DE3929792A1

DE3929792A1 - Verfahren zum schuetzen einer rotationsmaschine

Info

Publication number: DE3929792A1
Application number: DE3929792A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Niinai; Norihisa Sagawa; Yasuhiro Kawai; Sadato Igarashi; Hisanobu Ohyama
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1990-03-15
Anticipated expiration: 2009-09-08
Also published as: DE3929792C2; US5160876A; JPH0274840A; JPH0726669B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen einer Rota tionsmaschine, wie eine Zentrifuge, mit einem mit hohen Ge schwindigkeiten rotierenden Rotationskörper oder Rotor.

Hochgeschwindigkeits-Rotationsmaschinen, wie Zentrifugen, neigen zur Erzeugung einer selbsterregten Vibration, wenn zu viel Zwischenraum zwischen den rotierenden Teilen besteht. Ferner befindet sich ein Rotor in solchen Maschinen in einem Ungleichgewichtszustand, wenn eine Probe von einem Anwender ungenau eingesetzt ist. In einem solchen vibrierenden Zu stand oszilliert der Rotor mit einer großen Vibrationsampli tude und die Lager, von denen der Rotor gehalten ist, unter liegen zunehmenden auf sie ausgeübten radialen Belastungen. Um die Beschädigung oder den Bruch der Lager zu verhindern, war es ein gebräuchliches Verfahren das Ungleichgewicht des Rotors in Abhängigkeit von der Vibrationsamplitude des Ro tors oder der Antriebswelle, mit der der Rotor verbunden ist, zu detektieren, so daß die Rotation des Rotors angehal ten wird, wenn die detektierte Vibrationsamplitude einen vorgegebenen zulässigen Wert A ₀ übersteigt, wie am Punkt e in Fig. 3 der zugehörigen Zeichnung gezeigt ist. Das her kömmliche Verfahren ist unbefriedigend, wenn der zulässige Wert relativ niedrig angesetzt ist, da die Detektion der Vibrationsamplitude des Rotors stark von externen Störungen beeinflußt ist. Dies führt dazu, daß die detektierte Vibra tionsamplitude solch einen niedrigen zulässigen Wert bereits unter dem Einfluß der externen Störungen überschreitet, was zu häufigem Anhalten des Rotors führt. Andererseits erlaubt ein hoch angesetzter zulässiger Wert A ₀ dem Rotor weiterhin zu rotieren, während er mit einer Vibrationsamplitude f oszilliert, die wenig kleiner als der zulässige Wert A ₀ ist.

Bei einer derartigen Betriebsart ist die Lebensdauer der Lager wesentlich herabgesetzt.

In Anbetracht der vorstehenden Schwierigkeiten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaf fen, um das Ungleichgewicht eines Rotationskörpers einer Ro tationsmaschine genau zu detektieren, ohne durch externe Stö rungen beeinflußt zu werden, wodurch die Rotationsmaschine vor einer Beschädigung geschützt ist, die durch ein Lagerver sagen verursacht werden kann.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schützen einer Rotationsmaschine geschaffen, die einen Rotationskörper enthält, der durch eine Antriebswelle mit einer Antriebseinheit verbunden ist und von dieser angetrie ben wird, wobei die Vibrationsamplitude entweder des Rota tionskörpers oder der Antriebswelle während der Rotation des Rotationskörpers und der Antriebswelle detektiert wird und die Antriebseinheit abgeschaltet wird, um die Rotation des Rotationskörpers und der Antriebswelle anzuhalten, wenn die detektierte Vibrationsamplitude einen vorgegebenen zulässi gen Wert überschreitet. Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß die Anzahl der vorgegebenen zulässigen Werte wenigstens zwei beträgt und das Abschalten der Antriebsein heit dann erfolgt, wenn eine vorgegebene Zeitspanne nach der Detektion der Vibrationsamplitude verstreicht, daß die vor gegebene Zeitspanne für jeden der beiden vorgegebenen zuläs sigen Werte vorgesehen ist, und daß die vorgegebene Zeitspan ne für einen der beiden vorgegebenen zulässigen Werte, der größer als der andere zulässige Wert ist, kürzer ist als die vorgegebene Zeitspanne, die für den anderen zulässigen Wert vorgesehen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführung stehen die Längen der vorgegebenen Zeitspannen in umgekehrtem Ver hältnis zu den Größen der zulässigen Werte.

Durch die Kombination der zulässigen Werte und der entspre chenden Zeitspannen, die für die Detektion der Vibrations amplituden auf den Niveaus der jeweiligen zulässigen Werte vorgesehen sind, kann die Detektion der Vibrationsamplitude genau erfolgen, auch wenn sie externen Störungen unterliegt. Eine derartige präzise Detektion entspricht genau der aktuel len Belastungsbedingung des Lagers und stellt sicher, daß die Rotationsmaschine angehalten wird, bevor sie durch ein Lagerversagen beschädigt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung des Vorgangs, bei dem eine Detektion eines Ungleichgewichts einer An triebswelle zum Schützen einer Rotationsmaschine ent sprechend der vorliegenden Erfindung erreicht wird, wobei der Graph die Beziehung zwischen der Vibra tionsamplitude einer Antriebswelle und der Detek tionsdauer der Vibrationsamplitude zeigt;

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Zentrifuge in Verbindung mit einer Sicherheitseinrichtung entspre chend der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 ist ein Graph ähnlich zu Fig. 1, der allerdings ein herkömmliches Ungleichgewichts-Detektions-System zeigt.

Eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die zugehörige Zeichnung genauer beschrieben.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt eine Rotationsmaschine mit einer eingebauten Sicherheitseinrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung eine Zentrifuge, die einen Rotationskörper oder Rotor 1 enthält, der eine Vielzahl von Hohlräumen oder Bohrungen aufweist, in denen eine Probe zur zentrifugalen Separation gehalten ist. Der Rotor 1 ist an einem Ende einer Antriebswelle 4 angebracht, deren anderes Ende mit der Welle eines Motors 6 verbunden ist. Die Antriebswelle 4 und ein Rotor des Motors 6 sind von einem Paar von Lagern 5 und 7 gehalten. Bei dieser Anordnung wird der Rotor 1 von dem Mo tor 6 über die Antriebswelle 4 angetrieben.

Die Sicherheitseinrichtung enthält einen Verschiebungssensor 3, wie z. B. einen Wirbelstrom-Verschiebungssensor oder ei nen kapazitiven Verschiebungssensor, der gegenüber der An triebswelle 4 angeordnet ist, um die Vibrationsamplitude der Antriebswelle 4 zu detektieren. Alternativ kann der Ver schiebungssensor 3 nahe dem Rand des Rotors 1 angebracht sein, um den Betrag des Ungleichgewichts des Rotors 1 in Ab hängigkeit von der Vibrationsamplitude des Rotors 1 zu detek tieren. Der Verschiebungssensor 3 ist mit einem elektrischen Kreis 8 verbunden, der wiederum mit einer Kontrolleinheit der Sicherheitseinrichtung verbunden ist. Der elektrische Kreis 8 enthält einen analog-digital (A/D) Wandler zur Digi talisierung des analogen Ausgangssignals des Verschiebungs sensors 3 bevor das Ausgangssignal von der Kontrolleinheit 9 verarbeitet wird. Die Kontrolleinheit 9 beinhaltet einen herkömmlichen Mikrocomputer bekannter Art, der (nicht darge stellt) eine Zentraleinheit (CPU), einen Lesespeicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine Eingang/Ausgang- Schnittstelle (I/O) enthält. Der Mikrocomputer dient zur Durchführung einer arithmetischen Rechenoperation gemäß ei nem darin gespeicherten Programm zur Berechnung eines auf der von dem Verschiebungssensor 3 eingegebenen Vibrationsam plitude basierenden Kontrollsignals und zur Weiterleitung des so berechneten Kontrollsignals an die Antriebseinheit 6, um diese abzuschalten.

In der Kontrolleinheit 9 sind drei vorgegebene zulässige Wer te A ₁, A ₂ und A ₃ (Fig. 1) für die Vibrationsamplitude der Antriebswelle 4 und drei vorgegebene Zeitspannen (t 4-t 1), (t 3-t 1) und (t 2-t 1) elektrisch gespeichert, die jeweils mit den zulässigen Werten A ₁, A ₂ und A ₃ zur Verarbeitung der detektierten Vibrationsamplitude der Antriebswelle kombiniert sind, um das Kontrollsignal für die Antriebseinheit 6 zu liefern. Die Dauer der Zeitspannen (t 4-t 1), (t 3-t 1), (t 2-t 1) steht in umgekehrten Verhältnis zur Größe der zulässigen Werte A ₁, A ₂ und A ₃. Der Grund hierfür ist die Lebensdauer der Lager 5, 7, welche durch ein Ansteigen der radialen Belastung der Lager 5, 7 (d. h. ein Anwachsen der Vibrationsamplitude der Antriebswelle 4 und des Rotors 1), wie mit der folgenden Gleichung dargestellt, vermindert wird.

L ₁₀ = (C/P) ^p × 10⁶

dabei bedeutet

L ₁₀ = Gesamtdrehzahl bei der 10% einer Gruppe au genscheinlich identischer Lager beschädigt ist,
C = dynamische Dauernennbelastung (N), nach Angabe für den jeweiligen Lagertyp,
P = dynamische radiale Äquivalentbelastung (N) und
p = Exponent (3 für Kugellager oder ¹⁰/₃ für Walzenlager).

Wie die Gleichung deutlich zeigt, muß eine größere Vibra tionsamplitude der Antriebswelle 4 (d. h. eine größere radia le Belastung der Lager 5, 7) über eine kürzere Zeitspanne de tektiert werden, um ein Versagen der Lager zu vermeiden.

Im folgenden ist die Wirkungsweise der Sicherheitseinrich tung der oben genannten Anordnung beschrieben. Die Vibra tionsamplitude der Antriebswelle 4 wird von dem Verschie bungssensor 3 detektiert, während der Rotor 1 und die An triebswelle 4 kontinuierlich durch die Antriebseinheit 6 angetrieben werden. Das Ausgangssignal des Sensors 3 wird durch den elektrischen Kreis 8 zur Kontrolleinheit 9 gelei tet. Wenn die detektierte Vibrationsamplitude der Antriebs welle 4 größer als der erste zulässige Wert A ₁ und kleiner als zweite zulässige Wert A ₂ ist, wie durch die dicke durch gezogene Linie in Fig. 1 dargestellt, so wird von der Kon trolleinheit 9 entschieden, herauszufinden, ob die detektier te Vibrationsamplitude auch nach Ablauf der ersten Zeitspan ne (t 4-t 1) noch vorhanden ist. Falls ja, so wird daraufhin nach Verstreichen der ersten Zeitspanne (durch den Punkt a dargestellt) die Kontrolleinheit 9 ein Kontrollsignal an die Antriebseinheit 6 abgeben, um diese abzuschalten, wodurch die Rotation des Rotors 1 angehalten wird. Andererseits gibt, falls die detektierte Vibrationsamplitude (durchgezo gene Linie) zur Zeit a nicht mehr vorhanden ist, die Kon trolleinheit 9 ein Kontrollsignal ab, um die Fortsetzung der Rotation des Rotors 1 zu erlauben. Wenn die detektierte Vi brationsamplitude im Bereich zwischen dem zweiten zulässigen Wert A ₂ und dem dritten zulässigen Wert A ₃ liegt, wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 1 dargestellt, wird durch die Kontrolleinheit eine Entscheidung getroffen, um herauszufinden, ob die detektierte Vibrationsamplitude nach Ablauf der zweiten Zeitspanne (t 3-t 1) noch vorhanden ist. Falls ja, wird daraufhin nach Verstreichen der zweiten Zeitspanne (durch den Punkt b dargestellt) die Kontrollein heit 9 ein Kontrollsignal an die Antriebseinheit 6 schicken, um diese abzuschalten. Somit ist dann die Rotation des Ro tors 1 beendet. Wenn die detektierte Vibrationsamplitude vor Ablauf der zweiten Zeitspanne verschwindet, wird die Rota tion des Rotors 1 nicht unterbrochen. In gleicher Weise wird, wenn die detektierte Vibrationsamplitude größer als der dritte zulässige Wert A ₃ ist, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt, durch die Kontrolleinheit 9 eine Entscheidung getroffen, um herauszufinden, ob die detektierte Vibrationsamplitude nach Ablauf der dritten Zeitspanne (t 2-t 1) noch vorhanden ist. Falls ja, wird darauf hin nach Verstreichen der dritten Zeitspanne (durch den Punkt c dargestellt) die Kontrolleinheit 9 ein Kontrollsig nal an die Antriebseinheit 6 abgeben, um die Rotation des Rotors 1 anzuhalten. Andererseits, falls die detektierte Vi brationsamplitude (gestrichelte Linie) zur Zeit c nicht mehr vorhanden ist, wird die Rotation des Rotors 1 nicht unterbro chen. Die Rotation des Rotors 1 wird ebenfalls nicht unter brochen, wenn die detektierte Vibrationsamplitude kleiner als der erste zulässige Wert A₁ ist. Auch wenn die detek tierte Vibrationsamplitude verursacht durch externe Störun gen schwankt und einen Spitzenwert enthält, der den zweiten zulässigen Wert A ₂ übersteigt, wie durch den Punkt d in Fig. 1 dargestellt, wird durch die Kontrolleinheit 9 eine Entscheidung getroffen, um herauszufinden, ob der Spitzen wert während der zweiten Zeitspanne (t 4-t 2) anhält. Klingt der Spitzenwert d vor Ablauf der zweiten Zeitspanne (durch den Punkt a dargestellt) ab, so gibt die Kontrolleinheit 9 kein Kontrollsignal zum Abschalten der Antriebseinheit 6 ab. Demgemäß wird der Rotor 1 weiterhin angetrieben.

Mit der beschriebenen Kombination einer Vielzahl vorgegebe ner zulässiger Werte und einer entsprechenden Anzahl von ver schiedenen Zeitspannen, die für die Detektion der Vibrations amplituden des Rotors oder der Antriebswelle auf den Niveaus der jeweiligen zulässigen Werte vorgesehen sind, kann die De tektion der Vibrationsampltidue exakt erfolgen, ohne durch externe Störungen beeinflußt zu werden. Eine solch präzise Detektion entspricht genau der aktuellen Belastungsbedingung des Lagers, so daß die Rotationsmaschine vor Schäden ge schützt werden kann, die durch ein Lagerversagen verursacht würden.

Claims

1. Verfahren zum Schützen einer Rotationsmaschine, die einen Rotationskörper (1) enthält, der mit einer Antriebseinheit (6) verbunden ist und von dieser angetrieben wird, wobei die Vibrationsamplitude des Rotationskörpers (1) während der Rotation des Rotations körpers (1) detektiert wird und die Antriebseinheit (6) abgeschaltet wird, um die Rotation des Rotationskörpers (1) anzuhalten, wenn die detektierte Vibrationsamplitu de einen vorgegebenen zulässigen Wert überschreitet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzahl der vorgegebenen zulässigen Werte wenig stens zwei beträgt und das Abschalten der Antriebsein heit (6) dann erfolgt, wenn eine vorgegebene Zeitspanne nach der Detektion der Vibrationsamplitude verstreicht,
daß die vorgegebene Zeitspanne für jeden der beiden vor gegebenen zulässigen Werte vorgesehen ist,
und daß die vorgegebene Zeitspanne für einen der beiden vorgegebenen zulässigen Werte, der größer als der ande re zulässige Wert ist, kürzer ist als die vorgegebene Zeitspanne, die für den anderen zulässigen Wert vorge sehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Längen der vorgegebenen Zeitspannen in umge kehrtem Verhältnis zu den Größen der zulässigen Werte stehen.