-
Spindel für hohe Drehzahlen
-
Bekanntlich haben drehbare Spindeln eine Eigenfrequenz (Eiqenschwingungszahl),
welche von der Masse und der Federkonstanten abhängt. Wenn die Welle mit einer Betriebsdrehzahl
betrieben wird, welche der Eigenfrequenz entspricht, so spricht man von "der kritischen
Drehzahl". Bei dieser kritischen Drehzahl wird die Schwinqung der Welle mit der
Eigenfrequenz der We) angeregt. Dadurch kann es zu einem "Aufschaukeln" der Schwingung
(Resonanz) und damit zur Beschädiqung der Spindel bzw. der Lagerung kommen.
-
Um die sogenannten "kritischen Drahzahlbereiche" zu vermeiden, werden
die Spindeln entweder sehr starr gelagert. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Federkonstante,
folglich auch eine große Biqenfrequenz, und folglich liegt die sogenannte "kritische
Drehzahl' sehr hoch. Eine derartige Lagerung wird angewandt, wenn der Betriebsdrehzahlbereich
relativ niedrig liegt. Liegt der Betriebsdrehzahlbereich hoch, so kann die Spindel
und die Lagerung so ausgeführt werden, daß sich eine niedrige Federkonstante und
damit auch eine niedrige Eigenfrequenz ergibt. Die Spindel durchläuft dann die kritische
Drehzahl bereits in der Anfahrphase in so kurzer Zeit, daß es zu einem gefährlichen
Aufschaukeln der Schwingungen nicht kommen kann. Im Betrieb läuft die Spindel "überkritisch".
Eine derartige Lagerung wird daher im folgenden als überkritische Lagerung bezeichnet.
-
Die überkritische Lagerung wird insbesondere dadurch erzielt, daß
die Spindel in dem ortsfesten Lagerteil unter Zwischenschaltung von Elementen mit
niedriqem Elastizitätsmodul gelagert ist. Es handelt sich hierbei Insbesondere um
Gummielemente oder Elemente aus anderen Materialien, die diese Anforderungen erfilllen.
-
Bs hat sich nun im Betrieb derartiger Spindeln, die z.B. als Spindeln
für Aufwickelmaschinen für synthetische Fasern, welche
mit Geschwindigkeiten
von mehr als 3.000 m/min anlaufen, herausgestellt, daß Montagefehler Beschädigungen
und Verschleiß der elastischen Elemente dazu führen können, da? die Spindel bzw.
die Wälzlager, in denen die Spindel gelagert ist, mit dem ortsfesten Lagerteil metallischen
Kontakt bekommen. Dan bedeutet hinsichtlich Federkonstante und Eigenschwingung.
daß ; 3 kritische Drehzahl sich in Bereiche verschiebt, die möglicherweise mit der
Betriebsdrehzahl übereinstimmen. Außerdem laann es dadurch übermäßige äußere kräfte
zu einer inneren metallischen Berührung kommen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil der über tischen Lagerung
zu vermeiden Die Lösung nach Anspruch 1 sieht vor, daß die Spindel und der ortsfeste
Lagerteil von einander elektrisch isoliert sind und miteinander elnen elektrischen
Stromkreis bilden,und daß in diesen Stromkreis auch eine Spannungsguelle und eirse
Auswerteinrichtung eingeschlossen ist Von dieser Auswerteinrichtur kann entweder
lediglich eine Signallampe angesteuert werden.
-
Vorzugsweise wird durch die Auswerteinrichtung auch gleichzeitig ein
Ausschaltsignal gegeben, da es be Auftreten kritischer Drehzahl innerhalb von wenigen
Sekunden zu einem Aufschaukeln der Schwingungen und zu einer Zerstörung der Spindel
und ihrer Lageruna kommen kann.
-
Die elektrische Verbindung zwischen Spindel und ortsfestem Lagerteil
kann durch an sich bekannte Einrichtungen wie Schleifkontakte oder induktive oder
kapazitive berührungsfreie Übertragungselemente erfolgen. Schloifkontakte haben
den Vorteil der Robustheit für sich.
-
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei auftretendem
metallischen
Kontakt zwischen Welle, Wälzlaqer und ortsfestem Lagerteil ein Signal erzeugt wird,
das entweder als Warnsignal zum Abschalten der Spindel oder aber unmittelbar zur
Abschaltung des Spindelantriebs führt.
-
In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß zwei Übertragungselemente,
also insbesondere zwei Schleifkontakte, vorgesehen und In einen Stromkreis eingeschlossen
sind, welcher der Leitungsbruchübrwachung dient. Bei Ausfall eines dieser Rontaktelemente
wird durch die Leitungsbruchüberwachung der erfindungsgemäßen Auswertschaltung ein
Signal erzeuqt.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
be schr leben.
-
Es zeigen: Fig, 1 Die schematische Darstellung einer Aufspulsindel
für Fäden mit einer erfindungsgemäßen Uberwachungseinrichtung; Fig. 2 bis 4 Ausführungen
der Schaltung.
-
Dargestellt ist eine Spulspindel 1, wie sie Verwendung findet in Aufspulmaschinen
für Chemiefasern. Derartige Chemiefasern werden mit Abzugsgeschwindigkeiten von
3.000 m/min und mehr erzeugt und müssen mit dieser Geschwindigkeit auch zu einer
Spule 4 aufgespult werden. Dabei muß die Spule eine konstante Umfangsgeschwindigkeit
haben, da anderenfalls Qualitätsschwankungen der Chamiefaser über die Fadenlänge
zu befiirchten sind.
-
Andererseits ist es wrinschenswert, möglichst dicke Spulen zu erzeugen.
Das bedeutet, daß zu Beginn der Spulreise die Drehzahl der Spulspindel sehr hoch
ist, während sie mit zunehmendem Spulendurchmesser geringer wird. Es werden also
sehr weite Betriebsdrehzahlbereiche durchfahren. Deswegen ist es heute
bevorzugt,
derartige Spulspindeln weich, d,h. überkritisch, zu lagern, so daß beim Anlaufen
bereits die kritische Drehzahl durchfahren wird.
-
in dem aezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Ist eine Spulspindel
1 darqestellt, welche in einem als Rohr ausgebildeten ortsfetsen Laaerteil 11 in
den Wälzlagern 5, 6, 7 drehbar gelagert ist und zwar unter Zwischenschaltung der
Gunmmielemente 8, 9, 10. Mit der Spulspindel fest verbunden ist das Spannfutter
2, das das ortsfeste, rohrförmige Lagerteil 11 konzentrisch umgibt. Auf dem Spannfutter
2 ist die Spulenhülse 3 aufgespannt und darauf eine Spule 4 aufgewickelt. Die Spulspindel
wird durch eine auf dem Umfang der Spule 4 anliegende Treibwalze 12 durch Motor
13 mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit angetrieben. Das bedeutet, daß die Spulspindel
zu Bsnn der Spulreise - d.h. also, en noch kein Fadenunatexial auf der Hülse 3 abgelegt
ist - eine höhere Drehzahl hat als im gezeigten oder in einem noch späteren Zustand
der Spulreise.
-
Die Treibwalze 12 ist in radialer Richtung zur Spulspindel 1 bzw.
der Spule 4 bewegbar, damit die Treibwalze 12 vor dem wachsenden Durchmesser der
Spule ausweichen kann Durch eine hier nur schematisch dargestellte Abhebeinrichtung
pneumatische 33) kann die Treibwalze 12 von dem Spulenumfang abgehoben werden, wenn
die Spulreise beendet ist oder unterbrochen werden soll.
-
Die Spulspindel besitzt auf ihrer einen Zylinder-Kolben-Einheit die
Schleif kontakte 15, 16 die durch Leitungen 21, 23 mit dem Stirnfläche ker 20 verbunden
sind. Der ortsfeste Lagerteil 11 ist durch Verstärtung 22 mit der Spannungsollelle
verbunden, an der auch der Verstärker 20 anliegt.
-
Der Verstärker 20 enthält - wie hier im einzelnen nicht dargestellt
ist - auch eine Schaltung zur Leitungsbruchüberwachunq der Leistungen 21, 23 und
der Schleifkontakte 15, 16.
-
Ferner erscheint ein Ausgangssignal 24, wenn in dem Stromkreis aus
Leitunaen 21, 23 mit Schleifkontakten 15, 16 und Spulspindel 1 sowie ortsfestem
Lagerteil 11 und Leitung 22 ein Strom fließt. Dies ist dann der Fall, wenn die isolierenden
Gummielemente 8, 9, 10 falsch eingebaut sind, infolge des Betriebs verrutschen oder
verschleißen oder durch metallische Verunreinigungen ein metallischer Kontakt zwischen
den Außenringen der Wälzlager 5, 6, 7 und dem ortsfesten Lagerteil 11 entsteht.
-
nas Ausgangssignal 24 des Verstärkers 20 kann allein zur Erzeugung
eines optischen oder akustischen Signals benutzt werden.
-
In dem Ausführungsbeispiel wird folgende Verwendung von dem Ausgangssignal
24 gemacht: Der Treibwalzen-Motor 13 wird normalerweise durch Einschalter 34 und
Selbsthaltung 35 mittels Relais 29 und Schalter 30 in Betrieb gesetzt, wobei der
Schalter 30 den Motor 13 mit dem Kraftstromnetz 14 verbindet. Gleichzeitig wird
durch Betätigung des Einschalters 34 auch das Relais 31 betätigt, was mit seinem
mechanischen Ausgangssignal einen Wandler 32 betätiqt, durch welchen die pneumatische
Zylinder-Kolben-Einheit 33 so betätigt wird, daß die Treibwalze 12 nach unten -
d.h. gegen die Spule 4 -verfahren wird. Wenn nun das Ausgangssignal 24 erscheint,
so wird durch Relais 25 der Schalter 28 geöffnet, was zur Folge hat, daß die Relais
29 und 30 abfallen und damit die Selbsthaltung 35 und Schalter 30 öffnen. Ferner
wird der Wandler 32 so betätigt, daß die pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit 33
die Treibwalze 12 von der Spule abhebt. Ferner kann eine hier nicht dargestellte
Bremse
betätigt werden.
-
Die Betr iebsbereitschaft der Sicherungseinrichtung wird durch die
Kontrollampe 37 ständig überwacht. Bei Erscheinen des Ausgangssignals 24 wird die
Kontrollampe durch Schalter 26 ausgeschaltet, so daß hierdurch auch ein optisches
Signal gegeben is Einzelheiten zur Ausführung der Schaltung ergeben sich aus den
Fig 2, 3 und 4.
-
ei der in Fq, 2 dargestellten Schaltung erfolgt die Ubewachung in
folgender Weise: 1. Normalbetrieb: Uber den Widerstand R1, die Kohlebürsten Bei
und K32 (in Fig. 1 mit 15, 16 bezeichnet) sowie über die Welle; W in Fig. 1 mit
1 bezeichnet) und den Widerstand R3 wIrd der Basis des Transistors T1 eine positive
Spannung zugeführt. Dadurch wird der Transistor Tl leitend: daß heißt: die Spannung
zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T1 und damit über dem Ladekondensator
C2 nimmt einen sehr geringen Wert an. Die Zenerdiode D4 ist gesperrt. Über den Ableitwiderstand
R8 ist damit auch der Transistor T2 gesperrt. Damit -wird das Relais Ki nicht erregt.
Der Rondensator C1 dient zur Ableitung von kurzen Störslqnalen. Der Widerstand R4
ist der Ableitwiderstand für den Transistor Ti.
-
2. Kontakt zwischen Welle W und Gehäuse G (in Fig. 1 :jlt 11 bezeichnet):
Entsteht im Störungsfalle ein Kontakt zwischen der Welle W und dem Gehäuse G, so
wird für die Dauer des Kontaktes die Welle W direkt, d.h. mit sehr geringem Widerstand
mit dem
Minuspol der Spannungsquelle verbunden. Damit wird auch
die Basis des Transistors T1 über den Widerstand R3 mit dem Minuspol verbunden.
Der Transistor T1 wird gesperrt. Damit kann sich der Kondensator C2 über dem Widerstand
R5 mit der Zeitkonstante T = C2 R5 aufladen. Hat die Spannung an Cz die Zenerspannung
der Diode 5 überschritten, so wird de Transistor T2 leitend. Das Relais K1 zieht
an und hält sich über den eiqenen Kontakt K1 selbst. Außerdem wird ein weiterer
Kontakt des Relais K1 benötigt, der dann in der Gesamtsteuerung die Abschaltung
bewirkt.
-
Durch Betätigen der Taste S2 läßt sich die Selbsthaltung des Relais
K1 aufheben und die Anlaqe wieder in den Überwachunqszustand bringen. Die Diode
D5 dient dazu, daß beim Abßcllalten des Relais K1 keine hohen Spannungsspitzen entstehen.
-
3. Leitungsbruchüberwachung über die Kohlebürsten: Wird die Leitung
über die Kohlebürsten unterbrochen, so gelangt die positive Spannung nicht mehr
an die Basis des Transistors T1. Über den Ableitwiderstand R4 liegt die Basis des
Transistors T1 an Minuspotential. Der Transitor sperrt. Damit ergibt sich die gleiche
Wirkung, als ob Kontakt zwischen Welle W und Gehäuse G vorhanden sei (siehe Ziffer
2).
-
4. Ausschalten der Anlage z.B. während des Anlaufs der Spindel: Wie
in der Fig. 3 als Ergänzung zu Fig. 2 dargestellt, wird bei Betätigung des Schalters
S1 (z.B. während des Anlaufs) die über die Kohlebtrsten an die Welle W geführte
Leitung fUr die positive (Sensor)Spannuns aufgetrennt und stattdessen die positive
Spannung über den Widerstand R2 und R3 direkt
auf die Basis des
Transistors T1 geschaltet.
-
Eine Berührung zwischen Welle W und Gehäuse G wirk.t sich in diesem
Schaltzustand, d.h. bei Betätigung des Schalters S1 also nicht aus.
-
5. Gehäuse G ist nicht mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden:
Nach Fiq. 4 als Ergänzung zu Fig. 2 und Fig. 3 wird zu; säczlich überwacht, ob der
Minuspol der Spannungsquelle mit dem Gehäuse G verbunden Ist.
-
m Normalfall fließt ein Strom von der positiven Spannungsquelle über
den Widerstand R3 zu dem auf Minuspotential liegenden Gehäuse G. In diesem Falle
liegt der Verbindungspunkt zwischen der Diode D2 und dem Widerstand R6 auf schr
niedrigem Potential. Da außerdem der Transistor T1 leitend rist, liegt auch der
Kollektor des Transistors T1 und damit der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand
R5 und der Diode D1 auf niedrigem Potential. Damit Ist auch die Diode D2 gesperrt.
Der Kondensator C2 wird über den Widerstand R7 entladen.
-
Wird nun die Verbindung zwischen dem Minuspol der Spannungsquelle
und dem Gehäuse G unterbrochen, so kann kein Strom mehr über das Gehäuse G fließen.
Dadurch wird die Diode D2 leitend. Der Kondensator C2 lädt sich unabhängig vom Zustand
des Transistors T1 über den Widerstand -R6 und die Diode D2 auf. Überschreitet die
Spannung am Kondensator C2 die Zenerspannung der Zenerdiode D4, so wird der Transistor
T2 leitend, das Relais K1 zieht an und hält sich selbst. Die beiden Dioden D1 und
D2 dienen also zur gegenseitigen Entn kopplung der Spannungen.
-
In hier nicht dargestellter Weise kann durch Hinzufügen einer Umkehr
stufe die Schaltung auch nach dem Ruhestromprinzip arbeiten. Dadurch ist die Möglichkeit
vorhanden, auch bei Ausfall der Versorgungsspannung für die Überwachungseinrichtung
die Spindel abzuschalten.