СПОСОБ КОРРЕКЦИИ МЕДЛЕННОГО РАСКАЧИВАНИЯ ПУТЕМ НАГРЕВАНИЯ И БЫСТРОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
METHOD TO CORRECT SLOW LOOSENING BY HEATING AND FAST COOLING

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США № 61/085041, поданной 31 июля 2008 г., раскрытие которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к коррекции медленного раскачивания во вращающемся оборудовании, в частности к устройству и способу для коррекции медленного раскачивания путем нагревания и резкого охлаждения.
Вращающееся оборудование используется во многих производственных применениях. Избыточные вибрации во вращающемся оборудовании являются основной проблемой и могут приводить в результате к потерям производства, вызывая потерю дохода компаний-изготовителей. Чтобы гарантировать, что вращающийся вал двигателя не будет иметь избыточных вибраций, когда он приводится во вращение двигателем, медленное раскачивание вала должно быть ниже некоторого предела. Медленное раскачивание вала является вибрацией вала, когда вал вращается со скоростью, которая значительно ниже типовой рабочей скорости для вала. Например, медленное раскачивание вала в типовом случае определяется путем измерения вибрации вала при примерно 250-300 оборотах в минуту. Медленное раскачивание в типовом случае проверяется в балансировочном устройстве в ходе финальной операции балансирования.
Медленное раскачивание в типовом случае измеряется с использованием датчиков вихревых токов, обычно называемых бесконтактными датчиками (близости). Бесконтактные датчики работают на принципе измерения изменения в магнитном поле. Во время измерения медленного раскачивания магнитное поле в некоторой области вала может изменяться ввиду механической неидеальности, обусловленной ошибкой механической обработки, или ввиду неравномерности электрических свойств материала вала. Это может привести к высокому показанию медленного раскачивания. Если медленное раскачивание не может быть скорректировано, то может потребоваться отбраковка вала. Механические неидеальности, такие как яйцеобразная форма цапфы подшипника, могут быть обнаружены с использованием индикатора с лимбом и могут быть скорректированы путем повторной механической обработки вала. Однако если механическое отклонение, измеренное индикатором с лимбом, достаточно мало (например, менее 0,1 мил), а показание медленного раскачивания все еще высокое, то проблема медленного раскачивания связана с электрическим свойством. Соответственно, желателен способ коррекции медленного раскачивания вследствие электрических свойств вала.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к коррекции проблемы медленного раскачивания вследствие электрических свойств вала. Медленное раскачивание, обусловленное электрическими свойствами вала, обычно корректируется путем нагрева измерительной области бесконтактного датчика вала и затем снятия нагрева, оставляя вал охлаждаться на воздухе. Однако авторами настоящего изобретения было установлено, что этот способ часто не корректирует проблему медленного раскачивания, и вал приходится отбраковывать. Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают способ и устройство для коррекции медленного раскачивания, в котором измерительная область вала нагревается и затем немедленно, резко охлаждается с помощью охладителя, чтобы быстро снизить температуру вала.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения измерительная область вала нагревается до предварительно определенной температуры при вращении вала, чтобы изменять электрические свойства измерительной области вала. Охладитель может подаваться к не являющимся измерительными областям вала, смежным с областью восприятия, в то время как измерительная область нагревается. Измерительная область вала поддерживается на предварительно определенной температуре в течение предварительно определенного интервала времени. Немедленно по истечении предварительно определенного интервала времени измерительная область вала резко охлаждается охладителем, чтобы охладить измерительную область вала до комнатной температуры.
Эти и другие преимущества изобретения будут понятны специалистам в данной области техники со ссылками на последующее подробное описание и иллюстрирующие чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 иллюстрирует устройство для измерения медленного раскачивания ротора;
фиг.2 иллюстрирует устройство для проверки механического отклонения вала;
фиг.3 иллюстрирует устройство для коррекции медленного раскачивания вследствие электрических свойств вала согласно варианту осуществления изобретения; и
фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая способ коррекции медленного раскачивания согласно варианту осуществления изобретения.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение относится к коррекции медленного раскачивания во вращающемся оборудовании. Фиг.1 иллюстрирует устройство для измерения медленного раскачивания ротора. Как показано на фиг.1, ротор 102 установлен с возможностью вращения на опорах 104 и 106. Контроллер 108 вращения контролирует вращение ротора 102. Контроллер 108 вращения может содержать двигатель, чтобы физически вращать ротор 102, и контроллер, чтобы управлять скоростью вращения ротора 102. Ротор 102 содержит вал 110 и, возможно, электрический сердечник (не показан). Понятно, что ротор 102 может быть ротором для любого типа устройства и может не иметь электрического сердечника. Например, ротор насоса может иметь вал и рабочее колесо. Настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным типом ротора. Контроллер 108 вращения может вращать вал 110 (через ротор 102) с предварительно определенной скоростью или в пределах предварительно определенного диапазона, чтобы измерить медленное раскачивание. Например, контроллер 108 вращения может вращать вал со скоростью примерно 250-300 оборотов в минуту, чтобы измерить медленное раскачивание.
Вал включает в себя измерительные области 112 и 114 и бесконтактные датчики 116 и 118, размещенные рядом с измерительными областями 112 и 114, соответственно. Бесконтактные датчики 116 и 118 измеряют медленное раскачивание вала 110 в соответствующих измерительных областях 112 и 114 вала 110. Местоположение бесконтактных датчиков 116 и 118 может быть фиксированным на устройстве 100, и положение измерительных областей 112 и 114 на валу 110 соответствует местоположению бесконтактных датчиков 116 и 118, соответственно. Бесконтактные датчики 116 и 118 могут быть реализованы с использованием датчиков вихревых токов, которые контролируют изменение в магнитном поле соответствующих измерительных областей 112 и 114 вала 110. Бесконтактные датчики 116 и 118 измеряют медленное раскачивание путем измерения изменения в магнитном поле в измерительных областях 112 и 114, когда вал 110 вращается. Бесконтактные датчики 116 и 118 выводят показание медленного раскачивания. Например, бесконтактные датчики 116 и 118 могут передать сигнал, включающий в себя показание медленного раскачивания, на компьютер 120, где пользователь может контролировать отсчет медленного раскачивания.
Во время проверки медленного раскачивания магнитное поле вала может изменяться, вызывая высокое значение медленного раскачивания, ввиду механической неидеальности, вызванной механической обработкой (например, яйцеобразной формой цапфы подшипника), или ввиду неравномерных электрических свойств материала вала. Механические неидеальности в валу могут быть идентифицированы путем проверки механического биения.
Фиг.2 иллюстрирует устройство 200 для проверки механического биения вала. Как показано на фиг.2, ротор 202 установлен в токарном станке 204. Хотя фиг.2 иллюстрирует токарный станок 204, приспособленный для установки в нем с возможностью вращения ротора 202, настоящее изобретение не ограничено этим. Например, другие станки также могут быть приспособлены для установки в них ротора 202, такие как сверлильный станок, расточной станок, подрезной станок, шлифовальный станок, фрезерный станок, вертикально-сверлильный станок, формообразующее устройство, гайконарезной станок и резьбонарезной станок. Ротор 202 на фиг.2 аналогичен ротору 102 по фиг.1 и аналогичным образом содержит вал 210. Вал 210 содержит измерительную область 212, которая представляет собой область, где вал 210 проверяется на вибрации вала и медленное раскачивание. Индикатор 220 с лимбом размещается рядом с измерительной областью 212 вала 210, чтобы измерять механическое биение в измерительной области 212 вала 210. В частности, индикатор 220 с лимбом измеряет вариацию расстояния между бесконтактным датчиком и измерительной областью 212 вала 210, когда вал 210 вращается.
Механические неидеальности в валу 210 могут быть выявлены, если механическое биение, измеренное индикатором 220 с лимбом, больше, чем пороговое значение (например, 0,1 мил). Такие механические неидеальности могут быть скорректированы посредством повторной механической обработки вала. Если механическое биение меньше, чем пороговое значение, и медленное раскачивание все еще является высоким, то проблема медленного раскачивания является электрической по своей природе.
На фиг.3 иллюстрируется устройство 300 для коррекции медленного раскачивания, обусловленного электрическими свойствами вала, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.3, ротор 302 установлен с возможностью вращения в токарном станке 304. Хотя фиг.3 иллюстрирует токарный станок 304, выполненный с возможностью установки в нем с возможностью вращения ротора 302, настоящее изобретение не ограничено этим. Например, другие станки также могут быть приспособлены для установки в них ротора 302, такие как сверлильный станок, расточной станок, подрезной станок, шлифовальный станок, фрезерный станок, вертикально-сверлильный станок, формообразующее устройство, гайконарезной станок и резьбонарезной станок. Ротор 302 содержит вал 310, содержащий измерительную область 312, которая соответствует положению бесконтактного датчика (не показан). Нагревательный элемент 320 нагревает измерительную область 312 вала 310. Как показано на фиг.3, нагревательный элемент 320 может быть реализован с использованием газовой горелки, соединенной с источником газа, но настоящее изобретение не ограничено этим. Токарный станок 304 может быть приспособлен для обеспечения опор 306 и 308 на каждой стороне измерительной области 312 вала 310. Первый охлаждающий элемент 322а и 322b может подавать охладитель к не являющимся измерительными областям 314 и 316, смежным с измерительной областью 312 вала 310. В частности, первый охлаждающий элемент 322а и 322b может подавать охладитель к не являющимся измерительными областям 314 и 316, в то время как нагревательный элемент 320 нагревает измерительную область 312, так что только измерительная область 312 нагревается нагревательным элементом. Второй охлаждающий элемент 324 может подавать охладитель к измерительной области 312 вала 310. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения второй охлаждающий элемент 324 может резко охлаждать (закаливать) измерительную область 312 вала охладителем непосредственно после того, как нагревательный элемент 320 прикладывает нагрев к измерительной области 312, чтобы быстро довести измерительную область 312 вала 310 до комнатной температуры. Вал 310 вращается, когда нагревательный элемент 320 нагревает измерительную область 312 вала 310, и вал 310 должен продолжать вращаться, когда второй охлаждающий элемент 324 резко охлаждает (закаливает) измерительную область 312 вала охладителем для охлаждения измерительной области 312, чтобы предотвратить изгибание вала 310. Охладитель, подаваемый посредством первого охлаждающего элемента 322а и 322b и второго охлаждающего элемента 324, может быть жидким охладителем, таким как вода, жидкость на основе гликоля, жидкость на основе масла, жидкость на основе силикона, жидкость на основе синтетических ароматических соединений и т.д.
Хотя, как показано на фиг.3, первый охлаждающий элемент 322а и 322b и второй охлаждающий элемент 324 реализованы как отдельные охлаждающие элементы для подачи охладителя на поверхность вала 310, настоящее изобретение не ограничено этим. Согласно альтернативному варианту осуществления, единственный охлаждающий элемент может быть приспособлен, чтобы подавать охладитель к не являющимся измерительными областям вала, когда измерительная область нагревается, и приспособлен, чтобы резко охлаждать измерительную область охладителем непосредственно после того, как нагревательный элемент прекращает прикладывать нагрев к измерительной области. Например, охлаждающий элемент или часть охлаждающего элемента может быть подвижной, чтобы изменять направление подачи охладителя от областей, не являющихся измерительными, к измерительной области.
Фиг.4 иллюстрирует способ коррекции медленного раскачивания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.4, на этапе 402 проверяется медленное раскачивание. Как описано выше, медленное раскачивание вала может быть проверено путем измерения медленного раскачивания с использованием бесконтактного датчика в, по меньшей мере, одной измерительной области вала. На этапе 404 определяется, не является ли медленное раскачивание высоким. Например, если медленное раскачивание превышает пороговое значение, то медленное раскачивание определяется как высокое. Если медленное раскачивание высокое, то способ переходит к этапу 406. Если медленное раскачивание не высокое, то способ завершается.
На этапе 406 измеряется механическое биение вала. Как описано выше, механическое биение вала может быть измерено с использованием индикатора с лимбом. На этапе 408 определяется, не является ли механическое биение вала большим, чем пороговое значение. Например, пороговое значение может быть равно 0,1 мил. Если на этапе 408 определено, что механическое биение больше, чем пороговое значение, то в валу имеет место механическая неидеальность, и способ переходит к этапу 410. На этапе 410 вал повторно механически обрабатывается, чтобы скорректировать механическую неидеальность. Например, вал может повторно механически обрабатываться с использованием шлифовального станка или другого хорошо известного станка. После того как вал повторно механически обработан, способ возвращается на этап 402, чтобы вновь проверить медленное раскачивание. Если медленное раскачивание является высоким и на этапе 408 определяется, что механическое биение вала не превышает порог, то проблема медленного раскачивания обусловлена электрическими свойствами вала, и способ переходит к этапу 412.
На этапе 412 вал устанавливается между центрами на токарном станке. Например, как показано на фиг.3, вал 310 установлен с возможностью вращения в токарном станке 304. На этапе 414 измерительная область вала нагревается до предварительно определенной температуры или диапазона температур при вращении вала. Вал может нагреваться до предварительно определенной температуры, которая достаточно высока, чтобы изменять электрические свойства вала, но ниже критической температуры, так что механические свойства вала, такие как жесткость, микроструктура и т.д., не изменяются. Например, согласно предпочтительной реализации, вал может нагреваться примерно до 800-850 градусов по Фаренгейту. Вал может вращаться со скоростью примерно 20-30 оборотов в минуту при нагреве вала. Как показано на фиг.3, нагревательный элемент 320 используется для нагрева измерительной области 312 вала 310, когда вал 310 вращается в токарном станке 304. Согласно фиг.4, на этапе 416 не являющиеся измерительными области вала, смежные с измерительной областью, непрерывно охлаждаются охладителем. Например, как показано на фиг.3, первый охлаждающий элемент 322а и 322b подает охладитель в не являющиеся измерительными области 314 и 316 вала 310, в то время как нагревательный элемент 320 нагревает измерительную область 312 вала 310. Согласно фиг.4, на этапе 418 измерительная область вала поддерживается на предварительно определенной температуре нагрева в течение предварительно определенного времени. Например, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, измерительная область вала может поддерживаться при температуре (например, 800-850 градусов по Фаренгейту) в течение 10-12 минут.
На этапе 420, после того как измерительная область вала поддерживалась на температуре нагрева в течение предварительно определенного времени, измерительная область вала сразу же резко охлаждается охладителем. Измерительная область вала может немедленно омываться охладителем, чтобы быстро довести измерительную область вала до комнатной температуры. Это охлаждает измерительную область вала значительно более быстро, чем если измерительная область охлаждается на воздухе. Вал продолжает вращаться, в то время как измерительная область вала резко охлаждается охладителем, чтобы предотвратить изгибание вала по мере охлаждения измерительной области вала. Как показано на фиг.3, второй охлаждающий элемент 324 резко охлаждает измерительную область 312 вала 310 охладителем непосредственно после того, как нагревательный элемент 320 прекращает приложение нагрева к измерительной области вала 310.
Согласно фиг.4, на этапе 422 измерительная область вала подвергается механической обработке, чтобы устранить прижоги и любое механическое биение. Например, как показано на фиг.3, измерительная область 312 вала 310 может механически обрабатываться шлифовальным станком, чтобы устранить прижоги и механическое биение. После того как измерительная область механически обработана, способ по фиг.4 возвращается к этапу 402, чтобы вновь проверить медленное раскачивание. Если медленное раскачивание все еще является высоким, то способ может повторяться. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, когда способ повторяется, вал может нагреваться до более высокой температуры, чем при предыдущем нагреве.
Предшествующее детальное описание следует понимать только как иллюстративное и приведенное для примера в любом отношении, а не как ограничивающее, и объем настоящего изобретения, раскрытого в данном документе, должен определяться не детальным описанием, а пунктами формулы изобретения, интерпретируемыми со всей широтой, допустимой патентными законами. Следует понимать, что показанные и описанные варианты осуществления являются только иллюстрирующими принципы настоящего изобретения и что различные модификации могут быть реализованы специалистами в данной области техники без отклонения от объема и сущности изобретения. Специалисты в данной области техники могли бы реализовать различные другие комбинации признаков без отклонения от объема и сущности изобретения.