DE2146741A1

DE2146741A1 - Überwachungs- und Warneinrichtung für die radiale Lage einer Maschinenwelle

Info

Publication number: DE2146741A1
Application number: DE19712146741
Authority: DE
Inventors: Scott J. Fullerton Calif. Shuey (V.StA.)
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1970-09-21
Filing date: 1971-09-18
Publication date: 1972-03-23
Also published as: GB1359528A; US3678493A; FR2108362A5; NL7112480A; AU3338871A

Description

dr.ing. H. NEGENDANK · dipl-ing. H. HAUCK · dipl-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG·MÜNCHEN ZUSTELLUNGSANSCHRIFT; HAMBURG 36 · NEUER WALL 41

TUI.. 3Θ 74 28 UND 3β 41 15

TElKGH. NEQEDAPATENT HAMBURG MÜNCHEN 15 ■ MOZARTSTR. 23

TEL. 3380386

TELEGR. NEGBDAPATENT MÜNCHEN

HAMBURG,

17, Sep. 1971

Borg-Warner Corporation
200 South Michigan Avenue
Chicago, Illinois 60604
( V. St. A. )

überwachungs- und Warneinrichtung für die radiale Lage einer Maschinenwelle.

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Fühl- und Anzeigeeinrichtungen von dynamischen und statischen Verlagerungen eines Rotors und ist insbesondere auf eine überwachungs- und/oder Warneinrichtung für die radiale Lage bzw. Verlagerung einer Maschinenwelle gerichtet, mit der die dynamische und/oder statische Lage einer Welle in bezug auf ihr Wellenlager meßbar und anzeigbar ist.

Viele unterschiedliche Typen von Maschinen weisen innerhalb eines Lagers umlaufende Wellen auf, die während des normalen Betriebes die Lagerfläche nicht berühren. Wenn im Betrieb eine exzentrische Verlagerung ausreichender Größe während einer erheblichen Zeitspanne auftritt, kann es zu einer Beschädigung der Welle und/oder des Lagers kommen.

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Durch die Erfindung soll daher eine zur Lösung dieses Problems insbesondere in großen Hochleistungskreiselpumpen dienende Einrichtung vorgeschlagen werden, die sich besonders gut für Maschinen eignet, deren Wellen einem hydraulischen oder aerodynamischen Ungleichgewicht ausgesetzt sind wie z.B. Verdichter und Flüssigkeitsantriebe, sich jedoch auch auf andere Maschinen mit umlaufenden Wellen wie z.B. Turbinen, Motoren, Zahnräder, Kraftmaschi- f nen usw. anwenden läßt.

Im Gegensatz zu den für die Auswuchtung verwendeten bekannten Einrichtungen bezieht sich die Erfindung nicht direkt auf Unwucht-, Schwingungs- oder Erschütterungserscheinungen, sondern auf die Messung und Überwachung der Lage bzw. Verlagerung einer Welle in Querrichtung. Während für Turbinen und dgl. entwickelte bekannte Einrichtungen zur Überwachung der Wärmeausdehnung in Längsrichtung dienen, handelt es sich bei der Erfindung um eine überwachungsein- W richtung für die Lage bzw. die Verlagerung einer Welle in Querrichtung zu dieser.

Die vorgeschlagene überwachungs- und Warneinrichtung zur Überwachung der radialen Verlagerungsstellung einer umlaufenden Maschinenwelle innerhalb ihrer Lager ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch zwei zum Abfühlen der Lage der Welle dienende Sonden, die auf von dem Wellenlagermittelpunkt ausgehenden verschiedenen Halbmessern in der Nähe der Welle angeordnet sind und jeweils zur

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Erzeugung eines allgemein die radiale Vektorkomponente der Wellenverlagerung von dem Lagermittelpunkt anzeigenden Ausgangssignals dienen, eine mit den Sonden gekoppelte, zum Verarbeiten der Sondenausgangssignale und zum Entwickeln aus diesen Signalen wenigstens eines die Stellung der Welle in bezug auf den Lagermittelpunkt anzeigenden Signals dienende Signalverarbeitungseinrichtung und durch eine zur Verwertung dieses Signals dienende Vorrichtung.

Die Erfindung wird anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erklärt.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Querbewegung und Verlagerung einer Welle in ihrem Lager und zeigt eine für die Erfindung bevorzugte Anordnung der Sonden.

Figuren 2a und 2b sind zwei Teile eines Blockschaltbildes, das eine Einrichtung nach der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist in schematischer Form und in einem größeren Maßstab der Zusammenhang zwischen einer mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Welle und deren Unterstützungslager dargestellt, welche mit den Bezugszeichen 12 bezeichnet sind. Diese schematische Darstellung dient zur Erläuterung der zur Beschreibung der Erfindung benötigten Ausdrücke und Zusammenhänge. Die Lager 12 weisen einen mit 14 bezeichneten Mittelpunkt, und die Welle 10 einen mit 16 bezeichneten Mittelpunkt auf. Der Abstand von dem Lager-

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mittelpunkt zu dem Lager 12 ist die lichte radiale Lagerweite.

Im allgemeinen fallen der Wellenmittelpunkt 16 und der Lagermittelpunkt 14 nicht in einem Punkt zusammen, sondern insbesondere unter dynamischen Bedingungen bewegt sich der Wellenmittelpunkt in vielen Fällen bei Umdrehung um seinen eigenen Mittelpunkt 16 auf einem kreisförmigen oder nahezu kreisförmigen Weg , wie durch den Kreis 18 angedeutet ist. Der Umlaufweg des Wellenmittelpunkts 16 weist einen mit dem Bezugszeichen 20 bezeichneten Mittelpunkt auf, um den die Welle umläuft.

Für die Zwecke dieser Beschreibung soll ein Abstand "E" definiert werden, welcher gleich ist dem Abstand von dem Lagermittelpunkt 14 zu dem Umlaufmittelpunkt 20. E ist damit die Länge eines Vektors 22 von Punkt 14 zu Punkt 20, * der als die "Exzentrizität" der Welle 10 in bezug auf ihr Lager 12 bezeichnet werden soll. Mit anderen Worten, die Exzentrizität ist die scheinbare statische Lage des Wellenmittelpunkts 16 in bezug auf den Lagermittelpunkt 14.

Weiterhin soll aihand der Fig. 1 der als "Umlaufhalbmesser" R_Q bezeichnete Ausdruck als der Abstand von dem Umlaufmittelpunkt 20 zu dem Umlaufweg 18 definiert werden. Die arithmetische Summe der Exzentrizität E und des Umlaufhalbmessers R_Q wird als "Gesamtbewegung" oder "Gesamtverlagerung¹¹ M_T bezeichnet. Somit ist:

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M_T = E + R₀

Entsprechend der Erfindung sind zwei Sonden 31 und 32 außerhalb der Lagerfläche 12 auf von dem Lagermittelpunkt 14 ausgehenden verschiedenen Halbmessern und vorzugsweise (in bezug auf die Welle) in der gleichen Querebene auf durch einen Bogen von 90° voneinander getrennten Halbmessern angeordnet. Jede Sonde 31» 32 mißt im wesentlichen den Abstand zwischen sich und der Welle 10 entlang des von dem Punkt 14 ausgehenden Halbmessers, auf dem sich die Sonde befindet. Somit sind die Ausgangssignale der Sonden proportional den Vektorbewegungskomponenten entlang den von dem Punkt 14 ausgehenden jeweiligen Halbmessern.

Da der Parameter E für einen vorgegebenen Pumpenbetriebszustand ziemlich stetig ist, sind die stetigen oder Gleichstromausgangssignale der Sonden 31 und 32 proportional den radialen Vektorkomponenten von E, die in Pig. 1 für die von der Sonde 31 und für die von der Sonde 32 gemessenen Komponenten durch die Vektoren 22x bzw. 22y dargestellt sind.

Der Umlauf zeigt sich dagegen durch die dynamischen oder Wechselstromausgangssignale der Sonden, da die Welle 10 nicht in einer Lage verbleibt, sondern sich auf einem kreisbogenförmigen Weg bewegt. Zur Messung der Gesamt bewegung oder -Verlagerung VL· müssen sowohl das Umlauf signal als auch die Exzentrizität verwendet werden.

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Das in den Figuren 2a und 2b dargestellte Blockschaltbild zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Einrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist, die Sonden 31 und 32 aufweist und wie folgt arbeitet:

1. Jede der beiden Abstandssonden 31 und 32 fühlt jeweils die Wellenoberfläche ab und erzeugt ein elektrisches, hochfrequentes Wechselspannungssignal, das der Lage bzw. Verlagerung der Welle proportional ist.

2. Zwei Sondentreiberstufen 33» 33'» denen jeweils das Signal der Sonde 31 bzw. 32 zuführbar ist, wandeln das von der jeweiligen Sonde erhaltene Wechselspannungssignal in ein (die Wellenlage darstellendes) äquivalentes elektrisches Gleichspannungssignal um, das von einem Wechselspannungssignal überlagert ist, welches die dynamische Bewegung der Welle darstellt.

3. Zwei Nullunterdrückungsschaltungen 34 und 3¹I¹ verändern jeweils die von den Sondentreiberstufen 33 und 33' abgegebenen Ausgangssignale in der Weise um, daß sich ein Signalwert null ergibt, wenn sich die Welle 10 genau in der Mitte des Lagers befindet. Auf diese Weise zeigt ein von Null verschiedenes Signal an, daß sich die Welle von der Mittellage wegbewegt hat.

4. Zwei Tiefpaßfilter 35 und 35' lassen nur die Gleichspannungssignalkomponente der Ausgangssignale von den Unterdrückungsschaltungen 34 bzw. 34' durch. Diese Signale stellen die beiden Gleichspannungskomponenten des

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Exzentrizitätspararaeters (E) dar. Da die beiden Sonden 31, 32 in der Weise angeordnet sind, daß sie die Wellenlage in einer Querebene messen, und um 90° zueinander versetzt sind, stellen die Signale der Sonden die Länge der Vektoren 22x bzw. 22y dar. Der Wert des Parameters E ist gleich der Länge des Vektors 22, welcher sich aus der Vektorsumme der beiden Vektoren 22x und 22y ergibt. Entsprechend der Vektoralgebra ist der Wert von E gleich der Quadratwurzel aus der Summe der beiden vorgenannten Vektoren im Quadrat, d.h.

E = ( Vektor 22x² + Vektor 22y² ) ^1/2

5. Eine Vektorschaltung 36 bildet die Quadratwurzel aus der Summe der Vektorquadrate, wie vorstehend beschrieben ist. Das Gleichspannungsausgangssignal stellt den Parameter E, d.h. die Exzentrizität dar.

6. Zwei Hochpaßfilter 37 und 37* lassen jeweils nur die von den ünterdrückungsschaltungen 3¹* und 3¹*' komme'üen Wechselspannungssignale durch, welche die dynamische Wellenbewegung darstellen. Diese Signale haben grundsätzlich eine sinusförmige Wellenform.

7. Zwei Spitzenwertdetektoren 38, 38' erzeugen gleichgerichtete Spannungssignale, deren Spannungswerte jeweils proportional dem Spitzenwert der vorgenannten Sinuswellen sind, welche hinter den Filtern 37, 37' erhalten werden. Der doppelte Amplitudenscheitelwert dieser Sinuswellen stellt die maximale und minimale Wellenbewegung dar oder

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— R —

ist dem Durchmesser des Umlaufweges äquivalent. Daher stellt das Spitzenwertdetektorausgangssignal, welches die Hälfte des doppelten Scheitelwerts ist, den Umlaufhalbmesser dar.

8. Eine Summier- und durch 2 teilende Schaltung 39 addiert die beiden den Umlaufhalbmesser darstellenden Gleichspannungssignale und dividiert dann die Summe durch 2,

" so daß ein Gleichspannungssignal erzeugt wird, das genau proportional ist dem mittleren Umlaufhalbmesser. Da die dynamischen Wellenbewegungen in den Ebenen der Sonden 31 und 32 sehr ähnliche Amplituden aufweisen, werden durch diesen Schritt die beiden der Einfachheit halber zu einem einzigen Signal zusammengefaßt.

9. Eine Summierschaltung ²JO addiert die Parameter der Exzentrizität (E) und des Umlaufhalbmessers (R ) und erzeugt das Endergebnis, d.h. ein der Gesamtbewegung (M_T)

ρ proportionales Signal.

10. Ein Grenzwertfühler mit veränderlichem Einstellpunkt ¹Il vergleicht die M™ darstellende, durch die Überwachung erhaltene Spannung mit einer einstellbaren Spannung, welche den vor Auslösung eines Warnsignals zulässigen Wert von M^, darstellt. Wenn M^₁ weniger als der Einstellwert ist, wird kein Ausgangesignal erzeugt. Wenn jedoch M_T den Einstellwert überschreitet, wird ein Ausgangssignal erzeugt, durch welches das Warnrelais in Tätigkeit gesetzt wird.

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11. Ein Warnrelais 42, das aus einer herkömmlichen Warnsteuervorrichtung bestehen kann, wie für Vibrationsüberwachungseinrichtungen verwendet werden, dient zur Erzeugung eines Warnsignals in einem geeigneten Zeitpunkt.

12. Eine Verzögerungsschaltung 43 gibt nach ihrer Betätigung eine Verzögerungszeit vor, wodurch eine Betätigung der Warnvorrichtung verhindert wird, wenn der vorgegebene Einstellpunkt kurzfristig überschritten wird, beispielsweise während des vorübergehenden Pumpenanlaufs. Die Zeitverzögerung wird durch ein äußeres Signal getriggert, das von der zum Anlaufen der Pumpe dienenden Einrichtung abgegeben wird. Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine bei Vibrationsüberwachungseinrichtungen übliche Funktion.

13· Ein Wählschalter mit Anzeigemeßgerät 44 ist wahlweise vorgesehen und ermöglicht während des Betriebs der Einrichtung die Ablesung der Parameterwerte (von Wellenexzentrizität, Umlaufhalbmesser und Gesamtbewegung). Das Gerät wird vorzugsweise wenigstens beim Einbau und Eichen der Sonden benutzt.

Das Warnrelais, die Verzögerungsschaltung und der Wählschalter mit Anzeigemeßgerät sind herkömmliche elektrische Schaltungselemente. Bei den Sonden 31, 32 kann es sich um Wirbelstromsonden oder Sonden anderer Ausführung handeln.

- Patentansprüche 209813/1748

Claims

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Patentansprüche

überwachungs- und Warneinrichtung zur überwachung der radialen Verlagerungsstellung einer umlaufenden Maschinenwelle innerhalb ihrer Lager, gekennzeichnet durch zwei zum Abfühlen der Lage der Welle (10) dienende Sonden (31, 32), die auf von dem Wellenlagermittelpunkt (14) ausgehenden verschiedenen Halbmessern in der Nähe der Welle angeordnet sind und jeweils zur Erzeugung eines allgemein die radiale Vektorkomponente (22x, 22y) der Wellenverlagerung von dem Lagermittelpunkt anzeigenden Ausgangssignals dienen, eine mit den Sonden gekoppelte, zum Verarbeiten der Sondenausgangssignale und zum Entwickeln aus diesen Signalen wenigstens eines die Stellung der Welle in bezug auf den Lagermittelpunkt anzeigenden Signals dienende Signalverarbeitungseinrichtung (30), und durch eine zur Verwertung dieses Signals dienende Vorrichtung (42).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sonden (31, 32) in einer angenähert quer zur Wellenachse (16) verlaufenden Ebene angeordnet sind und die SignalVerarbeitungseinrichtung (30) zum Trennen der von jeder Sonde abgegebenen Signale in ein die Vektorkomponente der Wellenexzentrizität (E) anzeigendes Signal dienende Signaltrennvorrichtungen (35, 35') und eine zum Addieren der Exzentrizitätsvektorkomponentensignale zu einem der Größe der Exzentrizität (E) darstellenden einzigen Signal dienende Vektorschaltung (36) aufweist.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sonden elektrische Ausgangssignale erzeugende Sonden vom Abstandstyp sind, die unter Belassung eines Abstandes in der Nähe der Welle angeordnet sind, und zum Entwickeln von wenigstens einer Sonde eines den radialen Umlaufweghalbmesser (R ) anzeigenden Signals dienende Sondenentwicklungsvorrichtungen (37, 38, 39) vorgesehen sind und die Signalverarbeitungseinrichtung eine zum Addieren des Exzentrizitätsgrößensignals (E) mit einem den radialen Umlaufhalbmesser (R ) anzeigenden Signal und zum Erzeugen eines die Gesamtbewegung (Mm) anzeigenden Signals dienende Vorrichtung (40) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverwertungsvorrichtung aus einer Vorrichtung (¹Il), der das Gesamtbewegungssignal (M-,) von der das Exzentrizitätssignal (E) und das Radialumlaufsignal (R_Q) addierenden Vorrichtung zuführbar ist und welche zum Vergleichen des Gesamtbewegungssignals (M_T) mit einem vorbestimmten Wert und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn das Gesamtbewegungssignal den vorbestimmten Wert überschreitet, dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine erste und eine zweite Sondentreiberstufe (33» 33') aufweist, die jeweils mit einer der beiden Sonden (31, 32) gekoppelt sind

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und dazu dienen, aus dem von den Sonden abgegebenen Signal ein Signal mit einer Gleichspannungskomponente zu erzeugen, welche die jeweilige Vektorkomponentengröße von E und eines R darstellenden, überlagerten Wechselspannungssignals darstellt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sonden vom Wirbelstromtyp und in bezug auf den Lagermittelpunkt (14) um einen Kreisbogen von 90° zueinander versetzt sind, die SignalVerarbeitungseinrichtung ein erstes und ein zweites Tiefpaßfilter (35» 35') aufweist, denen jeweils die Ausgangssignale der ersten bzw. der zweiten Treiberstufe zuführbar sind und die zum Durchlassen von im wesentlichen nur der Gleichstromkomponente der Signale dienen, und daß eine Vektorschaltung (36)» welcher die von dem ersten und dem zweiten Tiefpaßfilter durchgelassenen Signale zuführbar sind, zur Herleitung eines Exzentrizitätsgrößensignals dient.

'7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung wenigstens ein mit der ersten oder der zweiten Sondentreiberstufe (33» 33') gekoppeltes und zum Durchlassen im wesentlichen nur der Wechselspannungskomponente des Treiberstufenausgangssignals dienendes Hochpaßfilter (37) aufweist und daß mit dem Ausgang des Hochpaßfilters ein Spitzenwertdetektor (38) gekoppelt ist, der aus diesem ein den Umlaufhalbmesser- (R ) darstellendes Signal erzeugt.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverwertungsvorrichtung wenigstens ein Meßgerät (44) aufweist, mit dem wenigstens eines der E, R oder M_T darstellenden Signale anzeigbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Herleiten eines Signals dienende Vorrichtung aus einer Summierschaltung (40) besteht, die Signalverwertungsvorrichtung eine mit der Signaladdiervorrichtung gekoppelte, zum Erzeugen eines Warnsignals dienende Vorrichtung (42) aufweist und daß mit der zum Erzeugen des . Warnsignals dienenden Vorrichtung (42) eine Verzögerungsschaltung (43) gekoppelt ist, die dazu dient, die Erzeugung eines Warnsignals für eine vorbestimmte Zeitspanne nach überschreiten eines vorgewählten Werts durch das Gesamtbewegungssignal (M-) zu verzögern und die Erzeugung des Warnsignals zu Ende dieser Zeitspanne nur dann zu gestatten, wenn das Gesamtbewegungssignal immer noch den vorgewählten Wert überschreitet, und die Erzeugung des Warnsignals bei Störungen oder Einschwingvorgängen zu unterbinden.

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