激光對中技術(shù)在離心式壓縮機找正中的應用

                                        甄  澄   陳長(cháng)征     王長(cháng)龍/沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)

摘要： 分析了傳統的聯(lián)軸器找正工裝在離心壓縮機安裝找正中的不足，研究了激光對中技術(shù)，并使用激光對中儀進(jìn)行軸系的現場(chǎng)找正，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞 ：離心式壓縮機 聯(lián)軸器找正 激光對中

中圖分類(lèi)號：TH452    文獻標識碼：B

文章編號：1006-8155（2006）05-0022-04

Laser Alignment Technology Applied in Centrifugal Compressor Alignment

Abstract: The limitation of old coupling alignment tool for compressor alignment is analyzed. The technology of laser alignment is researched, and using laser shaft alignment measurer to treat rotor alignment problem have made an excellent effect.

Key wards: Centrifugal compressor Coupling alignment Laser alignment

1 引言

離心式壓縮機是典型的高速旋轉機械。整個(gè)機組的轉子系統通常由幾組膜片聯(lián)軸器 將 原動(dòng)機、液力耦合器、增速機及壓縮機串聯(lián)而成。這種轉子 — 軸承 — 聯(lián)軸器系統在實(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(dòng)實(shí)踐中發(fā)現，軸系故障60% 源于轉子不對中 ^[1] 。由于轉子不對中的存在，引起離心壓縮機組運轉過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲，同時(shí)造成聯(lián)軸器偏轉，導致膜片環(huán)扭曲開(kāi)裂，緊固螺栓松動(dòng)斷裂，使軸承磨損、油膜失穩及轉軸撓曲變形等不利于機組運行的動(dòng)態(tài)效應 ^[2] 。

激光對中技術(shù)是近年來(lái)將激光、光敏傳感器與計算機輔助測試相結合的高技術(shù)產(chǎn)物 ^[3] ，具有高效、穩定、方便、快捷等特點(diǎn) ^[4] 。由于激光準直性好、精度高，使其在測量領(lǐng)域的應用前景極為廣泛。

本文分析了傳統聯(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)現了 BCL408 型離心壓縮機軸系的 安裝找正 ，取得了良好的效果。

2   傳統的離心式壓縮機組找正技術(shù)

在轉子動(dòng)力學(xué)研究中指出，不對中對轉子產(chǎn)生的激勵力幅隨轉速的升高而加大，是隨轉速加大的不平衡激勵力的 4 倍 ^[5] 。因此，像離心式壓縮機這類(lèi)高速旋轉機械尤其要注重對轉子的對中要求。

2.1 不對中找正原理

離心式壓縮機轉子系統的不對中狀態(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(chē)前，離心式壓縮機要進(jìn)行聯(lián)軸器的安裝找正，將主、從動(dòng)軸軸線(xiàn)的平行偏差和角度偏差調整到允許范圍內。

圖 2 所示為傳統的聯(lián)軸器找正工裝。件 6 、件 7 的長(cháng)度和位置可根據聯(lián)軸器的長(cháng)短、大小來(lái)分別進(jìn)行軸向、徑向調節。測量時(shí)，盤(pán)動(dòng)兩軸旋轉 一周 ，讀出千分表讀數。

1.        軸向千分尺   2. 徑向千分尺   3. 支架   4. 連接盤(pán)  

5. 半聯(lián)軸器   6. 彎表架   7. 直表架  

圖 2  聯(lián)軸器找正工裝

根據幾何關(guān)系容易算出，平行偏差為徑向表讀數變化量的一半，角度偏差 由下式求得。

2.2 傳統找正方法的不足

受角度偏差的影響，徑向表 2 在測量過(guò)程中測點(diǎn)沿軸向移動(dòng)；同樣，受平行偏差的影響，軸向表 1 測點(diǎn)沿徑向移動(dòng)，產(chǎn)生測點(diǎn)誤差。

千分表測桿每?jì)A斜 10 ° ，測量誤差就會(huì )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(huì )產(chǎn)生測量誤差。且千分表的分辨率為 0.01mm ，精度較低無(wú)法實(shí)現精密測量。

為消除轉子軸向竄動(dòng)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(cháng)距離測量時(shí)，工裝本身的撓度影響較大，必須事先計算出撓度值，以補償徑向測量值。

由于兩回轉軸呈空間交叉狀態(tài)，測量值僅能反映兩半聯(lián)軸器的位置關(guān)系，無(wú)法給出可調端軸線(xiàn)相對于基準軸線(xiàn)的調整值。另外，可調端軸線(xiàn)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)的調整量和調整方向。找正過(guò)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)現系列化設計，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的連接盤(pán) 4 。

由以上分析可知，傳統的離心式壓縮機找正過(guò)程，計算復雜，步驟繁瑣，需反復測量逐步逼近，找正周期長(cháng)。而且由于測量誤差的存在，無(wú)法**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。工裝的設計、制造以及現場(chǎng)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  激光對中儀的結構

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(目標靶)、兩個(gè)內置電子傾角計、A/D轉換電路、顯示單元、各種夾具和工具。其中兩組LD、PSD、傾角計分別封裝在固定在基準軸上的測量單元S和固定在調整軸上的測量單元M內。所有組件可裝于一個(gè)手提箱內，結構簡(jiǎn)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計算平行偏差，兩塊表讀數的差值計算角度偏差。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(dòng)計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(dòng)給出可調設備前腳和后腳的調整值和墊平值。測量過(guò)程簡(jiǎn)單、快捷，測量結果與操作者無(wú)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感應面上，形成光斑S。由于LD發(fā)射的光束各點(diǎn)的照射強度不可能一致，因此照射區域 S內各點(diǎn)的能量也不盡相同。設為區域內任意一點(diǎn)的能量強度，根據重心公式，得到能量重心O點(diǎn)的坐標：

,    （1）

    此能量中心點(diǎn)即 PSD計算的坐標點(diǎn)。

　　當調整軸轉動(dòng)，照射區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，坐標點(diǎn)位置發(fā)生改變。

下面需要證明當激光對中儀的感應面距離變化不大，傾角發(fā)生變化后，能量中心是不動(dòng)點(diǎn)。

圖 4　能量中心不變原理

　　圖4所示為PSD感應面照射傾角變化時(shí)，感應面上激光照射區域S前后的變化。O為變化前感應面上的能量中心點(diǎn)，X為感應面上經(jīng)過(guò) O點(diǎn)垂直于兩感應面交線(xiàn)的軸線(xiàn)。S′、O′、X′分別為S、O、X在變化后感應面上的投影。

　　圖中看出，水平方向區域沒(méi)有拉伸，水平方向上的能量分布也沒(méi)有改變，因此，X′仍為S′的能量重心軸。垂直方向根據重心原理有：

        （2）

　　式中為照射區域dx的能量密度。根據照度原理，同等的光照在傾斜面上光強為，因此dx′處的能量為，或用X上的變量來(lái)表達即為。

　　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(guò)O′，因此 O′為變化后照射區域的能量中心。

　　此結果可證明激光測量中，激光束存在一根能量中心光線(xiàn)，保證了精密測量的條件。使激光對中的分辨率可達 0.001mm，對中精度較高。因此，應用激光對中技術(shù)進(jìn)行機組安裝找正不必懷疑測量結果，可實(shí)現高質(zhì)量軸對中的要求。

4  現場(chǎng)實(shí)例

現以圖 5 所示 BCL408 型離心壓縮機組增速機與壓縮機間聯(lián)軸器找正為例，詳述激光對中儀的工作過(guò)程。

圖 5 　 BCL408 型離心壓縮機組示意圖

令增速機為基準設備，固定 S 單元；壓縮機為調整設備，固定 M 單元； C 點(diǎn)為聯(lián)軸器中心；F ₁ 、 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(jiàn)表 1 。

表1　所需距離數據

找正前對中情況很差，必須先進(jìn)行粗調，轉動(dòng)兩軸到 9 點(diǎn)鐘、 3 點(diǎn)鐘位置，調整 M 端設備使激光束打到對面靶心。

啟動(dòng)軟腳測量程序，按提示輸入表 1 距離數據及工作轉速。在 12 點(diǎn)鐘位置調整光束到靶心，打開(kāi)目標靶。依次松開(kāi)然后擰緊 M 單元的 4 個(gè)地腳螺栓，測量結果如圖 6 所示。按程序給出的墊平厚度 0.07mm ，墊平變化大的左下地腳，使設備地腳處于穩定狀態(tài)。

圖 6 　軟腳測量

啟動(dòng) EasyTurn^TM 任意 3 點(diǎn)水平機械軸對中程序。 S 軸可轉到任意位置進(jìn)行測量，調整 M 軸，確保儀器上顯示的 S 和 M 角度標記重合（或幾乎重合），關(guān)上目標靶，調整激光束到靶心，記錄第 1 個(gè)測量值。轉動(dòng) S 軸（ ＞ 20 ° ），關(guān)上M單元目標靶，再轉動(dòng)M軸，直到S單元發(fā)出的激光束打到M單元目標靶的中心，打開(kāi)目標靶，記錄測量結果。第3點(diǎn)測量與第2點(diǎn)相同 。顯示測量結果如圖 7 。

圖 7 顯示測量結果

按測量結果進(jìn)行調整，水平方向上，F ₂ 向靠近身體方向移動(dòng) 0.3mm ；垂直方向上，F ₁ 抬高 0.54mm ， F₂ 降低 0.85mm 。

終測量結果是根據容差表自動(dòng)判斷是否已在允許范圍內，容差的允許范圍與設備的轉速有關(guān)。此壓縮機工作轉速為 10575r/min ，將平行偏差控制在 0.01mm ，角度偏差控制在 0.01mm/100mm 以?xún)?，顯示屏上聯(lián)軸器標記的左側變黑，測量結束。

整個(gè)測量過(guò)程用時(shí)不到 1h ，工作效率明顯增加。此套機組其它部位的聯(lián)軸器安裝找正全部采用激光對中，使機組試車(chē)一次成功，確保了產(chǎn)品的順利出廠(chǎng)。

5  結論

實(shí)踐證明，激光對中技術(shù)是離心式壓縮機組安裝找正的一次飛躍。應用激光對中儀，提高對中精度，減小對中誤差，可降低設備能耗，延長(cháng)維修周期，必將為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。