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Gerät zum Messen von rasch verlaufenden Drehschwingungen Die Erfindung
betrifft ein Meßgerät, durch welches rasch verlaufende Drehschwingungen von Maschinenteilen,
insbesondere e von Kurbelwellen, festgestellt werden, indem durch die Bewegungen
dieser Teile gegenüber einer gleichförmig, d.h. mit der mittleren Geschwindigkeit
des Prüfkörpers, umlaufenden trägen Masse auf induktivem Wege Strom-oder Spannungsänderungen
erzeugt werden, die dem Meßgerät zugeführt werden.
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Es sind Meßgerät für Drehschwingungen bekanntgeworden, bei denen
die Strom- oder Spannungsänderungen durch die Schwingungen-einer Spule gegenüber
einem Magnetsystem erzeugt werden, wobei das eine Glied der elektromagnetischen
Einrichtung mit dem Prüfkörper, das andere mit der trägen Masse verbunden ist.
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Bei anderen Geräten ist der in axialer Richtung permanent magnetische
oder elektrisch magnetisierte Teil der Welle von einer feststehenden Induktionsspule
umgeben. Die beim Auftreten von Torsionsschwingungen in der Welle entstehenden Magnetisierungsänderunden
induzieren Wechselströme, die für die Anzeige verwendet werden. Diese Geräte zeigen
nicht die Schwingungsausschläge, sondern die Änderungen dieser an. Sie erfordern
deshalb umständliche Integrierverfahren für die Feststellung der eigentlichen Schwingungsausschläge,
was zeitraubend und ungenau ist, oder sie ergeben nur mittlere Werte der Schwingungsausschläge.
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Das Meßgerät nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß einerseits
auf dem Prüfkörper mit der zu untersuchenden Welle eine kurzgeschlossene Drehspule
angebracht und andererseits auf der mit gleichförmiger Drehgeschwindigkeit umlaufenden
trägen Masse ein eine weitere, mit der ersten gleichachsige Drehspule enthahender
Schwingungskreis angeordnet ist, der durch einen stillstehenden Primärkreis mit
hochfrequentem Wechselstrom erregt wird. Durch die Rückwirkung der auf dem zu untersuchenden
Teil angeordneten Drehspule auf den Schwingungskreis werden entsprechend dem gerade
vorhandenen Verdrehungswinkel Strom- oder Spannungsänderungen in diesem Schwingungskreis
hervorgerufen. Durch die in an sich bekannter Weise auf induktivem Wege mittels
einer feststehenden Spulenanordnung erfolgende Übertragung dieser Spannungsänderungen
auf einen Oszillographen werden Anzeigewerte sichtbar gemacht, die dem Verdrehungswinkel
proportional sind.
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Bei einem Meßgerät nach der Erfindung wird also auch eine bleibende
Verdrehung angezeigt,
während in einem solchen Fall die vorbekannten
Meßgeräte keine Anzeige ergeben. Es ist also eine statische Eichung möglich, was
bei den bekannten Einrichtungen nicht der Fall ist.
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In der Zeichnung ist die bei Meßgeräten nach der Erfindung verwendete
Anordnung in zwei Ausführungsbeispielen (Abb. 1 und 2) schematisch beispielsweise
dargestellt.
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A ist die Drehachse eines der besseren Übersicht wegen nicht besonders
dargestellten, sich ungleichförmig drehenden Maschinenteils. Mit diesem ist gleichachsig
ein ebenfalls nicht besonders dargestellter, als träge Masse dienender Spulenkörper
in bekannter Weise so verbunden, daß er mit gleichförmiger Geschwindigkeit, d. h.
der mittlerenDrehgesdiwindigkeit des zu untersuchenden Maschinenteils umläuft. Auf
diesem Spulenkörper ist eine Drehspule D1 so befestigt, daß ihre Windungen parallel
zu ihrer Drehachse liegen. Die Wicklungsköpfe dieser Drehspul e werden durch halbkreisförmige
Kopplungsschleifen K1 und ic gebildet. Indem durch die Schleifen ; k2 und D1 gebildeten
Stromkreis ist außerdem ein unveränderlichei Kondensator C vorgesehen, wodurch auf
dem drehbaren Spulenkörper ein vollständiger elektrischer Schwingungskreis gebildet
wird. Innerhalb des Drehspulenkörpers befindet sich gleichachsig mit diesem eine
auf dem sich ungleichförmig drehenden Maschinenteil (Prüfkörper) angeordnete oder
mit diesem verbundene kurzgeschlossene Drehspule D2. Gleichachsig mit K1 ist die
feststehende Spule E1 angeordnet, die in einem zweiten mit Wechselstrom von einstellbarer
Frequenz erregten Stromkreis liegt.
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In der Ebene des Wicklungskopfes K1 ist eine weitere feststehende
Spule K4 angeordnet, die mit einem Gleichrichter G1 in Reihe geschaltet ist, welcher
seinerseits eine Oszillographenschleife 0 speist.
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Die Wirkungsweise eines Meßgeräts nach der Abb. 1 ist folgende: Wenn
alle Teile stillstehen und der Schwingungskreis K1, 2, Di, C durch den durch die
Spule E1 fließenden Wechselstrom erregt wird, wird der in der Spule K4 infolge der
Erregung derselben durch die Kopplungsschleife K1 fließende Strom nach dem Durchgang
durch den Gleichrichterm, durch die Oszillographenschleife O angezeigt. Durch die
Drehspule D1 wird außerdem die Drehspule D2 erregt, so daß in letzterer ein Wechselstrom
fließt, dessen Phase gegenüber dem in dem Schwingungskreis K1, K2, D1 C fließenden
Wechselstrom um 180° verschoben ist. Je nach der Winkelstellung der beiden Drehspulen
gegeneinander wechselt die Stärke dieser Erregung, und ebenso ändert sich auch die
Rückwirkung von D2. auf Di entsprechend und damit die Selbstinduktion und infolgedessen
die Eigenfrequenz des Schwingungskreises. Laufen der zu prüfende Maschinenteil und
der Drehspulen körper beide mit einer gleichbleibenden Drehzahl von beliebiger Größe,
so gibt die Oszillographenschleife stets den g1.eichbleibenden dem Erregerstrom
und dem Winkelabstand der beiden Spulen Dy und DL. gegeneinander entsprechenden
Ausschlag, da in den magnetischen Flüssen der Spulen ic1 und icI keine Anderung
eintritt, solange die Stärke und Frequenz des von dem Wechselstromerzeuger gelieferten
Stromes sich nicht ändert und deshalb auch die Magnetfelder der beiden Spulen D1
und D2 in gleicher Weise und im gleichem Abstand umlaufen und sich an ihrer Stärke
nichts ändert.
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Sobald sich aber der zu prüfende Maschinenteil schneller oder langsamer
als der Spulenkörper dreht, z. B. infolge von Drehschwingungen, ändert sich der
in der Spule, fließende Strom. Dies hat auch eine Änderung des in der Spule K4 fließenden
Wechselstroms oder bei offener Spule von dessen Spannung zur Folge. Diese Änderung
wird nach dem Durchgang durch den Gleichrichter Gl in der Oszillographenschleife
angezeigt. Dabei ist bei einem bestimmten, in der Spulen, fließenden Strom die Erregung
der Spule D2 dem Cosinus des Verdrehungswinkels der beiden Spulen verhältnisgleich;
die rückwirkende Komponente des von der Spule D2 erzeugten Feldes ist im wesentlichen
dem Cos2 dieses Winkels verhältnisgleich.
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Die Frequenz der primär angelegten Wechselspannung ist regelbar und
wird zu Beginn der Messung auf den Arbeitspunkt eingestellt. Dieser wird zweckmäßig
in der Nähe des Winkels #/ bzw. #/ + n # #/ 4 4 2 der Resonanzkurve gewählt. Auf
diese Weise können mit dem Meßgerät nach der Erfindung nach dem bekannten Verfahren
der halben Resonanzkurve Verdrehungen bis etwa gemessen werden.
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4 Zur Erhöhung der Empfindlichkeit kann in der Ebene der Schleife
ic1 in gleicher Weise wie in der Ebene der Schleife K1 eine weitere Spule angeordnet
werden, deren Strom oder Spannung durch entsprechende Schaltung zu demjenigen der
Spule K4 addiert werden kann.
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Bei dem in Abb. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schleifen
K1 und K2 auf derselben Seite einer Achsmittelebene angeordnet. Außerdem wird jede
dieser Spulen durch eine ErregerspuleEl und E2, welche in demselben
Stromkreis
hintereinander angeordnet sind, erregt. Auf dem drehbaren Spulenkörper ist außerdem
eine weitere Schleife K3 zwischen den beiden Schleifen W1 und K2 angeordnet, die
mit den letzteren und der Drehspule D in Reihe geschaltet ist. Diese Schleife K3
wird von einer feststehenden Spule 45 umschlossen, die ebenfalls gleichachsig mit
den übrigen Spulen und an den Meßkreis angeschlossen ist.
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Diese Anordnung wird in den Fällen angewandt, wo der in der Spulen
bei der Anordnung nach Abb. I durch die Erregung der Spule E1 je nach der gerade
vorliegenden Frequenz des erregenden Wechselstroms erzeugte Reststrom vermieden
werden soll. Zu diesem Zweck werden die Spulen E1 und E2 symmetrisch zu den Spulen
ic5 und ic5 angeordnet, so daß letztere genau in der Mitte zwischen ersteren liegt.
Außerdem werden sowohl die Erregerspulen E1 und E2 als auch die Kopplungsschleifen
ici und K2 unter sich mit entgegengesetztem Wicklungssinn ausgeführt. Dadurch wirken
die magnetischen Flüsse von K1 und E1 einerseits wie von K2 und E2 andererseits
gleich und entgegengesetzt auf die Spulen K3 und K5. Die Induktionen der Spulen
E1 und E2 sowie der Kopplungsschleifen K1 und K2 auf die Spulen K3 und ici werden
dadurch aufgehoben.
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Die Zuleitungen und die Verbindungsleitungen werden so geführt und
verdrillt, daß keine ungewollten, die Spulen und D2 unsymmetrisch induzierenden
magnetischen Felder auftreten.
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Eine Vergrößerung des Meßbereichs auf das Doppelte kann durch Hintereinanderschaltung
der Spulen und DL erreicht werden.
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Da der zu untersuchende Teil und der Spulenkörper sich gegenseitig
nur so weit verdrehen, als die auftretenden Schwingungen betragen, können zwischen
den Spulen; und D2 nachgiebige Verbindungsleitungen für die Hintereinanderschaltung
vorgesehen werden.
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Bei dieser Anordnung folgt die Rückwirkung, einem einfachen Cosinusgesetz,
und der Arbeitspunkt wird zweckmäßig bei dem Winkiel, gewählt.
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Um Unterschiede in der Anzeige, welche durch Verschicbungen der einzelnen
Teile des Geräts in der Richtung der Drehachse auftreten können, zu vermeiden, kann
in der Anordnung nach Abb. I die Spulen, so lang ausgeführt werden, daß die sich
drehenden Teile auch bei den möglichen Längsverschiebungen sich in einem gleichbleiblenden
Feld befinden.
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Um das Gerät gegenüber Lageänderungen der Spulen dz und DL gegeneinander
in der Richtung der Drehachse A unempfindlich zu machen, macht man die Spulenseiten
der Spule D2 kürzer als die Spulenseiten der Spule D1. Bei Lageänderungen bis zum
Betrag der Differenz in der Länge der Spulenseiten Dy und D2 ändert sich das die
Spulen. 7 induzierende Feld der Spule; und damit auch die Rückwirkung der Spule
dz und D1 nicht.