Měření hloubky hřídele pomocí bezkontaktních snímačů posunutí

Aplikační poznámka k obecným snímačům LA05-0022

Copyright © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com

Shrnutí:

Hloubka hřídele je běžným měřením zejména pro monitorování stavu. Kapacitní snímače a snímače vířivých proudů poskytují užitečná řešení bezkontaktního měření s výraznými výhodami a nevýhodami.

Základy

Podle normy ASME/ANSI B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers je „házivost“ celkový údaj indikátoru (TIR) přístroje měřícího proti pohyblivému povrchu. Obvykle se jedná o rotační pohyb a měří se pro celou otáčku. To znamená, že hodnota házivosti je kombinací několika typů chybných pohybů, tvarových chyb a tvarových faktorů:

• tvar hřídele
• přímost hřídele
• centrické chyby v poloze hřídele vzhledem k ose otáčení (excentricita) a
• chyby v samotné ose otáčení, která je sama o sobě součinem několika faktorů:
  • výkon ložisek pohonu
  • konstrukce stroje
  • uspořádání pohonu (náklon)
• chyby měřicího přístroje (indikátoru nebo snímače)

Ačkoli existují techniky pro zpřesnění měření házivosti hřídele pouze na jednu nebo několik z těchto složek, účelem této aplikační poznámky je změřit celkovou házivost se všemi jejími přispívajícími faktory (kromě chyb snímače). Techniky zde popsané mají minimalizovat nebo eliminovat příspěvek snímače ke konečnému výsledku. Při správné aplikaci bezkontaktních měření hřídelové házivosti vířivými proudy a kapacitními snímači se získají výsledky se zanedbatelnými chybami snímačů.

Radiální házivost

Radiální házivost je měření radiálního posunu povrchu hřídele při jeho otáčení. Za předpokladu kulatého hřídele patří mezi faktory přispívající k radiálnímu házení přímost hřídele, souosost pohonu/hřídele, tuhost ložisek a zvyšující se házení v důsledku opotřebení ložisek. Vyvážení je faktor házivosti, který závisí na vztazích mezi otáčkami a tuhostí a opotřebením ložisek a celkovou tuhostí systému. Radiální házivost se obecně používá k indikaci opotřebení ložisek pohonu.

Axiální házivost

Axiální házivost je měření axiálního posunu hřídele při jeho otáčení. Toto měření se provádí ve středu hřídele (na ose otáčení). Měření mimo střed se nazývá „čelní házivost“, při kterém se rovinnost a pravoúhlost povrchu stávají faktory přispívajícími k měření – faktory, které ve většině aplikací nejsou zajímavé. Axiální házivost se používá především pro sledování stavu axiálního ložiska.

Tvar hřídele

Podle výše uvedené definice mají nekulaté tvary vždy významnou házivost. Oválný nebo šestihranný hřídel, který se dokonale otáčí, bude mít stále značnou házivost, protože indikátor reaguje na radiální posuny povrchu hřídele způsobené tvarem hřídele.

Tato aplikační poznámka předpokládá, že měřený hřídel je kulatý.

Přímost hřídele

Radiální házivost je ovlivněna přímostí hřídele. Pokud je hřídel ohnutá, bude měření házivosti záviset na umístění měření po délce hřídele a na umístění a závažnosti ohybu. Pokud je hřídel na obou koncích pevný (např. mezi pohonem a převodovkou), bude maximální házivost spíše poblíž středu. Pokud je hřídel upevněn pouze na konci pohonu (např. motory pohánějící ventilátory nebo vrtule), bude mít házivost tendenci být horší na plovoucím konci hřídele.

I jinak přímý hřídel může být namontován tak, že osa hřídele není rovnoběžná s osou otáčení. V takovém případě bude měření házivosti záviset na tom, kde se měření provádí podél hřídele.

Synchronní a asynchronní složky házivosti

Některé složky házivosti, jako je například vybočení hřídele nebo náklon pohonu, se budou opakovat v určitých úhlových místech otáčení; jedná se o synchronní chybové pohyby. Jiné složky hřídele, jako jsou frekvence ložisek (házivost způsobená nezaobleností valivých těles v ložisku), jsou cyklické, ale neopakují se ve stejných úhlových místech a nazývají se asynchronní chybové pohyby.

Real-Time/Instantaneous

Instantaneous hodnoty radiálního nebo axiálního posunu hřídele lze měřit a zaznamenávat v každém úhlovém místě při otáčení hřídele. Tím získáte obraz okamžitých posunů, které přispívají k celkovému měření házivosti. Tento přístup se používá při vyvažovacích operacích nebo jako pomoc při identifikaci konkrétních příčin házivosti. Tyto typy měření vyžadují poměrně sofistikované techniky a nástroje, jako je například analyzátor chyb vřetena Lion Precision. Tato aplikační poznámka je zaměřena na jediné měření celkového házivosti.

Celková házivost

V mnoha případech, zejména při monitorování stavu, je jedinou důležitou hodnotou jediná hodnota udávající celkovou házivost. Toto číslo je obvykle průměrem nebo vrcholem několika odečtů TIR za určité časové období a několik otáček. S opotřebením ložisek a dalších součástí se celková házivost hřídele zvyšuje. Při monitorování stavu je nastavena prahová hodnota, při jejímž překročení je systém odstaven a je zahájena oprava nebo přestavba.

Měření házivosti bezkontaktními snímači

Měření házivosti za provozu vyžaduje bezkontaktní snímač. K tomuto měření se nejlépe hodí kapacitní snímače posunutí a snímače posunutí s vířivými proudy (někdy nazývané indukční snímače posunutí).

Kapacitní nebo vířivé snímače posunutí

Kapacitní snímače posunutí nabízejí vysokou přesnost; pracují stejně dobře se všemi vodivými materiály; dobře pracují s hřídeli malých průměrů. Vyžadují však čisté prostředí. Snímače posunutí s vířivým proudem pracují ve vlhkém a znečištěném prostředí a mohou být namontovány dále od hřídele. Musí však být kalibrovány na konkrétní materiál, nepracují tak dobře s menšími hřídeli (< 8 X průměr sondy) a při použití s magnetickými ocelovými hřídeli jsou „hlučnější“ kvůli „elektrickému vybíhání“ (viz podrobnosti níže v části Úvahy o vířivých proudech).

Montáž sondy

Tyto bezkontaktní snímače se skládají ze sondy (měřicí hlavice), která je kabelem připojena k elektronice, jež sondu pohání a poskytuje výstupní napětí úměrné změnám vzdálenosti mezi sondou a hřídelem.

Sonda je namontována ve vzdálenosti od hřídele přibližně ve středu svého měřicího rozsahu. To umožňuje, aby maximální výchylky hřídele v obou směrech zůstaly v rámci funkčního rozsahu sondy.

Po namontování sondy pomalu otáčejte hřídelí a zkontrolujte rozsah. Ujistěte se, že se sonda nedotýká hřídele v nejbližším bodě a že zůstává v rozsahu po celou dobu otáčení.

Jakákoli změna vzdálenosti mezi sondou a hřídelí bude součástí měření házivosti hřídele. Proto je důležité, aby byla sonda pevně namontována, aby nedocházelo k posunu sondy vůči hřídeli vlivem vibrací nebo jiných vnějších pohybů.

Zjištění celkového hřídelového házení

Měření hřídelového házení bezkontaktním snímačem sleduje okamžité posuny v reálném čase při otáčení hřídele. Tento výstup je třeba podmínit, aby bylo možné odvodit jediné měření „celkového doběhu“. Hodnota házivosti může být typu průměrné hodnoty nebo špičkové hodnoty. Konkrétní metoda vytvoření celkové hodnoty házivosti bude záviset na aplikaci.

Typicky se nastavuje základní hodnota házivosti a také prahová hodnota, při jejímž překročení systém vyžaduje pozornost operátora. V tomto typu systému monitorování stavu nejsou rozhodující jednotky měření; bez ohledu na jednotky je kritickou částí měření stanovení základní a prahové hodnoty.

Průměrné hodnoty

Výstupní hodnoty lze zprůměrovat v čase pomocí některého typu střídavého voltmetru. Ty jsou k dispozici jako diskrétní přístroje nebo mohou být k dispozici v podpůrném softwaru pro systém sběru dat. Je důležité vzít v úvahu schopnost měřiče měřit při frekvenci otáčení hřídele.

Peakové hodnoty

Výstupní hodnoty lze zachytit a systém může hlásit rozdíl mezi maximální a minimální špičkou. Jedná se o měření TIR (total indicator reading). Systémy, které zachycují tyto špičky, musí být pravidelně resetovány, aby byla zachována aktuální hodnota v případě jejího poklesu. Pokud se pro měření hřídelového házení používají kapacitní snímače řady Elite, může měřicí modul MM190 a modul zpracování signálu zachytit a zobrazit hodnoty špiček. Modul MM190 má také funkci Tracking TIR, která zachycuje špičkové hodnoty, ale umožňuje, aby hodnoty s časem klesaly; tak je zobrazená hodnota stále aktuální, aniž by bylo nutné ji resetovat, a to i při poklesu házivosti. Snímač MM190 není volitelný pro snímače vířivých proudů.

Jednotlivé úvahy pro vířivé (indukční) měření hřídelového běhu

Snímače vířivých proudů jsou kalibrovány pro jedinečný materiál. Aby byla zachována přesnost, musí se snímače používat s tímto specifickým materiálem.

Snímače vířivých proudů jsou obvykle kalibrovány na plochý terč. Průměr hřídele by měl být 8-10krát větší než průměr sondy vířivých proudů, aby byl terč dostatečně plochý pro přesná měření. Také proto, že snímače vířivých proudů se budou vzájemně rušit, pokud budou příliš blízko u sebe, poskytuje průměr hřídele této velikosti dostatečnou vzdálenost mezi sondami, pokud jsou použity dvě sondy pro sledování házivosti v úhlu 90° od sebe.

Elektrické házení

Magnetické materiály mají vlastnost zvanou elektrické házení. Malé lokalizované rozdíly v magnetických vlastnostech uvnitř materiálu ovlivňují interakci s magnetickými poli senzorů vířivých proudů. Tyto rozdíly vyplývají z lokálního chemického složení, krystalové struktury a magnetických domén, které jsou ovlivněny tepelnou historií, stupněm namáhání při práci za studena, povrchovými úpravami a působením magnetických polí. Čím větší jsou tyto rozdíly, tím větší je elektrický úbytek. Jak se magnetická ocelová hřídel otáčí, výstup snímače vířivých proudů se mění v závislosti na elektrickém házení materiálu, i když se mezera mezi snímačem a hřídelí nemění (žádné mechanické házení). Obrázky vpravo porovnávají kapacitní snímač a snímač vířivých proudů měřící stejnou magnetickou ocelovou hřídel. U neželezných materiálů, jako je měď a hliník, se tento jev neprojevuje v žádné významné míře. Nemagnetická ocel je sice lepší než magnetická ocel, ale stále vykazuje malou elektrickou házivost.

Elektrická házivost je obvykle menší než 75 µm (0,003 palce), což je často jen zlomek měřicího rozsahu snímače házivosti vířivých proudů. V některých aplikacích je elektrické házení ve srovnání se základním házením hřídele malé, a proto nevnáší do měření celkového házení hřídele žádnou významnou chybu.

Zmírnění elektrického házení

Pokud je třeba měřit házení hřídele tak přesně, že elektrické házení bude představovat významnou chybu, budete muset tento problém řešit. Nejlepším způsobem, jak eliminovat chyby elektrického házení u magnetických hřídelí, je použití kapacitních snímačů. Aplikace snímačů hřídelového házení však často probíhají ve vlhkém a znečištěném prostředí, které vyžaduje použití snímače vířivých proudů. Zde je několik metod pro eliminaci nebo snížení elektrického házení.

Používejte co největší sondu. Snímací pole vířivoproudého snímače hřídelového běhu je třikrát větší než průměr sondy. Výstup sondy je průměrem všeho, co se v tomto poli nachází. Použití větší sondy zprůměruje větší oblast hřídele a její lokalizované magnetické nesrovnalosti. Dbejte však na to, abyste nepoužili sondu příliš velkou pro hřídel (viz výše).

Nemagnetické pouzdro. Snímací pole vířivých proudů neproniká příliš hluboko do materiálu. Hliníkové nebo měděné pouzdro o tloušťce 0,5 mm (nebo silnější) poskytne nemagnetický cíl pro snímač hřídele.

Závěr

Měření hřídele je běžné a užitečné měření, zejména pro monitorování stavu. Použití jediného snímače a metody pro odvození jediné celkové hodnoty házivosti umožňuje stanovit základní hodnoty házivosti a prahové hodnoty pro zásah obsluhy. Kapacitní snímače i snímače vířivých proudů poskytují vynikající řešení v závislosti na specifikách měření hřídelového házení a podmínkách prostředí aplikace.