General Sensing Application Note LA05-0022
Copyright © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com
Samenvatting:
Shaft runout is een veel voorkomende meting met name voor conditiebewaking. Capacitieve en wervelstroomsensoren bieden nuttige contactloze meetoplossingen met duidelijke voor- en nadelen.
Fundamentals
Runout is de verplaatsing van het oppervlak van een roterend voorwerp. Niet-ronde assen hebben per definitie een aanzienlijke uitloop.
Volgens ASME/ANSI B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers is “uitloop” de totale aflezing van een indicator (TIR) van een instrument dat tegen een bewegend oppervlak meet. Dit is gewoonlijk een roterende beweging en wordt gemeten voor een volledige omwenteling. Dit betekent dat de runout-waarde een combinatie is van verschillende soorten foutbewegingen, vormfouten en vormfactoren:
- vorm van de as
- rechtheid van de as
- centreringsfouten in de plaats van de as ten opzichte van de rotatie-as (excentriciteit), en
- fouten in de rotatie-as zelf, die zelf een product is van verschillende factoren:
- lagerprestaties van de aandrijving
- machineconstructie
- uitlijning van de aandrijving (kanteling)
- fouten van het meetinstrument (indicator of sensor)
Terwijl er technieken bestaan om een asuitloopmeting te verfijnen tot slechts een of enkele van deze componenten, is het doel van deze toepassingsnota de totale uitloop te meten met al zijn bijdragende factoren (behalve sensorfouten). De hier beschreven technieken zijn bedoeld om de bijdrage van de sensor aan het eindresultaat te minimaliseren of te elimineren. Bij een juiste toepassing zullen contactloze wervelstroom- en capacitieve sensormetingen van asverloop resultaten opleveren met verwaarloosbare sensorfouten.
Radiale asverloop
Radiale uitloop staat loodrecht op de rotatieas.
Radiale asverloop is een meting van de radiale verplaatsing van het asoppervlak tijdens het draaien van de as. Uitgaande van een ronde as zijn de factoren die bijdragen aan de radiale uitloop onder meer de rechtheid van de as, de uitlijning van de aandrijving/as, de stijfheid van de lagers en de toenemende uitloop naarmate de lagers slijten. Balans is een uitloopfactor die afhankelijk is van de verhoudingen tussen snelheid en lagerstijfheid en -slijtage, en de totale systeemstijfheid. Radiale asverloop wordt over het algemeen gebruikt om slijtage in de aandrijflagers aan te geven.
Axiale asverloop
Axiale uitloop wordt gemeten in het midden van de rotatie om te voorkomen dat fouten in de vlakheid of haaksheid van het aseinde van invloed zijn op de meting.
Axiale asverloop is een meting van de axiale verplaatsing van de as terwijl deze draait. Deze meting wordt verricht in het midden van de as (op de rotatieas). Metingen buiten het midden worden “face runout” genoemd, waarbij de vlakheid en haaksheid van het oppervlak een rol gaan spelen in de meting – factoren die in de meeste toepassingen niet van belang zijn. Axiale asverloop wordt hoofdzakelijk gebruikt voor conditiebewaking van het druklager.
Schachtvorm
Volgens de bovenstaande definitie hebben niet-ronde vormen altijd een aanzienlijke verloop. Een ovale of zeshoekige as die perfect ronddraait zal nog steeds een aanzienlijke speling hebben omdat de indicator reageert op radiale verplaatsingen van het asoppervlak als gevolg van de asvorm.
In deze toepassingsnotitie wordt ervan uitgegaan dat de as die wordt gemeten rond is.
Schachtrechtheid
Schachtrechtheid beïnvloedt de runout-meting.
Radiale runout wordt beïnvloed door de rechtheid van de as. Als de as gebogen is, zijn de runout-metingen afhankelijk van de plaats van de meting over de lengte van de as en van de plaats en de ernst van de kromming. Als een as aan beide uiteinden is bevestigd (bv. tussen de aandrijving en een versnellingsbak) zal de maximale speling zich meestal in de buurt van het midden bevinden. Als de as alleen aan de aandrijfzijde is bevestigd (b.v. bij motoren die ventilatoren of propellers aandrijven), zal de speling aan de drijvende zijde van de as meestal groter zijn.
Een verder rechte as kan zodanig zijn gemonteerd dat de hartlijn van de as niet evenwijdig is met de rotatie-as. In dit geval zullen de runout-metingen afhangen van de plaats waar de meting langs de as wordt uitgevoerd.
Synchrone en asynchrone asloopcomponenten
Sommige runout-componenten, zoals een onrondheid van de as of een kanteling in de aandrijving, zullen zich bij bepaalde hoeklocaties van de rotatie herhalen; dit zijn synchrone foutbewegingen. Andere as-uitloopcomponenten zoals lagerfrequenties (uitloop door onrondheid van wentellichamen in het lager) zijn cyclisch maar herhalen zich niet op dezelfde hoeklocaties en worden asynchrone foutbewegingen genoemd.
Real-Time/Instantaneous
Real-Time verplaatsingen van de roterende as kunnen helpen specifieke problemen te identificeren, maar is een meer gecompliceerde meting.
Instantane waarden van radiale of axiale asverplaatsingen kunnen worden gemeten en geregistreerd op elke hoeklocatie terwijl de as roteert. Dit geeft een beeld van de momentane verplaatsingen die bijdragen aan de totale uitloopmeting. Deze aanpak wordt gebruikt voor uitbalanceringsoperaties of om specifieke oorzaken van uitloop te helpen opsporen. Voor dit soort metingen zijn relatief geavanceerde technieken en gereedschappen nodig, zoals Lion Precision’s Spindle Error Analyzer. Deze toepassingsnotitie is gericht op een enkele meting van de totale asuitloop.
Totale asuitloop
In veel omstandigheden, vooral bij conditiebewaking, is de enige waarde van belang een enkele waarde die de totale asuitloop aangeeft. Dit getal is meestal een gemiddelde of piek van meerdere TIR-metingen over een bepaalde periode en meerdere rotaties. Naarmate lagers en andere componenten slijten, zal de totale asverloop toenemen. Bij conditiebewaking wordt een drempelwaarde ingesteld waarboven het systeem wordt uitgeschakeld en met reparatie of revisie wordt begonnen.
Afloopmetingen met contactloze sensoren
Om de asuitloop tijdens bedrijf te meten is een contactloze sensor nodig. De meest geschikte sensoren voor deze meting zijn capacitieve verplaatsingssensoren en wervelstroom-verplaatsingssensoren (soms inductieve verplaatsingssensoren genoemd).
Capacitieve of Wervelstroom
Capacitieve verplaatsingssensoren bieden een hoge precisie; ze werken even goed met alle geleidende materialen; ze werken goed met assen met een kleine diameter. Maar zij vereisen een schone omgeving. Wervelstroom-verplaatsingssensoren werken in natte, vuile omgevingen en kunnen verder van de as worden gemonteerd. Maar zij moeten aan een specifiek materiaal worden gekalibreerd, werken niet zo goed met kleinere assen (< 8 X Sondediameter), en zijn meer “lawaaierig” wanneer gebruikt met magnetische staalassen wegens “elektrische uitloop” (zie details hieronder in de Wervelstroom Overwegingen sectie).
Het monteren van de sonde
Deze contactloze sensoren bestaan uit een sonde (meetkop) die via een kabel is verbonden met elektronica die de sonde aandrijft en een uitgangsspanning levert die evenredig is met de veranderingen in afstand tussen sonde en as.
De sonde wordt gemonteerd op een afstand van de as ongeveer in het midden van zijn meetbereik. Dit maakt maximale verplaatsingen van de as in beide richtingen mogelijk om binnen het functionele bereik van de sonde te blijven.
Nadat de sonde is gemonteerd, draait u de as langzaam rond om het bereik te controleren. Wees er zeker van dat de taster de as niet raakt op het dichtstbijzijnde punt en dat hij binnen het bereik blijft gedurende de gehele rotatie.
Als de afstand tussen de taster en de as verandert, wordt dat meegenomen in de uitloopmeting van de as. Daarom is het belangrijk dat de taster stijf wordt gemonteerd om te voorkomen dat trillingen of andere externe bewegingen de taster ten opzichte van de as verplaatsen.
Ontdekken van de totale asuitloop
De “Totale uitloop” kan worden gemeten met TIR (piek-tot-piek) opnames van het uitloopsignaal.
De asuitloopmetingen van de contactloze sensor volgen de momentane verplaatsingen in real-time terwijl de as roteert. Deze output moet worden geconditioneerd om een enkele “totale uitloop” meting af te leiden. De uitloopwaarde kan een soort gemiddelde waarde of een piekwaarde zijn. De specifieke methode om een totale uitloopwaarde te verkrijgen hangt af van de toepassing
Typisch wordt een uitgangswaarde voor de uitloopwaarde ingesteld, alsmede een drempelwaarde waarboven het systeem aandacht van de operator nodig heeft. In dit type conditiebewakingssysteem zijn de meeteenheden niet kritisch; wat de eenheden ook zijn, het vaststellen van de basislijn- en drempelwaarden is het kritische deel van de meting.
Gemiddelde waarden
De veranderende “totale uitloop” kan worden gemeten met de Tracking TIR optie van de MM190 module.
De uitgangswaarden kunnen worden gemiddeld over de tijd door gebruik te maken van een soort AC voltmeter. Deze zijn verkrijgbaar als discrete instrumenten of kunnen beschikbaar zijn in ondersteunende software voor een data-acquisitiesysteem. Het is belangrijk te overwegen of de meter kan meten bij de rotatiefrequentie van de as.
iekwaarden
Pieken van uitgangswaarden kunnen worden vastgelegd en het systeem kan het verschil tussen de maximum- en minimumpieken rapporteren. Dit is een TIR-meting (total indicator reading). Systemen die deze pieken vastleggen moeten periodiek worden gereset om de waarde actueel te houden mocht deze dalen. Indien de capacitieve sensoren van de Elite serie worden gebruikt voor het meten van de asuitloop, kan de MM190 meter en signaalverwerkingsmodule de piekwaarden vastleggen en weergeven. De MM190 heeft ook een Tracking TIR die de piekwaarden registreert maar de waarden met de tijd laat afnemen; op deze wijze wordt de weergegeven waarde actueel gehouden zonder dat een reset noodzakelijk is, zelfs wanneer de uitloop is afgenomen. De MM190 is geen optie voor wervelstroommeters.
Unieke overwegingen voor wervelstroommetingen (inductief) van asuitloop
Wervelstroommeters zijn gekalibreerd voor een uniek materiaal. Om de nauwkeurigheid te handhaven, moeten de sensoren met dat specifieke materiaal worden gebruikt.
Eddy-Current sensoren worden normaliter gekalibreerd op een vlak doel. De diameter van de as moet 8-10 maal groter zijn dan de diameter van de wervelstroomsonde om een voldoende vlak doel te verkrijgen voor nauwkeurige metingen. Omdat wervelstroommeters elkaar beïnvloeden als ze te dicht op elkaar zitten, biedt een asdiameter van deze grootte voldoende tussenruimte tussen de sondes als twee sondes worden gebruikt om de uitloop onder een hoek van 90° te meten.
Elektrische uitloop
Edy-current-sensoren lezen “elektrische uitloop”-fouten van magnetische stalen materialen; capacitieve sensoren doen dat niet.
Magnetische materialen hebben een eigenschap die elektrische uitloop wordt genoemd. Kleine gelokaliseerde verschillen in magnetische eigenschappen binnen het materiaal beïnvloeden de interactie met de magnetische velden van de wervelstroomsensor. De verschillen zijn het gevolg van de plaatselijke chemische samenstelling, kristalstructuur en magnetische domeinen, die worden beïnvloed door het warmteverloop, de mate van koudwerkspanning, oppervlaktebehandelingen en blootstelling aan magnetische velden. Hoe groter deze verschillen, hoe groter de elektrische uitloop. Als de magnetische stalen as draait, zal de output van de wervelstroomsensor veranderen als reactie op de elektrische uitloop van het materiaal, zelfs als de spleet tussen de sensor en de as niet verandert (geen mechanische uitloop). De afbeeldingen rechts vergelijken een capacitieve sensor en een wervelstroomsensor die dezelfde magnetische stalen as meten. Bij non-ferromaterialen zoals koper en aluminium doet dit verschijnsel zich niet noemenswaardig voor. Niet-magnetisch staal, hoewel beter dan magnetisch staal, vertoont nog steeds een kleine elektrische uitloop.
De elektrische uitloop is gewoonlijk minder dan 75 µm (0,003 inch), wat vaak slechts een fractie is van het meetbereik van de wervelstroom-sensor voor de asuitloop. In sommige toepassingen is de elektrische uitloop klein in vergelijking met de basisuitloop van de as en introduceert daarom geen significante fout in de totale asuitloopmeting.
Mitigeren van elektrische uitloop
Als uw asuitloopmeting zo nauwkeurig moet zijn dat elektrische uitloop een significante fout zal zijn, zult u het probleem moeten aanpakken. De beste manier om elektrische uitloopfouten in magnetische assen te elimineren is het gebruik van capacitieve sensoren. Maar toepassingen met asverloopsensoren bevinden zich vaak in een natte en vuile omgeving, zodat een wervelstroommeter nodig is. Hier volgen enkele methoden om elektrische uitloop te elimineren of te verminderen.
Gebruik een zo groot mogelijke sonde. Het detectieveld van een wervelstroom as-uitloopsensor is drie keer zo groot als de diameter van de sonde. De sonde-uitgang is een gemiddelde van alles binnen dat veld. Met een grotere sonde wordt het gemiddelde genomen van een groter gebied van de as en zijn plaatselijke magnetische inconsistenties. Maar zorg ervoor dat u geen sonde gebruikt die te groot is voor de as (zie boven).
Niet-magnetische huls. Het wervelstroom-meetveld dringt niet erg diep in het materiaal door. Een 0,5 mm (of dikker) aluminium of koperen huls zorgt voor een niet-magnetisch doel voor de as-uitloopsensor.
Conclusie
Het meten van de asuitloop is een veel voorkomende en nuttige meting, vooral voor conditiebewaking. Door gebruik te maken van een enkele sensor en een methode om een enkele, totale uitloopwaarde af te leiden, kunt u uitgangswaarden voor de uitloop vaststellen en drempelwaarden voor ingrijpen door de operator. Capacitieve en wervelstroommeters bieden beide uitstekende oplossingen, afhankelijk van de specifieke kenmerken van de asverloopmeting en de omgevingsomstandigheden van de toepassing.