激光对中仪的原理及应用
激光对中仪的原理及应用
陆卫东
1, 2
, 沈 勇, 吴 健
11
(11南京市自来水总公司城北水厂, 江苏南京210038;
21东南大学电气工程系, 江苏南京210096)
摘 要:介绍了电动机水泵机组等设备对中的必要性; 阐述了激光对中仪的基本原理及使用过程中温度对精度的影响。将激光对中仪与国内普遍使用的千分表对中仪进行技术比较, 通过实例检验, 证明激光对中仪对我国企业的设备管理和节省生产成本有重要作用。关键词:激光对中仪; 能量中心; 角偏差
中图分类号:O432. 1+2 文献标识码:B 文章编号:1671-5276(2006) 03-0137-03
Principle and Application of Laser Aligner
LU We -i dong 1, 2, SH EN Yong 1, WU Jian 1
(1. Chengbei Water Plant of Nanjing Tap Water General Company, JS Nanjing 210038, China;
2. Department of Electric Engineering, Southeast University, JS Nanjing 210096, China)
Abstract:T his paper introduced the necessity of measuring and alig ning equipment such as motor and pump. Basic reasons of laser aligner w ere stated. The comparison of laser alig ner w ith m icrometer was given. It w as proved in exam ples that laser aligner can increase the level and reduce the cost of equip management in our country.
Key words:laser aligner; energy center; angular deviation
0 引言
激光对中仪是一种用来调整两个相连设备的相对位置, 确保该组设备的相对位置符合设计要求的一种测量仪器。简言之, 激光对中仪就是安装设备时用来测量相连设备的转轴是否在一条直线上的仪器。例如, 电动机水泵机组安装、维修过程中的转轴对中。据有关资料表明, 国内不少厂家, 如炼油厂、自来水厂等都采用了激光对中仪对有关机械设备进行安装、定期检修。笔者首先对国内对中技术在机械设备中的使用状况进行了回顾, 然后重点阐述激光对中仪的基本原理, 并把激光对中仪与千分表对中仪进行技术比较, 通过实例检验, 证明激光对中仪应该在我国推广。
市场上更换密封的价格有时是一个泵的价格的20%;
c) 设备不对中会缩短机器寿命。由于不对中所产生的额外的力, 会使转轴发生往复移动, 这样也会显著地缩短机器的寿命。
因此良好的对中能极大的减少运营成本、大大提高工作效率。
1. 2 设备对中常用方法及基本原理
激光对中仪是一件舶来品, 国内很多厂家在采用它之前, 主要使用千分表方法来对中设备。下面先简单回顾一下千分表的安装方式及使用原理:
千分表的安装方式如图1所示。图中A 和
B
1 激光对中仪的基本原理
1. 1 设备对中的必要性
a) 如果设备不对中, 轴承会过早地发生损坏, 缩短轴承的使用寿命;
b) 设备不对中会增大联轴节的摩擦, 使机器的能源使用效率显著下降, 运营成本提高。由于设备不对中会对转轴密封产生特别严重的影响, 目前
M , Jun , 35(3) :~139, 142
图1 千分表的安装方式
分别是需要对中的传动轴, 千分表的支架固定于A
#137
轴, 并随A 轴作一周旋转, 其触点在B 轴表面形成的轨迹如图1中虚线所示, 它是在垂直于旋转A 轴轴心线的平面M 内的闭合曲线。当B 轴是表面光滑的圆柱体时, 该闭合曲线是中心在O c 的椭圆, 图中O 和O c 分别是A 和B 轴线与平面M 的交点; OO c 即为A 、B 两旋转轴的中心线在平面M 内的轴偏差值。
对于圆柱体轴A 、B 来说, 如果轴偏差和角偏差均为零, 这时A 和B 轴的轴心线重合, 千分表在一周的旋转中, 数值将始终为常数; 该千分表触点形成的应为半径R B 的圆(图2) 。反之, 如果存在轴偏差, 那么, 千分表在旋转过程中数值就会有变化; 如果存在角偏差, 千分表触点形成的轨迹将会是一个短轴为2R B 的椭圆(图3) ; 并且旋转过程中
千分表读数会不断变化。
两大特点。
激光对中仪一般采用635~670nm 波长半导体红色激光, 图4给出了激光对中设备的示意图, 在A 轴和B 轴上各装上能同时发送和接受激光束的测量器,
并通过信号线与主机设备相联。
图4 激光对中设备示意图
图2 千分表触点形成的半径R B
的圆
光束从两只分别装在A 、B 轴上的测量器各自发出, 并被对方接受。当光束落在接受器的光电点阵采集面CCD 上时, 便形成一个很小的照射区域; 主机经过计算, 确定这个照射区域能量中心点, 它具有很高的精度。随着轴的转动, 各自光束的能量中心点也分别在对方接受器的CCD 采集面上位移。激光对中仪便是根据这种位移量计算出被测设备的轴偏差和角偏差的。
为了便于研究, 笔者将激光对中仪的工作过程简化如图5所示, 并仅研究其在一个平面内的偏差
分量。
图3 千分表触点形成的椭圆
由此可知, 千分表调整设备对中是根据表触点在光滑圆柱轴表面形成的轨迹来确定其轴线位置的。但是遇到非光滑圆柱表面, 或存在表面缺陷的轴, 这种方式也许就失效了。这种方法最大的缺点是触点受力变化引起支架位移, 从而影响精度, 并且不稳固、观察困难。
图5 激光对中仪的工作简化过程
1. 3 激光对中仪对中的基本原理
激光对中仪是采用完全不同的测量原理进行工作的。这种方法不仅精确度高, 而且方便灵活, 节省时间。下面分析激光对中仪最基本的原理。
激光最大的特点是具有方向性和单色性。方向性是指激光从激光发生器发出后光束散角极小, 基本沿直线传播, 到达接受器能量不损失; 而单色性则指发出的光波波长单一, 易被接受器辨别, 不受外界光干扰。激光对中仪正是应用了激光的这
A 和B 为两个被测轴的轴心线, 测得两只测量器间的距离为S ; D 为两轴联接面处的轴偏差, 通常是两测量器间的中点; A 为两轴间的角偏差。两轴经过180b 的翻转, 其上的激光测量器便从如图的上半部分分别移至两轴的下半部分, 这时激光束分别在对方接受器的CCD 采集面上发生位移, 设其径向分量为$A 和$B , 不难算出, 角偏差与径向位移分量存在如下关系:
tan A =($A +$B ) /S (1)
# Z ZHD. net. n E Z ournal . cn 5
#电气技术与自动化# 陆卫东, 等#激光对中仪的原理及应用 接下来我们再来寻找轴偏差与径向位移分量的关系。假设B 轴作平移, 使两轴在中点处重合, 不难分析, $A 和$B 将分别变为$A -2D 和$B +2D cos A ; 根据对称原理, 应有:
$A -2D =$B +2D cos A (2) 从以上分析可以看出, 激光对中仪的测量值仅
与对方接受器CCD 面上光束能量中心位移的径向分量有关。由式(1) 可知, 角偏差任何微小的变化都可以从$A +$B 的变化中感觉到, 而千分表是无法做到的; 式(2) 则说明了当角偏差很小时, cos A =1, D =($A -$B ) /4, 更显其精确性。
值得一提的是, 大多数激光对中仪能精确地测出轴偏差和角偏差外, 将设备地脚垫平点距测量器的距离S 1、S 2输入后(图4) , 还能计算出各地脚具体的垫平值及平移值, 极大地提高了效率。
设备:IDP 600-LNN -950型清水泵、ABB
H XR500LP10型电动机, 功率590kW, 最高转速590r/min;
平车原因:轴不对中引起振动, 造成电动机驱动端轴承损坏。
平车前后所测得的相关数据列于表1。
表1 平车前后测得的数据
平车前
水平方向轴偏差 0. 00
角偏差0. 17/100mm
平车后
垂直方向0. 36
0. 07/100mm
水平方向轴偏差 0. 00
角偏差0. 00/100mm
垂直方向0. 01
0. 00/100mm
前脚F 1 -0. 83后脚F 2 -2. 96
0. 03-0. 81
前脚F 1 0. 02后脚F 2 0. 04
0. 010. 02
2 温度对测量精度的影响
影响测量精度的因素很多, 这里我们只研究对激光对中仪的测量精度影响最大的因素) ) ) 温度。
当激光通过不同密度媒介时会发生折射, 而不同温度空气的密度是不同的, 激光通过时其光束会发生如图6
所示的折射现象。
实例2:EASY -LASER D400激光对中仪对南京北河口水厂电动机水泵的调整。
设备:8号机组, EBARA 清水泵、韩国现代电机, 功率1000kW, 转速594r/min 。
原因:轴不对中引起强烈振动, 造成电动机与水泵的联轴器螺栓全部断裂。
备注:该机组由于受地基下沉的影响, 地角固定螺栓错位严重, 未能完全消除偏差。
调整前后相关数据列于表2。
表2 调整前后的数据
平车前
水平方向
垂直方向0. 69
0. 01/100mm
平车后
水平方向轴偏差 0. 13
角偏差0. 00/100mm
垂直方向0. 12
0. 00/100mm
图6 光束的折射图
轴偏差 0. 25
角偏差0. 61/100mm
在工作现场, 尤其当有热空气在流动时, 光束通过不断变化的冷热空气, 光束能量中心会在感应平面板上不断漂移。对在线式激光对中仪来说表现为数据不停地跳动; 对非在线式激光对中仪来说则表现为各次检测结果不一致, 使对中无法正常进行。另外, 停运的设备逐渐冷却时也会对对中检测产生一定影响, 冷却的过程实际上也是改变设备尺寸的过程。因此在采用激光对中仪时应尽量避免周围有明显热源或冷热对流, 必须待设备完全冷却后再对中。
前脚F 1 -1. 51后脚F 2 -4. 61
-0. 59-0. 34
前脚F 1 0. 12后脚F 2 0. 08
0. 100. 03
实例3:南京北河口水厂7号机组电机水泵的调整。
该机组工况同8号机组, 但未出现问题, 仅做维护保养。平车前后所测得的数据列于表3。
表3 平车前后的相关数据
平车前
水平方向轴偏差 0. 01
角偏差0. 01/100mm
平车后
垂直方向0. 35
0. 01/100mm
水平方向轴偏差 0. 00
角偏差0. 00/100mm
垂直方向0. 00
0. 00/100mm
3 激光对中仪的应用
下面我们通过激光对中仪的应用实例来说明其优缺点:
实例1:EASY -LASER D400激光对中仪对电动机水泵平车调校。
地点:南京城北水厂1号机组;
M , Jun , 35(3) :~139, 142
前脚F 1 0. 06后脚F 2 0. 26
-0. 27-0. 01
前脚F 1 0. 00后脚F 2 0. 02
0. 010. 02
(下转第142页)
#139
#电气技术与自动化# 谢 晶, 等#I -DEAS 在某雷达天线结构分析中的应用
[2]曹继光, 周思柱, 周秋娥. 雷达天线结构静力分析[J ]. 江汉石
油学院学报, 2001, 23(增刊) :131-1331
[3]张 超. ANSYS 在激光雷达伺服转台静力分析中的应用[J].
郑州轻工业学院学报, 20(1) :70-72. 收稿日期:2005-10-23
(上接第139页)
从以上三个实例可以看出, 激光对中仪可将设备间的实际偏差值调整到零, 可以大大降低设备运转的
图3
天线应力分布图
振动值, 从而保护设备。根据以上理论分析和实际
应用, 其优点可以归纳为以下几点:
a) 彻底解决千分表的挠度。千分表的支架挠度不可避免, 而激光则是/绝对直线0;
b) 减轻工作强度。千分表测量时必须不断注视表的读数, 以保证数据的连续性。而激光法只需测量三个读数;
c) 不需反复测量。千分表测量时设备每调整一次, 则需重新安装再测一次。而激光法再一次测量后, 设备调整时可进行实时数据显示, 直至调整到理想状态;
d) 不再依赖于测量人员的经验。传统方法很
图4 天线变形分布图
大程度上依赖于机修人员的操作经验和分析能力, 而激光法则不再需要/专业级0的机修人员; e) 工作效率和对中技术精度大大提高。对中仪的精度大多为0. 001mm 。根据大量用户反馈的使用经验, 激光法可提高对中效率近十倍。
2. 5 优化模型并重新计算
天线结构系统应在满足强度和刚度要求的前提下, 结构布局合理, 质量尽可能轻。根据分析计算得到的支反力, 可以估算出天线结构系统的质量。而根据应力分布和变形状况, 改变骨架有限元部分钢管的有限元尺寸, 对天线有限元模型进行优化, 并重新计算, 直到应力分布合理, 变形状况满足设计要求, 从而达到结构布局合理, 质量达到最轻化要求。
4 结束语
激光对中仪是一种进口高科技产品, 其实用性受到国内广大专业用户的欢迎; 但其原理是很简单的。国内同行完全可以在现有电子技术的基础上开发出同类激光对中仪的升级产品。
参考文献:
[1]赵明生, 等1机械工程师手册(第二版) [M ]1北京:机械工业
出版社, 20021
[2]李士雄, 等1电气工程师手册(第一版第三篇) [M ]1北京:机
械工业出版社, 19871
R
[3]Easy -Laser o 1M easurement and alignment system manual[M ]1
3 结论
从以上分析可以看出, 通过-I DEAS 的有限元力学分析及结构优化, 在保证了应有的技术战术指标及合理的安全系数的基础上, 充分合理的减轻了质量。而根据分析计算和优化设计出来的天线结构系统, 在实际加工出来后, 经过装备雷达阵地的考验, 可以满足天线承受风载荷时的刚度和强度要求。
参考文献:
[1]王 睿. 相控阵雷达天线的有限元分析[J ]. 雷达与对抗,
2005, (2):50-52.
Damalini, 20021
[4]杨 雄, 郑小年1一种精密位置检测系统的设计[J]1机械与
电子, 2001(6) :71-721收稿日期:2005-11-11
# Z ZHD. net. n E Z ournal . cn 5