Medição da excentricidade do eixo com sensores de deslocamento sem contato

Aplicação geral do sensor Nota LA05-0022

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Sumário:

Excentricidade do eixo é uma medida comum, especialmente para monitoramento da condição. Sensores capacitivos e de corrente parasita fornecem soluções de medição úteis sem contato com vantagens e desvantagens distintas.

Fundamentals

Runout é o deslocamento da superfície de um objeto em rotação. Eixos não redondos terão um deslocamento significativo por definição.

De acordo com a ASME/ANSI B5.54-2005 Métodos para Avaliação de Desempenho de Centros de Usinagem Controlados Numericamente por Computador, “runout” é a leitura do indicador total (TIR) de um instrumento medindo contra uma superfície em movimento. Este é normalmente um movimento rotativo e é medido para uma rotação completa. Isto significa que o valor de runout é uma combinação de vários tipos de movimentos de erro, erros de forma e fatores de forma:

• forma do eixo
• estreiteza do eixo
• erros de centragem na localização do eixo em relação ao eixo de rotação (excentricidade), e
• erros no próprio eixo de rotação que é produto de vários fatores:
  • desempenho do rolamento do acionamento
  • estrutura da máquina
  • alinhamento do acionamento (inclinação)
• erros de medição do instrumento (indicador ou sensor)

Enquanto existem técnicas para refinar uma medida de excentricidade do eixo para apenas um ou alguns destes componentes, o objetivo desta Nota de Aplicação é medir a excentricidade total com todos os seus fatores contribuintes (exceto erros de sensor). As técnicas aqui descritas destinam-se a minimizar ou eliminar a contribuição do sensor para o resultado final. Quando corretamente aplicadas, as medições de corrente de Foucault sem contato e sensor capacitivo de excentricidade do eixo produzirão resultados com erros negligenciáveis do sensor.

Excesso radial do eixo

Excesso radial é perpendicular ao eixo de rotação.

Excesso radial do eixo é uma medida do deslocamento radial da superfície do eixo à medida que o eixo gira. Assumindo um eixo redondo, os fatores que contribuem para o deslocamento radial incluem retidão do eixo, alinhamento do acionamento/eixo, rigidez dos rolamentos e aumento do deslocamento à medida que os rolamentos se desgastam. O equilíbrio é um fator de excentricidade que depende das relações entre velocidade e rigidez e desgaste dos rolamentos, e a rigidez geral do sistema. A excentricidade radial do eixo é geralmente usada para indicar o desgaste nos rolamentos do acionamento.

Excesso axial do eixo

Excesso axial é medido no centro de rotação para evitar que erros de planicidade/quadramento da extremidade do eixo afetem a medição.

O escorrimento axial do eixo é uma medida do deslocamento axial do eixo à medida que este gira. Esta medição é feita no centro do eixo (no eixo rotativo). As medições fora do centro são chamadas de “run-out facial”, nas quais a planicidade e a esquadria da superfície se tornam fatores que contribuem para a medição – fatores que não são de interesse na maioria das aplicações. A excentricidade axial do eixo é usada principalmente para monitoramento da condição do rolamento axial.

Forma do eixo

Pela definição acima, formas não redondas sempre têm excentricidade significativa. Um eixo oval ou hexagonal que está girando perfeitamente ainda terá um excentricidade significativa, pois o indicador responde a deslocamentos radiais da superfície do eixo devido à forma do eixo.

Esta Nota de Aplicação assume que o eixo que está sendo medido é redondo.

Retidão do eixo

p>Retidão do eixo afeta a medida do run-out.

O run-out radial é afetado pela retidão do eixo. Se o eixo estiver dobrado, as medições do run-out dependerão da localização da medição ao longo do comprimento do eixo e da localização e gravidade da curvatura. Se um eixo for fixado em ambas as extremidades (por exemplo, entre o acionamento e uma caixa de engrenagens) o run-out máximo tenderá a ser próximo ao centro. Se o eixo estiver fixado somente na extremidade do acionamento (por exemplo, motores que acionam ventiladores ou hélices) o run-out tenderá a ser pior na extremidade flutuante do eixo.

Um eixo reto pode ser montado de tal forma que a linha central do eixo não esteja paralela ao eixo de rotação. Neste caso, as medidas de run-out dependerão de onde a medida é feita ao longo do eixo.

Componentes do run-out síncrono e assíncrono do eixo

alguns componentes do run-out, tais como a excentricidade do eixo ou uma inclinação no accionamento, repetir-se-ão em determinados locais angulares da rotação; estes são movimentos de erro síncronos. Outros componentes de excentricidade do eixo, tais como frequências de rolamentos (excentricidade devido à excentricidade dos elementos rolantes no rolamento) são cíclicos, mas não se repetem nos mesmos locais angulares e são chamados movimentos de erro assíncronos.

Tempo real/Instantâneo

Deslocamentos em tempo real do eixo rotativo podem ajudar a identificar problemas específicos mas é uma medição mais complicada.

Valores instantâneos do deslocamento radial ou axial do eixo podem ser medidos e registados em cada local angular à medida que o eixo roda. Isto fornece uma imagem dos deslocamentos instantâneos que contribuem para a medição do deslocamento total do eixo. Esta abordagem é utilizada para operações de balanceamento ou para ajudar a identificar causas específicas de excentricidade. Estes tipos de medições requerem técnicas e ferramentas comparativamente sofisticadas como o Lion’s Spindle Precision Error Analyzer. Esta Nota de Aplicação é focada em uma única medição do runout total do eixo.

Total Runout do eixo

Em muitas circunstâncias, especialmente no monitoramento das condições, o único valor de preocupação é um único valor indicando o runout total do eixo. Este número é normalmente uma média ou pico de múltiplas leituras TIR durante um período de tempo e múltiplas rotações. À medida que os rolamentos e outros componentes se desgastam, a excentricidade total do eixo irá aumentar. No monitoramento de condições, um valor limite é definido acima do qual o sistema é desligado e o reparo ou reconstrução é iniciado.

Medições de excentricidade com sensores sem contato

Medir a excentricidade do eixo enquanto em operação requer um sensor sem contato. Os tipos de sensores mais adequados para esta medição são sensores de deslocamento capacitivo e sensores de deslocamento por corrente parasita (às vezes chamados de sensores de deslocamento indutivo).

Capacidade ou Corrente parasita

Sensores de deslocamento capacitivo oferecem alta precisão; eles trabalham igualmente bem com todos os materiais condutores; eles trabalham bem com eixos de pequeno diâmetro. Mas requerem um ambiente limpo. Os sensores de deslocamento por correntes parasitas trabalham em ambientes úmidos e sujos e podem ser montados mais longe do eixo. Mas devem ser calibrados para um material específico, não funcionam tão bem com eixos menores (< 8 X Diâmetro da Sonda), e são mais “ruidosos” quando usados com eixos de aço magnético por causa do “escorrimento elétrico” (veja detalhes abaixo na seção Considerações sobre Correntes de Foucault).

Montagem da sonda

Estes sensores sem contato consistem em uma sonda (cabeça de medição) que é conectada através de um cabo à eletrônica que aciona a sonda e fornece uma tensão de saída proporcional às mudanças na distância entre a sonda e o eixo.

A sonda é montada a uma distância do eixo aproximadamente no centro de sua faixa de medição. Isto permite que a excursão máxima do eixo em ambos os sentidos fique dentro da faixa funcional da sonda.

Após a sonda ser montada, gire o eixo lentamente para verificar a faixa. Certifique-se que a sonda não entrará em contato com o eixo em seu ponto mais próximo e que permanecerá em alcance durante toda a rotação.

Uma mudança de distância entre a sonda e o eixo fará parte da medição do esgotamento do eixo. Portanto, é importante que a sonda seja montada rigidamente para evitar que vibrações ou outros movimentos externos desloquem a sonda em relação ao eixo.

Deriving Total Shaft Runout

“Total Runout” pode ser medido com capturas TIR (pico a pico) do sinal de runout.

As medições do runout do eixo a partir do sensor sem contato rastreiam os deslocamentos instantâneos em tempo real, à medida que o eixo gira. Esta saída deve ser condicionada para se obter uma única medida de “excentricidade total”. O valor de excentricidade pode ser um tipo de valor médio ou um valor de pico. O método específico para criar um valor de runout total dependerá da aplicação.

Tipicamente, um valor de runout básico é definido, bem como um limiar acima do qual o sistema precisa da atenção do operador. Neste tipo de sistema de monitoramento de condições, as unidades de medida não são críticas; quaisquer que sejam as unidades, o estabelecimento de valores de linha de base e limiares é a peça crítica da medida.

Valores médios

p>A “elimitação total” pode ser medida com a opção Tracking TIR do Módulo MM190.

Os valores de saída podem ser medidos em média ao longo do tempo usando algum tipo de voltímetro AC. Estes estão disponíveis como instrumentos discretos ou podem estar disponíveis em software de suporte para um sistema de aquisição de dados. É importante considerar a capacidade do medidor para medir na freqüência de rotação do eixo.

Valores de pico

Picos de valores de saída podem ser capturados e o sistema pode relatar a diferença entre os picos máximo e mínimo. Esta é uma medida TIR (leitura do indicador total). Os sistemas que capturam estes picos têm de ser reiniciados periodicamente para manter o valor corrente caso este diminua. Se utilizar sensores capacitivos da Série Elite para a medição da excentricidade do eixo, o módulo MM190 Meter e Processamento de Sinal pode capturar e exibir os valores de pico. O MM190 também possui o Tracking TIR que captura os valores de pico mas permite que os valores se decomponham com o tempo; desta forma, o valor exibido é mantido corrente sem que seja necessário um reset, mesmo quando o runout é diminuído. O MM190 não é uma opção para sensores de corrente de Foucault

Considerações únicas para Medições de Corrente de Foucault (Indutiva) de Escoamento de Eixo

Os sensores de corrente de Foucault são calibrados para um material único. Para manter a precisão, os sensores devem ser usados com aquele material específico.

Eddy-Current sensores são normalmente calibrados para um alvo plano. O diâmetro do eixo deve ser 8-10 vezes maior do que o diâmetro da sonda de corrente de Foucault para fornecer um alvo suficientemente plano para medições precisas. Além disso, como os sensores de corrente de Foucault interferem entre si se estiverem muito próximos um do outro, um diâmetro de eixo deste tamanho fornece espaçamento suficiente entre as sondas quando duas sondas são usadas para monitorar o runout a 90° de distância.

Excurso elétrico

Magnetic materials have a property called electrical runout. Pequenas diferenças localizadas nas propriedades magnéticas dentro do material afetam a interação com os campos magnéticos dos sensores de corrente de Foucault. As diferenças resultam da composição química local, estrutura cristalina e domínios magnéticos que são afectados pelo histórico de calor, grau de tensão de trabalho a frio, tratamentos de superfície e exposição a campos magnéticos. Quanto maiores forem estas diferenças, maior será o esgotamento eléctrico. À medida que o eixo magnético de aço gira, a saída do sensor de corrente parasita mudará em resposta à excentricidade eléctrica do material, mesmo que o intervalo entre o sensor e o eixo não se altere (sem excentricidade mecânica). As imagens à direita comparam um sensor capacitivo e um sensor de corrente de Foucault medindo o mesmo eixo de aço magnético. Materiais não ferrosos como o cobre e o alumínio não têm este fenômeno em nenhum nível significativo. O aço não magnético, embora melhor que o aço magnético, ainda apresenta uma pequena excentricidade eléctrica.

A excentricidade eléctrica é normalmente inferior a 75 µm (0,003 polegadas), que é frequentemente apenas uma fracção da gama de medição do sensor de excentricidade do eixo de corrente de Foucault. Em algumas aplicações, a excentricidade elétrica é pequena em comparação com a excentricidade básica do eixo e, portanto, não introduz nenhum erro significativo na medição da excentricidade total do eixo.

Mitigar a excentricidade elétrica

Se a medição da excentricidade do eixo precisar ser tão precisa que a excentricidade elétrica seja um erro significativo, você terá que resolver o problema. A melhor maneira de eliminar erros de excentricidade elétrica em eixos magnéticos é usar sensores capacitivos. Mas as aplicações de sensores de excentricidade do eixo são frequentemente em ambientes úmidos e sujos que requerem um sensor de corrente de Foucault. Aqui estão alguns métodos para eliminar ou reduzir o escorrimento elétrico.

Utilizar a maior sonda possível. O campo de detecção de um sensor de excentricidade de corrente parasita é três vezes maior que o diâmetro da sonda. A saída da sonda é uma média de tudo dentro desse campo. Utilizando uma sonda maior, a média será uma área maior do eixo e suas inconsistências magnéticas localizadas. Mas não utilize uma sonda demasiado grande para o eixo (ver acima).

Non-magnetic sleeve. O campo de detecção de corrente parasita não penetra muito profundamente no material. Uma manga de alumínio ou cobre de 0,5 mm (ou mais grossa) fornecerá um alvo não magnético para o sensor de excentricidade do eixo.

Conclusão

Medir a excentricidade do eixo é uma medida comum e útil, especialmente para a monitorização da condição. Usando um único sensor e um método para derivar um único valor de excentricidade total permite que você defina números de excentricidade de linha de base e limiares para intervenção do operador. Os sensores capacitivos e de corrente de Foucault proporcionam excelentes soluções dependendo das especificidades de medição do runout do eixo e da condição ambiental da aplicação.