激光對中儀技術(shù)對離心式壓縮機找中心的應用
   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、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；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(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zui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，F₂向靠近身體方向移動(dòng)0.3mm；垂直方向上，F₁抬高0.54mm，F₂降低0.85mm。

zui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。