüber einem von außen vorgegebenen Referenzwert gemessen, was insoweit nachteilig erscheint, weil dadurch vorhandene Vibrationen sowohl der Wellenflansche als auch der Meßfühlerhalterung zu nicht vernachlässigbaren Meßfehlern führen.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Meßeinrichtung zu schaffen, mit welcher vorhandene Ausrichtungsfehler zweier miteinander verbundener Wellen während des Betriebes sehr genau bestimmt werden können, wobei das Meßresultat durch vorhandene Maschinenvibrationen im wesentlichen nicht beeinflußt wird.

Die Lösung dieser oben genannten Aufgabe ergibt sich anhand des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 eine Welle mit Kopplung für die Ausgangswellen eines Abtriebs- und eines Antriebselements,

F i g. 2 das Schaltbild einer elektronischen Schaltung zum Erregen der in der F i g. 1 dargestellten Fühler auf der Welle und zum Verarbeiten der Signale von den auf der Welle befestigten Fühlern,

Fig. 3 ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung auf der Welle,

F i g. 4 eine andere erfindungsgemäße Möglichkeit für die Anordnung der Kopplung und der Fluchtungsfühler,

Fig.5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kopplung,

Fig.6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kopplung und der Fühler,

Fig.7 ein weiteres AusführungsbeispieJ der Kopplung und der Fühler für die Erfindung,

F i g. 8 eine Erregerschaltung für das Ausführungsbeispiel der F i g. 6, und

F i g. 9 eine Erregerschaltung für das Ausführungsbeispiel der F i g. 4.

Nach F i g. 1 ist eine Welle 12 eines Antriebs mit einer Welle 14 eines Abtriebselements über eine Zwischenwelle 16 und zwei flexible Kupplungen 18, 20 verbundea Die Kupplungen ·8 und 20 können Keilverbindungen sein oder andere Formen besitzen, wie z. B. eine biegsame Membrankopplung. Annäherungsfühler 26 und 28 sind an Endflanschen 30 und 32 der Zwischenwelle 16 so befestigt, daß sie den Endflanschen 22 und 24 der Wellen 12 und 14 gegenüberliegen und Spaltänderungen zwischen den Flanschen 22,30 bzw. 24,32 erfassen. Die bei Drehung abgetastete Änderung der Spaltweite erlaubt dabei ein genaues Erfassen der Fehlausrichtung, welche in F i g. 1 stark vergrößert dargestellt ist

Bei der Rotation der Wellen 12, 14 schwingen die Flansche 22, 30 sowie 24, 32 im Bereich der Annäherungsfühler 26 und 28 hin und zurück, wobei sie sich mit der Drehzahl periodisch nähern und voneinander entfeinen. Die Phasenlage und Größe dieser Änderungen ist dabei ein Maß für die Fehlausrichtung zwischen den Wellen 12 und 14 für die Richtung der Fehlausrichtung sowie für die Art der Fehlausrichtung, d. h. reine Winkel-Versetzung, reine Parallel-Versetzung oder beides zusammen. Um die Fühler 26 und 28 so zu erregen, daß ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, welches diese Änderung wiedergibt, besitzt ein Drehmelder 34 ortsfest angebrachte Primärwicklungen 36, welche auf der Welle befestigte Sekundärwicklungen 38 umgeben, um Energie in d^Je Welle einzukoppeln sowie um Sondensignale von der Welle zur äußeren elektronischen Verarbeitungsschaltung zu koppeln. Zusätzlich ist eine Markierungssonde 40 vorgesehen, welche außerhalb der Wellen befestigt ist, um einen Markierungsteil des Flansches 24 auf der Welle 14 zu erfassen. Die Markierung kann z. B. optisch oder mechanisch erfolgen. Bei Drehung der Wellen erzeugt eine Bezugsmarkierung in der Sonde 40 ein Signal, das die Auflösung der Signale vom den Sonden 26 und 28 in senkrechte Fehlausrichtungs-Größen ermöglicht.

F i g. 2 zeigt die elektronische Schaltung zur Übertragung der Fühlerenergie zur Welle und zum Verarbeiten der von der Welle eingekoppelten Fühler-Antwortsignale. Vorzugsweise speist ein bei z. B. einer Frequenz von 20OkHz arbeitender HF-Oszillator 42 ein Ausgangssignal an einen Leistungsverstärker 44, dessen Ausgangssignal an der Primärwicklung 46 des Drehmelders 34 zur Kopplung zur Sekundärwicklung 38, 48 auf der Zwischenwelle 16 liegt Dieses Signal wird seinerseits einer Gleichstromquelle 50 eingegeben, die die verschiedenen Bauteile auf der Welle erregt. Ein Rechteck-Generator 52 spricht auf das Signal von der Sekundärwicklung 48 an und arbeitet als Amplitudenbegrenzer, um ein Ausgangssignal konstanter Amplitude zur Erregung der Fühler 26 bzw. 28 zu erzeugen. Widerstände 54 und 56 liegen im Erregerstrompfad, um als Konstantstromquellen für die Sonden zu arbeiten. Kondensatoren 58 und 60 sind jeweils parallel zu den Fühlern 26 und 28 vorgesehen, um diese auf eine Stelle gerade außerhalb der Resonanz abstimmen zu können. Die von den Fühlern 26 und 28 abgegebenen Signale werden zur Gleichrichtung an Detektoren 62 bzw. 64 leitet, und die gleichgerichteten Ausgangssignale dieser Detektoren an Modulatoren 66 bzw. 68 geleitet, wo sie zerhackt oder bei verschiedenen Frequenzen F2 und F3 moduliert werden, welche durch einen Zähler 70 erzeugt werden. Der Zähler 70 bewirkt eine Frequenzteilung des 200 kHz-Signals von der Sekundärwicklung 48. Vorzugsweise betragen diese beiden Frequenzen 25 und 12,5 kHz. Die zerhackten Signale werden an einen Verstärker 72 bzw. 74 zur Verstärkung geleitet, bevor sie an die auf der Welle angebrachten Primärwicklungen 76 und 78 des Drehmelders abgegeben werden, wo sie zur Sekundärwicklung 80 bzw. 82 gekoppelt werdea

Dk Signale der Wicklungen 80 und 82 werden dann den jeweiligen Filtern 84 und 86 zugeführt, die auf die beiden Zerhackerfrequenzen F2 und F3 abgestimmt sind, um alle Signale auszuschließen, welche auf einem »Übersprechen« zwischen den Wicklungen des Drehmelders beruhen könnten. Hierzu sind zwei Frequenzen für die Fühlersignale vorteilhaft Die Ausgangssignale der Filter 84 und 86 liegen an Detektoren 88 bzw. 90, welche die Signale im Zustand am Ausgang der Detektoren 62 und 64 wiedergewinnen, insbesondere ein sich mit der Drehzahl der Wellen und mit die gesamte Fehlausrichtung bei den Naben 18 und 20 wiedergebenden Größen änderndes Wechselstromsignal erzeugen. Das Ausgangssignal des Detektors 88 kann an ein Tiefpaßfilter 94 geleitet werden, um an einem Ausgang £5 einen mittleren Gleichstrom zu erzeugen, der die Größe der axialen Fehlausrichtung allgemein angibt.

Zusätzlich ist der Ausgang der Detektoren 88 und 90 über jeweilige Reihenkondensatoren 96 und 98 und Nebenschlußwiderstände 100 und 102 zu Tiefpaßfiltern 104 und 106 wechselstromgekoppelt, die die zurückbleibenden Komponenten der Zerhackerfrequenz entfernen. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 104 ist mit Multiplizerern 108 und 110 und folgenden Tiefpaßfiltern 109 und 111 verbunden, während der Ausgang des Tiefpaßfilters 106 an Multiplizierer 112 und 114 und folgende Tiefpaßfilter 113 und 115 angeschlossen ist Die Multiplizierer 108, 110, 112 und 114 empfangen auch über einen Signalformer 116 und einen Sinus-Cosinus-Generator 118 Signale, die die Drehphase der Wellen 12, 14 und 16 angeben und von der Markierungssonde 40 erzeugt werden. Der Signalformer 118 erzeugt eine Reihe geformter Ausgangsimpulse bei jedem Durchgang der Markierung auf der Welle 14 zum Generator 118. Sinus- und Cosinus-Signale (90°-phasenverschobene Sinuswellen) auf jeweiligen Leitungen 120 und 122 vom Generator 118 werden jeweils zu Multiplizierern 108 und 114 für die Sinus-Funktion und Multiplizierern 110 und 112 für die Cosinus-Funktion gespeist. Diese Signale bewirken eine phasenempfindliche Demodulierung in den aktiven Filtern entsprechend üblichen Möglichkeiten, um Gleichstrom-Ausgangssignale El, E2, £3 und E4 zu erzeugen, die eine senkrechte Fehlausrichtung bei jeder Nabe darstellen. Insbesondere ist E1 eine Änderung in Richtung der „Y-Achse im abgetasteten Spalt bei dem Fühler 26 (waagrecht); El eine Änderung in Richtung der V-Achse im abgetasteten Spalt bei dem Fühler 26 (senkrecht); £3 eine Änderung in Richtung 'der ,Y-Achse im abgetasteten Spalt bei dem Fühler 28 (waagrecht); und E4 eine Änderung in Richtung der Y-Achse im abgetasteten Spalt bei dem Fühler 28 (senkrecht). Ungewollte oder zufällige Signale, die z. B. durch Getriebestörungen in der Kopplung zwischen den Wellen erzeugt werden können, werden ebenfalls durch ein derartiges Filtern ausgeschlossen.

Mittels der Größen dieser Ausgangssignale Ei bis £4 ist es möglich, zahlreiche andere Parameter der Fehlausrichtung abzuleiten. Der Winkel der Fehlausrichtung bei jeder Nabe in den zutreffenden Richtungen ist proportional zur Größe des entsprechenden Ausgangssignals, dividiert durch die Verschiebung oder Versetzung der entsprechenden abtastenden Sonde von der Achse der Biegung der Wellen. Auf ähnliche Weise ist der Gesamtwinkel der Verschiebung zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle in der A'-Achse die Summe aus den Ausgangssignalen £1 und £3, dividiert durch diese Verschiebung, und in der F-Achse die Summe der Signale E2 und EA, dividiert durch diese Verschiebung. Ebenso können die Versetzungsabstände in der X- und der K-Richtung auf ähnliche Weise (für kleine Winkel) wie der Winkel der Fehlausrichtung mal der Wellenlänge berechnet werden. Auf diese Weise ist die Versetzung der X-( Y-)-Achse der Nabe 20 von der Nabe 18 der X-( Y-)- Achsenwinkel der Welle 16 von der Welle 12 mal der Länge der Welle IZ Für die Gesamt-Versetzung beim Abtriebselement wird der Wellenwinkel bei der Nabe 18 mal der Entfernung zu diesem Element von der Nabe plus dem Winkel der Wellen 16 und 14 bei der Nabe 20 mal der Entfernung zu dem Element von dieser Nabe für jede Achse berechnet Eine Schaltung 117 kann zum Erzeugen dieser Ausgangssignale verwendet werden, die die für eine Ausrichtung unter Laufbedingungen erforderliche Einstellung wiedergebea

In der F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform zum Erfassen einer Fehlausrichtung dargestellt, wobei eine Antriebswelle 130 und eine Abtriebs- oder Zwischenwelle 132 in jeweiligen Lagern 134 und 136 gelagert und über eine starre Kupplung 138 verbunden sind. Auf jeder Seite der Kupplung 138 sind Dehnungsmeßstreifen 140—143 auf entgegengesetzten Seiten der Wellen 130 bzw. 132 vorgesehen, um die durch Fehlausrichtung hervorgerufene Biegung oder Deformation der Wellen 130 und 132 abzutasten. Die Dehnungsmeßstreifen 140—143 werden über jeweilige Drehmelder 144 und 146 und Schaltungen 139 und 145 erregt Entsprechende Ausgangssignale von den Dehnungsmeßstreifen 140—143 werden durch die Drehmelder 144 und 146 über die Schaltungen 139 und 145 zur Signalverarbeitung weitergegeben, wie dies im wesentlichen bereits anhand der F i g. 2 erläutert wurde, um um 90°-phasenverschobene Biegesignale für jede Steile der Dehnungsmeßstreifen 140—143 zu erzeugen, die gegebenenfalls für genaue Fehlausrichtungsdaten weiter analysiert werden können. Dabei ist es in zahlreichen Fällen ausreichend, wenn die relativen Größen und Richtungen der Fehlausrichtung mit Hilfe der Dehnungsmeßstreifen 140—143 bzw. Annäherungsfühler 26 und 28 bestimmbar sind, so daß auf eine genaue Kalibrierung der Meßeinrichtung verzichtet werden kann.

F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher eine einzelne Kupplung die Naben zweier Wellen verbindet Die erste Weile 150, von der lediglich die obere geschnittene Hälfte dargestellt ist, besitzt einen Annäherungsfühler 152, weicher außerhalb auf einem Flansch 154 befestigt ist Eine Membrananordnung 156 mit einer biegsamen Membran 158, die auf der Innenseite durch einen Spannkopf 160 festgelegt ist, ist über einen Flansch 162 mit dem Flansch 154 verschraubt Der Außenrand der scheibenförmigen biegsamen Membran 158 ist zwischen einem Flansch 164 und einem Flansch 166 verschraubt, der sich nach innen erstreckt um die durch den Näherungsfühler 152 geprüfte Oberfläche zu erzeugen. Der Fühler 152 wird über einen Drehmelder 170 mit einer an einer äußeren Halterung 174 befestigten Primärwicklung 172 und mit einer Sekundärwicklung 176 erregt, die mit der ersten Welle 150 umläuft Der Flansch 164 ist schließlich mit einer Welle 168 verschraubt

In der Fig.6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei ein Differenzmelder 180 gezeigt ist, welcher am Flansch 154 befestigte Wicklungen 182 und einen am Flansch 166 befestigten Kern 184 aufweist, wobei letzterer verschiebbar im Teil 182 angebracht ist. Diese Form eines Verschiebungsfühlers besitzt eine lineare Signal/Abstands-Kennlinie, welche bei induktiven Annäherungsfühlern mit vergleichbaren Abmessungen nicht erzielbar ist

Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein angeflanschter Kragen 190 dargestellt, der sich axial vom Flansch 166 erstreckt und eine Primärwicklung 192 eines Drehmelders 194 sowie eine Sekundärwicklung 1% aufweist, die an äußeren Bauteilen befestigt ist Der Kragen 190 weist zusätzlich einen Näherungsfühler 198 auf, der radial gegenüber zur Welle 150 liegt, um eine Änderung im Spalt zwischen dem Fühler 198 und einem Teil 200 der Welle 150 zu erfassen. Der Wellen-Fluchtungsprüfer dieses Ausführungsbeispiels ist im Spaltabstand gegenüber axialen Bewegungen der Kopplung und der Wellen weniger empfindlich.

In F i g. 8 ist die Schaltung zur Erregung des Differenzmelders 180 der F i g. 6 mit einem Drehmelder 202 dargestellt, dessen Sekundärseite die Primärseite des Differenzmelders 180 erregt Doppel-Sekundärwicklungen 204 und 206 des Differenzmelders 180 sind in Reihe gegenüber zu einem Emitterfolger 208 (oder Pufferverstärker) vorgesehen, der seinerseits die Primärseite eines Drehmelders 210 ansteuert, um das Signal des Differenzmelders zur oben anhand der F i g. 2 erläuterten äußeren Schaltung, insbesondere zum Filter 84, zu koppeln. Der dort gezeigte Verstärker 44 kann zur Erregung der Primärseite des Umformers 202 verwendet werden. Wenn zwei Naben und eine Zwischenwelle verwendet werden, kann die dargestellte Schaltung ebenfalls für den zweiten Differenzmelder verwendet werden, wobei sie vorzugsweise mit einer verschiedenen Frequenz angesteuert wird.

In Fig.9 ist die Schaltung zur Erregung der Dehnungsmeßstreifen 140—143 der Fig.4 dargestellt, wie z. B. die Schaltung 139 und 145. Ein durch den Verstärker 44 versorgter Drehmelder 214 hat eine Doppel-Sekundärwickiung, deren Ausgangssignale durch Strornversorgungsglieder 216 und 218 gleichgerichtet und gefiltert werden, um eine Gleichstromerregung für entgegengesetzte Anschlüsse von den Meßbrücken 220 und 222 zu erzeugen. Die Dehnungsmeßwiderstreifen 140—143 bilden die oberen Bauelemente der Brücken 220 und 22Z Die anderen entgegengesetzten Anschlüsse der Brücken 220 und 222 sind wiederholt über Schalter 224 und 226 in Reihe mit Widerständen 228 bzw. 230 angeschlossen. Die Schalter 224 und 226 werden durch verschiedene Ausgangssignale von vorzugsweise 25 kHz bzw. 12,5 kHz eines Zählers 232 gesteuert, wobei diese Frequenz das 200 kHz-Signal von einer Sekundärseite des Drehmelders 214 teilt Die zerhackten Signale an den Schaltern 224 und 226 werden in Verstärkern 234 und 236 gepuffert und aus der Welle über Drehmelder 238 und 240 zu der in F i g. 2 dargestellten Schaltung eingekoppelt Ein Gleichstrom-Versorg-jngsglied 242 ist für den Zähler 232 und die Verstärker 234

und 236 vorgesehen.

Bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen mit einer einzigen Näherungssonde oder einem Differenzumformer auf jeder Nabe kann auf der entgegengesetzten Seite der Nabe eine zweite derartige Sonde vorgesehen werden. Die Signale dieser Sonden werden dann differenziert, um ein für die axiale Bewegung bei jeder Nabe kompensiertes Ausgangssignal zu erzeugen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung zum Erfassen von Ausrichtungsfehlern mindestens zweier miteinander gekuppelter umlaufender Wellen mittels Meßfühlern, deren Impulse innerhalb einer ortsfesten elektronischen Schaltung in ein Ausgangssignal umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (26, 28, 140-143, 152, 180, 198) auf den Wellen (16,130,132,150,190) befestigt sind und zusammen mit diesen umlaufen und daß ein induktiver Drehmelder (34,144,146,170,194) vorgesehen ist, welcher einen hochfrequenten Erregerstrom für den zugeordneten Meßfühler liefert und gleichzeitig die von den Meßfühlern erfaßten periodischen Meßimpulse zur ortsfesten elektronischen Schaltung (80—115) überträgt

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler Annäherungsfühler (26, 28, 152, 198) sind, welchen auf der anderen Welle (12, 14, 164, 168, 150) des gekuppelten Wellenpaares jeweils ein entsprechendes Bezugselement (22, 24,166,200) zugeordnet ist

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler Dehnungsmeßstreifen (140—143) sind, mit welchen die gegenseitige Wellenverbiegung im Bereich der beiden untereinander verbundenen Wellen (130, 132) bestimmbar ist

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (26,28) Differenzmelder (180), deren an der einen Welle befestigter Kern (184) gegenüber den an der anderen Welle (150) befestigten Wicklungen (182) verschiebbar ist.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichnet- daß bei Vorhandensein von zwei durch eine Zwischenwelle (16) miteinander verbundener Wellen (12, 14) zwischen der Zwischenwelle (16) und jeder der beiden an diese angeschlossenen. Wellen (12 und 14) je ein Meßfühler (26; 28) mit je einem zugeordneten Bezugselement (22; 24) vorgesehen ist

6. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, duuren gekennzeichnet, daß zusätzlich eine ortsfeste Markierungssonde (40) vorgesehen ist, welche ein die jeweilige Drehlage der beiden Wellen (12, 14) angebendes Signal erzeugt, das zur Umsetzung des Ausrichtungsfehlers zwischen den beiden Wellen (12, 14) entlang senkrechter Achsen der ortsfesten elektronischen Schaltung (80-115) zugeführt ist