Несоосность валов является причиной более 50% отказов вращающихся компонентов!
Введение
| Рис 1. Центр вращения
|
Несоосность валов вызывает чрезмерные нагрузки, которые негативно влияют на работу оборудования, ведут к уменьшению ресурса. Нужно чётко понимать, что такое несоосность, чтобы осуществить последующую правильную центровку. Все валы, прямые или уже изогнутные, вращающтся вокруг оси, которая называется центром вращения. Центр вращения представляет собой прямую линию.
|
Рис 2. Соосность
|
Два вала называются соосными, когда их центры вращения совпадают образуя одну линию. Если этого не происходит, то валы называются несоосными.
Эта статья показывет основы центровки: какие типы и допуски существуют, обзор самого процесса, процедуры и методы.
Несоосность
Валы называются несоосными, когда линии их центров вращения несовпадают при работе машины.
| Рис 3. Несоосность
|
Стационарные и подвижные машины
Когда выверяют соосность двух любых машин, одна из них назначается стационарной, а другая - подвижной. Обычно стационарной машиной выбирается ведомый компонент, тогда как ведущий становится подвижным. Тогда, несоосность можно представить как положение подвижной машины относительно неподвижной.
| Рис 4. Стационарная и подвижная машины
|
Центр вращения стационарной машины принимается за ноль отсчёта. Несоосность определяется путём нахождения позиции цетра вращения подвижной машины в двух плоскостях: горизонтальной (X), вертикальной (Y).
| Рис. 5. Начало отсчёта и часовая аналогия
|
|
Рис 6. Относительное положение
|
Несоосность горизонтальной плоскости наблюдается сверху, корректируется путём перемещения передней или задней части машины. Вертикальная несоосность видна сбоку , исправляется изменением количества калиброванных пластин, подкладываемых под передние и/или задние опоры подвижной машины, или добавлением самоустанавливающихся опор Vibracon.
Типы несоосности
| Рис. 7. Горизонтальная несоосность
|
Рис. 8. Вертикальная несоосность
|
Большая часть описаний центровки валов начинается с определения двух типов несоосностей: плоскопараллельная несоосность, или сдвиг, и угловая несоосность.
|
Рис 9. Смещение
|
Рис 10. Угловая несоосность
|
Как можно заметить из иллюстрации, наше внимание будет сфокусировано на муфтах. Для многих машин центровка муфт осуществляется при помощи чего-нибудь прямого: исходя из некоторого "эталона прямоты", например линейки, добиваются устранения угловой несоосности. Также, смотря вдоль вала, можно наблюдать то, что часто подразумевается под сдвиговой несоосностью - её частный случай, параллельное смещение. Этот термин подразумевает, что все точки, лежащие на линиях центров вращения обоих валов, находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.
В подавляющем большинстве реальных условий такая параллельность отсутствует как факт. Это происходит потому, что оба типа несоосности присутсвуют всегда.
Сдвиговая несоосность
Сдвиг - это отклонение от заданной точки. Смещения различаются по величине, направлению отклонения. В центровке валов под этим типом несоосности подразумевается плоско-параллельное отклонение одного центра вращения относительно другого. На приведённой ниже иллюстрации обратите внимание на следующее:
Сдвиг - смещение оси вала подвижной машины относительно центра вращения вала стационарной.
- В точке 1 центр вращения вала подвижной машины ниже на 0.889 мм. (Примечание: на изображении единицами измерения являются милы: 1 мил = 0,001 дюйма = 0,0254 мм.)
- В точке 2 центр вращения на 0,191 мм ниже
- В точке 3 центр вращения на 0,178 мм выше
- В точке 4 центр вращения на 1,334 мм выше.
| Рис 11. Смещение вала
|
Примечание: важно помнитьу, что наша цель состоит в том, чтобы в результате центровки добиться соосности центров вращения, то есть, устранить смещение во всех точках длины.
Угловое смещение
Угловая несоосность определяется легче всего как взаимный наклон двух центров вращения. В большинстве иллюстраций сдвиговой несоосности, соответветсвующая несоосность подразумевалась параллельной (хотя она никогда таковой не является), для визуальной простоты. Из-за того, что валы редко бывают параллельными, наш пример показывает наклон подвижного вала совместно с его параллельным смещением.
| Рис 12. Угловое смещение вала
|
Наклон может быть выражен количественно определением разницы сдвигов в любых двух плоскостях (сдвиг 2 - сдвиг 1) и путём деления её на расстояние между точками, в которых изменялось смещение.
В примере, приведённом выше, угловая несоосность может быть вычислена как:
Обзор допусков для центровки
Допуски для центровки являются предметом многих обсуждений и часто вызывают вопросы.
- Насколько плохо всё может быть, чтобы всё ещё было хорошо?
- Какова вибрация?
- Какая скорость машины?
- Как много времени я могу потратить на эту работу?
- Какой тип подшипников установлен на эту машину?
- Как долго уже стоят подшипники?
- Какой тип муфт используется?
- Является ли эта машина особо ответственной?
Ответы на все эти вопросы крайне важны, ещё более важные в случае высокоскоростных или особо ответственных машин, но если упростить, то на самом деле главный вопрос заключается в том, "Насколько точны мы должны быть?".
Пример таблицы допусков для центровки соосности
Окончательное решение по допускам центровки должно быть сделано конкретными компаниями исходя из реальных условий конкретного оборудования или важности для бизнеса, но в ряде случаев приведённая ниже таблица, типичная для большинства приемлемых допусков на соосность.
|
Рис 13. Таблица допусков
|
Гораздо важнее, чем основываться на некие общие таблицы, выяснить, в чём заключается разница между целями центровки. Например, генератор должен быть (в ненагретом случае) на ниже 0,5 мм ниже дизельного двигателя, тогда соосность должна быть -0,5 ± 0,05 мм. Под 0,05 как раз и подразумевается допуск, который принимается почти всегда постоянным для какой-либо компании, является её характерным показателем качества. Значение 0,05 мм характерно для показателей, предлагаемых компанией SKF, по допуску на параллельное смещение, тогда как для угловой несоосности используется значение 0,05, делённое на полный присоединяемый диаметр. Это полезно также потому, что муфта не будет влиять на допуск. Некоторые муфты могут выдержать несоосность величиной более 1 мм, что не означает, чтобы допуск должен быть близким к ± 0,5 мм.
Обзор процесса центровки
Различные типы процедур центровки осуществляются в зависимости от цели задания. Поэтому, первым шагом в процессе является определение назначения:
- Это проверка соосности?
- Или это коррекция соосности?
Процедура проверки осуществляется, чтобы определить текущие условия работы механизма. Проверка центровки обычно проводится:
- Когда предпологается, что несоосность есть, но она неизвестна
- Чтобы установить порядок выведения машин из эксплуатации в зависимости от условий соосности и допустимости их дальнейшего применения
- Чтобы удостовериться, что соосность находится в пределах допусков
Коррекция нужна:
- Для новых или отремонтированных машин, только введённых в эксплуатацию
- Когда заранее известно, что соосность лежит за пределами допусков
- Сразу после того, как проверка соосности показала выход из поля допусков.
Процедура проверки соосности:
- Установить оборудование для центровки
- Измерить несоосность
- Задокументировать состояние соосности
- Произвести оценку состояния
Чтобы завершить весь процесс точной центровки, нужно:
- Осуществить предварительную проверку соосности
- Установить оборудование для центровки
- Проверить, откорректировать "мягкую лапу"
- Измерить несоосность
- Оценить состояние оборудования
- Произвести точную коррекцию соосности
- Повторно измерить, зафиксировать соосность оборудования.
Три этапа процесса центровки валов (выверки)
Однократный процесс центровки принципиально отличается от периодической проверки соосности, зачастую он применяется для завершения установки оборудования. Очевидно, когда задание заключается в том, чтобы просто собрать полный набор данных, вы не должны систематически проходить через всю процедуру доработки, которая нужная при монтаже нового или отремонтированного оборудования. В любом случае, для большей части процедур центровки можно выделить три этапа. Каждый из этих этапов описан ниже.
1. Предварительный этап
В течение этого этапа задания, Вы планируете работу, выполняете предварительные измерения, которые помогут сделать последующие этапы более простыми. В общем случае, предварительная ступень включает измерения термического расширения, выбор метода дальнейшей центровки соосности, проверка оборудования, оценка износа вала и муфты, проверка на "мягкую лапу" и другие предварительные процедуры.
2. Этап грубой центровки
На этом этапе вы удостоверяетесь, что центры вращения "уже-где-то-рядом". Не существует каких-либо правил, насколько близко должны быть центры вращения перед осуществлением точной центровки или какой метод нужно для этой самой точной центровки использовать. Многое зависит от самих машин, от опыта человека, осуществляющего центровку. Нужно прийти к тому, чтобы линии вращения были достаточно близки для дальнейшего разрешения процедуры точной центровки. В общем случае, примерно 1,27 мм для плоско-параллельного смещения, 0,254 мм/мм угловой соосности в вертикальных и горизонтальных плоскостях считаются достаточно "грубыми".
3. Этап точной центровки
Точная центровка соосности является завершением всего процесса. Достижение точности обычно осуществляется при помощи пары индикаторов часового типа или лазерной системы. По окончанию, мы должны быть уверены, что оси валов оборудования достаточно хорошо выверены и находятся в пределах уточнённых допусков на соосность. Для этой процедуры, необходимо соответствующее оборудование для определения несоосности и осуществления поправок.
Обзор методов центровки
Существует весьма много методов для центровки соосности, однако наиболее часто применяются четыре: с помощью поверочной линейки, с помощью индикаторов (радиально-осевой, метод обратных индикаторов), с использованием лазеров - лазерная центровка.
| Рис 14. Основные методы центровки
|
Несоосность в силовых установках, где мощность передаётся от ведущего к ведомому звено, создаёт вибрации, удары, что пагубно воздействует на привод. Следовательно, именно для такого оборудования должна осуществляться центровка соосности. Все представленные методы имеют общую черту: показания берутся на валах или муфтах. Поправки, однако, делаются относительно опор. Позиции опор должны быть вычислены исходя из данных о несоосности, чтобы делать правильные коррекции. Если это не будет сделано, то успех центровки целиком зависит от опыта и удачи центровщика. В таком случае, возможно, потребуется гораздо больше операций, но вполне может быть достигнута хорошая точность.
Механические методы
Механические методы включают использование:
- Поверочных линеек;
- Щупов;
- Калиброванных пластин.
Эти грубые приспособления всё ещё широко используются занимая своё место в процессе центровки соосности, как методы осуществления грубой центровки.
Принципиально они основываются на том, что лицевая поверхность является ровной поверхностью, а её вращение соответствует осям вала. Эти методы просты, если, к примеру, муфты не одного диаметра, важно брать показания со всех четырёх точек.
Щупы могут всё ещё являются весьма важными для обеспечения параллельности, когда производится установка муфт, они должны присутствовать в каждом комплекте оборудования для центровки соосности для помощи в устранении "мягкой лапы".
Преимуществами механических методов являются:
- Простота
- Непосредственные измерения
Однако, существуют недостатки:
- Могут использоваться только для тонких муфт
- Полностью полагается на биение поверхности муфт
Иллюстрация измерения несоосности с применением поверочной линейки/щупов:
| Рис 15. Измерение смещения
|
Осевая несоосность измеряется с помощью щупов, конусных датчиков, калибров и т.д. Зазор, возникающий при повороте между двумя точками на 180° используется для определения направления и величины относительного сдвига между валами.
| Рис 16. Измерение наклона
|
Методы с применением индикаторов часового типа
Двумя фундаментальными методами центровки соосности валов с помощью индикаторов часового типа являются радиально-осевой, реверсивный метод.
Радиально-осевой метод
Многие годы этот метод являлся стандартным для центровки соосности валов. Его примущества по сравнению с более новыми методами относительно невелики, но на большой поверхности муфты центровка может быть достаточно точно осуществлена при помощи него. Он также может быть использован для измерения биения больших поверхностей как часть предварительного этапа центровки.
Используя радиально-осевой метод одно измерение берётся на ободе муфты для определения сдвига вала. Другое измерение берётся на лицевой поверхности муфты, выявляя угловую несоосность.
| Рис 17. Радиально-осевой метод
|
Основные ограничения:
- Прогиб штанги ограничивает расстояние, на котором метод может быть применён.
- Из-за конструкции некоторых муфт, иногда невозможно осуществить доступ к лицевой поверхности, так что использование метода возможно только совместно с другими способами, например, с применением щупов.
- Коррекция - многоступенчатый процесс, устраняющий сначала отклонения от параллельности, а впоследствие и отклонение от концентричности. Так как присутствует вертикальный, и горизонтальный компонент, для каждого из них необходимы четыре шага, каждый из которых, возможно, придётся повторять.
- Чтобы проверить эффект от каждого действия на этапе коррекции, необходимо повторное измерение
- Осевое перемещение вала непосредственно влияет на результат.
Как бы то ни было, в узких пространствах возможен только один способ осуществить работу. То же оборудование и метод смогут быть использованы для измерения биения фланцев и радиального биения вала в подшипниковых узлах.
Необходимо отметить один важный момент в сравнении показаний, полученных с помощью системы индикаторов часового типа и лазерного оборудования: почти в каждом случае лазерная система будет показывать, что валы ниже, чем предполагалось.
Необходимость разделения этапов измерения и коррекции валов для угловой и плоско-параллельной несоосности (причём каждый нужно измерять как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости), может сильно замедлить темп работы. В течение любого шага, Вы можете изменить смещение или угол, что приведёт к повторному измерению и новой коррекции. Допускается применение двух индикаторов на каждой из поверхностей, но это не является широко распространённой практикой. Практические ограничения в возможности измерениия на лицевой поверхности, точность исполнения муфты являются причинами, по которой центровка угловой составляющей часто не проводится. Если на самом деле существуют смещение и наклон, метод может ложно Вас уверить, что достигнута идеальная соосность.
Реверсивный метод
"Метод обратных индикаторов", "реверсивные периферийные устройства", "реверс на ободе", "двойной реверс" - всё это названия одного и того же метода центровки соосности с использованием двух индикаторов часового типа. При использовании этого метода, оба измерения берутся на ободах муфт для определения смещения вала по двум точкам. Оба вала вращаются одновременно или, в некоторых случаях, измерение проводится в два этапа с применением только одного индикатора, но перемещая его. Угловая несоосность выражается как наклон между двумя предыдущими измерительными точками.
Метод был принят Американским нефтяным институтом как рекомендуемый. Намечается тенденция стандартизации этого метода во многих областях промышленности.
| Рис 18. Реверсивный метод центровки
|
Главные преимущества метода заключаются в том, что он даёт плоско-параллельное смещение и наклон одновременно, а также предоставляет данные, лёгкие для обработки и вычисления несоосности. Увеличение расстояния между измерительными точками может увеличить точность вычисления наклона. Однако, излишне большая дистанция может привести к прогибу штанги, на которой закреплён индикатор часового типа, из-за чего значение будет неверным. Но если точки измерения находятся близко друг к другу, метод может быть крайне неточным.
Как у всех показаний индикаторов часового типа, вычисление несоосности и поправок требует ручного построения. Будьте осторожными, когда считываете показания с перевёрнутых индикаторов, положительные или отрицательные. Легко перепутать знаки или упустить полный оборот стрелки.
Аналогично радиально-осевому методу, необходимо повторять измерения каждый раз при перемещении машины. Особенностью реверсивного метода является то, что поправки для плоско-параллельного смещения и наклона могут быть вычислены в одно и то же время, что сокращает время работы.
Лазерные системы выверки соосности
Для центровки валов предлагается множество различных лазерных систем для центровки. Вместо стальных штанг с часовыми индикаторами, эти системы используют лазерные лучи и электронные детекторы. Главным преимуществом лазера является то, что при увеличении расстояния не проявляется никаких искажений. Все лазерные системы включают в себя лазерный излучатель, чувствительный датчик , компьютерную систему, осуществляющую вычисления.
Существуют два широко распространённых типа лазерных систем:
- С одним излучателем, одним приёмником;
- С двумя излучателями, в какой-то мере копирующие реверсивный метод, описанный раньше.
Одиночный лазер (с одной или двумя мишенями)
Этот тип систем измеряет смещение, наклон с помощью отражающей призмы или пяти-осевой мишени. Мишень измеряет и вертикальную, и горизонтальную составляющую одновременно с наклоном. Поскольку этот метод точнее измеряет угловую несоосность на больших расстояниях, его сложнее применять в качестве инструмента для грубой центровки.
Если возможна математическая компенсация, то система может быть восприимчивой к люфту при движении несоединённых муфтой машин. Повторное измерение необходимо после каждого шага, как только лазер перестаёт попадать в цель.
Метод не работает при качении валов из туда-обратно или незавимое вращение каждого вала в отдельности. Чтобы преодолеть это ограничение, необходимо как-нибудь соединить валы, чтобы они вращались "в унисон".
| Рис 19. Система с одним лазером
|
Двойной лазер, с применением реверсивного метода
Этот тип систем использует основные преимущества реверсивного метода с индикаторами. Система использует два измерительных блока с лазером, детектором в каждом из них. Метод используется для отображения показаний несоосности в реальном времени, он постоянно обновляет показания при изменении положения машины.
Оборудование последнего поколения имеет разрешение 0.001 мм со встроенным фильтром для компенсации движения воздуха, вибраций машины.
Гибкость системы очень удобна, она позволяет применять метод для грубых измерений, для конусных валов, для центровки карданных валов или вентиляторов градирен.
| Рис 20. Система с двумя лазерами
|
Заключение
Как видно, существует гораздо больше возможностей для центровки валов, чем просто поверочная линейка и чёткий глаз. Цель - уменьшить возможные нагрузки, которые могут влиять на плавность работы оборудования, к тому же увеличить ресурс, обезопасить использование.
