Einrichtung zur Unwuchtmessung bei Rotoren hochtouriger Maschinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Unwuchtmessung zwecks dynamischer Auswuchtung von Rotoren hochtouriger Maschinen.
Es ist bekannt, dass ein wattmetrisches System eines der vorteilhaftesten Hilfsmittel zur dynamischen Auswuchtung von Rotoren darstellt, die insbesondere bei der Anwendung von hohen Umlaufzahlen von Bedeutung ist. Das Prinzip der wattmetrischen Methoden beruht darin, dass eine der Spulen eines empfindlichen Wattmeters durch die Ausgangsspannung eines elektrischen Vibrationspickups gespeist wird, das sich in der Nähe der Lagerung des umlaufenden Rotors befindet, während die zweite Spule durch eine harmonische Spannung aus einem Hilfsgenerator mit beliebig einstellbarer Phase gespeist wird, wobei der Hilfsgenerator mit dem Rotor mechanisch gekuppelt ist und so dieselbe Drehzahl aufweist. Die Phase dieser zweiten Spannung ist durch Verdrehen des Stators dieses Hilfsgenerators beliebig einstellbar.
Der Stator ist mit einer Skala versehen, auf welcher die Phase der Spannung an der zweiten Wattmeterspule abgelesen werden kann. Bei der Messung wird der auszuwuchtende Rotor mit der gewünschten Drehzahl angetrieben, wobei die durch Unwucht bedingten Schwingungen im Vibrationspickup eine Ausgangs-Wechselspannung erzeugen. Beim Verdrehen des Hilfsgeneratorstators wird der Wattmeterausschlag Null, wenn die Phasenverschiebung der Spannungen an den beiden Spulen 90 oder 2700 beträgt, und maximal im Falle einer Phasenverschiebung von 0 oder 1800. Der maximale Wattmeterausschlag ist dabei ein Mass für die Unwucht. Die Einrichtung kann geeicht werden durch Anbringen einer bekannten Unwuchtmasse an einer bestimmten Stelle am Rotor und Wiederholen der Messung; Betrag und Lage der zur Auswuchtung erforderlichen Masse können hierauf in bekannter Weise rechnerisch ermittelt werden.
Die Vibrationen in den Lagern entstehen jedoch nicht nur unter der Einwirkung des unausgewuchteten Rotors. Ausser den Vibrationen von einer mit der Rotordrehzahl identischen Frequenz wirken auf das Vibrationspickup auch Komponenten von höheren Frequenzen ein, die hauptsächlich durch den Einfluss von Wälzlagern oder dergleichen hervorgerufen werden. Bei der Untersuchung der Unwucht bezüglich ihrer Grösse und Phase muss man mittels eines empfindlichen Wattmeters aus dem verzerrten Verlauf nur die der Unwucht proportionale Spannung herausfiltrieren.
Es ist deshalb erforderlich, dass der durch die zweite Spule fliessende Strom einen harmonischen Verlauf mit einer bei allen Einstellungen des Hilfsgeneratorstators konstanten Amplitude aufweist, denn dann ist, wie bekannt, der durch das Skalarprodukt der Vektoren der durch die beiden Spulen fliessenden Ströme gegebene Wattmeterausschlag tatsächlich proportional der Spannung aus dem Pickup multipliziert mit dem Kosinus der Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen.
Die bisher ausgeführten Einrichtungen zur dynamischen Auswuchtung gemäss der wattmetrischen Methode kennzeichnen sich durch die folgenden Merkmale:
Der Hilfsgenerator ist über eine elastische Kupplung an die Welle des auszuwuchtenden Rotors angeschlossen. Der Stator des Hilfsgenerators ist drehbar und mit einer geeigneten Skala versehen, welche die Phase der Hilfsgeneratorspannung anzeigt. Durch Drehung des Stators während der Messung wird der Wattmeterausschlag zum Verschwinden gebracht, womit die Phasenlage der Rotorunwucht bestimmt ist.
Wenn der Ausschlag des Wattmeters null ist, ist die Empfindlichkeit am grössten.
Während der Rotorauswuchtung wird oft bei der Eichung eine elektrische Kompensation des Unwuchtsignals durchgeführt, um den Einfluss der künstlich angebrachten Unwucht von bekannter Grösse und Lage zu bestimmen. Diese sogenannte elektrische Auswuchtung wird bei den bestehenden Einrichtungen durch Kompensation der Ausgangsspannungen des Vibrationspickups durchgeführt, und zwar mittels harmonischer Referenzspannungen, die man aus weiteren Hilfsgeneratoren erhält, welche ebenfalls an die Welle des umlaufenden Rotors angeschlossen sind. Da sowohl die Phase als auch die Amplitude der Referenzspannungen eingestellt werden müssen, erfordern die bestehenden Einrichtungen eine verhältnismässig komplizierte Schaltung, bestehend z. B. aus Vierpolen mit Elektronenröhren, Umschaltern, Kondensatoren und Potentiometern.
Das Verändern dieser Referenzspannungen ist mit bedeutenden Schwierigkeiten verbunden, da eine Phasenänderung die Amplitude beeinflusst und umgekehrt, so dass eine Einstellung die mehrfache Wiederholung des ganzen Vorganges mit fortschreitenden Korrekturen erfordert.
Ein weiterer schwerwiegender Nachteil der bis her verwendeten Einrichtungen besteht darin, dass beim Messen der Phase und der Amplitude der Unwucht der Stator des Hilfsgenerators derart gedreht werden muss, dass das Wattmeter vom Nullausschlag auf den Maximal ausschlag übergeht und umgekehrt.
Da die Messeinrichtung in der Regel von dem aus zuwuchtenden Rotor ziemlich weit entfernt ist insbesondere bei der Auswuchtung im Betrieb -, muss ein Arbeiter die drehbaren Statoren bedienen, während der andere beim Messtisch beschäftigt ist.
Selbst wenn diese beiden Arbeiter in vollkommenem Einklang zusammenarbeiten, kommen oft Fälle von unvollkommener, ja sogar fehlerhafter Messung vor.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Vereinfachung und vor allem Zentralisierung der zur dynamischen Auswuchtung von Rotoren erforderlichen Unwuchtmessung. Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch einen Geber in Form eines elektrischen Generators mit einem gleich stromerregten, mit dem auszuwuchtenden Rotor mechanisch zu kuppelnden Rotor und einer dreiphasigen Statorwicklung, die in beliebiger Entfernung vom Geber angeordnet werden kann, durch mit der Statorwicklung des Gebers über ein Dreiphasennetzwerk verbundene Empfängermittel, enthaltend mindestens zwei Empfänger mit je einer dreiphasigen, vom genannten Dreiphasennetzwerk gespeisten Statorwicklung, welche ein mit der Drehzahl des auszuwuchtenden Rotors synchrones Drehfeld erzeugt, und mit je einem in der Drehlage einstellbaren, gegen ungewollte Verdrehung gesicherten,
bewickelten Rotor, in dessen Wicklung das genannte Drehfeld eine Wechselspannung induziert, wobei die Phasenlage der Wechselspannungen beider Empfängerrotoren durch Verdrehen derselben unabhängig voneinander einstellbar ist, einen elektromechanischen Schwingungsabtaster, welcher eine für die durch Unwucht des auszuwuchtenden Rotors erzeugten Vibrationen charakteristische Wechselspannung abgibt, und ein Wattmeter mit zwei Spulen, dessen eine von der Ausgangsspannung des ersten Empfängers und dessen andere von einer aus den Ausgangsspannungen des zweiten Empfängers und des Schwingungsabtasters abgeleiteten Spannung gespeist wird.
Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels, welches schematisch in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
An die Welle des in Lagern 1' und 1" umlaufenden, auszuwuchtenden Rotors 1 ist als Geber ein Generator 2 elastisch angeschlossen, der eine in Dreieck geschaltete Statorwicklung und einen durch Gleichstrom aus einer Batterie 3 erregten, zweipoligen Rotor aufweist.
Das erzeugte magnetische Drehfeld des Rotors induziert in der Statorwicklung eine Dreiphasenspannung, deren Frequenz mit der Drehzahl des Rotors 1 identisch ist und deren Phasen um 1200 gegeneinander verschoben sind. Diese Spannung wird in die Messapparatur geleitet, die vom Rotor 1 und dem Generator 2 beliebig entfernt sein kann.
In der Messapparatur sind als Empfänger drei Regeltransformatoren 4, 5 und 6 vorhanden, die ähnlich wie der Geber 2 mit dreiphasigen Statorwicklungen 40, 50, 60 und mit gegen ungewollte Drehung gesicherten zweipoligen Rotoren 41, 51, 61 versehen sind. Die Statorwicklungen der Empfänger 4, 5 und 6 sind alle in gleicher Weise (d. h. entweder in Dreieck wie im Schema dargestellt oder in Stern) an die Dreiphasenleitung angeschlossen, die vom Stator des Senders 2 gespeist wird.
In den Empfängern 4, 5 und 6 werden deshalb bei drehendem Rotor 1 magnetische Drehfelder gebildet, die in den Wicklungen der Rotoren 41, 51 und 61 harmonische Spannungen induzieren, deren Frequenz mit der Drehzahl des Rotors 1 identisch ist. Die Phasen dieser sogenannten Referenzspannungen können jedoch leicht geändert werden, da die Wellen der Rotoren 41, 51 und 61 aus der Messtischplatte herausgeführt und mit Drehknöpfen versehen sind, die mit Skalen, eingeteilt von 0 bis 3600, zusammenwirken und welche die Rotoren 41, 51 und 61 in jede beliebige Lage zu drehen gestatten.
Das Wattmeter 7 ist mit der einen Spule an die Wicklung des Rotors 41 angeschlossen und dient zur Bestimmung von Phase und Amplitude der Unwucht des Rotors 1.
Die Einrichtung enthält auch zwei elektromcchanische Schwingungsabtaster 9 und 10, welche mit den Lagern 1' und 1" des Rotors 1 verbunden sind.
Die Ausgangswechselspannung des Schwingungsabtasters 9 wird einem Verstärkerkreis 11 zugeführt, in welchem sie nach gebührender Verstärkung gegebenenfalls zur Ausgangswechselspannung vektoriell addiert wird, welche vom Rotor 51 über ein Potentiometer 15 und den Schalter 13 hergeleitet wird.
Das Potentiometer 15 ist mit seinem vollen Widerstand an der Wicklung des Rotors 51 des Empfängers 5 angeschlossen, und der verstellbare Abgriff des Potentiometers ist mit dem Schalter 13 verbunden. In gleicher Weise ist der Schwingungsabtaster 10 am Verstärker 12 angeschlossen, der über den Schalter 14 und das Potentiometer 16 mit der Wicklung des Rotors 61 des Empfängers 6 verbunden ist. Die Wicklungsweise dieses Teiles der Einrichtung wird weiter unten beschrieben.
Die Ausgänge der beiden Verstärker 11 und 12 sind mit einem Netzwerk 8 verbunden, an dessen Ausgang die zweite Spule des Wattmeters 7 angeschlossen ist. Das Netzwerk 8 enthält einen (nicht dargestellten) Umschalter. In der einen Stellung dieses Schalters ist die dem Wattmeter 7 zugeleitete Spannung proportional der Summe der Ausgangsspannung des Verstärkers 11 und einem beliebigen Bruchteil der Ausgangsspannung des Verstärkers 12; in der anderen Schalterstellung ist die dem Wattmeter 7 zugeführte Spannung proportional der Summe der Ausgangsspannung des Verstärkers 12 und einem beliebigen Bruchteil der Ausgangsspannung des Verstärkers 11. Ausser dem genannten Umschalter enthält das Netzwerk 8 deshalb zwei Einstellknöpfe zur unabhängigen Einstellung der genannten Bruchteile der Ausgangsspannungen der Verstärker 11 und 12.
Während des Messvorganges wird das Wattmeter 7 einerseits vom Ausgang des Empfängers 4 und anderseits vom Ausgang des Netzwerkes 8 dauernd gespeist. Der auszuwuchtende Rotor 1 wird auf die gewünschte Drehzahl gebracht, und bei geöffneten Schaltern 13 und 14 wird der Rotor 41 des Empfängers 4 in diejenige Lage verdreht, in welcher der Ausschlag des Wattmeters 7 Null oder wenigstens minimal ist. Die Anwesenheit von bestimmten Oberwellen in der durch Unwucht bedingten Schwingung des Rotors 1 kann zur Folge haben, dass der Wattmeterausschlag nicht vollständig zum Verschwinden gebracht werden kann. Die erwähnten Einstellmittel im Netzwerk 8 geben die Möglichkeit, starke Unterschiede zwischen den Ausgangsspannungen der Schwingungsabtaster 9 und 10 zu kompensieren.
Es wird hierauf die Winkellage des Rotors 41 abgelesen und der Rotor um 90" verdreht, worauf der Ausschlag des Wattmeters 7 abgelesen wird. Diese beiden Ablesungen sind ein Mass für die zu korrigierende Unwucht des Rotors 1. Die Schalter 13 und 14 werden hierauf geschlossen und die Rotoren 51 und 61 sowie die Potentiometer 15 und 16 so lange verstellt, bis der Wattmeterausschlag für alle Drehlagen des Rotors 41 Null ist. Ist dieser Abgleich erreicht, so sind die von den Schwingungsabtastern 9 und 10 abgegebenen Signale vollständig kompensiert. Nun wird der Rotor 1 gestoppt, eine Unwucht von bekannter Masse an einer genau bestimmten Stelle am Rotor 1 befestigt und der Rotor wieder auf die gewünschte Drehzahl gebracht.
Bei geschlossenen Schaltern 13 und 14 und der vorher ermittelten Einstellung der Rotoren 51 und 61 sowie der Potentiometer 15 und 16 wird der Rotor 41 hierauf wieder verdreht, bis der Wattmeterausschlag wieder minimal ist bzw. ganz verschwindet. Die betreffende Lage des Rotors 41 wird erneut abgelesen, der Rotor 41 um 90o verdreht und der sich dabei ergebende Wattmeterausschlag notiert. Diese zwei Ablesungen sind ein Mass für die Unwucht des Rotors 1, welche durch die künstlich aufgebrachte, bekannte Masse in bekannter Lage hervorgerufen wird. Es ist möglich, aus den beiden so erhaltenen Wertepaaren die Masse und Lage des Abgleichgewichtes rechnerisch zu bestimmen, welches erforderlich ist, nach Entfernung der künstlich aufgebrachten, bekannten Masse den Rotor auszuwuchten.
Nach Befestigung des auf diese Weise ermittelten Gewichtes wird bei geschlossenen Schaltern 13 und 14 das erzielte Ergebnis nachgeprüft und, falls erforderlich, eine Korrektur vorgenommen, wofür der beschriebene Messvorgang zu wiederholen ist.
Die Vorzüge der beschriebenen und dargestellten Einrichtung kann man kurz in folgenden Punkten zusammenfassen: a) Die Genauigkeit der Ablesung wird erhöht und die Arbeit beschleunigt, denn die Einstellung der Phase und/oder Amplitude der Spannung jedes Empfängers kann von einer einzigen Person unter gleichzeitiger Beobachtung des Wattmeters ausgeführt werden. b) Die Kompensation oder elektrische Auswuchtung des Rotors ist einfach, da die Anderungen der Amplitude und der Phase der harmonischen Spannungen voneinander völlig unabhängig sind. c) Die beschriebene Einrichtung ist einfacher als die bisher verwendeten Einrichtungen, da gewisse Einstellelemente wegfallen, die früher in den Kompensationskreisen der Schwingungsabtaster erforderlich waren.