CN101680739B - 防止轴上过载的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测轴的弯曲，尤其是在捏合机中的轴的弯曲的方法，其中该轴至少在一侧被支承。在第一步骤，在不同于支承点的至少一个位置，测量轴的自径向位置的偏移。在另一步骤中，可选地根据所测得的自径向位置的偏移确定一个对比值。在第三步骤，将在第一步骤中测得的自径向位置的偏移或者在第二步骤中确定的对比值与预定极限值进行比较。

Description

防止轴上过载的方法

技术领域

本发明涉及一种通过监测轴的弯曲，尤其是在混合捏合机中的轴的弯曲来防止过载的方法，所述轴至少在一侧被支承。

背景技术

混合捏合机被用来例如制造细碎的交联聚合物。例如可以从EP-A0 517 068获知带有至少两个轴向平行的旋转轴的该种混合捏合器，在该轴的表面上设有在其周缘上布置有捏合棒的盘面。所述捏合棒被布置为使得在一个轴上的捏合棒与在另一个轴上的捏合棒接合。在轴上的捏合棒的数量可以根据轴的转速变化，轴的转速可以不同。例如，对于1∶4的转速比，在主轴上八个捏合棒被布置于周缘上，两个捏合棒被布置在称为剥离轴的第二轴上，该剥离轴的旋转速度是主轴的四倍。

混合捏合机中所包含的细碎聚合物对轴的旋转运动具有阻力。该阻力的作用是所述轴受到互相耦合在一起的弯曲应力和扭转应力。为了防止对轴的损坏，当达到轴的最大容许负载或应力即最大弯曲或扭转时，需要采取防止对轴造成损坏的措施。所述措施例如包括关闭混合捏合机。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种可以防止轴由于过载而损坏的方法。

通过一种通过监测轴的弯曲，尤其是在混合捏合机中的轴的弯曲来防止过载的方法来实现所述目的，其中所述轴至少在一侧被支承，所述方法包括以下步骤：

(a)在不同于轴的支承点的至少一个位置上，测量轴的自径向位置的偏移，

(b)可选地，根据所测得的自径向位置的偏移确定一个对比值，

(c)将在步骤(a)中测得的自径向位置的偏移或者在步骤(b)中建立的对比值与预定极限值进行比较。

在本发明的上下文中，自径向位置的偏移意指，在轴上的任意位置处轴的轴线沿径向方向相对于一固定点例如在壳体上的一点的偏移，例如可以由例如弯曲造成。

在其处测量自径向位置的偏移的所述不同于支承点的位置，可以是在轴上的在其处轴未被支承的任意位置。但是优选地，所述测量在轴的一侧进行，特别地在靠近支承点的边缘区域进行。

根据轴的自径向位置的偏移可以确定整个轴的弯曲。例如，借助于轴结构的有限元模拟，可以根据所确定的自径向位置的偏移，计算出轴的弯曲。作为替代，也可将轴看做弹性挠曲梁。

例如，轴的最大容许弯曲——通过其还可以避免对轴的损坏——也可以通过建模确定。轴的最大容许弯曲取决于用来制造轴的材料的材料特性(Stoffeigenschaften)。特别地，最大容许弯曲取决于用来制造轴的材料的弹性和屈服点。轴的最大容许弯曲还取决于轴结构的几何形状、轴的支承点或者在轴上的捏合棒与壳体之间的距离。例如，在混合捏合机的运行过程中，应该防止捏合棒沿着壳体壁刮削。该刮削一方面会导致为了使轴运动而消耗更大的力，并且另一方面金属屑因此会被从壁上刮下来，该金属屑会污染在混合捏合机中所容纳的产品。

为了使得混合捏合机能够可靠运行，这一种测量是足够的，因为从在轴上的任意位置处的自径向位置的偏移可以推导出轴的最大弯曲。特别地，推导出最大弯曲可以防止混合捏合机的轴过载。

作为替代，最大容许弯曲，并且因此自径向位置的最大容许偏移，也可以用实验方法确定。

为了测量轴的自径向位置的偏移，优选地，使用至少两个相互径向偏置的测量值接受器(Messwertaufnehmer)，以记录自径向位置的偏移的方向。特别优选地使用两个相互径向偏置90°的测量值接受器。利用相互径向偏置的传感器，可以确定在两个不同方向上的偏移。由此可以确定轴的自径向位置的总偏移。特别地，当使用仅仅一个测量值接受器时，不能记录横切测量值接受器的测量方向发生的自径向位置的偏移，因为在此情况下在传感器和轴之间的距离保持不变。

为了校准测量信号，优选地，在轴上无负载时初始测量轴的自径向位置的偏移(零测量)。为此，在混合捏合机未被填充时执行测量过程。通过在轴上无负载时测量径向偏移，能够确定例如轴的表面不平度、支承间隙或材料影响。

为了建立对比值，在一个优选实施方案中，确定轴上无负载时测得的自径向位置的偏移与对于有载轴测得的偏移之间的差值。所述对于有载轴所测得的自径向位置的偏移与轴上无负载时测得的偏移之间的差值给出了轴的自径向位置的实际偏移。然而，为此，需要将轴的偏移分配至轴的一精密周缘位置。以此方式，能实现可以相应地从当前测得的偏移减去对于无负载轴在精确地相同的周缘位置测得的偏移(细校准)。

作为替代，也可对于无负载轴形成自径向位置的偏移的平均值，随后建立在所述平均值与测得的偏移之间的差值(粗校准)。此实施方案的优点在于，不需要精确分配在轴周缘上的测量点，由于不需要记录轴的周缘位置，因而简化了测量。

在一个实施方案中，通过所述至少两个传感器记录的轴的偏移以轨迹图(Orbit-Darstellung)的形式表示。这意味着轴在y方向上的自径向位置的偏移相对于在x方向上的偏移绘出。在此情况下，传感器相互偏置90°。因此，一个传感器测量轴在x方向上的偏移，第二传感器测量轴在y方向上的偏移。当在轨迹图中表示时，自径向位置的偏移的最大和最小测量值形成一包络线。实际偏移被包含于该包络线。将该包络线与容许偏移的极限值比较。

优选地，所述极限值根据轴的最大容许弯曲确定。

据以确定极限值的轴的最大容许弯曲，由材料的容许强度极限σ_s以及安全系数形成。安全系数引入了附加裕度，即使当达到该极限值时，该附加裕度也防止轴被施加应力高达其负载极限。以此方式，即使当达到极限值时也能避免对轴的损坏。安全系数优选地处于1.1至1.3的范围内。特别优选地，安全系数是1.2。

当根据所测得的自径向位置的偏移形成对比值时，还优选的是，对于极限值形成对应的对比值。例如，在最大容许的自径向位置的偏移与轴上无负载时轴的自径向位置的偏移之间的差值可被确定为极限值。一旦所测得的偏移或者对比值超过该极限值，就执行适合的措施。例如，可在达到极限值时发出警报。根据该警报，操作者能够决定是否可以继续使用该混合捏合机。操作者也可以决定是否可执行其他措施以减少在轴上的负载。在一个方法变体中，可提供一高于第一极限值的第二极限值。在此情况下，优选的是当达到第一极限值时触发一警报。一旦达到第二极限值，优选的是触发另一警报或者使轴停止运转，以防止损坏。第一极限值优选地具有在最大容许值的75-90％的范围内的值，优选地具有在最大容许值的75-85％的范围内的值，第二极限值优选地处于最大容许值的95-100％的范围内。

当达到或超过极限值时可以执行的其他措施例如是：例如通过添加溶剂来降低固体含量，减少被循环的细粒材料部分，或者减少诸如气相二氧化硅(Aerosil)、粘土(Tonen)以及类似物等的固体添加剂部分，降低温度使得较少的溶剂蒸发，改变产品的交联度，添加至少一种润滑剂例如表面活性剂(Tensid)或蜡(Wachs)，或者替代地增加温度以降低粘度。因而，适合的措施取决于混合捏合机的使用。

在一个优选实施方案中，除了径向位置之外还记录轴的周缘位置。为此，例如，一个由一个传感器记录的标记可以被应用在轴上。适合的传感器例如是键相位器(Keyphaser)或触发器。利用触发器，探知轴的每一回转。对于轴的均匀周缘速度，相应测得的偏移的精确周缘位置，可以根据触发器信号以及由传感器所接收的随时间而变化的自径向位置的偏移来确定。

例如借助于涡电流探针来进行对自径向位置的偏移的测量。该涡电流探针产生一个磁场，通过该磁场测量在轴和探针之间的距离。该种涡电流探针对于本领域普通技术人员是已知的。

从自径向位置的偏移的大小可以直接推导出轴的弯曲。通过轴上力的作用，该弯曲与轴的扭转耦合。该扭转与轴的扭矩成正比。由于弯曲和扭转通过轴上的力平衡彼此耦合，因此可以根据自径向位置的偏移确定轴的扭转。然而，通常弯曲应力显著大于扭转应力并且因此对轴的稳定性和运转可靠性是关键的。

轴的最大测量弯曲d由下式给出：对于细校准

$d=\sqrt{|{(x-x_0{|}_{\max }^2+(|y-y_0{|}_{\max }^2\±y_{\mathrm{EG}})}^2}$

，或者对于粗校准

$d=\sqrt{{({\left|x\right|}_{\max }-|x_0{|}_{\mathrm{mittel}}+\left|x_{\mathrm{Opp}}\right|)}^2+{\left(\right|y_{\max }|-|y_0{|}_{\mathrm{mittel}}+\left|y_{\mathrm{Opp}}\right|\±y_{\mathrm{EG}})}^2}$

，关于在x方向上的在限定时间段内在相同位置处的当前测量值与零测量的值之间差值的最大绝对值|x-x₀|_max，在y方向上的在限定时间段内在相同位置处的当前测量值与零测量的值之间差值的最大绝对值|y-y₀|_max，由于其自身重量的偏移y_EG，在限定时间段内在x方向上的最大测量值的绝对值|x|_max，在x方向上的零测量的平均值的绝对值|x₀|_mittel，在零测量的最大值和最小值之间的差值的绝对值|x_Opp|，在限定时间段内在y方向上的最大测量值的绝对值|y|_max，在y方向上的零测量的平均值的绝对值|y₀|_mittel，以及在y方向上的零测量的最大值和最小值之间的差值的绝对值|y_Opp|。

±y_EG的正或负叠加取决于轴的负载情况。当自径向位置的最大偏移发生在y方向上时，即在重力所作用的方向上时，则加上y_EG，而在相反的情况下，即当自径向位置的最大偏移在重力所作用的方向的反向上发生时，则减去y_EG。

附图说明

下文将借助于附图更详细地描述本发明的实施方案，在附图中：

图1示出了在具有两个轴的混合捏合机中的力分布的示意性图示，

图2示出了零测量的信号走向曲线(Signalverlauf)，

图3示出了关于有载轴以及零测量的信号走向曲线，

图4示出了关于粗校准的信号走向曲线，

图5示出了关于细校准的信号走向曲线，

图6示出了具有包络线的轨迹图。

具体实施方式

图1示意性示出了在具有两个轴的混合捏合机中的力分布。

具有两个轴的混合捏合机包括搅拌轴1和剥离轴3。通常，在混合捏合机中，可以具有任意适宜形状的捏合棒被布置在搅拌轴1和剥离轴3两者上。在搅拌轴1上的周缘上分布的捏合棒的数量可以不同于在剥离轴3上的捏合棒的数量。当在搅拌轴1和剥离轴3上具有不同数量的捏合棒时，该搅拌轴1和剥离轴3通常被以不同速度驱动。术语剥离轴3是指具有较少的捏合棒分布在周缘上并且旋转得更快的轴。转速比取决于捏合棒的数量的比。搅拌轴1和剥离轴3可以被朝向同一方向驱动，或者如图1所示，被朝向相反的方向驱动。

通过一传动装置使搅拌轴1和剥离轴3进行旋转运动。这引起在搅拌轴1上的第一扭矩5和在剥离轴3上的第二扭矩7。

在捏合过程中在搅拌轴1和剥离轴3上的捏合棒浸入待捏合的物质并且将其粉碎，由于捏合过程，与第一扭矩5方向相反的第一阻力9作用于搅拌轴1。与剥离轴3的第二扭矩7方向相反的第二阻力11作用于剥离轴3。如果搅拌轴1的捏合棒刮削壳体，则第一阻力9进一步增大。相应地，如果剥离轴3的捏合棒刮削壳体，则剥离轴3的第二阻力11进一步增大。

以相反方向作用于剥离轴3和搅拌轴1的扭矩5、9和7、11引起相应的轴1、3的扭转应力。

由于捏合过程，相应地由于另一轴而引起的力进一步作用于搅拌轴1和剥离轴3。对于数学建模，将相应地施加在另一轴1、3上的力合成为作用于当量长度上的力。这是必须的，因为所述相应地施加的力作用在轴上同时分布在该距离上。由于剥离轴3而引起的在搅拌轴1上的力用箭头13表示。力13也被称为支持力。例如，由一个基于实验室实验和运转测量的负载模型，可以获得力13的作用点。力13于其上施加在搅拌轴1上的当量距离由箭头15表示。相应地，由于搅拌轴1而引起的支持力17也作用于剥离轴3。支持力17于其上施加在剥离轴上的当量距离用参考标号19表示。

剥离轴3和搅拌轴1的最大容许弯曲，分别对于剥离轴3和搅拌轴1独立地进行考虑。

最大容许负载可以，例如通过有限元方法或梁模型，由如在图1中示出的在搅拌轴1和剥离轴3上的力分布的示意模型计算出来。

图2显示了对于剥离轴3的零测量的信号走向曲线。时间t被图示在x轴21上，在径向位置的偏移被图示在y轴23上。利用两个相互偏置90°的传感器来进行所述测量，以确定在x方向和y方向上的偏移。

图2显示了剥离轴3的四个回转的走向曲线。在此处所示的实施方案中，一个回转持续1.6秒。当然剥离轴还可能旋转得更快或者更慢。

参考标号25显示了在x方向上的偏移，参考标号27显示了在y方向上的偏移。可以看到，所述偏移具有正弦形走向曲线。在x方向上的偏移25和在y方向上的偏移27之间最大量相应地偏置90°。这归因于没有负载作用在轴上。偏移仅仅由于剥离轴3上的制造公差和不平整以及表面处理而产生。由零测量可以不仅确定平均值|x₀|_mittel、|y₀|_mittel，而且可以确定|x_Opp|和|y_Opp|的值。

图3显示了关于有载轴以及零测量的信号走向曲线。

类似于在图2中，同样在图3中时间被图示在x轴21上，对于剥离轴3的四个回转的自中性位置的偏移被显示在y轴23上。参考标号29表示了在x方向上的测量，参考标号31表示了在y方向上的测量。在图3中，可以看到在x方向上的测量走向曲线每个回转具有第一最大值33和第二最大值35。第一最大值33和第二最大值35分别表示剥离轴3自中性位置的最大偏移。在x方向上的走向曲线具有第一最大值33和第二最大值35的位置处，在y方向上的测量31显示出第一最小值37和第二最小值39。这些最小值也分别表示自中性位置的最大偏移。

第一最大值33和第二最大值35，以及第一最小值37和第二最小值39，可归因于剥离轴3具有分布在周缘上的两个捏合棒。每次所述捏合棒的位置处于于其处它们与搅拌轴1的捏合棒接合的位置，最大力作用在剥离轴3上。这导致负载增加从而弯曲更大。由于捏合棒在剥离轴3上被布置为偏置180°的角度，这导致在一个回转中的测量的两个摆幅。上述偏移在没有捏合棒相互接合时最小。这导致在图3中显而易见的轴的摆动负载。

图4显示了关于粗校准的信号走向曲线。

对于粗校准，平均值x_0，mittel、y_0，mittel由零测量形成，如图2所示。分别在x方向上和在y方向上从关于有载轴测得的走向曲线减去此平均值x_0，mittel、y_0，mittel。由于在每一种情况下均减去了一个定值，对于有载轴的在x方向上和y方向上的走向曲线类似于如图3显示的测量的未校准的走向曲线。在x方向上的粗校准的信号走向曲线41同样对于剥离轴3的每一回转具有第一最大值33和第二最大值35。在y方向上的粗校准的信号走向曲线43在剥离轴3的每一回转也具有第一最小值37和第二最小值39。如上所述，最大值33、35以及最小值37、39是由于剥离轴3和搅拌轴1的接合，同时两个捏合棒被布置为分布在剥离轴3的周缘上。每次剥离轴3上的捏合棒接合扫过搅拌轴1的捏合棒，最大力作用于剥离轴3，这导致轴的更大弯曲，从而导致摆幅增大。

图4另外还显示了触发器信号45，该触发器信号各自显示出了在剥离轴3的一个回转之后的摆幅。以此方式，自径向位置的偏移可以相应地被分配到轴1、3的精确位置。

图5显示了关于粗校准的信号走向曲线以及关于细校准的信号走向曲线。

与图4所示的粗校准形成对比，对于图5所示的细校准，在相同位置确定的零测量的值被相应地从对于有载轴测得的值中减去。为此，例如对于如图4所示的触发器信号，需要确定剥离轴的确切位置。

通过将细校准的信号走向曲线与粗校准的信号走向曲线进行比较，可以看到，不同的值特别地在最大值33、35和最小值37、39处确定。例如，在x方向上的细校准的信号走向曲线45对于第一最大值33显示了比在x方向上的粗校准的信号走向曲线41更大的值，而在x方向上的粗校准的信号走向曲线41对于第二最大值35给出了更大的值。相应地，同样对于在y方向上的偏移，在y方向上的细校准的信号走向曲线47中对于第一最小值37可得到更大的值，而第二最小值39比在y方向上的粗校准的信号走向曲线43中具有更大的值。

对于最大挠曲可获得剥离轴3或搅拌轴1的最大弯曲。这意味着对于最大挠曲，轴1、3的弯曲是最大的。图5显示了在粗校准和细校准之间在x方向上的最大挠曲的差值49，以及在关于粗校准和细校准的图示之间在y方向上的最大挠曲的差值51。

在细校准和粗校准之间的差值总是小于零测量的最大值和最小值x_Opp、y_Opp之间的差值。为了可靠的评估，在粗校准中增加值x_Opp、y_Opp。

图6示出了具有包络线的轨迹图。在x方向上的轴摆动在该图中被图示在x轴21上，在y方向上的轴摆动被图示在y轴23上。所显示的曲线一方面示出了关于粗校准的轴摆动53，还示出了关于细校准的轴摆动55。如上文参照图5所述，在x方向上的差值57和在y方向上的差值59在粗校准的图示和细校准的图示之间得到。

盒子形式的包络线61围绕所记录的轴摆动放置。包络线61被选取为使得它相应地包含轴1、3的最大测量偏移。一旦封闭最大测量偏移的包络线超过最大容许偏移的值，就采取措施。将要采取的措施例如是发出警报或者使机器停止运转，以防止损坏。

参考标号列表

1     搅拌轴

3     剥离轴

5     第一扭矩

7     第二扭矩

9     第一阻力

11    第二阻力

13    在搅拌轴1上的力

15    力13的当量距离

17    在剥离轴3上的力

19    力17的当量距离

21    x轴

23    y轴

25    在x方向上的偏移

27    在y方向上的偏移

29    在x方向上的测量

31    在y方向上的测量

33    第一最大值

35    第二最大值

37    第一最小值

39    第二最小值

41    在x方向上的粗校准的信号走向曲线

43    在y方向上的粗校准的信号走向曲线

45    触发器信号

46    在x方向上的细校准的信号走向曲线

47    在y方向上的细校准的信号走向曲线

49    在x方向上的最大挠曲之间的差值

51    在y方向上的最大挠曲之间的差值

53    关于粗校准的轴摆动

55    关于细校准的轴摆动

57    在x方向上的差值

59    在y方向上的差值

61    包络线

Claims (12)

1.一种监测轴的弯曲的方法，其中该轴至少在一侧被支承，所述方法包括以下步骤：

(a)在轴上无负载时测量轴的自径向位置的偏移，

(b)在不同于轴的支承点的至少一个位置上，测量轴的自径向位置的偏移，

(c)根据所测得的自径向位置的偏移确定一个对比值，其中所述对比值为在轴上无负载时所测得的自径向位置的偏移与对于有载轴所测得的自径向位置的偏移之间的差值的绝对值；

(d)将在步骤(c)中建立的对比值与预定极限值进行比较。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述测量使用至少两个在周缘方向上相互偏置的传感器，以记录自径向位置的偏移的方向。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，由所述至少两个在周缘方向上互相偏置的传感器所测得的自径向位置的偏移或者所述对比值被以轨迹图的方式表示。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定极限值在轨迹图中形成包络线，其中所述自径向位置的偏移与该预定极限值相比较。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定极限值根据轴的最大容许弯曲确定。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预定极限值为在轴上无负载时的自径向位置的偏移与最大容许偏移之间的差值的绝对值。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，如果超过所述预定极限值则使轴停止运转。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，一达到或者超过所述预定极限值，就减少固体含量、减少固体添加剂部分或者被循环的细粒材料部分、降低温度、改变产品的交联度、添加至少一种润滑剂或者提高温度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，记录轴的周缘位置。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，一个标记被应用到轴上，以记录所述周缘位置，其中该标记由一个传感器记录。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过一涡电流探针确定自径向位置的偏移。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴是在混合捏合机中的轴。

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