DE3929792C2

DE3929792C2 - Verfahren zum Schützen einer Zentrifuge

Info

Publication number: DE3929792C2
Application number: DE3929792A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Niinai; Norihisa Sagawa; Yasuhiro Kawai; Sadato Igarashi; Hisanobu Ohyama
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2009-09-08
Also published as: JPH0726669B2; DE3929792A1; JPH0274840A; US5160876A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen einer Zentrifuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zentrifugen neigen zur Erzeugung einer selbsterregten Vibration, wenn zu viel Zwischenraum zwischen den rotierenden Teilen besteht. Ferner befindet sich ein Rotor in solchen Maschinen in einem Ungleichgewichtszustand, wenn eine Probe von einem Anwender ungenau eingesetzt ist. In einem solchen vibrierenden Zu stand kann der Rotor mit einer großen Vibrationsampli tude oszillieren. Die Lager, von denen der Rotor gehalten ist, unter liegen zunehmenden auf sie ausgeübten radialen Belastungen. Um die Beschädigung oder den Bruch der Lager zu verhindern, war es ein gebräuchliches Verfahren das Ungleichgewicht des Rotors in Abhängigkeit von der Vibrationsamplitude des Ro tors oder der Antriebswelle, mit der der Rotor verbunden ist, zu ermitteln, so daß die Rotation des Rotors angehal ten wird, wenn die ermittelte Vibrationsamplitude einen vorgegebenen zulässigen Wert A₀ übersteigt, wie am Punkt e in Fig. 3 der zugehörigen Zeichnung gezeigt ist. Das her kömmliche Verfahren kann unbefriedigend sein wenn der zulässige Wert relativ niedrig angesetzt ist, da die Ermittlung der Vibrationsamplitude des Rotors stark von externen Störungen beeinflußt sein kann. Dies kann dazu führen, daß die ermittelte Vibra tionsamplitude einen niedrigen zulässigen Wert bereits unter dem Einfluß der externen Störungen überschreitet, was zu häufigem Anhalten des Rotors führt. Andererseits erlaubt ein hoch angesetzter zulässiger Wert A₀ dem Rotor weiterhin zu rotieren, während er mit einer Vibrationsamplitude f oszilliert, die wenig kleiner als der zulässige Wert A₀ ist.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaf fen, das einen störungsfreien Betrieb der Zentrifuge über einen langen Zeitraum gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Kombination der zulässigen Grenzwerte und der entspre chenden Zeitspannen, die für die Ermittlung der Vibrations amplituden auf den Niveaus der jeweiligen zulässigen Grenzwerte vorgesehen sind, kann die Ermittlung der Vibrationsamplitude genau erfolgen, auch wenn sie externen Störungen unterliegt. Eine derartige präzise Überwandung entspricht genau der aktuel len Lagerbelastung und stellt sicher, daß der Rotor angehalten wird, bevor er durch ein Lagerversagen beschädigt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Vorgangs, bei dem eine Ermittlung eines Ungleichgewichts einer An triebswelle zum Schützen einer Zentrifuge erreicht wird, wobei die Figur die Beziehung zwischen der Vibra tionsamplitude einer Antriebswelle und der Dauer der Vibrationsamplitude zeigt;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Zentrifuge in Verbindung mit einer Sicherheitseinrichtung; und

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich zu Fig. 1, die ein herkömmliches Ungleichgewichts-Ermittlung-System zeigt.

Gemäß Fig. 2 enthält eine Zentrifuge einen Rotor 1, der eine Vielzahl von Hohlräumen oder Bohrungen aufweist, in denen eine Probe 2 zur zentrifugalen Separation gehalten ist. Der Rotor 1 ist an einem Ende einer Antriebswelle 4 angebracht, deren anderes Ende mit der Welle eines Motors 6 verbunden ist. Die Antriebswelle 4 und ein Rotor 1 des Motors 6 sind von Lagern 5 und 7 gehalten. Der Rotor 1 wird von dem Mo tor 6 über die Antriebswelle 4 angetrieben.

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

In der Kontrolleinheit 9 sind drei vorgegebene zulässige Grenzwerte A₁, A₂ und A₃ (Fig. 1) für die Vibrationsamplitude der Antriebswelle 4 und drei vorgegebene Zeitspannen (t4-t1), (t3-t1) und (t2-t1) elektrisch gespeichert, die jeweils mit den zulässigen Grenzwerten A₁, A₂ und A₃ zur Verarbeitung der ermittelten Vibrationsamplitude der Antriebswelle 4 kombiniert sind, um das Kontrollsignal für den Motor 6 zu liefern. Die Dauer der Zeitspannen (t4-t1), (t3-t1), (t2-t1) steht in umgekehrten Verhältnis zur Größe der zulässigen Grenzwerte A₁, A₂ und A₃. Der Grund hierfür ist die Lebensdauer der Lager 5, 7, welche durch ein Ansteigen der radialen Belastung der Lager 5, 7 (d. h. ein Anwachsen der Vibrationsamplitude der Antriebswelle 4 und des Rotors 1), wie mit der folgenden Gleichung dargestellt, vermindert wird.

L₁₀ = (C/P)^p × 10⁶

dabei bedeutet

L₁₀ = Gesamtdrehzahl bei der 10% einer Gruppe von Lagern gleicher Art beschädigt ist,
C = dynamische Dauernennbelastung (N), nach Angabe für den jeweiligen Lagertyp,
P = dynamische radiale Äquivalentbelastung (N) und
p = Exponent (3 für Kugellager oder ¹⁰/₃ für Walzenlager).

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

Im folgenden ist die Wirkungsweise der Sicherheitseinrich tung der oben genannten Anordnung beschrieben. Die Vibra tionsamplitude der Antriebswelle 4 wird von dem Verschie bungssensor 3 ermittelt, während der Rotor 1 und die An triebswelle 4 kontinuierlich durch den Motor 6 angetrieben werden. Das Ausgangssignal des Sensors 3 wird durch den elektrischen Kreis 8 zur Kontrolleinheit 9 gelei tet. Wenn die ermittelte Vibrationsamplitude der Antriebs welle 4 größer als der erste zulässige Wert A₁ und kleiner als zweite zulässige Wert A₂ ist, wie durch die dicke durch gezogene Linie in Fig. 1 dargestellt, so wird von der Kon trolleinheit 9 entschieden, herauszufinden, ob die ermittelte Vibrationsamplitude auch nach Ablauf der ersten Zeitspan ne (t4-t1) noch vorhanden ist. Falls ja, so wird daraufhin nach Verstreichen der ersten Zeitspanne (durch den Punkt ª dargestellt) die Kontrolleinheit 9 ein Kontrollsignal an den Motor 6 abgeben, um diese abzuschalten, wodurch die Rotation des Rotors 1 angehalten wird. Andererseits gibt, falls die ermittelte Vibrationsamplitude (durchgezo gene Linie) zur Zeit gemäß Punkt ª nicht mehr vorhanden ist, die Kon trolleinheit 9 ein Kontrollsignal ab, um die Fortsetzung der Rotation des Rotors 1 zu erlauben. Wenn die ermittelte Vi brationsamplitude im Bereich zwischen dem zweiten zulässigen Wert A₂ und dem dritten zulässigen Wert A₃ liegt, wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 1 dargestellt, wird durch die Kontrolleinheit eine Entscheidung getroffen, um herauszufinden, ob die ermittelte Vibrationsamplitude nach Ablauf der zweiten Zeitspanne (t3-t1) noch vorhanden ist. Falls ja, wird daraufhin nach Verstreichen der zweiten Zeitspanne (durch den Punkt b dargestellt) die Kontrollein heit 9 ein Kontrollsignal an den Motor 6 schicken, um diesen abzuschalten. Somit ist dann die Rotation des Ro tors 1 beendet. Wenn die ermittelte Vibrationsamplitude vor Ablauf der zweiten Zeitspanne verschwindet, wird die Rota tion des Rotors 1 nicht unterbrochen. In gleicher Weise wird, wenn die ermittelte Vibrationsamplitude größer als der dritte zulässige Wert A₃ ist, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt, durch die Kontrolleinheit 9 eine Entscheidung getroffen, um herauszufinden, ob die ermittelte Vibrationsamplitude nach Ablauf der dritten Zeitspanne (t2-t1) noch vorhanden ist. Falls ja, wird darauf hin nach Verstreichen der dritten Zeitspanne (durch den Punkt c dargestellt) die Kontrolleinheit 9 ein Kontrollsig nal an den Motor 6 abgeben, um die Rotation des Rotors 1 anzuhalten. Andererseits, falls die ermittelte Vi brationsamplitude (gestrichelte Linie) zur Zeit gemäß Punkt c nicht mehr vorhanden ist, wird die Rotation des Rotors 1 nicht unterbro chen. Die Rotation des Rotors 1 wird ebenfalls nicht unter brochen, wenn die ermittelte Vibrationsamplitude kleiner als der erste zulässige Wert A₁ ist. Auch wenn die ermittelte Vibrationsamplitude verursacht durch externe Störun gen schwankt und einen Spitzenwert enthält, der den zweiten zulässigen Wert A₂ übersteigt, wie durch den Punkt d in Fig. 1 dargestellt, wird durch die Kontrolleinheit 9 eine Entscheidung getroffen, um herauszufinden, ob der Spitzen wert während der zweiten Zeitspanne (t4-t2) anhält. Klingt der Spitzenwert gemäß Punkt d vor Ablauf der zweiten Zeitspanne (durch den Punkt ª dargestellt) ab, so gibt die Kontrolleinheit 9 kein Kontrollsignal zum Abschalten des Motors 6 ab. Demgemäß wird der Rotor 1 weiterhin angetrieben.

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

Claims

1. Verfahren zum Schützen einer Zentrifuge, die einen Rotor (1) enthält, der mit einem Motor (6) verbunden ist und von diesem angetrieben wird, wobei die Vibrationsamplitude des Rotors (1) während seiner Rotation ermittelt wird und der Motor (6) abgeschaltet wird, um die Rotation des Rotors (1) anzuhalten, wenn die ermittelte Vibrationsamplitu de einen vorgegebenen zulässigen Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei unterschiedlich hohe Grenzwerte für die Vibrationsamplitude vorgegeben werden, daß jedem Grenzwert eine Zeitspanne zugeordnet wird und das Abschalten des Motors (6) erst dann erfolgt, wenn die ermittelte Vibrationsamplitude einen Grenzwert während der ihm zugeordneten Zeitspanne ständig überschreitet, und daß die Zeitspanne für höhere Grenzwerte jeweils kürzer ist als die Zeitspanne für niedrigere Grenzwerte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der vorgegebenen Zeitspannen in umge kehrtem Verhältnis zu den Größen der zulässigen Grenzwerte stehen.