DE3002682A1

DE3002682A1 - Verfahren und vorrichtung zur massenungleichfoermigkeitsmessung an einem rotor, insbesondere kreisel

Info

Publication number: DE3002682A1
Application number: DE19803002682
Authority: DE
Inventors: Guenther Himmler; Richard Mueller
Original assignee: Gebr Hofmann GmbH and Co KG Maschinenfabrik
Current assignee: Gebr Hofmann GmbH and Co KG Maschinenfabrik
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1981-01-22
Also published as: US4277976A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Massenunqleichförmiqkeitsmessunq an είπΕΓπ Rotor,

insbesondere Kreisel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Massenungleichförmigkeitsmessung an einem Rotor, insbesondere Kreisel, der in einem radial festen, jedoch sphärisch nachgiebigen (gelenkigen) Lager, insbesondere Kardanlager, gelagert ist. Bei bekannten Kreiseln ist der Rotationskörper in Kardangelenken aufgehängt und kann z.B. gemäß der deutschen Patentschrift 16 23 kkQ ausgewuchtet werden. Beim bekannten Verfahren wird der Kreiselrotor zunächst dynamisch ausgewuchtet und nach Einsetzen in den Kreiselrahmen die Kombination aus Rotor und Kreiselrahmen nochmals in zwei zueinander parallelen Ebenen dynamisch ausgewuchtet.

Bei Rotoren, deren Lagerung so ausgestaltet ist, daß über diese nach außen keine Kräftepaare übertragen werden können, z.B. bei Rotoren, bei denen Rotor und Rahmen zu einer Einheit kombiniert sind, ist das Auswuchten, insbesondere das dynamische Wuchten, nach dem bekannten Verfahren nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen ein vollständiger Massenausgleich mit einer geringen Anzahl von Ausgleichsstellen durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei umlaufendem Rotor die statische Unwucht in an sich bekannter Weise durch eine kraft- oder wegmessende Meßeinrichtung nach Größe und Winkellage gemessen wird und das Kräftepaar und die Drift der Massenachse (Wanderung der Hauptträgheitsachse pro Zeiteinheit aufgrund der Schwerkraft) durch eine Einrichtung zur Abtastung der Rotoroberflache gemessen werden.

In vorteilhafter Weise können bei der Erfindung die Massenachse (Hauptträgheitsachse) des Rotors mit der Laufachse des Rotors und der Schwerpunkt des Rotors mit dem Lagerzentrum, insbesondere dem Kardanzentrum, in Übereinstimmung gebracht werden.

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Es können dabei die statische Unwucht, das Kräftepaar sowie die Drift der Massenachse in Abhängigkeit von der Schwerkraft in einem einzigen Meßlauf ermittelt werden.

Ferner können bei Rotoren mit einer spiegelnden Stirnseite oder bei Rotoren, an deren Stirnseite ein mitrotierender Spiegel aufgebracht ist, die Taumelbewegung des Rotors und die Drift optisch, mechanisch oder elektronisch abgetastet werden. Nach dem Massenausgleich erzielt man dann einen Rotor, bei dem der mitrotierende Spiegel bzw. die spiegelnde Stirnseite des Rotors plan und vibrationsfrei umläuft.

Um die Massenungleichförmigkeit zu beseitigen, kann der Massenausgleich in zwei Ausgleichsebenen durchgeführt werden» Hierzu kann eine Vektoradditon der ermittelten liierte für die statische Unwucht, das Kräftepaar und die Drift durchgeführt werden, wobei aus dem resultierenden Vektor die Ebenenkomponenten dann ermittelt werden.

Durch den Unwuchtausgleich kann sich die zunächst bestehende Drift der Massenachse ändern, so daß diese Drift rechnerisch ermittelt und bei Massenausgleich berücksichtigt wird. Da es zum Ausgleich der Drift bzw= der Beseitigung der Verlagerung des Schwerpunktes aus dem Lagermittelpunkt, insbesondere dem Kardanzentrum, ausreicht, in einer der beiden Ebenen zwei um 18D gegeneinander versetzte Ausgleichsmassen in beliebiger Winkellage vorzusehen, ist es möglich, den Massenausgleich in den beiden Ebenen so durchzuführen, daß auch unter Berücksichtigung der in Rede stehenden Drift nur drei Ausgleichsstellen notwendig sind.

Damit beim Betrieb des Rotors Lagerhaftungsreibungskräfte überwunden werden, so daß ein sphärisch nachgiebiges Lager gewährleistet wird, kann der Massenausgleich derart durchgeführt werden, daß eine vorbestimmte statische Restunwucht im Rotor erhalten bleibt.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Strahlungsquelle, insbesondere Lichtquelle, enthalten, die einen Strahl, insbesondere Lichtstrahl, auf die reflektierende Rotorstimflache richtet, und ferner einen Detektor, dessen Empfangsfläche im Strahlengang des von der

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Ratorstirnfläche reflektierten Strahls angeordnet ist. Als Lichtquelle eignet sich insbesondere ein Laser. Es können aber auch andere Abtasteinrichtungen zur Anmendung kommen.

An die Meßwertaufnehmer, mit denen die statische Unwucht bestimmt wird, sowie an den Ausgang des Detektors ist zur Aufbereitung der abgegebenen Meßgrößen eine Auswerteschaltung angeschlossen, deren Ausgänge elektrische Werte liefern, die proportional der statischen Unwucht, dem Kräftepaar und der Drift sind. An diese Ausgänge tenn zur Ermittlung der Ausgleichsmassen für die Ausgleichsebenen eine Rechnerschaltung angeschlossen sein.

Die Erfindung soll anhand der beiliegenden Figur, welche eine Meßeinrichtung zur Ermittlung der Massenverteilung an einem sphärisch nachgiebig gelagerten Rotor als Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, noch näher erläutert werden.

Der Beschreibung des dargestellten Ausführungsbeispieles sollen noch einige Bemerkungen hinsichtlich der Art der Kräfte, die auf einen rotierenden Kreiselrotor wirken .und ihrer Korrektur gemacht werden.

Zunächst kann eine statische Unwucht oder Kraft vorhanden sein, die eine Verlagerung des Rotors in einer bestimmten Richtung verursacht. Diese Unwucht kann durch Hinzufügen eines Gewichtes an einer Rotarseite oder durch üJegnahme von Gewicht von der anderen Ratorseite korrigiert werden. Die Gewichtszugabe oder -wegnähme erfolgt koaxial zu einer vertikalen Achse, die durch die Rotormitte sich erstreckt bzw. an solchen Punkten,die gleiche Abstände von der Achse aufweisen.

Ferner kann ein Kräftepaar auftreten, das eine Drehung des Rotars um seinen Mittelpunkt bewirkt. Diese Unwucht wird durch Hinzufügen oder Entfernen von zwei Gewichten, die entgegengesetzt zueinander liegen bzw. einen üJinkelabstand von 1BD voneinander aufweisen, in zwe
vertikalen Achse besitzen, ermittelt.

von 1BD voneinander aufweisen, in zwei Ebenen, die gleichen Abstand von der

Als drittes kann ein Ungleichgewicht oder eine Kraft, die durch die Schwerkraft hervorgerufen wird, bewirken, daß der Kreiselrotor langsam sich in

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einer bestimmten Richtung bewegt= Der Kreiselrotor besitzt eine erste Drift, wenn er vor der Korrektur dreht (Drift 1)» Der Kreiselrator besitzt eine zueite darauffolgende Drift, die durch das Hinzufügen oder Beseitigen von Gewichten zur Korrektur der statischen Unwucht und des Kräftepaares hervorgerufen wird (Drift 2). Schließlich besitzt der Kreiselrotor eine dritte Drift, die die Summe aus der ersten und der zweiten Drift ist (Drift 3)„

Die Korrektur der vorstehend genannten Kräfte läßt sich formelmäßig wie folgt ausdrücken:

(1) Statische Unwucht SU = L + R,

(2) Kräftepaar (CU) = L - R,

wobei " L " gleich dem Ausgleichsgewicht ist, das hinzugefügt oder entfernt werden muß an der linken Seite des Kreiselrators und " R " gleich dem Ausgleichsgewicht ist, das hinzugefügt ader entfernt werden muß an der rechten Seite des Kreiselrotors.

Als Lösungen der Gleichungen (1) und (2) ergibt sich;

(3) L = (SU + CU) / 2
(if) R = (SU - L)

Die Korrektur der Drift läßt sich durch folgende Formel ausdrücken; (5) Drift 3 = Drift 1 + Drift 2,

wobei Drift 1 eine Unwucht ist, die während der Rotation des nicht ausgeglichenen Kreiselrotors gemessen wird und die Drift 2 gleich groß I R ist»

In der beiliegenden Figur besteht ein Rotor 1, der ein Kreisel sein kann, aus einem Stator 2 und einem rotierendem Teil 3_O Das rotierende Teil 3 ist über ein Rollenlager if drehbar euf einem Stator 2 gelagert= Die Lagerung ist so ausgebildet, daß das rotierEndE Τεϋ 3 gleichzeitig kardanisch auf dem

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Stator 2 gelagert ist. An der Stirnseite des Kreisels 1 ist ein Spiegel 5 befestigt.

Zur Messung der Massenverteilung wird der Stator 2 vorzugsweise direkt an einen Meßtisch G angeschraubt. Es können aber auch andere Befestigungseinrichtungen zur Anwendung kommen. Bevorzugt kann der Meßtisch 6 auf einer geeigneten Fläche abgefedert sein, so daß Vibrationen von außen keinen Einfluß auf den Meßtisch haben. Der Meßtisch 6 ist mit einem Grundrahmen 7 über kraft- oder uiegmessende Meßwertaufnehmer 8, 9 verbunden, wobei eine starre Verbindung über kraftmessende Meßwertaufnehmer bevorzugt ist. Es kann auch anstelle der Dder zusätzlich zu den Meßuiertaufnehmern 8 und 9 ein Meßwertaufnehmer im . Schwerpunkt angeordnet sein.

Der Antrieb des Kreisels 1 erfolgt insbesondere über einen Riementrieb 1D durch einen Motor 11. Der Riemen 10 kann über entsprechende, nicht näher dargestellte Rollen, die an einem Ständer 12 befestigt sein können, umgelenkt werden. Da die Messung im Auslauf des Kreisels 1 erfolgt, wird zunächst der Riementrieb 1D an den Kreisel 1 herangeführt und der Kreisel 1 auf die erforderliche Drehzahl angetrieben. Nach Erreichen der Drehzahl wird der Riementrieb 10 wieder von dem Kreisel 1 weggeschwenkt, um störende Einflüsse der Antriebseinheit zu vermeiden und eine Selbstausrichtung des rotierenden Teiles 3 zu ermöglichen.

Lagerkräfte und Vibrationen des Stators 2 können nur durch statische Unwuchten hervorgerufen werden, so daß die Meßwertaufnehmer 8 und 9, welche Piezoelemente sein können, parallel geschaltet und mit einer Auswerteschaltung 13 verbunden werden können. Der Phasenbezug wird vorzugsweise durch eine an sich bekannte Photozellenabtastung gewannen, wobei eine Phütozelle Ik₁ die aus einer Lichtquelle und einem Empfänger besteht, während der Rotation eine Marke 15 am Umfang des Kreisels 1 abtasten kann. Die Marke 15 kann eine ratoreigene Markierung oder aber auch ein Kreidestrich sein. Die Photozellenabtastung gilt insbesondere auch gleichzeitig zur Drehzahlbestimmung des Kreisels 1 und kann an einem Instrument 16 der Auswerteschaltung 13 angezeigt werden. Die Auswerteschaltung 13 kann entsprechend geeicht sein, so daß die statische Unwucht nach Größe und Winkel an Instrumenten 23 und 2h dargestellt werden kann.

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Zur Ermittlung des Kräftepaares, welches eine Taumelbewegung des Rotors und somit eines an einer Rotarstirnseite angeordneten Spiegels 5 mit RotatiDnsfrequenz hervorruft, kann ein Strahl 1ß einer Lichtquelle 17, die insbesondere ein Laser sein kann und auf dem Grundrahmen 7 befestigt ist, auf den Spiegel 5 gerichtet sein, urabei der reflektierende Strahl auf einen Detektor 19 gerichtet wird.

Der Detektor 19 kann insbesondere in bekannter Weise derart arbeiten, daß er die Auslenkungen des reflektierenden Strahles, weiche auf einem Doppelkegel liegen und sich als entsprechender geometrischer Ort auf einer Detektorempfangsfläche darstellen, während der Rotation mißt und das Ergebnis an eine Auswerteschaltung 13 weiterleitet, wobei durch die Photozellenabtastung 1£* auch der entsprechende Phasenbezug gegeben ist,, An insbesondere in Abhängigkeit von den physikalischen Kenngrößen des Rotors geeichten Anzeigeeinrichtungen 20 und 21 kann das Kräftepaar, aus dem die Taumelbewegung des Rotors resultiert, nach Größe und Dinkel dargestellt werden.

Eine Massenunsymmetrie des Kreisels 1, die den Schwerpunkt aus dem Lagerbzw, Kardanzentrum M verlagert, ruft eine Drift der Spiegelebene infolge der Schwerkraft hervor. Diese Drift äußert sich dadurch, daß der auf dem Detektor 19 reflektierte Strahl in der Vertikalen nach oben oder unten, je nachdem, ob der Massenschwerpunkt mit Blickrichtung auf die Zeichnungsebene links oder rechts vom Lagermittelpunkt bzw» -Zentrum H liegt, mit der Zeit wandert» Die Drift läßt sich dann dadurch ermitteln, daß die Lage des reflektierten Lichtstrahls der Lichtquelle 17 bei freier Rotation des Rotors 1 in zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ähnlich wie in der GB=PS 860ßi*7 und der FR-PS 2 012 GB5 durch den Detektor 19 gemessen wird, so daß die Auslenkung des Lichtstrahls in dieser Zeitspanne ein Maß für die vorhandene Drift darstellt» Die Größe und Richtung der vertikalen Auslenkung bezüglich des Lager- bzw» Kardanzentrums M pro Zeiteinheit kann in Abhängigkeit vom Kreiselgewicht, vom Abstand zwischen Lager- bzw. Kardanzentrum M und den Ausgleichsebenen am Rotor und der Drehzahl geeicht werden. Die Drift läßt sich dann in Gewichtseinheiten, z.B. in Gramm, und in Abhängigkeit von der Driftrichtung, bezogen auf das Lager- bzw. Kardanzentrum M, an einem Instrument 22 darstellen=

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Die ermittelten Lüerte werden nachfolgend bevorzugt einer Rechnerschaltung 25 ueitergeleitet, die in an sich bekannter Ueise eine vektarielle Addition der von der Auswerteschaltung 13 gelieferten Uerte der statischen Unwucht, des Kräftepaares und der vorhandenen Drift entsprechend den Formeln (3), (k) und (5) durchführt und die aus dem resultierenden Vektor die HomponEnten für die beiden Ausgleichsebenen ermittelt. Außerdem uiird dabei eine aus dem Unwuchtausgleich und eine sich hierdurch ändernde Drift der Massenachse für jede Ausgleichsebene berücksichtigt, und es werden die ermittelten Werte nach Größe und Richtung angezeigt. Die Drift läßt sich in einer Ausgleichsebene durch zwei gleich große, aber um 180 gegeneinander versetzte Ausgleichsmassen ausgleichen, wobei die lüinkellage in der entsprechenden Ausgleichsebene beliebig gewählt werden kann. Insofern ist es möglich, zunächst nur die eine Komponente zum Driftausgleich zu berücksichtigen und die verbleibende andere Komponente gegebenenfalls an einem separaten Instrument 3D anzuzeigen und um 1BO entgegen der angezeigten Ausgleichswinkellage in der entsprechenden Ausgleichsebene auszugleichen. Ein Ausschlag nach rechts am Instrument 30 bedeutet, daß ein zusätzlicher Massenausgleich in der rechten Ebene 1B0 gegenüber dem ersten rechten Ausgleichspunkt durchgeführt werden muß. Ein Ausschlag nach links bedeutet, daß ein zusätzlicher Massenausgleich in der linken Ausgleichsebene 1B0 gegenüber dem ersten linken Ausgleichspunkt durchgeführt werden muß, wobei der Zeigerausschlag des Instrumentes 30 die Größe dieses dritten Massenausgleiches darstellt.

Das beschriebene Meß- und Ausgleichsverfahren kann unter Zuhilfenahme eines additiven Massenausgleichs oder von Materialentnahme angewendet werden. Die einzelnen Werte können an einem Instrument 26 für den üJinkel der linken Ausgleichsmasse, einem Instrument 27 für die Größe der linken Ausgleichsmasse, einem Instrument 28 für den üJinkel der rechten Ausgleichsmasse und einem Instrument 29 für die Größe der rechten Ausgleichsmasse dargestellt werden.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist anhand eines polaren Massenausgleichs näher erläutert worden. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, das erfindungsgemäße l/erfahren bei einem Massenausgleich in Komponenten einzusetzen.

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Durch die Efindung ist die gleichzeitige Messung und Berücksichtigung der statischen Unwucht, des Kräftepaares und der Drift der Massenachse sowie ein Ausgleich an nur drei Ausgleichspunkten ermöglicht, wobei die geringsten Massen abgetragen bzw. hinzugefügt werden» Ferner kann die Korrektur der Drift kombiniert werden mit der Korrektur durch entweder die rechte oder linke Ausgleichsmasse, so daß z.B. bei der Gewichtsentnahme ein Gewichtsentnahmeuargang bei Ausgleich des Kreiselrotors eingespart werden kann_o Bei Gewichtsentnahme sind daher nur drei Bohrlöcher notwendig, nämlich ein linkes und rechtes Bohrloch sdwie ein zweites links und rechts liegendes Bohrloch»

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Leerseite

Claims

Patentanwälte
8000 München 22 · Steinsdorfstraße 21-22 · Telefon 089 / 22 94 41

Gebr. Hofmann GmbH & Co= HiG, Maschinenfabrik Pallaswiesenstraße 72, 61Ü0 Darmstadt

V/erfahren und Vorrichtung zur Massenungleichförmigkeitsmessunq an einem Rotor,

insbesondere Kreisel

Patentansprüche:

1.j Verfahren zur Massenungleichförmigkeitsmessung an einem Rotor, insbesondere Kreisel, der in einem radial festen, jedoch sphärisch nachgiebigen (gelenkigen) Lager, insbesondere Kardanlager, gelagert ist, dadurch gekennzeichnet , daß bei umlaufendem Rotor die statische Unwucht in an sich bekannter Ideise durch eine kraft- oder wegmessende Meßeinrichtung nach Größe und Winkellage gemessen uird und das Kräftepaar und die Drift der Massenachse (Wanderung der Hauptträgheitsachse pro Zeiteinheit aufgrund der Schwerkraft) durch eine Einrichtung zur Abtastung der Rotoroberfläche gemessen werden.

2» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Unwucht, das Kräftepaar und die Drift der Massenachse in einem einzigen Meßlauf ermittelt werden«

3» Verfahren nach Anspruch 1 oder 2_S dadurch gekennzeichne t j daß zur Ermittlung des Kräftepaares des Rotors und der Drift eine der Stirnflächen des Rotors abgetastet wird»

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C 9170 - N/Lp

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k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Massenausgleich in zwei Ausgleichsebenen eine Vektoraddition der statischen Unwucht, des Kräftepaares und der ermittelten Drift sowie der durch den Massenausgleich entstehenden Drift und eine entsprechende Kampenentenbildung aus diesen Vektoren für die beiden Ausgleichsebenen durchgeführt uiird.

5. Verfahren nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß durch vektorielle Addition der statischen Unwucht und des Kräftepaares ein erster Massenausgleich ermittelt und eine aus diesem Massenausgleich resultierende Drift errechnet werden, daß die errechnete und die bei der Messung bestimmte Drift zur Bestimmung eines zweiten Massenausgleichs addiert werden und daß der erste und zweite Massenausgleich kombiniert und in Vektorkomponenten für die beiden Ausgleichsebenen zerlegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Unwuchtausgleich sich ändernde Drift der Massenachse durch die die Vektoraddition und Komponentenbildung durchführende Rechnerschaltung ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß beim Massenausgleich in den beiden Ebenen die zunächst ermittelte und die sich durch den Massenausgleich ändernde Drift der Massenachse zunächst der eine Vektor in der einen entsprechenden Ausgleichsebene berücksichtigt wird und in dieser Ebene um 1BO gegenüber der in dieser Ebene befindlichen Ausgleichsstelle der andere Vektor der Drift durch einen dritten Massenausgleich berücksichtigt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet „ daß zur Bestimmung des Kräftepaares und der Drift der Massenachse ein von der einen Stirnseite des Rotors reflektierter und von einem Detektor empfangener Strahl, insbesondere Lichtstrahl, verwendet wird*

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte statische Restunwucht am Rotor belassen wird.

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10. Vorrichtung zur Durchführung εϊπεγ MassenunglEichförmigkEitsmessung an EinEm Rotor, insbssondErE ΚγεϊξεΙ nach εΐπεπι dEr V/ErfahrEn dar Ansprüche 1 bis 9 mit EinEm radial fEstsn, jEdoch sphärisch nachgiEbigen (gElEnkigEn) Lager, insDEsonderE Kardanlagsr für den Rotor, dadurch gekennzeichn ε t , daß gsgEnüber dEr Einen BtirnflächE dES Rotors (1) Eine Lichtquelle (12) angEordnEt ist, dis εϊπεη Lichtstrahl (18) auf diE Stirnfläche (5) richtst, und daß im StrahlEngang dES von der RotorstirnflächE reflektierten Strahls είπε Empfangsfläche Einss DEtsktors (19) angsordnEt ist»

11. Warrichtung nach Anspruch 10, dadurch gEkEnnzEichn E t , daß diE LichtquElle (12) als LasEr ausg8bild8t ist=

12. Uorrichtung nach εϊηεπι tier Anspruchs 10 bis 12, dadurch g ε ksnnzEichnEt, daß an dsn MsBuandlEr (8, 9) zur Ermittlung ύετ statischEn Unwucht und αεη DεtεktoΓ (19) είπε AusuErtschaltung (13), uj8lchE die statische Unwucht, das Hräftepaar und diE Drift εππϊΐίεΐΐ, angEschlosssn ist und daß an die Ausgangs der Ausuiertschaltung είπε RschnErschaltung (25) angsschlossen ist, die eins Ermittlung der AusglsichsmassEn nach GrößE und WinkellagE für JEdE AusgleichsEbEnE soüjie dEr drittsn Ausgl8ichsmassE durchführt.

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