DE102009042310A1 - Arrangement for determining torque of driving shaft of e.g. wind turbine, of cement mill, has evaluation unit determining predetermined torque acting on shaft under observation of predetermined torsion rigidity of shaft - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehmomentbestimmung an einer Welle, die in mindestens einem Drehlager gelagert ist, welches ein gestellfestes Lagerteil und ein wellenfestes Lagerteil besitzt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Drehmomentbestimmung an einer Welle.The present invention relates to an arrangement for determining torque on a shaft which is mounted in at least one rotary bearing, which has a frame-fixed bearing part and a shaft-fixed bearing part. The invention also relates to a method for determining torque on a shaft.
Gerade im Bereich großer Momentenübertragung besteht der Bedarf, die auf eine im An- oder Abtriebsstrang liegende Welle wirkenden Drehmomente möglichst genau zu erfassen. Die Kenntnis dieser Drehmomente ist sowohl für den Schutz der Welle und der daran gekoppelten Einheiten vor einer Überlastung erforderlich, als auch zur Verbesserung der Steuerung entsprechender Maschineneinheiten unter Berücksichtigung der tatsächlich auftretenden Drehmomente. Beispielsweise ist es beim Betrieb von Windrädern (Windenergieanlagen) wünschenswert, das an der Hauptwelle auftretende Drehmoment als Regelgröße in den Regelkreis einzuführen, um die Betriebsbedingungen des angekoppelten Generators zu optimieren. Das an der Welle angreifende Drehmoment kann in diesem Fall durch die Änderung der Windstärke erheblichen Schwankungen unterworfen sein, so dass eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Windenergieanlage möglich wäre, wenn das Drehmoment als Echtzeit-Regelgröße zur Verfügung gestellt werden kann.Especially in the field of large torque transmission, there is a need to capture as accurately as possible the torques acting on a shaft in the drive or driven line. The knowledge of these torques is required both for the protection of the shaft and the units coupled thereto against overloading, as well as for the improvement of the control of corresponding machine units, taking into account the torques actually occurring. For example, in the operation of wind turbines (wind turbines) it is desirable to introduce the torque occurring at the main shaft as a control variable in the control loop in order to optimize the operating conditions of the coupled generator. The torque acting on the shaft can be subject to considerable fluctuations in this case by the change in the wind force, so that an increase in the efficiency of the wind turbine would be possible if the torque can be provided as a real-time controlled variable.
Auch in anderen Anwendungsfällen ist die Erfassung des an einer Welle auftretenden Drehmoments von besonderer Bedeutung, insbesondere wenn eine Überbeanspruchung von Wellen, Lagern oder Getrieben in Anwendungsfällen der Schwerindustrie (beispielsweise Zementmühlen, Schiffsantriebe und dergleichen) ausgeschlossen werden sollen.In other applications, the detection of the torque occurring at a shaft is of particular importance, especially when an overuse of shafts, bearings or gears in heavy industrial applications (for example, cement mills, marine propulsion and the like) should be excluded.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Drehmomente im An- oder Abtriebsstrang an einer Welle mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen zu bestimmen.From the prior art it is known to determine torques in the drive or driven train on a shaft with the aid of strain gauges.
Darüber hinaus ist es beispielsweise aus der
Aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Drehmomentbestimmung an einer Welle bereitzustellen, welche es gestattet, im Hauptantriebsstrang, beispielsweise von Windenergieanlagen oder vergleichbaren Anlagen, bei denen hohe Drehmomente auftreten können, die realen Drehmomente bzw. Torque-Kräfte mit einer hohen Dynamik zu ermitteln. Insbesondere soll es die Erfindung gestatten, das Drehmoment in An- oder Abtriebssträngen in Echtzeit zu erfassen und daraus eine Regelgröße abzuleiten, welche für die Regelung der Anlage zur Verfügung gestellt wird. Für eine hohe Regelgenauigkeit soll es die Erfindung weiterhin ermöglichen, den Einfluss von Torsionssteifigkeiten auf die Genauigkeit bei der Bestimmung des Drehmoments zumindest stark zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren.The object of the present invention is thus to provide an arrangement and a method for determining torque on a shaft, which allows the real torques or torque forces in the main drive train, for example wind turbines or comparable installations where high torques can occur with a high dynamic to determine. In particular, it should allow the invention to detect the torque in input or output strands in real time and derive therefrom a control variable, which is provided for the control of the system. For a high control accuracy, the invention should also make it possible to at least greatly reduce or completely eliminate the influence of torsional stiffness on the accuracy in the determination of the torque.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung gelingt durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 7.The solution of this problem is achieved by an arrangement according to the appended
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Drehmomentbestimmung an einer Welle zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Maßverkörperung an der Welle oder einem wellenfesten Lagerteil angebracht ist, wobei mindestens ein gestellfester Winkelsensor angeordnet ist, um die Maßverkörperung zu erfassen bzw. abzufragen und bezogen auf eine Zeitbasis Winkelsignale an eine Auswerteeinheit zu liefern, die vom Drehwinkel der Welle abhängig sind. Die Auswerteeinheit bestimmt unter Verwendung der Winkelsignale und der Zeitbasis zunächst die drehmomentabhängige Drehzahländerung der Welle und daraus unter weiterer Berücksichtigung einer vorbestimmten Torsionssteifigkeit der Welle das auf die Welle wirkende Drehmoment.The inventive arrangement for determining torque on a shaft is characterized in particular by the fact that a material measure is attached to the shaft or a shaft-fixed bearing part, wherein at least one frame-fixed angle sensor is arranged to the material measure to capture or query and based on a time base to provide angle signals to an evaluation unit, which are dependent on the rotation angle of the shaft. Using the angle signals and the time base, the evaluation unit first determines the torque-dependent speed change of the shaft and, with further consideration of a predetermined torsional rigidity of the shaft, determines the torque acting on the shaft.
Die Maßverkörperung, die beispielsweise durch einen auf der Wellenoberfläche gravierten Linienmaßstab, durch aufgebrachte Oberflächenabschnitte mit unterschiedlichem Reflektionsgrad, durch Bereiche mit unterschiedlicher magnetischer Empfindlichkeit oder vergleichbare Elemente gebildet sein kann, lässt sich in unmittelbarer Nähe einer zu beobachtenden Getriebestufe oder eines Wellenabschnitts anbringen, also an Positionen, an denen eine drehmomentbedingte Torsinn der Welle sehr präzise gemessen werden kann, da an diesen Stellen andere Krafteinflüsse, die ebenfalls zu einer Torsinn oder Verbiegung der Welle führen können, klein gehalten werden. Solche Stellen finden sich insbesondere innerhalb von Wellenstützlagern oder in deren untermittelbarer Nähe.The material measure, which can be formed for example by a line scale engraved on the shaft surface, by applied surface sections with different reflectance, by regions with different magnetic sensitivity or comparable elements, can be attached in the immediate vicinity of a gear stage or a shaft section to be observed, that is, at positions in which a torque-related torsion of the shaft can be measured very precisely, since at these points other force influences, which can also lead to a torsion or bending of the shaft, are kept small. Such sites can be found in particular within Wellenstützlagern or in the immediate vicinity.
Der Winkelsensor kann beispielsweise in einen gestellfesten Lagerring eines Wälzlagers integriert werden oder seitlich an diesem befestigt sein.The angle sensor can be integrated, for example, in a frame-fixed bearing ring of a bearing or laterally attached to this.
Es ist besonders vorteilhaft, mehrere erfindungsgemäße Anordnungen an einer Welle vorzusehen, um das Drehmoment an unterschiedlichen Abschnitten der Welle zu bestimmen. Damit stehen in verschiedenen Wellenabschnitten Ist–Drehmomentwerte zur Verfügung, aus denen sich Verdreh-Schwingungen über die Wellenstrecke ermitteln lassen. Dies gestattet beispielsweise bei Windenergieanlagen das gezielte Steuern und Regeln einer Lasteinleitung, um Lastschwankungen zu reduzieren. Letztlich dient dies der Optimierung des Wirkungsgrades einer solchen Energieanlage, da Lastspitzenschwankungen ausgeglichen werden können. Die Erfindung ermöglicht weiterhin die Reduzierung von Lastbeanspruchungen an Wellen, die hohe Drehmomente übertragen müssen. Dies reduziert den Verschleiß der entsprechenden Bauteile und steigert die Lebensdauer der gesamten Anlage. Ebenso lässt sich die Erfindung zur Überwachung besonders beanspruchter Abschnitte entsprechender Wellen verwenden, um eine drohende Beschädigung rechtzeitig zu erkennen und die Anlage notfalls zu stoppen, bevor es beispielsweise zu einem Wellenbruch kommt, der eine Zerstörung einer gesamten Anlage zur Folge haben kann.It is particularly advantageous to provide a plurality of arrangements according to the invention on a shaft in order to determine the torque at different portions of the shaft. Thus, actual torque values are available in different shaft sections, from which torsional vibrations can be determined over the shaft path. This allows, for example, in wind turbines the targeted control and regulation of a load application to reduce load fluctuations. Ultimately, this serves to optimize the efficiency of such an energy system, since load peak fluctuations can be compensated. The invention further enables the reduction of load stresses on shafts that need to transmit high torques. This reduces the wear of the corresponding components and increases the life of the entire system. Likewise, the invention can be used to monitor particularly stressed sections of corresponding waves to detect impending damage in time and to stop the plant if necessary, before it comes, for example, to a wave break, which can result in the destruction of an entire system.
Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Maßverkörperung nicht direkt an der Welle sondern am wellenfesten Lagerring des Drehlagers, welches vorzugsweise ein Wälzlager ist, angebracht ist. Die Drehmomentbestimmung setzt dabei selbstverständlich voraus, dass kein Schlupf zwischen der Welle und dem wellenfesten Lagerring auftritt. Diese Ausführungsform gestattet die unmittelbare Einbindung der erfindungsgemäßen Anordnung in ein Wälzlager, was den Montageaufwand verringert und gleichzeitig sicherstellt, dass die Drehmomentbestimmung unmittelbar an der Wellenstützstelle erfolgt.A modified embodiment of the invention is characterized in that the material measure not directly on the shaft but the shaft-fixed bearing ring of the pivot bearing, which is preferably a roller bearing, is mounted. The determination of torque assumes, of course, that no slip between the shaft and the shaft-fixed bearing ring occurs. This embodiment allows the direct integration of the arrangement according to the invention in a rolling bearing, which reduces the assembly effort and at the same time ensures that the torque is determined directly at the shaft support point.
Die oben genannte Aufgabenstellung wird weiterhin durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.The above-mentioned problem is further solved by a method according to
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist wesentlich, dass der Drehwinkel der Welle von einem Winkelsensor ermittelt wird, daraus die Drehzahländerung der Welle bestimmt wird und unter Heranziehung der vorbestimmten Torsionssteifigkeit der Welle nachfolgend das auf die Welle wirkende Drehmoment ermittelt wird. Die Drehwinkelbestimmung erfolgt insbesondere durch Abtastung (vorzugsweise berührungslos) der Maßverkörperung und Heranziehung einer Zeitbasis, um die Drehzahl der Welle bzw. deren Änderung zu berechnen.It is essential for the method according to the invention that the angle of rotation of the shaft is determined by an angle sensor, from which the speed change of the shaft is determined, and the torque acting on the shaft is subsequently determined by using the predetermined torsional rigidity of the shaft. The rotation angle determination is carried out in particular by scanning (preferably non-contact) of the material measure and using a time base in order to calculate the rotational speed of the shaft or its change.
Beispielsweise lässt sich ausgehend von einer zunächst konstanten Drehzahl bereits während einer einzigen Umdrehung der Welle eine Drehzahländerung feststellen, die aus einer Torsinn der Welle resultiert. Die Auswerteeinheit verwendet zur Bestimmung des Drehmoments einen bekannten Wert der Torsionssteifigkeit der Welle, der zuvor in einem Speicher abgelegt wurde. Unter der Annahme, dass eine Drehzahländerung aufgrund eines eingeleiteten Moments entsteht, lässt sich bei Kenntnis der Torsionssteifigkeit aus der vom Winkelsensor gemessenen Drehzahländerung auf die Größe des eingeleiteten Moments rückschließen. Die entsprechenden mathematischen Zusammenhänge und verwendbaren Berechnungsalgorithmen sind dem Fachmann bekannt, so dass diese hier nicht näher dargelegt werden müssen.For example, starting from an initially constant rotational speed, a change in rotational speed can already be detected during a single revolution of the shaft, which results from a torsion of the shaft. The evaluation unit uses a known value of the torsional stiffness of the shaft, which was previously stored in a memory, for determining the torque. Assuming that a speed change occurs due to an introduced torque, the magnitude of the torque introduced can be inferred from knowledge of the torsional rigidity from the speed change measured by the angle sensor. The corresponding mathematical relationships and usable calculation algorithms are known to the person skilled in the art, so that they need not be explained in more detail here.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further advantages, details and developments of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment, with reference to the drawings. Show it:
Es ist zweckmäßig, wenn sowohl die Maßverkörperung als auch der Winkelsensor in das Lagergehäuse integriert sind, um möglichst nah am Drehlager
Der Winkelsensor
Der Winkelsensor
Die Gestaltung der Maßverkörperung ist vielseitig möglich, je nach angewandtem Messprinzip und Genauigkeitsanforderung. Gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform kann die Maßverkörperung mindestens eine Referenzmarkierung enthalten, die vom Winkelsensor erkannt wird und als Drehwinkel-Nullpunkt definiert werden kann. Ausgehend von der Referenzmarkierung lässt sich beispielsweise mit Hilfe des Winkelsensors ermitteln, wann die Welle eine vollständige Umdrehung absolviert hat und welche Zeit dafür erforderlich war.The design of the material measure is versatile possible, depending on the applied measuring principle and accuracy requirements. According to a further developed embodiment, the material measure may include at least one reference mark, which is detected by the angle sensor and can be defined as a rotation angle zero point. Based on the reference mark, for example, the angle sensor can be used to determine when the shaft has completed a complete turn and what time was required for this.
Die Auswerteeinheit liefert entsprechende Daten vorzugsweise an eine Steuerung, um beispielsweise durch Veränderung des Antriebsstroms, Einstellung eines Erregerstroms, Einleitung von Bremskräften oder dergleichen auf eine Drehmomentänderung reagieren zu können.The evaluation unit preferably supplies corresponding data to a controller in order, for example, to be able to react to a torque change by changing the drive current, setting an excitation current, initiating braking forces or the like.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wellewave
- 22
- Drehlagerpivot bearing
- 33
- Außenringouter ring
- 44
- Wälzkörperrolling elements
- 55
- Innenringinner ring
- 66
- Maschinengestellmachine frame
- 77
- Winkelsensorangle sensor
- 88th
- MaßverkörperungMeasuring standard
- 99
- Anschlussleitungconnecting cable
- 1010
- Auswerteeinheitevaluation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 69010378 T2 [0005] DE 69010378 T2 [0005]
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- 2009-09-19 DE DE200910042310 patent/DE102009042310A1/en not_active Withdrawn
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