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激光對中儀技術(shù)對離心式壓縮機(jī)找中心的應(yīng)用
離心式壓縮機(jī)是典型的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械。整個(gè)機(jī)組的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通常由幾組膜片聯(lián)軸器將原動機(jī)、液力耦合器、增速機(jī)及壓縮機(jī)串聯(lián)而成。這種轉(zhuǎn)子—軸承—聯(lián)軸器系統(tǒng)在實(shí)際工程中不對中狀態(tài)是非常普遍的。美國MONSANTO化工公司在5年的振動實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，軸系故障60%源于轉(zhuǎn)子不對中[1]。由于轉(zhuǎn)子不對中的存在，引起離心壓縮機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動和噪聲，同時(shí)造成聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致膜片環(huán)扭曲開裂，緊固螺栓松動斷裂，使軸承磨損、油膜失穩(wěn)及轉(zhuǎn)軸撓曲變形等不利于機(jī)組運(yùn)行的動態(tài)效應(yīng)[2]。
激光對中技術(shù)是近年來將激光、光敏傳感器與計(jì)算機(jī)輔助測試相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)物[3]，具有、穩(wěn)定、方便、快捷等特點(diǎn)[4]。由于激光準(zhǔn)直性好、精度高，使其在測量領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣泛。
本文分析了傳統(tǒng)聯(lián)軸器找正工裝對中能力的不足，研究了激光對中原理，并使用激光對中儀實(shí)現(xiàn)了BCL408型離心壓縮機(jī)軸系的安裝找正，取得了良好的效果。
2 傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)組找正技術(shù)
在轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究中指出，不對中對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激勵(lì)力幅隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，是隨轉(zhuǎn)速加大的不平衡激勵(lì)力的4倍[5]。因此，像離心式壓縮機(jī)這類高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械尤其要注重對轉(zhuǎn)子的對中要求。
2.1 不對中找正原理
離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不對中狀態(tài)包括軸承不對中和聯(lián)軸器不對中兩種。而聯(lián)軸器不對中又可分為：（a）平行不對中；（b）偏角不對中；（c）平行偏角不對中，如圖1所示。實(shí)際工程中多為平行偏角不對中。
（a） （b） （c）
圖1 聯(lián)軸器不對中的3種形式
試車前，離心式壓縮機(jī)要進(jìn)行聯(lián)軸器的安裝找正，將主、從動軸軸線的平行偏差和角度偏差調(diào)整到允許范圍內(nèi)。
圖2所示為傳統(tǒng)的聯(lián)軸器找正工裝。件6、件7的長度和位置可根據(jù)聯(lián)軸器的長短、大小來分別進(jìn)行軸向、徑向調(diào)節(jié)。測量時(shí)，盤動兩軸旋轉(zhuǎn)一周，讀出千分表讀數(shù)。
1. 軸向千分尺 2.徑向千分尺 3.支架 4.連接盤
5.半聯(lián)軸器 6.彎表架 7.直表架
圖2 聯(lián)軸器找正工裝
根據(jù)幾何關(guān)系容易算出，平行偏差為徑向表讀數(shù)變化量的一半，角度偏差由下式求得。
2.2 傳統(tǒng)找正方法的不足
受角度偏差的影響，徑向表2在測量過程中測點(diǎn)沿軸向移動；同樣，受平行偏差的影響，軸向表1測點(diǎn)沿徑向移動，產(chǎn)生測點(diǎn)誤差。
千分表測桿每傾斜10°，測量誤差就會增加2%，由于平行、角度偏差的影響，千分表測桿與半聯(lián)軸器被測表面存在垂直度偏差，會產(chǎn)生測量誤差。且千分表的分辨率為0.01mm，精度較低無法實(shí)現(xiàn)精密測量。
為消除轉(zhuǎn)子軸向竄動對角度偏差測量值影響，采用了180°布置的兩塊軸向表，但工裝加重，表架撓度加大。長距離測量時(shí)，工裝本身的撓度影響較大，必須事先計(jì)算出撓度值，以補(bǔ)償徑向測量值。
由于兩回轉(zhuǎn)軸呈空間交叉狀態(tài)，測量值僅能反映兩半聯(lián)軸器的位置關(guān)系，無法給出可調(diào)端軸線相對于基準(zhǔn)軸線的調(diào)整值。另外，可調(diào)端軸線與其本身的地腳支點(diǎn)也呈空間布局，很難確定地腳支點(diǎn)的調(diào)整量和調(diào)整方向。找正過程對操作者的技術(shù)水平要求較高。
此聯(lián)軸器找正工裝雖已實(shí)現(xiàn)系列化設(shè)計(jì)，但測量距離仍有一定的范圍限制，且新產(chǎn)品找正前需加工對應(yīng)的連接盤4。
由以上分析可知，傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)找正過程，計(jì)算復(fù)雜，步驟繁瑣，需反復(fù)測量逐步逼近，找正周期長。而且由于測量誤差的存在，無法全面反映聯(lián)軸器的對中誤差，也不能正確判斷聯(lián)軸器實(shí)際的對中狀態(tài)，找正誤差大。工裝的設(shè)計(jì)、制造以及現(xiàn)場找正，要求大量投入人力與物力，找正成本高。
3 激光對中技術(shù)
3.1 激光對中儀的結(jié)構(gòu)
激光對中儀的組成主要有以下6部分：兩個(gè)激光發(fā)射器LD、兩個(gè)光電接收器PSD（目標(biāo)靶）、兩個(gè)內(nèi)置電子傾角計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示單元、各種夾具和工具。其中兩組LD、PSD、傾角計(jì)分別封裝在固定在基準(zhǔn)軸上的測量單元S和固定在調(diào)整軸上的測量單元M內(nèi)。所有組件可裝于一個(gè)手提箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便。
3.2 激光對中的測量原理
圖3 逆向百分表法與激光對中法
激光對中儀的測量原理與逆向百分表原理相同，如圖3所示。逆向百分表法是由一塊表的讀數(shù)計(jì)算平行偏差，兩塊表讀數(shù)的差值計(jì)算角度偏差。激光對中法中S單元與M單元替代百分表分別固定在聯(lián)軸器的兩邊，在任意兩個(gè)間隔大于20°的3個(gè)位置上記錄測量值。顯示單元自動計(jì)算出平行偏差和角度偏差。并基于基本的三角幾何原理，自動給出可調(diào)設(shè)備前腳和后腳的調(diào)整值和墊平值。測量過程簡單、快捷，測量結(jié)果與操作者無關(guān)。
3.3 激光束能量中心不變分析
LD產(chǎn)生的激光束打在PSD感應(yīng)面上，形成光斑S。由于LD發(fā)射的光束各點(diǎn)的照射強(qiáng)度不可能一致，因此照射區(qū)域S內(nèi)各點(diǎn)的能量也不盡相同。設(shè) 為區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的能量強(qiáng)度，根據(jù)重心公式，得到能量重心O點(diǎn)的坐標(biāo)：
, （1）
此能量中心點(diǎn)即PSD計(jì)算的坐標(biāo)點(diǎn)。
當(dāng)調(diào)整軸轉(zhuǎn)動，照射區(qū)域隨兩測量單元相互位置的變化而變化，能量中心點(diǎn)產(chǎn)生位移，坐標(biāo)點(diǎn)位置發(fā)生改變。
下面需要證明當(dāng)激光對中儀的感應(yīng)面距離變化不大，傾角發(fā)生變化后，能量中心是不動點(diǎn)。
圖4 能量中心不變原理
圖4所示為PSD感應(yīng)面照射傾角變化 時(shí)，感應(yīng)面上激光照射區(qū)域S前后的變化。O為變化前感應(yīng)面上的能量中心點(diǎn)，X為感應(yīng)面上經(jīng)過O點(diǎn)垂直于兩感應(yīng)面交線的軸線。S′、O′、X′分別為S、O、X在變化后感應(yīng)面上的投影。
圖中看出，水平方向區(qū)域沒有拉伸，水平方向上的能量分布也沒有改變，因此，X′仍為S′的能量重心軸。垂直方向根據(jù)重心原理有：
（2）
式中 為照射區(qū)域dx的能量密度。根據(jù)照度原理，同等的光照在傾斜面上光強(qiáng)為，因此dx′處的能量為 ，或用X上的變量來表達(dá)即為 。
對式（1）作積分變換x=tcos ，得
（3）
式（3）等價(jià)于：
（4）
表明X′方向的能量重心軸經(jīng)過O′，因此O′為變化后照射區(qū)域的能量中心。
此結(jié)果可證明激光測量中，激光束存在一根能量中心光線，保證了精密測量的條件。使激光對中的分辨率可達(dá)0.001mm，對中精度較高。因此，應(yīng)用激光對中技術(shù)進(jìn)行機(jī)組安裝找正不必懷疑測量結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量軸對中的要求。
4 現(xiàn)場實(shí)例
現(xiàn)以圖5所示BCL408型離心壓縮機(jī)組增速機(jī)與壓縮機(jī)間聯(lián)軸器找正為例，詳述激光對中儀的工作過程。
圖5 BCL408型離心壓縮機(jī)組示意圖
令增速機(jī)為基準(zhǔn)設(shè)備，固定S單元；壓縮機(jī)為調(diào)整設(shè)備，固定M單元；C點(diǎn)為聯(lián)軸器中心；F1、F2分別為M單元的前后地腳支點(diǎn)。圖中各點(diǎn)間的距離見表1。
表1 所需距離數(shù)據(jù)
距離/mm | S-C | S-M | S-F1 | S-F2 |
260 | 580 | 1085 | 1905 |
找正前對中情況很差，必須先進(jìn)行粗調(diào)，轉(zhuǎn)動兩軸到9點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘位置，調(diào)整M端設(shè)備使激光束打到對面靶心。
啟動軟腳測量程序，按提示輸入表1距離數(shù)據(jù)及工作轉(zhuǎn)速。在12點(diǎn)鐘位置調(diào)整光束到靶心，打開目標(biāo)靶。依次松開然后擰緊M單元的4個(gè)地腳螺栓，測量結(jié)果如圖6所示。按程序給出的墊平厚度0.07mm，墊平變化zui大的左下地腳，使設(shè)備地腳處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖6 軟腳測量
啟動EasyTurnTM任意3點(diǎn)水平機(jī)械軸對中程序。S軸可轉(zhuǎn)到任意位置進(jìn)行測量，調(diào)整M軸，確保儀器上顯示的S和M角度標(biāo)記重合（或幾乎重合），關(guān)上目標(biāo)靶，調(diào)整激光束到靶心，記錄第1個(gè)測量值。轉(zhuǎn)動S軸（＞20°），關(guān)上M單元目標(biāo)靶，再轉(zhuǎn)動M軸，直到S單元發(fā)出的激光束打到M單元目標(biāo)靶的中心，打開目標(biāo)靶，記錄測量結(jié)果。第3點(diǎn)測量與第2點(diǎn)相同。顯示測量結(jié)果如圖7。
圖7 顯示測量結(jié)果
按測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，水平方向上，F2向靠近身體方向移動0.3mm；垂直方向上，F1抬高0.54mm，F2降低0.85mm。
zui終測量結(jié)果是根據(jù)容差表自動判斷是否已在允許范圍內(nèi)，容差的允許范圍與設(shè)備的轉(zhuǎn)速有關(guān)。此壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速為10575r/min，將平行偏差控制在0.01mm，角度偏差控制在0.01mm/100mm以內(nèi)，顯示屏上聯(lián)軸器標(biāo)記的左側(cè)變黑，測量結(jié)束。
整個(gè)測量過程用時(shí)不到1h，工作效率明顯增加。此套機(jī)組其它部位的聯(lián)軸器安裝找正全部采用激光對中，使機(jī)組試車一次成功，確保了產(chǎn)品的順利出廠。
5 結(jié)論
實(shí)踐證明，激光對中技術(shù)是離心式壓縮機(jī)組安裝找正的一次飛躍。應(yīng)用激光對中儀，提高對中精度，減小對中誤差，可降低設(shè)備能耗，延長維修周期，必將為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
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