DE3117060C2

DE3117060C2 - Verfahren zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE3117060C2
Application number: DE3117060A
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: 1983-06-16
Also published as: AU6995581A; JPS56154640A; US4406169A; CA1162302A; DE3117060A1; AU521548B2

Abstract

Ein Verfahren und eine Einrichtung zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers, das eine Lagerfläche zur Abstützung einer umlaufenden Welle über einen Schmiermittelfilm aufweist. Erfassungseinheiten (36 und 31) erfassen die Drehzahl der Welle (9) und den Druck des Schmiermittelfilms. Die das Achslager beaufschlagende Last (W) wird auf der Grundlage der Wellendrehzahl und des Schmiermittelfilmdrucks berechnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers mit einer Lagerfläche, die über einen Schmiermittelfilm eine Welle abstülzt, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zum Abstützen des Läufers einer umlaufenden Maschine, z. B. einer Dampfturbine ober eines Generators, werden Achslager verwendet, deren Durchmesser und Breite so gewählt sind, 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 dabei mehr als 200 t und rotiert mit einer Drehzahl im Bereich von 1500-3600 U/min, so daß die Achslager zur Abstützung der Läuferwelle einerseits sehr massiv gebaut sein müssen, andererseits während des Betriebs ihre Ausgangslage behalten sollen.

Da die Welle und die Lagerfläche sich während des Betriebs relativ zueinander verschieben können, besteht im allgemeinen die Gefahr, daß die das Lager beaufschlagende Last entweder übermäßig erhöht oder vermindert wird, was zu einer Vergrößerung oder Verringerung der Dicke des Schmiermittelfilms führt. Eine Zunahme der Schmiermittelfilmdicke eines Lagers kann dabei zur Folge haben, daß der Läufer abnormal starken Vibrationen unterworfen wird, so daß zwischen dem Läufer und einem Ständer Reibung auftritt. Eine Verminderung der Schmierfilmdicke eines Lagers kann hingegen zur Folge haben, daß der Schmierfilm unterbrochen wird und die Temperatur der Lagerschalen in unzulässiger Weise ansteigt, was im Endeffekt zu Freßerscheinungen der Lagerauskleidung führt. Aus diesem Grunde erscheint es wichtig, daß die ein Achslager beaufschlagende Last während des Betriebs genau überwacht wird.

Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen, zur Überwachung des Betriebszustandes eines Achslagers die Temperatur des von dem Lager abgeführten Schmiermittels, den P^ruck des dem Lager zugeführten Schmiermittels und/oder die Temperatur der Lagerfläche des Lagers kontinuierlich zu überwachen und zu erfassen. Es zeigt sich jedoch, daß die Temperatur des einem Lager zugeführten bzw. davon abgeführten Schmiermittels von Änderungen der Lagerlast nicht direkt beeinflußbar ist. so daß es sehr schwierig ist, die Lagerlast ausschließlich auf der Grundlage der Schmiermitteltemperatur zu bestimmen. Da ferner der Druck des einem Lager zugeführten Öls nicht unmittelbar von der Lagerlast abhängt, können auch auf diese Weise nur ungenaue Aussagen über die Lagerlast gemacht werden. Schließlich erweist es sich auch als nicht möglich, die Lagerlast einzig und allein aufgrund der Temperatur der Lagerfläche des Lagers zu ermitteln.

In diesem Zusammenhang ist eine Meßeinrichtung bereits bekannt (siehe US-PS 41 18 933), bei welcher Dc hnungs- oder Längungsmesser an einer Lagerabstützung befestigt sind, um die Lagerlast zu erfassen. Jedoch erweist sich die Eichung einer derartigen Meßeinrichtung als relativ schwierig. Es sind ferner Meßvorrichtungen bekannt (siehe DE-OS 28 42 231 und DE-AS 28 30 170), bei welchen der Betriebszustand eines Lagers optisch erfaßt oder unter Messung der Lagerschwingungen indirekt ermittelt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung zum kontinuierlichen Überwachen eines Lagers während des Betriebs, indem in die Lagerlast aus dem Druck eines Schmiermittelfilms zwischen der Lagerflärhe und der Welle ermittelt wird. Das Verfahren nach der Erfindung zum Überwachen der Betriebszustände eines Achslagers mit einer Lagerfläche, die über einen Schmiermittelfilm eine i> Welle abstützt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Welle erfaßt wird, daß der Schmiermittelfilmdruck erfaßt wird, daß die Lagerlast mit Hilfe von experimentell ermittelten und in Speichereinheiten einer Überwachungseinrichtung abgespeicherten Wer- -"' tezuordnungen zwischen Drehzahl, Schmiermittelfilmdruck und l.agerlast berechnet wird, und daß eine Anzeige der zu überwachenden Betriebswerte erfolgt. Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein ·"' Drehzahlerfasser vorgesehen ist. der ein der Drehzahl entsprechendes Signal erzeugt, daß ein Druckerfasser vorgesehen ist, der ein dem Schmiermittelfilmdruck entsprechendes Signal erzeugt, daß ein Lastberechner und Speichereinheiten zur Berechnung der Lagerlast "' aus den dort abgespeicherten Wertezuordnungen vorgesehen ist, und daß eine Anzeige· und Alarmeinheit vorgesehen ist, die die zu überwachenden Betriebswerte anzeigt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsr> weise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein im wesentlichen mittiger Längsschnitt durch eine Lageranordnung;

Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der unteren Hälfteeines l.agerkörpers;

⁴ⁿ Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des von einem Strichlinienkreis umschlossenen Abschnitts IH von Fig.l:

F i g. 4 ein Blockschaltbild, das den Grundgedanken der Erfindung erläutert;

^J> F i g. 5 das BlockschaUbild der gesamten Überwachungseinrichtung nach der Erfindung:

F i g. 6 eine Grafik, die die Verteilung des Ölfilmdrucks am Grund einer Lagerfläche zeigt;

F i g. 7 eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem >° Ölfilmdruck und dem mittleren Oberflächendruck zei_v *„ die durch Versuche erhalten wurde;

F i g. 8 die durch Versuche erhaltene Beziehung zwischen der Drehzahl und der Konstanten;

F i g. 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 bis 1Od schematische Ansichten, die die Richtung der relativen Neigung zwischen Welle und Lagerfläche zeigen;

F i g. 11 ein Ablaufdiagramm der Logik der Vergleichs- und Entscheidungseinheit der Überwachungseinrichtung nach F i g. 5;

Fig. 12 die Verteilung des Ölfilmdrucks, die bei ^b5 Beaufschlagung des Lagers mit einer horizontal gerichteten Kraft bestimmt wurde; und

Fig. 13 die Beziehung zwischen der das Lager 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 halten.

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 verläutt; 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 Umfängst ^:chtung der Lagerfläche 8 entgegen der Umlaufrichtung der Welle 9 (mit R bezeichnet) verläuft.

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 21 auf, die mit einer axialen Endfläche 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 21 hat, sowie ferner eine axiale Bohrung 23, die in der unteren Lagtrschalenhälfte 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 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 Druckerfasser 31 über die Druckerfassungsbohrung 11, die Radialbohrung 22, die Axialbohrung 23 und den 90°-Rohrbogen 28 in Verbindung steht. Ein Temperaturerfasser 32 umfaßt eine Sonde 33, die in eine in der Scheibe 24 gebildete Bohrung und ein im Füllmaterial 27 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 den 90°-Rohrbogen 28 verlaufenden Zuleitungen 34 verbunden.

Die zweite, dritte und vierte Druckerfassungsbohrung

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

Das Blockschaltbild von F i g. 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 Lastberechner 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 Lasiberechner 3S berechnet in noch zu erläuternder Weise die das Lager 1 beaufschlagende Last auf der Grundlage der ihm zugeführten Signale und leitet 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, 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 de/ 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 Drezahlsignal 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 N'3drigdrehzahlsignal wird einem Niedrigdrehzahlbezugsrechenwert-Speicher 42 zugeführt, der einem Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 ein Bezugsrechenwertsignal entsprechend dem Niedrigdrehzahlsignal zuführt. Ebenso wird das Hochdrehzahlsignal einem Hochdrehzahlbezugsrechenwert-Speicher 44 zugeführt, der dem Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 ein Bezugsrechenwertsignal entsprechend dem Hochdrehzahlsignal zuführt.

F i g. 6 zeigt eine typische Schmiermittelfilmdruckvertei'ung am Grund der Lagerfläche 8, und zwar bei Hochdrehzahl- und bei Niedrigdrehzahl-Rotation. Das Lager nach F i g. 6 weist Aufbockbohrungen 51 und Aufbockvertiefungen 52 auf. Die Abszisse bezeichnet die Länge L des Lagers 1 in Achsrichtung, und die Ordinate bezeichnet den Schmiermittelfilmdruck P; eine Vollinie bezeichnet einen Schmiermittelfilmdruck, der bei Hochdrehzahlrotation erhalten wird, und eine Strichlinie bezeichnet einen Schmiermittelfilmdruck, der erhalten wird, wenn die Läuferlast von einem Aufbockdruck abgestützt ist oder die Drehzahl sehr niedrig ist Wie aus F i g. 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-Korrekturglied 43 korrigiert den Bezugsrechenwert entsprechend den

Werten des Schmiermittelfilmdrucks und der Temperatur der Lagerauskleidung, die von dem Druckerfasser 31 bzw. dem Temperaturerfasser 32 erfaßt wurden, so daß der Bezugsrechenwert dem Istzustand des Lagers 1 entspricht. Das vom Korrekturglied 43 berichtigte Signal wird dem La:;tberechner 38 zugeführt, der die Berechnungsergebnisse an die Anzeige- und Alarmeinheit 40 weiterleitet.

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

Pm=K ■ P»«

(1)

mit K= Konstante.

Fi g. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl N der Welle und dem durch Versuche ermittelten Wert der Konstanten K. Es ist ersichtlich, daß für F i g. 8 die Beziehung Κ~Λ/⁰¹⁵ gilt. Damit kann der mittlere Oberflächendruck Pm wie folgt geschrieben werden: 2ϊ

Pm=K'- Λ/⁰¹' · Ρ»« (2)

mit K'= Konstante.

Es wurde festgestellt, daß die Beziehung zwischen L/D und Pm die Bedingung Pm-(UD)⁰²* erfüllt. Somit kann der mittlere Oberflächendruck Pm wie folgt geschrieben werden:

Pm=K"- N ^r°·'* · (UD)w . pw (3)

mit K"= Konstante.

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

Pm = Ko

Kn-

(L/D)" ■ /V. (4)

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 F i g. 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 Schmiermittelfilmdruckverteilung am Grund der Lagerfläche, wobei diese Verteilung zu einem Zeitpunkt erfaßt wurde, in dem das Lager und die Welle zueinander geneigt waren. Dabei bezeichnet Ah die Größe der Neigung des Lagers über die gesamte axiale Länge L des Lagers, und Ah=O bezeichnet die Schmiermittelfilmdruckverteilung, die in einem Idealzustand erhalten wird. Die vorher erwähnten Bezugswerte Ko, Kn usw. treffen für den Fall zu, in dem die Bedingung Ah=O erfüllt ist Wenn Ah auf 0,15 und 030 mm geändert wird, erfährt der Schmiermittelfilmdruck eine starke Schwankung (vgl. F i g. 9). Damit kann der mittlere Lagerflächendruck erhalten werden, indem die vorgenannten Bezugswerte entsprechend der Änderung der Schmiermittelfilmdruckverteilung derart korrigiert werden, daß die Bedingung A h=0 erfüllt wird. In der Praxir- wurde experimentell gefunden, daß, wenn

50

60

65 die Druckerfassungsbohrung 11 zum Erfassen eines Schmiermittelfilmdrucks Pi und die Druckerfassungsbohrung 12 zum Erfassen eines Schmiermittelfilmdrucks Pi 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

[P= 1/2CP₁ + P₂)]

von P] und Pj mit (Px) = (Pi) im Idealzustand von Ah = O zusammenfällt. Damit hat das Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 die Funktion, Bezugswerte K\, Kj, Q und C₂, die in der Gleichung (4) auf P\ und P2 angewandt werden, zu korrigieren. Die Lagerlast W kann aus dem mittleren Lagerflächendruck Pm wie folgt erhalten werden:

W=Pm-L-D

LJri" des Schrfiisrmii-

telfilmdrucks 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. 10a und 10c zeigen die relativen Lagen von Welle und Lager von der Oberseite des Lagers her gesehen, und die F i g. 10b und 1Od zeigen die relativen Lagen von Welle und Lager von der Seite des Lagers her. Die Fig. 10a und 10b zeigen die axiale Neigung zwischen Welle und Lager, und die Fig. 10c und 1Od zeigen die horizontale Neigung zwischen beiden.

Nach F i g. 5 werden Drucksignale P\ — P* von den mit den vier Druckerfassungsbohrungen 11, 12, 14 und 16 verbundenen Druckerfassern 31 sowie Temperatursignale Ti - T₄ von den Temperaturerfassern 32 in eine Vergleichs- und Entscheidungseinheit 60 eingegeben, die einen Druckvergleicher 61, einen Temperaturvergleicher 62 und einen dritten Vergleicher 63 umfaßt. Der Druckvergleicher 61 vergleicht die Drucksignale Pi - P₄ mit vorgegebenen Schwellenwerten aus einem Schwellenwertspeicher 64 und führt die Drucksignale der Anzeige- und Alarmeinheit 40 zu, wenn sie at-normal sind; wenn sie normal sind, führt er sie dem dritten Vergleicher 63 zu. Ebenso vergleicht der Temperaturvergleicher 62 die Temperatursignale T]-T₄ 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 67 und führt die Signale, wenn sie abnormal sind, der Anzeige- und Alarmeinheit 40 und im Normalfall dem Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 zu.

F i g. 11 ist ein Ablaufdiagramm der Logik der Vergleichs- und Entscheidungseinheit 60 der Überwachungseinrichtung nach Fig.5. Der Druckvergleicher 61 umfaßt ein Logikglied 71, das die Druckdifferenzen AP] = P]-P₂ sowie AP₂ = P₃-P₄ auf der Grundlage der Drucksignale Pi-P₄ der Druckerfasser 31 berechnet, sowie ferner ein Logikglied 72, das die Druckdifferenzen AP] und AP₂ mit Schwellenwerten ερ, bzw. Bp₂ aus dem Schwellenwertspeicher 64 vergleicht und entscheidet, ob die Neigung zwischen der Welle 9 und dem Lager 1 abnormal oder normal ist. Ebenso umfaßt der Temperaturvergleicher 62 ein Logikglied 73, das Temperaturdifferenzen AT] = T]-T₂ und AT₂= Ί'3 — T₄

auf dti Grundlage der Temperatursignale T\ — 7} der Temperaturerfasser 32 berechne¹., und ferner ein Logikgliyd 74, das die Temperaturdifferenzen ΔΤ\ uid Δ Τι mit Schwellenwerten en bzw. ετ₂ aus dem Schwellenwertspeicher 66 vergleicht und entscheidet. ob die Neigung zwischen der Welle 9 und dem Lager 1 abnormal oder normal ist. Typischerweise werden als Schwellenwerte ερ_ι und Ep₂ Werte im Bereich zwischen 10 und 70x IO⁴ Pa und als Schwellenwerte ετ\ und Bt₂ Werte im Bereich zwischen 10 und 40°C ausgewählt. n>

Der dritte Vergleicher 63 umfaßt ein erstes Logikglied 76 und ein zweites Logikglied 77 zum Bestimmen der Richtung der Neigung zwischen der Welle 9 und dem Lager 1 auf der Grundlage des Produkts von AP] und Δ P₂ und des Produkts von Δ T\ und π Δ T₂. Insbesondere vergleicht das erste Logikglied 76 das Produkt von ΔΡ\ und ΔP₂ und das Produkt von ΔΤ\ und ΔΤι mit Schwellenwerten ερρ und err aus dem Schwellenwertspeicher 67 und entscheidet, daß die Welle 9 und das Lager 1 in Vertikairichtung zueinander geneigt sind, -'<* wenn die Beziehungen

ΔΡ\

ΔΤ₂>εττ

erfüllt sind. In diesem Fall wird ein Ausgangssignal des ersten Logikglieds 76 dem Bezugsrechenwert-Korrek- 2"> turglied 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: jo

Pm = Ko

(Σ

(UDY

Wenn die Beziehungen γ-,

ΔΡ\ ■ ΔΡ₂>ερρ und ΔΤ\ ■ ΔΤ₂>εττ

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 ΔP^ und ΔP₂ und das Produkt von Δ7Ί und ΔΤ₂ mit Schwellenwerten — sppbzw. -Erraus dem Schwellenwertspeicher 67 verglichen werden und entschieden wird, daß die WeMe 9 und das Lager 1 in Horizontalrichtung zueinander geneigt sind, wenn die Beziehungen

ΔΡ\ ■ ΔΡ₂<—ερρυτ\άΔΤ\ ■ ΔΤ₂< —εττ

erfüllt sind. In diesem Fall wird ein Ausgangssignal des zweiten Logikglieds 77 an das Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 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 erfaß, worden ist.

Das Bezugsrechenwert-Korrekturglied 43 liefert ein Ausgangssignal an den Lastberechner 38, der den mittleren Lagerflächendruck Pm aus den Schmiermittelfilmdrücken Pi und P₂ mittels der Glf'ch'jng (4) berechnet und die Lagerlast W auf dir Grundlage des mittleren Lagerflächendrucks 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 yVelle nicht nur mit einer Vertikalkraft, sondern auch mit einer Horizontalkraft in jedem der Lager beaufschlagt werden. Ferner würde eine Fehlkupplung ciie Beaufschlagung der Welle mit einer horizontal gerichteten Kraft zur Folge haben. Fig. 12 zeigt die Schmiermiueiiiimdruckveneiiung, die erhalten wird, wenn die Welle von einer horizontal verlaufenden Kraft beeinflußt wird. Wenn die Welle mit einer horizontal gerichteten Kraft Fh oder -Fh beaufschlagt wird, weicht der Druck des Schmiermittelfilms von seinen. Wert im Normalzustand, in dem Fh-O, ab, so daß es unmöglich wird, den mittleren Lagerflächendruck mittels der Gleichung (4) und die Lagerlast mittels der Gleichung (5) zu berechnen. In einer solchen Situation wird eine horizontal gerichtete Kraft aus den Schmiermittelfilmdruckverhällnissen P₁-P₁ZP₁ und P~₂ = P₂IP₄ in jedem Betriebszustand auf der Grundlage der Drucksignale Pi - Pt von den Druckerfassern 31 bestimmt. Die horizontal gerichtete Kraft kann mittels der folgenden Gleichung erhalten werden:

Fh= Kn' ■ [logfP, + P₂)] · (UD)* ■ N".

(6)

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen der horizontal gerichteteii Kraft Fh und dem Schmiermittelfilmdruck P am Grund der Lagerfläche, wenn die Welle mit 3000 U/min umläuft, in magern, die jeweils einen Durchmesser D von 254 mm und ein Verhältnis der axialen Länge L des Lagers zum Durchmesser D von UD=0,9 haben. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die horizontal gerichtete Kraft Fh im wesentlich-' λ dem Schmiermittelfilmdruck P proportional ist. Aufgrund dieser Proportionalitätsbeziehung wird der Schmiermittelfilmdruck, der bei Beaufschlagung der Welle mit der horizontal gerichteten Kraft erhalten wird, dahingehend korrigiert, daß ein Schmiermittelfilmdruck für den normalen Betriebszustand erhalten wird, und die Lagerlast W wird mittels der Gleichungen (4) und (5) berechnet.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche; —

1. Verfahren zum Oberwachen der Betriebszustände eines Achslagers mit einer Lagerfläche, die über einen Schmiermittelfilm eine Welle abstützt, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Drehzahl (N)der Welle (9) erfaßt wird,

— daß der Schmiermittelfilmdruck ^erfaßt wird, 10 —

— daß die Lagerlast (W) mit Hilfe von experimentell ermittelten und in Speichereinheiten einer Überwachungseinrichtung abgespeicherten Wertezuordnungen (F i g. 7, 8) zwischen Drehzahl (N), Schmiermittelfilmdruck (P) und Lagerlast (W) berechnet wird, und

— daß eine Anzeige der zu überwachenden Betriebswerte erfolgt

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Schmiermittelfilmdruck an einer Mehrzahl von Stellen auf der Lagerfläche erfaßt wird,

— daß die Neigung zwischen der Welle und dem Lager aus den Schmiermitte'filmdruckwerten ermittelt wird, und

— daß die Lagerlast aus dieser Neigung und der Drehzahl der Welle berechnet wird.

JO

3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet..

— daß die Temperatur der Laj irfläche erfaßt wird, und

— daß die Lagerlast aus der Drehzahl der Welle, dem Schmiermittelfilmdruck und der Temperatur der Lagerfläche berechnet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, -in dadurch gekennzeichnet,

— daß die Temperatur an einer Mehrzahl von Stellen an der Lagerfläche erfaßt wird, und

— daß die Neigung zwischen der Welle und dem Lager aus dem Schmiermittelfilmdruck und der Temperatur der Lagerfläche ermittelt wird.

5. Verfahren nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Schmiermittelfilmdruck an wenigstens zwei voneinander beabstandeten und in Achsrichtung der Lagerfläche miteinander fluchtenden Stellen erfaßt wird, und

— daß die Lagerlast aus dem Mittelwert (Pm) der Schmiermittelfilmdruckwerte und der Drehzahl der Welle berechnet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 4, M) dadurch gekennzeichnet,

— daß der Schmiermittelfilmdruck an voneinander beabstandeten ersten und zweiten Stellen der Lagerfläche auf einer ersten, zur Lagerachse ft? parallelen Axiallinie und an voneinander beabstandeten dritten und vierten Stellen der Lagerfläche auf einer zweiten, zur Lagerachse parallelen Axiallmie erfaßt wird,
daß die Temperatur der Lagerfläche an voneinander beabstandeten fünften und sechsten Stellen nahe der Lagerfläche auf einer dritten, zur Lagerachse parallelen Axiallinie und an voneinander beabstandeten siebten und achten Stellen nahe der Lagerfläche auf einer vierten, zur Lagerachse parallelen Axial'inie erfaßt wird, und

daß die Neigung zwischen der Welle und dem Lager aus dem Produkt 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 aus dem Produkt 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.

7. Verfahren nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite, dritte und vierte Stelle jeweils der fünften, sechsten, siebten und achten Stelle benachbart liegt.

8. Verfahren nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßte Wert der Drehzahl der Welle mit einem. Bezugswert verglichen wird, und

— ein Hochdrehzahl-Bezugsrechenwert erzeugt wird, wenn dii erfaßte Drehzahl höher als der Bezugswert ist,

— ein Niedrigdrehzahl-Bezugsrechenwert erzeugt wird, wenn die erfaßte Drehzahl niedriger als der Bezugswert ist, sowie

— die Schmiermittelfilmdruckwerte über den Hochdrehzahl-Bezugsrechenwert und den Niedrigdrehzahl-Bezugsrechenwert korrigiert werden.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß ein Drehzahlerfasser (36) vorgesehen ist, der ein der Drehzahl entsprechendes Signal erzeugt,

— daß ein Druckerfasser (31) vorgesehen ist, der ein dem Schmxrmittelfilmdruck entsprechendes Signal erzeugt,

— daß ein Lastberechner (38) und Speichereinheiten (42, 44, 64, 66, 67) zur Berechnung der Lagerlast aus den dort abgespeicherten Wertezuordnungen (F i g. 7,8) vorgesehen ist, und

— daß eine Anzeige- und Alarmeinheit (40) vorgesehen ist, die die zu überwachenden Betriebswerte anzeigt.

10. Einrichtung nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Druckerfasser (31) Signale erzeugt, die den Schmiermittelfilmdrücken an einer Mehrzahl von Stellen der Lagerfläche entsprechen,

— daß eine Vergleichs- und Entscheidungseinheit (60) ein Signal erzeugt, das der Neigung zwischen der Welle und dem Lager entspricht, und

— daß der Lastberechner (38) die Lagerlast aus

dem der Drehzahl entsprechenden Signal und dem Signal aus der Vergleichs- und Entscheidungseinheit (60) berechnet.

11. Einrichtung nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

— daß ein Temperaturerfasser (32) ein Signal erzeugt, das der Temperatur der Lagerfläche entspricht, und ι ο

— daß im Lastberechner (38) die Lagerlast aus den der Temperatur und der Drehzahl entsprechenden Signalen berechnet wird.

12. Einrichtung nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vergleichs- und Entscheidungseinheit (60)

ein Druckvergleicher (61) zum Vergleich der Signale aus dem Druckerfasser (31) mit Schwellenwerten aus einein Schwellenwertspeicher(64) vorgesehen ist,
ein Temperaturvergleicher (62) zum Vergleich der Signale aus dem Temperaturerfasser (32) mit Schwellenwerten aus einem Schwellenwertspeicher (66) vorgesehen ist, und
ein dritter Vergleicher (63) zum Vergleich der Ausgangssignale aus den Vergleichern (61, 62) mit weiteren Schwellenwerten aus einem Schwellenwertspeicher (67) vorgesehen ist,

und daß die Lagerlast im Lastberechner (38) aus dem der Drehzahl entsprechenden Signal und aus dem Ausgangssignal des dritten Vergleichers (63) berechnet wird.

13. Einrichtung nach dem Anspruch 12, 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\, P₂) und eine zweite Druckdifferenz (/4P₂) zwischen den an der dritten und der vierten Stelle (14, 16) erfaßten Drücken (Py, ft) bestimmt, und

— ein Logikglied (72), das die erste und die zweite Druckdifferenz (ΔΡ\, ΔΡ2) mit entsprechenden vorgegebenen Schwellenwerten (ε/»,, ?/*,) vergleicht und die Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager bestimmt,

— daß der Temperaturvergleicher (62) aufweist:

— ein Logikglied (73), das eine erste Temperaturdifferenz (ΔXi) zwischen den Temperaturen (T\, 7"₂), die an den der ersten und der zweiten Stelle (11, 12) benachbarten Stellen erfaßt wurden, und eine zweite Temperaturdifferenz (4T₂) zwischen den Temperaturen (T₃, T₄), die an den der dritten und der vierten Stelle (14, 16) benachbarten Stellen erfaßt wurden, bestimmt, und

— ein Logikglied (74), das die erste und die zweite Temperaturdifferenz (ΔTi, ΔΤ2) mit entsprechenden vorgegebenen Schwellenwerten (en ^cr₂) vergleicht und die Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager

25

65 bestimmt, und

— daß der dritte Vergleicher (63) das Produkt der ersten und der zweiten Druckdifferenz {ΔΡ\, ΔΡϊ) und das Produkt der ersten und zweiten Temperaturdifferenz (47ί, ΔΤϊ) mit entsprechenden vorgegebenen Schwellenwerten {tpp, 677) vergleicht und die Neigung zwischen der Welle (9) und dem Lager bestimmt

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

— daß der dritte Vergleicher (63) aufweist:

— ein Logikglied (76), das entscheidet, daß die Welle (9) und das Lager in Vertikalrichtung 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 Temperaturc*;erenz größer als ein zweiter der vorgegebenen Schwellenwerte ist, und

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

15. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch

— einen Drehzahlvergleicher (4i), 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

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

— ein Korrekturglied (43), das die Ausgangssignale des Druckerfassers (31) aus dem ersten und dem zweiten Signal des Drehzahlvergleichers (41) korrigiert und ein Signal erzeugt und der Lastberechner (38) die Lagerlast (W) aus den Ausgangssignalen des Drehzahlerfassers (35) und des Korrekiurglieds (43) berechnet.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch

— einen Hochdrehzahl-Bezugsrechenwertspeicher (44), der aufgrund des ersten Ausgangssignals des Drehzahlerfassers (36) dem Korrekturglied (43) ein Signal zuführt, das einem dem ersten Ausgangssignal entsprechenden Lagerlast-Bezugsrechenwert entspricht, und

— einen Niedrigdrehzahl-Bezugsrechenwertspeiclier (42), d?r aufgrund des zweiten Ausgangssignals des Drehzahlerfassers (36) dem Korrekturglied (43) ein Signal zuführt, das einem dem zweiten Ausgangssignal entsprechenden Lager-

last-Bezugsrechenwert entspricht.

17. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige- und Alarmeinheit (40) die Ausgangssignale des Druckvergleichers (61), des Temperaturvergleichers (62), des dritten Vergieichers (63) und des Lastberechners (38) anzeigt.