激光对中仪技术对离心式压缩机找中心的应用

 激光对中仪技术对离心式压缩机找中心的应用
   离心式压缩机是典型的高速旋转机械。整个机组的转子系统通常由几组膜片联轴器将原动机、液力耦合器、增速机及压缩机串联而成。这种转子—轴承—联轴器系统在实际工程中不对中状态是非常普遍的。美国MONSANTO化工公司在5年的振动实践中发现，轴系故障60%源于转子不对中^[1]。由于转子不对中的存在，引起离心压缩机组运转过程中的振动和噪声，同时造成联轴器偏转，导致膜片环扭曲开裂，紧固螺栓松动断裂，使轴承磨损、油膜失稳及转轴挠曲变形等不利于机组运行的动态效应^[2]。

激光对中技术是近年来将激光、光敏传感器与计算机辅助测试相结合的高技术产物^[3]，具有高效、稳定、方便、快捷等特点^[4]。由于激光准直性好、精度高，使其在测量领域的应用前景极为广泛。

本文分析了传统联轴器找正工装对中能力的不足，研究了激光对中原理，并使用激光对中仪实现了BCL408型离心压缩机轴系的安装找正，取得了良好的效果。

2  传统的离心式压缩机组找正技术

在转子动力学研究中指出，不对中对转子产生的激励力幅随转速的升高而加大，是随转速加大的不平衡激励力的4倍^[5]。因此，像离心式压缩机这类高速旋转机械尤其要注重对转子的对中要求。

2.1 不对中找正原理

离心式压缩机转子系统的不对中状态包括轴承不对中和联轴器不对中两种。而联轴器不对中又可分为：（a）平行不对中；（b）偏角不对中；（c）平行偏角不对中，如图1所示。实际工程中多为平行偏角不对中。

（a）     (b)    (c)

图1　联轴器不对中的3种形式

   试车前，离心式压缩机要进行联轴器的安装找正，将主、从动轴轴线的平行偏差和角度偏差调整到允许范围内。

图2所示为传统的联轴器找正工装。件6、件7的长度和位置可根据联轴器的长短、大小来分别进行轴向、径向调节。测量时，盘动两轴旋转一周，读出千分表读数。

1.       轴向千分尺  2.径向千分尺  3.支架  4.连接盘 

5.半联轴器  6.弯表架  7.直表架 

图2  联轴器找正工装

根据几何关系容易算出，平行偏差为径向表读数变化量的一半，角度偏差由下式求得。

2.2 传统找正方法的不足

受角度偏差的影响，径向表2在测量过程中测点沿轴向移动；同样，受平行偏差的影响，轴向表1测点沿径向移动，产生测点误差。

千分表测杆每倾斜10°，测量误差就会增加2%，由于平行、角度偏差的影响，千分表测杆与半联轴器被测表面存在垂直度偏差，会产生测量误差。且千分表的分辨率为0.01mm，精度较低无法实现精密测量。

为消除转子轴向窜动对角度偏差测量值影响，采用了180°布置的两块轴向表，但工装加重，表架挠度加大。长距离测量时，工装本身的挠度影响较大，必须事先计算出挠度值，以补偿径向测量值。

由于两回转轴呈空间交叉状态，测量值仅能反映两半联轴器的位置关系，无法给出可调端轴线相对于基准轴线的调整值。另外，可调端轴线与其本身的地脚支点也呈空间布局，很难确定地脚支点的调整量和调整方向。找正过程对操作者的技术水平要求较高。

此联轴器找正工装虽已实现系列化设计，但测量距离仍有一定的范围限制，且新产品找正前需加工对应的连接盘4。

由以上分析可知，传统的离心式压缩机找正过程，计算复杂，步骤繁琐，需反复测量逐步逼近，找正周期长。而且由于测量误差的存在，无法**反映联轴器的对中误差，也不能正确判断联轴器实际的对中状态，找正误差大。工装的设计、制造以及现场找正，要求大量投入人力与物力，找正成本高。

3  激光对中技术

3.1  激光对中仪的结构

激光对中仪的组成主要有以下6部分：两个激光发射器LD、两个光电接收器PSD(目标靶)、两个内置电子倾角计、A/D转换电路、显示单元、各种夹具和工具。其中两组LD、PSD、倾角计分别封装在固定在基准轴上的测量单元S和固定在调整轴上的测量单元M内。所有组件可装于一个手提箱内，结构简单，携带方便。

3.2  激光对中的测量原理

图3　逆向百分表法与激光对中法

　　激光对中仪的测量原理与逆向百分表原理相同，如图3所示。逆向百分表法是由一块表的读数计算平行偏差，两块表读数的差值计算角度偏差。激光对中法中S单元与M单元替代百分表分别固定在联轴器的两边，在任意两个间隔大于20°的3个位置上记录测量值。显示单元自动计算出平行偏差和角度偏差。并基于基本的三角几何原理，自动给出可调设备前脚和后脚的调整值和垫平值。测量过程简单、快捷，测量结果与操作者无关。

3.3  激光束能量中心不变分析

　　LD产生的激光束打在PSD感应面上，形成光斑S。由于LD发射的光束各点的照射强度不可能一致，因此照射区域S内各点的能量也不尽相同。设 为区域内任意一点的能量强度，根据重心公式，得到能量重心O点的坐标：

,    （1）

   此能量中心点即PSD计算的坐标点。

　　当调整轴转动，照射区域随两测量单元相互位置的变化而变化，能量中心点产生位移，坐标点位置发生改变。

下面需要证明当激光对中仪的感应面距离变化不大，倾角发生变化后，能量中心是不动点。

图4　能量中心不变原理

　　图4所示为PSD感应面照射倾角变化 时，感应面上激光照射区域S前后的变化。O为变化前感应面上的能量中心点，X为感应面上经过O点垂直于两感应面交线的轴线。S′、O′、X′分别为S、O、X在变化后感应面上的投影。

　　图中看出，水平方向区域没有拉伸，水平方向上的能量分布也没有改变，因此，X′仍为S′的能量重心轴。垂直方向根据重心原理有：

       （2）

　　式中 为照射区域dx的能量密度。根据照度原理，同等的光照在倾斜面上光强为，因此dx′处的能量为 ，或用X上的变量来表达即为 。

　　对式（1）作积分变换x=tcos ，得

（3）

式(3)等价于：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

（4）

　 表明X′方向的能量重心轴经过O′，因此O′为变化后照射区域的能量中心。

　　此结果可证明激光测量中，激光束存在一根能量中心光线，保证了精密测量的条件。使激光对中的分辨率可达0.001mm，对中精度较高。因此，应用激光对中技术进行机组安装找正不必怀疑测量结果，可实现高质量轴对中的要求。

4  现场实例

现以图5所示BCL408型离心压缩机组增速机与压缩机间联轴器找正为例，详述激光对中仪的工作过程。

图5　BCL408型离心压缩机组示意图

令增速机为基准设备，固定S单元；压缩机为调整设备，固定M单元；C点为联轴器中心；F₁、F₂分别为M单元的前后地脚支点。图中各点间的距离见表1。

表1　所需距离数据

找正前对中情况很差，必须先进行粗调，转动两轴到9点钟、3点钟位置，调整M端设备使激光束打到对面靶心。

启动软脚测量程序，按提示输入表1距离数据及工作转速。在12点钟位置调整光束到靶心，打开目标靶。依次松开然后拧紧M单元的4个地脚螺栓，测量结果如图6所示。按程序给出的垫平厚度0.07mm，垫平变化*大的左下地脚，使设备地脚处于稳定状态。

图6　软脚测量

启动EasyTurn^TM任意3点水平机械轴对中程序。S轴可转到任意位置进行测量，调整M轴，确保仪器上显示的S和M角度标记重合（或几乎重合），关上目标靶，调整激光束到靶心，记录第1个测量值。转动S轴（＞20°），关上M单元目标靶，再转动M轴，直到S单元发出的激光束打到M单元目标靶的中心，打开目标靶，记录测量结果。第3点测量与第2点相同。显示测量结果如图7。

图7 显示测量结果

按测量结果进行调整，水平方向上，F₂向靠近身体方向移动0.3mm；垂直方向上，F₁抬高0.54mm，F₂降低0.85mm。

*终测量结果是根据容差表自动判断是否已在允许范围内，容差的允许范围与设备的转速有关。此压缩机工作转速为10575r/min，将平行偏差控制在0.01mm，角度偏差控制在0.01mm/100mm以内，显示屏上联轴器标记的左侧变黑，测量结束。

整个测量过程用时不到1h，工作效率明显增加。此套机组其它部位的联轴器安装找正全部采用激光对中，使机组试车一次成功，确保了产品的顺利出厂。

5  结论

实践证明，激光对中技术是离心式压缩机组安装找正的一次飞跃。应用激光对中仪，提高对中精度，减小对中误差，可降低设备能耗，延长维修周期，必将为企业带来巨大的经济效益。