激光對(duì)中技術(shù)在離心式壓縮機(jī)找正中的應(yīng)用

                                        甄  澄   陳長征     王長龍/沈陽工業(yè)大學(xué)

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

關(guān)鍵詞 ：離心式壓縮機(jī) 聯(lián)軸器找正 激光對(duì)中

中圖分類號(hào)：TH452    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(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(dòng)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(duì)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(xiàn)，軸系故障60% 源于轉(zhuǎn)子不對(duì)中 ^[1] 。由于轉(zhuǎn)子不對(duì)中的存在，引起離心壓縮機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)效應(yīng) ^[2] 。

激光對(duì)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] ，具有高效、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(duì)中能力的不足，研究了激光對(duì)中原理，并使用激光對(duì)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(dòng)力學(xué)研究中指出，不對(duì)中對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)子的對(duì)中要求。

2.1 不對(duì)中找正原理

離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不對(duì)中狀態(tài)包括軸承不對(duì)中和聯(lián)軸器不對(duì)中兩種。而聯(lián)軸器不對(duì)中又可分為：（ a ）平行不對(duì)中；（ b ）偏角不對(duì)中；（ c ）平行偏角不對(duì)中，如圖 1 所示。實(shí)際工程中多為平行偏角不對(duì)中。

（ a ）       (b)     (c)

圖 1 　聯(lián)軸器不對(duì)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(dòng)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(dòng)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(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。

千分表測桿每傾斜 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 ，精度較低無法實(shí)現(xiàn)精密測量。

為消除轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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**反映聯(lián)軸器的對(duì)中誤差，也不能正確判斷聯(lián)軸器實(shí)際的對(duì)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(duì)中技術(shù)

3.1  激光對(duì)中儀的結(jié)構(gòu)

激光對(duì)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(duì)中的測量原理

圖 3　逆向百分表法與激光對(duì)中法

　　激光對(duì)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(duì)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(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(dòng)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(dòng)，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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)中的分辨率可達(dá) 0.001mm，對(duì)中精度較高。因此，應(yīng)用激光對(duì)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(duì)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(duì)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；F ₁ 、 F₂ 分別為 M 單元的前后地腳支點(diǎn)。圖中各點(diǎn)間的距離見表 1 。

表1　所需距離數(shù)據(jù)

找正前對(duì)中情況很差，必須先進(jìn)行粗調(diào)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)面靶心。

啟動(dòng)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(dòng) EasyTurn^TM 任意 3 點(diǎn)水平機(jī)械軸對(duì)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(dòng) S 軸（ ＞ 20 ° ），關(guān)上M單元目標(biāo)靶，再轉(zhuǎn)動(dòng)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，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(jié)果是根據(jù)容差表自動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)中儀，提高對(duì)中精度，減小對(duì)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。