-
Einrichtung zur selbsttätigen Auswuchtung sich drehender Maschinenteile
Das
gute Funktionieren vieler Maschinen verlangt die sorgfältige Auswuchtung ihrer sich
drehenden Teile.
-
Bei vielen dieser Maschinen, z. B. bei Zentrifugen, Schleifmaschinen,
Turbomaschinen in nicht stationärem Betrieb usw., bringen die Betriebsbedingungen
selbst nicht vorauszusehende Veränderungen oder Verlagerungen der bewegten Massen
mit sich, so daß es angezeigt erscheint, bei diesen Maschinen eine Einrichtung vorzusehen,
die selbsttätig und wenn möglich in fortlaufender Weise die vollkommene Auswuchtung
der sich drehenden Teile bewirkt.
-
Unter den Verfahren, die bereits vorgeschlagen worden sind, um jederzeit
selbsttätig die Auswuchtung wiederherzustellen, sei dasjenige genannt, das Kugeln
verwendet (mindestens deren zwei oder, symmetrischer, drei), die sich frei längs
einer konzentrisch mit der Welle angeordneten Rollbahn bewegen können, oder, was
auf dasselbe hinauskommt, auf die Welle aufgeschobene Ringe von genügend großer
Masse. Diese völlig astatischen Vorrichtungen können jede Art von Unwucht ausgleichen,
sowohl nach ihrer Richtung wie nach ihrer Größe, jedoch, was letztere anbelangt,
nur innerhalb gewisser Grenzen, die von der Masse der Kugeln oder Ringe abhängen.
-
So einleuchtend jedoch diese Lösung scheinen mag, so hat sie doch
den Nachteil, nur oberhalb der kritischen Geschwindigkeit anwendbar zu sein.
-
Ihre Verwirklichung bedingt also einen genügend biegsamen Einbau des
Läufers, sei es dauernd, wie z. B. bei Pendelzentrifugen mit aufgehängtem Behälter,
sei es zeitweise, wie bei Schleifmaschinen,
deren normalerweise
starrer Einbau des Läufers in mehr oder weniger rasch sich folgenden Zeitabschnitten
zwischen den Arbeitsperioden biegsam gemacht wird, so oft die Notwendigkeit einer
neuen Auswuchtung sich einstellt.
-
Ein anderer Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß sie eine gewisse
Unempfindlichkeit aufweist, weil die im indifferenten Gleichgewicht erfolgende Fortbewegung
der Kugeln längs ihrer Rollbahn abhängt von der sehr geringen Neigung, die beim
Auftreten einer tiberwucht die Rollbahn gegenüber der Richtung der Zentrifugalkraft
annimmt, und so auch abhängig ist vom Auftreten selbst des geringfügigsten Reibungswiderstandes
oder von jeder kleinen Aufrauhung der Lauffläche.
-
Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch behoben, daß man
die Auswuchtung abhängig macht von der direkten Auswirkung ihrer Mangelhaftigkeit,
nämlich vom Auftreten einer umlaufenden Reaktionskraft in den Lagern, denn das Kriterium
der vollkommenen Auswuchtung ist ja gerade die Abwesenheit einer solchen periodischen,
Vibrationen verursachenden Kraft.
-
Die Wiederherstellung der Auswuchtung kann so fortlaufend herbeigeführt
werden, was immer die Ursache oder die Art der Uberwucht sein mag (zufällige oder
unvermeidliche Massenverlagerungen, systematische oder vorübergehende Verformungen,
Materialdehnungen usw.). Ferner kann die erfindungsgemäße Einrichtung, weil sie
nicht an ein Uberschreiten der kritischen Geschwindigkeit gebunden ist, im am häufigsten
auftretenden und interessantesten Fall der starren Welle angewendet werden.
-
Die Erfindung betrifft demnach eine Einrichtung zur selbsttätigen
Auswuchtung sich drehender Maschinenteile, bei welcher sich eine gewisse Anzahl
von Auswuchtmassen, z. B. Kugeln, die im Innern einer Rollbahn von der Form eines
mit der Welle konzentrischen toroidförmigen Ringraumes liegen, bewegen lassen, und
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Schmierflüssigkeit in den Lagern benutzt
wird, um im Innern der Rollbahn eine angemessene Verschiebung der Auswuchtmassen
herbeizuführen, durch welche fortlaufend und bei jeder Drehgeschwindigkeit jede
Überwucht ausgeglichen wird, sobald in den Lagern die geringste umlaufende Zentrifugalkraft
auftritt.
-
Die Fig.I und 2 der Zeichnung zeigen als nicht einschränkendes Beispiel
schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.
-
Die Fig. I ist ein schematischer Längsschnitt eines Auswuchters in
einer Ebene durch die Drehachse.
-
Die Fig. 2 ist ein Querschnitt derselben Einrichtung durch die Mittelebene
X-X der Fig. I.
-
Der Auswuchter umfaßt drei Auswuchtmassen in Form von Kugeln I, die
sich mit sehr geringem Spiel in einem in der Drehachse zentrierten toroidförmigen
Ringraum 2 bewegen, dessen äußerer Umfang wie bei den bekannten Auswuchtsystemen
den Kugeln als Rollbahn dient. Überdies aber ist nach der vorliegenden Erfindung
der Ringraum durch Zwischenstücke 3, die längs dem Umfang in gleichmäßigen Abständen
angeordnet sind, in eine gewisse Zahl von Kammern unterteilt, die jede eine Auswuchtmasse
enthalten und die durch Kanäle 4 durch das Innere der Welle hindurch mit der Lauffläche
des Lagerzapfens im nächstgelegenen Lager 6 in Verbindung stehen, wo die Kanäle
in Mündungen 5 enden. Die Mündungen 5 liegen in bezug auf die Drehachse auf der
gleichen Seite wie die ihnen entsprechenden Kammern, wenn der Läufer dauernd unter
seiner kritischen Drehzahl laufen muß, in welchem Fall die umlaufende, auf den Lagerzapfen
wirkende Kraft nach der überwacht hin gerichtet ist, und auf der entgegengesetzten
Seite, wenn der Läufer dauernd über seiner kritischen Geschwindigkeit laufen muß.
-
Unter diesen Umständen hat der Druck im 01-film zwischen dem Lagerzapfen
und der Lagerschale, in der Mündung 5 jedes Kanals, in der Regel eine wechselnde
Komponente, die von den äußeren auf den Läufer wirkenden Kräften, z. B. seinem Gewicht,
herrührt und in ihrer räumlichen Richtung feststeht, und eine zeitlich konstante
aber längs des Umfanges veränderliche Komponente, die von der mit der Überwucht
verbundenen Zentrifugalkraft herrührt und mit einer mit der Drehung der Welle synchronen
Geschwindigkeit umläuft. Die erste Komponente mit hoher, der Drehung gleicher Frequenz
kommt im folgenden nicht in Betracht wegen der Zähigkeit und Trägheit des Öls und
der Auswuchtmassen. Bei einer Anordnung nach Fig. I, d. h. bei einer Maschine die
unter ihrer kritischen Geschwindigkeit läuft, ist der Druck im Ölfilm am größten
in der Ebene und in der Richtung der Überwucht und am kleinsten in der entgegengesetzten
Richtung.
-
Unter dem Einfluß dieser momentanen Druckunterschiede entnehmen die
Kanäle, deren Mündungen 5 in der allgemeinen Richtung der überwacht liegen, dem
Film des Lagers fortlaufend etwas Öl, während die entgegengesetzten Kanäle eine
entsprechende Menge an ihn zurückliefern, was bewirkt, daß die Kugeln in ihren Kammern
in der Art von Kolben verschoben werden, derart, daß sich selbsttätig und im notwendigen
Richtungssinn eine wachsende und kompensatorisch wirkende Überwucht bildet, bis
die vollkommene Auswuchtung des Läufers, bei welcher die Trägheitsachse mit der
geometrischen Achse zusammenfällt, wiederhergestellt ist.
-
Die vollkommene statische und dynamische Auswuchtung bedingt zwei
Auswuchter der beschriebenen Art in zwei verschiedenen Ebenen, z. B. in der Nähe
der beiden Wellenenden, deren jeder in der Regel mit dem nächstgelegenen Lagerzapfen
in Verbindung steht. Befinden sich ausnahmsweise die beiden Auswuchtebenen in verhältnismäßig
großer Entfernung von den Lagern, so kann es vorteilhaft sein, jeden Auswuchter
nicht mehr bloß vom nächstgelegenen Lager aus mit Drucköl zu versehen, sondern mit
Hilfe einer doppelten Verbindung, die in sachgemäßer Abstimmung die gleichzeitig
in den beiden Lagern auftretenden Drücke zur Betätigung jedes Auswuchters einander
zuordnet.
-
Die Fig. 3 stellt wiederum beispielsweise und schematisch eine Ausführungsform
dar, die diese doppelte Beschickung der Auswuchter zu verwirklichen gestattet. Die
Welle, die in zwei Lagern 6 und g geführt wird, erhält zwei Auswuchter gleich dem
der Fig. I, doch ist derjenige auf der rechten Seite nur durch seinen Außenumfang
10 angedeutet, um die Zeichnung nicht zu überlasten. Es wird angenommen, daß aus
irgendeinem Grund diese beiden Auswuchter gegen die Mitte des Läufers hin und in
ziemlich großem Abstand von den Lagern haben angeordnet werden müssen. Das in diesem
Fall zu erreichende Ziel besteht darin, daß eine Uberwucht, die sich in der Ebene
eines Auswuchters einstellt, z. B. im Auswuchter 10 auf der rechten Seite, keine
Rückwirkung auf den andern, also auf den Auswuchter 10' auf der linken Seite ausübt.
Zu diesem Zweck wird wie zuvor jede der Kammern des linken Auswuchters durch einen
Kanal 4 mit den Mündungen 5 im Ölfilm des Lagers 6 in Verbindung gesetzt. Überdies
aber werden sie auch noch je durch einen anderen Kanal 7 mit den Mündungen 8. die
in diametral entgegengesetzter Richtung in den Ölfilm des Lagers g ausmünden, in
Verbindung gesetzt. Verstellbare Einstellorgane, die schematisch durch Einstellschrauben
II und 12 dargestellt sind, gestatten, die Ölmengen, die ihren Beitrag zur Bewegung
der Auswuchtmassen leisten und vom Lager 6 bzw. vom Lager g herkommen, in Funktion
der zugehörigen Abstände jedes Auswuchters zu den sie einschließenden Lagern zu
regeln. Selbstverständlich ist der Auswuchter 10 auf der rechten Seite in gleicher
Weise mit den beiden Lagern 6 und g durch nicht dargestellte Kanäle verbunden.
-
In den zuvor beschriebenen Beispielen wird die Verlagerung der Auswuchtmassen
direkt bewirkt in Abhängigkeit von der Olmenge, die durch die Mündungen 5 dem Ölfilm
jedes Lagers entnommen wird. Diese Menge kann manchmal nicht hinreichen, um eine
genügend rasche Verlagerung der Auswuchtmassen zu bewirken, wenn der Zustand der
Auswuchtung der Maschine sich plötzlich verändert, z. B. bei Zentrifugen. In solchen
Fällen genügt es, zwischen die der Entnahme von Drucköl dienenden Mündungen 5 und
die Kammern des Auswuchters Ölservomotoren bekannter Bauart einzuschalten, die mit
Hilfe von Drucköl aus einer unabhängigen Quelle gestatten, den Vorgang der Auswuchtung
zu beschleunigen, ohne daß durch die Mündungen 5 dem Lager eine zu große Ölmenge
entnommen werden muß.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann kombiniert werden mit der Verwendung
einer Druckölschmierung für gewisse Organe des Läufers. In einem solchen Fall speisen
die Kanäle 4 nicht nur die Kammern des Auswuchters, sondern auch die verschiedenen
vorgesehenen Schmierstellen. Da dann das Schmieröl vor dem Anlassen der Maschine
unterDruck gesetzt wird, begünstigt diese Lösung die Füllung der Kanäle und die
sofortige Korrektur der Unwucht.
-
Im viel häufigeren Fall, wo der Druck im Ölfilm nur von der Drehung
der Welle erzeugt wird, ist zu befürchten, daß sich die Kammern und Kanäle teilweise
oder ganz während den Stillstandsperioden durch die Mündungen 5 entleeren können.
Für Läufer von geringem Durchmesser wird es gewöhnlich genügen, wenn die Mündungen
5 derart klein sind, daß die Kapillarkräfte den durch die Unterschiede in den Höhen
der Olstände und durch das Gewicht der Auswuchtmassen hervorgerufenen hydrostatischen
Druckern entgegenwirken.
-
Wenn immer es jedoch nötig ist, daß die Auswuchtmassen in der normalen
Betriebsstellung, die sie spontan während des vorhergegangenen Laufes der Maschine
angenommen haben, bleiben, d. h. wenn sie nicht während des Stillstandes der Maschine
auf den tiefsten Punkt ihrer Kammer fallen dürfen, können Sperrvorrichtungen vorgesehen
werden, die die Auswuchtmassen in der Stellung festhalten, die sie einnehmen. Diese
Vorrichtungen können von außen und von Hand betätigt werden, wie in gewissen bekannten
Auswuchtmaschinen, oder sie können selbsttätig sein und in Tätigkeit treten, sobald
die Drehgeschwindigkeit unter einen bestimmten Grenzwert abfällt.
-
Ein Mittel zum Festhalten der Kugeln in ihrer Betriebsstellung während
der Stillstandsperioden der Maschine ist die Anordnung von Abschlußorganen in den
Kanälen 4, die in bekannter Weise durch kleine, unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft
stehende Massen so betätigt werden, daß das Öl in den Kammern eingeschlossen wird,
sobald die Drehgeschwindigkeit unter einen bestimmten Grenzwert abfällt. Dies setzt
natürlich voraus, daß die Undichtheitsverluste zwischen den Auswuchtmassen und ihren
Kammerwänden sehr gering seien. Diese Bedingung kann erfüllt sein, ohne daß die
davon herrührende Erhöhung der Reibung die Verlagerung der Auswuchtmassen zu beeinträchtigen
braucht, wenn diese mittels Servomotoren betätigt werden.
-
Die rein hydraulische Blockierung der Auswuchtmassen ist also besonders
in diesem Fall anwendbar.
-
Die Auswuchtmassen können auch in ihrer Stellung festgehalten werden
mittels eingebauter Bremseinrichtungen, die sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft
selbsttätig lösen; eine solche ist beispielsweise schematisch dargestellt in den
Fig. 4 und 5. Die Auswuchtmassen I, die auch hier wieder in Form von Kugeln gezeigt
sind, werden umgeben von einem elastischen äußeren Ring I3, der in eine kreisförmige
Nut 14 des Körpers 2 des Auswuchters eingesetzt ist. Dieser Ring ist an einer Stelle
unterbrochen, und seine beiden Enden werden mit angemessenem Spiel voneinander getrennt
durch einen zum Körper des Auswuchters gehörenden Anschlag I5, derart, daß er unfehlbar
bei der Drehung des Auswuchters mitgenommen wird, während er doch unter der Einwirkung
der Zentrifugalkraft sich frei öffnen kann. Der Ring ist so bemessen, daß die Kraftwirkung,
die er im Stillstand auf die Kugeln ausübt, genügt, um deren Verlagerung infolge
ihrer Schwere zu verhindern. Erreicht die Drehgeschwindigkeit der Maschine einen
gewissen Wert, so übersteigt die an jedem Punkt des Ringes angreifende Zentrifugalkraft
seine Sperrkraft-
wirkung. Die Auswuchtmassen werden dadurch freigesetzt
und nehmen, wenn nötig, eine neue Stellung ein, während der Ring sich im Grund der
Nut 14 festsetzt. Selbstverständlich könnte im Rahmen der Erfindung auch jede andere
Sperrvorrichtung, die dieselbe Wirkung hat, verwendet werden.
-
I)ie beschriebene Auswuchteinrichtung ist anwendbar bei allen Arten
von Traglagern, auch bei solchen mit unterbrochener Tragfläche oder unterbrochenem
Ölfilm, mit gewöhnlichen Lagerschalen oder mit Tragsegmenten. Ihre Anwendung kann
aber auf verschiedene Weise auch ausgedehnt werden auf den sehr wichtigen und immer
häufiger auftretenden Fall, in welchem der Läufer nicht von Lagern mit glatten Tragflächen,
sondern von Kugel-oder Rollenlagern getragen wird.
-
Eine erste Lösung besteht in diesem Fall darin, daß für die Versorgung
der Auswuchteinrichtung mit Öl Hilfslager oder falsche Lager vorgesehen werden,
die offensichtlich zur Stützung oder zur Führung des Läufers beigezogen werden können,
z. B. zur Dämpfung kritischer Schwingungen, die aber auch nur lose Lagerschalen
haben können.
-
Es ist nicht nötig, jede Drehung dieser Lagerschalen zu verhindern.
Es wird zur Verminderung der Verluste durch Flüssigkeitsreibung sogar vorteilhaft
sein, sie eine gewisse Geschwindigkeit im Sinne derjenigen des Läufers annehmen
zu lassen, wenn nur ein verbleibendes Drehmoment, das z. B. zum Antreiben eines
Ventilators, einer Ölpumpe oder einer Schmierscheibe verwendet werden kann, einen
gewissen Schlupf der Lagerschale gegenüber der Welle aufrechterhält. Unter diesen
Bedingungen ist die Verteilung des Ölfilms längs dem Umfang im Mittel gleichmäßig,
und dieser Film kann, ohne daß der Lagerzapfen und die Lagerschale zur Berührung
kommen, dauernd die nötige Ölmenge für die Verlagerung der Auswuchtmassen bei sich
ändernden Verhältnissen liefern.
-
Die Richtung, in welcher die Kanäle 4 gegen den Lagerzapfen hin ausmünden,
muß nun der ursprünglichen Richtung entgegengesetzt sein, da die Reaktion der freien
Lagerschale jetzt vorwiegend durch die Trägheit gegeben ist, anstatt elastischer
Natur zu sein wie im Fall der Fig. I, oder wie sie es wieder werden kann jenseits
einer gewissen kritischen Geschwindigkeit, wenn die Trägheit aufgewogen wird durch
eine mehr oder weniger steife Rückführung des Lagers mittels Federn.
-
Es versteht sich von selbst, daß bei dieser Anordnung Maßnahmen ergriffen
werden müssen, um die Schmierung der Hilfslager sicherzustellen.
-
Sind diese lose und werden sie mit einem gewissen Schlupf im Drehsinn
der Welle angetrieben, so kann diese Schmierung mit einfachen Mitteln als Druckschmierung
mittels eines Kanals ausgebildet werden, der in die Welle gebohrt wird und im Bereich
der Lagerzapfen in Öffnungen ausmündet, die von den Mündungen 5, welche die Kanäle
4 mit Öl versorgen, verschieden sind.
-
Eine zweite Lösung für die Anwendung des beschriebenen Auswuchters
im Fall von Kugel- oder Rollenlagern besteht darin, gemäß Fig. 6 die relativen Rollen
des Lagerzapfens und des Hilfslagers zu vertauschen. Der Rotorkörper IZ trägt in
der Nähe des Kugel- oder Rollenlagers 22 ein zylindrisches Gehäuse mit Aussparung
I7, in welche eine zylindrische Scheibe I8 mit etwas kleinerem Durchmesser eingesetzt
ist. Dieses Gehäuse kann auf die Welle des Rotors aufgesetzt oder, wie in Fig. 6
gezeigt, mit ihm vereinigt sein. Das seitliche Spiel zwischen der Scheibe und dem
Gehäuse wird nach Möglichkeit verkleinert, doch so, daß sich die Scheibe in ihrer
Lagerung leicht verschieben kann.
-
Die Scheibe läuft aus in eine mit der Rotorwelle konzentrisch angeordnete
Welle 19, auf welche ein Ölpumpenrad 20 oder irgend ein anderes Organ aufgesetzt
ist, das ein Widerstand bietendes Drehmoment hervorruft, so daß, wenn die Maschine
bei ihrer Normaldrehzahl läuft, die Scheibe I8 im gleichen Drehsinn mit einem gewissen
Schlupf angetrieben wird. Am Umfang der Aussparung I7 sind in gleichmäßigem Abstand
die Mündungen 5 angeordnet, die die Kanäle 4 eines in Fig. I dargestellten Auswuchters
mit Ö1 versorgen, der neben dem Rotorkörper I6 angeordnet sein kann, oder auch um
diesen herum, um die Baulänge der Auswuchteinrichtung zu verkleinern. Das für die
Schmierung und Versorgung der Kammern benötigte Ö1 wird z. B. mittels eines in der
Achse der Welle 19 gebohrten Kanals 2I eingeführt. Solange der Rotor ausgewuchtet
ist, bleibt so die ScheibeI8 in ihrer Führung zentriert, die Kammern des Auswuchters
erhalten gleiche Oldrücke, und die Auswuchtmassen bleiben unbeweglich. Wenn dagegen
eine Überwucht auftritt, so macht die Scheibe in die sich daraus ergebende Auslenkung
aus der Mittellage mit, so daß die durch die verschiedenen Mündungen 5 übertragenen
Öldrücke aufhören gleich groß zu sein und die Auswuchtmassen sich so verlagern,
daß sie die Auswuchtung wleder herbeizuführen trachten.
-
Die beschriebene selbsttätige Auswuchteinrichtung ist nicht an die
Verwendung einer Flüssigkeit mit verhältnismäßig hoher Viskosität, z. B. Schmieröl,
gebunden, und ihr Funktionieren ist im Prinzip nur abhängig von den möglichen Fördervolumen,
die die zulässigen momentanen Spiele und Exzentrizitäten liefern. Sie wird sich
oft einrichten lassen für den Ersatz des Öls durch Stoffe mit kleinerer Zähigkeit,
wie z. B. Wasser oder Luft, insbesondere bei den Anwendungsformen für Kugel-oder
Rollenlager, bei denen Hilfslager oder eingeschlossene bewegliche Massen verwendet
werden und die nicht zur Erzeugung der benötigten mäßigen Drücke derart ausnehmend
kleine Spiele verlangen wie die gewöhnlichen Lager, denen eine Belastung auferlegt
ist.
-
PATENTANSPROCHE: I. Einrichtung zur selbsttätigen Auswuchtung sich
drehender Maschinenteile, bei welcher sich eine gewisse Anzahl von Auswuchtmassen,
z. B.