DE69420781T2 - Vorrichtung zur Überwachung der Dynamik rotierender Anlagen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reaktion auf die Drehung einer Welle um deren Achse zwecks Detektieren einer Fehlpositionierung der Welle entlang der Achse und einer winkligen Fehlausrichtung der Achse der Welle relativ zu der gewünschten Achse, mit mehreren detektierbaren Elementen, die an einem Umfangsbereich angeordnet sind, der sich mit der Welle dreht, wobei mindestens ein Paar der detektierbaren Elemente jeweilige Erweiterungsteile aufweist, die derart zueinander hin konvergieren, daß sie radial um die Wellen-Achse eine winklige Trennung voneinander aufweisen, die entlang der Wellen-Achse abnimmt, radial an dem Umfangsbereich befestigten Detektionseinrichtungen zum Erzeugen jeweiliger Ausgangssignale, wenn sich die detektierbaren Elemente bei Drehung der Welle an den. Detektionseinrichtungen vorbeibewegen, und einer Verarbeitungseinrichtung, die auf die gegenseitige Zeitsteuerung der Signale reagiert, um ein von der axialen Verlagerung der Welle abhängiges Ausgangssignal zu erzeugen.
• Eine derartige Vorrichtung ist aus EP-A-0443514 bekannt. Bei diesem bekannten Typ von Vorrichtung sind die detektierbaren Elemente in Form eines Paares länglicher Rippen ausgebildet, die konvergierend entlang eines Umfangsbereiches der Welle verlaufen. Die Detektionseinrichtungen weisen einen Abstandssensor auf, der jedes Mal; wenn sich eine Rippe an dem Sensor vorbeibewegt, jeweils einen Impuls erzeugt. Die axiale Verlagerung der Welle entlang der Wellenachse oder die winklige Fehlausrichtung der Wellenachse in bezug auf die gewünschte Achse bewirken, daß die Impulse über der Zeit in größerem oder kleinerem Ausmaß getrennt sind. Es ist jedoch wünschenswert, in der Lage zu sein, eine verbesserte Diskriminierung zwischen der Detektion einer Verlagerung der Welle entlang der Wellenachse und einer winkligen Fehlausrichtung der Wellenachse in bezug auf die gewünschte Achse treffen zu können.
• Somit ist gemäß der Erfindung die oben angeführte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Detektionseinrichtungen jeweils an unterschiedlichen Winkelpositionen um den Umfangsbereich angeordnet sind, wobei jede Detektionseinrichtung, während sich die detektierbaren Elemente bei Drehung der Welle an ihr vorbeibewegen, jeweilige Signale erzeugt, wobei die von den jeweiligen Detektionseinrichtungen erzeugten Signale ein Zeitsteuerungsverhältnis haben, das von den jeweiligen Winkelpositionen der Detektionseinrichtungen und von der axialen Verlagerung und axialen Ausrichtung der Welle abhängig ist.
• Wie bekannt ist, sind bei den meisten Anwendungsfällen für eine drehbare Einrichtung, bei der eine Kupplung zwischen den beiden drehbaren Elementen besteht, die axiale Ausrichtung und Fehlausrichtung wichtige Faktoren, die die Lebensdauer der Einrichtung und die Betriebsleistung des Systems beeinträchtigen können. Idealerweise sind selbstverständlich die gekuppelten drehbaren Elemente, z. B. Wellen, kollinear an einer gemeinsamen Drehachse angeordnet, um die auf die Achse, die Kupplungen und die Traglager einwirkenden Kräfte zu minimieren. Das Erzielen einer nahezu perfekten und konstanten Ausrichtung ist jedoch beim alltäglichen Betrieb einer derartigen Einrichtung schwierig, wenn nicht sogar unmöglich. Beim Design des Systems ist normalerweise ein bestimmtes Maß an axialer Verlagerung oder Auswanderung berücksichtigt, und üblicherweise werden flexible Kupplungen verwendet, um eine Fehlausrichtung der Welle auszugleichen. Eine Fehlausrichtung der Welle kann durch zahlreiche Faktoren verursacht werden, z. B. menschliches Versagen beim Zusammenfügen der Systemkomponenten, Verschleiß von Lagern, wärmeinduzierte Expansion und Kontraktion der Wellen- und Lagervorrichtungen, Belastungsschwankungen, Senkung des Untergrundes, der eine schwere Maschine trägt, usw., um nur einige wenige zu nennen.
• Fehlausrichtungen einer Welle können grundlegend in drei Typen klassifiziert werden: 1) axiale Verlagerung, bei der eine Welle in einer Richtung verlagert wird, die parallel zu der Drehachse der Welle verläuft; 2) winklige Verlagerung oder Schrägstellung, bei der eine Achse nicht parallel zu einer gewünschten Drehachse ausgerichtet ist; und 3) parallele oder versetzte Verlagerung, bei der zwei Wellen Drehachsen haben, die nicht kollinear sind, selbst wenn sie parallel sind. Selbstverständlich können diese drei Typen axialer Fehlausrichtungen in verschiedenen Kombinationen oder zusammen auftreten. Zudem kann möglicherweise bei zwei miteinander verbundenen Wellen eine relative axiale Verlagerung zwischen den Wellen erfolgen.
• Beispielsweise kann eine Gasturbine verwendet werden, um eine Antriebswelle zu drehen, die flexibel mit einer Abtriebswelle verbunden ist, welche ihrerseits mit einer Last wie z. B. einem Generator verbunden ist. Zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle kann eine Verbindungswelle angeordnet sein. Eine Fehlausrichtung der Wellen kann einen übermäßigen Verschleiß der Lager verursachen und übermäßige Belastungen und Drehkräfte auf die Wellen ausüben, und die Fehlausrichtung tendiert generell dazu, die Betriebseffizienz des Systems zu reduzieren.
• Obwohl verschiedenartige mechanische Vorkehrungen, z. B. flexible Kupplungen, verwendet werden können, um eine Fehlausrichtung von Wellen zu kompensieren, ist es wünschenswert, die Positionen der Wellen zu überwachen, da andernfalls die Kupplungen beschädigt werden können.
• Eine axiale Verlagerung einer Welle kann relativ leicht detektiert werden. Beispielsweise zeigt US-A-4,833,404, erteilt an Richards et al., eine Doppelsensorvorrichtung zum Überwachen von Zähnen, die mit axialen Abständen an einer Drehwelle angeordnet sind. Die Phasendifferenzen zwischen den Sensorsignalen können als Hinweis auf eine axiale Verlagerung verwendet werden. Diese Anordnung ist jedoch anfällig gegenüber falschen Meßwerten, die durch winklige und/oder versetzte Verlagerung verursacht werden. Somit ist die Anordnung ungeeignet für Systeme, bei denen eine Wellen-Fehlausrichtung außer einer einfachen axialen Fehlausrichtung auftritt, und die Anordnung ist besonders ungeeignet für Systeme, bei denen miteinander verbundene Wellen verwendet werden. Zudem ist diese Anordnung abhängig von einer präzisen und festliegenden Positionierung der Sensoren relativ zu den detektierbaren Elementen, die an den Wellen befestigt sind. Aufgrund des Erfordernisses zweier Sensoren werden ferner die Kosten für die gesamte Vorrichtung erhöht, und ein weiteres Erschwernis besteht darin, daß die Sensoren derart angeordnet werden müssen, daß eine gegenseitige Beeinflussung zwischen den Sensoren ausgeschlossen ist.
• Winklige und versetzte Fehlausrichtungen sind schwieriger zu detektieren, da eine leicht identifizierbare Referenzausrichtung fehlt. Folglich werden bei Detektoren für eine winklige und versetzte Fehlausrichtung von Wellen Abweichungen der magnetischen Kupplungsstärke verwendet, die durch Schwankungen des Abstandes zwischen zwei magnetisch oder induktiv gekuppelten Elementen verursacht werden. Dieser allgemeine Ansatz ist jedoch anfällig gegenüber Rauschen, da die Ausrichtungsinformation in den Detektorsignalenamplituden kodiert wird. Zudem kann diese Vorrichtung möglicherweise falsche Meßwerte aufgrund axialer Verlagerung einer oder mehrerer der Wellen liefern.
• Eine Vorrichtung zur Reaktion auf die Drehung einer Welle um deren Achse zwecks Detektieren einer Fehlpositionierung der Welle entlang der Achse und einer winkligen Fehlausrichtung der Achse der Welle relativ zu der gewünschten Achse ist bekannt aus SU-A-1 023 194. Bei dieser bekannten Vorrichtung trägt die Welle detektierbare Elemente in Form von Zähnen, die Flächen aufweisen, welche in einer sich axial zu der Welle er streckenden Richtung schräg verlaufen, um eine E. M. K. in den Wicklungen stationärer Magnete zu induzieren, die radial auswärts von der Welle sowie um diese herum angeordnet sind. Eine axiale oder radiale Verlagerung der Welle verändert die induzierte E. M. K. Es ist jedoch wünschenswert, in der Lage zu sein, eine verbesserte Diskriminierung zwischen der Detektion einer Wellen-Ausrichtung und der Detektion einer Wellen-Fehlausrichtung durchführen zu können.
• Somit besteht Bedarf an einer Positions- und Ausrichtungs-Detektionsvorrichtung, die einfacher und weniger kostenaufwendig als existierende Vorrichtungen ist, und die winklige, versetzte und/oder axiale Verlagerungen jeweils unabhängig von den anderen Typen von Fehlausrichtungen (oder gegenüber diesen kompensiert) detektieren kann, und die eine relative gegenseitige Verlagerung zweier gekuppelter Wellen detektieren kann. Eine derartige Vorrichtung sollte auch in Verbindung mit einem Kalibrierungs- und Vorbereitungsvorgang zum Ausrichten von Wellen in dem System verwendbar sein.
• Im folgenden wird, jedoch nur im Sinne eines Beispiels, eine Vorrichtung zum Detektieren einer Fehlausrichtung oder Ausrichtung einer um eine Achse drehbaren Welle anhand der zugehörigen schematischen Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Verwendung für gekuppelte Wellen;
• Fig. 2 zeigt eine explodierte Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1;
• Fig. 3 (Teile A, B und C) zeigt eine vereinfachte Darstellung einer geeigneten Zahnanordnung für die Vorrichtung gemäß Fig. 1, und zeigt ferner typische Signale, die von Sensoren erzeugt werden, welche die Zähne in der Vorrichtung überwachen;
• Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Nabe bei einer Ausführungsform der Vorrichtung;
• Fig. 5 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Sensorausgangssignal-Verarbeitungsschaltung zur Verwendung bei einer Ausführungsform der Vorrichtung, bei der Sensoren mit variabler Redundanz benutzt werden;
• Fig. 6 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Sensorausgangssignal-Verarbeitungsschaltung für die Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei der die Ausgangssignale aus mehreren Sensoren kombiniert werden, um unterschiedliche dynamische Eigenschaften eines drehbaren Systems zu bestimmen;
• Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Verwendung beim Kalibrieren und Vorbereiten eines drehbaren Systems, bei der eine Kalibrierungs-Nachbildung einer im normalen Betrieb verwendeten Kupplung benutzt wird; und
• Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf eine Zahn-/Naben-Vorrichtung für reduzierten Laufwiderstand.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Fig. 1 zeigt als vereinfachtes Beispiel eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung 10 zum Detektieren der Position und Ausrichtung von Wellen. Bei dem in Fig. 1 schematisch gezeigten Beispiel sind verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung in ein gesamtes Überwachungssystem einbezogen, mit dem verschiedenartige dynamische Eigenschaften einer drehbaren Einrichtungüberwacht werden. Fachleuten wird leicht ersichtlich sein, daß die Erfindung nicht nur die Einbeziehung sämtlicher dieser Merkmale in ein gesamtes Sensorsystem gemäß Fig. 1, sondern auch die Verwendung verschiedenartiger einzelner Unterteile in jeder Anzahl von Kombinationen umfaßt, wie es gemäß dem jeweiligen Anwendungsfall zweckmäßig ist. Somit ist die vorliegende Beschreibung des gesamten Systems und des speziellen Anwendungsfalls nicht im Sinne einer Beschränkung der verschiedenartigen und zahlreichen Verbesserungen und Vorteile der Erfindung zu interpretieren.
• Ferner dienen, obwohl die Erfindung hier anhand spezieller Beispiele im Zusammenhang mit einer Vorrichtung sowie eines Verfahrens zur Detektion der Ausrichtung einer Drehwelle und insbesondere für gekuppelte Wellen und motorgetriebene Wellen beschrieben wird, diese Beispiele nur zur Veranschaulichung und zum leichteren Verständnis und stellen keine spezielle Beschränkung des Umfangs und der Verwendbarkeit der Erfindung dar. Die verschiedenen Merkmale der Erfindung sind für einen weiten Bereich drehbarer Einrichtungen und Wellenausrichtungs-Situationen anwendbar, ungeachtet davon, ob eine einzelne Welle oder zwei oder mehr gekuppelte Wellen vorhanden sind, und unabhängig von dem Typ des Mechanismus, der zum Drehen der Wellen oder der durch die Wellen angetriebenen Lasten verwendet wird. Die hier beschriebenen speziellen Mechanismen zur Kupplung von Wellen sind je nach Design frei wählbar und bilden keinen bestimmten Aspekt sowie keine Beschränkung der Erfindung.
• Fig. 1 zeigt eine Antriebswelle 10, die durch eine geeignete Kupplungsvorrichtung 14 mit einer Abtriebswelle 12 verbunden ist. Die Abtriebswelle 12 kann selbstverständlich mit einer anderen Welle oder einer Last, z. B. einem (nicht gezeigten) Generator, verbunden sein. Die Antriebswelle ist mit einer (nicht gezeigten) Motor-Kraftanlage, z. B. einem Gasturbinenmotor, oder einer anderen geeigneten Einrichtung verbunden, mittels derer die Welle in gewünschter Weise gedreht werden kann. Die Kraftanlage weist typischerweise ein Gehäuse H mit einer Endplatte oder einer anderen hinreichend starren Struktur auf, an der die Sensoren gemäß der Erfindung gehalten sein können. Die Sensoren müssen jedoch nicht an der Kraftanlage angeordnet sein, sondern es kann auch eine separate Struktur vorgesehen sein, um die Sensoren um die Wellen herum zu halten.
• Die Antriebswelle ist mit der Kraftanlage durch eine zweite Kupplungsvorrichtung 16 verbunden, die in herkömmlicher Weise, jedoch nicht notwendigerweise, den gleichen Aufbau haben kann wie die erste Kupplungsvorrichtung 14. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Kupplungsvorrichtungen 14, 16 flexible Scheibenkupplungen mit mehreren Scheiben, die sandwichartig zwischen den beiden Nabenvorrichtungen angeordnet sind. Beispielsweise weist die erste Kupplungsvorrichtung 14 erste und zweite Naben 18, 20 und mehrere flexible Scheiben 22 auf, die axial gestapelt sind. Die Scheiben verbinden die Weilen derart miteinander, daß die Drehkraft von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragen wird, während gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen den gekuppelten Wellen 10, 12 sowohl axial als auch nichtaxial erlaubt wird, um Wellen-Fehlausrichtungen auszugleichen. Die Naben 18,20 sind mittels mehrerer Stifte 24 aneinander befestigt. Die Hälfte der Stifte 24 befestigt den Scheiben-Stapel an der einen Nabe, und die andere Hälfte der Stifte befestigt den Scheiben-Stapel an der anderen Nabe.
• Die zweite Kupplung 16 kann in ähnlicher Weise ausgebildet sein wie die erste Kupplung. Somit weist die zweite Kupplung 16 erste und zweite Naben 26 und 28 mit gestapelten Platten 30 auf, die sandwichartig zwischen den Naben angeordnet sind, wobei die Kupplungsvorrichtung durch Stifte 32 zusammengehalten wird. Die erste Nabe 26 ist selbstverständlich an dem Motorantrieb befestigt, wobei die Antriebskraft über die Platten 30 und die zweite Nabe 28 auf die Antriebswelle 10 übertragen wird.
• Jede Nabe der zweiten Kupplung 16 ist mit mehreren Zähnen oder detektierbaren Elementen 40 versehen. Diese Zähne weisen vorzugsweise ein ferromagnetisches Material wie z. B. AISI 4340 oder AMS 6260 auf. Die Zähne 40 weisen mehrere Referenz-Zähne 42 auf, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den vorliegenden Zeichnungen generell parallel zu der Drehachse der Wellen 10, 12 ausgerichtet sind. Die Zähne 40 weisen ferner mehrere positionsabhängige Ausrichtungszähne 44 auf. Fachleuten wird jedoch leicht ersichtlich sein, daß die Referenz-Zähne in jeder beliebigen geeigneten Weise ausgerichtet sein können, und tatsächlich wird der Ausdruck "Referenz-Zähne" einfach aus Gründen der Anschaulichkeit und Klarheit verwendet. Für die Zwecke der Erfindung kann jede Gruppe von Zähnen als "Referenz" betrachtet werden. Allgemeiner ausgedrückt liegt es im Ermessen der Erfindung, daß die Zähne eine positionsabhängige Beziehung einnehmen, die bei Drehung der Wellen detektiert werden kann. Ferner wird ersichtlich sein, daß bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Zähne 40 mit gleichem Abstand um den gesamten Umfangsbereich der Naben angeordnet sind. Dies ist jedoch primär zwecks Vereinfachung der zum Detektieren der Zähne erforderlichen Elektronik und zwecks Verbesserung der Präzision der Vorrichtung der Fall. Je nach dem bestimmten Anwendungsfall für die Erfindung liegen die Anzahl der verwendeten Zähne und deren Position um die Naben weitgehend im Ermessendes Konstrukteurs.
• Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen Ausführungsform liegt jedoch darin, daß die Referenz-Zähne und die positionsabhängigen Zähne, die gemeinsam an einer einzigen Nabe (z. B. der Nabe 28) angeordnet sind, mit einem einzigen Sensor detektiert werden können, während sich die Nabe mit der zugehörigen Welle dreht.
• Die Wellen-Positions- und Ausrichtungs-Detektionsvorrichtung 1 weist die Zähne 40 und mehrere Sensoren 50 auf, die in gewählter Weise um den Umfang der Naben angeordnet sind, um die Zähne 40 zu detektieren, wenn sich die Zähne mit der zugehörigen Nabe und Welle drehen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind zwei Sensoren 50a und 50b im oberen Bereich der Wellenvorrichtung angeordnet, wobei der erste Sensor 50a derart ausgerichtet ist, daß er die Zähne an der ersten Nabe 26 detektiert. Der zweite Sensor 50b ist derart ausgerichtet, daß er die Zähne an der zweiten Nabe 28 detektiert. Diesen beiden Sensoren diametral gegenüberliegend sind zwei zusätzliche Sensoren 50c und 50d angeordnet. Der dritte Sensor 50c detektiert die gleichen Zähne wie der Sensor 50a, und der vierte Sensor 50d detektiert die gleichen Zähne wie der Sensor 50b. Vorzugsweise liegen diese vier Sensoren 50a-d sämtlich in einer gemeinsamen Ebene, die im wesentlichen vertikal verläuft (z. B. der XY-Ebene), obwohl diese Ausrichtung für die Anwendung der Erfindung nicht erforderlich ist. Die vertikale Ausrichtung ist zweckmäßig zum Detektieren einer Wellen-Fehlausrichtung, die außerhalb der Horizontalen (z. B. der XZ-Ebene) der Wellen liegt. Beispielsweise können die zweiten und vierten Sensoren 50b und 50 verwendet werden, um die winklige Fehlausrichtung der Antriebswelle 10 in bezug auf den Motorantrieb zu detektieren. Eine derartige winklige Fehlausrichtung kann sich, z. B. aufgrund winkliger Verlagerung oder Drehung der Antriebswelle 10 in der XY-Ebene, dahingehend bemerkbar machen, daß die Drehachse der Antriebswelle nicht mehr horizontal ist.
• Es ist zu beachten, daß die hier vorliegende Beschreibung der Drehverlagerungen und Fehlausrichtungen sowie der Referenzausrichtungen nur Beispiel sind und nicht im Sinne einer Beschränkung aufzufassen sind. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, daß die Axialposition und die Fehlausrichtung der Welle (gleichgültig, ob sie winklig oder versetzt ist) in bezug auf jede Referenzposition und -richtung detektiert werden kann, die der Designer wählt. Ferner handelt es sich bei der Verwendung der Zähne an der Kupplung und speziell an der Nabe nur um ein Beispiel der Stellen, an denen die Zähne und die Sensoren angeordnet werden können. Die Zähne können bei Bedarf z. B. an der Welle oder an einer Wellen-Hülse angeordnet werden.
• Es werden nur zwei Sensoren (z. B. die Sensoren 50a und 50c oder 50b und 50d) benötigt, um eine Wellen-Fehlausrichtung in einer Ebene zu detektieren, die quer zu der die Sensoren aufweisenden Ebene verläuft. Der Grund dafür, daß Vier Sensoren in der vertikalen Ebene gemäß Fig. 1 gezeigt sind, besteht darin, daß die Sensoren 50a und 50b zusammen verwendet werden können, um eine relative axiale Verlagerung zwischen den beiden Naben 26 und 28 zu detektieren, wie noch eingehender beschrieben wird. Die Sensoren 50c und 50d sind ebenfalls für den gleichen Zweck verwendbar. Sämtliche vier Sensoren können verwendet werden, um die relative axiale Verlagerung derart zu detektieren, daß die Information über die Verlagerung unabhängig von der Wellen-Fehlausrichtung ist. Wiederum hängen die Anzahl der verwendeten Sensoren und deren Position und Verwendung davon ab, welche Ausrichtungs- und Verlagerungs-Information unter Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung geliefert werden soll.
• Gemäß Fig. 1 weisen die Sensoren 50 ferner ein Paar horizontal und diametral abgeordneter Sensoren 50e und 50f auf. (Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 1 der Sensor 50f nicht sichtbar ist.) Diese Sensoren können verwendet werden, um eine winklige Fehlausrichtung außerhalb der XY-Ebene zu detektieren.
• Jeder der Sensoren 50 ist vorzugsweise von dem Typ, der ein Ausgangssignal erzeugt, das der Detektion der Zähne entspricht, während sich diese an dem Sensor vorbei drehen. Beispielsweise können die Sensoren 50 Monopol-Sensoren mit variablem Widerstand sein, die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das eine Funktion der Flußvariation in dem Sensor ist, welche aufgrund der Verwendung des ferromagnetischen Materials für die Zähne 40 induziert wird. Derartige Monopol-Sensoren sind weithin bekannt und werden beschrieben in den U.S.-Patenten Nr. 4,488,443 und 3,876,326 von Parkinson bzw. Wirtz, die beide auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurden und deren gesamte Offenbarungen hiermit durch Verweis in die vorliegende Anmeldung einbezogen werden. Selbstverständlich können zahlreiche unterschiedliche Typen von Sensoren verwendet werden. Beispielsweise können die magnetooptischen Sensoren gemäß der Beschreibung von U.S.- Patent Nr. 5,192,862 von Rudd sein, das auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und dessen Offenbarung hiermit durch Verweis in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird. Alternativ können optische Sensoren verwendet werden, die auf dem Zähnen lichtreflektierendes Material aufweisen. Dies sind nur einige der zahlreichen Typen von Sensoren und Zähne, die in herkömmlicher Weise mit der Erfindung verwendet werden können.
• Obwohl in Fig. 1 nicht gezeigt, sind die Sensoren mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die die Sensor-Ausgangssignale verarbeitet, um die gewünschte Information über die axiale Fehlausrichtung und Verlagerung abzuleiten.
• In Fig. 1 ist ferner eine Monopol-Drehkraftdetektionsvorrichtung 60 gezeigt. Diese Drehkraftdetektionsvorrichtung kann von dem Typ sein, der gezeigt und beschrieben ist in den U.S.-Patenten Nr. 3,548,649 und 5,182,953 von Parkinson bzw. Ellinger et al., oder in der U.S.-Patentanmeldung Ser. No. 07/584,173, eingereicht am 18. September für einen "Composite Power Shaft With Intrinsic Parameter Measurability", die sämtlich auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurden und deren gesamte Offenbarungen hiermit beide durch Verweis in die vorliegende Anmeldungeinbezogen werden. Eine detaillierte Beschreibung der Arbeitsweise der Drehkraftdetektionsvorrichtung 60 ist in den einbezogenen Schriften enthalten und braucht hier nicht wiederholt zu werden. Es ist jedoch anzumerken, daß die Drehkraftdetektionsvorrichtung 60 in herkömmlicher Weise einen Sensor 62 aufweisen kann, dessen Aufbau demjenigen des Sensors 50 gleicht. Selbstverständlich können ein beliebiger einzelner oder mehrere der Sensoren 50, 62 vom Design her anders ausgebildet sein als die anderen Sensoren, falls dies für einen bestimmten Anwendungsfall gewünscht ist. Der Sensor 62 kann mittels eines Bügels 64 oder einer anderen geeigneten Vorrichtung an einer (nicht gezeigten) Haltestruktur befestigt sein. Wie in den erwähnten Schriften erläutert ist, enthält die Drehkraftdetektionsvorrichtung 60 eine Referenz- Hülse, die fest an einem Ende der Welle, deren Drehkraft detektiert werden soll, angebracht ist, um einen Referenzpunkt für den Drehkraftsensor zu bilden. Ferner kann ein (nicht gezeigter) Temperatursensor zum Detektieren der Wellen-Temperatur vorgesehen sein, um die Drehkraft- Meßwerte zu kompensieren, da die Wellen-Deflektion relativ zu der Temperatur einer Welle unter Torsionsbelastung variiert.
• Gemäß Fig. 2 können die Sensoren 50 in herkömmlicher Weise an einer Bügelvorrichtung 70 angeordnet sein, die durch beliebige geeignete Mittel, z. B. Stifte 72, an dem Rahmen-Gehäuse H der Energieversorgungsanlage befestigbar ist. Die Bügelvorrichtung 70 weist einen Rahmen 74 und mehrere axiale Verlängerungsteile 76 auf, die in geeigneter Weise derart positioniert sind, daß, wenn die Vorrichtung 70 an dem Gehäuse befestigt ist, die Sensoren 50 so positioniert sind, daß sie die entsprechenden Zähne 40 detektieren, die sich an den Sensoren vorbei drehen.
• Gemäß Fig. 1 und 2 sind die Referenz-Zähne und die positionsabhängigen Zähne 40 in einer vorbestimmten Beziehung zu der Drehachse der Wellen dahingehend angeordnet, daß eine durch axiale Verschiebung, Schrägstellung oder Versetzung verursachte Verlagerung oder Fehlausrichtung der Wellen mittels der Sensoren 50 detektiert werden kann. Es kann auch Information zur Drehgeschwindigkeit detektiert werden. Die verschiedenen Sensoren 50 arbeiten derart, daß sie die Zähne 40 grundlegend in der gleichen Weise mit vorzugsweise ähnlichen Ausgangssignalparametern detektieren, wodurch die Anforderungen an die Signalverarbeitung vereinfacht werden. Als nächstes erfolgt somit eine allgemeine Beschreibung der Sensor-/Zahn-Detektion, und anschließend eine genauere Beschreibung der Weise, in der die Sensoren angeordnet und betätigt werden, um die gewünschten dynamischen Eigenschaften der drehenden Teile zu ermitteln.
• Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer geeigneten Zahnanordnung, bei der z. B. die Referenz-Zähne 42 generell mit der Drehachse ihrer zugehörigen Welle ausgerichtet sind und die Ausrichtungszähne 44 in bezug auf die Referenz-Zähne unter einem Winkel angeordnet sind. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Zähne 42,44 um den Umfang der Nabe herum, an der sie befestigt sind, beabstandet. Ferner erstrecken sich die Ausrichtungszähne vorzugsweise um nicht mehr als die Hälfte des Abstandes zwischen aufeinanderfolgenden Referenz- Zähnen. Diese Anordnung vereinfacht die Signalverarbeitung, ist jedoch nicht unabdingbar zur Realisierung der Vorteile der Erfindung.
• Fig. 3B zeigt zwei Referenz-Zähne 42 und einen Ausrichtungszahn 44. In dieser Figur ist die Richtung der Nabendrehung eine horizontale Richtung. Es sei nun angenommen, daß die Zähne ein ferromagnetisches Material aufweisen und daß ein Monopol-Sensor 50 derart angeordnet ist, daß er (wie bei X) zwischen den axialen Enden der Zähne 40 (bei denen es sich in Fig. 3B um die oberen und unteren Enden der Zähne handelt) zentriert ist. In diesem Fall erzeugt ein Monopol-Sensor für variable Reluktanz ein generell sinusförmiges Signal, während er die passierenden Referenz- und Ausrichtungszähre detektiert. Jedes Mal, wenn die Mitte eines Zahnes den Sensor passilert, erfährt das Sensor-Ausgangssignal einen Null- Durchgang. Durch Verwendung eines Nulldurchgangs-Detektors in der Signalverarbeitungsschaltung (Fig. 3C) kann das Sensor-Ausgangssignal in herkömmlicher Weise in ein Signal vom digitalen Typ konvertiert werden, das ein "Ein-/Aus"- oder "Hoch-/Niedrig"-Verhältnis hat, welches eine Funktion der Position des Sensors in bezug auf die Zähne 40 ist. Falls beispielsweise der Sensor nicht zentriert ist, sondern nahe dem oberen Ende (wie bei X) der Zähne in Fig. 38 positioniert ist, ändert sich das "Ein-/Aus"-Verhältnis im Vergleich zu dem Verhältnis, das bei Zentrierung des Sensors in bezug zu den Zähnen vorliegt. Das Verhältnis ändert sich ebenfalls, falls der Sensor nahe dem unteren Ende (wie bei Z) der Zähne in Fig. 38 positioniert ist. Es ist anzumerken, daß bei diesem Beispiel das Ein-/Aus-Verhältnis ein Verhältnis der Zeitperiode von einem Referenz- Zahn zu einem Ausrichtungszahn, dividiert durch die Gesamt-Zeitperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Referenz-Zähnen, ist. Somit entspricht eine einfache sequentielle radiometrische Impuls-Detektion des Ein-/Aus-Verhältnisses einer Positionsveränderung des Sensors in bezug auf eine Referenzposition des Sensors. Die Referenzposition des Sensors kann selbstverständlech leicht anhand des Anfangs-Sensor-Ausgangssignals bestimmt werden, oder sie kann während der Kalibrierung auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Ferner kann gemäß Fig. 3C das Digitalsignal weiter verarbeitet werden, indem es in eine Gleichstromspannung konvertiert wird, die der Information über das Zeitperioden- Verhältnis entspricht. Selbstverständlich werden Fachleute erkennen, daß zahlreiche unterschiedliche Signalverarbeitungsschemata verwendet werden können, um die Variation der Sensorposition als Funktion des Abstandes zwischen den Zähnen zu bestimmen, insbesondere je nach dem Grad der gewünschten Präzision und dem Typ des erzeugten Sensor- Ausgangssignals.
• In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß jeder beliebige der bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Sensoren zum Detektieren der Drehgeschwindigkeit der entsprechenden Welle verwendet werden kann, da die Gesamt-Zeitperiode zwischen den Null-Durchgangspunkten der Zähne (Fig. 3A und 3C) in direkter Entsprechung zu der Drehgeschwindigkeit steht. Ferner können die von den Sensoren - z. B. Sensoren mit variabler Reluktanz - erzeugten Signale bei Bedarf verwendet werden, um eine Spannung und einen Strom zur Energieversorgung zu erzeugen.
• Gemäß Fig. 4 sind bei einer weiteren hier zu beschreibenden Ausführungsform vier Sensoren A, B, C und D im Quadrat um den Naben- Umfangsbereich herum angeordnet, und zwar in derart hinreichend enger Nähe zu den Zähnen 40, daß die Zähne detektiert werden können, wenn sie sich an den Sensoren vorbei bewegen. Jeder Sensor ist selbstverständlich mit Ausgangsleitern oder anderen geeigneten Vorrichtungen versehen, um die Sensoren mit einer Signalverarbeitungsschaltung zu verbinden, wie im folgenden kurz beschrieben wird. Gemäß Fig. 4 sind die Sensoren A und C (ähnlich wie die Sensoren 50b und 50d in Fig. 1) in ei ner vertikalen Ebene angeordnet, während die Sensoren B und D (ähnlich wie die Sensoren 50e und 50f in Fig. 1) generell in einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Wiederum ist anzumerken, daß die Ausrichtungszähne 44 innerhalb der Hälfte des Abstandes zwischen aufeinanderfolgenden Referenz-Zähnen 42 angeordnet sind, obwohl - wie bereits erwähnt - die Erfindung auch bei anderen Zahn-Konfigurationen anwendbar ist. Ferner ist zu beachten, daß jedes Ausrichtungszahn-Ende, das sich nahe zu einem Referenz-Zahn befindet, durch einen Spalt 46 von dem Referenz-Zahn beabstandet ist. Dieser Spalt trägt dazu bei, zu gewährleisten, daß die Referenzsignale mittels der Signalverarbeitungsschaltung von den positionsabhängigen Signalen diskriminiert werden können.
• Wiederum anhand Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß jeder Sensor A, B, C und D einzeln verwendet werden kann, um eine axiale Verlagerung der Welle aus einer Referenzposition zu detektieren. Dies ist der Fall, weil eine axiale Verlagerung eine entsprechende Veränderung der Zeit bewirkt, die der positionsabhängige Zahn benötigt, um den Sensor zu passieren, nachdem ein Referenz-Zahn den Sensor passiert hat, wobei jedoch die Zeitperiode, die zwei aufeinanderfolgende Referenz-Zähne zum Passieren des Sensors benötigen, im wesentlichen gleich (unter der Annahme, daß die Drehgeschwindigkeit konstant ist). Durch Verwendung der hier beschriebenen radiometrischen Technik mit sequentieller Impuls-Zeitsteuerung, wird die variable Geschwindigkeit der Welle automatisch als Faktor bei den Positionsmessungen einbezogen.
• Obwohl die axiale Verlagerung somit relativ leicht zu bestimmen ist, werden bei Veränderungen der winkligen oder versetzten Ausrichtung der Welle falsche Meßwerte verursacht. Dies ist selbstverständlich aufgrund der Tatsache der Fall, daß derartige axiale Fehlausrichtungen auch entsprechende Veränderungen in den relativ zu den Referenz-Zeitperioden detektierten Zeitperioden verursachen, die die positionsabhängigen Zähne benötigen, um die Sensoren zu passieren.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann an den Meßwerten für die axiale Verlagerung eine Kompensation axialer Fehlausrichtungen vorgenommen werden, indem die Ausgangssignale aus zwei oder mehreren der Sensoren 50 kombiniert werden. Aus Fig. 1 und 4 ist ersichtlich, daß z. B. bei horizontal angeordneten Sensoren eine Winkel-(Schrägstellungs-)Veränderung der Wellenausrichtung in der XY-Ebene das Zeitsteuerungsverhältnis für die horizontalen Sensoren nicht verändert. Bei den vertikal angeordneten Sensoren jedoch verursacht eine derartige Schrägstellung gleiche und entgegengesetzte Veränderungen in dem Einschalt-/Ausschalt-Verhältnis der betreffenden der beiden Sensoren. Anders ausgedrückt bewirkt eine Schrägstellung in der XY-Ebene, daß einer der Sensoren den Ausrichtungszahn zeitlich gesehen im Vergleich mit der Referenzposition schneller detektiert, während der andere vertikale Sensor den Ausrichtungszahn zeitlich später detektiert. Diese hier auftretende Versetzung in der Zeitdomäne ist in ihrer Größe für jeden Sensor gleich, jedoch detektiert ein Sensor eine positive Veränderung und der andere eine negative Veränderung. Die Signifikanz dieses Phänomens besteht darin, daß, falls die entsprechenden Verhältnisse der sequentiellen Impulse der beiden Sensorsignale einander hinzuaddiert werden, das kombinierte Signal dann der axialen Verlagerung der Welle entspricht, und zwar unabhängig von der Fehlausrichtung. Ferner entspricht, falls die Verhältnisse der sequentiellen Impulse voneinander subtrahiert werden, das kombinierte Signal dann der Information über die winklige Verlagerung, unabhängig von den Auswirkungen der axialen Verlagerung. Dies ist der Fall, da die axiale Verlagerung bewirkt, daß zwei diametral gegenüberliegende Sensoren gleiche Verschiebungen in den Einschalt-/Ausschalt- Verhältnis detektieren, die auch hinsichtlich der Richtung der Verschie bung gleich sind (d. h. es sind keine gleichen und entgegengesetzten Verschiebungen, sondern gleiche Verschiebungen in derselben Richtung).
• In ähnlicher Weise entspricht, wenn die Verhältnisse der sequentiellen Impulse der horizontal angeordneten Sensoren 50e und 50f einander hinzuaddiert werden, das kombinierte Signal der axialen Verlagerung der Welle, und zwar unabhängig von der Fehlausrichtung in der XZ-Ebene, und falls die Verhältnisse der sequentiellen Impulse voneinander subtrahiert werden, entspricht das kombinierte Signal der winkligen Fehlausrichtung, unabhängig von der axialen Verlagerung.
• Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung können die Wellen-Ausrichtung und die Positionsinformation unabhängig von der Amplitude der Signale bestimmt werden, die von den Sensoren als Reaktion auf die passierenden Zähne erzeugt werden. Ferner kann die Information aus jedem Sensor Ausgangssignal unabhängig von dessen Phasenbeziehung zu dem Ausgangssignal jedes anderen Sensors abgeleitet werden. Anders ausgedrückt ist die Erfindung nicht abhängig von den Absolutpositionen der Sensoren relativ zueinander, da nicht die Relativphasen der Signale den interessierenden Parameter bilden, sondern einfach die Zeitperioden-Verhältnisse in bezug auf die Referenzwerte. Tatsächlich können zwei entgegengesetzt angeordnete Sensoren bis nahezu einer vollen Trenn-Distanz zwischen Referenz-Zähnen drehend voneinander versetzt sein, ohne die Präzision der Erfindung signifikant zu beeinträchtigen. Frühere Techniken hingegen, die von den Phasenbeziehungen zwischen Sensorsignalen abhängen, sind höchst empfindlich gegenüber den aktuellen Drehpositionierungen der Sensoren relativ zueinander und den sensiblen Elementen.
• Obwohl bei den gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung vorgenommenen Messungen der axialen Positionsausrichtung und Kompression keine Phasenverhältnisse zwischen Sensorsignalen verwendet werden, kann diese Information zu nützlichen Zwecken abgeleitet werden, z. B. zwecks Überwachung der episoidalen Bewegung (Umkreisung). Gemäß Fig. 4 wird durch Verwendung der Impulse, die der Bewegung der Referenz-Zähne an den Sensoren D und B vorbei entsprechen, ein direkter Meßwert der vertikalen Position der Welle 10 erzeugt. Die von dem Sensor D erzeugten Referenzimpulse werden verwendet, um einen Multivibrator in den Hoch-Zustand zu steuern, und die Referenzimpulse von dem Sensor B versetzen den Multivibrator zurück in den Niedrig-Zustand. Wenn sich beispielsweise die Welle 10 im Gegenuhrzeigersinn dreht, wird durch eine vertikale Aufwärtsbewegung der Welle 10 (z. B. zu dem Sensor A hin) das Multivibrator-Einschalt-Zeitverhältnis reduziert, während durch eine vertikale Abwärtsbewegung der Welle 10 das Multivibrator-Ausschalt-Zeitverhältnis vergrößert wird. In ähnlicher Weise wird durch Verwendung der Sensoren A und C ein präziser Meßwert des horizontalen Auswanderns der Welle 10 erzielt. Die Absolutposition der Welle 10 kann anhand einer Frequenz ermittelt werden, die der Anzahl der Referenz- Zähne multipliziert mit den Umdrehungen pro Minute gleicht.
• Obwohl die hier beschriebene Ausführungsform zur Verwendung zweier Sensoren vorgesehen ist, um eine winklige Fehlausrichtung aus einer quer zu der Ebene der Sensoren verlaufenden Ebene heraus zu detektieren, wobei vier im Quadrat angeordnete Sensoren verwendet werden, um vertikale und horizontale Fehlausrichtungen zu detektieren, können die vier Sensor-Ausgangssignale auch vektoriell kombiniert werden, um die Gesamt-Position und -Verlagerung der Wellen innerhalb eines vorbestimmten Umgrenzungsbereiches festzustellen. Ferner werden zum Erhalt dieser Information nur drei Sensoren benötigt, obwohl bei Verwendung vier Sensoren die Signalverarbeitungselektronik vereinfacht wird.
• Ferner umfaßt die Erfindung, wie wiederum aus Fig. 1 ersichtlich, die Verwendung der Sensoren 50 zum Detektieren der relativen axialen Verla gerung zwischen gekuppelten drehenden Teilen, z. B. der Welle 10 und des Motorantriebs. Dabei ist zu beachten, daß jeder der oberen Sensoren 50a und 50b einzeln die axiale Verlagerung des ihm zugeordneten drehenden Teils detektieren kann. Falls beide drehenden Teile in der gleichen Richtung verlagert sind, dann detektieren beide Sensoren eine gleiche positive oder negative Veränderung des Zeitperioden-Verhältnisses (wobei das Vorzeichen der Veränderung von der Richtung der axialen Verlagerung abhängt). Falls jedoch eine negative axiale Verlagerung vorliegt, dann detektieren die Sensoren unterschiedliche Veränderungen des Zeitperioden-Verhältnisses. Dies kann z. B. der Fall sein, falls an der Kupplung 16 eine Kompression zwischen den Wellen auftritt. Somit entspricht die Differenz der Ausgangssignale der relativen axialen Verlagerung. Ferner kann die Information zu der relativen Verlagerung unabhängig von winkligen und versetzten Fehlausrichtungen bestimmt werden, indem dazu die von den Sensoren 50c und 50d übermittelte Information verwendet wird (die Summe gleicher und entgegengesetzter Veränderungen, die durch derartige Fehlausrichtungen verursacht werden).
• Es ist zu beachten, daß gemäß der Erfindung die relative axiale Verlagerung zwischen beliebigen Elementen bestimmt oder detektiert werden kann, unabhängig davon, ob diese miteinander gekoppelt sind, mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten arbeiten oder auf unterschiedlichen Drehachsen ausgerichtet sind. Dies ist der Fall, weil die Erfindung unabhängig von der Drehgeschwindigkeit und der Signalfrequenz Positionsinformation relativ zu der Position eines Referenzsensors liefert. Dies ist ein beträchtlicher Vorteil gegenüber früheren Systemen, die von den relativen Phasenverhältnissen zwischen zwei oder mehr Sensoren abhängen.
• Fig. 5 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Schaltung 78, die zur Verwendung mit unterschiedlichen Vorrichtungen vom Reluktanz-Typ geeignet ist, die als Sensoren 50 verwendet werden. Die Schaltung 78 gemäß Fig. 5 kann selbstverständlich für jeden Sensor das gleiche Design haben. Der Sensor 50 ist mit einem Nulldurchgangspunkt-Detektor 80 verbunden, der einen Trigger-Impuls oder ein anderes geeignetes Signal erzeugt, das einen bistabilen Multivibrator 82 triggert. Wenn bei dem hier beschriebenen Beispiel ein Referenz-Zahn den Sensor passiert, führt das Ausgangssignal des Multivibrators 82 einen logischen Hoch-Pegel, und wenn der positionsabhängige Zahn den Sensor passiert, wird das Ausgangssignal des Multivibrators auf den Niedrig-Pegel rückgesetzt. Diese Vorkehrung stellt selbstverständlich nur ein Beispiel dar, und es können zahlreiche unterschiedliche Signalverarbeitungsschemata verwendet werden. Das Ausgangssignal des Multivibrators 82 wird anschließend gefiltert und mittels eines Diskriminators 84 in einen Gleichspannungspegel konvertiert, das dem Verhältnis von Hoch- zu Tief-Zeitperioden des Ausgangssignals des Multivibrators entspricht. Somit entspricht diese Gleichspannung wie beschrieben der aktuellen Position des Sensors relativ zu dem relevanten Zahn 40.
• Fig. 6 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung, bei der die Ausgangssignale der mehreren Sensoren gemäß Fig. 1 kombiniert werden, um Signale zu erzeugen, die jeweils unabhängig von dem anderen der axialen Verlagerung und Ausrichtung entsprechen, und die, falls gewünscht, der Kompressions- und Drehkraft- Information entsprechen. Jeder der Sensoren A-F ist mit einer Diskriminatorschaltung ähnlich der Schaltung 78 gemäß Fig. 5 verbunden. Die Ausgangssignale dieser Schaltungen werden ihrerseits den Addier- und Differenzierungsschaltungen 86,88 zugeführt, um die gewünschte Information zu erzeugen. Wenn beispielsweise die Signale, die den Sensoren 50b und 50d entsprechen, addiert werden, ist das Ergebnis ein Signal, das der axialen Verlagerung entspricht, und zwar unabhängig von der axialen Ausrichtung. Wenn die gleichen Signale voneinander subtrahiert werden, ist das Ergebnis ein Signal, das der winkligen Verlagerung ent spricht, unabhängig von der axialen Ausrichtung. Es ist zu beachten, daß ferner die zum Erhalt der Information über die axiale Kompression verwendeten Ausgangssignale der Sensoren (der Sensoren 50a und 50b in Fig. 1) kombiniert werden, um kompressionsbezogene Signale zu erzeugen, die unabhängig von der winkligen Fehlausrichtung sind. Wiederum gemäß Fig. 6 können auch temperaturbereinigte Drehkraft-Meßwerte aus dem Drehkraft-Sensor 62 in der Signalverarbeitungsschaltung berücksichtigt werden.
• Gemäß der als nächstes zu beschreibenden Fig. 7 besteht ein signifikanter Vorteil der Erfindung in der inhärenten Fähigkeit zur Durchführung eines Ausrichtungsvorgangs, der bei dem routinemäßigen Vorbereitungsablauf für die zu überwachende Einrichtungerfolgen kann. Bei den Drehvorrichtungen wie z. B. dem Motorantrieb, den Wellen und den Lasten gemäß Fig. 1 ist typischerweise vor dem Betrieb ein Ausrichtungsvorgang erforderlich, um die Einrichtungvorzubereiten. Das Ausrichten der Wellen ist selbstverständlich wichtig zum Optimieren der Effizienz und zum Reduzieren von Beschädigung und Verschleiß der Wellen, Lager und Kupplungen. Nachdem die Einrichtung jedoch über eine Zeit hinweg gelaufen ist, können Temperatur und Vibration eine Fehlausrichtung verursachen. Somit wird auf dem Gebiet die Einrichtungtypischerweise derart vorbereitet, daß insbesondere unter den Auswirkungen der Temperatur die Einrichtung- wie man hofft - in den korrekt ausgerichteten Zustand neuausrichtet wird. Dieses vorbereitende Ausrichten erfolgt jedoch häufig anhand der Sichtlinie oder anderer Verfahren, bei denen Vorausberechnungen thermischer Vergrößerungen verwendet werden. Gravierender ist, daß, nachdem der Benutzer glaubt, daß die Einrichtungausgerichtet ist, die Einrichtungtypischerweise abgeschlossen und in Betrieb genommen wird, wobei in keiner Weise geprüft werden kann, ob die Einrichtung eine Fehlausrichtung entwickelt hat oder die Ausrichtung wirklich beibe hält, es sei denn, daß die Einrichtungabgeschaltet wird. Derartige Schritte sind sehr kostenaufwendig und somit nicht praktikabel.
• Mit der Erfindung ist jedoch als Teil des Vorbereitungsvorgangs ein Verfahren vorgesehen, mittels dessen vor dem Verbinden der Last ein optimaler Ausrichtzustand bestimmt werden kann und anschließend während des Betriebs der Einrichtung die Ausrichtung überwacht werden kann, um zu prüfen, ob die Einrichtungwährend des Betriebs die korrekte Ausrichtung eingenommen hat. Diese Technik kann z. B. realisiert werden, indem eine drehbare Nachbildung mit einer Kupplungsvorrichtung 16 verbunden wird. Ein Elektromotor 90 kann über einen Antriebsriemen 92 und eine Riemenscheibenvorriclhtung 94 mit einer Antriebsspindel 91 verbunden werden. Der Motor kann zum Drehen der Naben 26',28' verwendet werden, so daß man aus den Anfangs-Sensorwerten die Nullpunkt-Position und die Ausrichtungs-Kalibrierungs-Referenzwerte erhalten kann. Anschließend wird die Wiedergabe gemäß Fig. 7 von den System entfernt, und die realen Lasten und Abtriebswellen werden entsprechend dem gewünschten Vorbereitungsvorgang vorbereitet. Nachdem die Einrichtungbereit ist und läuft, kann der Benutzer- bei Bedarf auf Echtzeitbasis - die Sensor-Ausgangssignale überwachen, um zu beobachten, wie sich die Ausrichtung verändert und ob die Einrichtung die erwartete korrekte Ausrichtung einnimmt. Diese Information ist leicht verfügbar, da die Sensor- Ausgangssignale separate Informationen zu der axialen Kompression, Verlagerung und Ausrichtung liefern.
• Anhand Fig. 8 wird ein zweckmäßiges Merkmal zur Verwendung in einem Fall erläutert, in dem sich die Zähne 40 über den Oberflächen-Umfangsbereich 28a der Naben 26,28 hinaus erstrecken. (In Fig. 8 ist aus Gründen der Übersicht nur eine einzige Nabe gezeigt.) In einem derartigen Fall kann über den Zähnen eine Beschichtung 94 vorgesehen sein, z. B. eine Schicht aus Plastik, einem Verbundmaterial oder einem anderen ge eigneten Material, das eine geeignete Außenfläche 96 bildet, um den Laufwiderstand zu reduzieren, der andernfalls durch die drehenden Zähne verursacht würde, und um bei Bedarf die Zähne zu schützen.
• Obwohl die Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, hat dies nur den Zweck der Veranschaulichung und nicht einer Beschränkung, und Fachleuten auf dem Gebiet werden innerhalb des durch die Ansprüche festgelegten Umfangs der Erfindung weitere Variationen und Modifikationen der hier gezeigten und beschriebenen speziellen Ausführungsformen ersichtlich sein.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Reaktion auf die Drehung einer Welle (10) um deren Achse zwecks Detektieren einer Fehlpositionierung der Welle (10) entlang der Achse und einer winkligen Fehlausrichtung der Achse der Welle (10) relativ zu der gewünschten Achse, mit mehreren detektierbaren Elementen (40,42, 44), die an einem Umfangsbereich (26, 28) angeordnet sind, der sich mit der Welle (10) dreht, wobei mindestens ein Paar der detektierbaren Elemente (42, 44) jeweilige Erweiterungsteile aufweist, die derart zueinander hin konvergieren, daß sie radial um die Wellen-Achse eine winklige Trennung voneinander aufweisen, die entlang der Wellen-Achse abnimmt, radial an dem Umfangsbereich (26, 28) befestigten Detektionseinrichtungen (50) zum Erzeugen jeweiliger Ausgangssignale, wenn sich die detektierbaren Elemente (40,42, 44) bei Drehung der Welle (10) an den Detektionseinrichtungen vorbeibewegen, und einer Verarbeitungseinrichtung, die auf die gegenseitige Zeitsteuerung der Signale reagiert, um ein vorn der axialen Verlagerung der Welle abhängiges Ausgangssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Detektionseinrichtungen (50) jeweils an unterschiedlichen Winkelpositionen um den Umfangsbereich (26, 28) angeordnet sind, wobei jede Detektionseinrichtung (50), während sich die detektierbaren Elemente (40,42, 44) bei Drehung der Welle (10) an ihr vorbeibewegen, jeweilige Signale erzeugt, wobei die von den jeweiligen Detektionseinrichtungen (50) erzeugten Signale ein Zeitsteuerungsverhältnis haben, das von den jeweiligen Winkelpositionen der Detektionseinrichtungen (50) und von der axialen Verlagerung und axialen Ausrichtung der Welle abhängig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierbaren Elemente (42, 44) des mindestens einen Paares radial äquidistant von der Wellen-Achse angeordnet sind, wobei die Verlängerung eines ersten der Elemente (42) des mindestens einen Paares im wesentlichen parallel zu der Wellen-Achse angeordnet ist und die Verlängerung eines zweiten der Elemente (44) des mindestens einen Paares unter einem Winkel relativ zu der Verlängerung des ersten der Elemente (42) entlang eines koextensiven Abschnitts der Axiallänge der Welle (10) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste der Elemente (42) und das zweite der Elemente (44) umfangsmäßig alternierend um die Welle-Achse entlang des Abschnitts der Welle (10) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung mehrere Transducer (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) aufweist, die um die Welle (10) herum positioniert sind, um die Elemente (42, 44) zu detektieren, während sich die Elemente (42, 44) mit der Welle drehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Transducer (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) ein gepulstes Ausgangssignal erzeugt, das alternierende Referenz- und Positionsimpulse aufweist, wobei die Referenzimpulsperiode eine Funktion der Drehgeschwindigkeit der Welle (10) ist und die Positionsimpulsperiode eine Funktion der Drehgeschwindigkeit der Welle (10) und ihrer Ausrichtung ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Positionsimpulsperiode zu der Referenzimpulsperiode der Ausrichtung der Welle (10) entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes gepulste Ausgangssignal ein Verhältnis zwischen Referenz- und Ausrichtungsimpuls erzeugt, das der axialen Verlagerung der Welle entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar der Transducer (z. B. 50a, 50c; 50b, 50d) diametral um die Welle (10) herum angeordnet ist, wobei jeder der Transducer in dem Paar (50a, 50c; 50b, 50d) gepulste Ausgangssignale erzeugt, die alternierende Referenz- und Ausrichtungsimpulse mit einem detektierbaren Verhältnis zwischen den Referenzimpulsen und den Ausrichtungsimpulsen dahingehend aufweisen, daß dieses Verhältnis der Ausrichtung der Welle (10) relativ zu der Referenzausrichtung entspricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Ausgangssignale von dem Paar von Transducern (50a, 50c; 50b, 50d) der axialen Position der Welle (10) entspricht und die Differenz der Ausgangssignale von dem Paar von Transducern (50a, 50c; 50b, 50d) der winkligen Ausrichtung der Welle (10) in einer Ebene rechtwinklig zu derjenigen Ebene entspricht, in der das Paar von Transducern (50a, 50c; 50b, 50d) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Ausgangssignale des Paars von Transducern (50a, 50c; 50b, 50d) unabhängig von der Wellen-Ausrichtung in der genannten rechtwinkligen Ebene ist und die Differenz der Ausgangssignale des Paars von Transducern (50a, 50c; 50b, 50d) unabhängig von der axialen Position der Welle (10) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein zweites Paar von Transducern (50e, 50f), das unter einem Winkel von dem ersten Paar von Transducern (50a, 50c; 50b, 50d) diametral um die Welle (10) herum angeordnet ist, wobei das zweite Paar von Transducern (50e, 50f) die winklige Ausrichtung der Welle in einer Ebene detektiert, die rechtwinklig zu der Ebene verläuft, in der das zweite Paar von Transducern (50e, 50f) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Paar von Transducern (50e, 50f) relativ zu dem ersten Paar von Transducern (50a, 50c; 50b, 50d) um einen Winkel von 90 Grad um die Achse der Welle (10) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transducer (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) ein Transducer mit variabler Reluktanz ist, und daß die Elemente (42, 44) magnetisch permeabel sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transducer (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) ein magnetooptischer Transducer ist, und daß die Elemente (42, 44) magnetisch permeabel sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transducer (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) ein optischer Transducer ist, und daß die Elemente (42, 44) optisch reflektierend sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (42, 44) umfangsmäßig um die Welle (10) herum angeordnet sind und daß die Detektionseinrichtungen (50) den Elementen (42, 44) radial gegenüberliegend angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Detektoreinrichtungen (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) die Elemente (42, 44) über einen jeweiligen Spalt hinweg detektiert, wobei jede der Detektoreinrichtungen (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) eine Ausgabecharakteristik erzeugt, die im wesentlichen unabhängig von dem Spalt ist.