基于激光對(duì)中儀直線(xiàn)度功能測(cè)量氣缸與十字頭滑道同軸度的方法研究

董云濱海工英派爾工程有限公司，山東青島 266061

基于激光對(duì)中儀直線(xiàn)度功能測(cè)量氣缸與十字頭滑道同軸度的方法研究

董云濱
海工英派爾工程有限公司，山東青島 266061

氣缸與十字頭滑道同軸度是往復(fù)式壓縮機(jī)安裝過(guò)程中重要的控制指標(biāo)。傳統(tǒng)的拉鋼絲找正法十分繁瑣，限制條件較多，測(cè)量精度不易控制。激光對(duì)中儀雖然沒(méi)有測(cè)量同軸度的功能，但可利用其測(cè)量直線(xiàn)度的功能，成功測(cè)量滑道與氣缸同軸度。通過(guò)分析直線(xiàn)度測(cè)量方法，推導(dǎo)出氣缸與滑道同軸度測(cè)量原理，并以某大型改造項(xiàng)目2臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī)組為例，具體說(shuō)明了滑道與氣缸同軸度測(cè)量的操作步驟，包括：調(diào)整對(duì)中儀激光束、數(shù)據(jù)測(cè)量及計(jì)算、在CAD上畫(huà)同軸度偏差示意圖及“量出”同軸度數(shù)值。采用該方法在7臺(tái)機(jī)組共計(jì)18個(gè)氣缸中成功應(yīng)用，測(cè)量氣缸與滑道同軸度累計(jì)用時(shí)約70 h，比傳統(tǒng)拉鋼絲找正法工作效率提高5倍多，取得了良好的效果，經(jīng)濟(jì)效益明顯，且經(jīng)過(guò)3年的運(yùn)行考核，壓縮機(jī)組運(yùn)行正常。

激光對(duì)中儀；往復(fù)式壓縮機(jī)；滑道與氣缸；直線(xiàn)度；同軸度

氣缸與十字頭滑道同軸度是往復(fù)式壓縮機(jī)安裝過(guò)程中重要的控制指標(biāo)，如果不能保證汽缸與滑道同軸則很難保證活塞桿的跳動(dòng)量，跳動(dòng)量加大，引起壓縮機(jī)振動(dòng)大，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致活塞桿斷裂。安裝過(guò)程中應(yīng)以十字頭滑道中心線(xiàn)為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整氣缸，使二者中心線(xiàn)處于同一直線(xiàn)上。過(guò)去一直采用“拉鋼絲找正法”，這種方法操作難度較大，測(cè)量精度和測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較差，人為因素引起的測(cè)量誤差難以估計(jì)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)工，不適合于現(xiàn)場(chǎng)操作［1-2］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的電子儀器在工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，激光對(duì)中儀多用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸對(duì)中，一般不能應(yīng)用于同軸度測(cè)量［3］。

利用激光對(duì)中儀測(cè)量直線(xiàn)度的功能，通過(guò)測(cè)量和手工計(jì)算，成功開(kāi)發(fā)出測(cè)量同軸度的功能，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

1　構(gòu)思原理

1.1基本理論

1.1.1激光對(duì)中儀測(cè)量直線(xiàn)度原理

激光對(duì)中儀有兩個(gè)量測(cè)單元（TD-S和TD-M），測(cè)量直線(xiàn)度時(shí)分別利用磁力座吸在被測(cè)物軸向不同位置。TD-S作激光發(fā)射器，固定在被測(cè)物一端；TD-M作探測(cè)器，接收TD-S發(fā)射的激光并顯示坐標(biāo)數(shù)值。

測(cè)量過(guò)程如圖1所示，沿被測(cè)導(dǎo)軌移動(dòng)TD-M，若每個(gè)點(diǎn)TD-M接收的光強(qiáng)信號(hào)相等，則表示導(dǎo)軌直線(xiàn)度好，否則表示存在誤差。激光光束發(fā)生的任何相對(duì)偏移，表明直線(xiàn)度偏差的狀況，顯示單元內(nèi)的程序根據(jù)這個(gè)相對(duì)移動(dòng)量邏輯計(jì)算出直線(xiàn)度偏差的數(shù)值及所需的調(diào)整值［4］。激光對(duì)中儀可直接顯示出各個(gè)點(diǎn)的直線(xiàn)度坐標(biāo)圖和數(shù)值，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，不受人為干擾。

圖1　激光對(duì)中儀測(cè)量直線(xiàn)度功能

需要注意的是：TD-M接收激光，顯示的坐標(biāo)數(shù)值是Y坐標(biāo)。激光對(duì)中儀在使用任何功能時(shí)都不顯示X坐標(biāo)數(shù)值，而且激光對(duì)中儀TD-M在X方向輕微偏一點(diǎn)，對(duì)Y坐標(biāo)數(shù)值幾乎沒(méi)有影響。

1.1.2氣缸中心線(xiàn)相對(duì)激光距離的計(jì)算方法

如圖2所示，把TD-M分別固定在氣缸某一個(gè)截面的最下部和最上部，分別測(cè)出激光到氣缸下部的距離L1和到上部的距離L2，則可以計(jì)算出氣缸中心線(xiàn)在該截面處與激光的距離S。

若數(shù)值為正，表示汽缸中心線(xiàn)在激光發(fā)射器的上面；數(shù)值為負(fù)，表示汽缸中心線(xiàn)在激光發(fā)射器的下面。

圖2　　測(cè)量氣缸中心線(xiàn)與激光的距離示意

如圖3所示，假設(shè)TD-M窗口坐標(biāo)原點(diǎn)距離磁力座底面的高度是A，TD-M窗口接收激光的坐標(biāo)數(shù)據(jù)：氣缸下部是Y1、氣缸上部是Y2，則L1=A-Y1，L2=A-Y2，代入式（1）可得：

S=［（A-Y2）-（A-Y1）］/2=（Y1-Y2）/2（2）

圖3　　激光和氣缸中心線(xiàn)距離計(jì)算示意

1.2氣缸與滑道同軸度測(cè)量原理

1.2.1測(cè)量原理

如圖4所示，在滑道和氣缸前后端各選取兩個(gè)截面，分別測(cè)出滑道中心線(xiàn)和激光的距離S1、S2，氣缸中心線(xiàn)和激光的距離S3、S4［5］。因?yàn)榧す馐枪餐幕鶞?zhǔn)，利用CAD軟件，根據(jù)S1、S2畫(huà)出滑道的中心線(xiàn)，根據(jù)S3、S4畫(huà)出氣缸的中心線(xiàn)，可以輕易“量出”滑道與氣缸中心線(xiàn)的徑向偏差和角度偏差。

1.2.2垂直方向同軸度測(cè)量

按上述方法測(cè)量和計(jì)算。

1.2.3水平方向同軸度測(cè)量

圖4　　測(cè)量滑道與氣缸同軸度示意

因?yàn)榛啦皇且粋€(gè)整圓，分上下兩部分，所以水平方向無(wú)法直接測(cè)量，可借助已測(cè)的垂直方向同軸度數(shù)值和投影坐標(biāo)系計(jì)算出水平坐標(biāo)值［6］。如圖5所示，假設(shè)在偏角h的方向測(cè)量，根據(jù)已測(cè)的垂直方向測(cè)量數(shù)據(jù)，在CAD軟件上利用投影坐標(biāo)系可以畫(huà)出滑道、氣缸中心線(xiàn)相對(duì)激光的真實(shí)空間方位，再“量出”水平坐標(biāo)值即可。

圖5　　水平方向同軸度測(cè)量示意

繪圖步驟：

（1）激光設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)。畫(huà)出氣缸中心線(xiàn)垂直方向位置點(diǎn)A和中心線(xiàn)偏角h方向位置點(diǎn)B。

（2）分別通過(guò)A、B點(diǎn)做垂直線(xiàn)，兩條垂直線(xiàn)交于D點(diǎn)（D點(diǎn)即為該截面氣缸中心線(xiàn)相對(duì)激光的真實(shí)空間位置點(diǎn)）。

（3）通過(guò)D點(diǎn)做水平方向坐標(biāo)的垂直線(xiàn)，交于E點(diǎn)，E點(diǎn)即為氣缸中心線(xiàn)水平方向投影的位置點(diǎn)，就是氣缸中心線(xiàn)水平方向和激光的距離。因而水平方向同軸度也可以測(cè)出。

需要注意的是：在測(cè)量直線(xiàn)度模式下，TD-M吸附在圓弧面上不同位置時(shí)可以顯示該位置的角度，精確度達(dá)0.1°，所以實(shí)踐中偏角h可以精確定位。

2　實(shí)際應(yīng)用

本方法在某大型改造項(xiàng)目7臺(tái)對(duì)稱(chēng)平衡式往復(fù)壓縮機(jī)組滑道與氣缸的同軸度測(cè)量中成功應(yīng)用?，F(xiàn)以60萬(wàn)t/a催化汽油選擇性加氫脫硫裝置的2臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī)組為例（該壓縮機(jī)滑道公稱(chēng)內(nèi)徑400 mm，氣缸公稱(chēng)內(nèi)徑440 mm），具體說(shuō)明滑道與氣缸同軸度測(cè)量的操作步驟。

2.1調(diào)整對(duì)中儀激光

調(diào)整激光的目的是盡量使激光與滑道和氣缸的中心線(xiàn)接近，否則，激光會(huì)偏出TD-M的接收窗口。

（1）首先調(diào)整激光發(fā)射器TD-S發(fā)射點(diǎn)的高度，把TD-S吸附在滑道的內(nèi)端固定點(diǎn)，TD-M吸附在滑道的界面1處，調(diào)整TD-S和TD-M中心高度約200 mm。

（2）調(diào)整TD-S激光使其打在TD-M接收器窗口中央，記錄坐標(biāo)數(shù)值；把TD-S在滑道上后移，再一次記錄坐標(biāo)數(shù)值；調(diào)整TD-S激光在垂直方向的發(fā)射方向，反復(fù)以上操作兩三次使前后兩次坐標(biāo)數(shù)值盡量相同，目的是使激光與滑道盡量平行。

（3）TD-M分別吸附在滑道下部和上部，記錄坐標(biāo)數(shù)值。激光與滑道中心線(xiàn)的距離S=（L2-L1）/2，調(diào)整TD-S磁力座架，使TD-S上移或下移S，目的是使激光與滑道中心線(xiàn)盡量同軸。

（4）在氣缸遠(yuǎn)端處激光與氣缸中心線(xiàn)偏離較大。在界面3處調(diào)整TD-M窗口坐標(biāo)原點(diǎn)距離磁力座底面高度220 mm，吸附在氣缸下部。由于TD-M窗口朝里，看不到激光打在TD-M接收鏡面的具體位置，可借助鏡子反射光線(xiàn)觀察。調(diào)整TD-S激光射向，使激光打在TD-M窗口中央；然后吸附在氣缸上部測(cè)量，激光與氣缸中心線(xiàn)的距離為S=（L2-L1）/2。調(diào)整：微調(diào)TD-S激光發(fā)射方向，使變化該計(jì)算距離。目的是使激光與氣缸中心線(xiàn)盡量同軸，保證激光打在TD-M窗口內(nèi)。

需要注意的是：TD-M吸附在下部或上部時(shí)，需要調(diào)整該位置角度至0°或180°。激光調(diào)整結(jié)束，當(dāng)開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)榧す馐枪餐幕鶞?zhǔn)，不得做任何調(diào)整。

2.2測(cè)量數(shù)據(jù)并手工計(jì)算

如圖6所示，分別測(cè)量滑道和氣缸四個(gè)截面的激光坐標(biāo)數(shù)據(jù)，每個(gè)截面測(cè)量垂直方向上下兩個(gè)數(shù)據(jù)和垂直方向順時(shí)針夾角30°方向上下兩個(gè)數(shù)據(jù)。為避免誤差，每個(gè)截面又多測(cè)量和垂直方向逆時(shí)針夾角30°方向上下兩個(gè)數(shù)據(jù)，作為備用。

往復(fù)式壓縮機(jī)安裝時(shí)，滑道水平度在二次灌漿后不可調(diào)整，氣缸水平度可以通過(guò)氣缸支撐下面的墊鐵組調(diào)整，要求氣缸水平度和滑道水平度相同且方向一致，機(jī)身軸向水平度宜高向氣缸端部，在此基礎(chǔ)上再測(cè)量滑道和氣缸的同軸度。

圖6　　滑道與氣缸同軸度實(shí)測(cè)示意

每個(gè)截面測(cè)量6個(gè)數(shù)據(jù)（Y1～Y6），四個(gè)截面共計(jì)24個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和根據(jù)CAD軟件“畫(huà)出”的計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　滑道和氣缸截面測(cè)量數(shù)據(jù)/mm

以截面1為例，計(jì)算過(guò)程如下。

（1）滑道中心線(xiàn)垂直方向坐標(biāo)=（Y1-Y2）/2= 0.272（mm）。

正值表示截面1處，滑道中心線(xiàn)在激光的上面。

（2）Y3-Y4方向，滑道中心線(xiàn)坐標(biāo)=（Y3-Y4）/2 =0.571（mm）。

正值表示截面Y3-Y4處，滑道中心線(xiàn)在激光的上面。

（3）Y5-Y6方向，滑道中心線(xiàn)坐標(biāo)=（Y5-Y6）/2 =-0.093（mm）。

負(fù)值表示截面Y5-Y6處，滑道中心線(xiàn)在激光的下面。

（4）在CAD軟件上繪圖，得到滑道中心線(xiàn)相對(duì)激光的真實(shí)的空間位置，通過(guò)投影得到滑道中心線(xiàn)水平方向坐標(biāo)。

如圖7所示（為了觀圖方便，所有坐標(biāo)值都已乘以100），圖中Y1-Y2和Y3-Y4足以確定滑道中心線(xiàn)相對(duì)激光的真實(shí)空間位置，Y5-Y6僅起驗(yàn)證作用。三條線(xiàn)的交點(diǎn)就是“滑道中心線(xiàn)相對(duì)激光的真實(shí)位置”。

圖7　　截面1處滑道中心線(xiàn)相對(duì)激光坐標(biāo)

還有一種驗(yàn)證方法：測(cè)量結(jié)束后，在理論上應(yīng)該符合下列公式Y(jié)1+Y2=Y3+Y4=Y5+Y6，這樣不需要測(cè)量Y5和Y6，只要測(cè)量數(shù)據(jù)符合Y1+Y2=Y3+Y4，也起到驗(yàn)證作用。

2.3“量出”同軸度數(shù)值

如圖8所示，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入，在CAD上畫(huà)出示意圖，并量出同軸度偏差值，具體步驟如下：

（1）4個(gè)截面垂直方向和水平方向的中心線(xiàn)相對(duì)激光（共同基準(zhǔn)）的坐標(biāo)都已經(jīng)計(jì)算出來(lái)，分別畫(huà)在示意圖上。

（2）截面1、2坐標(biāo)點(diǎn)連接成一條直線(xiàn)并延長(zhǎng)，這是滑道的中心線(xiàn)。截面3、4坐標(biāo)點(diǎn)連接成一條直線(xiàn)并延長(zhǎng)，這是氣缸的中心線(xiàn)。

（3） 滑道和氣缸的中心線(xiàn)進(jìn)行比較和測(cè)量，“量出”氣缸相對(duì)滑道的同軸度偏差數(shù)值［7］。

氣缸與滑道同軸度偏差要求：徑向≤0.10 mm，傾斜≤0.04 mm，由圖8可知垂直方向徑向偏差稍大，軸向傾斜符合要求。隨后裝上活塞，測(cè)量活塞桿冷態(tài)水平方向和垂直方向徑向跳動(dòng)值均符合要求，表明氣缸安裝符合要求，同軸度不需進(jìn)行調(diào)整。

2.4應(yīng)用效果及前景

2.4.1應(yīng)用效果

某大型改造項(xiàng)目中的7臺(tái)對(duì)稱(chēng)平衡式往復(fù)壓縮機(jī)組采用本文所述方法測(cè)量滑道與氣缸的同軸度，取得了良好的效果。7臺(tái)機(jī)組共計(jì)18個(gè)氣缸，采用本法測(cè)量氣缸與滑道同軸度累計(jì)用時(shí)約70 h（約9個(gè)工作日），若用傳統(tǒng)拉鋼絲找正法完成上述工作約用時(shí)350 h，由此可見(jiàn)工作效率提高5倍多。總計(jì)節(jié)省35個(gè)工日，經(jīng)濟(jì)效益明顯。經(jīng)過(guò)3年的運(yùn)行考核，壓縮機(jī)組運(yùn)行正常。

圖8　　氣缸相對(duì)滑道的同軸度偏差示意

2.4.2應(yīng)用前景

往復(fù)式壓縮機(jī)由于適用壓力范圍廣，壓縮效率高，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是石油化工行業(yè)的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，其運(yùn)行狀況關(guān)系到整個(gè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。一個(gè)中型規(guī)模的煉油廠(chǎng)約有十幾臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)，按照每三年一次大修或期間的緊急維修，采用該法測(cè)量氣缸與滑道同軸度能夠提高工作效率，縮短停機(jī)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益明顯，在生產(chǎn)管理、檢維修質(zhì)量控制和成本節(jié)約方面作用巨大。

3　結(jié)論

激光對(duì)中儀測(cè)量同軸度也有采用專(zhuān)用的激光對(duì)中儀找正架，找正架可根據(jù)氣缸與滑道直徑的不同而選用長(zhǎng)度不同的支撐桿，化虛軸為實(shí)軸的測(cè)量方法［8］。采用本文所述的方法除了可以測(cè)量氣缸與滑道同軸度外，也可以利用直線(xiàn)度功能測(cè)量滑道與曲軸垂直度，其原理及過(guò)程與測(cè)量滑道和氣缸同軸度相同。

綜上所述，激光對(duì)中技術(shù)和傳統(tǒng)的拉鋼絲測(cè)量法相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）精度高。拉鋼絲法的精度是0.01 mm，而激光對(duì)中技術(shù)通常的精度是0.001 mm，精度和可靠性均大幅度提高，這樣精度要求嚴(yán)格的設(shè)備都可以應(yīng)用激光對(duì)中技術(shù)。

（2）效率高。拉鋼絲需要安靜無(wú)振動(dòng)的環(huán)境，受限制條件較多，導(dǎo)致一臺(tái)大型設(shè)備每個(gè)氣缸使用該法測(cè)量需要18～22 h。激光對(duì)中儀測(cè)量法，測(cè)量結(jié)果可以用CAD直接畫(huà)出，也可以根據(jù)測(cè)量原理推導(dǎo)出同軸度結(jié)果的計(jì)算公式，在施工現(xiàn)場(chǎng)直接把測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，只需要3～5 h就可以完成，效率至少提高5倍［8］。

（3）長(zhǎng)跨距對(duì)中方便。跨距越長(zhǎng)，鋼絲由于撓度的影響產(chǎn)生的測(cè)量誤差也就越大［9］。而激光沒(méi)有撓度，測(cè)量數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確，保證了施工技術(shù)的高要求和壓縮機(jī)施工質(zhì)量，優(yōu)勢(shì)明顯。

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Studyon Measurement ofAxiality Between Cylinder and Crosshead Guide Based on Straightness Measurement byL aser Alignment Instrument

DONG Yunbin
CNOOC-EnpalEngineering Co.，Ltd.，Qingdao 266061，China

The axiality between the cylinder and the crosshead guide is an important control index in the installation process of reciprocating compressor.Conventional measuring method with steel wire is tedious and with more restrictive conditions，so it is uneasy to control the accuracy.Although without the axiality measurement function，the laser alignment instrument could be used to measure the axiality between the cylinder and the crosshead guide by means of its straightness measurement function.The measuring principle is deduced through analyzing the measuring method of straightness.The measurement procedure of axiality is illustrated by taking 2 sets of reciprocating compressor units for example，which includes adjusting laser beam of laser alignment instrument，data measuring and computing，drawing axiality deviation diagram in CAD and measuring axiality value.This method has been successfully used for 18 cylinders of 7 sets of compressor units.The total accumulative time for axiality measurement is about 70 hours and the measurement efficiency increases 5 times compared to conventionalmeasuring method with steel wire.The compressor units have run normally for 3 years and significant economic benefits have been gained.

laser alignment instrument；reciprocating compressor；guide and cylinder；straightness；axiality

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.022

董云濱（1979-），男，山東青島人，工程師，2003年畢業(yè)于青島科技大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事總承包工程項(xiàng)目管理工作。Email：31494887@qq.com

2015-04-10；

2015-11-15