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激光對中儀技術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。整個機組的轉子系統(tǒng)通常由幾組膜片聯(lián)軸器將原動機、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(tǒng)在實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程中的振動和噪聲，同時造成聯(lián)軸器偏轉，導致膜片環(huán)扭曲開裂，緊固螺栓松動斷裂，使軸承磨損、油膜失穩(wěn)及轉軸撓曲變形等不利于機組運行的動態(tài)效應[2]。
激光對中技術是近年來將激光、光敏傳感器與計算機輔助測試相結合的高技術產物[3]，具有、穩(wěn)定、方便、快捷等特點[4]。由于激光準直性好、精度高，使其在測量領域的應用前景極為廣泛。
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(tǒng)的離心式壓縮機組找正技術
在轉子動力學研究中指出，不對中對轉子產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(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，離心式壓縮機要進行聯(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整到允許范圍內。
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聯(lián)軸器的長短、大小來分別進行軸向、徑向調節(jié)。測量時，盤動兩軸旋轉一周，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
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(tǒng)找正方法的不足
受角度偏差的影響，徑向表2在測量過程中測點沿軸向移動；同樣，受平行偏差的影響，軸向表1測點沿徑向移動，產生測點誤差。
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，會產生測量誤差。且千分表的分辨率為0.01mm，精度較低無法實現精密測量。
為消除轉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，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)軸器的位置關系，無法給出可調端軸線相對于基準軸線的調整值。另外，可調端軸線與其本身的地腳支點也呈空間布局，很難確定地腳支點的調整量和調整方向。找正過程對操作者的技術水平要求較高。
此聯(lián)軸器找正工裝雖已實現系列化設計，但測量距離仍有一定的范圍限制，且新產品找正前需加工對應的連接盤4。
由以上分析可知，傳統(tǒng)的離心式壓縮機找正過程，計算復雜，步驟繁瑣，需反復測量逐步逼近，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)軸器實際的對中狀態(tài)，找正誤差大。工裝的設計、制造以及現場找正，要求大量投入人力與物力，找正成本高。
3 激光對中技術
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：兩個激光發(fā)射器LD、兩個光電接收器PSD（目標靶）、兩個內置電子傾角計、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手提箱內，結構簡單，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，在任意兩個間隔大于20°的3個位置上記錄測量值。顯示單元自動計算出平行偏差和角度偏差。并基于基本的三角幾何原理，自動給出可調設備前腳和后腳的調整值和墊平值。測量過程簡單、快捷，測量結果與操作者無關。
3.3 激光束能量中心不變分析
LD產生的激光束打在PSD感應面上，形成光斑S。由于LD發(fā)射的光束各點的照射強度不可能一致，因此照射區(qū)域S內各點的能量也不盡相同。設 為區(qū)域內任意一點的能量強度，根據重心公式，得到能量重心O點的坐標：
, （1）
此能量中心點即PSD計算的坐標點。
當調整軸轉動，照射區(qū)域隨兩測量單元相互位置的變化而變化，能量中心點產生位移，坐標點位置發(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，能量中心是不動點。
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，感應面上激光照射區(qū)域S前后的變化。O為變化前感應面上的能量中心點，X為感應面上經過O點垂直于兩感應面交線的軸線。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(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。垂直方向根據重心原理有：
（2）
式中 為照射區(qū)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上的變量來表達即為 。
對式（1）作積分變換x=tcos ，得
（3）
式（3）等價于：
（4）
表明X′方向的能量重心軸經過O′，因此O′為變化后照射區(qū)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，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，應用激光對中技術進行機組安裝找正不必懷疑測量結果，可實現高質量軸對中的要求。
4 現場實例
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點為聯(lián)軸器中心；F1、F2分別為M單元的前后地腳支點。圖中各點間的距離見表1。
表1 所需距離數據
距離/mm | S-C | S-M | S-F1 | S-F2 |
260 | 580 | 1085 | 1905 |
找正前對中情況很差，必須先進行粗調，轉動兩軸到9點鐘、3點鐘位置，調整M端設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距離數據及工作轉速。在12點鐘位置調整光束到靶心，打開目標靶。依次松開然后擰緊M單元的4個地腳螺栓，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(wěn)定狀態(tài)。
圖6 軟腳測量
啟動EasyTurnTM任意3點水平機械軸對中程序。S軸可轉到任意位置進行測量，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），關上目標靶，調整激光束到靶心，記錄第1個測量值。轉動S軸（＞20°），關上M單元目標靶，再轉動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，打開目標靶，記錄測量結果。第3點測量與第2點相同。顯示測量結果如圖7。
圖7 顯示測量結果
按測量結果進行調整，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終測量結果是根據容差表自動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。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以內，顯示屏上聯(lián)軸器標記的左側變黑，測量結束。
整個測量過程用時不到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，使機組試車一次成功，確保了產品的順利出廠。
5 結論
實踐證明，激光對中技術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，延長維修周期，必將為企業(yè)帶來巨大的經濟效益。
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