Măsurarea rotunjimii arborelui cu senzori de deplasare fără contact

Nota de aplicație pentru senzori generali LA05-0022

Copyright © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com

Rezumat:

Rotunjirea arborelui este o măsurătoare comună, în special pentru monitorizarea stării. Senzorii capacitivi și senzorii de curenți turbionari oferă soluții utile de măsurare fără contact, cu avantaje și dezavantaje distincte.

Fundamente

Potrivit ASME/ANSI B5.54-2005 Metode de evaluare a performanțelor centrelor de prelucrare cu control numeric computerizat, „rotunjimea” este citirea indicatorului total (TIR) a unui instrument care măsoară față de o suprafață în mișcare. Aceasta este de obicei o mișcare de rotație și se măsoară pentru o rotație completă. Aceasta înseamnă că valoarea runout-ului este o combinație a mai multor tipuri de mișcări de eroare, erori de formă și factori de formă:

• forma arborelui
• dreptatea arborelui
• erori de centrare în amplasarea arborelui în raport cu axa de rotație (excentricitate) și
• erori în axa de rotație însăși, care la rândul ei este un produs al mai multor factori:
  • performanța rulmentului de acționare
  • structura mașinii
  • alinierea acționării (înclinare)
• erorile instrumentului de măsurare (indicator sau senzor)

În timp ce există tehnici pentru a rafina măsurarea rotunjimii arborelui la doar una sau câteva dintre aceste componente, scopul acestei note de aplicare este de a măsura rotunjirea totală cu toți factorii care contribuie la aceasta (cu excepția erorilor senzorului). Tehnicile descrise aici sunt menite să minimizeze sau să elimine contribuția senzorului la rezultatul final. Atunci când sunt aplicate în mod corespunzător, măsurătorile cu senzori capacitivi și cu curenți turbionari fără contact pentru măsurarea rotunjimii arborelui vor produce rezultate cu erori de senzor neglijabile.

Excitarea radială a arborelui

Excitarea radială a arborelui este o măsurătoare a deplasării radiale a suprafeței arborelui pe măsură ce acesta se rotește. Presupunând un arbore rotund, factorii care contribuie la rotunjirea radială includ rectitudinea arborelui, alinierea transmisie/arbore, rigiditatea rulmentului și creșterea rotunjimii pe măsură ce rulmenții se uzează. Echilibrul este un factor de rotunjire care depinde de relațiile dintre viteză și rigiditatea și uzura rulmenților, precum și de rigiditatea generală a sistemului. Rulajul radial al arborelui este, în general, utilizat pentru a indica uzura rulmenților de transmisie.

Rulajul axial al arborelui

Runningul axial al arborelui este o măsurătoare a deplasării axiale a arborelui pe măsură ce acesta se rotește. Această măsurătoare este efectuată în centrul arborelui (pe axa de rotație). Măsurătorile descentrate se numesc „rotunjire frontală”, în care planeitatea și planeitatea suprafeței devin factori care contribuie la măsurare – factori care nu sunt de interes în majoritatea aplicațiilor. Rotunjirea axială a arborelui este utilizată în principal pentru monitorizarea stării rulmentului axial.

Forma arborelui

Potrivit definiției de mai sus, formele nerotunde au întotdeauna o rotunjire semnificativă. Un arbore oval sau hexagonal care se rotește perfect va avea totuși o rotunjime semnificativă, deoarece indicatorul răspunde la deplasările radiale ale suprafeței arborelui datorate formei arborelui.

Această notă de aplicare presupune că arborele care se măsoară este rotund.

Dreptatea arborelui

Rotunjirea radială este afectată de rectitudinea arborelui. Dacă arborele este curbat, măsurătorile de rotunjire vor depinde de locația măsurătorii pe lungimea arborelui și de locația și severitatea curburii. Dacă un arbore este fixat la ambele capete (de exemplu, între unitatea de acționare și o cutie de viteze), rotunjirea maximă va tinde să fie aproape de centru. Dacă arborele este fixat numai la capătul de acționare (de exemplu, motoarele care acționează ventilatoare sau elice), rotunjirea va tinde să fie mai gravă la capătul flotant al arborelui.

Un arbore altfel drept poate fi montat astfel încât linia mediană a arborelui să nu fie paralelă cu axa de rotație. În acest caz, măsurătorile de rotunjire vor depinde de locul în care este efectuată măsurarea de-a lungul arborelui.

Componente de rotunjire a arborelui sincrone și asincrone

Câteva componente de rotunjire, cum ar fi o rotunjire excesivă a arborelui sau o înclinare a transmisiei, se vor repeta în anumite locații unghiulare ale rotației; acestea sunt mișcări de eroare sincrone. Alte componente de rotunjire a arborelui, cum ar fi frecvența rulmenților (rotunjirea datorată rotunjimii ieșite din comun a elementelor rulante din rulment) sunt ciclice, dar nu se repetă în aceleași locații unghiulare și se numesc mișcări de eroare asincrone.

Deplasări în timp real/instantanee

Valorile instantanee ale deplasării radiale sau axiale a arborelui pot fi măsurate și înregistrate la fiecare locație unghiulară pe măsură ce arborele se rotește. Acest lucru oferă o imagine a deplasărilor instantanee care contribuie la măsurarea rotunjimii totale. Această abordare este utilizată pentru operațiunile de echilibrare sau pentru a ajuta la identificarea cauzelor specifice de rotunjire. Aceste tipuri de măsurători necesită tehnici și instrumente relativ sofisticate, cum ar fi analizatorul de erori ale axului Lion Precision. Această notă de aplicație se concentrează asupra unei singure măsurători a rotunjimii totale a arborelui.

Rotunjirea totală a arborelui

În multe circumstanțe, în special monitorizarea stării, singura valoare de interes este o singură valoare care indică rotunjirea totală a arborelui. Acest număr este, de obicei, o medie sau un vârf al mai multor citiri TIR pe o perioadă de timp și mai multe rotații. Pe măsură ce rulmenții și alte componente se uzează, rotunjirea totală a arborelui va crește. În cadrul monitorizării stării, se stabilește o valoare de prag peste care se oprește sistemul și se începe repararea sau reconstrucția.

Măsurători de rotunjire cu senzori fără contact

Măsurarea rotunjimii arborelui în timpul funcționării necesită un senzor fără contact. Tipurile de senzori cei mai potriviți pentru această măsurare sunt senzorii de deplasare capacitivi și senzorii de deplasare cu curenți turbionari (uneori numiți senzori de deplasare inductivi).

Senzorii de deplasare capacitivi sau curenți turbionari

Senzorii de deplasare capacitivi oferă o precizie ridicată; funcționează la fel de bine cu toate materialele conductoare; funcționează bine cu arbori de diametru mic. Dar au nevoie de un mediu curat. Senzorii de deplasare cu curenți turbionari funcționează în medii umede și murdare și pot fi montați mai departe de arbore. Dar trebuie să fie calibrați pentru un anumit material, nu funcționează la fel de bine cu arbori mai mici (< 8 X Diametrul sondei) și sunt mai „zgomotoși” atunci când sunt utilizați cu arbori din oțel magnetic din cauza „scurgerii electrice” (a se vedea detaliile de mai jos în secțiunea Considerații privind curenții turbionari).

Montarea sondei

Acești senzori fără contact constau dintr-o sondă (cap de măsurare) care este conectată printr-un cablu la un sistem electronic care acționează sonda și furnizează o tensiune de ieșire proporțională cu modificările distanței dintre sondă și arbore.

Sonda este montată la o distanță față de arbore aproximativ la centrul domeniului său de măsurare. Acest lucru permite excursii maxime ale arborelui în ambele direcții pentru a rămâne în intervalul funcțional al sondei.

După ce sonda este montată, rotiți arborele încet pentru a verifica intervalul. Asigurați-vă că sonda nu va intra în contact cu arborele în cel mai apropiat punct al său și că rămâne în raza de acțiune pe toată durata rotației.

Cu orice modificare a distanței dintre sondă și arbore va face parte din măsurarea deplasării arborelui. Prin urmare, este important ca sonda să fie montată rigid pentru a preveni ca vibrațiile sau alte mișcări externe să deplaseze sonda în raport cu arborele.

Derivarea Runout-ului total al arborelui

Măsurătorile runout-ului arborelui de la senzorul fără contact urmăresc deplasările instantanee în timp real, pe măsură ce arborele se rotește. Această ieșire trebuie să fie condiționată pentru a obține o singură măsurătoare a „runout-ului total”. Valoarea runout-ului poate fi un tip de valoare medie sau o valoare de vârf. Metoda specifică de creare a unei valori de runout total va depinde de aplicație.

Tipic, se stabilește o valoare de bază a runout-ului, precum și un prag peste care sistemul necesită atenția operatorului. În acest tip de sistem de monitorizare a stării, unitățile de măsură nu sunt critice; oricare ar fi unitățile, stabilirea valorilor de bază și a pragului reprezintă elementul critic al măsurătorii.

Valori medii

Valorile de ieșire pot fi mediate în timp prin utilizarea unui anumit tip de voltmetru de curent alternativ. Acestea sunt disponibile ca instrumente discrete sau pot fi disponibile în software-ul de asistență pentru un sistem de achiziție de date. Este important să se ia în considerare capacitatea contorului de a măsura la frecvența de rotație a arborelui.

Valorile de vârf

Peicurile valorilor de ieșire pot fi captate, iar sistemul poate raporta diferența dintre vârfurile maxime și minime. Aceasta este o măsurătoare TIR (citire indicatoare totală). Sistemele care captează aceste vârfuri trebuie să fie resetate periodic pentru a menține valoarea curentă în cazul în care aceasta scade. În cazul în care se utilizează senzori capacitivi din seria Elite pentru măsurarea rotunjimii arborelui, modulul de măsurare și prelucrare a semnalelor MM190 poate capta și afișa valorile de vârf. MM190 dispune, de asemenea, de TIR de urmărire care captează valorile de vârf, dar permite ca valorile să scadă în timp; în acest fel, valoarea afișată este menținută la zi fără a fi necesară o resetare, chiar și atunci când rotunjirea scade. MM190 nu este o opțiune pentru senzorii de curenți turbionari.

Considerații specifice pentru măsurătorile curenților turbionari (inductive) ale Runout-ului arborelui

Senzorii de curenți turbionari sunt calibrați pentru un material unic. Pentru a menține precizia, senzorii trebuie să fie utilizați cu acel material specific.

Senzorii cu curenți turbionari sunt în mod normal calibrați pentru o țintă plană. Diametrul arborelui trebuie să fie de 8-10 ori mai mare decât diametrul sondei cu curenți turbionari pentru a oferi o țintă suficient de plană pentru măsurători precise. De asemenea, deoarece senzorii cu curenți turbionari vor interfera unul cu celălalt dacă sunt prea apropiați, un diametru al arborelui de această mărime asigură o distanță suficientă între sonde atunci când două sonde sunt utilizate pentru a monitoriza rotunjirea la o distanță de 90°.

Electrical Runout

Materialele magnetice au o proprietate numită electrical runout. Micile diferențe localizate în proprietățile magnetice din cadrul materialului afectează interacțiunea cu câmpurile magnetice ale senzorilor cu curenți turbionari. Diferențele rezultă din compoziția chimică locală, structura cristalină și domeniile magnetice care sunt afectate de istoricul termic, de gradul de solicitare a lucrului la rece, de tratamentele de suprafață și de expunerea la câmpuri magnetice. Cu cât aceste diferențe sunt mai mari, cu atât mai mare este deviația electrică. Pe măsură ce arborele magnetic din oțel se rotește, semnalul de ieșire al senzorului de curenți turbionari se va modifica ca răspuns la deplasarea electrică a materialului, chiar dacă distanța dintre senzor și arbore nu se modifică (fără deplasare mecanică). Imaginile din dreapta compară un senzor capacitiv și un senzor de curenți turbionari care măsoară același arbore de oțel magnetic. Materialele neferoase, cum ar fi cuprul și aluminiul, nu prezintă acest fenomen la niciun nivel semnificativ. Oțelul nemagnetic, deși este mai bun decât oțelul magnetic, prezintă totuși o mică rotunjire electrică.

Rotunjirea electrică este de obicei mai mică de 75 µm (0,003 inci), ceea ce reprezintă adesea doar o fracțiune din domeniul de măsurare al senzorului de rulare a arborelui cu curenți turbionari. În unele aplicații, rugozitatea electrică este mică în comparație cu rugozitatea de bază a arborelui și, prin urmare, nu introduce nicio eroare semnificativă în măsurarea rugozității totale a arborelui.

Mitigarea rugozității electrice

Dacă măsurarea rugozității arborelui dumneavoastră trebuie să fie atât de precisă încât rugozitatea electrică va reprezenta o eroare semnificativă, va trebui să abordați problema. Cel mai bun mod de a elimina erorile de rotunjire electrică în cazul arborilor magnetici este de a utiliza senzori capacitivi. Dar aplicațiile senzorilor de rulare a arborelui sunt adesea în medii umede și murdare care necesită un senzor de curenți turbionari. Iată câteva metode de eliminare sau de reducere a deplasării electrice.

Utilizați cea mai mare sondă posibilă. Câmpul de detecție al unui senzor de ruliu al arborelui cu curenți turbionari este de trei ori mai mare decât diametrul sondei. Ieșirea sondei este o medie a tot ceea ce se află în acel câmp. Utilizând o sondă mai mare, se va calcula media unei zone mai mari a arborelui și a neconcordanțelor magnetice localizate ale acestuia. Dar asigurați-vă că nu utilizați o sondă prea mare pentru arbore (a se vedea mai sus).

Mâneci nemagnetice. Câmpul de detectare a curenților turbionari nu pătrunde foarte adânc în material. Un manșon de aluminiu sau cupru de 0,5 mm (sau mai gros) va oferi o țintă nemagnetică pentru senzorul de rotunjire a arborelui.

Concluzie

Măsurarea rotunjimii arborelui este o măsurătoare comună și utilă, în special pentru monitorizarea stării. Utilizarea unui singur senzor și a unei metode de obținere a unei singure valori totale a rotunjimii vă permite să stabiliți cifrele de bază ale rotunjimii și pragurile pentru intervenția operatorului. Atât senzorii capacitivi, cât și senzorii cu curenți turbionari oferă soluții excelente, în funcție de specificul măsurării runout-ului arborelui și de condițiile de mediu ale aplicației.

.