Misurazione dell’oscillazione dell’albero con sensori di spostamento senza contatto

Runout è lo spostamento della superficie di un oggetto in rotazione. Gli alberi non rotondi avranno un runout significativo per definizione.

Il runout radiale è perpendicolare all’asse di rotazione. Supponendo un albero rotondo, i fattori che contribuiscono al runout radiale includono la rettilineità dell’albero, l’allineamento della trasmissione/albero, la rigidità del cuscinetto e l’aumento del runout con l’usura dei cuscinetti. L’equilibrio è un fattore di runout che dipende dalle relazioni tra la velocità, la rigidità e l’usura dei cuscinetti e la rigidità generale del sistema. Il runout radiale dell’albero è generalmente usato per indicare l’usura dei cuscinetti dell’azionamento.

Routing assiale dell’albero

Il runout assiale dell’albero è una misura dello spostamento assiale dell’albero mentre ruota. Questa misura è presa al centro dell’albero (sull’asse di rotazione). Le misurazioni fuori centro sono chiamate “face runout” in cui la planarità e l’ortogonalità della superficie diventano fattori che contribuiscono alla misurazione – fattori che non sono di interesse nella maggior parte delle applicazioni. La runout assiale dell’albero è usata principalmente per il monitoraggio delle condizioni del cuscinetto reggispinta.

Forma dell’albero

In base alla definizione di cui sopra, le forme non rotonde hanno sempre una runout significativa. Un albero ovale o esagonale che ruota perfettamente avrà ancora un runout significativo poiché l’indicatore risponde agli spostamenti radiali della superficie dell’albero dovuti alla forma dell’albero.

Questa nota applicativa presuppone che l’albero da misurare sia rotondo.

Rettilineità dell’albero

Il runout radiale è influenzato dalla linearità dell’albero. Se l’albero è piegato, le misure di runout dipenderanno dalla posizione della misura lungo la lunghezza dell’albero e dalla posizione e gravità della piegatura. Se un albero è fissato ad entrambe le estremità (per esempio tra l’azionamento e un riduttore) il runout massimo tenderà ad essere vicino al centro. Se l’albero è fissato solo all’estremità della trasmissione (per esempio motori che azionano ventilatori o eliche) il runout tenderà ad essere peggiore all’estremità flottante dell’albero.

Un albero altrimenti diritto può essere montato in modo che la linea centrale dell’albero non sia parallela all’asse di rotazione. In questo caso, le misure di runout dipenderanno dal punto in cui la misura viene presa lungo l’albero.

Componenti di runout dell’albero sincrono e asincrono

Alcuni componenti di runout come la rotondità dell’albero o un’inclinazione nell’azionamento si ripetono in certe posizioni angolari della rotazione; questi sono movimenti di errore sincroni. Altri componenti di oscillazione dell’albero, come le frequenze dei cuscinetti (oscillazione dovuta all’ovalizzazione dei corpi volventi nel cuscinetto) sono ciclici ma non si ripetono nelle stesse posizioni angolari e sono chiamati movimenti di errore asincroni.

Tempo reale/Instantaneo

I valori istantanei dello spostamento radiale o assiale dell’albero possono essere misurati e registrati in ogni posizione angolare mentre l’albero ruota. Questo fornisce un’immagine degli spostamenti istantanei che contribuiscono alla misura di runout totale. Questo approccio è usato per operazioni di bilanciamento o per aiutare a identificare cause specifiche di runout. Questi tipi di misurazioni richiedono tecniche e strumenti relativamente sofisticati come lo Spindle Error Analyzer della Lion Precision. Questa nota di applicazione si concentra su una singola misurazione del runout totale dell’albero.

Total Shaft Runout

In molte circostanze, specialmente nel monitoraggio delle condizioni, l’unico valore di interesse è un singolo valore che indica il runout totale dell’albero. Questo numero è di solito una media o un picco di più letture TIR in un periodo di tempo e in più rotazioni. Con l’usura dei cuscinetti e di altri componenti, l’oscillazione totale dell’albero aumenterà. Nel monitoraggio delle condizioni, viene impostato un valore di soglia al di sopra del quale il sistema viene spento e viene iniziata la riparazione o la ricostruzione.

Misurazioni di runout con sensori senza contatto

Misurare il runout dell’albero durante il funzionamento richiede un sensore senza contatto. I tipi di sensori più adatti a questa misurazione sono i sensori di spostamento capacitivi e i sensori di spostamento a correnti parassite (a volte chiamati sensori di spostamento induttivi).

Sensori di spostamento capacitivi o a correnti parassite

I sensori di spostamento capacitivi offrono un’alta precisione; lavorano ugualmente bene con tutti i materiali conduttori; lavorano bene con alberi di piccolo diametro. Ma richiedono un ambiente pulito. I sensori di spostamento a correnti parassite lavorano in ambienti umidi e sporchi e possono essere montati più lontano dall’albero. Ma devono essere calibrati su un materiale specifico, non funzionano bene con alberi più piccoli (< 8 X Diametro della Sonda), e sono più “rumorosi” quando vengono utilizzati con alberi in acciaio magnetico a causa del “runout elettrico” (vedere i dettagli di seguito nella sezione Considerazioni sulle correnti parassite).

Montaggio della sonda

Questi sensori senza contatto consistono in una sonda (testa di misura) che è collegata tramite un cavo all’elettronica che guida la sonda e fornisce una tensione di uscita proporzionale ai cambiamenti di distanza tra la sonda e l’albero.

La sonda è montata ad una distanza dall’albero approssimativamente al centro del suo campo di misura. Questo permette le massime escursioni dell’albero in entrambe le direzioni per rimanere all’interno del campo funzionale della sonda.

Dopo che la sonda è montata, ruotare l’albero lentamente per controllare il campo. Assicuratevi che la sonda non entri in contatto con l’albero nel suo punto più vicino e che rimanga nel campo durante l’intera rotazione.

Ogni cambiamento di distanza tra la sonda e l’albero sarà parte della misura di runout dell’albero. Pertanto, è importante che la sonda sia montata rigidamente per evitare che le vibrazioni o altri movimenti esterni spostino la sonda rispetto all’albero.

Derivazione del runout totale dell’albero

Le misure di runout dell’albero dal sensore senza contatto tracciano gli spostamenti istantanei in tempo reale mentre l’albero ruota. Questa uscita deve essere condizionata per ricavare una singola misura di “runout totale”. Il valore di runout può essere un tipo di valore medio o un valore di picco. Il metodo specifico per creare un valore di runout totale dipenderà dall’applicazione.

Tipicamente, viene impostato un valore di runout di base e una soglia oltre la quale il sistema richiede l’attenzione dell’operatore. In questo tipo di sistema di monitoraggio delle condizioni, le unità di misura non sono critiche; qualunque siano le unità, la definizione dei valori di base e di soglia è l’elemento critico della misurazione.

Valori medi

I valori di uscita possono essere mediati nel tempo utilizzando qualche tipo di voltmetro AC. Questi sono disponibili come strumenti discreti o possono essere disponibili nel software di supporto per un sistema di acquisizione dati. È importante considerare la capacità del misuratore di misurare alla frequenza di rotazione dell’albero.

Valori di picco

I picchi dei valori di uscita possono essere catturati e il sistema può riportare la differenza tra i picchi massimi e minimi. Questa è una misura TIR (lettura totale dell’indicatore). I sistemi che catturano questi picchi devono essere periodicamente resettati per mantenere il valore corrente in caso di diminuzione. Se si utilizzano i sensori capacitivi della serie Elite per la misura del runout dell’albero, il modulo MM190 Meter and Signal Processing può catturare e visualizzare i valori di picco. L’MM190 ha anche il Tracking TIR che cattura i valori di picco ma permette ai valori di decadere con il tempo; in questo modo, il valore visualizzato viene mantenuto corrente senza che sia necessario un reset, anche quando il runout è diminuito. L’MM190 non è un’opzione per i sensori a correnti parassite.

Considerazioni particolari per le misure a correnti parassite (induttive) del runout dell’albero

I sensori a correnti parassite sono calibrati per un materiale unico. Per mantenere la precisione, i sensori devono essere usati con quel materiale specifico.

I sensori a correnti parassite sono normalmente calibrati su un target piatto. Il diametro dell’albero dovrebbe essere 8-10 volte più grande del diametro della sonda a correnti parassite per fornire un bersaglio sufficientemente piatto per misure accurate. Inoltre, poiché i sensori a correnti parassite interferiscono l’uno con l’altro se troppo vicini, un diametro dell’albero di queste dimensioni fornisce una distanza sufficiente tra le sonde quando due sonde sono usate per monitorare il runout a 90° l’una dall’altra.

Electrical Runout

I materiali magnetici hanno una proprietà chiamata runout elettrico. Piccole differenze localizzate nelle proprietà magnetiche all’interno del materiale influenzano l’interazione con i campi magnetici dei sensori a correnti parassite. Le differenze derivano dalla composizione chimica locale, dalla struttura cristallina e dai domini magnetici che sono influenzati dalla storia del calore, dal grado di stress da lavoro a freddo, dai trattamenti superficiali e dall’esposizione ai campi magnetici. Maggiori sono queste differenze, maggiore è il runout elettrico. Quando l’albero d’acciaio magnetico gira, l’uscita del sensore a correnti parassite cambierà in risposta al runout elettrico del materiale anche se la distanza tra il sensore e l’albero non cambia (nessun runout meccanico). Le immagini a destra confrontano un sensore capacitivo e un sensore a correnti parassite che misurano lo stesso albero magnetico in acciaio. I materiali non ferrosi come il rame e l’alluminio non hanno questo fenomeno a nessun livello significativo. L’acciaio non magnetico, pur essendo migliore dell’acciaio magnetico, presenta ancora un piccolo runout elettrico.

Il runout elettrico è di solito inferiore a 75 µm (0,003 pollici) che è spesso solo una frazione del campo di misura del sensore di runout dell’albero a correnti parassite. In alcune applicazioni, il runout elettrico è piccolo in confronto al runout di base dell’albero e quindi non introduce alcun errore significativo nella misura totale del runout dell’albero.

Mitigare il runout elettrico

Se la vostra misura del runout dell’albero deve essere così precisa che il runout elettrico sarà un errore significativo, dovrete affrontare il problema. Il modo migliore per eliminare gli errori di runout elettrico negli alberi magnetici è quello di utilizzare sensori capacitivi. Ma le applicazioni del sensore di runout dell’albero sono spesso in ambienti umidi e sporchi che richiedono un sensore a correnti parassite. Ecco alcuni metodi per eliminare o ridurre il runout elettrico.

Utilizzare la sonda più grande possibile. Il campo di rilevamento di un sensore a correnti parassite è tre volte più grande del diametro della sonda. L’uscita della sonda è una media di tutto ciò che si trova in quel campo. Usando una sonda più grande si ottiene la media di un’area più grande dell’albero e delle sue incoerenze magnetiche localizzate. Ma assicuratevi di non usare una sonda troppo grande per l’albero (vedi sopra).

Manicotto non magnetico. Il campo di rilevamento a correnti parassite non penetra molto profondamente nel materiale. Un manicotto di alluminio o rame di 0,5 mm (o più spesso) fornirà un bersaglio non magnetico per il sensore di runout dell’albero.

Conclusione

Misurare il runout dell’albero è una misura comune e utile, specialmente per il monitoraggio delle condizioni. L’uso di un singolo sensore e di un metodo per ricavare un singolo valore di runout totale permette di impostare i numeri di runout di base e le soglie per l’intervento dell’operatore. I sensori capacitivi e a correnti parassite forniscono entrambi soluzioni eccellenti, a seconda delle specifiche di misurazione del runout dell’albero e delle condizioni ambientali dell’applicazione.