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Verfahren und Anordnung zum tberachen von Drehschwingungen bei Getrieben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zum überwachen von Drehschwingungen
bei Getrieben.
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Es ist bekannt, bei Zahnradgetrieben die Beanspruchung der Zähne durch
Messung der Zahnfußspannung zu bestimmen, Hierzu werden einige Zähne an bestimmten
Stellen mit Dehnungsmess-Streifen beklebt. Immer dann, wenn die betreffende Stelle
eines ausgewählten Keßzahns durch den Zahneingriff lauft, ergibt sich ein Spannungssignal.
Man erhält so eine zeitlich zwar lückenhafte, aber doch repräsentative Information
über den Belastungszustand des Getriebes. Insbesondere kann man, wenn man an verschiedenen
Stellen entlang der Zahnbreite mit, eine zuverlässige Aussage
titer
die Gleichförmigkeit der Lastverteilung über die Zahnbreite gewinnen. In einem elektronischen
Überwachungsgerät kann die Zahnfußspannung darauf überprüft werden, dass sie einen
bestimmten Grenzwert nicht iiberschreitet.
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DarberIiinsus ergibt sich bei Antrieben mit Diselmotoren, insbesondere
bei Schiffsantrieben mit Dieselmotoren und nachfolgenden Untersetzungsgetrieben,
auch noch die Xu.f,mabe, Drehschwingungen in zulässigen Grenzen zu halten. Dabei
ist von besonderer Bedeutung, dass das plötzliche Auftreten sehr hoher Drehschwingungen
bei Ausfall eines Zylinders rechtzeitig erannt wird. Für eine solche Drehschwingungsüberwachung
sind jedoch die bekannten Messmethoden mit Dehnungsmess-Streifen im Bereich des
Zahnfußes schlecht geeignet, da sie den Gesamtbeanspruchungszustand nur zeitlich
lückenhaft wiedergeben, nämlich nur dann, einen die mit Dehnungsmess-Streifen versehenen
Zähne in Eingriff kommen. Es ist zwar möglich, die nacheinander über einen langeren
Zeitraum aufgezeichneten Zahnfuspannungsimpulse auf Maxim.al-und Minimalwerte zu
überprüfen und nach deren Differenz den Dxeh-Schwingungsanteil zu ermitteln. Ein
solches Verfahren ist jedoch verhältnismässig umständlich und nicht ohne weiteres
einer Automatisierung durch ein elektronisches Überwachungsgerät zugänglich.
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Man hat deshalb zur Überwachung von Drehschwingungen besondere Messeinrichtungen
wie Drehmomentmesswellen zwischen jedem Motor und dem Untersetzungsgetriebe vorgesehen.
Die hiervon ausgehenden drehmomentproportionalen elektrischen Signale können in
bekannter
bei Weise auf Schwingungsanteile überprüft werden, odass
sie über schreiten eines -bestimmten Grenzwertes einen Alarm oder dergleichenauslösen.
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Es ist jedoch nachteilig, eigens zum Zwecke der Drehschwingungsüberwachung
besondere Messgeber vorsehen zu müssen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Messanordnung zu entwickeln, mit deren Hilfe es möglich wird,
lediglich unter Zuhilfenahme der bekannten Mittel zur Messung der Zahnfußspannung
unter Verzicht auf besondere Drehmomentmessgeber die Überwachung von Drehschwingungen
durchzuführen und insbesondere das Auftreten unerwünscht hoher Drehschwingungen
rechtzeitig anzuzeigen.
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Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass bei
einem Getrieberad in an sich bekannter leise eine die Zahnfuß spannn anzeigende
Impulsreihe erzeugt wird, dass während einer Messneriode der jeweils grösste und
jeweils kleinste, von Null verschiedene Impuls der Impulsreihe gespeichert und miteinander
verglichen werden, und dass bei Überschreiten eines vorbestimmten Wertes ihrer Differenz
ein Signal erzeugt wird. Durch diese Massnahmen, insbesondere durch die Speicherung
der Impulswerte erreicht man trotz zeitlich lückenhafter Meßsignale eine kontinuierlich
messbare Grösse für die auftretenden Drehschwingunzen.
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Um einen Alarm bei Differenzwerten zu vermeiden, die nicht von Drehschwingungen
herrühren, sondern durch Laständerungen
(z.B. beim Anfahren) hervorgerufen
werden, sieht die Erfindung vor, dass est nach mehreren, aufeinanderfolgenden Messperioden,
in denen ein Signal auftritt, und deren Anzahl vorwählbar ist, ein Alarm ausgelöst
wird.
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Eine Anordnung zur Durchführung des neuen Verfahrens weist erfindungsgemäss
einen den jeweiligen Maximalwert der Impulsreihe während einer Messperiode festhaltenden
Maximalwertspeicher und einen den jeweiligen Minimalwert der Impulsreihe festhaltenden
Minimalwertspeicher auf, deren Eingänge parallel von der Impulsreihe beaufschlagt
werden, und deren den Speicherwert liefernde Ausgänge auf eine Subtrahierschaltung
arbeiten, an deren Ausgang ein auf den Signalwert eingestellter Schtwellwertschalter
liegt, der also das vorerwähnte Signal liefert, wobei eine den Messvorgang beim
Auftreten eines von der Zahnfußspannung herrührenden Impulses auslösende Einrichtung
vorgesehen, und dem Minimalwertspeicher ein Maximalwertspeicher vorgeschaltet ist,
der nach jeder Speicherung des Maximalwertes eines Impulses kurzzeitig zur Messwertzuführung
an den Minimalwertspeicher anschaltbar ist und danach auf Null zurückgesetzt wird.
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Hierdurch wird erreicht, dass nur während der Impulsdauer eine Minimalwertermittlung
vorgenommen,und dem Minimalwertspeicher nicht der Wert Null sondern tatsächlich
nur der kleinste von Null verschiedene Impulswert zugeführt wird. Ferner werden
durch den vorgeschalteten Maximalwertspeicher etwaige, den eigentlichen Impuls
beyleitende
kleinere Nebenimpulse unschädlich gemacht, da, bevor zur Minimalwertmessung dem
Minimalwertspeicher ein Meßwert zugefuhrt wird, erst der Maximalwert des zu prüfenden
Impulses ermittelt wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann die den Meßvorgang auslösende Einrichtung
durch einen weiteren, im Eingang der Anordnung vorgesehenen Schwellwertschalter
oder dgl. gebildet sein, durch den erst bei einem vorgewähiten Schwellwert der Meßvorgang
auslösbar ist. Die Erfindung betet auch die Möglichkeit, daß die den Meßvorgang
auslösende Einrichtung gebildet ist durch eine mit dem Meßobjekt, also dem Zahnrad,
drehfest rotierende Scheibe, die an ihrem Umfang Markierungen, z. 8. Vertiefungen
oder Vorsprünge,aufweist, deren räumliche Lage am Umfang dem Umfangsbereich eines
Meßortes der Zahnfußspannung entspricht, und durch die ein am Scheibenumfang an
der der Stelle des Zahneingriffs entsprechenden Stelleçortsfest angeordneten Schalter
ein- und ausschaltbar ist. Der Schalter kann also an jeder geeigneten Stelle längs
des Scheibenumfangs angeordnet sein, wenn auch die Scheibe in tJmfangsrichtung entsprechend
verdreht angeordnet ist. Durch ihn werden Anfang und Ende der Impulsdauer und damit
die Meßdauer festgelegt.
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Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, daß ein Zeitglied,
z. 8.
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eine monostabile Kippschaltung, vorgesehen ist, das, durch den Schwellwertschalter
angestoßen, die Dauer der Impulsmessung bestimmt, indem beispielsweise
seine
Kippschwingungszelt noch etwas grösser gewählt ist als die grösstmögliche Impulsdauer
und erst nach Rblauf des Kippvorganges die weiteren Messvorgänge in der Anordnung,
insbesondere die Anschaltung des Minimalwertspeichers an seinen vorgeschalteten
Maximalwertspeicher, ausgelöst werden.
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Um kurze Störimpulse auszuschalten, sieht die Erfindung vor, dass
dem Schwellwertschalter ein Verzögerungsglied nachge schaltet ist, durch das der
Beginn der Messwertzuführung verzögerbar ist. Im Rahmen von Weiterbildungen ist
bei der erfindungsgemässen Anordnung eine Zeitstufe vorgesehen, durch die zeitlich
nach dem Impulsmaximalwert, vorzugsweise nach Ablauf der Impulsdauer, der Eingang
des Minimalwert speichers über einen Schalter vorübergehend an den Ausgang des Maximalwert
speichers und alsdann wieder an eine über dem Wert des grösstmöglichen Impulses
liegende Spannung anschaltbar ist. Durch eine solche Zeitstufe, durch die die kurzzeitige
Anschaltung des Minimalwertspeichers erst nach Ablauf der Impulsdauer bewirkt werden
kann, werden mit Sicherheit dem Hal7ptimpuls vorausgehende kleine Nebenimpulse von
dem Minimalwertspeicher ferngehaten. Erreicht werden kann es beispielsweise dadurch,
dass die Zeitstufe dem vorerwähnten Zeitglied nachgescha)tet wird, d.h erst nach
Ablauf von dessen Kippzeit gestartet wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Zeitstufe, die die kurzzeitige Anschaltung
des Maximalwertspeichers an den Minimalwertspeicher auslöst nach Ablauf ihrer Schaltzeit
ein Signal zur Rücksetzung des Maximalwert speichers auf den Wert Null auslösen.
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Um auch variable Drehzahlen zu berückschtigen, sieht die Erfindung
vor, dass die Zeit bzw. die 7,eitkonstante des Zeitglieds abhängig von der Drehzahl
steuerbar ist, sodass mit. zunehmender Drehzahl die Zeit kürzer wird.-Eine andere
Möglichkeit zur Erfassung von Drehzahländerungen wird bei der erfindungsgemässen
Anordnung auch dadurch erreicht, dass der Schwellwertschalter am Eingang zur Erzeugung
eines vom Überschreiten einer Einschaltschwelle des Impulswertes bis zum Unterschreiten
einer Ausschaltschwelle dauernden Signals ausgebildet ist, dessen Dauer die Messdauer
des Impulses und dessen Ende die kurzzeitige Messwertzllführung in den Minimalwertspeicher
und die anschliessende Rücksetzung des diesem vorgeschalteten Naximalwertspeichers
auslöst, wobei Anfang und Ende des Signals durch ein dem Schwellwertschalter nachgeschaltetes
Verzögerungsglied verzögert sind. In Weiterbildung dieser Schaltungsmassnahmen ist
ausserdem noch vorgesehen, dass die Zeit bzw.
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Zeitkonstante der Zeitstufe in Abhängigkeit von der.Impulsdauer steuerbar
ist, also bei längeren Impulsen länger wird und umgekehrt.
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Zur Brzeuzutg eines Alarms beim Auftreten unzulässig hoher Drehschwingungen
ist bei der erfindungsgemässen Anordnung noch dem Schwellwertschalter am Ausgang
eine Zähleinrichtung nachgeschaltet, durch die nach einer vorbestimmten Anzahl von
unmittelbar aufeinanderfolgenden, die Überschreitung der Impulsdifferenz anzeigenden
Signalen am Ausgang des Schwellwertschalters ein Alarm ausgelöst wird.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch
dargestellt. Es zeigen; Fig. 1: eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Differenz
zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert einer von den Zahnfußspannungen herrührenden
Impulsreihe, Fig. 2t den zeitlichen Signalverlauf an verschiedenen Stellen der Schaltungsanordnung
gemäss Figr 1, Fig. 3: eine Variante zur Anordnung gemäss Fig. 1 und Fig. 4: den
zeitlichen Signalverlauf an verschiedenen Stellen der Schaltungsanordnung gemäss
Fig. 3, Fig. 5: eine Messanordnung für von einem Zahneingriff verursachte Spannungsimpulse
Fig.
6: eine der Fig. 5 entsprechende Schaltungsanordnung, Fig. 7: den zeitlichen Signalverlauf
an verschiedenen Stellen der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 6.
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Bei der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 und 3 sind die einzelnen
Teile durch ansich bekannte Schaltungssymbole dargestellt. Sie können im Rahmen
der Erfindung durch ansich bekannte elektronische, pneumatische oder mechanische
Bauelemente realisiert werden. Im folgenden wird die Anordnung unter Zugrundelegung
elektronischer Bauelemente beschrieben.
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Um die Differenz von maximalem und minimalem Spannungsimpuls während
einer Messperiode, welche von einem monostabilem Multivibrator 13 bestimmt wird,
zu ermitteln, muss der Minimalwert und der Maximalwert der Spannungsimpulse während
dieser Messperiode ermittelt und gespeichert wcrden.
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Die Speicherung des Maximalwertes der Spannungsimpulsfolgen (Fig.
2 und 4) erfolgt elektronisch einfach dadurch, dass der während einer Messperiöde
auftretende maximale Spannungswert in dem Maximalwertspeicher 4 (Fig. 1 und 3) gespeichert
wird, Bei der Ermittlung des minimalen Spannungsimpulses sind jedoch folgende Schwierigkeiten
zu beachten:
1.) Als Minimalwert der Spannungsimpulsfolgen darf
nicht der Wert Null, sondern der kleinste Impuls ermittelt werden.
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2.) Ergeben sich bei einem Spannungsimpuls kurzzeitige Einbrüche,
oder folgt dem Hauptimpuls noch ein Nebenimpuls nach (Fig. 2 und 4, b, d, e, £),
so soll bei einem durch einen Zahneingriff verursachten Impulsgebilde der Maximalwert
dieses Impulses zur Betrachtung herangezogen werden.
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Als Minimalwert der Impuls folgen soll also das Maximum des kleinsten
von einem Zahnsingriff verursachten Spannungsimpulses erkannt werden.
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Bei manueller Auswertung würden die mit einem Kreis markierten Punkte
(Fig. 2 und 4 Eingang) zur Beurteilung herangezogen. Als Maximalwert ergibt sich
hier das l'laxiaum von Impuls f, und als Minimalwert das Maximum von Impuls e.
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Der Maximalwert des kleinsten Impulses kann dadurch gebildet werden,
dass bei einem bestimmten einstellbaren Spannungspegel SE (Fig. 2 und 4 Eingang)
der durch den Schwellwertschalter 9 (Fig. 1 und 2) gebildet wird, ein Zeitglied
11 gestartet wird, dessen Zeitdauer t9 länger ist als die Dauer des längsten Spannungsimpulses
t6 des Eingangssignals. Während der Zeit t9 wird der Maximalwert des Spannungsimpulses
mit einem Maximalwertspeicher 5 gespeichert.
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Nach dem Ablauf von t9 wird der gespeicherte Maximalwert wirend der
von dem monostabilen Multivibrator 12 gebildeten Zeit t10 über den elektronischen
Schalter 7 auf den Minimalwertspeicher 8 gegeben, an dessen Eingang während der
übrigen Zeit der Wert B liegt, der grösser sein muss als der grösste Impuls sein
kann. Nach dem Ablauf von tlo wird der monostabile Multivibrator 6 gestartet, der
den Speicher 5 zuracksetzt.
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Während der Messzeit t2 wird im Speicher 8 der Maximalwert Amin des
kleinsten Spannungsimpulses und im Speicher 4 der Wert Amax des grössten Spannungsimpulses
gespeichert. Mit dem Subtrahierer 15 wird die Differenz von Amax - Amin gebildet
und durch den Schwellwertschalter 17 mit einem vorgegebenen wählbaren Grenzwert
verglichen. Ist die Differenz von Amax - Amin grösser als der vorgegebene Wert,
so verändert der Schwellwertschalter 17 seine Ausgangslage. Am Ende der Messzeit
t2 werden während der durch den Multivibrator 14 gebildeten Zeit t3 die Speicher
auf ihren Ausgangswert zurückgesetzt. Um bei der Rücksetzung eindeutige Verhältnisse
zu bekommen, wird während der Rücksetzzeit der Eingang über den elektronischen Schalter
1 und der Schwellwertschalter 17 über den elektronischen Schalter 16 abgeschaltet.
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Um Störimpulse (Fig. 2 und 4 g) , - die sich durch eine kurze Zeitdauer
von den durch Zahneingriff erzeugten Impulsen unterscheiden
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zu unterdrücken, ist dem Schwellwertschalter ein Verzögerungsglied lo nachgeschaltet,
welches das Signal des Schwellwertschalters, der das Eingangssignal über den elektronischen
Schalter 2 auf die Speicher schaltet, erst um die Zeitdauer t8 verzögert weiterleitet.
Ist die Dauer des Störimpulses kürzer als t8, so wird dieser hierdurch unterdrückt.
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Für die Zeit t9 + t10 gilt, dass diese kürzer sein mu.ss als die Zeit
t4 der zwei am nächsten zusammenliegenden Impulse bei maximaler Drehzahl. Dies bedeutet
andererseits, dass eine Messung bei verringerter Drehzahl nur soweit möglich ist,
bis die dadurch sich verlängernde Zeitdauer t6 des längsten Impulses noch kleiner
ist als die Zeit t9 + t10. Mit einer Hesseinrichtung mit konstanter Zeitdauer t9
+ tlo kann eine Anlage also nicht über den gesamten Drehzahlbereich von n = 0 bis
zur Nenndrehzahl überwacht werden. Um dies zu erreichen, muss die Zeit t9 + tlo
entweder von der Drehzahl so gesteuert werden, dass bei zunehmender Drehzahl die
Zeit tg + tlo kürzer wird, oder die Zeit muss durch die nachfolgend beschriebene
Methode der Zeitdauer der Zahneingriffsimpulse angepasst werden: Das Eingangssignal
(Fig. 4) wirkt auf den Schwellwertschalter 9 (Fig. 3), der nach Überschreiten der
Schwelle SE sein Ausganssignal ändert und so lange beibehält bis das Eingangssignal
die
AusschaltscAwelle 5A unterschreitet (Fig. 4).
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Bei Impulsen, die nach dem Überschreiten der Schwelle 5E die Schwelle
SA erst wieder nach Beendigung des Zahneingriffs unterschreiten (Fig. 4, Impuls
a/c/h), würde völlig richtig der Hauptimpuls im Max.-Speicher 5 gespeichert.
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Bei Impulsen die aber noch mehrmals den Wert 5A unterschreiten, würden
die Nebenimpulse als eigenständige Impulse behandelt und somit der kleinste Nebenimpuls
als Minimalwert im Speicher 8 gespeichert werden. Um dies zu verhindern, wird das
dem Schwellwertschalter nachgeschaltete Einschaltverzögerungsglied lo (Fig. 1) zusätzlich
mit einer Ausschaltverzögerung (Fig. 3) mit der Zeit t11 (Fig. 4) versehan. Diese
Ausschaltverzögerung macht Spannungseinbrüche, z.B. mit der Dauer t5, die kürzer
als t sind unwirksam.
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Dem Hauptimpuls nachfolgende Nebenimpulse werden während der Übernahmezeit
t dadurch unwirksam, dass der Maximalwert des Hauptimpulses bis zum Ablauf von tlo
im Maximalwertspeicher 5 gespeichert bleibt und erst danach durch den monostabilen
Multivibrator 6 zurückgesetzt wird. Zusatzlich wird während der Übernahmezeit tlo
das Eingangssignal über den elektronischen Schalter 1 gesperrt.
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Da die Zeit t7 des Nebenimpulses von der Dauer des Hauptimpulses abhängt,
wird die Zeit tlo des monostabilen Multivibrators 12 von der Dauer des Hauptimpulses
in der Weise abhängig gemacht, dass bei längerem Hauptimpuls sich die Zeit tlO verlängert.
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Die Verarbeitung der Signale geschieht bei der Einrichtung mit veränderlicher
Zeit tlo, ansonsten in gleicher Weise wie bei der Einrichtung mit fester Zeit -tlo.
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Eine Varrnte zur Messung an einem Zahnrad 21 (zeigt Fig. 5, wo der
Bereich des Zahneingriffs nicht durch den Spannungsimpuls selbst sondern durch eine
Lagecodierung ermittelt wird. Hierzu sind in der lait dem Zahnrad rotierenden Scheibe
22 Einschnitte 23 vorgesehen, deren Beginn und Ende am Umfang genau dem Beginn und
Ende der durch die Dehnungsstreifen festgelegten Messtellen am jeweiligen Zahnfuss
entsprechen, Beim Vorbeibewegen an dem ortsfest an der Stelle des Zahneingriffs
angeordneten elektronischen Schalter 25 wird dieser z.B. durch den Beginn des Einschnittes
ein- und durch das Ende eines solchen Einschnittes 23 wieder ausgeschaltet, wordurch
dieser ein den Beginn und das Ende der Messung des gleichzeitig am Eingang auftretenden
Impulses auslösendes Signal an die Hessanordnung (Fig. 6) liefert. Auch hier wird,
wie bereits beschrieben, mit dem Maximalwertspeicher 5 der Maximalwert | jedes Impulses
ermittelt, welcher während der durch den elektronischen Schalter 25
bestimmten
Messzeit tll (Fig. 7) auftritt. Auch hier werden Nebenimpulse somit unterdrückt,
da die Zeit, in welcher das Maximum ermittelt wird, nicht vom Impuls selbst bestimmt
wird.
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Um bei Differenzen zwischen Minimum und Maximum, welche nicht von
Drehschwingungen, sondern durch Laständerungen (z.B, beim Anfahren) hervorgerufen
werden, nicht unzulässige Drehschwingungen zu signalisisen, wird ein Warnsignal
erst gegeben, wenn bei einer bestimmten Anzahl (z.B. 5) von aufeinander folgenden
Messperioden, was durch die Zähleinrichtung 18 festgestel-lt wird, eine Überschreitung
gegeben war. Das elektronische Überwachungssystem ist also so ausgeführt, dass die
einzelnen Zahnfußspannungsimpulse bei den einzelnen aufeinander folgenden Zahneingriffen,
vorzugsweise sortiert nach Eingriffen bestimmter Meßstellen mit einem bestimmten,
dem einzelnen Motor zugeordneten Ritzel, über einen längeren Zeitraum abgefragt
und in der vorbeschriebenen Weise gespeichert und auf den grössten und den kleinsten
Impuls sowie deren Differenz überprüft werden, sodass Drehschwingungen des Motors
durch die Zahnfußspannungen des Getriebes erkennbar werden. Das Uberwachungssstem
zur Durchführung dieses Erfindungsgedankens lässt sich in verschiedener Weise variieren
und abwandeln. Die Erfindung ist daher nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt.
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Patentansprüche: