DE3214158A1 - Verfahren und ausgleichvorrichtung zum dynamischen auswuchten - Google Patents

Description

HOEGER, STELL*RECHrr j&.|P*AR-TJvTER

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c · D 7000 STUTTGART 1

A 45 151 b Anmelder: Jack H. Kerlin

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16. April 1982 Ann Arbor, Michigan 48103

USA

Verfahren und Ausgleichsvorrichtung zum dynamischen Auswuchten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verteilen einer als Ausgleichsmasse dienenden Ausgleichsflüssigkeit auf. mehrere, auf einem Kreisring angeordnete Kammern einer Ausgleichsvorrichtung zum Ausgleichen einer Unwucht eines rotierenden Elements sowie eine Ausgleichsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung befasst sich also mit einem Verfahren bzw. einem System zum dynamischen Auswuchten von rotierenden Elementen von Maschinen, wie z.B. Schleifmaschinen, Hochgeschwindigkeitsdrehbänken und Zentrifugen, bei denen während des normalen Betriebes ein Verlust des ausgewuchteten Zustands bzw. eine Änderung der Unwucht eintreten kann. Diese Unwucht wird dann erfindungsgemäß während des Betriebes korrigiert.

Bei gewissen Maschinen mit rotierenden Teilen ist für einen Massenausgleich bzw. ein Auswuchten im allgemeinen ein Stillsetzen der Maschine erforderlich, sobald ein zulässiger Grenzwert der Schwingungen überschritten wird. Der Massenausgleich wird dann durchgeführt, indem Gewichte von Hand in Stellungen ver-.

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schoben werden/ die von einem Vibrations-Messinstrument angezeigt wurden, um auf diese Weise den gewünschten Massenausgleich zu erhalten. Dabei sind im allgemeinen mehrere Anfahr-, Mess-, Stop- und Einstellvorgänge erforderlich, weil die Auswirkung der Einstellung bei stillstehender Maschine nicht festgestellt werden kann, sondern erst, wenn die Maschine nach einem Einstellvorgang hochgefahren und das Ausmaß der Vibrationen bestimmt wird.

Es ist ein klarer Vorteil sowohl hinsichtlich der Einstellzeit als auch hinsichtlich der Einstellgenauigkeit, wenn der Massenausgleich bei laufender Maschine durchgeführt werden kann, da dann die Wirkung der Einstellmaßnahmen sofort kontrolliert werden kann. Ausgleichsvorrichtungen, die bei laufender Maschine eingestellt werden können und üblicherweise als Unwuchtkompensatoren bezeichnet werden, können grob in zwei Kategorien unterteilt werden, nämlich in mechanische Ausgleichsvorrichtungen und in Flüssigkeitsausgleichsvorrichtungen.

Nahezu alle mechanischen Ausgleichsvorrichtungen bringen insofern Probleme mit sich, als es nicht möglich ist, sowohl eine große Unwucht als auch eine kleine Unwucht genau zu korrigieren. Schwere Gewichte, die für eine Grobkorrektur erforderlich sind, müssen nämlich für einen Feinabgleich außerordentlich genau positioniert werden. Wegen der hohen Zentrifugalkräfte ist eine solche Feineinstellung großer Gewichte bei

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hohen Drehzahlen besonders schwierig. Eine Feinauswuchtung lässt sich mit kleinen Gewichten leichter erreichen, wobei jedoch der Umfang der bei einer solchen Ausgleichsvorrichtung gegebenen Korrekturmöglichkeiten begrenzt ist. Weiterhin können mechanische Kompensatoren typischerweise nicht bei Geräten eingesetzt werden, bei denen eine große durchgehende öffnung benötigt wird.

Bei einem bekannten mechanischen Kompensator sind bewegliche Gewichte, beispielsweise zwei oder mehr Kugellager vorgesehen, die zu einem beliebigen Punkt einer Führung rollen können. Die meisten Maschinenspindeln sind "hart" montiert, was bedeutet, daß die Resonanzfrequenz der Spindel über der normalen Arbeitsgeschwindigkeit liegt, so daß die bekannte Ausgleichsvorrichtung dieser Art in diesem Fall die Unwucht tatsächlich verschlimmern würde.

Bei den Flüssigkeitskompensatoren gibt es wieder zwei Klassen, nämlich Ausgleichsvorrichtungen mit einer ringförmigen Kammer und mit mehreren Kammern.

Bei den Ausgleichsvorrichtungen der ersten Art, beispielsweise gemäß US-PS 1 209 7 30, ist ein ringförmiges Rohr bzw. ein Kanal vorgesehen, das bzw. der teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, die frei zu jeder Stelle des Ringes fließen kann. Eine Grundvoraussetzung für die Funktion dieser Ausgleichsvorrichtung ist eine "weiche" Aufhängung der Spindel. Eine Unwucht-Korrektur kann aber nicht unabhängig von den Vibrationspegeln

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aufrechterhalten werden. Mit einer Ausgleichsvorrichtung dieser Art können Vibrationen im Prinzip nie vollständig unterdrückt werden, sondern nur aufgrund der Massendämpfung verringert werden.

Bei der anderen bekannten Art von Flüssigkeitsausgleichsvorrichtungen mit mehreren, in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Kammern sind diese Kammern nicht miteinander verbunden, sondern jeweils mit einer zugeordneten ringförmigen Nut. Stationäre Düsen richten Flüssigkeitsstrahlen gegen die benachbarten Nuten, um die zugeordneten Kammern zu füllen. Die Flüssigkeit kann die Kammer, nachdem sie sich einmal in dieser befindet, nicht mehr verlassen, außer wenn die Spindel stillgesetzt bzw. die Rotationsbewegung unterbrochen wird, und wenn die Flüssigkeit dann aufgrund er Gewichtskraft ausfließen kann. Beim dynamischen Auswuchten mit dieser bekannten Vorrichtung ergibt sich also ein offener Zyklus, der.irreversibel ist.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren für einen dynamischen Unwuchtausgleich bzw. eine verbesserte Ausgleichsvorrichtung für die Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem bzw. mit der es möglich ist, einen kontinuierlichen dynamischen Unwuchtausgleich durchzuführen,, bei dem in einem geschlossenen Arbeitszyklus Korrekturen in jeder Richtung möglich sind, wobei der ausgewuchtete Zustand auch beim Stillstand erhalten bleiben soll.

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Diese Aufgabe wird, was das Verfahren anbelangt, gemäß der Frfindung durch die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1 gelöst.

Was die Ausgleichsvorrichtung anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Ausgleichsvorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst.

Der besondere Vorteil von Verfahren und Vorrichtung besteht darin, daß die Ausgleichsflüssigkeit nicht als "kompakte Masse" verschoben wird, sondern schrittweise in ganz kleinen Mengen in Form verdampfter Teile der Ausgleichflüssigkeit, so daß ein sehr exaktes dynamisches Auswuchten über einen großen Unwuchtbereich möglich wird. Das Fehlen beweglicher Gewichte und zugehöriger Verstelleinrichtungen ermöglicht dabei einen Unwuchtausgleich, dessen Geschwindigkeit nur durch Festigkeitsprobleme, d.h. nur durch die konstruktive Belastbarkeit der Teile der Ausgleichsvorrichtung begrenzt wird.

Erfindungsgemäß wird die Ausgleichsmasse zwischen symmetrisch auf einem Kreisring angeordneten Kammern übertragen, wobei der Transport der Ausgleichsmasse herbeigeführt wird, indem man zwischen den Flüssigkeiten in einander vorzugsweise gegenüberliegenden Kammern eine Temperaturdifferenz erzeugt. Wegen des höheren Dampfdrucks der wärmeren Flüssigkeit fließt dann .durch eine übertragungsleitung der Dampf zu ein oder mehreren gegenüberliegenden, kühleren Kammern,

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in denen der Dampf kondensiert.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die offenen Enden der Ausgleichsleitungen in den einzelnen Kammern so angeordnet sind, daß verhindert wird, daß die Flüssigkeit in die Ausgleichsleitung eintritt und zu einer anderen Kammer fließt, und zwar sowohl bei rotierender als auch bei in einer beliebigen Position stillstehender Ausgleichsvorrichtung. Die Ausgleichsflüssigkeit ist auf diese Weise also eingeschlossen,und lediglich der Dampf kann frei zwischen den einzelnen Kammern hin- und herströmen.

Das Erzeugen einer Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen der Ausgleichsflüssigkeit in einander gegenüberliegenden Kammern kann entweder allein durch Heiz- oder durch Kühleinrichtungen oder auch durch eine Kombination von Heiz- und Kühleinrichtungen erfolgen. Besonders vorteilhaft ist eine elektrische Widerstandsbeheizung oder eine Abkühlung aufgrund des Peltier-Effektes. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn besondere Vorkehrungen getroffen werden, die einen guten Wärmeaustausch zwischen der Innen- und der Außenseite der Kammern ermöglichen,wobei es sich als besonders günstig erwiesen hat, wenn an den Kammerwandungen Rippen vorgesehen sind oder wenn die Kammerwandungen durch Abschnitte von Wellrohren gebildet werden. Bei elektrisch betriebenen Heiz- oder Kühleinrichtungen ist es ferner vorteilhaft, den elektrischen Strom zu der rotierenden Ausgleichsvorrichtung über Schleifringe von einer

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äußeren Speisespannungsquelle zuzuführen. Gegebenenfalls kann auch eine zusammen mit der Ausgleichsvorrichtung umlaufende Batterie vorgesehen werden.

Die Ansteuerung der einzelnen Kammern kann über externe Schalteinrichtungen wie Schalter oder Relais erfolgen oder über fest mit der Ausgleichsvorrichtung verbundene Schalteinrichtungen, die auf Fernsteuersignale ansprechen. Diese Fernsteuersignale können elektromagnetische, akustische oder andere Signale sein, bei denen kein direkter physikalischer Kontakt zwischen der rotierenden Ausgleichsvorrichtung und nicht-rotierenden Elementen erforderlich ist.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn konventionelle elektronische Vibrationsmesseinrichtungen vorgesehen sind, die den Betrag und die Winkellage der Unwucht ermitteln, so daß für die Ausgleichsmassenänderung die richtigen Kammern ausgewählt bzw. angesteuert werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit einer erfindungsgemäßen, auf der Maschinenspindel montierten Ausgleichsvorrichtung ausgestatteten Maschine;

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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Ausgleichsvorrichtung gemäß der Erfindung?

Fig. 3 eine Stirnansicht der Ausgleichsvorrichtung gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 4 einen axialen Schnitt durch die Ausgleichsvorrichtung gemäß Fig. 3 längs der Linie 4-4 in dieser Figur;

Fig. 5 Detaildarstellungen zur Erläuterung der und Kammerform bei einer Ausgleichsvorrich-Fig. 6 tung gemäß der Erfindung und

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer Ausgleichsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Ausgleichsvorrichtung gemäß der Erfindung, die auf der Spindel einer Schleifmaschine angrenzend an eine Schleifscheibe 22 montiert ist. Die Schleifmaschine besitzt ein Gehäuse 2, in dem sich ein Antriebsmotor befindet. An dem Gehäuse 2 ist ein Vibrationswandler 4 befestigt. Außerdem ist ein berührungslos arbeitender Wandler 4a vorgesehen, der nachstehend als Positionswandler 4a bezeichnet wird. Die Ausgangssignale des Vi brationswandlers 4 und des Positionswandlers 4a, welche der Amplitude der Schwingung bzw. dem Drehwinkel der Spindel entsprechen, werden

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einem elektronischen Messgerät 3 zugeführt. Das Messgerät. 3 zeigt die Lage und das Ausmaß der nicht-ausgeglichenen Masse der Schleifscheibe 22 an. Dies kann erreicht werden, indem man den Phasenwinkel des Vibrationssignals vom Ausgang des Vibrationswandlers 4 in dem Messgerät 3 mit einem Bezugssignal vergleicht, wobei der Winkel der Phasendifferenz die Lage der nichtausgeglichenen Masse bezüglich des Umfangs der Schleifscheibe 22 anzeigt. Die Ausgleichsvorrichtung 1 wird bei einem solchen System entsprechend den Betriebsbedingungen und der zu erwartetenden Unwucht gewählt und über eine Schleifringanordnung 21 gespeist. Dabei besteht in diesen Fällen die Möglichkeit, die Ausgleichsvorrichtung automatisch über einen. Ausgang des Messgeräts 3 zu steuern, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgleichsvorrichtung 1, welche vier Kammern 5 bis 8 aufweist, die durch Trennwände 23 voneinander getrennt und jeweils mittels einer Heizvorrichtung 9 unabhängig voneinander beheizbar sind.

Bei der Ausgleichsvorrichtung gemäß Fig. 2 sind die einander gegenüberliegenden Kammern 6 und 8 über eine Rohrleitung 10 miteinander verbunden. In entsprechender Weise sind die Kammern 5 und 7 über eine Rohrleitung 11 miteinander verbunden.

Aus der vergrößerten Vorderansicht gemäß Fig. 3 und dem Längsschnitt gemäß Fig. 4 wird deutlich, daß die

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einzelnen Kammern 5 bis 8 aus Wellrohrelementen bestehen, wie dies in Fig. 5 und 6 detailliert dargestellt ist. Die einzelnen Wellen bzw. Rippen 15 der Kammerwandung fördern dabei die Wärmeübertragung über eine größere Oberfläche, welche auf der Innenseite in Kontakt mit einer Ausgleichflüssigkeit 16 und auf der Außenseite in Kontakt mit der Umgebung, normalerweise Luft, steht. Aus Fig. 3 bis 6 wird ferner deutlich, daß die Heizvorrichtungen beim Ausführungsbeispiel elektrische Heizdrähte mit einer Isolierung sind, die zwischen den Rippen 15 wendelförmig um die Kammern 5 bis 8 herumgewickelt sind. Die Enden der Heizdrähte bzw. die Anschlußleitungen der Heizvorrichtungen 9 sind zu einem Kabel 19 zusammengefasst und enden in Bürsten, die in Kontakt mit Schleifringen 18 stehen. Dabei sind die Schleifringe 18 durch Lager 20 gelagert, welche ihrerseits in ein Schleifringgehäuse 20' an der Vorderseite des Gehäuses der Ausgleichsvorrichtung 1 eingesetzt sind. Die Bürsten drehen sich also gemeinsam mit der Ausgleichsvorrichtung 1, während die Schleifringe 18 eine stationäre Lage beibehalten. Die Zuleitungen zu den stationären Schleifringen sind zu einem Kabel 17 zusammengefasst, welches mit einer Spannungsquelle und zugehörigen Steuereinrichtungen verbunden ist, die beispielsweise Bestandteil des Messgeräts 3 sein können. Gehäuseöffnungen 13 und 14 der Ausgleichsvorrichtung 1, die in unterschiedlichen radialen Abständen vor. der Drehachse der Ausgleichsvorrichtung 1 angebracht sind, dienen dazu, eine Kühlmittelströmung, insbesondere eine Luftströmung zu

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erzeugen, welche der Abkühlung der Kammern dient.

Wie aus Fig. 3 und 4 deutlich wird, liegen die offenen Enden der Rohrleitungen 10 und 11 in der Nähe des geometrischen Mittelpunktes der Kammern 5 bis 8. Weiterhin erkennt man, daß die Kammern 5 bis 8 nur teilweise mit der Ausgleichsflüssigkeit 16 gefüllt sind, derart, daß es unter keinen Umständen möglich ist, daß eine der Kammern 5 bis 8 so viel Ausgleichsflüssigkeit 16 enthält, daß mehr als die Hälfte ihres Gesamtvolumens mit Ausgleichsflüssigkeit gefüllt ist. Der Pegel der Ausgleichsflüssigkeit 16 erreicht also niemals die offenen Enden der Rohrleitungen 10 und 11, und zwar unabhängig davon, ob sich die Ausgleichsvorrichtung 1 dreht oder stillsteht. Der verbleibende Teil des Kammervolumens dient als Dampfkondensator, aus dem die Verflüssigungswärme über die gewählte Wandung der Kammer abgeführt wird.

Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 jeweils die einander gegenüberliegenden Kammern 6 und.8 bzw. 5 und 7 über die Rohrleitungen 10 und 11 miteinander verbunden sind, zeigt Fig. 7 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel· einer Ausgleichsvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der drei Kammern 12 mit jeweils einer Heizvorrichtung 9 vorgesehen sind, und bei der alle drei Kammern 12 miteinander über eine sternförmige Rohrleitungsanordnung 24 miteinander in Verbindung stehen.

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Bei der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung können die einzelnen Heizvorrichtungen 9 selektiv eingeschaltet werden/ so daß sie die in der betreffenden Kammer befindliche Ausgleichsflüssigkeit verdampfen, woraufhin der entstehende Dampf zu ein oder mehreren anderen Kammern strömt und dort kondensiert. Auf diese VJeise kann der Füllstand in den einzelnen Kammern so geregelt werden, daß eine Unwucht, beispielsweise die Unwucht der Schleifscheibe 22, zumindest weitgehend ausgeglichen wird.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   1. / Verfahren zum Verteilen einer als Ausgleichsmasse dienenden Ausgleichsflüssigkeit auf mehrere, auf einem Kreisring angeordnete Kammern einer Ausgleichsvorrichtung zum Ausgleichen einer Unwucht eines rotierenden Elements, gekennzeichnet durch folgende Verfahrenssehritte:

   a) man verbindet jede der Kammern mittels einer Ausgleichsleitung mit mindestens einer weiteren Kammer und

   b) man erzeugt in mindestens einer der Kammern, in der sich zu diesem Zeitpunkt eine zu große Menge an Ausgleichsflüssigkeit befindet, Bedingungen, unter denen die Ausgleichsflüssigkeit verdampft und unter denen der so erzeugte Dampf über die zugeordnete Ausgleichsleitung zu mindestens einer anderen Kammer strömt, um dort zu kondensieren.

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   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Kammern erzeugt und daß man den aufgrund der Temperaturdifferenz und der entsprechenden Dampfdruckdifferenz entstehenden Dampf von mindestens einer der Kammern zu mindestens einer anderen Kammer strömen lässt.

   Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß man die Ausgleichsflüssigkeit in einer ersten Kammer derart erhitzt, daß dort Dampf entsteht, daß man diesen Dampf zu mindestens einer der übrigen Kammern strömen lässt und daß man den Dampf in dieser Kammer durch Abkühlung kondensieren lässt.

   Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die offenen Enden der Ausgleichsleitungen im wesentlichen am räumlichen Mittelpunkt der Kammern anordnet, und daß man bei η = 1,2,... miteinander verbundenen Kammern jeweils maximal den η-ten Teil des Gesamtvolumens der Kammern mit Ausgleichsflüssigkeit füllt. Ausgleichsvorrichtung für den Ausgleich einer Unwucht eines rotierenden Elements mit mehreren, auf einem Kreisring angeordneten Kammern, denen zur Erhöhung ihres Füllstandes während des Betriebes eine als Ausgleichsmasse dienende Ausgleichsflüssigkeit zuführbar ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1

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   bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern •;5 bis 8; 12) teilweise mit der verdampf baren Ausgleichsflüssigkeit gefüllt sind, daß Ausgleichsleitungen (10, 11; 24) vorgesehen sind, über die jede der Kammern (5 bis 8; 12) mit mindestens einer anderen Kammer (5 bis 8; 12) verbunden ist und daß selektiv betätigbare Einrichtungen (9) vorgesehen sind, mit deren Hilfe in den einzelnen Kammern (5 bis 8; 12) derart unterschiedliche Bedingungen herbeiführbar sind, daß aus der Ausgleichsflüssigkeit erzeugter Dampf aus mindestens einer der Kammern (5 bis 8; 12) über mindestens eine zugeordnete Ausgleichsleitung (10, 11; 24) in mindestens eine andere Kammer (5 bis 8; 12) einleitbar ist.

   6. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiv betätigbaren Einrichtungen (9) derart ausgebildet sind, daß mit ihrer Hilfe eine Wärmezufuhr und eine Wärmeabfuhr zu bzw. von der Ausgleichsflüssigkeit und dem daraus erzeugten Dampf herbeiführbar ist.

   7. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (5 bis 8; 12) mit Rippen (15) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Dampf bzw. der Flüssigkeit in den Kammern (5 bis 8; 12) und der äußeren Umgebung der Kammern (5 bis 8; 12) versehen sind.

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   8. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der. Kammern (5 bis 8; 12) mindestens teilweise durch Wellrohrabschnitte gebildet sind.

   9. Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als selektiv betätigbare Einrichtungen (9) Heizdrähte vorgesehen sind/ welche insbesondere wendelförmig um die Kammern herumgelegt sind.

   10. Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsleitungen als Rohrleitungen (10, 11; 24) ausgebildet sind.

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