DD242480A1

DD242480A1 - MEASURING DEVICE FOR SHAFT SEAL PRESSURE PRESSURE ON ROTATING SHAFTS

Info

Publication number: DD242480A1
Application number: DD28240585A
Authority: DD
Inventors: Erich Fuhrmann; Klaus Schier
Original assignee: Ingenieurschule Fuer Maschinen
Priority date: 1985-11-04
Filing date: 1985-11-04
Publication date: 1987-01-28

Abstract

Sie kann bei der Neuentwicklung von Wellendichtringen und bei der Konstruktion spezieller Dichtungen mittels Wellendichtringen Anwendung finden. Mit ihr kann bei laufender Welle, unter Einstellen spezieller Betriebsbedingungen, der Anpressdruck als Zeitverlauf gemessen werden. Das wesentliche Element der Messvorrichtung ist ein Formaenderungsring, der gestalts- und lagestabilisiert ist. Seine Radiusaenderung aufgrund der Messgroesse wird durch einen geregelten Druck auf seine Innenseite kompensiert. Der Druck ist dann Abbild der zu messenden Groesse. Fig. 1 stellt eine erfindungsgemaesse Messvorrichtung dar. Fig. 1It can be used for the new development of shaft seals and for the construction of special seals by means of shaft seals. With it, the contact pressure can be measured as a time course while the shaft is running, setting special operating conditions. The essential element of the measuring device is a shape change ring that is form and position stabilized. Its radius change due to the measured size is compensated by a controlled pressure on its inside. The pressure is then an image of the size to be measured. FIG. 1 shows an inventive measuring device. FIG. 1

Description

Die Merkmale der Erfindung bestehen in der besonderen Art des Druckfühlers, in der Anwendung einer Lageregelung der simulierten Wellenoberfläche und in der Anwendung von Druckluft zum Messen, Stellen und zur Informationsübertragung. Der eigentliche Druckfühler ist ein Formänderungsring mit einem Durchmesser, der etwa dem gewünschten Wellendurchmesser entspricht. Er ist so ausgebildet, daß bei kleinen Änderungen des Anpreßdruckes möglichst große Radiusänderungen infolge elastischer Dehnung erfolgen.The features of the invention are the special nature of the pressure sensor, the use of a position control of the simulated shaft surface and in the application of compressed air for measuring, positioning and information transmission. The actual pressure sensor is a deformation ring with a diameter that corresponds approximately to the desired shaft diameter. It is designed so that with small changes in the contact pressure as large as possible radius changes due to elastic elongation.

Dabei ist er durch eine geteilte Federstahleinlage, die am Dehnvorgang nicht teilnimmt,.weil sie geteilt ist, so geführt, daß er seine Kreisform auch bei Belastung beibehält. Ferner ist der Formänderungsring mittels mehrerer Gleitschuhe für radiale Lageänderungen so geführt, daß er auch bei Unwucht immer mit seinem geometrischen Zentrum im Rotationspunkt bleibt. Die erfindungsgemäß erwünschte Radiusänderung des Formänderungsringes wird durch radial geführte Speichen und Fäden dergestalt auf eine parallel zur Drehachse verlaufende Translationsbewegung übertragen, daß kleine Radiusänderungen große Translationswege ergeben und diese nicht von der Zentrifugalkraft beeinflußt werden.He is by a split spring steel insert, which does not participate in the stretching process., Because it is divided, so guided that it retains its circular shape even under load. Further, the shape change ring is guided by means of several sliding blocks for radial position changes so that it always remains at imbalance with its geometric center in the point of rotation. The inventively desired change in radius of the deformation ring is transferred by radially guided spokes and threads in such a direction parallel to the axis of rotation translational movement that small radius changes result in large translation paths and they are not affected by the centrifugal force.

Erfindungsgemäß wird eben dieses Übertragungssystem in umgekehrter Richtung für eine Einstellvorrichtung genutzt, mit welcher eine Radiusänderung des Formänderungsringes hervorgerufen werden kann. Sie dient der Kompensation der Zentrifugalkraft, wenn mit hohen Drehzahlen gearbeitet werden soll.According to the invention, this transmission system is used in the reverse direction for an adjustment device, with which a change in radius of the deformation ring can be caused. It serves to compensate the centrifugal force when working at high speeds.

Der Formänderungsring befindet sich in einem Druckraum, der nach außen durch eine Membran abgeschlossen wird, welche die Wellenoberfläche simuliert. Die Membran ist einmal durch den mit ihr verbundenen Formänderungsring versteift und zum anderen mit neben dem Druckraum angeordneten festen Wellenteilen gefügt, so daß zwischen diese Wellenteile und die Membran keine Luft eindringen kann.The strain ring is located in a pressure space that is closed to the outside by a membrane that simulates the wave surface. The membrane is stiffened once by the associated with it shape change ring and joined to the other with adjacent to the pressure chamber arranged fixed shaft parts, so that between these shaft parts and the membrane no air can penetrate.

Der Druck im Druckraum wird so geregelt, daß die Membran genau den gewünschten Wellendurchmesser hat. Das bedeutet: Durch den geregelten Druck im Druckraum wird die Radiusänderung des Formänderungsringes infolge des Anpreßdruckes des zu messenden Wellendichtringes kompensiert und die Größe des geregelten Druckes gibt ein Maß für den Anpreßdruck. Die Lageregelung der simulierten Wellenoberfläche ist dadurch gekennzeichnet, daß die geringste Formänderung der Membran sofort durch eine Druckänderung im Druckraum ausgeglichen wird. Durch eine hohe Kreisverstärkung wird ermöglicht, daß technisch nur ungenau beherrschbare Parameter, wie Reibung, Formänderungsverhalten, komplexe Federkonstanten, die eigentlichen Meßergebnisse nicht beeinflussen. Eine Justiermöglichkeit in einem Düse-Prallplatte-Element oder aber Düse-Kugel-Element erlaubt eine Sollwerteinstellung des Wellendurchmessers.The pressure in the pressure chamber is controlled so that the membrane has exactly the desired shaft diameter. This means: Due to the regulated pressure in the pressure chamber, the radius change of the deformation ring is compensated as a result of the contact pressure of the shaft seal to be measured and the size of the regulated pressure is a measure of the contact pressure. The position control of the simulated wave surface is characterized in that the slightest change in shape of the membrane is compensated immediately by a pressure change in the pressure chamber. A high loop gain allows technically imprecise controllable parameters, such as friction, shape change behavior, complex spring constants, not affect the actual measurement results. An adjustment in a nozzle-flapper element or nozzle-ball element allows a setpoint adjustment of the shaft diameter.

Die Anwendung von Druckluft zum automatischen Messen und Stellen der Radiusänderung am Formänderungsring ist ein weiteres Merkmal der Erfindung.The use of compressed air to automatically measure and adjust the radius change on the forming ring is another feature of the invention.

embodiment

D.ie Erfindung soll nachstehend am Beispiel einer Meßvorrichtung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert werden. Es zeigen: "D.ie invention will be explained in more detail below using the example of a measuring device with reference to figures. Show it: "

Fig. 1: Einen Längsschnitt (Halbschnitt) durch eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei ein Teilschnitt durchFig. 1: A longitudinal section (half-section) through a variant of the device according to the invention, wherein a partial section through

den Längsschnitt noch Einzelheiten am Formänderungsring darstellt. Fig. 2: Einen Signalflußplan mit dem kybernetischen Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtungthe longitudinal section still details on the shape change ring represents. Fig. 2: A signal flow diagram with the cybernetic aspect of the device according to the invention

Ein Grundkörper 1 mit einer Zentrierung 2 für den Drehantrieb trägt die Einbauten, wie in Fig. 1 gezeigt, und versetzt sie in gewünschterWeise in Rotation. Er hat Entlüftungsbohrungen 3, damit an eine Arbeitsdüse 20 der gleichbleibende Umgebungsdruck dringt. Im Rotationszentrum trägt der Grundkörper 1 zentrifugalkraftfrei zwei Prallplattenlagerungen 4. Auf den Grundkörper 1 ist noch ein Haltering 5 zentriert, der mit ihm und einer Membran 28 einen Druckraum 6 umfängt, in dem sich ein Formänderungsring 7 befindet. Dieser wird verstärkt durch eine geteilte Federstahleinlage 8 und radial geführt von fünf regelmäßig am Umfang verteilten Gleitschuhen 11. Die Gleitschuhe 11 gleiten auf Zentrierungsstiften 12, die in den Grundkörper 1 eingepreßt sind.A base body 1 with a centering 2 for the rotary drive carries the internals, as shown in Fig. 1, and set them in a desired manner in rotation. He has vent holes 3, so that a working nozzle 20 of the constant ambient pressure penetrates. In the center of rotation of the base body 1 carries two centrifugal force-free baffle plates 4. On the body 1 is still a retaining ring 5 is centered, which surrounds a pressure chamber 6 with him and a membrane 28 in which a deformation ring 7 is located. This is reinforced by a split spring steel insert 8 and guided radially by five regularly distributed on the circumference of sliding shoes 11. The sliding shoes 11 slide on centering pins 12 which are pressed into the base body 1.

Die Zentrierungsstifte 12 besitzen zentral eine Bohrung, durch welche Speichen 10 geführt werden, die die radiale Bewegung des Formänderungsringes 7 über Speichenhalterungen 9 auch rein radial übertragen. Jede Speiche 10 ist mit jeweils einem Faden verbunden und diese Fäden an einer Federscheibe 14 befestigt. Dabei sind die Fäden 13 immer straff gespannt, weil eine Druckfeder 15 über die Federscheibe Meine Prallplattenstange 16 in Richtung auf die Arbeitsdüse 20 zu verschieben sucht. Die Federscheibe 14 ist auf der Prallplattenstange 16 mittels Kontermuttern befestigt, die die Funktion einer Einstellvorrichtung 17 haben. Eine Prallplatte 18 sitzt auf dem gleichen Gewinde der Prallplattenstange fest.The centering pins 12 have centrally a bore through which spokes 10 are guided, which also transmit the radial movement of the deformation ring 7 via spoke holders 9 purely radially. Each spoke 10 is connected to one thread and these threads attached to a spring washer 14. The threads 13 are always taut, because a compression spring 15 on the spring washer My flap plate 16 seeks to move in the direction of the working nozzle 20. The spring washer 14 is mounted on the baffle plate bar 16 by means of lock nuts, which have the function of a setting device 17. An impact plate 18 is firmly seated on the same thread of the flapper rod.

Ein Deckel 26 ist im Grundkörper 1 zentriert und verschraubt. Er fixiert den Haltering 5 axial und trägt zentral einen Düsenstock 19, der sich mittels Gewinde im Deckel 26 in axialer Richtung verschieben läßt. Damit kann man von außen den Abstand zwischen Prallplatte 18 und der Arbeitsdüse 20 einstellen.A lid 26 is centered in the main body 1 and screwed. He fixes the retaining ring 5 axially and centrally carries a nozzle 19, which can be moved by means of thread in the cover 26 in the axial direction. This can be adjusted from the outside, the distance between the baffle plate 18 and the working nozzle 20.

Zwischen der Arbeitsdüse 20 und einer Ringdrossel 21 in Druckteilerschaltung stellt sich derjenige Druck ein, der einerseits über Druckleitungen 27 — hier als Bohrungen und Ringnuten ausgeführt — dem Druckraum 6 zugeleitet wird und andererseits über eine nicht rotierende Ausgangs-Signalleitung 32 einem nicht dargestellten Druckanzeigegerät zugeführt wird, um als Meßergebnis zur Verfügung zu stehen.Between the working nozzle 20 and a ring throttle 21 in pressure divider circuit that pressure sets on the one hand via pressure lines 27 - here designed as bores and annular grooves - the pressure chamber 6 and on the other hand fed via a non-rotating output signal line 32 to a pressure display device, not shown to be available as a measurement result.

Rundringe 22, ein Dichtungsstift 30, Membranbefestigungen 29 sowie das Verkleben der Membran 28 mit dem Grundkörper 1 und dem Haltering 5 dienen dem Zweck, die Druckleitung 27 und den Öruckraum 6 vor Informationsverfälschung zu bewahren. Der im Deckel 26 eingeschraubte Düsenstock 19 rotiert mit. Ein Adapter 33, welcher der Energiezufuhr über ein Luftzuführungsrohr 23 und dem Informationstransport über die Ausgangs-Signalleitung 32 dient, rotiert nicht, sondern ist mit der ruhenden Umgebung verbunden. Zur sicheren Abdichtung gegen Energieverlust sind Dichtringe 24 zwischen dem Düsenstock 19 und dem Adapter 33 vorgesehen. Zu ihrer Schonung und zur Gewährleistung eines einwandfreien Laufes der Ausgangs-Signalleitung 32 innerhalb der Ringdrossel 21 ist der Adapter 33 in der feststehenden Umgebung elastisch und im Düsenstock 19 mittels Wälzlager 31 gelagert.Circular rings 22, a sealing pin 30, membrane fasteners 29 and the bonding of the membrane 28 with the base body 1 and the retaining ring 5 serve the purpose of preserving the pressure line 27 and the Öruckraum 6 against information corruption. The screwed into the cover 26 nozzle assembly 19 rotates with. An adapter 33, which serves to supply energy via an air supply pipe 23 and the information transport via the output signal line 32, does not rotate, but is connected to the static environment. For secure sealing against energy loss sealing rings 24 between the nozzle 19 and the adapter 33 are provided. In order to protect it and to ensure perfect running of the output signal line 32 within the ring throttle 21, the adapter 33 is resilient in the fixed environment and mounted in the nozzle assembly 19 by means of rolling bearings 31.

Der Energieträger tritt über das Luftzuführungsrohr 23 in den Adapter 33 ein und gelangt über Bohrungen durch den Ringspalt der Ringdrossel 21 an die Arbeitsdüse 20.The energy carrier enters via the air supply pipe 23 in the adapter 33 and passes through holes through the annular gap of the ring throttle 21 to the working nozzle 20th

In Fig.2 ist in einem Signalflußplan der funktionell Zusammenhang dargestellt. Bei der Beschreibung ist auf die Bauteilenach Fig. 1 Bezug genommen.FIG. 2 shows the functional connection in a signal flow diagram. In the description, reference is made to the components of Fig. 1.

Formänderungsring 7 mit Membran 28, Federstahleinlage 8 u.a. bilden die materielle Basis für die Übertragungsfunktion G1.Form change ring 7 with membrane 28, spring steel insert 8 u.a. form the material basis for the transfer function G1.

-1-1

wobei Ar die laplacetransformierte Radiusänderung und ZF die laplacetransformierte Summe aller angreifenden Radialkräfte ist. G1 stellt sich wie auch die folgenden Übertragungsfunktionen als P-Verhalten dar. Es ist der Kehrwert einer Komplex-Federkonstanten Cges.where Ar is the Laplace-transformed radius change and ZF is the Laplace-transformed sum of all attacking radial forces. Like the following transfer functions, G1 represents P-behavior. It is the reciprocal of a complex spring constant Cges.

Radialkräfte sind: Radial forces are:

Radialkraft F infolge des zu prüfenden Wellendichtringes, · Radial force F as a result of the shaft seal to be tested ·

Radialkraft Z infolge der Zentrifugalkraft des Formänderungsringes und der mit ihm zusammenhängenden Bauelemente, Stellgröße Y infolge des Druckes Pa im Druckraum 6, Justierkraft F_w infolge der mittels Einstellvorrichtung 17 erzeugten Kraft der Druckfeder 15 und ihrer Umsetzung über dieRadial force Z due to the centrifugal force of the deformation ring and related components, manipulated variable Y due to the pressure Pa in the pressure chamber 6, adjusting force F _w as a result of the force generated by means of adjustment device 17 of the compression spring 15 and its implementation on the

dazwischenliegenden Bauteile. Diese Umsetzung enthält auch die Winkelfunktionen aufgrund der Schräge der Fäden 13 und ist in G 5 zusammengefaßt.intermediate components. This implementation also includes the trigonometric functions due to the slope of the threads 13 and is summarized in G 5.

ρ η c W ρ η c W

wobei W17 einem Verstellweg der Einstellvorrichtung 17 auf der Prallplattenstange 16 entspricht.wherein W17 corresponds to a displacement of the adjusting device 17 on the baffle plate rod 16.

Als Einstellforderung gilt: Z + F_w = 0 Sie ist auf experimentellem Weg zu realisieren.The setting requirement is: Z + F _w = 0 It can be realized experimentally.

G2 wird durch die Speichen 10, Fäden 13 und Federscheibe 14 realisiert.G2 is realized by the spokes 10, threads 13 and spring washer 14.

GP- Ai. - GP Ai. -

d. h. im wesentlichen Winkelfunktionen. Je steiler die Fäden 13 gespannt sind, desto größer wird die Translation As der Prallplattenstange und desto größer wird auch Gd. H. essentially angle functions. The steeper the threads 13 are stretched, the greater the translation As the baffle plate bar and the greater G is

^{G J} - As ^GJ - As

stellt das bekannte Düse-Prallplatte-System dar, welches eine hohe Verstärkung G 3 besitzt. Durch Drehung des Düsenstockes im Deckel 26 kann W19 zur Justierung verändert werden.represents the known nozzle baffle system, which has a high gain G 3. By turning the nozzle assembly in the lid 26 W19 can be changed for adjustment.

G4 wird materiell realisiert durch den Zylindermantelabschnitt aus Membran 28 mit dem Durchmesser d und der Breite b, die durch den Druckraum 6 begrenzt wird.G4 is materially realized by the cylinder jacket section of membrane 28 with the diameter d and the width b, which is bounded by the pressure chamber 6.

G 4 =G 4 =

Sorgt man konstruktiv dafür, daß G1 ...G4alle möglichst groß werden, dann ergibt sich das erfindungsgemäße GesamtverhaltenIf one constructively ensures that G1 ... G4als become as large as possible, then the overall behavior according to the invention results

G1 . G2 . G3G1. G2. G3

d. h. F = d · π · b · Pa, wobei p_a gemessen wird.ie F = d · π · b · Pa, where p _{a is} measured.

^(d · ^(d)

Claims

Claim:

1. Measuring device for shaft sealing ring contact pressure on rotating shafts, characterized in that the sensor consists of a deformation ring, which undergoes a change in radius due to the contact pressure and that this deformation ring with a membrane that simulates the shaft surface, a pressure chamber from the environment delimits, so that a pressure in the pressure chamber - adjusted by a pneumatically operated control loop - compensates for the original change in shape.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the deformation ring is stabilized by a split spring steel insert on the circular shape and centered by radically acting sliding blocks on the center of rotation.

3. Measuring device according to claim 1 and 2, characterized in that an adjustment possibility can compensate for acting on the forming ring centrifugal force and a second adjustment possibility can set the membrane outer diameter exactly to the desired shaft diameter.

For this 2 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a measuring device for shaft seal contact pressure on rotating shafts. It can be used in the development of shaft seals and for quality control. The measurement is carried out under conditions which are close to the operating state.

Characteristic of the known technical solutions

It is known that for the state of delivery of the shaft seal at room temperature, the measuring principle "split shaft" (Application 1573500 FRD, DIN 3761 Part 24, Radiameter) is applied, whose methodology does not allow metrological detection under operating conditions (Patent specification 1187041 BRD, patent specification 1211818 BRD) Use Only the temperature-influencing sealing medium brought to the shaft seal can be simulated as the operating state.

It is also known to compare the blow-off pressure of such seals to compare the forces with which the sealing lips of various sealing rings are pressed. The results obtained with this method represent relative values whose usefulness is impaired by the fact that the blow-off pressure also depends substantially on other properties of the sealing ring and not only on the contact pressure of the sealing element (Publication of the British Hydromechanics Research Association "on the occasion of the" International Fluid Sealing Conference "1964).

It is also known that the change in the radial force in the dynam. Operation is measurable on a test shaft, which is designed so that a part of the outer surface of the shaft is designed as an elastic element in the form of a cantilever tongue with glued strain gauges. The method makes it possible to determine the distribution of the radial force over the contact circle of the shaft, as a function of the shock of the shaft and the rotational speed, and to determine the minimum value of the radial force at which the sealing lip lifts off (Lectures Bd. Ill 5th International Poetry Conference, Dresden 1974). Performance is not achievable, because the test wave has no rotational movement relative to the shaft seal.

Object of the invention

The contact pressure of the shaft seals is a parameter that greatly influences both the degree of tightness and the wear. Only through his knowledge can an optimal adaptation of the shaft seals to the shaft take place. The invention aims to reduce the contact pressure on rotation of a shaft to be simulated, i. During the sealing process and thus to measure under close-to-operation conditions, so that it can be recorded as a time course.

Explanation of the essence of the invention

The technical problem, which is solved by the invention, consists in the measurement of the contact pressure or the contact pressure in the radial direction with rotating shaft under operating conditions, d. H. medium temperature-affected sealing medium. In this case, the rotating shaft section must be simulated true to nature, in particular it must not have any holes or other singularities that affect the leakage flow.