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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Einstellung
eines Lagers eines rotierenden Bauteils und ein Verfahren zu dessen
Einstellung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 oder 3.
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Die
DE 34 36 268 C2 offenbart
ein Verfahren zum Einstellen einer definierten Lagervorspannung, wobei
diese zum einen anhand eines statischen Losbrechmomentes vorjustiert
und zum anderen über die
Stromaufnahme eines das Bauteil in Betriebssimulation antreibenden
Motors justiert wird. Bei letzterem erfolgt während der Betriebssimulation
ein Überführen des
Lagers vom entlasteten in den vorgespannten Zustand durch sukzessives
Verschieben der Innenringe, wobei während des Übergangs charakteristische
Schwingungen und erhöhte
Geräuschemissionen
zu tage treten.
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Durch
die
DE 198 21 854
C1 ist ein Verfahren zum Unterdrücken von Kontaktschwingungen
bekannt, deren Amplituden besonders groß ausfallen, wenn eine Resonanz
angeregt wird. Zu Charakterisierung der Schwingung wird die Beschleunigung und/oder
Bewegung der Walze während
des Betriebes in mehreren, in Längsrichtung
voneinander beabstandeten Messpunkten gemessen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung
einer Einstellung eines Lagers eines rotierenden Bauteils und ein
Verfahren zu dessen Einstellung zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 oder 3 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass ein sehr genaues Verfahren zur reproduzierbaren Ermittlung
und/oder Einstellung des Lagers bereit gestellt wird. In einer ersten
vorteilhaften Ausführung
kann dies unabhängig
von Betriebsbedingungen – und
damit auf das einzelne rotierende Bauteil für sich – erfolgen. Hierzu erfolgt
z.B. eine statische Schwingungsanalyse. In anderer vorteilhafter
Ausführung
erfolgt dies unter Berücksichtigung
von Betriebsbedingungen, d.h. der tatsächlich später während der Produktion zu erwartende
Zustand wird mit einbezogen.
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Von
Vorteil ist es auch, dass die Methode sowohl beim erstmaligen Ausrüsten der
Maschine, als auch bei der Fehlersuche und für die Wartung in einfacher
Weise einsetzbar ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Rotationskörpers;
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2 eine
schematische Darstellung für
die Ausführung
einer Lagerung;
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3 eine
Darstellung für
die Messstellen am Rotationskörper;
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4 eine
exemplarische Darstellung eines ersten gemessenen Schwingungsmodus;
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5 eine
exemplarische Darstellung eines zweiten gemessenen Schwingungsmodus.
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1 zeigt
ein rotierendes Bauteil 01 bzw. einen Rotationskörper 01,
z.B. einen Zylinder 01 oder eine Walze 01 einer
Maschine, z.B. einer Be- bzw. Verarbeitungsmaschine für Material
wie nicht dargestellte Bahnen oder Bogen, insbesondere einer Rotationsdruckmaschine.
Der Rotationskörper 01 ist
zu beiden Stirnseiten mittels Zapfen 03 (oder eine Achse 03 oder
Welle 03 des Zylinders 01) über entsprechende Lager 04,
z.B. Radiallager 04, rotierbar in Gestellen 06 gelagert.
Der Rotationskörper 01 ist
i.d.R. Bestandteil eines Systems zusammen wirkender Bauteile – wie z.B.
weiterer zusammen wirkender Zylinder oder Walzen und/oder der zu
bearbeitenden Bahn. In 1 ist daher strichliert ein
zweites rotierendes Bauteil 02 bzw. ein zweiter Rotationskörper 02 angedeutet,
welcher in der gleichen Weise rotierbar gelagert ist. Ein Widerlager,
z.B. ein weiterer Zylinder, auf der dem Rotationskörper 02 abgewandten Seite
des Rotationskörpers 01 ist
nicht dargestellt. Eine nicht dargestellte Bahn kann ggf. auch zwischen den
Rotationskörpern 01 und 02 hindurchgeführt sein.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist der Rotationskörper 01 als
Zylinder 01 in einer Druckmaschine, z.B. einer Offsetdruckmaschine,
dargestellt. Er kann insbesondere ein einen elastischen Aufzug (z.B.
ein endliches Gummituch oder eine Gummituchhülse) auf seiner Mantelfläche tragender Übertragungszylinder 01 oder
ein Formzylinder 02 sein. Das selbe gilt in umgekehrter
Weise für
den Rotationskörper 02.
In einer Maschine für
den Direktdruck stellt der Zylinder 01 beispielsweise einen
die Druckform (Hochdruckdruckform, Tiefdruckdruckform, Flexodruckform)
tragenden Formzylinder 01 dar und der Rotationskörper 02 beispielsweise
eine Farbwalze 02 oder umgekehrt der Rotationskörper 01 die
Farbwalze 01.
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Wesentlich
für die
Schwingungsanfälligkeit und/oder
das Schwingungsspektrum des Rotationskörpers 01; 02 und/oder
die Lebensdauer des Lagers 04 ist die Justage des Lagers 04 im
Hinblick auf seine Vorspannung bzw. Lagerluft und/oder dem Ort der Einspannung
in axialer Richtung zwischen rotierendem und drehfestem Lagerteil.
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2 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform einer
Lagerung des Rotationskörpers 01 bzw. 02 in der
Weise, dass die Vorspannung im als Wälzlager 04 ausgeführten Lager 04, insbesondere
Radiallager 04, zwischen einem als Außenring 07 ausgeführtes Lagerelement 07 und
einem als Innenring 08 ausgeführtes Lagerelement 08,
insbesondere über
Wälzelemente 09 zusammen
wirkend, einstellbar ist. Dies kann zwar grundsätzlich über verschiedene technische
Lösungen
erfolgen, ist jedoch vorteilhaft in 2 hierdurch
gelöst,
dass ein Radius einer der beiden Lagerelemente 07; 08 über das
zusammen wirken konischer Flächen
durch axiale Relativbewegung in radialer Richtung aufweitbar oder
schrumpfbar ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Innenring 08 auf
einem sich zum Ballen des Rotationskörpers 01 hin konisch
vergrößernden
Abschnitt 11 des Zapfens 03 angeordnet und weist
auf seiner dem Abschnitt 11 zugewandten Seite eine entgegengesetzt
konisch ausgebildete Fläche
auf. Wird der Abschnitt 11 nun auf den Ballen des Zylinders 01; 02 hin
zu bewegt, so erfährt
der Innenring 08 eine Spreizung, so dass die auf der Außenseite
des Innenrings 08 umlaufenden Wälzkörper 09 in radialer
Richtung nach außen,
auf die Innenseite des Außenrings 07 hin,
bewegt werden. Die Bewegung und Einstellung der relativen axialen
Lage des konischen Abschnittes 11 und Innenring 08 erfolgt
hier über
die Positionierung des Innenringes 08, z.B. über eine
Justageplatte 12 oder Justagekranz 12, welcher
z.B. mit dem Innenring 08 lösbar verbunden ist. Eine Fixierung
einer passenden Relativlage zwischen Innenring 08 und dem
Abschnitt 11 kann nun durch Einbringen von Abstandhaltern 13,
z.B. Passscheiben der entsprechenden Stärke zwischen Abschnitt 11 und
Justageplatte 12 und eine lösbare Verbindung durch eines
oder mehrere Befestigungsmittel 14, z.B. Schrauben 14,
erfolgen.
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Ist
das Lager 04 nicht als Wälzlager 04 wie dargestellt,
sondern als Gleitlager 04 ausgeführt, so wirken die Innenseite
des Außenrings 07 und
die Außenseite
des Innenringes 08 als Gleitflächen – mit oder ohne reibungsmindernden
Hilfsmittels – zusammen,
wobei das Prinzip der Einstellung dem o.g. entspricht.
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Zur
Einstellung, Überprüfung und/oder Nachjustage
der Lagerspannung wird nun auf den Sachverhalt zurückgegriffen,
dass die Schwingungsmoden und/oder -amplituden eines eingespannten Körpers, hier
der Rotationskörper 01,
vom Ort und der „Härte" der Einspannung
abhängen
und mit diesen variieren. Zur Erkennung und/oder Einstellung des
Lagers 04 wird nun eine Analyse der Schwingungen am Rotationskörper 01 bzw. 02 vorgenommen.
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Hierfür ist nun
mindestens ein Sensor 16 zur Aufnahme einer Schwingung
an zumindest einem Ort des Rotationskörpers 01 sowie eine
Anregung der Schwingung erforderlich.
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Bei
dem Sensor 16 (bzw. mehreren Sensoren 16) kann
es sich um einen am Rotationskörper 01; 02 angeordneten
druck- bzw. zugsensitiver Sensor 16 (z.B. auf der Basis
eines Piezoelementes) handeln, welcher die mit der Schwingung einhergehende
Verformung bzw. Längenänderung
registriert und als Spannungssignal ausgibt. Der Sensor 16 kann
aber auch in anderer Weise weg- oder beschleunigungssensitiv ausgeführt sein.
In einer Variante können
auch ein oder mehrere beispielsweise optisch wirksame Sensoren 16 in
der Weise außerhalb
des zu beobachtenden Rotationskörpers 01; 02 angeordnet
sein, dass ein Abstand zu dessen Mantelfläche oder direkt ein Schwingungsbild
der Körpersilhouette
(z.B. über
CCD-Kamera) detektiert und ausgewertet wird.
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Vorteilhaft
erfolgt in einer ersten Ausführung eine
reproduzierbare Anregung der Schwingung durch eine exakt vorgebbare
und/oder zumindest messbare äußere Schlag- bzw. Impulsanregung
I1, da mit dessen Ergebnis die Justage des
Lagers 04 erfolgen soll. Insbesondere wird die Analyse
der Schwingungen am Rotationskörper 01; 02 durch
eine sog. Modalanalyse, z.B. unter Bezugnahme von Übertragungsfunktionen,
vorgenommen.
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3 zeigt
den Rotationskörper 01; 02 und ein
Beispiel für
eine Verteilung von Messorten M1 bis M26 (hier insgesamt 26 Stück), und
ggf. zwei Messorte M27 und M28 an der Antriebsverbindung zu einem
Antriebsmotor oder einem Antriebszug. Prinzipiell können weniger
oder mehr Messorte M1 bis M26 angeordnet sein, in 3 ist
exemplarisch für einen
oder mehrere Sensoren 16 der Sensor 16 am Messort
M16 durch Füllung
angedeutet. Es kann u.U. auch lediglich ein Messort oder wenige
(zwei, drei, ...) Messorte ausreichend sein, wenn dieser bzw. diese
in Abstimmung zum zu untersuchenden Rotationskörper derart platziert ist bzw.
sind, dass er bzw. sie in den wesentlichen erwarteten Resonanzfrequenzen
nicht in einem Schwingungsknoten zu liegen kommt bzw. kommen.
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Prinzipiell
kann in einer Vorgehensweise an verschiedenen, aber definierten
Orten des Rotationskörpers 01; 02 eine
Schlaganregung erfolgen und an einer festen definierten Stelle gemessen
werde. Umgekehrt kann wie an einer bestimmten festen Stelle eine
Schlaganregung I1 erfolgen, während an
mehreren definierten Messstellen M1 bis M28 die resultierende Schwingungsamplitude
gemessen wird. Letztere Vorgehensweise wird bevorzugt und ist in 3 beispielhaft
durch die Messstellen M1 bis M28 und eine angedeutete Impulsanregung
I1, beispielhaft im Bereich der Messstelle
M18, dargestellt. In Verfeinerung der Methodik kann sukzessive an
mehreren Stellen des Rotationskörpers 01; 02 eine
Schlaganregung erfolgen, während
die jeweiligen Ergebnisse an den Messstellen M1 bis M28 aufgezeichnet
werden. Somit wird gewährleistet,
dass auch die Impulsanregung I1 nicht lediglich
an einem möglichen Schwingungsknoten
vorgenommen wird und daher nicht zu Anregung führen würde. Beim Messen an mehreren
bzw. einer Vielzahl von Messstellen M1 bis M28 kann dies entweder
durch eine entsprechende Anzahl von Sensoren 16 gleichzeitig,
oder aber nacheinander an einer oder einer kleineren Gruppe von Messstellen
M1 bis M28 bei jeweils gleicher Schlaganregung I1 erfolgen.
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Durch
die Messung der Verschiebungen (Amplituden), Geschwindigkeiten und/oder
Beschleunigungen am schwingenden Rotationskörper 01; 02 an
gezielten Stellen mit anschließender
Auswertung werden nun die Eigenfrequenzen und Eigenformen (das Schwingungsverhalten)
des eingespannten Rotationskörpers 01; 02 festgestellt.
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Ein
erstes für
eine bestimmte Impulsanregung I1, (z.B.
durch Hammerschlag) erhaltenes Schwingungsbild ist exemplarisch
in 4, ein zweites für eine andere Impulsanregung
I2 erhaltenes in 5 dargestellt,
wobei jeweils die Amplitude der Schwingung in nicht weiter spezifizierten
Einheiten über
die Messstellen M3 bis M11 am Ballen des Rotationskörpers 01; 02 aufgetragen
sind.
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Anhand
des Schwingungsverhaltens, d.h. ausgewerteter Amplituden und Frequenzen,
d.h. der Spektren (Schwingungsverläufe über die Länge des Rotationskörpers 01; 02),
lässt sich
auf die Einspannung, d.h. Lagerluft bzw. Lagervorspannung rückschließen, wenn
diese aus Kalibrierung oder aus Vergleich mit bekannten Zuständen des
selben oder weitgehend vergleichbaren Rotationskörpers 01; 02 vorbekannt
sind.
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Ein
Kalibrieren der Methode, d.h. die Ermittlung von bestimmten Eigenfrequenzen
und/oder Eigenformen als Ergebnis einer gewünschten Lagerbedingung (Vorspannung,
Luft und/oder axiale Lage) für
einen bestimmten Rotationskörper 01; 02 bzw. eine
bestimmte Klasse von Rotationskörpern 01; 02, kann
auf verschiedene Weise erfolgen.
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So
kann in einer ersten Variante das erstmalige Kalibrieren für einen
Rotationskörper 01; 02 bestimmten
Typs zusammen mit seinem Lager 04 entweder in der Maschine
selbst oder auch im Labor bzw. in der Werkstatt des Herstellers
in der Weise erfolgen, dass die geeignete Lagerung (Vorspannung, Luft,
Lage) sukzessive durch Einbau und Einstellung des Lagers 04, Öffnen des
Lagers 04 und Nachmessen der erhaltenen Vorspannung/Lagerluft
empirisch ermittelt wird. Zumindest im letztlich gefundenen Wunschzustand
sind die Eigenfrequenzen und/oder Eigenformen in o.g. Weise mittels
derjenigen Impulsanregung Ix zu ermitteln,
mittels welcher ein nachfolgendes Einstellen/Prüfen eingebauter Rotationskörper 01; 02 und
Lager 04 erfolgen soll. Vorzugsweise werden auch während vorangehender,
nicht optimaler Einstellungen Eigenfrequenzen und/oder Eigenformen
(Schwingungsformen) ermittelt, um während des späteren Einstellens
von Lagern 04 einen Hinweis auf die einzuschlagende Richtung
(zu hart, zu weich etc.) zu erhalten.
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In
anderer Variante wird das System aus Rotationskörper 01; 02 und
dessen Lagerung 04 theoretisch, insbesondere als Finite-Elemente-Modell – nachgebildet
und dessen Eigenfrequenzen und/oder Eigenformen (Schwingungsformen)
ermittelt. Bei festen geometrischen Abessungen des Rotationskörpers 01; 02 kann
die Lagerbedingung variiert, und die Ergebnisse in Form von Eigenfrequenzen
und/oder Eigenformen hierfür
festgehalten werden. Durch Abgleich einer zusätzlichen Kalibrierungsmessung
in der o.g. Weise kann eine spezielle Lagerluft für den gewünschten
Zustand ermittelt werden.
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Die
für den
Rotationskörper 01; 02 bzw.
dessen Klasse rein empirisch oder theoretisch ermittelte Kalibrierung
kann nun beim Einbau der Rotationskörper 01; 02 in
die Maschine, bei der Wartung der Maschine und der Korrektur der
Lagervorspannung eingesetzt werden. Insbesondere ist es mit dieser
Methode nicht erforderlich den Rotationskörper 01; 02 zum Nachmessen
der Lagervorspannung aus der Maschine auszubauen. Nach o.g. Verfahrensweise wird
lediglich die Impulsanregung Ix aufgebracht,
die Eigenfrequenzen und/oder Eigenformen in o.g. Weise ermittelt
und mit der Kalibrierung verglichen. Bei Abweichung werden die Lagerbedingungen
(Vorspannung, Luft, Lage) so lange verändert, bis das Schwingungsbild
(Eigenfrequenzen und/oder Eigenformen) mit dem gewünschten übereinstimmt
oder zumindest diesem bestmöglich
nahe kommt.
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In
einer abweichenden Ausführung
erfolgt die Anregung durch Betrieb bzw. Betriebssimulation des Systems
selbst, was Vorteile hinsichtlich der Berücksichtigung der Betriebssituation
birgt, jedoch ggf. Abstriche in der exakten Reproduzierbarkeit verursacht.
Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Kalibrierung der Methode
und die Anwendung der selben zur Erkennung/Einstellung in vergleichbarer Betriebssituation
(gleiche Anstellkräfte,
Geschwindigkeiten, Aufzüge
und/oder Temperaturen) stattfindet. Die Anregung von Schwingungen
kann hierbei durch Selbsterregung (Unrundheiten) oder/und durch geometrisch
bedingte Schlaganregungen resultieren, welche beispielsweise aus
Störungen
am Umfang eines der in der Maschine zusammenwirkenden Rotationskörper 01; 02 resultiert.
Dies können
axial verlaufende Kanalöffnungen
sein, welche Aufzüge
auf Walzen 01; 02 oder Zylindern 01; 02 aufnehmen.
Es können
Impulse sein, welche aus einem diskontinuierlichen Betrieb von Maschinenelementen – beispielsweise
Transporteinrichtungen für
Bahn oder Bogen, Verfahrensbedingte Drehumkehrungen, diskontinuierliche
Betriebsmittelzufuhr (Farbe) – sein. Die
Einstellung/Erkennung erfolgt bis auf die Anregung analog zu o.g.
Ausführung,
die Kalibrierung jedoch findet hierbei bei im wesentlichen zu erwartenden
Betriebsbedingungen, und nicht am isolierten Rotationskörper 01; 02 statt.
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- 01
- Rotationskörper, rotierendes
Bauteil, Zylinder, Walze, Übertragungszylinder,
-
- Formzylinder,
Farbwalze
- 02
- Rotationskörper, rotierendes
Bauteil, Zylinder, Walze, Formzylinder, Farbwalze
- 03
- Zapfen,
Achse, Welle
- 04
- Lager,
Radiallager, Wälzlager,
Gleitlager
- 05
-
- 06
- Gestell
- 07
- Lagerelement,
Außenring
- 08
- Lagerelement,
Innenring
- 09
- Wälzelement
- 10
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- 11
- Abschnitt,
konisch (03)
- 12
- Justageplatte,
Justagekranz
- 13
- Abstandhalter
- 14
- Befestigungsmittel,
Schraube
- 15
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- 16
- Sensor
- I1 I2
- Schlaganregung,
Impulsanregung
- M1–M28
- Messorte