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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als Maß für die Torsionsschwingungen wird eine Stromstärke erhalten.
Dazu dient eine Schaltung, welche Gebrauch von zwei Relais oder Kontaktgleichrichtern
macht, vorzugsweise Schwinggleichrichtem.
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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.
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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.
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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.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen fünf Figuren.
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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.
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Bei einer torsionsschwingungsfrei laufenden Welle ergibt das Drehmoment
eine gegenseitige Phasenverschiebung der Spannungen, die von den induktiven Wiedergabeköpfen
der Welle abgenommen werden.
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Solche Spannungskurven sind in Fig 2 gezeichnet.
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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.
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Eine Vorrichtung für diesen Zweck zeigt Fig. 3.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.