DE2214859A1

DE2214859A1 - Verfahren zur ermittlung der drehzahl von rotierenden koerpern

Info

Publication number: DE2214859A1
Application number: DE2214859A
Authority: DE
Inventors: Gunder Dipl Ing Essig; Andreas Dr Ing Gerve; Bernhard Dipl Ing Herkert
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1972-03-27
Filing date: 1972-03-27
Publication date: 1973-10-11
Also published as: DE2214859B2; GB1417739A; FR2178060A1; US3835326A; FR2178060B1; DE2214859C3; IT996564B

Description

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 13. März 1972

KERNFORSCHUNG MBH PLA 72/16 Ga/sz

Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl von rotierenden Körpern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl von rotierenden Körpern, z.B. Rollen oder Kugeln, die in einem Lager gehaltert sind sowie eine Vorrichtung zur Durchführung 'des Verfahrens und eine Schaltungsanordnung zur Verarbeitung von Impulsen.

Es ist bekannt (G.R. Higginson, Proc. Instn. Mech. Engrs. 1967-68, VoI 182 Pt 3 G, S. 62-63) die Winkelgeschwindigkeit von Rollen in Rollenlagern zu messen. Dazu werden stroboskopische oder magnetische Methoden verwendet.

Diese Verfahren weisen den Nachteil auf, daß Eingriffe an einer Rolle vorgenommen werden müssen, die Meßeinrichtung Kräfte auf das Lager ausübt, die das Laufverhalten der Lager beeinträchtigen können, kleine Drehzahlen bis zur Drehzahl O nicht gemessen werden können und Verschleißmessungen gestört werden, da sich Abriebteilchen an der magnetischen Meßeinrichtung anlagern.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein geeignetes Verfahren sowie eine geeignete Vorrichtung bzw. Schaltungsanordnung bereitzustellen ,· mit dem bzw. denen die Kinematik von Schnellauf enden und leicht belasteten Wälzlagern von Null bis mindestens zu η χ d = 5 χ 10⁶ mmmiir^n = Drehzahl, d = Durchmesser des Teiles) zu messen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Körper an einer Stirnfläche nahezu punktförmig aktiviert werden, daß vor den Körpern eine Abschirmung mit einem Spalt angebracht wird, die die Körper zumindest stückweise abdeckt, daß ein hinter der Abschirmung, aber vor dem Spalt angeordneter Detektor die von der Aktivierungsstelle ausgehende Strahlung als Impulse oder als Strom- oder Spannungssignal registriert und daß die Zeit zwischen dem Anfang oder dem Ende einer ersten Folge von Impulsen oder des Strom- oder Spannungssignals und dem Anfang oder dem Ende einer oder eines weiteren, der oder dem ersten nachfolgenden Folge von Impulsen oder Strom- oder Spannungssignals gemessen wird, wobei die gemessene Zeit der ganzen oder einem Bruchteil der Umlaufszeit der Aktivierungsstelle entspricht. Dabei kann bei Verwendung von niederenergetischer Strahlung, ausgehend von der Aktivierungsstelle, die Abschirmung von einem Lagerring selbst gebildet werden. Vorzugsweise werden die Körper nahe der Lauffläche aktiviert.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Lager mit dem Körper mit Aktivierungsstelle eine konzentrische Abschirmung, z.B. aus Blei, angeordnet ist, die aus einer Scheibe und einem äußeren Ring besteht, die einen Ringspalt bilden. In einer wei teren Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Abschirmung lediglich aus einem äußeren Ring bestehen.

Eine geeignete Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Folgen verschiedener Impulsdichten nach dem;~erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, daß ein Verstärker die im Detektor gebildeten Impulse verstärkt, daß ein Filter mit variabler Grenzfrequenz eine lineare Überlagerung der Einschwingvorgänge der Impulse erzeugt und daß ein dem Filter nachgeschalteter Trigger aus dem Filter abgegebenen

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Überlagerungssignal-Triggerimpulse erzeugt, die von einem Zähler registrierbar sind und aus deren Frequenz die zur Bestimmung der Umlaufzeit benötigte Zeit ermittelbar ist. Eine mögliche Ausführungsform dieser Schaltungsanordnung kann vorsehen, daß zwischen dem Detektor und dem Filter ein Diskriminator zwischengeschaltet ist. Weiterhin kann zwischen den Ausgang des Filters und den Trigger ein Oszillograph angeschlossen werden bzw. dem Trigger ein Zähler und diesem wiederum ein Drucker nachgeschaltet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Untersuchungen über das Bewegungsverhalten schneilaufender Wälzlager, wobei Laufbedingungen möglich sind die einen vorzeitigen Ausfall der Lager aufgrund hohen Verschleißes bedingen. Die Verschleißmessungen und insbesondere auch die Drehzahlmessungen der Lagerteile werden mit Hilfe von Radioisotopen durchgeführt. Eine Möglichkeit ist die Aktivierung mit Neutronen in einem Kernreaktor. Die zu aktivierenden Maschinenteile werden in den Neutronenfluß eines Kernreaktors eingebracht und dort durchgehend aktiviert. Eine Beschränlcung für Reaktorbestrahlungen ist die Form der zu aktivierenden Maschinenteile - die Teile (Körper) müssen in den Bestrahlungskanal passen - sowie deren Gewicht, da die Gesamtaktivi.tät nur so groß sein darf, daß die Strahlenschutzbestimmungen bei Montagearbeiten eingehalten werden können.

Eine weitere Möglichkeit ist die Aktivierung mit Deuteronen am Zyklotron. Der Deuteronenstrahl wird auf das zu aktivierende Teil gerichtet. Beim Eintritt in das Material werden die Deuteronen stark abgebremst, so daß je nach Anfangsenergie Oberflächenschichten von hundertstel bis wenige Millimeter Tiefe aktiv werden. Der

Strahlenquerschnitt beträgt ca. 20 mm . Zur Aktivierung größerer Flächen muß das Maschinenteil in geeigneter Weise vor dem Strahl bewegt v/erden. Mit dieser Methode können also auch räumlich ausgedehnte Werkstücke an definierten Stellen aktiviert werden, wodurch die Anwendung von Isotopenmothoden wesentlich erweitert v/ird.

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Es ist aber auch denkbar, die Teile, deren Drehzahl gemessen werden soll, mit einemet- und/oder β -Strahlenpräparat zu versehen, wobei lediglich auf die Art der Abschirmung (Blei-Kollimatoren können z.B. entfallen) und des Nachweises geachtet werden muß.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des Beispieles der Rollen-Dreh zahlmes sung erklärt, wobei jedoch die Möglichkeiten der Kugeldrehzahl- und der Lagerbewegungsmessung bzw. des Schlupfes der Teile (Körper) nicht ausgeschlossen werden soll. Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Rollenlagers. In einem Gehäuse 1 ist eine Welle 2 über das Rollenlager 3 (mit oder ohne Käfig) gelagert. Die Welle 2 wird von einem nicht näher dargestellten Motor angetrieben. Auf die Welle 2 ist ein Innenring 4 des Rollenlagers 3 aufgeschrumpft, während der Außenring 5 in der Gehäusewandung 6 gehaltert ist. Das Rollenlager 3 besteht aus einzelnen Rollen, deren Laufflächen 7 auf dem Innen- und Außenring 4 und 5 ablaufen. Der Außenring 5 weist eine Vertiefung 8 auf, in der die Rollen des Rollenlagers 3 gehaltert sind.

Die Drehzahl der Rollen des Rollenlagers 3 soll gemessen werden. Dazu ist mindestens eine Rolle 17 an ihrer Stirnfläche 9 in der Nähe ihrer Lauffläche 7 mit einer Aktivierungsstelle IO zu versehen, die radioaktive Strahlung {oi -,β -,jt-,η -Strahlung) aussendet. Vor dem Rollenlager 3 ist ein Blei-KoIlimator angeordnet, der aus einem äußeren Ring 11 und einer inneren Scheibe 12 besteht. Der Innendurchmesser des Außenringes 11 und der Außendurchmesser der inneren Scheibe 12 sind derart bemessen, daß zwischen ihnen ein Ringspalt 13 frei bleibt. Dieser Ringspalt 13 kann mit Plexiglas oder einem anderen für radioaktive Strahlung durchlässigen Material ausgefüllt sein. Das Plexiglas bzw. durchlässige Material haltert die innere Scheibe 12 gegenüber dem Außenring 11. Der Innendurchmesser des Außenringes 11 ist weiterhin derart zu bemessen, daß die Aktivierungsstelle 10 auf der Stirnfläche 9 einer Rolle 17 zumindest zeitweise bei ihrer Drehbewegung, in Achsrichtung der Welle 2 gesehen, hinter dem Außenring 11 verschwindet. Der Außendurchmesser der inneren Scheibe 12 ist weiterhin derart zu bemessen, daß die Aktivierungsstelle 10 auch zumindest zeit-

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weise in den Bereich des Ringspaltes 13 gelangt und somit Strahlung, die von dieser Aktivierungsstelle 10 ausgeht, zu einem hinter dem Ringspalt 13, aber vor dem Rollenlager 3 angeordneten Detektor 15 gelangen kann. Dieser Detektor 15 kann aus einem Natriumjodid-Szintillationskristall mit angeschlossenem Photomultiplier bestehen, wenn die von der Aktivierungsstelle 10 ausgehende Strahlung z.B. Gammastrahlung ist.

Besteht die Aktivierungsstelle 10 aus einemoi- oder β - Präparat, welches auf die Stirnfläche 9 der Rolle 17 aufgebracht ist, so kann der Blei-Kollimator, aus Außenring 11 und Innenscheibe 12, entfallen und der Detektor 15 direkt vor das Rollenlager 3 angeordnet werden. Da dieot- und/? - Strahlung ein geringes Durchdringungsvermögen aufweist, genügt bereits schon die Wandung des Außenringes 5 des Rollenlagers 3 im Bereich der Vertiefung 8, um die von der Aktivierungsstelle 10 ausgehende Strahlung, zumindest zeitweise, vollständig abzuschirmen.

Bei geeigneter Anbringung der Aktivierungsstelle 10 und bei geeigneter Wahl des Innendurchmessers des Außenringes 11 kann sogar auf die innere Scheibe 12 des Blei-Kollimators verzichtet werden.

In Figur 2 ist das Prinzip der Drehzahlmessung mittels der Vorrichtung nach Figur 1 dargestellt; allerdings ist der Blei-Kollimator der Einfachheit halber zu einem ebenen Blei-Kollimator 16 ausgebildet. Es ist hinter dem Blei-Kollimator 16 eine Rolle 17 des Rollenlagers 3 nach Figur 1 in verschiedenen Drehstellungen dargestellt, wobei die Aktivierungsstelle 10 einmal frei sichtbar ist und ein anderes Mal hinter dem Blei-Kollimator 16 verschwindet. Im vorliegenden Falle ist die Rolle 17 derart hinter dem Blei-Kollimator 16 angeordnet, daß die Hälfte der Rolle 17 bzw. der Stirnfläche 9 der Rolle von diesem abgedeckt wird. Somit ist die Aktivierungsstelle 10 während der Hälfte der Umdrehungszeit der Rolle 17 frei sichtbar und die von der Aktivierungsstella 10 ausgehende Strahlung kann in dem Detektor 15 nach Figur 1 auffangen werden. Unter dem Blei-Kollimator 16 ist ein Diagramm aufgezeichnet, bei dem Impulse I über der Zeit t aufgetragen sind. Während der Zeit, in der die Aktivierungsstelle

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von dem Blei-KoIlimator 16 nicht verdeckt ist, gelangen zu dem Detektor 15 viele Einzelimpulse 18, die zu einer Impulsfolge zusammengeschlossen sind. Verschwindet die Aktivierungsstelle 10. hinter dem Blei-Kollimator 16, so wird die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit geringer und eine neue Impulsfolge 19 beginnt erst wieder, wenn die Aktivierungsstelle 10 wiederum hinter dem Kollimator 16 auftaucht. Es wird wiederum während der halben Umdrehungszeit eine neue Impulsfolge 19 gebildet. Diese Impulsfolgen 18 und 19 bzw. weitere, nicht dargestellte Impulsfolgen werden in einer noch zu erwähnenden Schaltungsanordnung verarbeitet, die an ihrem Ausgang einen Impuls abgibt, der unter der Zeitachse t abgebildet ist. Dieser Impuls 20 hat die Form eines Rechteckimpulses und seine Frequenz entspricht der Umlaufzeit der Aktivierungsstelle 10. Aus dieser Umlaufzeit kann die Drehzahl der Rolle 17 bzw. des Rollenlagers 3 berechnet werden. Der Impuls 20 ist dabei derart geformt, daß seine aufsteigende Flanke mit dem Ende der Impulsfolge

18 beginnt und seine abfallende Flanke mit Beginn der Impulsfolge

19 entsteht. Es ist aber auch durchaus möglich, die Zeit vom Anfang der Impulsfolge 18 (oder eines Strom- oder Spannungssignals) zum Anfang der Impulsfolge 19 oder vom Ende der· impulsfolge 18 und der Impulsfolge 19 zu ermitteln und daraus die Drehzahl zu berechnen.

Die Impulse, welche von der Aktivierungsstelle 10 ausgehen und teilweise von dem Kollimator 11 (Außenring nach Fig. 1) absorbiert werden, werden in der in Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung verarbeitet. Der Detektor 15 nimmt die Impulsfolge 18 und 19 auf. Die Einzelimpulse haben verschiedene Höhen und sind statistisch verteilt. Sie werden anschließend im Verstärker 21 verstärkt und daraus Impulse gleicher Höhe, aber statistisch verteilt, im Diskriminator 22 erzeugt.(Auf den Diskriminator 22 kann evtl. verzichtet werden). Am Ausgang des Diskriminators 22 ist ein Filter 23 angeschlossen, welches eine variable Grenzfrequenz aufweist. Dieses Filter 23 bildet aus den vom Diskriminator ausgesonderten Impulsfolgen Einschwingvorgänge, die linear superponiert werden. Diese Überlagerung bzw. dieses Überlagerungssignal weist eine Störmodulation auf, welche durch die statistische Verteilung der Einzelimpulse aus dem Diskriminator 22 herrührt. Die Dichte der

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Impulse, die auf das Filter 23 gegeben werden, drückt sich später in der Höhe des Ausgangssignals bzw. Überlagerungssignal des Filters 23 aus. Das Filter 23 arbeitet schneller als ein Ratemeter und spricht auf eine Änderung der Dichte von Impulsen an.

Am Ausgang des Filters 23 ist ein Oszillograph 24 angeschlossen, auf dessen Bildschirm das Überlagerungssignal 25 beobachtet werden kann. Weiterhin ist dem Filter 23 direkt ein Trigger 26 nachgeschaltet, an dessen Ausgang Rechteckimpulse erzeugt werden, die mit den Impulsen 20 nach Figur 2 identisch sind. Diese Impulse 20 können in einem Zähler 27 gezählt und in einem Drucker 28 ausgedruckt werden.

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Claims

GESELLSCHAFT FÜR Karlruhe, den 13. März 1972 KERNFORSCHUNG MBH PLA 72/16 Ga/sz Patentansprüche; 221h859

1.)Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl von rotierenden Körpern, z.B. Rollen oder Kugeln, die in einem Lager gehaltert sind, da durch gekennzeichnet, daß die Körper (17) an einer Stirnfläche (9) nahezu punktförmig aktiviert werden, daß vor den Körpern (17) eine Abschirmung (11, 12 oder 11 oder 5) mit einem Spalt (13) angebracht wird, die die Körper (17) zumindest stückweise abdeckt, daß ein hinter der Abschirmung (11, 12 oder 11 oder 5), aber vor dem Spalt (13) angeordneter Detektor (15) die von der Aktivierungsstelle (10) ausgehende Strahlung als Impulse (18, 19) oder Strom- oder Spannungssignale registriert, und daß die Zeit zwischen dem Anfang oder dem Ende einer ersten Folge (18) von Impulsen oder des Strom- oder Spannungssignals und dem Anfang oder dem Ende einer oder eines weiteren, der oder dem ersten nachfolgenden Folge (19) von Impulsen oder Strom- oder Spannungssignals gemessen wird, wobei die gemessene Zeit der ganzen oder einem Bruchteil der Umlaufzeit der Aktivierungsstelle (lO) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (17) nahe der Lauffläche (7) aktiviert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung niederenergetischer Strahlung, ausgehend von der Aktivierungsstelle (10) , die Abschirmung (5) vom Lager der rotierenden Körper (17) gebildet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Lager mit dem Körper (17) mit Aktivierungsstelle (10) eine konzentrische Abschirmung, z.B. aus Blei, angeordnet ist, die aus einer Scheibe (12) und einem äußeren Ring (11) besteht, die einen Ringspalt (13) bilden.

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5. Vorrichtung zur Durchführung des •er/^/-f"⁵ ^«c/^nS pruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung lediglich aus einem äuß"eren Ring (11) besteht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (15) für starke Strahlung, z.B. Gammastrahlung, ein Natriumjodid-SzintilIationskristall mit einem Photomultiplier ist.

7. Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Impulse der Folgen nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (21) die im Detektor (15) gebildeten Impulsfolgen (18, 19) verstärkt, daß ein Filter (23) mit variabler Grenzfrequenz ein lineares Überlagerungssignal (25) der Impulse (18, 19) erzeugt und daß ein dem Filter (23) nachgeschalteter Trigger (26) aus dem vom Filter (23) abgegebenen Signal (25) Impulse (20) erzeugt, die von einem Zähler (27) registrierbar sind und aus deren Frequenz die zur Bestimmung der Umlaufszeit benötigte Zeit ermittelbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Detektor (15) und dem Filter (23) ein Diskriminator (22) zwischengeschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Filters (23) vor dem Trigger (26) ein Oszillograph (24) anschließbar ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Trigger (26) ein Zähler (27) und diesem ein Drucker (28) nachschaltbar ist.

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