DE1183255B - Vorrichtung zur Aufnahme der Torsionsschwingungen an einer Welle - Google Patents

Vorrichtung zur Aufnahme der Torsionsschwingungen an einer Welle

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DE1183255B
DE1183255B DES43890A DES0043890A DE1183255B DE 1183255 B DE1183255 B DE 1183255B DE S43890 A DES43890 A DE S43890A DE S0043890 A DES0043890 A DE S0043890A DE 1183255 B DE1183255 B DE 1183255B
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Germany
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shaft
inductive
torsional vibrations
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DES43890A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Juergen Oemigk
Dipl-Ing Hans Klingler
Dipl-Phys Gend Pajunk
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/10Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of torsional vibrations

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Vorrichtung zur Aufnahme der Torsionsschwingungen an einer Welle Es ist eine Vorrichtung zur Messung des von einer treibenden auf eine angetriebene Welle übertragenen Drehmomentes bekannt, bei welcher elektromagnetisch erzeugte Spannungsimpulse bzw. deren gegenseitige Phasenlage durch ein anzeigendes oder schreibendes Gerät, ein akustisches oder optisches Gerät sichtbar oder hörbar gemacht wird. Bei der treibenden und der angetriebenen Welle kann es sich auch um eine durchlaufende Welle handeln, bei der dann durch die Übertragung des Drehmomentes eine mehr oder weniger große Tordierung auftritt.
  • Es ist auch eine Anordnung zur Messung von Phasenwinkeln und insbesondere zur Messung von Drehmomenten bekannt, bei der Rechteckspannungen erzeugende Röhrenschaltungen von phasenverschobenen Impulsen, die von auf einer Welle angeordneten Gebern ausgehen, gesteuert werden. In einer Mischröhre, die von den Rechteckspannungen gesteuert wird, wird ein Strom oder eine Spannung gebildet, die ein Maß für den Phasenwinkel darstellt.
  • Weiter ist es bekannt, beispielsweise bei einem Vekto rmesser den Phasenwinkel zweier Wechseispannungen oder Wechselströme durch zwei von diesen Spannungen gesteuerte Schwingkontaktgleichrichter zu messen. Es ist auch bekannt, als Geber auf einer Welle Scheiben anzuordnen, die mit Magnettonfolien beklebt sind. Ebenso ist es bekannt, auf magnetisierbaren Körpern, die abgetastet werden sollen, eine Wechselmagnetisierung aufzuprägen. Es ist auch ein mechanischer Drehschwingungsmesser bekannt, mit dem der Geschwindigkeitsunterschied zwischen einem von der zu untersuchenden Welle angetriebenen Antriebes rad und einem mit dem Antriebsrad elastisch gekuppelten Schwungrad mit Hilfe eines Differentialtriebes zwischen den beiden Rädern gemessen wird.
  • Die träge Masse des Schwungrades wirkt zusammen mit der elastischen Kupplung als ein mechanisches Filter, das nur die gleichförmige Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle annimmt, die Variationen der Geschwindigkeit aber zurückweist. Eine Abwandlung dieser bekannten Einrichtung dient als Verdrehungsanzeiger. Dieser weist im Gegensatz zum Drehschwingungsmesser zwei Antriebsräder auf, wovon eines verschiebbar ist. Das zweite verschiebbare Rad treibt dabei das Schwungrad an. Drehschwingungen können infolge der Trägheit des zweiten Antriebsrades, das mit dem Schwungrad gekuppelt ist, nicht gemessen werden.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme von Torsionsschwingungen an einer umlaufenden Welle mit mindestens zwei von Tonköpfen abgetasteten induktiven Gebern auf der Welle und einer Anzeigeeinrichtung für den Phasenwinkel, der zwischen den von den induktiven Gebern abgegebenen Spannungen auftritt. Geiaäß der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Geber auf der Welle verschiebbar angeordnet sind.
  • Es werden beispielsweise in zwei Meßköpfen, die von zwei um eine gewisse Länge voneinander entfernten induktiven Gebern beeinflußt werden, Spannungen erzeugt, die beispielsweise durch zweiOszillographenschleifen oder durch zwei Elektronenstrahlen in sichtbare Schwingungen übertragen werden. Wenn die Welle frei von Torsionsschwingungen ist, bleiben die beiden aufgezeichneten Oszillographenkurven in stets gleichbleibender Phasenverschiebung zueinander. Torsionsschwingungen zeigen sich dadurch an, daß die Phasenverschiebung zwischen den beiden aufgezeichneten Meßkopfspannungen sich periodisch ändert. Da die Welle nur eine gemeinsame Geschwindigkeit besitzt, können solche Anderungen nur durch Schwingungen, insbesondere durch Torsionsschwingungen, ausgelöst werden. Überträgt man den Betrag der Phasenverschiebung statistisch z. B. auf ein Diagramm, so ergibt die Hüllkurve die Torsionsschwingung.
  • Diese Torsionsschwingungsmessung hat für viele Maschinenanlagen großen Wert, weil man durch andere Mittel nur schwer eine kurvenmäßige Darstellung der auftretenden Schwingungen erhalten kann. Wenn man die Scheiben, die als induktive Geber auf der Welle angeordnet sind, auf der Welle verschiebbar macht, ist es möglich, diese Scheiben nach Wahl an einen Wellenbauch oder an einen Wellenknotenpunkt zu schieben, wodurch man dann auch die Torsionsschwingung an der Stelle ihres größten Ausmaßes feststellen kann. Zu solchen Versuchen ist es zweckmäßig, mehr als zwei induktive Geber verteilt auf der Welle zu benutzen, die zum Teil fest angeordnet und zum Teil verschiebbar sind.
  • Als Maß für die Torsionsschwingungen wird eine Stromstärke erhalten. Dazu dient eine Schaltung, welche Gebrauch von zwei Relais oder Kontaktgleichrichtern macht, vorzugsweise Schwinggleichrichtem.
  • Beispielsweise sind auf einer Welle in einem gewissen Abstand zwei induktive Geber angeordnet. Die in den zugehörigen Wiedergabeköpfen entstehenden Spannungen steuern je einen Schwinggleichrichter. Die Kontakte der Schwinggleichrichter sind in Reihe geschaltet mit einem Anzeigeinstrument oder Registrierinstrument und einer Gleichstromquelle. Der Kontakt des einen Gleichrichters ist ein Arbeitskontakt, der des anderen Gleichrichters ist ein Ruhekontakt. Ein Strom ergibt sich nur, solange beide Kontakte gleichzeitig geschlossen sind, d. h. wenn der eine Kontakt in Arbeitsstellung und der andere Kontakt in Ruhestellung ist. Diese Zeit aber ist genau dem Verdrehungswinkel des einen induktiven Gebers gegen den anderen induktiven Geber proportional.
  • Eine besondere Ausgestaltung kann bei der Erfindung darin bestehen, daß die induktiven Geber nicht als gezahnte oder gelochte Scheiben ausgebildet sind, sondern daß sie beispielsweise glatte Scheiben sind, die am Umfang je mit einer magnetisch aufgeschriebenen Tonspur versehen sind. Der Widergabekopf hat bei einer solchen Anordnung eine Spannung bzw.
  • Frequez, die der Intensität bzw. der Frequenz der aufgeprägten magnetischen Tonschrift und der Drehgeschwindigkeit der Welle folgt. Das Aufbringen des Magnettonstreifens auf der Scheibe kann sowohl auf der Stirnkante der Scheibe wie auch am Flächenrand der Scheibe erfolgen. Bei einer verbesserten Anordnung ist die magnetische Tonspur auf der sich die henden Welle selber angebracht, so daß man auf die Anbringung von Scheiben auf der Welle verzichten kann. Man hat sogar erprobt, daß es nicht notwendig ist, für die Magnettonspur ein übliches Magnettonträgermaterial zu verwenden. Es hat sich als durch aus möglich erwiesen, die Magnettonspur unmittelbar auf das Material der sich drehenden Welle aufzuprägen, indem ein oder mehrere entsprechend kräftig erregte Aufspielköpfe die Tonsehriften auf den Umfang der sich drehenden Welle an einer oder mehn> ren passenden Stellen aufprägen. Der Aufspielkopf und der Wiedergabekopf brauchen in diesem Fall nicht, wie bei Magnettongeräten, in unmittelbarer Nähe des Trägers der Tonschrift, d. h. der umlaufenden Welle, angeordnet zu sein, sondern sie können einen gewissen Abstand von dieser halten, was durchaus erwünscht ist, weil auf diese Weise etwaige Erschütterungen und Transversalschwingungen der Welle nicht stören. Aus diesem GruMe ist es auf jeden Fall vorzuziehen, daß der Wiedergabekopf berührungsfrei die aufgeprägte Tonspur von der sich drehenden Welle abnimmt. Nach praktischen Erfahrungen kann dieser Abstand sogar eine Größe von zwei oder mehr Millimetern haben. Das hat den Vorteil, daß etwaige Störungen durch eine magnetische Inhomogenität des Wellenmaterials oder durch Oberwellen ebenfalls unterurückt werden.
  • Zur Erläuterung der Erfindung dienen fünf Figuren.
  • F i g. 1 ist ein Diagrammbild. Über einer Zeitachse t ist auf der Ordinate der Torsionswinkel zwischen zwei induktiven Gebern, z. B. zwischen zwei gezahnten Scheiben, auf der Welle aufgezeichnet. Die Ordinaten 1, 2, 3, 4, 5, 6 zeigen die Größe der Phasenverschiebung an, die sich innerhalb der Zeit t ständig ändert. Die Phasenverschiebung ist die augenblickliche gegenseitige Winkelverdrehung zwischen den beiden induktiven Gebern. Sie wird erhalten als Phasenverschiebung zwischen den Spannungen der beiden Wiedergabeköpfe an den induktiven Gebern der Welle. Wenn diese Phasenverschiebung, wie in F i g. 1 gezeichnet, nicht einen gleichbleibenden Betrag hat, so ist dies ein Beweis dafür, daß Torsionsschwingungen in der Welle herrschen. Eine Torsionsschwingung ist dargestellt als die Hüllkurve der Ordinaten 1 bis 6.
  • Bei einer torsionsschwingungsfrei laufenden Welle ergibt das Drehmoment eine gegenseitige Phasenverschiebung der Spannungen, die von den induktiven Wiedergabeköpfen der Welle abgenommen werden.
  • Solche Spannungskurven sind in Fig 2 gezeichnet.
  • Der Wiedergabekopf der einen Scheibe erzeugt beispielsweise die Spannungskurvea, die des anderen Wiedergabekopfes ist die Spannung b. Die Spannungen sind oszillographisch aufgenommen und ergeben hierbei Sinuskurven von gleicher Frequenz mit der gegenseitigen Phasenverschiebung 5n. ç ist ptional der Größe des Drehmomentes. Es besteht mn die Aufgabe, die Größe der Phasenverschiebung ç nicht nur aus einem Oszillogramm ablesen oder angreifen zu können, sondern diese Größe unmittelbar in eine Stromstärke umzusetzen, welche es erlaubt, die Größe dieser Phasenverschiebung anzuzeigen oder zu scX ben.
  • Eine Vorrichtung für diesen Zweck zeigt Fig. 3.
  • Auf der Welle w sitzen zwei Scheiben s, und s2 in definiertem Abstand. Den Stirnrändern der Scheibe st, und s2 ist je eine Tonfrequenz magnetisch aufgeprägt, beispielsweise indem die Stirriränder mit einem sogenannten Magnettonband beklebt sind, das mit einer bestimmten Frequenz bespielt ist. Die Scheiben s und s, erzeugen dann in den Wicklungen zweier Wiedergabeköpfe kt und k2 die beiden Spannungen, die bei torsinnsfreiem Umlauf der Welle w durch die Kurven a und b in F i g. 2, jedoch mit = q7=0, dargestellt sein können. Von den Wiedergabeköpfen kt und k2 werden nun zwei Schwingkontaktgleichrichter GX und G12 gesteuert, so daß ihre Kontakte sich im Rhythmus der Spannungen der beiden Wiedetgabeköpfe kot und k2 umstellen. Der Gleichrichter Glt steuert einen Arbeitskontakt a1 und der Gleichrrer Glo einen Ruhekontakt a2. Beide Kontakte sind in Reihe geschaltet in einem Stromkreis, der aus einem Netzanschluß N und Spannuiigsgleichhalter von einer konstanten Gleichspannung gespeist wird. Zwichzu den Kontakten a1 und a2 liegen ein Anzeigegerät undV oder ein Registriergerät Z. Normaierwcise ist der Stromkreis über dieses Instrument unterbrochen. Er ist nur geschlossen, solange der Gleichrichter Glt ses nen Arbeitskontakt und gleichzeitig der Gleiclrrichter G12 seinen Ruhekontakt geschlossen hat.
  • Die Wirkungsweise der Anordnung ist an Diagrammen in Fig. 4 erläutert. Die Kontalcschließungen des Gleichrichters Ot haben die Zeitdauer A und die des Gleichrichters ot2 die Zeitdauer B. Da über die Welle ein Drehmoment übertragen wird und die Schwingkontaktgleichrichter nicht genau in Phasenübereinstimmung arbeiten, sind die Zeiten gegenüber den Zeiten versetzt. Es ist nun der Strom über das Meßgerät z geschlossen, solange der Kontaktet geschlossen und der Kontakte2 noch nicht geöffnet ist. Diese Intervalle führen zu Imprulsen C, die über das Meßgerät Z fließen. Der zeitliche Mittelwert der Impulse C ergibt einen Gleichstrom, solange keine Torsionsschwingungen in der Achse auftreten.
  • Beim Vorliegen von Torsionsschwingungen ändert sich die Phasenverschiebung zwischen den Steuerströmen der Schwingkontaktgleichrichter proportional den Schwingungen. Die Impulse C werden dadurch verschieden lang. Der resultierende Mittelwert ergibt einen schwankenden Gleichstrom, dessen Verlauf das Meßgerät anzeigt.
  • Die Verwendung der Welle selber als induktiver Geber wird durch F i g. 5 erläutert. Auf der Welle ist eine wechselnde Magnetisierungsstärke entsprechend der Kurve m aufgeprägt. Diese wechselnde.Magnetisierung wird durch einen Wiedergabekopf n beim Drehen der Welle abgenommen. Der Abstand zwischen dem Wiedergabekopf n und der Maschinenwelle w ist abweichend von der üblichen Tonwiedergabevorrichtung wesentlich größer und kann beispielsweise mehrere Millimeter betragen.
  • Soweit im vorangehenden von der Verstellung von Schwingkontaktgleichrichtern die Rede ist, ist es auch möglich, diese durch Kontakte zu ersetzen, die mit den induktiven Gebern mechanisch gekuppelt und von diesen betätigt werden, sofern diese Kontakte Kontaktdauern von je einer halben Periode der erzeugten Geberspannung haben.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Aufnahme von Torsionsschwingungen an einer umlaufenden Welle mit mindestens zwei von Tonköpfen abgetasteten induktiven Gebern auf der Welle und einer Anzeigeeinrichtung für den Phasenwinkel, der zwischen den von den induktiven Gebern abgegebenen Spannungen auftritt, d adurch g e k e n n -zeichnet, daß die induktiven Geber auf der Welle verschiebbar angeordnet sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über zwei mechanische Kontaktgleichrichter eine der Winkelverdrehung zwischen den beiden induktiven Gebern proportionale Stromstärke gebildet wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als induktiver Geber ein auf einer Scheibe oder auf der Welle angebrachter Maguettonstreifen dient, der auf der Scheibe oder der Welle aufgeklebt und auf dem eine gegebene Frequenz aufmagnetisiert ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wiedergabekopf zur Abnahme der Magnetisierungsspur auf der Welle einen Abstand in der GrälSenordnung von einem oder mehreren Millimelxsrn hat.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 694 685, 806914, 839 126, 887 274, 893 866, 909 002, 910 455; schweizerische Patentschrift Nr. 242 650; USA.-Patentschriften Nr. 2 576 429, 2 602 837; ATM-Blatt 1 94-3 (Juli 1934).
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