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(xiàn),，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(chǎn)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(xiàn)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(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(jù)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(shù),。

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(jù)幾何關系容易算出，平行偏差為徑向表讀數(shù)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(chǎn)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(chǎn)生測量誤差,。且千分表的分辨率為0.01mm，精度較低無法實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)計算平行偏差,，兩塊表讀數(shù)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(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(jù)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(chǎn)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(jīng)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(jù)重心原理有：

       （2）

　　式中 為照射區(qū)域dx的能量密度,。根據(jù)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(jīng)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(xiàn)高質量軸對中的要求,。

4  現(xiàn)場實例

現(xiàn)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(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)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EasyTurn^TM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(jù)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(chǎn)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(jīng)濟效益,。