DE3117060A1

DE3117060A1 - Verfahren und einrichtung zum ueberwachen der betriebszustaende eines achslagers

Info

Publication number: DE3117060A1
Application number: DE19813117060
Authority: DE
Inventors: Kazuo Ikeuchi; Tomoaki Inoue; Tsuguaki Koga; Katsumi Hitachi Oyabu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-05-02
Filing date: 1981-04-29
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE3117060C2; US4406169A; JPS56154640A; AU521548B2; AU6995581A; CA1162302A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan

Verfahren und Einrichtung zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers, das eine Lagerfläche aufweist, die über einen Schmiermittelf ilm eine Welle abstützt.

Ein Achslager dient zum Abstützen des Läufers einer umlaufenden Maschine, z. B. einer Dampfturbine, eines Generators usw. Für solche Zwecke verwendete Achslager werden mit solchen Durchmesser und solcher Breite gewählt, daß sie im Hinblick auf das Läufergewicht, das vom Läufer übertragene Drehmoment und andere Faktoren als optimal anzusehen sind .

Der Läufer einer großen umlaufenden Maschine wiegt mehr als 200 t und läuft üblicherweise mit hoher Drehzahl im Bereich von 1500-3600 U/min um, so daß die Lager zur Abstützung der Läuferwelle massiv gebaut sein müssen und während des Betriebs ihren Normalzustand behalten sollen. Die Welle und die Lagerfläche werden aufgrund verschiedener Faktoren relativ zueinander verschoben. Infolgedessen kann sich

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die das Lager beaufschlagende Last entweder übermäßig erhöhen oder vermindern, so daß die Dicke des Schmiermittelfilms übermäßig vermindert oder vergrößert wird. Eine Zunahme der Schmierfilmdicke eines Lagers kann zur Folge haben, daß der Läufer abnormal starken Vibrationen wie Dampfwirbeln unterworfen wird, so daß zwischen dem Läufer und einem Ständer Reibung auftritt. Eine Verminderung der Schmierfilmdicke eines Lagers kann zur Folge haben, daß der Schmierfilm unterbrochen wird und die Temperatur der Lagerauskleidung ansteigt, so daß an der Lagerauskleidung des Lagers eine Ireßerscheinung auftritt.

Relative Verschiebungen zwischen einer Welle und einer Lagerfläche werden hauptsächlich dadurch hervorgerufen, daß durch thermische Formänderungen einer Lagerabstützung unter dem Einfluß der Umgebungstemperatur das Lager entweder vertikal verschoben wird oder in bezug auf die Lagerfläche eine Schräglage erhält, ferner dadurch, daß eine Änderung des Innendrucks eines Turbinengehäuses eine Vertikalverschiebung einer Lagerabstützung oder eine Neigung derselben in bezug auf die Welle bedingt, wenn die umlaufende Maschine eine Turbine ist, und ferner dadurch, daß im Lauf der Zeit eine Mehrzahl Abschnitte einer die umlaufende Maschine abstützenden Halterung ungleichmäßig belastet bzw. niedergedrückt werden.

In Anbetracht der vorstehenden Erläuterungen ist ersichtlich, daß es möglich ist, die Betriebszustände eines Lagers durch Bestimmen der das Lager im Betrieb beaufschlagenden Last genau zu erfassen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Temperatur des einem Lager zugeführten und davon abgeführten Schmiermittels, den Druck des dem Lager zugeführten Schmiermittels sowie die

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Temperatur der Lagerfläche des Lagers kontinuierlich zu überwachen und zu erfassen, um die Betriebszustände des Lagers zu bestimmen. Die Temperatur des einem Lager zugeführten bzw. davon abgeführten Schmiermittels ist von Änderungen der Lagerlast nicht beeinflußbar, so daß es sehr schwierig ist, die Lagerlast ausschließlich auf der Grundlage der Schmiermitteltemperatur zu bestimmen. Der Druck des dem Lager zugeführten Öls hat nichts mit der Lagerlast zu tun. Es ist nicht möglich, die Lagerlast nur aufgrund der Temperatur der Lagerfläche des Lagers zu ermitteln.

In der US-PS 4 118 933 ist eine Einrichtung angegeben, bei der Uehnurwjs- odor Länyungsmesser an einer Lagerabstützung befestigt sind, um die Lagerlast zu erfassen. Diese Anordnung dient jedoch nicht dem Zweck, die Lagerlast auf der Grundlage des Drucks eines Schmiermittelfilms zwischen der Lagerfläche und der Welle zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung zum kontinuierlichen Überwachen eines Lagers während des Betriebs, um so die Lagerzustände genau zu erfassen, indem die Lagerlast auf der Grundlage des Drucks eines Schmiermittelfilms zwischen der Lagerfläche und der Welle ermittelt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers mit einer Lagerfläche, die über einen Schmiermittelfilm eine Welle abstützt, ist gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte des Erfassens der Drehzahl der Welle, des Erfassens des Drucks des Schmiermittelfilms, und des Berechnens der Achslagerlast auf der Grundlage der Wellendrehzahl- und SchmiermitteIfilmdruck-Meßwerte .

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Die Einrichtung nach der Erfindung zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers mit einer Lagerfläche, die über einen Schmiermittelfilm eine Welle abstützt, ist gekennzeichnet durch einen Drehzahlerfasser, der die Drehzahl der Welle erfaßt und ein die erfaßte Drehzahl bezeichnendes Signal erzeugt, durch einen Druckerfasser, der den Druck des Schmiermittelfilms erfaßt und ein den erfaßten Schmiermittelfilmdruck bezeichnendes Signal erzeugt, und durch eine Lagerlast-Berechnungseinheit, die die das Achslager beaufschlagende Last auf der Grundlage der Signale des Drehzahlerfassers und des Druckerfassers berechnet.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein im wesentlichen mittiger Längsschnitt durch eine Lager anordnung j

Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der unteren Hälfte eines Lagerkörpers;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des von einem

Strichlinienkreis umschlossenen Abschnitts III von Fig. 1;

Fig. 4- ein Blockschaltbild, das den Grundgedanken der Erfindung erläutert;

f-"i(j. 5 das Hlockschaltbiltl der qesainten Überwachiiiiqscini'ichtuncj nach der Erfindung;

Fig. 6 eine Grafik, die die Verteilung des

Ölfilmdrucks am Grund einer Lagerfläche zeigt;

Fig. 7 eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Ölfilmdruck und dem mittleren Oberflächendruck zeigt, die durch Versuche erhalten wurde;

Fig. 8 die durch Versuche erhaltene Beziehung zwischen der Drehzahl und der Konstanten;

Fig. 9 eine durch Versuche erhaltene Grafik, die die Beziehung zwischen einer Änderung der relativen Neigung zwischen der Welle und der Lagerfläche und einer Änderung des Ölfilmdrucks zeigt;

Fig. 10a schematische Ansichten, die die Richtung der

bis 1Od relativen Neigung zwischen Welle und Lagerfläche zeigen;

Fig. 11 ein Ablaufdiagramm der Logik der Vergleichsund Entscheidungseinheit der Überwachungseinrichtung nach Fig. 5;

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Fig. 12 die Verteilung des Ölfilmdrucks, die

bei Beaufschlagung des Lagers mit einer horizontal gerichteten Kraft bestimmt wurde; und

Fiq. 13 die Beziehung zwischen der das Laqer beaufschlagenden horizontal gerichteten Kraft und dem Ölfilmdruck am Grund der Lagerfläche, wobei diese Beziehung experimentell ermittelt wurde.

Fig. 1 zeigt eine Achslageranordnung, bei der die Erfindung anwendbar ist, umfassend ein Lager 1 sowie eine Lagerabstützung 2, die das Lager 1 über eine teilsphärische Außenfläche 3 desselben abstützt. Das Lager 1 umfaßt eine Lagerschale aus einer oberen Hälfte 4· und einer unteren Hälfte 5 mit Innenflächen, die jeweils mit Lagerauskleidungen 6 bzw. 7 in Form eines Halbzylinders, z. B. aus Babbitmetall, versehen sind. Die Oberflächen der Lagerauskleidungen 6 und 7 wirken zusammen und bilden eine zylindrische Lagerfläche 8, die eine Welle 9 eines Läufers einer umlaufenden Maschine in einem Ölfilm drehbar haltert.

Nach Fig. 2 ist die untere Hälfte 5 der Lagerschale mit einer ersten Druckerfassungsbohrung 11 und einer zweiten Druckerfassungsbohrung 12 ausgebildet, die im Abstand voneinander auf einer ersten Linie 13 liegen, die parallel zur Achse der Welle 9 und längs dem Grund der Lagerfläche 8 verläuft; ferner weist sie eine dritte und eine vierte Druckerfassungsbohrung 14- bzw. 16 auf, die im Abstand voneinander auf einer zweiten Linie 17 liegen, die parallel zur ersten Linie 13 und in einem vorbestimmten Abstand a in Umfangsrichtung der Lagerfläche 8 entgegen der Umlaufrichtung der Welle 9 (mit R bezeichnet) verläuft.

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Die erste und die dritte Druckerfassungsbohrung 11 und 14 sind von einer axialen Endfläche 18 der unteren Lagerschalenhälfte 5 in einem Abstand vorgesehen, der gleich dem Abstand zwischen der zweiten und der vierten Druckerfassungsbohrung 12 und 16 und der anderen axialen Endfläche 19 der unteren Lagerschalenhälfte 5 ist.

Nach Fig. 3, die den Abschnitt III von Fig. 1 vergrößert wiedergibt, weist die Lagerauskleidung 7 eine Bohrung auf, die mit einer axialen Lndfläche 18 der unteren Lagerschalenhälfte 5 über eine Radialbohrung 22 in Verbindung steht, die in der Lagerauskleidung 7 und der unteren Lagerschalenhälfte 5 gebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Bohrung 12 hat, sowie ferner eine axiale Bohrung 23, die in der unteren Lagerschalenhälfte 5 gebildet ist und mit der Radialbohrung 22 in Verbindung steht. Eine Scheibe 24 ist in die Bohrung 21 eingepaßt und an einer Schulter 26 zwischen der Radialbohrung 22 und der Bohrung 21 festgelegt, so daß die Radialbohrung 22 im wesentlichen verschlossen ist. Die Bohrung 21 und die Scheibe 24 wirken zusammen und bilden einen einen Raum, der mit einem Füllmaterial 27 ausgefüllt ist, der aus dem gleichen Werkstoff wie die Lagerauskleidung 7 besteht. Die erste Druckerfassungsbohrung 11 verläuft durch das Füllmaterial 27 und die Scheibe 24 und hält die Lagerfläche 8 in Verbindung mit der Radialbohrung 22. Ein 90°-Rohrbogen 28 ist fluiddicht in ein Ende der Axialbohrung 23, die sich an einer axialen Endfläche 18 der unteren Lagerschalenhälfte 5 öffnet, geschraubt und mit einem Druckerfasser 31 verbunden, so daß die Lagerfläche 8 mit dem Drucker fässer 31 über die Druckerfassungsbohrung 11, die Radialbohrung 22, die Axialbohrung 23 und den 90 -Rohrbogen 28 in Verbindung steht. Ein Temperaturerfasser 32 umfaßt eine Sinde 33, die in eine in der Scheibe 24 gebildete Bohrung und ein im Fül !material 27

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gebildetes Sackloch so eingeführt ist, daß sie der Druckerfassungsbohrung 11 benachbart positioniert ist. Die Sonde 33 ist mit durch die Bohrungen 22 und 23 sowie durch der» :
verbunden.

durch den 90°-Rohrbogen 28 verlaufenden Zuleitungen 34

Die zweite, dritte und vierte Druckerfassungsbohrung 12, 14 und 16 sind ebenso wie die erste üruckerfassungsbohrung 11 ausgebildet, und jede weist ihr benachbart den Temperaturerfasser 32 auf.

Das Blockschaltbild von Fig. 4 zeigt den Grundgedanken der Überwachungseinrichtung. Die Einrichtung umfaßt zusätzlich zu dem Druckerfasser 31 und dem Temperaturerfasser 32, die bereits erläutert wurden und der Erfassung des Drucks eines Ölfilms zwischen der Welle 9 und der Lagerfläche 8 sowie der Temperatur eines Teils der Lagerauskleidung 7 nahe der Lagerfläche 8 oder der Temperatur der Lagerfläche 8 dienen, einen Drehzahlerfasser 36, der die Drehzahl der Welle 9 erfaßt. Der Druckerfasser 31 erzeugt ein Drucksignal, das von einem Verstärker 37 verstärkt und in einen Lastrechner 38 eingegeben wird. Der Temperaturerfasser 32 erzeugt ein Temperatursignal, das von einem Verstärker 39 verstärkt und in den Lastberechner 38 eingegeben wird. Der Drehzahlerfasser 36 erzeugt ein Drehzahlsignal, das unmittelbar in den Lastberechner 38 eingegeben wird. Der Lastberechner 38-berechnet in noch zu erläuternder Weise die das Lager 1 beaufschlagende Last auf der Grundlage der ihm zugeführten Signale und leilet die Berechnungsergebnisse einer Anzeige- und Alarmeinheit 40 zu.

Fig. 5 zeigt die konkrete Ausbildung der Überwachungseinrichtung. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert wurde, umfaßt die Überwachungseinrichtung den Druckerfasser 31,

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der den Druck des Schmierfilms erfaßt, den Temperaturerfasser 32, der die Temperatur der Lagerauskleidung 7 oder der Lagerfläche 8 erfaßt, und den Drehzahlerfasser 36, der die Drehzahl der Welle 9 erfaßt. Bei. der Berechnung der Lagerlast schwankt der für diese erhaltene Wert stark in Abhängigkeit davon, ob die Welle 9 mit hoher oder mit niedriger Drehzahl umläuft. Somit wird das vom Drehzahlerfasser 36 erzeugte Drehzahlsignal einem Drehzahlvergleicher 41 zugeführt, der das Drehzahlsignal mit einem Standard vergleicht und ein Hochdrehzahlsignal erzeugt, wenn die Welle 9 mit hoher Drehzahl umläuft, und ein Niedrigdrehzahlsignal erzeugt, wenn sie mit niedriger Drehzahl umläuft. Das Niedrigdrehzahlsignal wird einem Niedrigdrehzahlbezugsrechenwert-Speicher 42 zugeführt, der einem Bezugsrechenwert-Korrekturglied 4-3 ein Bezugsrechenwertsignal entsprechend dem Niedrigdrehzahlsignal zuführt. Ebenso wird das Hochdrehzahlsignal einem Hochdrehzahlbezugsrechenwert-Speicher 44 zugeführt, der einem Korrekturglied 43 ein Bezugsrechenwertsignal entsprechend dem Hochdrehzahlsignal zuführt.

Fig. 6 zeigt eine typische Schmiermitteldruckverteilung am Grund der Lagerfläche 8, und zwar bei Hochdrehzahl- und bei Niedrigdrehzahl-Rotation. Das Lager nach Fig. 6 weist Aufbockbohrungen 51 und Aufbockvertiefungen 52 auf. Die Abszisse bezeichnet die Länge L des Lagers 1 in Achsrichtung, und die Ordinate bezeichnet den Schmierfilmdruck P; eine Vollinie bezeichnet einen Schmierfilmdruck, der bei Hochdrehzahlrotation erhalten wird, und eine Strichlinie bezeichnet einen Schmiermitteldruck, der erhalten wird, wenn die Läuferlast von einem Aufbockdruck abgestützt ist oder die Drehzahl sehr niedrig ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, könnte bei der Berechnung einer Lagerlast auf der Grundlage des in einer bestimmten Position auf der Lagerfläche erfaßten Drucks nicht der gleiche Bezugsrechenwert benützt werden. Das Bezugsrechenwert-

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Korrekturglied 43 korrigiert den Bezugsrechenwert entsprechend den Werten des Schmierfilmdrucks und der Temperatur der Lagerauskleidung, die von dem Druckerfasser 31 bzw. dem Temperaturerfasser 32 erfaßt wurden, so daß der Bezugsrechenwert dem Istzustand des Lagers entspricht. Das vom Korrekturglied 43 berichtigte Signal wird dem Lastberechner 38 zugeführt, der die Berechnungsergebnisse an die Anzeige- und Alarmeinheit 40 weiterleitet .

Nachstehend wird das Verfahren des Bereehnens einer das Lager 1 beaufschlagenden Last und der Korrektur oder Kalibrierung des Bezugsrechenwerts dafür erläutert. Fig. zeigt die Beziehung zwischen dem Schmierfilmdruck P und dem mittleren Lagerflächendruck Pm, die durch Versuche mit einem Lager mit einem Durchmesser D von 254 mm und einer Länge L in Achsrichtung von 152 mm erhalten wurde. Für Fig. 7 gilt die folgende Beziehung:

Pm - K-P⁰*⁸* (1)

mit K = Konstante.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl N der Welle und dem durch Versuche ermittelten Wert der Konstanten K. Es ist ersichtlich, daß für Fig. 8 die Beziehung KocN ' gilt. Damit kann der mittlere Oberflächendruck Pm wie folgt geschrieben werden:

Pm = K' · N⁰'¹⁵ · P⁰'⁸* (2)

mit K' = Konstante.

Es wurde festgestellt, daß die Beziehung zwischen L/d und Pm die Bedingung Pm oc (L/D) ' erfüllt. Somit kann der mittlere Oberflächendruck Pm wie folgt geschrieben werden:

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Pm

= K" . N⁰'¹⁵ . (L/D)⁰'²² ■ P⁰'⁸* (3)

mit K" = Konstante.

In der Praxis wird der Schmierfilmdruck an zwei in Achsrichtung voneinander beabstandeten Stellen gemessen. Damit kann der mittlere Flächendruck Pm durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden:

Pm ~ Ko · ( Γ Kn · Pn^Cn) · (L/Ü)^d · N^e (

Ko, Kn, Cn, d und e in der Gleichung (4) sind Bezugswerte, deren jeder für jedes Lager spezifisch ist und die entsprechend den Gleichungen (1) bis (3) erhalten werden können. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert wurde, ändert sich jeder dieser Bezugswerte in Abhängigkeit davon, ob die Welle mit hoher oder mit niedriger Drehzahl umläuft.

Fig. 9 zeigt die axiale Schmierfilmdruckverteilung am Grund der Lagerfläche, wobei diese Verteilung zu einem Zeitpunkt erfaßt wurde, in dem das Lager und die Welle zueinander geneigt waren. Dabei bezeichnet ΔΗ die Größe der Neigung des Lagers über die gesamte axiale Länge L des Lagers, und Ah = 0 bezeichnet die Schmierfilmdruckverteilung, die in einem Idealzustand erhalten wird. Die vorher erwähnten Bezugswerte Ko, Kn usw. treffen für den Fall zu, in dem die Bedingung ilh = 0 erfüllt ist. Wenn Δίι auf 0,15 und 0,30 mm geändert wird, erfährt der Schmiermitteldruck eine starke Schwankung (vgl. Fig. 9). Damit kann der mittlere Flächendruck des Lagers erhalten werden, indem die vorgenannten Bezugswerte entsprechend der Änderung der Schmierfilmdruckverteilung derart korrigiert werden, daß die Bedingung ΔΙι = 0 erfüllt wird. In der Praxis wurde experimentell gefunden, daß, wenn

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die Druckerfassungsbohrung 11 zum Erfassen eines Schmierfilmdrucks P_? und die Druckerfassungsbohrung 12 zum Erfassen eines Schmier f Umdrucks P, in Positionen vorgesehen sind, die von den axialen Endflächen 18 bzw. 19 in einem Abstand liegen, der 1/4- der axialen Länge L des Lagers 1 entspricht, der rechnerische Mittelwert JJ³ = 1/2(P, + P₂)Ji von P₁ und P₂ mit .(P₁)UP₂) im Idealzustand von Ah -= 0 zusammenfällt. Damit hat das Bezugsrechenwert-Korrekturglied 4-3 die Funktion, Bezugswerte K,, K_?, C-, und C₂, die in der Gleichung (4·) auf P, und P~ angewandt werden, zu korrigieren. Die Lagerlast W kann aus dem mittleren Flächendruck Pm wie folgt erhalten werden:

W = Pm · L · D (5),

Nachstehend wird die Verarbeitung des Schmierfilmdrucks und der Lagerflächentemperatur und die Entscheidung über das Vorliegen von Fehlerzuständen erläutert. Die Fig. 10a-d zeigen die Neigungsrichtung des Lagers 1 und der Welle 9 relativ zueinander. Die Fig. 10 und 10c zeigen die relativen Lagen von Welle und Lager von der Oberseite des Lagers her gesehen, und die Fig. 10b und 1Od zeigen die relativen Lagen von Welle und Lager von der Seite des Lagers her. Die Fig. 10a und 10b zeigen die relative axiale Neigung zwischen Welle und Lager, und die Fig. 10c und 1Od zeigen die relative horizontale Neigung zwischen beiden.

Nach Fig. 5 werden Drucksignale P -P. von den mit den vier Druckerfassungsbohrungen 11, 12, 14- und 16 verbundenen üruckerfassern 31 sowie Temperatursignale T,-T. von den Temperaturerfassern 32 in eine Vergleichs- und Entscheidungseinheit 60 eingegeben, die einen Druckvergleicher 61, einen Temperaturvergleicher 62 und einen dritten Vergleicher

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63 umfaßt. Der Druckvergleicher 61 vergleicht die Drucksignale Ρι-Ρλ mit vorgegebenen Schwellenwerten aus einem Schwellenwertspeicher 64 und führt die Drucksignale der Anzeige- und Alarmeinheit 40 zu, wenn sie abnormal sind; wenn sie normal sind, führt er sie dem dritten Vergleicher 63 zu. Ebenso vergleicht der Temperaturvergleicher 62 die Temperatursignale T,-T. mit vorgegebenen Schwellenwerten aus einem Schwellenwertspeicher 66 und führt die Temperatursignale, wenn sie abnormal sind, der Anzeige- und Alarmeinheit 40 zu, und im Normalfall dem dritten Vergleicher 63 zu. Der dritte Vergleicher 63 vergleicht die Signale des Druckvergleichers 61 und des Temperaturvergleichers 62 mit vorgegebenen Schwellenwerten aus einem Schwellenwertspeicher 61 und führt die Signale, wenn sie abnormal sind, der Anzeige- und Alarmeinheit 40 und im Normalfall dem Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 zu.

Fig. 11 ist ein Ablaufdiagramm der Logik der Vergleichsund Entscheidungseinheit 60 der Überwachungseinrichtung nach Fig. 5. Der Druckvergleicher 61 umfaßt ein Logikglied 71, das die Druckdifferenzen ΛΡ_± = P₁ - P₂ sowie ΔΡ. = P, - P. auf der Grundlage der Drucksignale Ρ-ι-Ρλ der Druckerfasser 31 berechnet, sowie ferner ein.Logikglied 72, das die Druckdifferenzen ·Δρ und ^Pp mit Schwellenwerten £p bzw. £.„ aus dem Schwellenwertspeicher 64 ver-

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gleicht und entscheidet, ob die relative Neigung zwischen der Welle 9 und dem Lager 1 abnormal oder normal ist. Ebenso umfaßt der Temperaturvergleicher 62 ein Logikglied 73, das Temperaturdifferenzen ΔΤ, = T, - T₂ und .AT» : T^ - T^ auf der Grundlage der Temperatursignale T,-T. der Temperaturerfasser 32 berechnet, und ferner ein Logikglied 74, das die Temperaturdifferenzen ^T, und AT„ mit Schwellenwerten £z_r bzw. ^_T aus dem

12 Schwellenwertspeicher 66 vergleicht und entscheidet, ob die relative Neigung zwischen der Welle 9 und dem Lager 1 abnormal oder normal ist. Typischerweise werden als Schwel-

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lenwerte c~ und £_p Werte im Bereich zwischen

¹ 2 ²
10 und 70 kg/cm und als Schwellenwerte B_T und £"_T

^{1 2} Werte im Bereich zwischen 10 und 40 C ausgewählt.

Der dritte Vergleicher 63 umfaßt ein erstes Logikglied 76 und ein zweites Logikglied 77 zum Bestimmen der Richtung der relativen Neigung zwischen der Welle 9 und dem Lager 1 auf der Grundlage des Produkts von ΔΡ und Δ-Ρ- und des Produkts von ^T₁ und ΔΤ-. Insbesondere vergleicht das erste Logikglied 76 das Produkt von ΔΡ, und ^-P₂ und das Produkt von ΔΤ, und ΔΤ_? mit Schwellenwerten £pp und £* aus dem Schwellenwertspeicher 67 und entscheidet, daß die Welle 9 und das Lager 1 vertikal zueinander (jene igt sind, wenn die Beziehungen Ap ·ΔΡ₂ > ■£ und AT ·Δ^ > ^ erfüllt sind. In diesem Fall wird ein Ausgangssignal des ersten Logikglieds 76 dem Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 zugeführt, in dem das Signal dazu genutzt wird, die Bezugswerte Ko, Kn, Cn, d und e in der folgenden Gleichung zu korrigieren, die für die Berechnung des mittleren Lagerflächendrucks Pm notwendig ist:

Pm = Ko( Σ Kn · P_n ⁰") * U/D)^d · N^e. n = l

Wenn die Beziehungen ΔΡ · AP₂> £ und AT₁ · Δτ > ^ in dem ersten Logikglied 76 nicht erfüllt sind, leitet das erste Logikglied 76 ein Ausgangssignal an das zweite Logikglied 77, in dem das Produkt von ^P₁ und ΔΡ_? und das Produkt von ΔΤ, und ΔΤ,, mit Schwellenwerten -£pp bzw. -£jj aus dem Schwellenwertspeicher 67 verglichen werden und entschieden wird, daß die Welle 9 und das Lager 1 in Horizontalrichtung zueinander geneigt sind, wenn die Beziehungen AP₁ .ΔΡ₂<-?_ρρ und Δτ_χ · At^ -^₁ erfüllt

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sind. In diesem Fall wird ein Ausgangssignal des zweiten Logikglieds 77 an das Bezugsrechenwert-Korrekturglied übermittelt. Wenn die vorgenannten Beziehungen in dem zweiten Logikglied 77 nicht erfüllt sind, wird das Ausgangssignal des zweiten Logikglieds 77 der Anzeige- und Alarmeinheit 40 zugeführt, die anzeigt, daß in der Meßeinrichtung ein Fehler erfaßt worden ist.

Das Korrekturglied 43 liefert ein Ausgangssignal an den Lagerlastberechner 38, der den mittleren Flächendruck Pm auf der Grundlage der Schmierfilmdrücke P, und P- mittels der Gleichung (4) berechnet und die Lagerlast W auf der Grundlage des mittleren Flächendrucks Pm mittels der Gleichung (5) berechnet.

Bei einer umlaufenden Maschine, deren Welle in mehreren Lagern gelagert ist, z. B. in einer DAmpfturbine, weisen die Lager zwischen den Lagerflächen und der Welle Zwischenräume auf, die bei den einzelnen Lagern voneinander verschieden sind. In diesem Fall würde die Welle nicht nur mit einer Vertikalkraft, sondern auch mit einer Horizontalkraft in jedem der Lager beaufschlagt werden. Ferner würde eine Fehlkupplung die Beaufschlagung der Welle mit einer horizontal gerichteten Kraft zur Folge haben. Fig. zeigt die Schmierfilmdruckverteilung, die erhalten wird, wenn die Welle von einer horizontal verlaufenden Kraft beeinflußt wird. Wenn die Welle mit einer horizontal gerichteten Kraft Fu oder -F„ beaufschlagt wird, weicht der Druck des Schmiermittelfilms von seinem Wert im Normalzustand, in dem F., = 0, ab, so daß es unmöglich wird, den mittleren Flächendruck mittels der Gleichung (4) und die Lagerlast mittels der Gleichung (5) zu berechnen. In einer solchen Situation wird eine horizontal gerichtete Kraft aus den Schmierfilmdruckverhältnissen F, = P,/P

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und P- - Pp/^Λ J-ⁿ jedem üetriebszustund auf der Grundlage der Drucksignale P₁-Pj, von den Druckerfassern 31 bestimmt. Die horizontal gerichtete Kraft kann mittels der folgenden Gleichung erhalten werden:

F_H = Ko' -JlOg(P₁ +P₂)I · (L/D)⁹ · N^h (6)

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen der horizontal gerichteten Kraft F_u und dem Schmierfilmdruck P am Grund der π

Lagerfläche, wenn die Welle mit 3000 U/min umläuft, in Lagern, die jeweils einen Durchmesser D von 25^ mm und ein Verhältnis der axialen Länge L des Lagers zum Durchmesser D von L/D = 0,9 haben. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die horizontal gerichtete Kraft F„ im wesentlichen dem Schmierfilmdruck P proportional ist. Aufgrund dieser Proportionalitätsbeziehung wird der Schmierfilmdruck, der bei Beaufschlagung der Welle mit der horizontal gerichteten Kraft erhalten wird, dahingehend korrigiert, daß ein Schmierfilmdruck für den normalen Betriebszustand erhalten wird, und die Lagerlast W wird mittels der Gleichungen (4) und (5) berechnet.

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Leerseite

Claims

Verfahren zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers mit einer Lagerfläche, die über einen Schmiermittelfilm eine Welle abstützt,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Erfassen der Drehzahl der Welle;

- Erfassen des Drucks des Schmiermittelfilms; und

- Berechnen der Achslagerlast auf der Grundlage der Wellendrehzahl- und Schmiermittelfilmdruck-Meßwerte.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

wobei in dem Druckerfassungsschritt der Druck des Schmiermittelfilms an einer Mehrzahl Stellen auf der Lagerfläche erfaßt wird,
gekennzeichnet durch

- Bestimmen des relativen Neigungszustands zwischen der Welle und dem Lager auf der Grundlage der Schmiermittelfilmdruck-Meßwerte,

- wobei in dem Lagerlast-Berechnungsschritt die das Achslager beaufschlagende Last auf der Grundlage des relativen Neigungszustands zwischen der Welle und dem Lager und dem Wellendrehzahl-Meßwert errechnet wird

81-(A 5533-02)-Schö

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3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Zustand relativer Neigung zwischen der Welle und der Lagerfläche der Betrag der relativen Neigung zwischen der Welle und der Lagerfläche ist.

ή·. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

- Erfassen der Temperatur der Lagerfläche,

- wobei in dem Lagerlast-Berechnungsschritt die das Achslager beaufschlagende Last auf der Grundlage der Meßwerte der Wellendrehzahl, des Drucks des Schmiermittelfilms und der Temperatur der Lagerfläche berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch

- Erfassen der Temperatur der Lagerfläche an einer Mehrzahl Stellen,

- wobei in dem Bestimmungsschritt der Zustand relativer Neigung zwischen der Welle und der Lagerfläche auf der Grundlage der Meßwerte des Schmiermittelfilmdrucks und der Temperatur der Lagerfläche bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Zustand relativer Neigung zwischen der Welle und dem Lager die Richtung der relativen Neigung zwischen beiden ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

- daß in dem Druckerfassungsschritt der Druck des Schmiermittelfilms an wenigstens zwei voneinander beabstandet CMi und in Achsrichtung der LaqerΓ lache miteinander fluchleriden Stellen erfaßt wird,

- wobei in dem Berechnungsschritt die das Achslager beaufschlagende Last auf der Grundlage des Mittelwerts der Meßwerte des Schmiermittelfilmdrucks und der Meßwerte der Weilendrehzahl berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

- daß in dem Druckerfassungsschritt der Schmiermittelfilmdruck an voneinander beabstandeten ersten und zweiten Stellen der Lagerfläche auf einer ersten, zur Lagerachse parallelen Axiallinie und an voneinander beabstandeten dritten und vierten Stellen der Lagerfläche auf einer zweiten Axiallinie, die zur ersten Axiallinie parallel und in Umfangsrichtung beabstandet verläuft, erfaßt wird,

- daß in dem Temperaturerfassungsschritt die Temperatur der Lagerfläche an voneinander beabstandeten fünften und sechsten Stellen nahe der Lagerfläche auf einer dritten Axiallinie, die zur Lagerachse parallel verläuft, und an voneinander beabstandeten siebten und achten Stellen nahe der Lagerfläche auf einer vierten Axiallinie, die zur dritten Axiallinie parallel und in Umfangsrichtung davon beabstandet verläuft, erfaßt wird, und

- daß in dem Bestimmungsschritt die Richtung der relativen Neigung zwischen der Welle und der Lagerfläche auf der Grundlage des Produkts der Differenz der an der ersten und der zweiten Stelle erfaßten Drücke und der Differenz der an der dritten und vierten Stelle erfaßten Drücke sowie des Produkts der Differenz der an der fünften und der sechsten Stelle erfaßten Temperaturen und der Differenz der an der siebten und der achten Stelle erfaßten Temperaturen bestimmt wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste, zweite, dritte und vierte Stelle jeweils der fünften, sechsten, siebten und achten Stelle benachbart liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch

- Vergleichen des Meßwerts der Wellendrehzahl mit einem Bezugswert und

- Erzeugen eines Hochdrehzahl-Bezugsrechenwerts, wenn die erfaßte Wellendrehzahl höher als der Bezugswert ist,

- Erzeugen eines Niedrigdrehzahl-Bezugsrechenwerts, wenn die erfaßte Wellendrehzahl niedriger als der Bezugswert ist,

- Korrigieren der Meßwerte des Schmiermittelfilmdrucks auf der Grundlage des Hochdrehzahl-Bezugsrechenwerts und des Niedrigdrehzahl-Bezugsrechenwerts.

11. Einrichtung zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers mit einer Lagerfläche, die über einen Schmiermittelfilm eine Welle abstützt,
gekennzeichnet durch

- einen Drehzahlerfasser (36), der die Drehzahl der Welle (9) erfaßt und ein die erfaßte Drehzahl bezeichnendes Signal erzeugt;

- einen Druckerfasser (31), der den Druck des Schmiermittelfilms erfaßt und ein den erfaßten Schmiermittelfilmdruck bezeichnendes Signal erzeugt; und

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- eine Lagerlast-Berechnungseinheit (38), die die

das Achslager (1) beaufschlagende Last auf der Grundlage der Signale des ürehzahlerfassers (36) und des
Druckerfassers (31) berechnet.

12. Einrichtung nach Anspruch 11,

wobei der Drehzahlerfasser den Schmiermittelfilmdruck an einer Mehrzahl Stellen auf der Lagerfläche erfaßt und
diese Drücke bezeichnende Signale erzeugt,
gekennzeichnet durch

- eine Entscheidungseinheit (60), die den Zustand relativer Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager auf der Grundlage der Signale des üruckerfassers (31) bestimmt und ein den relativen Neigungszustand bezeichnendes Signal erzeugt,

- wobei die Lagerlast-Berechnungseinheit (38) die das Achslager (1) beaufschlagende Last (W) auf der Grundlage der Signale des Drehzahlerfassers (36) und der Entscheidungseinheit (60) berechnet.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12,
gekennzeichnet durch

- einen Temperaturerfasser (32), der die Temperatur der Lagerfläche (8) erfaßt und ein die Temperatur bezeichnendes Signal erzeugt,

- wobei die Lagerlast-Berechnungseinheit (38) die das Achslager (1) beaufschlagende Last (W) auf der Grundlage der Signale des Drehzahlerfassers (36) und des Temperaturerfassers (32) berechnet.

14·. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Temperaturerfasser (32) die Lagerflächen-Temperatur an einer Mehrzahl Stellen erfaßt und diese Temperaturen bezeichnende Signale erzeugt, und

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- daß die Entscheidungseinheit (60) den Zustand relativer Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager auf der Grundlage der Signale des Druckerfassers (31) und des Temperaturerfassers (32) bestimmt.

15. Einrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Entscheidungseinheit (60) den Betrag der relativen Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager auf der Grundlage der Signale des Druckerfassers (31) und des Temperaturerfassers (32) bestimmt und ein den Betrag der relativen Neigung bezeichnendes Signal erzeugt .

16. Einrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Entscheidungseinheit (60) die Richtung der relativen Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager auf der Grundlage der Signale des Druckerfassers (31) und des Temperaturerfassers (32) bestimmt und ein die Richtung der relativen Neigung bezeichnendes Signal erzeugt.

17. Einrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Entscheidungseinheit (60) umfaßt:

- einen Druckvergleicher (61), der die Signale vom üruckerfasser (31) mit vorgegebenen Schwellenwerten vergleicht und Ausgangssignale erzeugt,

- einen Temperaturvergleicher (62), der die Signale vom Temperaturerfasser (32) mit vorgegebenen Schwellenwerten vergleicht und Ausgangssignale erzeugt, und

- einen Dritten Vergleicher (63), der die Ausgangssignale des Druckvergleichcrs (61) und des Temperaturvergleichers (62) mit entsprechenden vorgegebenen

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Schwellenwerten vergleicht und Ausgangssignale erzeugt ,
und

- daß die Lagerlast-Berechnungseinheit (38) die das Achslager (1) beaufschlagende Last (W) auf der Grundlage der Ausgangssignale des Drehzahlerfassers (36) und des dritten Vergleichers (63) berechnet.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Druckerfasser (31) den Schmiermittelfilmdruck an wenigstens zwei Stellen der Lagerfläche (8) erfaßt, die in Axialrichtung voneinander beabstan'det und miteinander ausgerichtet sind.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13-18, dadurch gekennzeichnet,

-daß der Temperaturerfasser (32) die Temperatur der Lagerfläche (8) an wenigstens zwei Stellen auf der Lagerfläche (8) erfaßt, die in Axialrichtung voneinander beabstandet und miteinander ausgerichtet sind.

20. Einrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Druckerfasser (31) den Schmiermittelfilmdruck an voneinander beabstandeten ersten und zweiten Stellen (11, 12) auf einer ersten Axiallinie (13), die zur Lagerachse parallel verläuft, und an voneinander beabstandeten dritten und vierten Stellen (14-, 16) auf einer zweiten Axiallinie (17), die zur ersten Axiallinie (13) parallel und in Umfangsrichtung beabstandet verläuft, erfaßt, und

- daß der Temperaturerfasser (32) die Lagerflächen-Temperatur an Stellen erfaßt, die jeweils den ersten bis vierten Stellen (11, 12, 14, 16) auf der Lagerfläche (8) benachbart sind, und die Temperaturen der Lagerfläche (8) bezeichnende Signale erzeugt.

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21. Einrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Druckvergleicher (61) aufweist!

- ein Logikglied (71), das eine erste Druckdifferenz (ΔΡ,) zwischen den an der ersten und der zweiten Stelle (11, 12) erfaßten Drücken (P,, P_) und eine zweite Druckdifferenz (Δ.Ρ,,) zwischen den an der dritten und der vierten Stelle (14-, 16) erfaßten Drücken (P₃, P^) bestimmt,

und

- ein Logikglied (72), das die erste und die zweite Druckdifferenz (ΔΡ,,Δ-Ρ_) _mit entsprechenden vorgegebenen Schwellenwerten {Β , β ) vergleicht und

^Kl ^Vl den Betrag der relativen Neigung zwischen der Welle

(9) und dem Lager bestimmt,

- daß der Temperaturvergleicher (62) aufweist:

- ein Logikglied (73), das eine erste Temperaturdifferenz (ΔΤ,) zwischen den Temperaturen (T,, T_?), die an den der ersten und der zweiten Stelle (11, 12) benachbarten Stellen erfaßt wurden, und eine zweite Temperaturdifferenz (ΔΤ-) zwischen den Temperaturen (T₃, T. ), die an den der dritten und der vierten Stelle (14, 16) benachbarten Stellen erfaßt wurden, bestimmt, und

- ein Logikglied (7A-), das die erste und die zweite Temperaturdifferenz (AT,, ^T_?) mit entsprechenden vorgegebenen Schwellenwerten (£_T , ^_x ) vergleicht und den

¹I '2 Betrag der relativen Neigung zwischen der Welle (9)

und dem Lager bestimmt,
und

- daß der dritte Vergleicher (63) das Produkt der ersten und der zweiten Druckdifferenz (ΔΡ ΔΡ ) und das Produkt der ersten und zweiten Temperaturdifferenz (ΔΤ, , Δ.Τ-) mit

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entsprechenden vorgegebenen Schwellenwerten (?pp, k-r-r) vergleicht und die Richtung der relativen Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager bestimmt.

22. Einrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der dritte Vergleicher (63) aufweist:

- ein Logikglied (76), das entscheidet, daß die Welle (9) und das Lager vertikal zueinander geneigt sind, wenn die Bedingung erfüllt ist, daß das Produkt der ersten und der zweiten Druckdifferenz größer als ein erster der vorgegebenen Schwellenwerte und das Produkt der ersten und der zweiten Temperaturdifferenz größer als ein zweiter der vorgegebenen Schwellenwerte ist,
und

- ein Logikglied (77), das entscheidet, daß die Welle (9) und das Lager horizontal zueinander geneigt sind, wenn die Bedingung erfüllt ist, daß das Produkt der ersten und der zweiten Druckdifferenz kleiner als der negative erste vorgegebene Druck-Schwellenwert und das Produkt der ersten und der zweiten Temperaturdifferenz kleiner als der negative zweite vorgegebene Temperatur-Schwellenwert ist.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11-17, gekennzeichnet durch

- einen Drehzahlvergleicher (41), der das Ausgangssignal des Drehzahlerfassers (36) mit einem Bezugswert vergleicht und

- ein erstes Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlerfassers (36) größer als der Bezugswert LsL, und

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- ein zweites Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlerfassers (36) kleiner als der Bezugswert ist,

- ein Korrekturglied (4-3), das die Ausgangssignale des Druckerfassers (31) auf der Grundlage des ersten und des zweiten Signals des Drehzahlvergleichers (A-I) korrigiert und ein Signal erzeugt,

- wobei die Lagerlast-Berechnungseinheit (38) die das Achslager (1) beaufschlagende Last (W) auf der Grundlage der Ausgangssignale des Drehzahlerfassers (36) und des Korrekturglieds (43) berechnet.

24. Einrichtung nach Anspruch 23,
gekennzeichnet durch

- einen Hochdrehzahl-Bezugsrechenwertspeicher (44), der aufgrund des ersten Ausgangssignals des Drehzahlerfassers (36) dem Korrekturglied (4-3) ein Signal zuführt, das einen dem ersten Signal entsprechenden Lagerlast-Bezugsrechenwert bezeichnet, und

- einen Niedrigdrehzahl-Bezugsrechenwertspeicher (42), der aufgrund des zweiten Ausgangssignals des Drehzahlerfassers (36) dem Korrekturglied (43) ein Signal zuführt, das einen dem zweiten Signal entsprechenden Lagerlast-Bezugsrechenwert bezeichnet.

25. Einrichtung nach Anspruch 22,
gekennzeichnet durch

- einen Drehzahlvergleicher (41), der das Ausgangssignal des Drehzahlerfassers (36) mit einem Bezugswert vergleicht und

- ein erstes Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlerfassers (36) größer als der Bezugswert ist und

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- ir: an

- ein zweites Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlerfassers (36) kleiner als der Bezugswert ist,

- ein Korrekturglied (43), das das Ausgangssignal des dritten Vergleichers (63) auf der Grundlage des ersten und des zweiten Signals des Drehzahlvergleichers (A-I) korrigiert und ein Signal erzeugt,

- wobei die Lagerlast-Berechnungseinheit (38) die das Achslager (1) beaufschlagende Last auf der Grundlage der Signale vom ürehzahlerfasser (36) und vom Korrekturglied (43) berechnet.

26. Einrichtung nach Anspruch 25,
gekennzeichnet durch

- einen Hochdrehzahl-Bezugsrechenwertspeicher (44), der aufgrund des ersten Signals des Drehzahlerfassers (36) dem Korrekturglied (43) ein Signal zuführt, das einen dem ersten Signal entsprechenden Lagerlast-Bezugsrechenwert bezeichnet,

- einen Niedrigdrehzahl-Bezugsrechenwertspeicher (42), der aufgrund des zweiten Signals des Drehzahlerfassers (36) dem Korrekturglied (43) ein Signal zuführt, das einen dem zweiten Signal entsprechenden Lagerlast-Bezugsrechenwert bezeichnet.

27. Einrichtung nach Anspruch 26,
gekennzeichnet durch

- eine Anzeige- und Alarmeinheit (40),

die die Ausgangssignale des Druckvergleichers (61), des Temperaturvergleiehers (62), des dritten Vergleichers (63) und der Lagerlast-Berechnungseinheit (38) anzeigt.

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