DE3248085A1 - Method and device for balancing rotating systems during operation - Google Patents
Method and device for balancing rotating systems during operationInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Auswuchten rotierender Systeme Method and device for balancing rotating systems
während des Betriebes Durch die stetig steigenden Drehzahlen im Maschinen- und Cerätebau und die immer höheren Anforderungen an die Laufruhe von rotierenden Systemen wird die Schwingungsbekämpfung zunehmend wichtiger. during operation Due to the steadily increasing speeds in the machine and Cerätebau and the ever increasing demands on the smoothness of rotating Vibration control is becoming increasingly important in systems.
Derartige unerwünschte Schwingungen werden durch Auswuchten minimiert. Beim Auswuchten wird dabei die Massenverteilung der rotierenden Körper derart verbessert, daß deren Lagerung nicht durch umiauffrequente, periodische Kräfte beansprucht wird. Das Auswuchten wird bisher nach folgenden Verfahren durchgeführt, die alle nicht völlig befriedigen: 1. Beim statischen Auswuchten werden nur Einzelunwuchten oder Resultierende eines Unwuchtkreuzes aufgedeckt, niemals ein Unwuchtpaar. Das Verfahren ist bei schmalen Körpern mit geringem Axialschlag in der Regel ausreichend. Es wird häufig zum Auswuchten von Schleifscheiben eingesetzt. Such unwanted vibrations are minimized by balancing. When balancing, the mass distribution of the rotating body is improved in such a way that that their storage is not stressed by frequent, periodic forces. Up to now, balancing has been carried out by the following procedures, none of which completely satisfactory: 1. With static balancing, only single imbalances or Resultant of an imbalance cross revealed, never an imbalance pair. The procedure is usually sufficient for narrow bodies with low axial runout. It will often used for balancing grinding wheels.
2. Das rotierende Teil oder die Einzelteile werden auf einer Auswuchtmaschine gewuchtet. Anschließend erfolgt die Montage der Teile.2. The rotating part or the individual parts are on a balancing machine balanced. The parts are then assembled.
Bei diesem Verfahren wird zwar die ungleiche Massenverteilung der rotierenden Teile weitgehend ausgeglichen, die Unwuchten, die durch Lageversatz der Teile zur Drehachse entstehen, werden nicht berücksichtigt. Trotzdem ist dieses Verfahren am besten eingeführt, weil es sich gut automatisieren läßt und gut durchführbar ist. In this process, the uneven mass distribution of the rotating parts largely compensated for the imbalances caused by misalignment of the parts to the axis of rotation are not taken into account. Still this is Procedures are best implemented because they are easy to automate and easy to implement is.
3. Um die fehlerhafte Montage von rotierenden Teilen oder Abnutzungen beziehungsweise Ablagerungen ausgleichen zu können, ist das Auswuchten während des Betriebes des rotierenden Systems erforderlich. Dazu werden durch Meß- und Testläufe die Unwuchte ermittelt und anschließend im Stillstand ausgeglichen. Dieses Verfahren ist vor allem bei Reparaturen und im Großmaschinenbau anzutreffen.3. To the incorrect assembly of rotating parts or wear and tear balancing during the Operation of the rotating system required. This is done through measurement and test runs the imbalance is determined and then compensated at a standstill. This method is mainly found in repairs and in large machine construction.
4. Um eine häufige Anpassung an die geforderte Unwuchtgüte zu ermöglichen, wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem in Kammern, die auf dem Rotor angebracht sind, Flüssigkeit während der Rotation eingespritzt wird. 4. To enable frequent adjustments to the required unbalance quality, a process was developed in which in chambers that are attached to the rotor liquid is injected during rotation.
Das Verfahren ist verhältnismäßig träge. Außerdem wird durch die Kammern am Rotor die Masse vergrößert. Für sehr schnell rotierende Systeme ist dieses Verfahren aufgrund seiner Trägheit ungeeignet. The process is relatively sluggish. In addition, the Chambers on the rotor increase the mass. For very fast rotating systems this is Procedure unsuitable due to its inertia.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Auswuchten von rotierenden Systemen während der Rotation zu schaffen, das die Nachteile der bisher bekannten Auswuchtverfahren vermeidet. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden. The present invention is based on the object of a method for balancing rotating systems during rotation to create the Avoids disadvantages of the previously known balancing methods. Furthermore, a Apparatus for performing this method are created.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem rotierendem System während der Rotation ein Ring aus einem magnetischen Fluid ausgebildet wird, der konzentrisch zur Rotationsachse rotiert und von einem Elektromagneten umschlossen ist, dessen Magnetfeld zur Kompensation der während der Rotation gemessenen Schwingungen die scheinbare Dichte des magnetischen Fluids verändert. Erfindungsgemäß wird es somit möglich, durch Umsetzung der während der Rotation gemessenen Schwingungen des rotierenden Systems in Steuersignale für das Magnetfeld und sich hieraus ergebende Beeinflussung der scheinbaren Dichte beziehungsweise Masseverteilung des magnetischen Fluidringes die unerwünschten Schwingungen während der Rotation auszuschalten. This object is achieved in that in the rotating A ring of a magnetic fluid is formed during the rotation of the system, which rotates concentrically to the axis of rotation and is enclosed by an electromagnet whose magnetic field is used to compensate for the vibrations measured during rotation changes the apparent density of the magnetic fluid. According to the invention it becomes thus possible by converting the vibrations measured during rotation of the rotating system into control signals for the magnetic field and the resulting Influencing the apparent density or mass distribution of the magnetic Fluid ring to switch off the unwanted vibrations during rotation.
Durch diese Möglichkeit, unerwünschte Schwingungen beziehungsweise Unwucht während der Rotation zu kompensieren, bietet die vorliegende Erfindung wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere auch insofern als die vorliegende Erfindung hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit keinen Beschränkungen unterworfen ist und auch für sehr schnell drehende Systeme geeignet ist. Die Tatsache, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Unwucht während der Rotation des Systems kompensiert wird, ist besonders dann von Vorteil, wenn unerwünschte Schwingungen durch Zubehörteile eines Rotationssystems ausgelöst werden, beispielsweise durch Schleifscheiben, Fräser oder andere Werkzeuge bei Hochleistungsspindeln für Werkzeugmaschinen. Derartige Spindeln zum Schleifen und Fräsen mit hohen und höchsten Geschwindigkeiten stellen somit bevorzugte Anwendungsfälle für die vorliegende Erfindung dar. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise Zentrifugen, Turbinen, Hochleistungsvacuumpumpen wie beispielsweise Turbomolekularpumpen.Through this possibility, unwanted vibrations respectively To compensate for unbalance during the rotation, the present invention offers essential Advantages over the prior art, in particular also insofar as the present one Invention in terms of the speed of rotation is not subject to any restrictions and is also suitable for very fast rotating systems. The fact that according to of the present invention compensates for the imbalance during rotation of the system is particularly advantageous when unwanted vibrations are caused by accessories a rotation system, for example by grinding wheels, milling cutters or other tools for high-performance spindles for machine tools. Such Provide spindles for grinding and milling at high and very high speeds thus represent preferred applications for the present invention. Further possible applications are for example centrifuges, turbines, high-performance vacuum pumps such as Turbo molecular pumps.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 und Figur 2 Prinzipdarstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.Embodiments of the present invention are based on the following the drawing explained in detail. They show: FIG. 1 and FIG. 2 basic representations of the method according to the invention.
Figur 3 eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form einer erfindungsgemäß ausgestalteten wälzgelagerten Spindel.Figure 3 shows a preferred embodiment of the present invention in the form of a roller-bearing spindle designed according to the invention.
Figur 4 bis 6 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Figure 4 to 6 further embodiments of the device according to the invention.
Figur 7 eine beispielhafte Ausführungsform einer Steuerung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Figure 7 shows an exemplary embodiment of a control for implementation of the method according to the invention.
Gemäß Figur 1 ist eine rotierende Welle 21 von einem ringförmigen Körper 22 umgeben, worin ein magnetisches Fluid 23 angeordnet ist.According to Figure 1, a rotating shaft 21 is of an annular Surround body 22, in which a magnetic fluid 23 is arranged.
Dieses magnetische Fluid 23, das sich unter der Wirkung der Fliegkraft während der Rotation gleichmäßig in dem Ring 22 verteilt, wird durch ein schematisch dargestelltes Magnetfeld 24 innerhalb des Ringes 22 durch Veränderung der scheinbaren Dichte beziehungsweise radialen Dicke des Ringes 22 in solcher Menge konzentriert, daß die Unwucht U des rotierenden Systems kompensiert wird. Das in Figur 1 schematisch dargestellte Magnetfeld 24 wird elektrisch gesteuert und rotiert vorzugsweise genau mit der Umlauffrequenz der rotierenden Welle 1. Zur Feststellung der die Unwucht verursachende Schwingungsursache können an sich bekannte Meß-, Analyse- und Rechensysteme verwendet werden, wie sie ähnlich bei einem Auswuchtgerät zur Ermittlung der Größe und Lage einer Unwucht Anwendung finden.This magnetic fluid 23, which is under the action of the force of fly distributed evenly in the ring 22 during the rotation, is shown schematically by a Illustrated magnetic field 24 within the ring 22 by changing the apparent Concentrated density or radial thickness of the ring 22 in such an amount that the unbalance U of the rotating system is compensated. That in Figure 1 schematically The illustrated magnetic field 24 is electrically controlled and preferably rotates precisely with the rotational frequency of the rotating shaft 1. To determine the imbalance The cause of the vibration can be known per se measurement, analysis and computing systems can be used as they are used in a balancing device to determine the size and location of an imbalance apply.
Jedem Fachmann sind die hierzu erforderlichen Maßnahmen und Geräte bekannt. Die Meßmethode ist beispielhaft und schematisch in Figur 2 erläutert. Durch einen Drehzahlaufnehmer 25 wird über eine Marke 26 die Umlauffrequenz des rotierenden Systems erfaßt.The necessary measures and devices are available to every specialist known. The measurement method is explained schematically and by way of example in FIG. By a speed pickup 25 is a mark 26, the rotational frequency of the rotating System captured.
Mit einem Rechner wird auf der Grundlage der Meßergebnisse ermittelt, an welcher Stelle des rotierendem Systems eine Masseveränderung stattzufinden hat, um in der richtigen Winkellage die Unwucht auszugleichen. Die Rechenergebnisse des Computers werden in an sich bekannter Weise in Steuersignale für das Magnetfeld 24 umgesetzt, welches durch entsprechende Verlagerung der Masse des magnetischen Fluids die entsprechende Schwingungskompensation herbeiführt.A computer is used on the basis of the measurement results to determine at which point of the rotating system a change in mass has to take place, in order to compensate for the unbalance in the correct angular position. The calculation results of the Computers are used in a manner known per se in control signals for the magnetic field 24 implemented, which by shifting the mass of the magnetic Fluids brings about the appropriate vibration compensation.
Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung können je nach Art des rotierenden Teils eine oder mehrere magnetische Flüssigkeitsringe Anwendung finden. So wird für einen scheibenförmigen Rotor ein Ring ausreichen, ab einer gewissen Länge sind bei starren Rotoren zwei oder mehrere Ringe mit magnetischem Fluid vorteilhaft.To carry out the present invention, depending on the type of rotating part find one or more magnetic liquid rings application. For a disc-shaped rotor, one ring will suffice, from a certain point onwards In the case of rigid rotors, two or more rings with magnetic fluid are advantageous.
Bei biegeelastischen Rotoren sind in der Regel mehrere magnetische Flüssigkeitsringe vorteilhaft.In the case of flexible rotors, there are usually several magnetic ones Liquid rings advantageous.
In Figur 3 ist eine bevorzugte Auführungsform der Erfindung in Form einer Spindel, die vorzugsweise für Schleifarbeiten eingesetzt wird, gezeigt, bei der während des Betriebs in zwei Ebenen mit magnetischem Fluid ausgewuchtet wird. Dabei ist eine rotierende Welle 1 in Wälzlagern 2 gelagert. Die Lager 2 werden gegeneinander durch ein Federpaket 3 vorgespannt. Mit einem Drehwertaufnehmer 4 werden über einen Impulsgeber 5 Drehzahl und Winkellage der Welle erfaßt. Durch Schwingungsaufnehmer 6 werden die Schwingungen gemessen und in einem Analysator die umlauffrequenten Schwingungsanteile ermittelt. In einem Rechner können nun die notwendigen Massen und zugehörigen Winkellagen für den Unwuchtausgleich in jeder Ebene ermittelt werden. Der Massenausgleich erfolgt, indem ein magnetisierbares Fluid in einem Ringkanal 7 durch ein Magnetfeld in der Lage radial zur Drehachse beeinflußt wird, wodurch sich der Fluidring, der sich durch die Drehung ausbildet, in seiner Wandstärke und damit der lokalen Masse verändert. Das Magnetfeld, das in einer Wicklung 8 über einem Blechpaket 9 erzeugt wird, wird in seiner Intensität und Winkelgeschwindigkeit gesteuert. Die Intensität bestimmt die Dichte beziehungsweise den radialen Dickenverlauf des magnetischen Fluidringes, während die Winkelgeschwindigkeit beim Unwuchtausgleich mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle identisch sein muß. Der Ringkanal 7 wird durch eine Hülse 10 abgedeckt und durch Dichtringe 11 abgedichtet.In Figure 3, a preferred embodiment of the invention is in form a spindle, which is preferably used for grinding work, shown in which is balanced in two planes with magnetic fluid during operation. A rotating shaft 1 is supported in roller bearings 2. The bearings 2 are against each other biased by a spring package 3. With a rotary transducer 4 are about a Pulse generator 5 speed and angular position of the shaft recorded. Through vibration sensors 6 the vibrations are measured and the rotational frequencies are measured in an analyzer Vibration components determined. The necessary masses can now be stored in a computer and the associated angular positions for unbalance compensation can be determined in each plane. The mass balance takes place by placing a magnetizable fluid in an annular channel 7 is influenced by a magnetic field in the position radially to the axis of rotation, whereby the fluid ring, which is formed by the rotation, in its wall thickness and thus changing the local mass. The magnetic field in a winding 8 over a laminated core 9 is generated, is in its intensity and angular velocity controlled. The intensity determines the density or the radial thickness profile of the magnetic fluid ring, while the angular velocity during unbalance compensation must be identical to the angular velocity of the shaft. The ring channel 7 is covered by a sleeve 10 and sealed by sealing rings 11.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Wälzlagerung dargestellt.In this embodiment, a roller bearing is shown.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch bei allen anderen Lagerungen wie Gleitlagern, hydrodynamischen und hydrostatischen Lagern, Magnetlagern und Luftlagerungen Anwendung finden.The method according to the invention can, however, also be used for all other types of storage such as plain bearings, hydrodynamic and hydrostatic bearings, magnetic bearings and air bearings Find application.
Die Figuren 4 und 5 zeigen mögliche Ausführungsformen des Ringkanals 22. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 handelt es sich um einen einseitig offenen Ringkanal, während der Ringkanal gemäß Figur 5 geschlossen ist. Bei beiden Ausführungsformen gemäß Figur 4 und 5 ist das magnetische Fluid 23 durch die Wirkung des in einer Wicklung 8 über einem Blechpaket 9 erzeugten Magnetfeldes verstärkt zu der Seite des Magnetfeldes hin verlagert.Figures 4 and 5 show possible embodiments of the ring channel 22. The embodiment according to FIG. 4 is one that is open on one side Ring channel, while the ring channel according to Figure 5 is closed. In both embodiments According to Figures 4 and 5, the magnetic fluid 23 by the action of in a Winding 8 over a laminated core 9 generated magnetic field reinforced to the side shifted towards the magnetic field.
In Figur 6 ist in schematischer Weise die Beeinflussung des magnetischen Fluids 23 innerhalb eines eine rotierende Welle 1 umgebenden Ringkanals 22 durch drei symmetrisch am Umfang des Ringkanals angeordnete Magnetspulen gezeigt.In Figure 6 is the influencing of the magnetic in a schematic manner Fluids 23 within an annular channel 22 surrounding a rotating shaft 1 three magnet coils arranged symmetrically on the circumference of the annular channel are shown.
In Figur 7 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer Steuerung für das rotierende Magnetfeld gezeigt. Die Einrichtung besteht aus verschiedenen Transistoren, über die der Stromfluß zwischen den Wicklungen W1, W2 und W3 gelenkt wird. Werden die Transistoren P1 und P4 angesteuert, so fließt der Strom über die Wicklungen W1 und W2. Anschließend werden P3 und P6 angesteuert und der Strom fließt über W2 und W3. Zuletzt sind mit P5 und P2 die Wicklungen W3 und W1 unter Strom. Die Anzahl der Wicklungen bestimmt die Laufruhe des Magnetfeldes.In Figure 7 is an example of an embodiment of a controller for the rotating magnetic field shown. The device consists of different transistors, Via which the current flow between the windings W1, W2 and W3 is directed. Will If the transistors P1 and P4 are activated, the current flows through the windings W1 and W2. Then P3 and P6 are activated and the current flows through W2 and W3. Finally, the windings W3 and W1 are energized with P5 and P2. The number of the windings determines the smoothness of the magnetic field.
Die in Figur 7 dargestellte Steuerung ist lediglich ein Beispiel für hier bestehende Möglichkeiten. Jeder Fachmann kennt aufgrund seines Fachwissens weitere in Frage kommenden Möglichkeiten.The control shown in Figure 7 is only an example of here existing possibilities. Every specialist knows because of his specialist knowledge other possible options.
Magnetisierbare Fluide, wie sie bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Sie sind beispielsweise beschrieben in "Technica" 14/1976, Seite 959, den US-Patentschriften 4167726 und 4293137 sowie der ASME publication "The Broad New Applications of Ferrolubricants" von F.D. Ezekiel vom 1. April 1974.Magnetizable fluids, as used in the implementation of the invention Process can be used are known to the person skilled in the art. You are for example described in "Technica" 14/1976, page 959, U.S. Patents 4,167,726 and 4293137 and the ASME publication "The Broad New Applications of Ferrolubricants" by F.D. Ezekiel on April 1, 1974.
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| DE3248085C2 (en) | 1986-07-03 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: GMN GEORG MUELLER NUERNBERG AG, 8500 NUERNBERG, DE |
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |