百分表对中方法及控制

百分表对中方法及其控制

0 引言

百分表法是 旋转机械 对中最常用的对中手段 , 但存在表架固定不牢、表针卡涩、量程设置不当、表架挠度偏差等各种误差因素，它们对百分表的测量读数精度将产生严重影响。本文就力图通过百分表对中的各种误差因素的分析与控制阐述，以助于提高大型风机、机泵等 旋转机械 对中精度和安装质量。

1 旋转机械对中的意义和测量方法

旋转机械对中就是把要联接的两台或多台设备的主轴位置，调整到能保证设备轴系在正常运行工况下的两轴轴线处于同轴状态的工艺过程。

对中偏差是旋转机械最常见的问题之一。根据相关工业统计表明，超过 50%的设备损坏可以归结到对中偏差和对中错误 [1] 。因过大对中偏差引起上述的主轴密封、轴承、联轴器以及主轴损坏后的更换费用、额外能耗费用和停产损失对任何单位和企业、甚至公共环境都是不可忽视的。

对中偏差通常分同心度偏差、角向度偏差以及它们的组合偏差。为了便于工程测量和设备调整，对中组合偏差一般分解成垂直和水平两个方向上的同心度偏差和角向度偏差两个分量，即水平同心度偏差、垂直同心度偏差、水平角向度偏差及垂直角向度偏差。

对中方法以及对中质量是和科技发展紧密相关的。先后有直尺塞尺对中法、百分表对中法、激光对中等方法。总体上讲，上述任何一种对中方法均可达到足够的精度，可以达到 0.001～0.01mm ，主要取决于仪器精密度和对中操作人员的技能水平。现在，普遍采用的对中方法有百分表对中法和激光对中仪法。

激光对中仪完全是基于百分表对中的理论，结合采用先进精确的光学、电子技术，把百分表对中法中容易出现的各种误差因素降到最低限度，大大消除了百分表对中法的测量器具产生的误差。同时自动完成大量的计算工作，使对中操作简单、既快又准，但该类设备价格昂贵，以及电子仪控元件一些固有的误差，一定程度上限制了它的推广。所以，目前在工程上大量采用的还是百分表对中法。笔者主要以百分表对中法为对象，分析其主要的误差因素及控制方法。

百分表通过表杆与测量表面接触，通过传动齿轮放大表杆的相对移动，来测量两轴间的细小空间位置变动 , 从而测量出其对中状态。百分表对中法目前常用的有径向轴向法和双径向法两种。

径向轴向法就是分别用一块表测量同心度偏差，而另一块（为了消除轴窜对角向度的影响，常常采用在直径方向上均布两块）百分表则测量角向度偏差，这是国

内最常用的一种方法。

双径向法就是用两块百分表分别测量在对方轴的测量点处同心度偏差，通过两组数据可以计算出轴系的同心度和角向度偏差。

不管是径向轴向法还是双径向法以及它们的演变对中法，如长联轴器的双径向法和双轴向法，它们的几何原理都是相同的，测量结果也应是完全一致的。它们在实际应用中各有优劣，根据实际情况适当选取可以取得很好的测量结果。

2 百分表对中法的主要误差因素及其控制方法

百分表在旋转机械的对中操作中，发挥着重要的作用，但存在较多的误差因素，需要加以分析并控制。常见的误差因素及解决办法有以下 10 个方面：

（1）百分表针起始测点设置不当和量程选取不当

百分表针起始测点设置不当和量程选取不当可能导致探针在转动过程中悬空或卡死，即百分表出现冲程上下死点，导致测量结果不真实、不准确。

具体的解决办法是尽量选取较大量程的百分表（特别是在初对中时），一般选取量程为 3～10mm, 并把起始测点（0点）设置在量程中点位置附近。

采取多次测量，要求数据具有总体上的可重复性，选取最稳定的一组数据。

在百分表对中读数，还有一个重要的测量数据有效性判定法则[1-2] 。即垂直方向（ 0°和180°）的数据之和等于水平方向（90°和270°）的数据之和，见图1。

在实际施工中，如果两者之间的差值大于0.02mm ，即可判断测量表架固定不牢或下列将要分析的其它原因, 并采取措施加以消除。

本数据有效性法则均适用于同心度和角向度偏差读数正确性的判定。

（2）百分表卡滞和/或强磁场影响

百分表表针、表杆卡滞以及强磁场影响将导致读数不准确。主要通过定期标定和检查百分表的表针运转灵活性和远离强磁场来避免此类误差。 数据有效性法则适用于检查该类误差。

（3） 数据/符号记录错误

由于人为视角、判断能力不同或者错误读数，可能导致读取的数值偏离实际显示

数值，这样自然会产生偏差。

由于百分表指针在测量过程中的左右偏转代表了表杆的正负运动方向，向左偏转表示表杆为正位移 , 反之则代表负位移, 所以在整个测量过程中应仔细连续观察百分表指针的转向并正确读取原始数据。一旦方向判断错误，将导致后续的调整值产生大的偏差，无法完成对中。

除了上述正确读数方法外，还可以通过上述的数据有效性法则来判断是否出现记录符号错误。假设用百分表在 0°、90°、180°、270°处测量理论数值为0、17、22、5，而实际测得的记录数据分别为0、11、22、5，可发现11+5=16≠0+22，可以判定其中有读数错误存在，（把17读成了11）；再假设把270°的5读取为-5，则17+（-5）≠0+22（正确表达应为17+5=0+22）可以判定数据有误，为无效数据。通过分析可以判定上述第一种情况可能是读数的记录错误，而后者则是正负号判断错误，如果不及时准确发现，将导致调整量的计算错误和反复调整不到位的情况。

若不正确判定数据，通过计算或作图法得出的调整数据也会远远偏离期望结果，无法正确对中。这从另一方面表明了对中数据有效性判定的必要性。

（4）轴承径向跳动以及过大的轴承余隙

本误差在测量数据中表现出不符合数据有效性原则，且不能通过改善表架结构来消除。从消除它们对对中测量影响角度来讲，可以首先通过测量轴承跳动或在每个测点都把主轴朝同一方向径向推动，使其紧靠轴承座来消除影响。

（5）测量表面不规则或偏心

本误差也将导致读数不符合数据有效性判定原则 , 通常的消除方法是保证两轴同步转动，保证测点位置基本固定，即可消除它们对对中数据的影响。在工程施工中，该项误差得到了充分的认识和重视。但应注意有些特殊设备，在安装期间或设备停机检修期间不能盘轴，这种情况应区别对待，应测量表面的不规则度或偏心度对测量值的影响，并采取适当方法加以修正或消除。

（6）轴窜

轴窜往往是对中测量中的麻烦制造者 , 它会严重影响轴系角向度偏差的数据测量。通常是采取规避方法来消除偏差。在常用的两种百分表对中方法中，径向轴向法是用两块对称安装的百分表来测角向度偏差，可以抵消轴窜影响；用双径向法则不受轴窜影响。所以这也是通常双径向法比径向轴向法更精确的主要原因。

（7）对中时轴系转动角度不准确

理论上，在任意 3个角度上测量，即可计算出轴系的对中偏差，但为了简化计算，在实际的对中测量过程中，一般要求在主轴或轮毂上4个均布的测点0°、

90°、180° 和 360° 共 4个位置上测量读数，但往往不能在该4个角度上准确定位，测点可能偏离理论位置，若偏离5°～10°，导致的百分表读数相对误差可达到10%～15%。

避免转动角度不均匀造成测量读数偏差的主要方法有：在 4个均布的测点用水平仪测量，或事先测量好并作出标记，并且在转动过程中尽量慢，确保每次能够准确地停在所需的位置。

以上 7种情况下的偏差都可以通过数据有效性法则来判断。

（8）百分表测杆与被测表面不垂直

由于表架结构的限制以及操作者的认识问题，在实际测量过程中，因表架结构原因 , 表杆与被测表面可能经常出现不垂直现象。如果表杆倾斜度在15°以内，读数误差一般在5%以内，可以忽略，而当倾斜度在15°～30°，则会出现5%～15%的误差，将严重影响测量精度。

测杆与被测表面不垂直导致读数均大于实际值，在实际施工中，测杆与被测表面不垂直是很常见的问题。

（9）表架的挠度偏差

因为百分表对中法的表架悬垂结构，支撑百分表的表架及其加长杆和百分表的重力，使表架产生弹性变形，将发生向下弯曲，称为表架挠度。通常在卧式旋转机械的对中测量时，表架在转动过程中，由于表杆滑动方向随转动方向而变化，不完全与重力方向一致。不同位置上的挠度对百分表读数的影响是变化的，所以，在后续的数据处理中，如果不加以消除，将严重影响测量值的准确性。相对于旋转机械的对中公差，有时挠度会是实际对中偏差的几倍到十几倍。

因此，在采用百分表对中的过程中，安装百分表表架和加长杆应注意减少甚至消除表架挠度的影响。由于百分表固定处在水平和垂直方向上都存在挠度，其结果对通常的同心度和角向度偏差测量数值均有影响。

如图2所示，按照待测设备上的相同或相近的参数状态把表架安装固定在一根具有足够刚度且表架固定处和测点处应尽量平滑的水平圆管（圆棒）上，该圆管（圆棒）作为芯轴基准，主要应保证参数（l 和a 以及百分表的尺寸、 质量 等）完全相同，并且应牢固固定或保证固定松紧程度一致。分别把表针在径向上与圆管的环面接触来测量径向挠度，把表针在轴向上与圆管的特定设置的与圆管轴线垂直的端面接触来测量轴向挠度[3]。把百分表在顶部0°时调零，然后把整个装置慢慢转动180°到底部，读出百分表读数，该数值的一半即为表架垂直挠度

在实际操作中，如果不考虑这种误差，测量数据与真实值的偏差很大，以此数据来确定的支腿在垂直方向的调整量也是无用的，将远远偏离于真实值。由于同心度的挠度一般在0.10 ～ 1.00mm 之间，特别在精对中阶段，该误差将占有百分表的主要量程，可能导致测量超程。

另一方面，可以采取下列措施来减小表架挠度误差的数值大小：尽量缩短固定点到测点的距离，从而缩短表架的跨距；优化选用正确的表架截面大小和材料，增强抗弯能力；尽量选用小巧的百分表；正确牢固地固定表架。

(10)百分表测量法的理论误差

由于百分表测量法通常采用如国标GB50231-1998的附录15的公式来计算实际偏差，通过分析可以知道 , 该公式是基于角向度偏差和同心度偏差均很小且单独存在情况下的近似计算，但在实际工程实践中 , 特别在初对中时 , 偏差可能比较大 , 且往往是以综合偏差方式存在 , 及同时存在角向度偏差和同心度偏差 , 在这种情况下 , 角向度偏差的存在会不同程度地影响同心度偏差的测量。当考虑角向度对同心度的影响后，对中偏差的百分表测量理论分析变的非常复杂，有很多相关文章均对对中的理论分析进行过详细描述，一般至少需要4 ～ 5个参量才能准确表达，并且包括超越方程的求解，这在实际测量过程中是很难处理的。在实际工程中的百分表对中法，不可能作到多未知参量的测量和处理，即使在激光对中仪中有先进的微处理器，在实际的算法也多是以简化的对中算法为理论基础的。对此处理的总体解决办法有两个方面。

(1)在初对中阶段，即角向偏差和同心度偏差均比较大时（比如角向偏差在1/100～1/1000之间，同心度偏差在0.2～2mm 之间），按照简化的测量方法以及相应的调整值和理论值真实值是有偏差的，并且偏差率还可能比较大，但是该误差的变化趋势是收敛的，也就是说，随着调整次数的增多，误差会越来越小，到角向偏差接近1/1000时，基本可以忽略角向偏差对同心度测量的影响，达到很高的精度。一般通过2～4次调整即可达到比较精确的状态。所以在实际施工中，不要希望一次就能精确测量准确和调整到位。

(2)由于角向度直接影响同心度测量精度，所以建议先调整角向度再调整同心度。

3 结束语

百分表测量法的表架挠度偏差本身无法完全消除，但可以通过上述加大表架刚度来减少 , 以及通过计算或实测等方法基本消除挠度对对中测量数据的影响。

虽然百分表的精度为 0.01mm ，但通常的测量误差可能在0.1 ～ 1.0mm 之间，是同心度公差0.02 ～ 0.10mm 的5～10倍，如果不注意消除上述主要的误差因素的影响，实际的测量结果将严重偏离真实值，出现巨大偏差。根据某国际知名的旋转机械技术组织调查结果表明，轴系对中状态真正达到了其公差要求的比例不到7% [4] ，这足以说明正确的轴系对中的重要性。