CH647213A5 - Spindel fuer hohe drehzahlen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spindel für hohe Drehzahlen, welche in einem Lagergehäuse durch Wälzlager unter Zwischenschaltung von elastischen, nicht metallischen Federelementen mit niedrigem Elastizitätsmodul überkritisch gelagert ist.

Bekanntlich haben drehbare Wellen bzw. Spindeln eine Eigenfrequenz (Eigenschwingungszahl), welche von der Masse und der Federkonstanten abhängt. Die Drehzahl einer Welle, die ihrer Eigenfrequenz entspricht, wird die «kritische Drehzahl» genannt. Bei der kritischen Drehzahl wird die Schwingung der Welle mit einer Eigenfrequenz der Welle angeregt. Dadurch kann es zu einem «Aufschaukeln» der Schwingung (Resonanz) und damit zur Beschädigung der Welle oder Spindel bzw. deren Lagerung kommen.

Um die sogenannten «kritischen Drehzahlbereiche» zu vermeiden, werden Spindeln zum Beispiel sehr starr gelagert. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Federkonstante, folglich auch eine grosse Eigenfrequenz, und folglich liegt die sogenannte «kritische Drehzahl» sehr hoch. Eine derartige Lagerung wird insbesondere dann angewandt, wenn der Betriebsdrehzahlbereich relativ niedrig liegt. Liegt der Betriebsdrehzahlbereich hoch, so kann die Spindel und die Lagerung so ausgeführt werden, dass sich eine niedrige Federkonstante und damit auch eine niedrige Eigenfrequenz ergibt. Die Spindel durchläuft dann die kritische Drehzahl bereits in der Anfahrphase in so kurzer Zeit, dass es zu einem gefährlichen Aufschaukeln der Schwingungen nicht kommen kann. Im Betrieb läuft die Spindel «überkritisch». Die Lagerung einer derartig betriebenen Spindel wird daher im folgenden als «überkritische Lagerung» bezeichnet.

Die überkritische Lagerung wird insbesondere dadurch erzielt, dass die Spindel in ihrem Lagergehäuse unter Zwischenschaltung von Elementen mit niedrigem Elastizitätsmodul gelagert ist. Es handelt sich hierbei insbesondere um Gummielemente oder Elemente aus anderen Materialien, die diese Anforderungen erfüllen.

Es hat sich nun im Betrieb derartiger Spindeln, die z.B. als Spindeln für Aufwickelmaschinen für synthetische Fasern, welche mit Geschwindigkeiten von mehr als 3.000 m/min anlaufen, herausgestellt, dass Montagefehler, Beschädigungen und Verschleiss der elastischen Elemente dazu führen können, dass die Spindel bzw. die Wälzlager, in denen die Spindel gelagert ist, mit dem ortsfesten Lagerteil metallischen Kontakt bekommen. Das bedeutet, hinsichtlich Federkonstante und Eigenschwingung, dass die kritische Drehzahl sich in Bereiche verschiebt, die möglicherweise mit der Betriebsdrehzahl übereinstimmen. Ausserdem kann es durch übermässige äussere Kraft zu einer inneren metallischen Berührung kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil der überkritischen Lagerung zu vermeiden.

Die erfindungsgemässe Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel und ihr Lagergehäuse voneinander elektrisch isoliert sind und gemeinsam mit einer Spannungsquelle und einem Signalgeber in einem elektrischen Kontaktüberwachungsstromkreis liegen, und dass der Signalgeber einen Schaltimpuls abgibt, wenn eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Spindel und dem Lagergehäuse auftritt. Von diesem Signalgeber kann entweder lediglich eine Signallampe angesteuert oder vorzugsweise auch gleichzeitig ein Ausschaltsignal gegeben werden, da es beim Auftreten der kritischen Drehzahl innerhalb von wenigen Sekunden zu einem Aufschaukeln der Schwingungen und zu einer Zerstörung der Spindel und ihrer Lagerung kommen kann.

Die elektrische Verbindung zwischen der Spindel und dem Lagergehäuse kann durch an sich bekannte Einrichtungen wie Schleifkontakte oder induktive oder kapazitive berührungsfreie Übertragungselemente erfolgen. Schleifkontakte haben den Vorteil der Robustheit für sich.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei ungewollt auftretendem, metallischem Kontakt zwischen Welle, Wälzlager und dem Lagergehäuse ein Signal erzeugt wird, das entweder als Warnsignal zum Abschalten der Spindel oder aber unmittelbar zur Abschaltung des Spindelantriebs führt.

In einer bevorzugten Ausführungsform können zwei Übertragungselemente, also insbesondere zwei Schleifkontakte, vorgesehen und in einen Stromkreis eingeschlossen sein, welcher der Leitungsbruchüberwachung dient. Bei Ausfall eines dieser Kontaktelemente wird durch die Leitungsbruchüberwachung der erfindüngsgemässen Auswertschaltung ein Signal erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Aufspulspindel für Fäden mit einer erfindüngsgemässen Überwachungseinrichtung;

Fig. 2 bis 4 Ausführungen der Schaltung.

Dargestellt ist eine Spulspindel 1 wie sie Verwendung findet, in Aufspulmaschinen für Chemiefasern. Derartige Chemiefasern werden mit Abzugsgeschwindigkeiten von

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3.000 m/min und mehr erzeugt und müssen mit dieser Geschwindigkeit auch zu einer Spule 4 aufgespult werden. Dabei muss die Spule eine konstante Umfangsgeschwindigkeit haben, da anderenfalls Qualitätsschwankungen der Chemiefaser über die Fadenlänge zu befürchten sind. Andererseits ist es wünschenswert, möglichst dicke Spulen zu erzeugen. Das bedeutet, dass zu Beginn der Spulreise die Drehzahl der Spulspindel sehr hoch ist, während sie mit zunehmendem Spulendurchmesser geringer wird. Es werden also sehr weite Betriebsdrehzahlbereiche durchfahren. Deswegen werden derartige Spulspindel heute bevorzugt weich d.h. überkritisch gelagert, so dass beim Anlaufen bereits die kritische Drehzahl durchfahren wird.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine Spulspindel 1 dargestellt, welche in einem als Rohr ausgebildeten Lagergehäuse 11 in den Wälzlagern 5, 6, 7 drehbar gelagert ist und zwar unter Zwischenschaltung der Gummielemente 8, 9, 10. Das Lagergehäuse 11 ist ortsfest. Mit der Spulspindel fest verbunden ist das Spannfutter 2, das das ortsfeste, rohrförmige Lagerteil 11 konzentrisch umgibt. Auf dem Spannfutter 2 ist die Spulenhülse 3 aufgespannt und darauf eine Spule 4 aufgewickelt. Die Spulspindel wird durch eine auf dem Umfang der Spule 4 anliegende Treibwalze 12 durch den Motor 13 mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit angetrieben. Das bïdeutet, dass die Spulspindel zu Beginn der Spulreise — d h. also, wenn noch kein Fadenmaterial auf der Hülse 3 abgelegt ist — eine höhere Drehzahl hat als im gezeigten oder in einem noch späteren Zustand der Spulreise.

Die Treibwalze 12 ist in radialer Richtung zur Spulspindel 1 bzw. der Spule 4 bewegbar, damit die Treibwalze 12 vor dem wachsenden Durchmesser der Spule ausweichen kann. Durch eine hier nur schematisch dargestellte Abhebeinrichtung (pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit 33) kann die Treibwalze 12 von dem Spulenumfang abgehoben werden, wenn die Spulreise beendet ist oder unterbrochen werden soll.

Es sei bemerkt, dass sich die Erfindung auch auf solche Spuleinrichtungen bezieht, bei denen die Treibwalze ortsfest gelagert und das Lagergehäuse der Spulspindel derart beweglich ist, dass die Spulspindel bei grösser werdendem Aufwickeldurchmesser ausweichen kann.

Die Spulspindel besitzt auf ihrer einen Stirnfläche die Schleifkontakte 15, 16 die durch die Leitungen 21, 23 mit dem Verstärker 20 verbunden sind. Der ortsfeste Lagerteil 11 ist durch die Leitung 22 mit der Spannimgsquelle verbunden, an der auch der Verstärker 20 anliegt (Kontaktüberwachungsstromkreis) .

Der Verstärker 20 enthält — wie hier im einzelnen nicht dargestellt ist — auch eine Schaltung zur Leitungsbruchüberwachung der Leitungen 21, 23 und der Schleifkontakte 15, 16.

Ferner erscheint ein Ausgangssignal 24, wenn in dem Stromkreis aus den Leitungen 21, 23 mit den Schleifkontakten 15, 16 und der Spulspindel 1 sowie dem ortsfesten Lagerteil 11 und der Leitung 22 ein Strom fliesst. Dies ist dann der Fall, wenn die isolierenden Gummielemente 8, 9, 10 falsch eingebaut sind, infolge des Betriebs verrutschen oder verschleissen oder durch metallische Verunreinigungen ein metallischer Kontakt zwischen den Aussenringen der Wälzlager 5, 6, 7 und dem ortsfesten Lagreteil 11 entsteht.

Das Ausgangssignal 24 des Verstärkers 20 kann allein zur Erzeugung eines optischen oder akustischen Signals benutzt werden. In dem Ausführungsbeispiel wird folgende Verwendung von dem Ausgangssignal 24 gemacht:

Der Treibwalzen-Motor 13 wird normalerweise durch den Einschalter 34 und die Selbsthaltung 35 mittels des Relais 29 und des Schalters 30 in Betrieb gesetzt, wobei der Schalter 30 den Motor 13 mit dem Kraftstromnetz 14 verbindet. Gleichzeitig wird durch Betätigung des Einschalten 34 auch das Relais 31 betätigt, was mit seinem mechanischen Ausgangssignal einen Wandler 32 betätigt, durch welchen die pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit 33 so betätigt wird, dass die Treibwalze 12 nach unten — d.h. gegen die Spule 4 — verfahren wird. Wenn nun das Ausgangssignal 24 erscheint, so wird durch das Relais 25 der Schalter 28 geöffnet, was zur Folge hat, dass die Relais 29 und 31 abfallen und damit die Selbsthaltung 35 und der Schalter 30 geöffnet werden. Ferner wird der Wandler 32 so betätigt, dass die pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit 33 die Treibwalze 12 von der Spule abhebt. Ferner kann eine hier nicht dargestellte Bremse betätigt werden.

Die Betriebsbereitschaft der Sicherungseinrichtung wird durch die Kontrollampe 27 ständig überwacht. Bei Erscheinen des Ausgangssignals 24 wird die Kontrollampe durch Schalter 26 ausgeschaltet, so dass hierdurch auch ein optisches Signal gegeben ist.

Einzelheiten zur Ausführung der Schaltung ergeben sich aus den Fig. 2, 3 und 4.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung erfolgt die Überwachung in folgender Weise:

1. Normalbetrieb:

Über den Widerstand Rl, die Kohlebürsten KB1 und KB2 (In Fig. 1 mit 15, 16 bezeichnet) sowie über die Welle W in Fig. 1 mit 1 bezeichnet) und den Widerstand R3 wird der Basis des Transsistors T1 eine positive Spannung zugeführt. Dadurch wird der Transistor T1 leitend, das heisst: die Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T1 und damit über dem Ladekondensator C2 nimmt einen sehr geringen Wert an. Die Zenerdiode D4 ist gesperrt. Über den Ableitwiderstand R8 ist damit auch der Transistor T2 gesperrt. Damit wird das Relais Kl nicht erregt. Der Kondensator Cl dient zur Ableitung von kurzen Störsignalen. Der Widerstand R4 ist der Ableitwiderstand für den Transistor Tl.

2. Kontakt zwischen Welle W und Gehäuse G (in Fig. 1 mit 11 bezeichnet):

Entsteht im Störungsfalle ein Kontakt zwischen der Welle W und dem Gehäuse G, so wird für die Dauer des Kontaktes die Welle W direkt, d.h. über den Kontaktüberwachungsstromkreis mit sehr geringem Widerstand mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden. Damit wird auch die Basis des Transistors T1 über den Widerstand R3 mit dem Minuspol verbunden. Der Transistor T1 wird gesperrt. Damit kann sich der Kondensator C2 über den Widerstand R5 mit der Zeitkonstante T = C2. R5 aufladen. Hat die Spannung an C2 die Zenerspannung der Diode 5 überschritten, so wird der Transistor T2 leitend. Das Relais Kl zieht an und hält sich über den eigenen Kontakt Kl selbst. Ausserdem wird ein weiterer Kontakt des Relais Kl benötigt, der dann in der Gesamtsteuerung die Abschaltung bewirkt.

Durch Betätigen der Taste S2 lässt sich die Selbsthaltung des Relais Kl aufheben und die Anlage wieder in den Überwachungszustand bringen. Die Diode D5 dient dazu, dass beim Abschalten des Relais Kl keine hohen Spannungsspitzen entstehen.

3. Stromkreis für die Leitungsbruchüberwachung über die Kohlebürsten:

Wird die Leitung über die Kohlebürsten unterbrochen, so gelangt die positive Spannung nicht mehr an die Basis des Transistors Tl. Über den Ableitwiderstand R4 liegt die Basis des Transistors T1 an Minuspotential. Der Transistor sperrt. Damit ergibt sich die gleiche Wirkung, als ob Kontakt zwischen Welle W und Gehäuse G vorhanden sei (siehe Ziffer 2).

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4. Ausschalten der Anlage z.B. während des Anlaufs der Spindel:

Wie in der Fig. 3 als Ergänzung zu Fig. 2 dargestellt, wird bei Betätigung des Schalters S1 (z.B. während des Anlaufs) die über die Kohlebürsten an die Welle W geführte Leitung für die positive (Sensor) Spannung aufgetrennt und stattdessen die positive Spannung über den Widerstand R2 und R3 direkt auf die Basis des Transistors T1 geschaltet.

Eine Berührung zwischen Welle W und Gehäuse G wirkt sich in diesem Schaltzustand, d.h. bei Betätigung des Schalters S1 also nicht aus.

5. Stromkreis zur Überwachung der Stromversorgung: Zu diesem Zweck wird nach Fig. 4 als Ergänzung zu den Fig. 2 und 3 zusätzlich überwacht, ob der Minuspol der Spannungsquelle mit dem Gehäuse G verbunden ist.

Im Normalfall fliesst ein Strom von der positiven Spannungsquelle über den Widerstand R3 zu dem auf Minuspotential liegenden Gehäuse G. In diesem Falle lieg der Verbindungspunkt zwischen der Diode D2 und dem Widerstand R6 auf sehr niedrigem Potential. Da ausserdem der Transistor T1 leitend ist, liegt auch der Kollektor des Transistors T1 und damit der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R5 und der Diode Dl auf niedrigem Potential. Damit ist auch die Diode D2 gesperrt. Der Kondensator C2 wird über den Widerstand R7 entladen.

5 Wird nun die Verbindung zwischen dem Minuspol der Spannungsquelle und dem Gehäuse G unterbrochen, so kann kein Strom mehr über das Gehäuse G fliessen. Dadurch wird die Diode D2 leitend. Der Kondensator C2 lädt sich unabhängig vom Zustand des Transistors T1 über den Widerstand R6 und die Diode D2 auf. Überschreitet die Spannung am Kondensator C2 die Zenerspannung der Ze-nerdiode D4, so wird der Transistor T2 leitend, das Relais Kl zieht an und hält sich selbst. Die beiden Dioden Dl und D2 dienen also zur gegenseitigen Entkopplung der Spannungen.

In hier nicht dargestellter Weise kann durch Hinzufügen einer Umkehrstufe die Schaltung auch nach dem Ruhestromprinzip arbeiten. Dadurch ist für die Überwachungseinrich-

20 tung die Möglichkeit vorhanden, auch bei Ausfall der Versorgungsspannung die Spindel abzuschalten.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (7)

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1. Spindel für hohe Drehzahlen, welche in einem Lagergehäuse durch Wälzlager unter Zwischenschaltung von elastischen, nicht metallischen Federelementen mit niedrigem Elastizitätsmodul überkritisch gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (1) und ihr Lagergehäuse

(11) voneinander elektrisch isoliert und gemeinsam mit einer Spannungsquelle und einem Signalgeber (20) in einem elektrischen Kontaktüberwachungsstromkreis liegen, und dass der Signalgeber (20) einen Schaltimpuls abgibt, wenn eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Spindel (1) und dem Lagergehäuse (11) auftritt.

2. Spindel nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel durch Schleifkontakt (15, 16) in den Kontaktüberwachungsstromkreis eingeschlossen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Spindel nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (1) über zwei Schleifkontakte (15, 16) in den Kontaktüberwachungsstromkreis einbezogen ist, wobei beide Schleifkontakte (15 und 16) ausserdem hintereinander in einen Stromkreis zur Leitungsbruchüberwachung geschaltet sind.

4. Spindel nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktüberwachungsstromkreis kurzzeitig, insbesondere beim Hochlaufen der Spindel (1) ausschaltbar ist.

5. Spindel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von Störsignalen in den Überwachungsstromkreisen Verzögerungsglieder (Cl) eingeschaltet sind, so dass eine Auswertung nur erfolgt, wenn ein in einem der Überwachungsstromkreise auftretendes Signal eine Mindestbreite besitzt.

6. Spindel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherstellung der Stromversorgung zusätzlich überwacht wird, ob das Lagergehäuse (11) mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

7. Spindel nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auch bei Ausfall der Versorgungsspannung für einen der Überwachungsstromkreise eine Abschaltung des Spindelantriebs erfolgt.