Pomiar bicia wału za pomocą bezkontaktowych czujników przemieszczenia

Nota aplikacyjna dotycząca czujników ogólnych LA05-0022

Copyright © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com

Podsumowanie:

Bicie wału jest powszechnym pomiarem, szczególnie w przypadku monitorowania stanu. Czujniki pojemnościowe i wiroprądowe zapewniają użyteczne bezkontaktowe rozwiązania pomiarowe z wyraźnymi zaletami i wadami.

Podstawy

Zgodnie z ASME/ANSI B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers, „bicie” to całkowity odczyt wskaźnika (TIR) przyrządu mierzącego względem ruchomej powierzchni. Zazwyczaj jest to ruch obrotowy i jest mierzone dla pełnego obrotu. Oznacza to, że wartość bicia jest kombinacją kilku rodzajów ruchów błędów, błędów kształtu i czynników kształtu:

• kształt wału
• prostoliniowość wału
• błędy centrowania w położeniu wału względem osi obrotu (mimośrodowość), oraz
• błędy w samej osi obrotu, która sama jest produktem kilku czynników:
  • wydajność łożyska napędowego
  • konstrukcja maszyny
  • zestrojenie napędu (pochylenie)
• błędy przyrządów pomiarowych (wskaźnik lub czujnik)

Pomimo, że istnieją techniki pozwalające na dopracowanie pomiaru bicia wału do tylko jednego lub kilku z tych elementów, celem tej Noty Aplikacyjnej jest pomiar całkowitego bicia ze wszystkimi jego czynnikami przyczyniającymi się (z wyjątkiem błędów czujnika). Opisane tutaj techniki mają na celu zminimalizowanie lub wyeliminowanie wpływu czujnika na wynik końcowy. Gdy są prawidłowo stosowane, bezkontaktowe pomiary bicia wału za pomocą czujników wiroprądowych i pojemnościowych dają wyniki z pomijalnymi błędami czujników.

Bieg promieniowy wału

Bieg promieniowy wału jest pomiarem promieniowego przemieszczenia powierzchni wału podczas jego obrotu. Zakładając, że wał jest okrągły, czynniki przyczyniające się do bicia promieniowego obejmują prostoliniowość wału, wyrównanie napędu/wału, sztywność łożyska i zwiększające się bicie w miarę zużywania się łożysk. Równowaga jest czynnikiem bicia zależnym od zależności pomiędzy prędkością obrotową a sztywnością i zużyciem łożyska oraz od ogólnej sztywności układu. Bicie promieniowe wału jest zwykle stosowane do wskazywania zużycia łożysk napędowych.

Bieg osiowy wału

Bicie osiowe wału jest pomiarem osiowego przemieszczenia wału podczas jego obrotu. Pomiar ten jest wykonywany na środku wału (na osi obrotu). Pomiary poza środkiem nazywane są „biciem czołowym”, w którym płaskość i prostopadłość powierzchni stają się czynnikami wpływającymi na pomiar – czynniki, które nie są interesujące w większości zastosowań. Bicie osiowe wału jest głównie wykorzystywane do monitorowania stanu łożyska oporowego.

Kształt wału

Zgodnie z powyższą definicją, kształty nieokrągłe zawsze mają znaczne bicie. Owalny lub sześciokątny wał, który obraca się idealnie, nadal będzie miał znaczne bicie, ponieważ wskaźnik reaguje na promieniowe przesunięcia powierzchni wału spowodowane jego kształtem.

Niniejsza nota aplikacyjna zakłada, że mierzony wał jest okrągły.

Prostoliniowość wału

Na bicie promieniowe ma wpływ prostoliniowość wału. Jeśli wał jest wygięty, pomiary bicia będą zależały od lokalizacji pomiaru wzdłuż długości wału oraz lokalizacji i stopnia wygięcia. Jeśli wał jest zamocowany na obu końcach (np. pomiędzy napędem a skrzynią biegów), maksymalne bicie będzie się znajdować w pobliżu środka. Jeśli wał jest zamocowany tylko po stronie napędu (np. silniki napędzające wentylatory lub śmigła), bicie będzie miało tendencję do pogorszenia się na pływającym końcu wału.

W przeciwnym razie prosty wał może być zamontowany tak, że linia środkowa wału nie jest równoległa do osi obrotu. W tym przypadku pomiary bicia będą zależały od miejsca pomiaru wzdłuż wału.

Synchroniczne i asynchroniczne składowe bicia wału

Niektóre składowe bicia, takie jak nieostrość wału lub pochylenie w napędzie, będą się powtarzać w określonych miejscach kątowych obrotu; są to synchroniczne ruchy błędu. Inne składowe bicia wału, takie jak częstotliwości łożysk (bicie spowodowane nieokrągłością elementów tocznych w łożysku) są cykliczne, ale nie powtarzają się w tych samych miejscach kątowych i są nazywane asynchronicznymi ruchami błędnymi.

Real-Time/Instantaneous

Czasowe wartości promieniowego lub osiowego przesunięcia wału mogą być mierzone i rejestrowane w każdej lokalizacji kątowej, gdy wał się obraca. Daje to obraz chwilowych przemieszczeń, które przyczyniają się do całkowitego pomiaru bicia. To podejście jest wykorzystywane do operacji wyważania lub do pomocy w identyfikacji konkretnych przyczyn bicia. Te rodzaje pomiarów wymagają stosunkowo zaawansowanych technik i narzędzi, takich jak Lion Precision Spindle Error Analyzer. Ta nota aplikacyjna koncentruje się na pojedynczym pomiarze całkowitego bicia wału.

Całkowite bicie wału

W wielu okolicznościach, zwłaszcza w monitorowaniu stanu, jedyną wartością zainteresowania jest pojedyncza wartość wskazująca całkowite bicie wału. Liczba ta jest zwykle średnią lub szczytową wartością z wielu odczytów TIR w pewnym okresie czasu i przy wielu obrotach. W miarę zużywania się łożysk i innych elementów, całkowite bicie wału będzie wzrastać. W monitorowaniu stanu ustala się wartość progową, powyżej której system jest wyłączany i rozpoczyna się naprawę lub odbudowę.

Pomiary bicia za pomocą czujników bezkontaktowych

Pomiar bicia wału podczas pracy wymaga czujnika bezkontaktowego. Typami czujników najlepiej nadającymi się do tego pomiaru są pojemnościowe czujniki przemieszczenia i wiroprądowe czujniki przemieszczenia (czasami nazywane indukcyjnymi czujnikami przemieszczenia).

Kapacytowe lub wiroprądowe

Kapacytowe czujniki przemieszczenia oferują wysoką precyzję; działają równie dobrze ze wszystkimi materiałami przewodzącymi; działają dobrze z wałami o małej średnicy. Wymagają one jednak czystego środowiska. Czujniki wiroprądowe działają w mokrym, brudnym środowisku i mogą być montowane w większej odległości od wału. Muszą być jednak kalibrowane do konkretnego materiału, nie działają tak dobrze z wałami o mniejszej średnicy (< 8 X średnica sondy) i są bardziej „hałaśliwe”, gdy są używane z magnetycznymi wałami stalowymi z powodu „bicia elektrycznego” (patrz szczegóły poniżej w sekcji „Uwagi dotyczące wiroprądów”).

Montaż sondy

Te czujniki bezdotykowe składają się z sondy (głowicy pomiarowej), która jest połączona kablem z układem elektronicznym, który napędza sondę i dostarcza napięcie wyjściowe proporcjonalne do zmian odległości pomiędzy sondą a wałem.

Sonda jest montowana w odległości od wału w przybliżeniu w środku zakresu pomiarowego. Pozwala to na maksymalne wychylenia wału w obu kierunkach, aby pozostać w zakresie funkcjonalnym sondy.

Po zamontowaniu sondy należy powoli obrócić wał, aby sprawdzić zakres. Upewnij się, że sonda nie styka się z wałem w jego najbliższym punkcie i że pozostaje w zasięgu podczas całego obrotu.

Każda zmiana odległości między sondą a wałem będzie częścią pomiaru bicia wału. Dlatego ważne jest, aby sonda była sztywno zamocowana, aby zapobiec drganiom lub innym ruchom zewnętrznym powodującym przesunięcie sondy względem wału.

Wyznaczanie całkowitego bicia wału

Pomiary bicia wału z czujnika bezkontaktowego śledzą chwilowe przemieszczenia w czasie rzeczywistym, gdy wał się obraca. Wyjście to musi być uwarunkowane, aby uzyskać pojedynczy pomiar „całkowitego bicia”. Wartość bicia może być typem wartości średniej lub wartością szczytową. Konkretna metoda tworzenia całkowitej wartości bicia zależy od zastosowania.

Typowo, ustawiana jest wartość bazowa bicia, jak również próg, powyżej którego system wymaga uwagi operatora. W tym typie systemu monitorowania stanu jednostki pomiaru nie są krytyczne; niezależnie od jednostek, ustalenie wartości bazowych i progowych jest krytycznym elementem pomiaru.

Wartości uśrednione

Wartości wyjściowe mogą być uśredniane w czasie przy użyciu pewnego typu woltomierza AC. Są one dostępne jako przyrządy dyskretne lub mogą być dostępne w oprogramowaniu pomocniczym dla systemu akwizycji danych. Ważne jest, aby rozważyć zdolność miernika do pomiaru przy częstotliwości obrotowej wału.

Wartości szczytowe

Szczytowe wartości wyjściowe mogą być uchwycone, a system może raportować różnicę pomiędzy maksymalnym i minimalnym szczytem. Jest to pomiar TIR (total indicator reading). Systemy, które wychwytują te wartości szczytowe, muszą być okresowo resetowane, aby utrzymać aktualność wartości w przypadku jej spadku. W przypadku stosowania czujników pojemnościowych serii Elite do pomiaru bicia wału, moduł miernika i przetwarzania sygnału MM190 może przechwytywać i wyświetlać wartości szczytowe. MM190 posiada również funkcję Tracking TIR, która przechwytuje wartości szczytowe, ale pozwala na zanikanie wartości w czasie; w ten sposób wyświetlana wartość jest utrzymywana jako aktualna bez konieczności resetowania, nawet gdy bicie się zmniejsza. MM190 nie jest opcją dla czujników wiroprądowych.

Unikalne rozważania dotyczące pomiarów wiroprądowych (indukcyjnych) bicia wału

Czujniki wiroprądowe są kalibrowane dla unikalnego materiału. Aby zachować precyzję, czujniki muszą być używane z tym konkretnym materiałem.

Czujniki wiroprądowe są zwykle kalibrowane na płaski cel. Średnica wału powinna być 8-10 razy większa niż średnica sondy wiroprądowej, aby zapewnić wystarczająco płaski cel dla dokładnych pomiarów. Ponadto, ponieważ czujniki wiroprądowe będą zakłócać się nawzajem, jeśli będą zbyt blisko siebie, średnica wału tej wielkości zapewnia wystarczający odstęp pomiędzy sondami, gdy dwie sondy są używane do monitorowania bicia pod kątem 90°.

Bicie elektryczne

Materiały magnetyczne mają właściwość zwaną biciem elektrycznym. Małe zlokalizowane różnice we właściwościach magnetycznych w obrębie materiału wpływają na interakcję z polami magnetycznymi czujników wiroprądowych. Różnice te wynikają z lokalnego składu chemicznego, struktury krystalicznej i domen magnetycznych, na które wpływa historia cieplna, stopień naprężenia podczas pracy na zimno, obróbka powierzchni i ekspozycja na pola magnetyczne. Im większe są te różnice, tym większe jest bicie elektryczne. Gdy stalowy wał magnetyczny obraca się, wyjście czujnika wiroprądowego zmieni się w odpowiedzi na bicie elektryczne materiału, nawet jeśli szczelina pomiędzy czujnikiem a wałem nie zmieni się (brak bicia mechanicznego). Obrazy po prawej stronie porównują czujnik pojemnościowy i czujnik wiroprądowy mierzące ten sam magnetyczny wał stalowy. Materiały nieżelazne, takie jak miedź i aluminium nie wykazują tego zjawiska na żadnym znaczącym poziomie. Stal niemagnetyczna, choć lepsza niż stal magnetyczna, nadal wykazuje niewielkie bicie elektryczne.

Bicie elektryczne jest zwykle mniejsze niż 75 µm (0,003 cala), co często stanowi tylko ułamek zakresu pomiarowego wiroprądowego czujnika bicia wału. W niektórych zastosowaniach bicie elektryczne jest niewielkie w porównaniu z biciem podstawowym wału i dlatego nie wprowadza znaczącego błędu w całkowitym pomiarze bicia wału.

Łagodzenie bicia elektrycznego

Jeśli pomiar bicia wału musi być tak precyzyjny, że bicie elektryczne będzie znaczącym błędem, należy zająć się tym problemem. Najlepszym sposobem na wyeliminowanie błędów bicia elektrycznego w wałach magnetycznych jest zastosowanie czujników pojemnościowych. Ale aplikacje czujników bicia wału są często w mokrym i brudnym środowisku, które wymaga czujnika wiroprądowego. Oto kilka metod eliminacji lub redukcji bicia elektrycznego.

Używaj możliwie największej sondy. Pole detekcji wiroprądowego czujnika bicia wału jest trzy razy większe niż średnica sondy. Wyjście sondy jest średnią wszystkiego, co znajduje się w tym polu. Użycie większej sondy spowoduje uśrednienie większego obszaru wału i jego zlokalizowanych magnetycznych niespójności. Należy jednak pamiętać, aby nie używać sondy zbyt dużej dla wału (patrz wyżej).

Nie-magnetyczna tuleja. Pole czujnika wiroprądowego nie wnika zbyt głęboko w materiał. Tuleja aluminiowa lub miedziana o grubości 0,5 mm (lub grubsza) zapewni niemagnetyczny cel dla czujnika bicia wału.

Wnioski

Pomiar bicia wału jest powszechnym i użytecznym pomiarem, szczególnie w przypadku monitorowania stanu. Użycie pojedynczego czujnika i metody uzyskiwania pojedynczej, całkowitej wartości bicia pozwala na ustalenie bazowych wartości bicia i progów dla interwencji operatora. Zarówno czujniki pojemnościowe jak i wiroprądowe zapewniają doskonałe rozwiązania w zależności od specyfiki pomiaru bicia wału i warunków środowiskowych aplikacji.