Mätning av axelutgång med beröringsfria rörelsesensorer

Användningsmeddelande LA05-0022

Copyright © 2013 Lion Precision. www.lionprecision.com

Sammanfattning:

Axelutgång är en vanlig mätning, särskilt för tillståndsövervakning. Kapacitiva sensorer och virvelströmsgivare är användbara lösningar för beröringsfri mätning med tydliga för- och nackdelar.

Fundamentaliteter

Enligt ASME/ANSI B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers (metoder för utvärdering av prestanda för datorstyrda bearbetningscentra) är ”runout” den totala indikatoravläsningen (TIR) av ett instrument som mäter mot en rörlig yta. Detta är vanligtvis en roterande rörelse och mäts för en hel rotation. Detta innebär att runoutvärdet är en kombination av flera typer av felrörelser, formfel och formfaktorer:

• Axelns form
• Axelns rakhet
• Centreringsfel i axelns placering i förhållande till rotationsaxeln (excentricitet), och
• Fel i själva rotationsaxeln, som i sig är en produkt av flera faktorer:
  • Drivlagerprestanda
  • Maskinstruktur
  • Drivlinjering (lutning)
• Fel i mätinstrumentet (indikator eller sensor)

Men även om det finns tekniker för att förädla en mätning av axelns utspringning till endast en eller ett fåtal av dessa komponenter, så är syftet med denna tillämpningsanvisning att mäta det totala utspringet med alla de faktorer som bidrar till detta (med undantag för sensorfel). De tekniker som beskrivs här är avsedda att minimera eller eliminera sensorns bidrag till slutresultatet. Vid korrekt tillämpning ger beröringsfri mätning av axelavvikelse med virvelströmmar och kapacitiva sensorer resultat med försumbara sensorfel.

Radial axelutslag

Radialaxelutslag är en mätning av axelytans radiella förskjutning när axeln roterar. Om man utgår från en rund axel är de faktorer som bidrar till radiell utväxling rakheten på axeln, drivningens/axelns inriktning, lagrets styvhet och ökande utväxling när lagren slits. Balans är en utflytningsfaktor som är beroende av förhållandet mellan varvtal och lagrets styvhet och slitage samt systemets totala styvhet. Radial axelutslag används i allmänhet för att indikera slitage i drivlagren.

Axial axelutslag

Axial axelutgång är ett mått på axelförskjutningen av axeln när den roterar. Denna mätning görs i axelns centrum (på rotationsaxeln). Mätningar utanför centrum kallas ”ytutslag” där ytans planhet och rätvinklighet blir bidragande faktorer till mätningen – faktorer som inte är av intresse i de flesta tillämpningar. Axial axelutslag används främst för tillståndskontroll av trycklagret.

Axelform

Enligt definitionen ovan har icke-runda former alltid ett betydande utslag. En oval eller sexkantig axel som roterar perfekt kommer fortfarande att ha betydande utflytning eftersom indikatorn reagerar på radiella förskjutningar av axelytan på grund av axelformen.

Denna tillämpningsanvisning förutsätter att den axel som mäts är rund.

Axelns rakhet

Radial utlopp påverkas av axelns rakhet. Om axeln är böjd beror utloppsmätningarna på mätningens placering längs axelns längd samt på böjningens placering och svårighetsgrad. Om en axel är fast i båda ändarna (t.ex. mellan drivenheten och en växellåda) tenderar den maximala utväxlingen att ligga nära mitten. Om axeln endast är fast i drivningsänden (t.ex. motorer som driver fläktar eller propellrar) tenderar utväxlingen att vara värre i den flytande änden av axeln.

En i övrigt rak axel kan monteras så att axelns mittlinje inte är parallell med rotationsaxeln. I det här fallet kommer utloppsmätningar att bero på var mätningen görs längs axeln.

Synkrona och asynkrona komponenter för utlopp av axeln

Vissa utloppskomponenter, t.ex. axelavrundning eller en lutning i drivenheten, kommer att upprepas vid vissa vinkelpositioner i rotationen; dessa är synkrona felrörelser. Andra komponenter i axelns utlopp, t.ex. lagerfrekvenser (utlopp på grund av att rullelementen i lagret inte är runda) är cykliska men upprepas inte vid samma vinkelpositioner och kallas asynkrona felrörelser.

Realtid/Instant

Instantvärden av radiell eller axial axelförskjutning kan mätas och registreras vid varje vinkelposition när axeln roterar. Detta ger en bild av de momentana förskjutningar som bidrar till den totala mätningen av utflytning. Detta tillvägagångssätt används för balansering eller för att hjälpa till att identifiera specifika orsaker till utväxling. Dessa typer av mätningar kräver jämförelsevis sofistikerade tekniker och verktyg som Lion Precision Spindle Error Analyzer. Den här tillämpningsanvisningen är inriktad på en enda mätning av totalt axelutslag.

Totalt axelutslag

Under många omständigheter, särskilt vid tillståndskontroll, är det enda värde som är av intresse ett enda värde som anger totalt axelutslag. Detta värde är vanligtvis ett medelvärde eller en topp av flera TIR-avläsningar under en tidsperiod och flera rotationer. När lager och andra komponenter slits kommer den totala axelavvikelsen att öka. Vid tillståndsövervakning fastställs ett tröskelvärde över vilket systemet stängs av och reparation eller ombyggnad påbörjas.

Mätning av utlopp med beröringsfria sensorer

För att mäta utlopp av axeln medan den är i drift krävs en beröringsfri sensor. De typer av sensorer som lämpar sig bäst för denna mätning är kapacitiva förskjutningssensorer och virvelströmsförskjutningssensorer (ibland kallade induktiva förskjutningssensorer).

Kapacitiv eller virvelström

Kapacitiva förskjutningssensorer ger hög precision; de fungerar lika bra med alla ledande material; de fungerar bra med axlar med liten diameter. Men de kräver en ren miljö. Eddy-current displacement sensorer fungerar i våta, smutsiga miljöer och kan monteras längre bort från axeln. Men de måste kalibreras för ett specifikt material, fungerar inte lika bra med mindre axlar (< 8 x sonddiameter) och är mer ”bullriga” när de används med magnetiska stålaxlar på grund av ”elektrisk utväxling” (se närmare detaljer nedan i avsnittet om virvelströmsöverväganden).

Montering av sonden

Dessa beröringsfria sensorer består av en sond (mäthuvud) som är ansluten via en kabel till elektronik som driver sonden och ger en utgångsspänning som är proportionell mot förändringarna i avståndet mellan sonden och axeln.

Sonden monteras på ett avstånd från axeln som ligger ungefär i mitten av dess mätområde. Detta gör det möjligt att tillåta maximala utvikningar av axeln i båda riktningarna för att hålla sig inom sondens funktionsområde.

När sonden är monterad roterar du axeln långsamt för att kontrollera området. Kontrollera att sonden inte kommer i kontakt med axeln vid dess närmaste punkt och att den håller sig inom området under hela rotationen.

Alla förändringar av avståndet mellan sonden och axeln kommer att vara en del av mätningen av axelutslaget. Därför är det viktigt att sonden är stadigt monterad för att förhindra att vibrationer eller andra externa rörelser förskjuter sonden i förhållande till axeln.

Derivering av totalt utlopp på axeln

Mätningarna av axelns utflytning från den beröringsfria sensorn spårar de momentana förskjutningarna i realtid när axeln roterar. Denna utgång måste konditioneras för att få fram en enda mätning av ”totalt utlopp”. Runoutvärdet kan vara en typ av medelvärde eller ett toppvärde. Den specifika metoden för att skapa ett totalt utkörningsvärde beror på applikationen.

Typiskt sätts ett baslinjeutkörningsvärde samt ett tröskelvärde över vilket systemet behöver operatörens uppmärksamhet. I denna typ av system för tillståndsövervakning är måttenheterna inte kritiska; oavsett enheterna är fastställandet av baslinje- och tröskelvärdena den kritiska delen av mätningen.

Genomsnittsvärden

Utgångsvärdena kan medelvärdesbildas över tiden genom att man använder någon typ av växelströmsvoltmeter. Dessa finns tillgängliga som diskreta instrument eller kan finnas tillgängliga i stödprogramvara för ett datainsamlingssystem. Det är viktigt att beakta mätarens förmåga att mäta vid axelns rotationsfrekvens.

Toppvärden

Toppar av utgångsvärden kan fångas och systemet kan rapportera skillnaden mellan de maximala och minimala topparna. Detta är en TIR-mätning (total indikatoravläsning). System som fångar dessa toppar måste återställas regelbundet för att hålla värdet aktuellt om det skulle minska. Om kapacitiva sensorer i Elite-serien används för mätning av axelns utväxling kan MM190-mätaren och signalbehandlingsmodulen fånga och visa toppvärden. MM190 har också Tracking TIR som fångar toppvärden men låter värdena avta med tiden. På så sätt hålls det visade värdet aktuellt utan att en återställning behövs, även när utloppet minskar. MM190 är inte ett alternativ för virvelströmsgivare.

Uniknande överväganden för virvelströmsmätningar (induktiva) av axelutgång

Virvelströmsgivare är kalibrerade för ett unikt material. För att bibehålla precisionen måste sensorerna användas med det specifika materialet.

Växelströmsgivare kalibreras normalt mot ett plant mål. Axeldiametern bör vara 8-10 gånger större än virvelströmssonddiametern för att ge ett tillräckligt plant mål för noggranna mätningar. Eftersom virvelströmsgivare dessutom stör varandra om de ligger för nära varandra, ger en axeldiameter av denna storlek tillräckligt avstånd mellan givarna när två givare används för att övervaka utflytning med 90° mellanrum.

Elektriskt utlopp

Magnetiska material har en egenskap som kallas elektriskt utlopp. Små lokala skillnader i de magnetiska egenskaperna i materialet påverkar interaktionen med magnetfält från virvelströmssensorer. Skillnaderna beror på lokal kemisk sammansättning, kristallstruktur och magnetiska domäner som påverkas av värmehistorik, graden av kallarbetsspänning, ytbehandlingar och exponering för magnetfält. Ju större dessa skillnader är, desto större blir den elektriska avvikelsen. När den magnetiska stålaxeln vänder sig kommer virvelströmssensorns utgång att förändras som svar på materialets elektriska utväxling, även om gapet mellan sensorn och axeln inte förändras (ingen mekanisk utväxling). Bilderna till höger jämför en kapacitiv sensor och en virvelströmssensor som mäter samma magnetiska stålaxel. Icke-järnhaltiga material som koppar och aluminium har inte detta fenomen på någon betydande nivå. Icke-magnetiskt stål, även om det är bättre än magnetiskt stål, uppvisar fortfarande ett litet elektriskt utfall.

Det elektriska utfallet är vanligen mindre än 75 µm (0,003 tum), vilket ofta bara är en bråkdel av mätområdet för en virvelströmsgivare för utfall av axeln. I vissa tillämpningar är den elektriska utväxlingen liten i jämförelse med axelns baslinjeutväxling och medför därför inte något betydande fel i den totala mätningen av axelns utväxling.

Mildring av elektrisk utväxling

Om din mätning av axelns utväxling behöver vara så exakt att den elektriska utväxlingen kommer att utgöra ett betydande fel, måste du ta itu med problemet. Det bästa sättet att eliminera elektriska fel i magnetiska axlar är att använda kapacitiva sensorer. Men tillämpningar med axelutgångssensorer finns ofta i våta och smutsiga miljöer som kräver en virvelströmsgivare. Här är några metoder för att eliminera eller minska elektrisk utflytning.

Använd en så stor sond som möjligt. Avkänningsfältet för en virvelströmsgivare för axelutslag är tre gånger större än sondens diameter. Sondens utgång är ett genomsnitt av allt inom detta fält. Om du använder en större sond kommer du att få ett genomsnitt av ett större område av axeln och dess lokaliserade magnetiska inkonsekvenser. Men se till att inte använda en sond som är för stor för axeln (se ovan).

Nomagnetisk hylsa. Det virvelströmsavkännande fältet tränger inte särskilt djupt in i materialet. En 0,5 mm (eller tjockare) aluminium- eller kopparhylsa ger ett icke-magnetiskt mål för axelavvikelsesensorn.

Slutsats

Mätning av axelavvikelse är en vanlig och användbar mätning, särskilt för tillståndskontroll. Genom att använda en enda sensor och en metod för att härleda ett enda, totalt värde för utlopp gör det möjligt att fastställa utgångsvärden för utlopp och tröskelvärden för operatörens ingripande. Kapacitiva sensorer och virvelströmssensorer ger båda utmärkta lösningar beroende på specifika egenskaper för mätning av axelutgång och applikationens miljöförhållanden.