A LA05-0022 általános érzékelési alkalmazási megjegyzés
Copyright © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com
Összefoglaló:
A tengely kifutása gyakori mérés, különösen az állapotfelügyelethez. A kapacitív és az örvényáram-érzékelők hasznos, érintésmentes mérési megoldásokat kínálnak, külön előnyökkel és hátrányokkal.
Az alapok
A futás egy forgó tárgy felületének elmozdulása. A nem kerek tengelyek definíció szerint jelentős kifutást mutatnak.
Az ASME/ANSI B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers szerint a “kifutás” egy mozgó felület ellenében mérő műszer teljes indikátor leolvasása (TIR). Ez általában forgó mozgás, és egy teljes fordulaton mérik. Ez azt jelenti, hogy a kifutás értéke többféle hibamozgás, alaki hiba és alaki tényező kombinációja:
- a tengely alakja
- a tengely egyenessége
- a tengely forgástengelyhez viszonyított helyzetének központozási hibái (excentricitás), és
- magának a forgástengelynek a hibái, amely maga is több tényező eredője:
- hajtáscsapágy teljesítménye
- gépszerkezet
- hajtás igazítása (dőlés)
- mérőműszer hibái (mutató vagy érzékelő)
Míg léteznek technikák a tengely kifutásmérés finomítására csak egy vagy néhány ilyen összetevőre, ennek az alkalmazási megjegyzésnek a célja a teljes kifutás mérése az összes hozzájáruló tényezővel együtt (kivéve az érzékelő hibáit). Az itt leírt technikák célja, hogy minimalizálják vagy kiküszöböljék az érzékelő hozzájárulását a végeredményhez. Megfelelő alkalmazás esetén a tengely kifutásának érintésmentes örvényáramú és kapacitív érzékelős mérései elhanyagolható érzékelőhibával rendelkező eredményeket adnak.
A tengely radiális kifutása
A radiális kifutás a forgástengelyre merőleges.
A tengely radiális kifutása a tengely felületének radiális elmozdulásának mérése a tengely forgása során. Kerek tengelyt feltételezve a radiális kifutáshoz hozzájáruló tényezők közé tartozik a tengely egyenessége, a hajtómű/tengely igazítása, a csapágy merevsége és a csapágyak kopásával növekvő kifutás. Az egyensúly egy olyan kifutási tényező, amely a fordulatszám, a csapágyak merevsége és kopása, valamint a rendszer általános merevsége közötti összefüggésektől függ. A tengely radiális kifutását általában a hajtócsapágyak kopásának jelzésére használják.
A tengely axiális kifutása
A tengelyes kifutást a forgás középpontjában mérik, hogy a tengelyvégek lapossági/szögletességi hibái ne befolyásolják a mérést.
A tengely tengelyfutás a tengely forgás közbeni axiális elmozdulásának mérése. Ezt a mérést a tengely középpontjában (a forgástengelyen) kell elvégezni. A középponton kívüli méréseket “homlokfutásnak” nevezik, ahol a felület síkossága és derékszögűsége a méréshez hozzájáruló tényezőkké válnak – olyan tényezőkké, amelyek a legtöbb alkalmazásban nem érdekesek. Az axiális tengelyfutást elsősorban a tolócsapágy állapotának ellenőrzésére használják.
A tengely alakja
A fenti meghatározás szerint a nem kerek alakok mindig jelentős futással rendelkeznek. Egy tökéletesen forgó ovális vagy hatszögletű tengelyen is jelentős futás van, mivel a kijelző a tengely felületének a tengely alakjából adódó radiális elmozdulására reagál.
Ez az alkalmazási megjegyzés feltételezi, hogy a mérendő tengely kerek.
A tengely egyenessége
A tengely egyenessége befolyásolja a felfutásmérést.
A tengely egyenessége befolyásolja a radiális felfutást. Ha a tengely hajlított, a kifutásmérés a mérés helyétől függ a tengely hossza mentén, valamint a hajlítás helyétől és súlyosságától. Ha a tengely mindkét végén rögzítve van (pl. a meghajtó és a sebességváltó között), a legnagyobb futás általában a középpont közelében lesz. Ha a tengely csak a meghajtó végén van rögzítve (pl. ventilátorokat vagy légcsavarokat hajtó motoroknál), akkor a futás általában a tengely lebegő végénél lesz nagyobb.
Az egyébként egyenes tengelyt úgy lehet felszerelni, hogy a tengely középvonala nem párhuzamos a forgástengellyel. Ebben az esetben a kifutásmérés attól függ, hogy a mérést a tengely mentén hol végezzük.
Szinkron és aszinkron tengely kifutási komponensek
Egyes kifutási komponensek, mint például a tengely elkerekítettsége vagy a hajtás dőlése, a forgás bizonyos szöghelyzeteiben ismétlődnek; ezek szinkron hibamozgások. Más tengely kifutási komponensek, mint például a csapágyfrekvenciák (a csapágyban lévő gördülőelemek gördülékenységéből adódó kifutás) ciklikusan ismétlődnek, de nem ugyanazokon a szöghelyeken, és ezeket aszinkron hibamozgásoknak nevezzük.
Valós idejű/perces
A forgó tengely valós idejű elmozdulásai segíthetnek a konkrét problémák azonosításában, de ez egy bonyolultabb mérés.
A tengely radiális vagy axiális elmozdulásának pillanatnyi értékei a tengely forgása során minden szöghelyen mérhetők és rögzíthetők. Ez képet ad a pillanatnyi elmozdulásokról, amelyek hozzájárulnak a teljes kifutásméréshez. Ez a megközelítés kiegyensúlyozási műveletekhez vagy a kifutás konkrét okainak azonosításához használható. Az ilyen típusú mérésekhez viszonylag kifinomult technikák és eszközök szükségesek, mint például a Lion Precision Spindle Error Analyzer. Ez az alkalmazási megjegyzés a teljes tengelykimerülés egyetlen mérésére összpontosít.
Teljes tengelykimerülés
Sok esetben, különösen az állapotfigyelésnél, az egyetlen fontos érték a teljes tengelykimerülést jelző egyetlen érték. Ez a szám általában több TIR-mérés átlaga vagy csúcsértéke egy adott időszak és több fordulat során. A csapágyak és más alkatrészek kopásával a tengely teljes kifutása nő. Az állapotfelügyelet során beállítanak egy küszöbértéket, amely felett a rendszert leállítják, és megkezdik a javítást vagy a felújítást.
Kifutásmérés érintésmentes érzékelőkkel
A tengely kifutásának méréséhez működés közben érintésmentes érzékelőre van szükség. Az erre a mérésre legalkalmasabb érzékelőtípusok a kapacitív elmozdulásérzékelők és az örvényáramú elmozdulásérzékelők (néha induktív elmozdulásérzékelőknek is nevezik őket).
Kapacitív vagy örvényáramú
A kapacitív elmozdulásérzékelők nagy pontosságot biztosítanak; minden vezető anyaggal egyformán jól működnek; kis átmérőjű tengelyeknél jól működnek. De tiszta környezetet igényelnek. Az örvényáramú elmozdulásérzékelők nedves, piszkos környezetben is működnek, és a tengelytől távolabb is felszerelhetők. De egy adott anyagra kell kalibrálni őket, nem működnek olyan jól kisebb tengelyekkel (< 8 X szondaátmérő), és “zajosabbak”, ha mágneses acéltengelyekkel használják őket az “elektromos kifutás” miatt (lásd a részleteket alább az Örvényáramú szempontok szakaszban).
A szonda felszerelése
Ezek az érintésmentes érzékelők egy szondából (mérőfej) állnak, amely egy kábelen keresztül csatlakozik az elektronikához, amely meghajtja a szondát, és a szonda és a tengely közötti távolság változásával arányos kimeneti feszültséget szolgáltat.
A szondát a tengelytől körülbelül a mérési tartomány közepén lévő távolságra kell felszerelni. Ez lehetővé teszi a tengely maximális kitérését mindkét irányban, hogy a szonda működési tartományán belül maradjon.
A szonda felszerelése után a tartomány ellenőrzéséhez lassan forgassa el a tengelyt. Győződjön meg arról, hogy a szonda nem érintkezik a tengellyel a legközelebbi pontján, és hogy a teljes forgás alatt a tartományban marad.
A szonda és a tengely közötti távolság bármilyen változása a tengely kifutásmérés része lesz. Ezért fontos, hogy a szonda mereven legyen felszerelve, hogy a rezgés vagy más külső mozgások ne mozdíthassák el a szondát a tengelyhez képest.
A tengely teljes kifutásának meghatározása
A “teljes kifutás” a kifutási jel TIR (csúcs-csúcs) rögzítésével mérhető.
A tengely kifutásának mérése az érintésmentes érzékelővel valós időben követi a pillanatnyi elmozdulásokat a tengely forgása közben. Ezt a kimenetet kondicionálni kell, hogy egyetlen “teljes kifutás” mérést lehessen levezetni. A kifutási érték lehet egyfajta átlagérték vagy csúcsérték. A teljes kifutási érték létrehozásának konkrét módszere az alkalmazástól függ.
Tipikusan beállítanak egy alapszintű kifutási értéket, valamint egy küszöbértéket, amely felett a rendszer kezelői figyelmet igényel. Az ilyen típusú állapotfigyelő rendszerben a mérési egységek nem kritikusak; a mértékegységektől függetlenül az alap- és küszöbértékek meghatározása a mérés kritikus része.
Átlagos értékek
A “teljes kifutás” változása az MM190 modul TIR opciójának követésével mérhető.
A kimeneti értékek időbeli átlagolása valamilyen váltakozó áramú feszültségmérő használatával lehetséges. Ezek diszkrét műszerként állnak rendelkezésre, vagy egy adatgyűjtő rendszer támogató szoftverében állhatnak rendelkezésre. Fontos figyelembe venni, hogy a mérőeszköz képes-e a tengely forgási frekvenciáján mérni.
Peak-értékek
A kimeneti értékek csúcsai rögzíthetők, és a rendszer jelentheti a maximális és minimális csúcsok közötti különbséget. Ez egy TIR (total indicator reading) mérés. Azokat a rendszereket, amelyek ezeket a csúcsértékeket rögzítik, rendszeresen vissza kell állítani, hogy az érték aktuális maradjon, ha csökkenne. Ha az Elite sorozatú kapacitív érzékelőket használ a tengely kifutásméréshez, az MM190 mérő- és jelfeldolgozó modul képes a csúcsértékek rögzítésére és megjelenítésére. Az MM190 rendelkezik a Tracking TIR funkcióval is, amely rögzíti a csúcsértékeket, de lehetővé teszi, hogy az értékek az idő múlásával csökkenjenek; így a megjelenített érték aktuális marad anélkül, hogy visszaállításra lenne szükség, még akkor is, ha a kifutás csökken. Az MM190 nem használható örvényáramú érzékelőkhöz.
Egyedi megfontolások a tengely kifutásának örvényáramú (induktív) méréséhez
Az örvényáramú érzékelők egyedi anyagra vannak kalibrálva. A pontosság fenntartása érdekében az érzékelőket az adott anyaggal kell használni.
Az örvényáramú érzékelőket általában sík céltárgyra kalibrálják. A tengely átmérőjének 8-10-szer nagyobbnak kell lennie, mint az örvényáramú szonda átmérőjének, hogy a pontos mérésekhez kellően sík céltárgyat biztosítson. Továbbá, mivel az örvényáramú érzékelők zavarják egymást, ha túl közel vannak egymáshoz, egy ilyen méretű tengelyátmérő elegendő távolságot biztosít a szondák között, ha két szondát használnak a kifutás ellenőrzésére 90°-os eltéréssel.
Elektromos kifutás
A mágneses acélanyagokból az örvényáramú érzékelők “elektromos kifutási” hibákat olvasnak; a kapacitív érzékelők nem.
A mágneses anyagok rendelkeznek egy elektromos kifutásnak nevezett tulajdonsággal. Az anyagon belüli mágneses tulajdonságok kis lokális különbségei befolyásolják az örvényáramú érzékelő mágneses mezőivel való kölcsönhatást. A különbségek a helyi kémiai összetételből, kristályszerkezetből és mágneses tartományokból adódnak, amelyeket befolyásol a hőtörténet, a hidegen megmunkált feszültség mértéke, a felületi kezelések és a mágneses mezőknek való kitettség. Minél nagyobbak ezek a különbségek, annál nagyobb az elektromos kifutás. Ahogy a mágneses acéltengely forog, az örvényáramú érzékelő kimenete akkor is változik az anyag elektromos kifutásának hatására, ha az érzékelő és a tengely közötti rés nem változik (nincs mechanikai kifutás). A jobb oldali képek egy kapacitív érzékelőt és egy örvényáramú érzékelőt hasonlítanak össze, amelyek ugyanazt a mágneses acéltengelyt mérik. Az olyan nemvas anyagoknál, mint a réz és az alumínium, ez a jelenség semmilyen jelentős szinten nem jelentkezik. A nem mágneses acél, bár jobb, mint a mágneses acél, még mindig mutat egy kis elektromos kifutást.
Az elektromos kifutás általában kevesebb, mint 75 µm (0,003 hüvelyk), ami gyakran csak töredéke az örvényáramú tengely kifutásérzékelő mérési tartományának. Egyes alkalmazásokban az elektromos kifutás kicsi a tengely alapfutásához képest, és ezért nem okoz jelentős hibát a teljes tengelyfutás mérésénél.
Az elektromos kifutás csökkentése
Ha a tengelyfutás mérésének olyan pontosnak kell lennie, hogy az elektromos kifutás jelentős hibát okoz, akkor foglalkoznia kell a problémával. A mágneses tengelyeknél az elektromos kifutási hibák kiküszöbölésének legjobb módja a kapacitív érzékelők használata. A tengely kifutásérzékelő alkalmazások azonban gyakran nedves és piszkos környezetben vannak, ami örvényáramú érzékelőt igényel. Íme néhány módszer az elektromos kifutás kiküszöbölésére vagy csökkentésére.
A lehető legnagyobb szondát használja. Az örvényáramú tengely kifutásérzékelő érzékelési mezeje háromszor nagyobb, mint a szonda átmérője. A szonda kimenete mindennek az átlaga, ami ebben a mezőben van. Nagyobb szonda használata a tengely nagyobb területének és a helyi mágneses ellentmondásoknak az átlagát adja. De ügyeljen arra, hogy ne használjon a tengelyhez képest túl nagy szondát (lásd fentebb).
Nem mágneses hüvely. Az örvényáramú érzékelőmező nem hatol be nagyon mélyen az anyagba. Egy 0,5 mm-es (vagy vastagabb) alumínium- vagy rézhüvely nem mágneses célpontot biztosít a tengely kifutásérzékelő számára.
Következtetés
A tengely kifutásának mérése gyakori és hasznos mérés, különösen az állapotfigyeléshez. Egyetlen érzékelő és egy módszer használata egyetlen, teljes kifutási érték levezetésére lehetővé teszi a kifutási alapszámok és a kezelői beavatkozásra vonatkozó küszöbértékek meghatározását. A kapacitív és az örvényáramú érzékelők egyaránt kiváló megoldást nyújtanak a tengely kifutásmérés sajátosságaitól és az alkalmazás környezeti feltételeitől függően.